爆炸荷载作用下围岩累积损伤效应的数值分析.pdf

第33 卷 第1 期 2016 年3 月 爆 破 BLASTING Vol33 No1 Mar2016 doi 103963/ j issn1001 -487X201601006 爆炸荷载作用下围岩累积损伤效应的数值分析* 潘 城， 赵光明， 孟祥瑞 （安徽理工大学 能源与安全学院， 淮南 232001） 摘 要 巷道爆破开挖推进过程中， 循环爆破开挖的多次扰动作用使保留岩体产生累积损伤， 导致岩体力学 参数的弱化， 从而造成工程岩体的宏观失效。利用 ANSYS/ LS-DYNA 的重启动技术， 通过损伤云图和损伤变量 D 的变化， 对圆形巷道循环进尺过程中爆破作用下的岩体累积损伤效应进行研究。计算结果表明 随着掌子面 推进爆破次数的增加， 围岩的损伤程度加深， 但影响深度变化较小； 在装药量和爆心距不变的情况下， 损伤量与 爆破次数之间有很好的非线性关系， 即爆破损伤的累积具有非线性特性。 关键词 爆炸力学；累积损伤；围岩；数值分析 中图分类号 TD2351 4 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2016） 01 -0030 -04 Numerical Analysis of Surrounding Rock Cumulative Damage under Explosion Loading PAN Cheng， ZHAO Guang-ming， MENG Xiang-rui （School of Mining and Safety， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China） Abstract During excavation of tunnel works with drilling and blasting ， the multiple disturbance effect al- ways makes damage to the remaining rock mass， which weakens the rock mass mechanics parameters and the macro failure of engineering rock mass The ANSYS/ LS-DYNA was utilized through the change of damage nephogram and the amount of damage D， the evolution process of rock damage under frequent explosions was studied Results show that， with the increasing number of blasting， the damage degree on surrounding rock got enhanced， but the influence depth became smaller On the condition of constant charge weight and blast center distance， the damage and blasting times show good nonlinear relation characteristic Key words explosion mechanics；cumulative damage；surrounding rock；numerical simulation 收稿日期 2015 -11 -12 作者简介 潘 城 （1989 - ） ， 男， 安徽淮北人， 硕士研究生， 主要从事爆 炸冲击动力学方面研究，（E-mail） 1107531642 qq com。 通讯作者 赵光明 （1976 - ） ， 男， 安徽桐城人， 博士、 教授、 博士生导师， 主要从事岩石动力学和矿山压力方面的教学与研究，（E- mail） guangmingzhao163 com。 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51174005、 51374013、 51274008、 51134012） ；高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 （20133415110006、 20123415130001） ； 霍英东青年教师基 金基础性研究资助课题 （121050） ； 安徽高校省级自然科学 研究重点项目 Kj2011A085； 安徽省学术和技术带头人及 后备人选科研活动经费项目 （DG073） 爆破开挖是水利水电、 交通和采矿中边坡及地 下洞室的主要开挖手段。然而爆破开挖过程中， 无 论采用何种控制爆破方式， 都不可避免地会对保留 岩体产生损伤， 导致岩体力学性能劣化， 从而威胁工 程的安全稳定 ［1］。近几十年来， 国内外学者关于单 次爆炸荷载作用下诱发的岩体损伤效应取得了较多 的研究成果 ［2-5］。但矿山实际生产中往往采用浅孔 多循环进尺的方式， 这就意味着某一区域的围岩将 会受到多次爆破开挖扰动作用。因此， 只研究某次 爆炸荷载作用下的岩体损伤情况， 无法全面揭示巷 道循环进尺爆破作业中岩体的损伤和失稳作用机 理。Xiao 等通过研究岩石在循环载荷作用下疲劳 损伤的演化， 得出倒 S 非线性疲劳累积损伤模 型 ［6］。