于建新， 李真珍， 高帥杰, 張英才

(1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院， 焦作 454003； 2.河南迅達(dá)爆破有限公司， 焦作 454000)

水下爆破的工作原理與其他地面式爆破相似，但水下爆破是在水中或水下巖層中實(shí)施，其受水的影響較大，需參照水體的基本特征，對(duì)爆破器材、爆破方法等進(jìn)行改進(jìn)實(shí)施[1]。隨著鉆孔機(jī)械設(shè)備的改進(jìn)，水下鉆孔爆破已成為水下爆破的主要施工方法之一。

水下鉆孔爆破技術(shù)主要是將炸藥直接埋藏在一些巖石或水工建筑物中，爆炸過程中由于爆發(fā)的能量分布規(guī)律、沖擊波的傳播特性[2-4]以及對(duì)邊界環(huán)境條件的作用等因素而造成的影響，這種爆破技術(shù)不同于將炸藥直接在水介質(zhì)中爆炸而引起的水下沖擊波特征[5-7]。柴修偉[8]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單一自由面和水介質(zhì)被堵塞時(shí)，沖擊波壓力峰值是動(dòng)水運(yùn)動(dòng)和炮孔附近水中氣泡脈動(dòng)壓力的疊加，在兩個(gè)自由面的水下臺(tái)階進(jìn)行爆破，在垂直水底相同方向的水中，沖擊波壓力衰減得最快。梁禹等[9]、王宏[10]結(jié)合長(zhǎng)江太子磯航道炸礁工程，通過ANSYS/LS-DYNA軟件分析，得出了最佳的堵塞長(zhǎng)度為140 cm左右。周俊汝等[11]基于彈性波動(dòng)理論，數(shù)值模擬研究了垂直鉆孔爆破激發(fā)的振動(dòng)波頻率衰減特性，得出：高頻對(duì)應(yīng)幅值衰減較快，爆破振動(dòng)譜曲線整體向低頻方向偏移。李元龍等[12]利用AUTODYN軟件，數(shù)值模擬水下爆炸沖擊波沖擊屏蔽裝藥的過程得出，主炸藥裝藥量增加和屏蔽擋板厚度減小，水下爆炸沖擊波對(duì)屏蔽裝藥的臨界起爆距離減小。胡冬冬等[13]通過結(jié)合ANSYS/LS-DYNA 數(shù)值模擬，驗(yàn)證得出水介質(zhì)不耦合狀態(tài)下的最佳鉆孔爆破裝藥結(jié)構(gòu)形式。

中外學(xué)者通過理論分析、模型實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬等方法，對(duì)水下深孔爆破時(shí)能量分布、沖擊波傳播特征以及炮孔裝藥量等相關(guān)問題進(jìn)行了研究[14-16]，但針對(duì)水下深孔爆破時(shí)，爆炸產(chǎn)生的沖擊波對(duì)圍巖體的損傷研究相對(duì)較少。針對(duì)水下深孔爆破的特點(diǎn)，采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，對(duì)水下單孔爆破、多孔爆破對(duì)圍巖體及上部水體的影響、水下深孔爆破時(shí)不同起爆位置對(duì)圍巖體的損傷規(guī)律進(jìn)行研究，以期對(duì)于水下炮孔爆破提供一定指導(dǎo)。

1 水下深孔爆破數(shù)值模擬

1.1 模型的建立

利用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬軟件，建立模型。模型長(zhǎng)20 m、高20 m，水深10 m，炮孔深度4 m，堵塞長(zhǎng)度1.5 m，炮孔間距2.2 m，炮孔直徑110 mm，藥卷直徑70 mm，如圖1所示。同時(shí)此模型可以用來研究不同炮孔數(shù)量同時(shí)起爆、不同起爆點(diǎn)等條件下，爆破對(duì)圍巖的損傷規(guī)律及對(duì)上部水域的影響。模型兩側(cè)和底部設(shè)為非反射邊界條件，單孔爆破時(shí)，將其他炮孔材料參數(shù)更改為巖石參數(shù)。

圖1 爆破模型Fig.1 Blasting model

1.2 模型材料參數(shù)

