柱状装药两点起爆加固黄土软基数值模拟研究.pdf
第3 3 卷第3 期 爆破 V o l 3 3N o .3 2 0 1 6 年9 月B L A S T I N G S e p .2 0 1 6 d o i 1 0 .3 9 6 3 /j .i s s n .1 0 0 1 - 4 8 7 X .2 0 1 6 .0 3 .0 0 8 柱状装药两点起爆加固黄土软基数值模拟研究木 周双涛8 ,李海超6 ,王志鹏3 军事交通学院a .研究生管理大队.b .国防交通系,天津3 0 0 1 6 1 摘要运用A N S Y S /L S .D Y N A 有限元仿真软件对柱状装药两点起爆加固黄土软基进行模拟研究。重点 模拟爆炸扩腔过程、土壤加固过程和土中应力变化情况,并对应力波碰撞叠加出现的马赫反射进行分析。与 先前完成的土中爆炸加固试验结果进行对比,两者闾的误差为1 4 .3 %,说明模拟能较好吻合试验结果。研 究结果表明柱状装药两点起爆对黄土软基的加固效果优于一点起爆。 关键词爆炸;黄土软基;数值模拟;两点起爆;柱状装药 中图分类号0 3 8 2 .2文献标识码A文章编号1 0 0 1 - 4 8 7 X 2 0 1 6 0 3 0 0 4 1 0 6 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fR e i n f o r c i n gS o f tL o e s sF o u n d a t i o n b yC o l u m nC h a r g e 、订t hT w o - s p o tI n i t i a t i o n Z H O US h u a n g .t a 0 8 ,L IH a i .c h a 0 5 ,W A N GZ h i - p e n 9 8 a .P o s t g r a d u a t e sT r a i n i n gB f i d g e ;b .N a t i o n a lD e f e n s eT r a n s p o r t a t i o nD e p a r t m e n t , M i l i t a r yT r a n s p o r t a t i o nU n i v e r s i t y ,T i a n j i n3 0 0 1 6 1 ,C h i n a A b s t r a c t T h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r eA N S Y S /L S .D Y N Aw a su s e dt os i m u l a t et h er e i n f o r c e m e n to f t h el o e s ss o f tf o u n d a t i o nb yc o l u m nc h a r g ew i t ht w o s p o ti n i t i a t i o n .S p e c i a l l y ,t h ep r o c e s so fe x p a n d i n gc a v i t y ,t h es o i l d e n s i t ya n dt h es t r e s sc h a n g ew e r es i m u l a t e d ,a n dt h eM a h e rr e f l e c t i o nw a v ef r o mt h es t r e s sw a v ec o l l i s i o nw a sa l s o d i s c u s s e d .C o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so ft h ep r e v i o u s l yc o m p l e t e ds o i lr e i n f o r c e m e n t ,t h ee l T o rw a s1 4 .3 %,w h i c hi n 。 