爆破作用下岩体顺倾软弱夹层的变形规律研究.pdf

第2 7 卷第4 期 爆破 V 0 1 ．2 7 N 。4 2 0 1 0 年1 2 月B L A S T I N G D e c ．2 0 1 0 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 0 ．0 4 ．0 0 1 爆破作用下岩体顺倾软弱夹层的变形规律研究宰 肖定军1 ，张继春2 ，蒲传金1 ，郭学彬1 1 ．西南科技大学环境与资源学院，绵阳6 2 1 0 1 0 ；2 ．西南交通大学，成都6 1 0 0 3 1 摘要 当炮孔穿过含顺倾软弱夹层边坡时，爆炸冲击波与爆生气体不可避免地对软弱夹层产生推移、使 其变形。利用A N S Y S ／L S - D Y N A 建立含软弱夹层的顺倾岩质边坡台阶爆破的有限元模型。分析了抵抗线、夹 层初始厚度、夹层倾角这3 个主要因素务件下，爆破作用下岩体顺倾软弱夹层的变形规律1 随着抵抗线的 增加，爆腔范围也越来越大，其厚度也随之越变越厚；2 夹层初始厚度越薄，爆破后夹层厚度增加率越大，同 时也越容易被推移；3 随着夹层倾角的增加，夹层厚度峰值也随着增加，但其最终夹层厚度随夹层倾角的增 加而减小。 关键词爆破；软弱夹层；变形 中图分类号T D 2 3 5 ．1文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 0 0 4 0 0 0 1 0 4 S t u d yo nD e f o r m a t i o nL a wo fD o w n - d i pW e a kI n t e r c a l a t i o n i nR o c ku n d e rB l a s t i n g X I A OD i n g - j u n l ，Z H A N G 一c h u n 2 ，P UC h u a n - j i n l ，G U OX u e ．b i n l 1 ．S c h o o lo fE n v i r o n m e n ta n dR e s o u r c e ，S o u t h w e s tU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ， M i a n y a n g6 2 1 0 1 0 ，C h i n a ；2 ．S o u t h w e s tJ i a o t o n gU n i v e r s i t y ，C h e n g d u6 1 0 0 3 1 ，C h i n a A b s t r a c t W h e nt h eb o r e h o l et h r o u g ht h ed o w nd i ps l o p e sw i t hw e a ki n t e r c a l a t i o n ，t h eb l a s ts h o c kw a v ea n dd e t - o n a f i o ng a si n e v i t a b l yl a p s e da n dd e f o r m e dt h ew e a ki n t e r c a l a t i o n ．T h el a wo fw e a ki n t e r c a l a t i o nd e f o r m a t i o nw a sa r i a - l y z e dt h r o u g ht h ef i n i t em o d e lo fb e n c hb l a s t i n gi nd o w nd i pr o c ks l o p ew i t hw e a ki n t e r c a l a t i o nw i t hA N S Y S ／L S - D Y N Au n d e rt h ef a c t o r so ft h eb u r d e n ，t h ei n i t i a lt h i c k n e s sa n dt h ea n g l eo fi n t e r c a l a t i o n ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h er a n g e o fb l a s tc a v i t ya n dt h et h i c k n e s so fi n t e r c a l a t i o na r ei n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fb u r d e n ；T h et h i n n e ri n i t i a lt h i c k - l l e S o fi n t e r c a l a t i o n ，t h eg r e a t e ri n c r e a s i n gr a t eo ft h i c k n e s sa n dt h ew e a ki n t e r c a l a t i o ne a s i l yd e f o r m e d ；t h ep e a ko f t h i c k n e s so fi n t e r c a l a t i o ni n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e 锄g l eo fi n t e r c a l a t i o n ，h u tt h ef i n a lt h i c k n e s so fi n t e r c a l a - t i o nd e c r e a s e dw i t I lt h ei n c r e a s eo ft h e 觚g l eo fi n t e r c a l a t i o n ． K e yw o r d s b l a s t i n g ；w e a ki n t e r c a l a t i o n ；d e f o r m a t i o n 0 引言 软弱夹层是岩体边坡工程中的薄弱部分，其力 学性能往往对整个岩体边坡的稳定性起着至关重要 收稿日期2 0 1 0 0 4 2 9 作者简介肖定军 1 9 8 2 一 ，男，助教，硕士。主要从事采矿与工程爆 破方面的教学与研究工作，E - m a i l x h e m e r s s i n a ．c o r n 。 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 5 7 4 0 7 6 ；四川省教育厅科研项目 2 0 0 4 A 1 2 9 ；西南科技大学实验技术研究项目 1 0 s y j s - 2 1 的作用[ 14 1 。