1.2.1 炸藥模型

炸藥模型基于LS-DYNA程序中的炸藥材料模型，利用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和*EOS-JWL狀態(tài)方程模擬爆炸過程中壓力與體積的關(guān)系，其狀態(tài)方程為

(1)

式(1)中：P為炸藥爆炸產(chǎn)生的壓力，MPa；V為氣體相對(duì)體積，m3；E0為單位炸藥初始內(nèi)能，A、B、R1、R2、ω為JWL狀態(tài)方程參數(shù)。材料參數(shù)如表1所示。

表1 炸藥的主要參數(shù)Table 1 The main parameters of explosives

1.2.2 水的材料模型

使用LS-DYNA自帶的MAT_NULL材料模型和EOS-GRUNEISEN狀態(tài)方程，描述水介質(zhì)材料，其狀態(tài)方程為

(2)

式(2)中：P為壓力；C為曲線截距；S1、S2、S3為曲線斜率的系數(shù)；γ0為GRUNEISEN常數(shù)；α為初始體積修正因數(shù)；E0為單位體積初始能量；μ=ρ/ρ0-1；ρ為材料密度；ρ0為材料初始密度，主要力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 水的主要參數(shù)Table 2 The main parameters of water

1.2.3 巖石材料模型

目前，巖土工程方面應(yīng)用較多的本構(gòu)模型有Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型。然而，對(duì)于巖石材料來講，需要同時(shí)考慮應(yīng)變率效應(yīng)和損傷對(duì)巖石強(qiáng)度、破壞應(yīng)變的影響,本文中選取JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE損傷本構(gòu)模型，ANSYS/LS-DYNA軟件中，該材料模型編號(hào)為111。該模型由Holmquist等[17]在1993年提出，考慮了混凝土和巖石在高應(yīng)變率和大變形下的模擬，模型演化方程及參數(shù)參考文獻(xiàn)[18]。

(1)等效強(qiáng)度模型。模型考慮了應(yīng)變率、損傷、應(yīng)變等方面的效應(yīng)，規(guī)范化等效應(yīng)力來描述其強(qiáng)度，公式為

(3)

(2)損傷演化方程。模型中的損傷因子D，用來形容巖石失效破壞時(shí)的損傷程度，其計(jì)算公式為

(4)

式(4)中：Δεp為等效塑性應(yīng)變?cè)隽浚沪う蘰為等效體應(yīng)變?cè)隽?；D1和D2為損傷常數(shù)；T*為材料所承受的最大拉伸靜水壓力。

JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE本構(gòu)模型中，將巖石材料的狀態(tài)方程分為三個(gè)階段。

第一階段：彈性階段。

P=keμ

(5)

式(5)中:Ke為體積模量；μ=V0/V-1為體積應(yīng)變，V0為單元現(xiàn)時(shí)的體積，V為初始體積。

第二階段：壓密階段。

P=Pcrush+Kcrush(μ-μcrush)

(6)

式(6)中：Pcrush為彈性極限靜水壓力值；Kcrush=(Plock-Pcrush)/(μlock-μcrush)壓實(shí)點(diǎn)的體積模量，Plock為孔隙壓實(shí)的壓力，μlock為孔隙壓實(shí)的體應(yīng)變；μcrush為彈性極限壓力對(duì)應(yīng)的體應(yīng)變。

實(shí)驗(yàn)采用10 kVA變壓器,該變壓器飽和磁密為1.6 T,磁路長(zhǎng)度為0.71 m,通過外加臨時(shí)繞組的測(cè)試方法[12]測(cè)得變壓器低壓側(cè)繞組匝數(shù)為230匝,則通過計(jì)算估計(jì)變壓器飽和時(shí)勵(lì)磁電流為0.561 A。在低壓側(cè)施加直流電流,為防止變壓器進(jìn)入飽和狀態(tài),選擇直流電流變化范圍為0～0.5 A。傳感器激勵(lì)繞組選取為200匝,檢測(cè)繞組匝數(shù)為100匝,均勻繞制在磁芯上。為讓磁芯易進(jìn)入飽和狀態(tài),磁芯采用高磁導(dǎo)率的鈷基非晶材料,材料的基本參數(shù)如表1所示。

第三階段：壓縮變形階段。

(7)