d i c a t e st h a ts i m u l a t i o nf i t t e dt e s tr e s u l t sw e l l .T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e i n f o r c e m e n te f f e c to ft w o s p o ti n i t i a t i o no n t h es o f t s o i lf o u n d a t i o no fc o l u l n nc h a r g eW a sb e t t e rt h a nt h ec a s eo fo n ei n i t i a t i o n ,w h i c hw o u l dh e l pt h el a y o u to ft h e e x p l o s i v ei nt h el o e s ss o f tf o u n d a t i o nw i t hm u l t i p l e - p o i n ti n i t i a t i o n i nf u t u r e . K e yw o r d s e x p l o s i o n ;l o e s ss o f tf o u n d a t i o n ;n u m e f i c Ms i m u l a t i o n ;t w oe n d si n i t i a t i o n ;c o l u m nc h a r g e 目前,国内外在处理软土地基时,通常会引入爆 破挤密土体技术进行土壤加固。其基本原理是炸药 在土中爆炸产生的高温高压气体作用于土体,形成 爆腔的同时腔体周围土体受到一定挤压,再向腔体 逐层填料并压实即可实现爆破挤密软土地基技术。 收稿日期2 0 1 6 0 7 1 5 作者简介周双涛 1 9 9 2 一 ,男,硕士研究生,从事国防交通工程抢 修抢建理论与技术研究, E m a i l 3 0 5 6 4 3 5 3 0 q q .C O r n 。 通信作者李海超 1 9 6 9 一 ,女,副教授、河北工业大学在读博士,现 于美国阿克伦大学做访问学者,从事国防交通工程抢修抢 建理论与技术研究, E m a i l 1 7 2 9 5 1 7 3 6 6 q q .c o r n 。 基金项目河北省交通运输厅科技计划项目一高填方路堤软弱区域 爆破挤密加固新技术研究 2 0 1 4 0 6 2 9 在施工中需要重点考虑爆后土壤的加固效果,由于 爆破加固土壤试验的复杂性以及测量较困难,所以 难以进行大规模、多次试验。因此,爆炸流体动力学 数值模拟技术则是研究该问题的重要手段⋯。针 对爆炸荷载作用下土壤加固研究现状,在承德黄土 软基加固试验的基础上运用数值模拟软件A N S Y S / L S .D Y N A 研究柱状装药两点起爆加固土壤情况,分 析爆炸的扩腔过程、土壤应力及土壤密度的变化情 况。探寻爆炸法加固黄土软基的规律,为工程实践 提供理论指导和技术支持。 曹雄等运用A N S Y S /L S .D Y N A 软件建模并分 万方数据 4 2爆破 2 0 1 6 年9 月 析起爆点个数对环形传爆药柱输出波形的影响,并 进行了试验验证旧J ,通过对比发现利用多点同步起 爆环形传爆药柱能有效提高传爆药柱的输出威力, 得出增加起爆点个数有利于提高环形传爆药柱的能 量输出的结论。张金勇等设计出环锥形传爆药装药 结构,并利用A N S Y S /L Y - D Y N A 软件分析起爆点个 数对爆后应力波输出的影响,通过研究表明利用多 点同步起爆能够有效提高传爆药柱的输出能量,同 时起爆点的个数对爆轰波形也有很大的影响【3 ] 。 刘洪榕等利用A N S Y S 模拟对比了环形传爆药柱四 点起爆和八点起爆的起爆能力,通过应力值及土壤 密度的变化情况,得出八点同步起爆的的起爆效果 优于四点同步起爆的结论HJ 。肖雄利用有限元软 件A N S Y S /L S D Y N A2 D 模型,对双槽聚能装药情况 下一点起爆和两点起爆进行了二维数值模拟,详细 阐述了爆轰波阵面的传播过程及应力波会在波的叠 加处碰撞,使土中压力明显升高“ J ,模拟结果验证 了两点同时起爆形成的聚能射流速度和长度均大于 一点起爆的效果。 