張袁娟

(河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

隨著爆破技術(shù)的普遍應(yīng)用，爆破振動的危害是亟需解決的問題，減震溝是一種應(yīng)用較為廣泛的減震手段。文獻(xiàn)[1] 采用ANSYS/LS-DYNA計算軟件建立了三種位置條件下減震溝的數(shù)值模型，運(yùn)用數(shù)值模擬手段分析減震溝不同位置的減震效果；文獻(xiàn)[2]針對減震溝不同的參數(shù)設(shè)置對地鐵隧道爆破減震效果進(jìn)行研究，并且運(yùn)用數(shù)值計算方法分析不同減震溝深度、減震溝與爆源之間的水平距離、減震溝寬度下爆破振動對隧道的影響進(jìn)行分析，為現(xiàn)場施工提供了一定的理論依據(jù)；文獻(xiàn)[3]利用DYNA數(shù)值模擬軟件，模擬了不同情況下減震溝的減震效果。通過數(shù)值模擬，比較了有無減震溝時的峰值振速分布和開挖面與減震溝距離變化時質(zhì)點(diǎn)的峰值震速衰減規(guī)律，分析了不同深度、不同寬度減震溝的減震效果，得出了減震效果和減震溝寬度以及深度之間的關(guān)系；文獻(xiàn)[4]針對減震溝中不同的填充物空氣、黃沙、水對爆破效果的減震作用進(jìn)行研究，經(jīng)過測振結(jié)果分析得出，充填物為空氣減震效果最好。本文在以上學(xué)者的研究基礎(chǔ)和相關(guān)成果的基礎(chǔ)上，對兩條減震溝的減震效果進(jìn)行分析，建立數(shù)值模擬模型，并結(jié)合現(xiàn)場試驗對數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行佐證，對現(xiàn)場施工有一定的指導(dǎo)意義。

1 炸藥參數(shù)和控制方程的選取

本文中炸藥采用高能炸藥模型MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN，控制方程選擇JWL狀態(tài)方程，該方程是專為描述炸藥等含能材料爆炸時的壓力特性而設(shè)定的一種狀態(tài)方程[5-7]，其表達(dá)式為：

(1)

式中：P為壓力，Pa；V為體積變化，R1、R2、ω、B和A為材料常數(shù)；E0為初始比內(nèi)能。

數(shù)值模擬中選用的2號巖石乳化炸藥具體參數(shù)為：炸藥的密度是950 kg/m3，狀態(tài)方程中的各參數(shù)取值分別為：E0=4.5E+9，R2=0.9，W=0.3，B=0.529E+9，R1=3.5，A=47.6E+9，炸藥的爆轟速度是3 600 m/s[6-10]。參照相關(guān)文獻(xiàn)選取巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

計算中采用的巖石力學(xué)參數(shù)，彈性模量37.4(GPa)，切線模量4.5(GPa)，巖石密度2 600(kg·m-3)，泊松比0.3。

2 數(shù)值模擬模型構(gòu)建

根據(jù)實(shí)際工況，分別建立一條減震溝和兩條減震溝的數(shù)值模型，爆破參數(shù)均相同：主爆孔直徑90 mm，臺階高度10 m，炮孔深度10.5 m，其中超深0.5 m，堵塞長度3 m，最小抵抗線3 m，距離臺階坡底線9 m。 在有一條減震溝的工況模型中，減震溝位于上部臺階處，距臺階頂部3 m，減震溝寬2 m，深3 m；在有兩條減震溝工況模型中，下部臺階處減震溝寬2 m、深3 m，距臺階坡底線3 m，距離爆源6 m，臺階上部減震溝寬2 m、深3 m；模型底部建立有0.5 m厚的巖石，底部和側(cè)面均設(shè)置為無反射邊界，建模采用的單位均為m-s-kg，計算時間為0.05 s。兩種工況數(shù)值模擬模型剖面分別如圖1(a)、(b)所示。

圖1 兩種工況剖面(m)

為了更好地描述有減震溝的兩種工況下對爆破振動的降振效果，引入相差比例因子的概念，其計算方法如公式(2)所示：

(2)