表3 巖石HJC模型參數(shù)Table 3 Parameters of rock HJC model

1.3 數(shù)值模擬方案

表4 數(shù)值模擬方案Table 4 Scheme of simulation

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.1 柱狀裝藥單孔爆破

為了研究柱狀裝藥單孔爆破時(shí)，爆破孔周圍巖體和上部水體所受到的影響，建立模型1，并提取爆破過程中的典型壓力云圖及圍巖損傷破壞云圖，如圖2、圖3所示。

從圖2中可以看出，炮孔所產(chǎn)生的炮轟壓力主要集中在孔柱周圍的巖體，上部水體所受爆炸的影響比炮孔周圍巖體所受影響小很多。從圖3中可以看出，炮孔破壞范圍主要沿炮孔徑向方向擴(kuò)展，底部出現(xiàn)兩條明顯的“八字形”損傷裂紋。從理論上分析，炸藥起爆時(shí)應(yīng)力值最大，應(yīng)力波陣面呈柱面且沿垂向傳播，當(dāng)應(yīng)力波傳至巖石與水體接觸面時(shí)產(chǎn)生反射波，從而上部水體受爆炸影響比炮孔周圍巖體所受影響小。

圖2 壓力云圖Fig.2 Pressure nephogram

為研究柱狀裝藥單孔爆破時(shí)對(duì)圍巖的損傷規(guī)律，取如圖3所示的兩個(gè)監(jiān)測(cè)單元H265498和H272103，監(jiān)測(cè)這兩單元的壓力和損傷情況并繪制相應(yīng)時(shí)程曲線，如圖4所示。

圖3 巖石損傷云圖Fig.3 Nephogram of rock damage

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)程曲線Fig.4 Pressure time-history curve of monitoring point

從兩個(gè)單元的計(jì)算時(shí)程曲線可以看出，兩個(gè)單元壓力在達(dá)到第一個(gè)峰值之后，經(jīng)過一段時(shí)間出現(xiàn)了第二次上升，損傷程度也隨著第二次壓力的上升再次增加。理論分析認(rèn)為，這是由于此柱狀裝藥起爆點(diǎn)在底端，起爆后炸藥由下向上傳爆，下部炸藥和上部炸藥在到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置時(shí)會(huì)存在時(shí)間差，應(yīng)力波在“八字形”裂紋區(qū)域疊加，引起壓力的二次上升，在第一次損傷的基礎(chǔ)上出現(xiàn)累積損傷。

2.2 不同起爆點(diǎn)條件下巖石的損傷

圖5 巖石損傷云圖Fig.5 Nephogram of rock damage

研究三種不同起爆方式下炮孔底部相同位置處巖石的損傷規(guī)律，提取“八字形”裂紋附近相同位置處的兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)H265498、H272103(圖5),得到在三種爆炸形式下的損傷時(shí)程曲線如圖6所示。

從圖6中可以看出，底部起爆模式下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)損傷明顯遠(yuǎn)大于另外兩種模式。分析可知其原因在于，底部起爆時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于“八字形”裂紋上，另外兩種模式下，“八字形”裂紋下移，監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)在應(yīng)力波的非加強(qiáng)疊加區(qū)域，故損傷程度遠(yuǎn)小于底部起爆模式下的損傷。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)損傷時(shí)程曲線Fig.6 Damage time-history curve of monitoring points

為研究三種不同起爆方式下炮孔底部巖石損傷深度，三種模式下炮孔底部相同位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)H258138監(jiān)測(cè)其損傷情況，監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取如圖7所示，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖7 炮孔底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置Fig.7 Position of bottom monitoring point of blasthole

從圖8的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，炮孔底部一定深度統(tǒng)一位置，中點(diǎn)起爆損傷最大，兩點(diǎn)起爆其次，底部起爆損傷最小。這說明底部起爆模式下，炮孔底部巖石損傷深度最小。由于炸藥起爆后，應(yīng)力波沿藥柱方向傳播，轟爆產(chǎn)生的應(yīng)力波疊加，即在遠(yuǎn)離起爆點(diǎn)位置應(yīng)力場(chǎng)最強(qiáng)。兩點(diǎn)起爆時(shí)，波陣面相向而行在中部疊加，應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到峰值。所以在中點(diǎn)起爆時(shí)炮孔底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)損傷最大。