以上研究能够从爆炸的机理人手,研究爆炸过 程中应力、土壤密度等变化情况,都得出结论两点或 多点的起爆效果比一点起爆效果好。但在进行多点 起爆的研究中,只是简单的设置多个起爆点并对爆 炸效果进行对比,而未具体分析起爆点的设置原则。 以上对实际问题的研究存在偏差,造成使用过程与 理论分析结果不符。 起爆点的设置关系到爆炸效果的好坏,合理的 爆点布局不仅可以节省打孔消耗的人力物力,而且 还可以节省炸药,同样达到加固土基的效果。在工 程实践中,考虑起爆点的布局形式是开展爆炸法加 固土壤的前提条件,因此,对比研究不同起爆点数目 对起爆效果的影响具有非常重要的价值。承德的路 基加固试验是采用多点起爆的方式加固土壤,利用 该试验结果通过数值仿真模拟炸药的爆炸扩腔过程 以及土壤的加固过程,从而得到最优的炸药布局形 式,以最少量的炸药达到加固土壤的效果。 1 建模和材料参数确定 1 .1 理论依据 1 柱状装药土中爆炸,根据爆炸相似律得出 爆腔尺寸的经验计算公式∞J ,其中的比例常数由试 验确定。 R 。 .| } 。r 1 式中尺。为爆腔半径,e m ;r 为装药半径,c m ;k 。为比 例常数 黄土软基中取值6 .6 ~7 .7 。 2 根据准静态理论,在爆炸过程中,将土壤看 做流体,爆炸产物不渗透到空隙中。则在几次爆轰作 用下,气体平衡下来,平衡时爆炸产物所占的体积作 为爆腔的最终体积。在深度为形的土中静压力是 P o P 。 p W 2 式中P 为土壤密度,k g e m 一;尸。为大气压力,P a 。 1 .2 模型建立 该土中爆炸模型采用3 D .S O L I D1 6 4 三维实体 单元,六面体映射网格进行划分,炸药、土壤均采用 A L E 网格,使用布尔运算中的G l u e 操作使炸药与土 壤共结点,默认单位制为e m .g .t x s 。建模时,为了节 省计算时间和存储空间,模型两端的土壤采用与炸 药同心的圆柱;由于该模型具有对称性,且为了方便 求解观察,所以采用二分之一对称结构模型,并添加 对称面约束。为避免土壤在爆炸过程中产生畸变造 成计算不便,采用自适应网格划分技术。为防止压 力、密度等物理量形成跳跃性间隔,不便于数据的采 集,因此在建模过程中将人工体积粘性加入压力项 使用默认值 ,使冲击波的强间断转化成在相当狭 窄区域内急剧变化但却是连续性变化的情况。由于 爆炸过程中空气对试验的影响较小,所以建立模型 时忽略空气的影响,直接采用土壤和炸药两种材料 进行建模。建模中土壤炸药尺寸如图1 所示。 4D 广1 二} U口 1 0 图1柱状装药两点起爆尺寸 单位m F i g .1 T w oe n d si n i t i a t i o ns i z eo fc o l u m nc h a r g e u n i t m 考虑到试验中土壤范围较大,且模型中装药中 心离自由面的计算范围为R 3m ,由公式j 尺 拓 3 C 婴 4 3 r J 式中尺为炸药加固土壤的有效半径,m ;C 为经验计 算参数;p 为土壤密度,g e m ~;r 为炸药半径,m 。 爆炸过程可近似认为半无限土中的爆炸加固问 题,所以在其他几个面施加无反射边界约束。该模 型中共含有l0 2 41 1 6 个单元,其中炸药部分4 8 个 万方数据 第3 3 卷第3 期周双涛,李海超,王志鹏柱状装药两点起爆加固黄土软基数值模拟研究 4 3 单元,土壤部分10 2 40 6 8 个单元。柱状装药两点起 爆模型如图2 所示。模型的求解时间为1 .5 e 4 斗s , 计算结果文件输出时间间隔为1 0 0 斗s ,单元历史数 据输出时间间隔为1 0 0 斗s 。 图2 柱状装药两点起爆模型 F i g .2 T w oe n d si n i t i a t i o nm o d e lo fc o ] u t a hc h a r g e 1 .3 确定材料参数 1 建模中土壤采用模拟中普遍使用的术M A T _ S O m - A N D _ F O A M 模型,基于承德黄土软基加固试验 进行的模拟,其测定的各种参数值如下表‘8 | 。 