式中：η為相差比例；Vw為一條減震溝峰值振速；Vy為兩條減震溝峰值振速。

因建立的兩種工況數(shù)值模型不同，故單元劃分網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不同，為了方便文中節(jié)點(diǎn)振速的提取，記兩種模型自坡頂線中心節(jié)點(diǎn)依次為N1、N2、N3、N4和N5，沿炮孔中心軸線做剖面，分別對一條減震溝和兩條減震溝兩種工況模型以10 m為步距選取相同爆心距的節(jié)點(diǎn)并提取峰值振速，提取5個節(jié)點(diǎn)水平徑向、垂直向和水平徑向三個方向峰值振速，有減震溝模型分別如圖2(a)、(b)所示，兩種工況節(jié)點(diǎn)處提取峰值振速對比總結(jié)如表2所示。

圖2 減震溝有限元模型

圖3 爆破振動峰值典型歷程曲線

由表1可以看出，兩條減震溝的降振作用明顯大于1條減震溝的降振作用，通過對兩種工況的數(shù)值模擬進(jìn)行分析，兩條減震溝的數(shù)值模型，選取的節(jié)點(diǎn)處峰值振速明顯小于一條減震溝的數(shù)值模型。在水平徑向相差比例最大約為34%，垂直方向上最大的相差比例可達(dá)55.5%，水平切向相差比例最大可達(dá)60%，兩條減震溝的降振作用明顯優(yōu)于1條減震溝。

表1 一條減震溝和兩條減震溝兩種工況峰值振速對比

3 現(xiàn)場試驗

為了驗證減震溝的條數(shù)對爆破效果的影響?，F(xiàn)場試驗選擇在陜西某土石方平整工程中進(jìn)行，由于施工現(xiàn)場臨近民房，為了減少不必要的糾紛，需要嚴(yán)格地控制爆破振動，結(jié)合工程實(shí)際情況選擇減震溝減震方法。爆破施工采用90 mm孔徑，孔深9 m，孔距和排距均為3.5 m，現(xiàn)場測振實(shí)驗分別選擇在兩次爆破施工中進(jìn)行，一條減震溝選擇離爆源20 m處，兩條減震溝則分別為距離爆源20 m處和離保護(hù)對象20 m處。一條減震溝和兩條減震溝分別選擇兩次爆破施工中進(jìn)行，選取相同爆源區(qū)域、相同爆心距民房基礎(chǔ)處作為監(jiān)測點(diǎn)，爆破振動監(jiān)測對比實(shí)驗各向峰值振速對比分析如表2所示。

表2 兩種不同工況現(xiàn)場實(shí)驗峰值振速對比

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)可知，為保證此被保護(hù)磚混民用建構(gòu)筑物的絕對安全，爆破振動的最大峰值振動速度不應(yīng)大于1.0 cm/s，由表2可知，爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)均未超過規(guī)定值，因此被保護(hù)建筑物是安全的，但是由于爆破振動存在累積效應(yīng)，因此，爆破振動的作用越小則越好，由表1結(jié)合表3分析可以看出，實(shí)際工況的相差比例相比較數(shù)值模擬的較小，原因在于，數(shù)值模擬中假定的巖石為均質(zhì)同性體，而實(shí)際工況中巖體存在節(jié)理裂隙，因此實(shí)際工況相差比例相比數(shù)值模擬偏小，但對其的規(guī)律性不影響。

表3 各測點(diǎn)相差比例對比 %

4 結(jié) 語

本文通過數(shù)值模擬方法論證了兩條減震溝的降振作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于一條減震溝的工況，并結(jié)合現(xiàn)場爆破振動試驗及監(jiān)測數(shù)據(jù)對數(shù)值模擬提出的結(jié)論進(jìn)行了分析和佐證，得出以下結(jié)論：

1) 減震溝對爆破振動峰值有明顯的降低作用。數(shù)值模擬中兩條減震溝的降振作用明顯優(yōu)于一條減震溝，并且爆源附近減震溝的設(shè)置彌補(bǔ)了爆破振動監(jiān)測儀器不能靠近爆源的不足；

2) 由數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，兩種工況的相差比例最大可達(dá)到60%，得出兩條減震溝的降振作用明顯優(yōu)于一條的。但數(shù)值模擬中設(shè)置的巖石為均質(zhì)同性體，而現(xiàn)場試驗中，巖石存在復(fù)雜的節(jié)理裂隙，因此相差比例是小于數(shù)值模擬的，但是對其的規(guī)律性無影響。

由以上的分析可以得出，減震溝對爆破振動有明顯的降振作用，多條減震溝的降振作用更加明顯。隨著精細(xì)化爆破理念的提出，減震溝位置的選擇、減震溝的條數(shù)、減震溝的耦合介質(zhì)以及減震溝參數(shù)等因素對降振作用的影響都是需要深入研究的問題。