圖8 底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)損傷時(shí)程曲線Fig.8 Damage time-history curve of bottom monitoring point

2.3 不同起爆點(diǎn)條件下水體影響范圍

為研究單孔爆破不同起爆位置對(duì)應(yīng)力波在水中傳播的影響[19]，在炮孔正上方水體中選取如圖9所示的監(jiān)測(cè)點(diǎn)H47456和監(jiān)測(cè)點(diǎn)H62614，分析三種不同起爆方式下該點(diǎn)的所受壓力情況，如圖10所示。

圖9 水中監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置Fig.9 Position of monitoring points in water

圖10 水中監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)程曲線Fig.10 Pressure time-history curve of water monitoring points

結(jié)果表明：三種起爆模式下，水體相同位置的壓力時(shí)程曲線形態(tài)基本一致，底部起爆模式下的壓力峰值最大，中點(diǎn)起爆模式下的壓力峰值最小，說明中點(diǎn)起爆模式下，水下單孔爆炸對(duì)水體的影響范圍小于另外兩種情況。底部起爆模式下，應(yīng)力波到達(dá)統(tǒng)一監(jiān)測(cè)位置的時(shí)間和傳播路徑大于其他兩種起爆方式，應(yīng)力波沿孔柱疊加，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在遠(yuǎn)離起爆點(diǎn)位置處。所以底部起爆下，相同位置水體的壓力峰值最大。

2.4 不同數(shù)目炮孔起爆下巖石損傷

為了研究不同數(shù)目的炮孔，同時(shí)起爆對(duì)圍巖的損傷，選取1、2、3、5個(gè)炮孔分別底部同時(shí)起爆，建立模型1、5、6、7，提取巖石損傷云圖如圖11所示。

圖11 不同數(shù)目炮孔起爆巖石損傷云圖Fig.11 Nephogram of rock damage induced by different number of blast holes

從圖11可以看出，雙孔、三孔和五孔起爆損傷云圖的形態(tài)相似，向下?lián)p傷深度沒有明顯的增加，損傷范圍隨著炮孔數(shù)目的增加而橫向擴(kuò)展，爆炸區(qū)域下方兩邊角處都存在數(shù)條橫向和縱向裂紋，并且這些裂紋隨著炮孔數(shù)目的增加而繼續(xù)向外擴(kuò)展。由于相鄰炸藥起爆產(chǎn)生的應(yīng)力波疊加，破碎區(qū)相互貫通，使損傷范圍橫向擴(kuò)展。

多孔同時(shí)爆破相對(duì)單孔爆破而言，巖體沿炮孔徑向方向損傷規(guī)律是一致的，向底部方向的損傷因多個(gè)孔爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波在底部產(chǎn)生復(fù)雜的疊加效應(yīng)，而與單孔爆破下的損傷規(guī)律有很大區(qū)別，特別是在爆破范圍的底部?jī)山翘?，損傷規(guī)律復(fù)雜。

3 結(jié)論

(1)水下單孔爆破時(shí)圍巖損傷范圍主要沿炮孔徑向方向擴(kuò)展，沿垂直于炮孔方向衰減。炮孔底部出現(xiàn)兩條明顯的“八字形”損傷裂紋，且因炸藥上下傳爆存在時(shí)間差，應(yīng)力波在“八字形”裂紋區(qū)域疊加，引起累積損傷。

(2)水下單孔爆破時(shí)，底部起爆比中點(diǎn)起爆和三分點(diǎn)兩點(diǎn)起爆，向下對(duì)圍巖的損傷深度更小，但對(duì)上部水體的影響最大；中點(diǎn)起爆對(duì)圍巖的損傷深度最大，但對(duì)水體的影響最小。

(3)多孔爆破時(shí)，損傷范圍隨著炮孔數(shù)目的增加而橫向擴(kuò)展，爆炸區(qū)域下方兩邊角處都存在數(shù)條橫向和縱向裂紋，并且這些裂紋隨著炮孔數(shù)目的增加而繼續(xù)向外擴(kuò)展。