表l承德黄土软基物理力学参数 T a b l e1 P h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s o fs o f tf o u n d a t i o ni nC h e n g d el o e s s 2 炸药参数及其状态平衡方程 2 号岩石乳化炸药采用木H I G H E X P L O S I V E B U R N 模型与弼凡状态平衡方程。本模拟中采用 两点同时起爆的方式对土壤进行加固,在修改k 文 件时,需加入两个起爆点设置项木I N I T I A L D E T A N A T I O N 用于炸药的起爆。其中,两柱状炸药距离 4m ,每个药柱装药量为3 0 0 0g ,半径r 6c m ,高 h 2 0c m 。炸药密度P 。 1 .3 1 0g c m ~。炸药参数 如表2 所示。 表22 号岩石乳化炸药参数及J W L 状态方程参数 T a b l e2P a r a m e t e r so f2 r o c ke m u l s i o ne x p l o s i v ea n dJ W Le q u a t i o no fs t a t e 炸药爆炸产物的J W L 状态平衡方程一J P A ,一南 e 呐” 曰 一南 e 啦” 等 5 式中P 为爆轰产物的压力;V 为爆轰产物的相对体 积;E 为单位体积内能;∞为格林爱森参数;A 、B 为 常数;R 。、尺为无量纲常数。 2 数值模拟结果及分析 2 .1 土中爆炸扩腔过程 模拟中爆腔近似为球形,两点装药土中爆炸扩 腔过程如图3 所示。由空腔体积变化可知,两点装 药爆腔体积近似为一点装药爆腔体积的2 倍。这也 说明了当两个炸药相距较远时,炸药爆炸产生的能 量对另一空腔扩腔体积影响较小。 邮 ∞ 耀一 腔帅 “ 删吨 咖 帐岬 H } 麒 k 药.№炸_ 墨0 殴 万方数据 爆破2 0 1 6 年9 月 最初炸药体积2 2 6 0c m 3 ,空腔出现后,初期 1 0 0 ~1 .2e 4 斗s 时间内爆炸空腔迅速发展,1 .3 e 4 斗s 后爆炸扩腔运动比较缓慢,1 .4 e 4i x s 后爆炸空腔已 基本稳定,最终体积是1 .5 2e 6c m 3 ,形成以炸药为 中心,半径为7 0c m 的爆腔。但爆炸产生的应力波 仍在土壤内传播,并且很长时间内还在持续。 2 .2 土壤应力变化过程 图4 为爆炸过程中土壤应力云图。结果显示, 柱状装药两点起爆产生的应力波分别在水平方向和 纵向传播。传播出一个近似于球形的应力波,同时 爆炸空腔开始以球面的形式向外扩散。 图4 应力波碰撞示意图 F i g .4 S t r e s sw a v ec o l l i s i o n 当两个药柱的应力波在水平方向上扩散到连线 中垂线位置即t 9 8 0 0I x s 时,会发生正碰,碰撞处 由于应力波叠加,形成复杂的应力场,出现局部超压 现象,如图4 a 所示。而后在两爆点连线上下两侧 的应力波发生斜碰撞引起马赫反射,碰撞点处压力 升高,出现应力聚集现象,如图4 b 所示。接着应 力波继续向外扩散,当应力波传播到无反射边界时 发生透射,应力波逐渐减小一j 。因碰撞引起的马赫 反射示意图如图5 所示。 图5 马赫反射示意图 F i g .5 M a h e rr e f l e x 为研究土壤中应力传播过程,选取坐标为 1 9 0 ,0 ,0 的节点D 为研究对象。图6 为D 点的速 度时程曲线,图7 为对应D 点的加速度时程曲线。 图6D 点速度时程曲线 F i g .6 C u r v eo fDp o i n tv e l o c i t yt i m eh i s t o r y 贫 o 岜 飞 皇 譬 遵 8 U 鼍 ≈ 童 嚣 毪 0 .6 0 .4 0 .2 024681 01 21 4 T i m e / E 3 图7D 点加速度时程曲线 F i g .7 C u r v eo fDp o i n ta c c e l e r a t i o nt i m eI l i s t o r y 在t 0p , s 时,炸药起爆,由于高温高压气体的 作用,药室开始扩张。当t 1 0 0 s 时,D 点土壤出 现速度最大值4 3 3m /s ,该点的加速度为2e 5m /s 2 。 