闫长斌等基于围岩损伤的声波测试， 得出岩 体损伤量 D 随着爆破次数的增加而呈现非线性累 积规律 ［7］。孙金山等通过声波测试技术， 指出在药 量和爆心距不变时， 后期随着爆破次数的增加 （25 次以内） ， 损伤总量呈现线性趋势增长 ［8］。该规律 与闫长斌等人研究得到的规律略有差异 ［7］。因此， 关于多次爆破下岩体累积损伤的叠加关系仍需进一 步研究。 数值仿真作为一种十分有效的研究手段， 可以 提供爆炸响应的整个过程， 便于清晰理解过程中发 生的现象。它已成为研究爆炸力学问题的常用方 法。借助有限元程序 ANSYS/ LS-DYNA 对岩体中的 循环爆破过程进行数值分析， 研究岩体的损伤累积 效应。 1 数值计算模型及材料参数 考虑到真实爆破中多孔爆破装药的复杂性， 模 拟计算中采用简单的单孔模型进行 5 次小药量的爆 破分析。该计算过程中的难点在于 如何实现岩体 的累积损伤计算， 即如何在后一次爆破计算中继承 前一次爆破开挖产生的损伤影响， 并将前一次爆破 的计算结果作为后一次爆破的初始条件； 同时如何 实现后一步爆破计算时的炸药材料添加， 因为根据 实际生产， 在进行前一次爆破时， 实现后一次爆破开 挖的炸药并不存在。针对以上问题， 基于 LS-DYNA 的重启动技术， 利用*STRESS INITIALIZATION 等 关键字实现后一次爆破对前一次爆破计算结果中的 应力、 位移等相关变量的继承； 利用*DELETE PART 等关键字删除前一次爆破时的炸药单元， 同 时修改材料模型添加后一次爆破时的炸药单元， 从 而实现整个循环爆破过程中岩体的累积损伤演化。 1 1 计算模型 数值计算中岩体的直径为1000 mm， 长1000 mm， 炮孔直径为 32 mm， 装药长度 70 mm， 堵塞长度 30 mm， 采用耦合装药， 反向起爆。为了减少机时， 作如下处理 （1） 堵塞材料与岩体采用相同材料。 （2） 根据计算模型的对称性， 计算时取 1/4 模 型， 如图 1 所示， 下边界和右边界设为对称约束边 界； 除正面设为自由面外， 其他面均设为无反射边界 以减少边界应力波反射的影响。 （3） 炸药和岩体的单元类型均采用 SOLID164， 网格单元形状为八节点六面体， 采用变步长方式进 行网格划分， 靠近炸药的区域网格划分较密， 而远离 炸药的区域网格划分的稀疏， 网格划分如图 2 所示， 整个模型共划分 519680 个单元。 同时为了研究岩体的累积损伤与爆破次数之间 的关系， 在装药量、 装药方式和起爆方式相同的情况 下， 在同一剖面上距离每次起爆点相同位置布置测 点 1 5 （图 1） 。 图 1 数值计算模型 （单位 mm） Fig 1 Numerical calculation model （unit mm） 1 2 炸药和岩石材料参数 数值计算中， 炸药采用 jWL 状态方程， 岩石选 用 HjC （jOHNSON-HOLMQUIST-CONCRETE） 本构 模型， 该模型能够反映混凝土、 岩石等脆性材料在大 变形、 高应变率和高围压下材料损伤失效动态响应， 并且通过引入损伤变量 D 反映材料的非弹性变形 积累对岩石的影响， 各模型的主要参数参见文献 ［9、 10］ 。 HjC 本构模型可表示为 ［11］ σ*［A （1 - D） BP*N］（1 C lnε*） （1） 式中 σ* σ/ fc为归一化等效应力； σ 为实际等效 应力，fc为材料静态抗压强度； P* P/ fc为标准化 静水压力， P 为真实静水压力；ε* ε/ ε0为无量纲 的应变率，ε 是真实应变率，ε0是参考应变率； D 为 损伤度， 定义为损伤体积所占的比例； A 为给定压力 下无损伤强度与完全损伤强度之差， 即标准化内聚 13第33 卷 第1 期 潘 城， 赵光明， 孟祥瑞 爆炸荷载作用下围岩累积损伤效应的数值分析 力强度； B 为标准化压力硬化系数； C 为应变率系数； N 为压力硬化系数。 图 2 有限元网格划分 Fig 2 Numerical calculation model 损伤演化方程为 D ∑ ΔεP ΔμP εfP μ f P ∑ ΔεP ΔμP D1（P* T*） D2（2） 式中 ΔεP和 ΔμP为一个计算循环内单元的等效塑 性应变增量和塑性体积应变增量； εfP 、 μ f P 为常压下 压碎的等效塑性应变和塑性体积应变； T* T/ fc为 材料所能承受的标准化最大拉伸应力， T 为材料最 大拉伸应力； D1和 D2是材料损伤常数。 2 模拟结果分析 2 1 单次爆破对围岩的损伤 ANSYS/ LS-DYNA 为有限元程序， 有限元法是 建立在连续介质力学基础上的， 因此爆破造成的介 质抛掷现象是不能模拟的。由于选用的岩石模型自 含损伤变量 D， 可以通过损伤云图来判断裂纹的扩 展， 其中损伤变量 D 1 的区域为完全损伤区即粉 碎区， D 介于 0 与 1 之间为损伤区即裂隙区， 较远区 域 D 0 时为无损伤区即弹性区。图 3 为垂向上距 离药柱中心不同位置的损伤变量曲线， 从图中可以 看出， 距离药柱不同位置岩石损伤情况是不同的， 其 中粉碎区的范围为 3 5R， 损伤区的范围为 3 5 11 0R， 大于 11 0R 的岩体区域为弹性区。 图 3 垂向上距离药柱中心不同位置的损伤曲线 Fig 3 Damage curves at different positions from the medicine column center in the vertical 2 2 多次爆破对围岩的损伤 巷道掘进爆破中， 前一次爆破为后一次爆破提 供了新自由面， 因此需要确定开挖范围。通过上文 分析可以取 3 5R 以外部分为保留岩体， 结合前文 提到的累积损伤仿真技术， 得到 5 次爆破下保留岩 体的累积损伤变化过程如图 4 所示。计算结果表 明， 第一次爆破后保留岩体产生了一定程度的损伤， 但在炮孔中部截面部位产生的损伤程度最大。随着 掌子面推进爆破次数的增加， 使得围岩损伤程度继 续加深， 但影响深度变化较小。 图 4 循环爆破作用下围岩累积损伤变化局部放大图 Fig 4 Partial enlargement of accumulated damage in surrounding rocks due to blastings 23爆 破 2016 年3 月 为了进一步说明， 图 5 给出了 1 5 5 个监测 点的累积损伤曲线， 从图中可以看出， 随着掌子面推 进爆破次数的增加， 后续爆破将对已开挖处的保留 围岩继续产生损伤效应， 但首次爆破对于围岩造成 的损伤最大。以 1测点的损伤演化为例， 首次爆破 后该测点处的损伤量为 0 019， 第 3 次爆破后损伤 量增至 0 027， 整个过程 （5 次爆破） 损伤增量为 0 008小于首次爆破造成的损伤。其中第 2 次、 第 4 次和第 5 次爆破后测点处的损伤未变化， 说明岩体 的损伤存在一定的能量阀值 ［12］， 只有当能量达到或 超过阀值后， 破坏现象才会发生， 否则岩体状态保留 在前一状态。这种不连续变化现象很好的说明了岩 体为什么在一定状态下没有发生破坏， 而在持续的 爆破荷载扰动下发生了地质灾变。 图 5 测点处累积损伤曲线 Fig 5 Cumulative damage curve of measuring point 此外， 图 5 中还可以看出在药量相同的情况下， 随着掌子面推进， 开挖至不同洞段时， 每个开挖步相 应测点损伤情况并不相同。为了说明岩体的累积损 伤与爆破次数之间的关系， 通过对每个开挖步相应 测点的首次损伤量进行回归分析， 图 6 给出了拟合 的函数为 D - 0 0005N3 0 0052N2- 0 0101N 0 0244 （3） 式中 D 为损伤量； N 为爆破次数。 图 6 岩体累积损伤与爆破次数关系曲线 Fig 6 Relation between rock damage and distance under different blasting times 因为 R2 0 991 ＞ 0 99， 说明损伤量与爆破次 数之间有很好的非线性关系， 即爆破损伤的累积具 有非线性特性， 这与闫长斌等基于围岩损伤的声波 测试得到的规律符合 ［7］。 3 结论 通过上述分析和讨论， 得到以下主要结论 （1） ANSYS/ LS-DYNA 可以有效的分析岩体在 爆炸冲击荷载作用下的损伤演化过程。通过引入并 输出 HjC 模型中的损伤变量 D， 得到岩体在多次爆 炸荷载作用下的损伤分布和演化规律。 （2） 岩体的损伤是不连续的过程， 具有明显的 台阶效应。因此爆炸荷载导致地下工程岩体宏观失 效的过程并不是一次爆破所造成的， 而是多次爆破 共同作用的结果， 即岩体在强冲击荷载作用下的累 积损伤弱化效应是存在的。 （3） 在装药量和爆心距不变的情况下， 损伤量 与爆破次数之间有很好的非线性关系， 即爆破损伤 的累积具有非线性特性。 参考文献 （References） ［1］ 杨小林， 王梦恕， 王树仁 爆破对岩体基本质量的影响 及试验研究 ［j］ 岩土工程学报， 2000， 22 （4） 461- 464 ［1］ YANG Xiao-lin， WANG Meng-shu， WANG Shu-ren Blas- ting effects on basic quality of rock mass and its experi- mental investigation ［j］ Chinese journal of Geotechnical Engineering， 2000， 22 （4） 461-464 （in Chinese） ［2］ THABET A， HALDANE D Three-dimensional numerical simulation of the behavior of standard concrete test speci- mens when subjected to impact loading ［j］ Computers Structures， 2001， 79 21-31 ［3］ 刘运通， 高文学 爆炸荷载下岩石损伤的数值模拟研 究 ［j］ 岩石力学与工程学报， 2001， 20 （6） 789-792 ［3］ LIU Yun-tong， GAO Wen-xue Numerical simulations on rock damage under explosion loading ［j］ Chinese journal of Rock Mechanics and Engineering， 2001， 20 （6） 789- 792 （in Chinese） ［4］ 夏 祥， 李俊如， 李海波， 等 广东岭澳核电站爆破开 挖岩体损伤特征研究 ［j］ 岩石力学与工程学报， 2007， 26 （12） 2510-2516 ［4］ XIA Xiang， LI jun-ru， LI Hai-bo， et al Study on damage characteristics of rock mass under blasting load in 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