炸药爆炸产生高温高压气体致使土壤以较高速度移 动,并以球形波阵面形式向外传播,波阵面压力随着 爆心距的增大而迅速衰减。这是由于随着空腔体积 的扩大,气体的压力和温度进一步降低。而由于惯 性的原因,土的颗粒在一定时间内继续朝离开药包 的方向运动,结果爆腔内部出现负压0 { 。所以在图 6 中,当t 6 0 0I x s 时,会出现土壤移动震荡的效果, 其后土壤移动速度逐渐减弱,几乎为零。 2 .3 土壤密度变化情况 由于左侧炸药对菇 2 .0 0m 的土壤加固效果影 响较小,且相同距离处,在柱状装药一点起爆的模拟 中,加固后的黄土软基密度值基本相同。所以把右 侧炸药的右侧土壤部分近似看做柱状装药一点起爆 加固土壤的效果。则可以取两点起爆的模型进行土 壤密度值的分析对比,这样也便于观察比较。 1 为对比柱状装药两点起爆对土壤加固情 况,取距离右侧炸药2m 处的坐标为 O ,0 ,0 和 4 0 0 ,0 ,0 的点进行研究,对应的单元号分别为 9 9 12 8 3 和9 9 18 9 3 两个单元。其对应的密度变化曲 线如图8 所示。 图8 0 ,0 ,0 、 4 0 0 ,0 ,0 对应单元密度变化曲线 F i g .8D e n s i t yc h a n g ec u r v eo f O ,0 ,0 、 4 0 0 ,0 ,0 c o r r e s p o n d i n gu n i t s 输出该模拟的数据可得, 0 ,0 ,0 和 4 0 0 ,0 ,0 两点处土壤密度最大值分别为1 .8 4 1g c m 。3 和 万方数据 第3 3 卷第3 期周双涛,李海超,王志鹏柱状装药两点起爆加固黄土软基数值模拟研究 4 5 1 .8 1 8g c m ~,加固效果较原土壤相差1 .3 %。当 t 9 8 0 0p , s 时,坐标 4 0 0 ,0 ,0 处土壤加固作用基本 结束;而 0 ,0 ,0 处,由于两爆点产生的应力波共同 作用,出现应力波的碰撞叠加发生马赫反射 见 图5 ,使得加固土壤所用的时间比一点起爆加固时 间长1 5 0 0p , s 。当t 1 15 0 0 炉时,坐标 0 ,0 ,0 处由 爆炸产生的能量加固土壤达到最大值1 .8 4 1g c m ~, 其后虽有应力波作用,但其能量不足以使土壤发生位 移,导致难以继续对土壤进行加固作用,所以土壤密度 值几乎不发生改变。 2 为对比柱状装药两点起爆与柱状装药一点 起爆的加固效果,输出右侧炸药两侧土壤加固后的 密度值,如表3 所示。 表3 炸药两侧土壤加固密度值 T a b l e3 D e i t yv a l u eo fs o f tr e i n f o r c e do nt w os i d e so fe x p l o s i v e 嚣。。加∞加5 。印7 。踟∞o o 。- 加s 。 炸药左侧土壤密 度影 g c m 。 炸药右侧土壤密 度值/ g c m 。3 2 .0 3 9 01 .9 5 6 21 .8 9 4 4 1 .8 7 2 9 1 .8 5 8 5 1 .8 4 8 81 .8 4 2 01 .8 3 7 2 1 .8 3 6 3 1 .8 3 7 8 1 .8 3 8 8 1 .8 3 9 8 1 .8 4 0 3 1 .8 4 0 9 2 .0 2 7 71 .9 4 5 01 .8 9 1 21 .8 7 1 61 .8 5 7 5 1 .8 4 7 6 1 .8 4 0 8 1 .8 3 5 6 1 .8 3 1 4 1 .8 2 7 7 1 .8 2 4 8 1 .8 2 2 6 1 .8 2 0 7 1 .8 1 8 4 由表3 可知,右侧炸药的左侧土壤密度值始终 比右侧土壤密度值大,说明柱状装药两点起爆加固 土壤效果明显优于一点起爆。而且在原点附近 即 距空腔边缘距离13 0c m 位置 密度值远大于一点起 爆密度值,而且,应力波碰撞加固土壤不是两点起爆 简单的叠加过程。这也正是研究柱状装药两点起爆 的意义所在。 3 在一5 0c m 髫 5 0c m 区间内,会出现土壤 加固的波峰,即坐标原点附近,密度值为 1 .8 4 1g c m ~,而两侧的土壤密度小于原点附近的 土壤密度。由于爆轰波波阵面在相交处碰撞叠加, 共同加固土壤,所以会出现柱状装药两点起爆中垂 面位置加固效果优于两侧的情况。两炸药之间的土 壤加固密度值随菇值变化曲线如图9 所示。 厂 } . ≯ \ / 乏 。√ 6 0一4 0 一2 002 04 06 0 x 轴方向各点/c m 图9x 轴方向区间内土壤密度变化曲线 F i g .9 V a r i a t i o nc u r v eo fs o i ld e n s i t yi nt h e d i r e c t i o no fXa x i s 该曲线对应的拟合函数为 Y 一2 e 一6 算2 2 e 一6 菇 1 .8 4 0 6 .R 2 0 .9 8 7 6 6 式中,,为对应点土壤加固后密度值,g c m 一;戈为 出现应力集中的土壤区域坐标值,c m 。 从上述曲线,容易得出结论柱状装药两点起爆 加固土壤会在两装药连线中点处发生应力集中现 象,中点两侧土壤密度值呈抛物线型变化。 4 在 一7 0 ,0 ,0 、 0 ,0 ,0 、 7 0 ,0 ,0 三点处分 别选取A 、曰、C 三个单元,加固后的土壤密度值如下 图1 0 曲线所示,密度值基本相等,所以在一7 0c m 戈 7 0e m 区间内会出现加固密度的波谷,密度值小 于其他区域的情况。由于B 单元的爆心距比A 、C 单元爆心距较远,所以应力波的值较小,且应力波到 达B 单元的时间有所延迟。但由于两个炸药的共 同作用,使得加固土壤的密度时程曲线呈缓慢爬升 状,最终与A 、C 单元土壤密度相等。 2 .4 结果验证 在承德黄土软基加固试验中,柱状装药一孔的 炸药质量为3k g 时,对应的空腔体积为1 .3 3 e 6e m 3 。 而本模拟中得到的体积是1 .5 2 e 6e m 3 ,模拟结果与 试验的误差为1 4 .3 %;爆炸产生的应力波在土壤的 传播中,逐渐减弱,在波的碰撞叠加过程中,产生马 赫反射,引起应力集中现象,这与文献[ 6 ] 的描述相 符;在两炸药共同作用的区域,中垂线位置出现爆后 土壤密度值大于两侧的情况 如图9 ,说明炸药两 点起爆加固土壤效果明显,这与实际工况中多点起 爆的意义相符。从图1 0 土壤的密度时程曲线可以 很好的反映本工况的实际爆炸情况。通过与承德黄 土软基加固试验的对比中,可以很好的验证该仿真 模拟的适用性和可行性。 2 l O 9 8 7 6 5蚪蚪躬踮昭昭盼 i i l l 一,o。.望靼魁龆 万方数据 爆破2 0 1 6 年9 月 』l m e / E 3 l ㈥1 0 各单元崭度 j 诨曲线 F i g .1 0 T i m eh i s t o r yc u r v eo fe a c hu n i td e n s i t y 3 结语 1 针对爆轰波波阵面碰撞产生的马赫反射进 行研究,能够较好的解释柱状装药两点起爆中垂面 位置土壤加固密度值大于两侧的情况,并呈抛物线 型。模拟结果能够反映爆炸加固土壤的实际情况, 可以认为该数值仿真模拟能够较好的拟合工程实际 中爆炸扩腔过程。 2 模拟中,以理论计算为基础,建立炸药土中 爆炸的仿真模型。通过对土壤爆炸过程的模拟得出 具有规律性的结论,即在应力波的碰撞叠加区域出 现土壤加固的密度值呈抛物线型变化趋势,并得出 土壤密度值的计算公式。 3 运用数值仿真软件A N S Y S /L S D Y N A ,针对 2 号岩石乳化炸药在半无限土质中爆炸加固黄土软 基进行数值模拟,并将模拟计算结果与承德土中爆 炸试验进行对比。分析研究了柱状装药两点起爆空 腔的形成和发展规律、土体压力的变化和土壤的加 固效果。得出结论柱状装药两点起爆对土壤的加固 效果优于一点起爆的加固效果,对后续研究多个炸 药土中爆炸加固土壤的炸药布局形式具有一定的指 导意义。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 魏连雨,刘艳竹,马士宾,等.高填方路堤软弱区域爆 破挤密技术[ J ] .科技导报,2 0 1 4 ,3 2 1 5 4 9 - 5 2 . 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