爆破作为边坡开挖的最常用手段，在开 挖边坡的同时也影响着边坡的稳定，特别是在含顺 倾软弱夹层的岩体边坡爆破时，炮孔穿过软弱夹层 对边坡稳定的影响更为显著。目前国内一些学者通 过模型剪切试验提出了适合顺层岩质边坡爆破的开 挖方法及相应的防护措施[ 5 1 ；通过声波测试手段给 出了爆破后软弱夹层的空间展布形态∞1 ；提出了能 观测爆破作用下岩体软弱夹层运动状态的试验方法 和运动特征【7 剖；通过数值和理论计算给出了爆破作 万方数据 2 爆破2 0 1 0 年1 2 月 用下软弱夹层的层裂范围∽40 1 。然而，对爆破条件 下爆轰气体对软弱夹层的推移变形情况认识还很 少。很难通过试验手段来观测整个软弱夹层的推移 变形过程。通过运用数值计算方法，研究最小抵抗 线、夹层厚度、夹层倾角参数，在爆破作用下对软弱 夹层变形的影响规律。 1 计算模型 1 ．1 模型尺寸及夹层参数 运用A N S Y S ／L S D Y N A 建立含软弱夹层的顺倾 岩质边坡台阶爆破的有限元模型，如图l 所示。模 型尺寸为2 0 0m mX 3 0 0m m 3 0 0m m ，软弱夹层倾 角为2 2 。，炮孔直径为1 7m m ，以此来模拟以含单个 顺倾软弱层理面的单孔台阶爆破。 图l 计算模型及有限元网格 单位m n l F i g ．1 N u m e r i c a lm o d e lo ff i n i t ee l e m e n t u n i t l l l m 1 ．2 材料模型及参数的确定 L S ．D Y N A3 D 需同时使用本构模型和状态方程 2 种方式描述1 种材料的特性【1 1 | 前者描述了应力 应变的关系，后者描述体积变形和压力之问的关系， 水泥砂浆、软弱夹层和炸药3 种材料模型的选择及 其参数分别见表l 一表4 。 表1 材料模型及状态方程 T a b l e1M a t e r i a lm o d e l sa n ds t a t ee q u a t i o n s 采用底端起爆，用J w L 状态方程来模拟炸药爆 轰过程中压力和比容的关系，即 P A 一剖e 喝7 B 一剖e 吨～警 1 式中A 、B 、R ，、恐、∞为材料常数；P 为压力；y 为相对体 积；E 0 是初始比内能一3 I ，其基本参数如表2 所示。 1 ．3 模拟内容 数值计算试验是抵抗线、夹层初始厚度、夹层倾 角3 个因素的多因素体系中，采用固定某一因素，改 变其它2 个因素大小进行模拟，共3 种类型1 1 种工 况，具体如下 表2 炸药参数 T a b l e 2T h ep a r a m e t e r so fe x p l o s i v e 表3 水泥砂浆物理力学参数 T a b l e 3P 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 fc e m e n tm o r t a r 表4 软弱土层物理力学参数 T a b l e 4P h y s i c a la n dm e c h a n i c a ll m r m n e t e r s o fw e a ki n t e r c a l a t i o n 1 夹层厚度为2c m ，倾角为2 2 。时，分别选取 抵抗线为5c m 、6c n l 、7c m 三种工况模拟。 2 抵抗线为6c m 和夹层倾角为2 2o 时，改变夹 层初始厚度为O ．5c m 、lc m 、1 ．5c m 、2c m 四种工况 模拟。 3 抵抗线为6c m ，夹层厚度为2c m ，改变夹层 倾角0 。、1 2 。、2 2o 、3 2 。四种工况模拟。 2 模拟结果与分析 2 ．1 抵抗线变化影响 1 爆腔发展规律 如图2 所示，夹层厚度为2c m ，倾角为2 2o 时分 别选取抵抗线为5c m 、6c m 、7c m 的软弱夹层在 1 0 0I t s 、2 0 0 炉、3 0 0 炉的爆腔形状图。由于爆生气 体的膨胀，使得夹层以炮孔中心形成了基本规则的 圆形爆腔，显然在爆腔范围内夹层的粘聚力，内摩擦 万方数据 第2 7 卷第4 期肖定军，张继春，蒲传金，等爆破作用下岩体顺倾软弱夹层的变形规律研究 3 角都为0 ，降低了边坡的稳定性；在相同时刻，随着 抵抗线的减小，抵抗线一侧的软弱夹层更易冲出，且 抵抗线为5c m 的抵抗线一侧软弱夹层的中部变形 最大，上下表面略微滞后。 图2 不同抵抗线条件下软弱夹层的变形 F i g ．2 D e f o r m a t i o no fw e a ki n t e r c a l a t i o nw i t h d i f f e r e n tr e s i s t a n c e 2 夹层厚度变形规律 爆破作用产生的爆生气体在对软弱夹层进行推 移的同时也使得软弱夹层厚度方向发生了变形使得 夹层的密度、厚度均有不同程度的增加，夹层厚度的 变形规律如图3 所示。 3 ．0 2 ．8 目 缁4 2 6 醴 紧2 ．4 2 ．2 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 时间／p , s 图3 夹层厚度随抵抗线变化时程曲线 F i g ．3 T h i c k n e s so fw e a ki n t e r c a l a t i o nv e r s u st i m e 当抵抗线为6c m 、7c m 时软弱夹层的厚度值先 迅速增加，而后缓慢的减小至稳定其最终厚度值增 加率分别为2 5 ％、3 8 ％，两者达到峰值的时间约为 4 0 斗s ；当其抵抗线为5c m 时，由于其抵抗线较小爆 轰气体很容易从抵抗线一侧泄露，其厚度值缓慢增 至峰值约为3 0 0 斗s 后迅速达到一稳定值，其厚度增 加率约为9 ％。 2 ．2 夹层初始厚度变化影响 1 爆腔发展规律 抵抗线为6e m 和夹层倾角为2 2o 条件下，改变 夹层初始厚度为0 ．5c m 、lC F l l 、1 ．5c m 、2c m 进行计 算。如图4 所示分别选取软弱夹层在1 0 0O L S 、 2 0 0 斗s 、3 0 0l X S 的爆腔形状图。夹层厚度相同时候， 薄的夹层对爆轰气体的阻力相对较小，随着时间的 增加爆腔大小越来越大；在同一时刻由于夹层较厚 的爆轰气体相对较难推移，故随着夹层厚度的增加 爆腔越来越小。 图4 不同厚度软弱夹层的变形 F i g ．4 D e f o r m a t i o no fw e a ki n t e r c a l a t i o n w i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s s 2 厚度变形规律 如图5 所示，由于爆炸应力波和爆生气体作用， 随着时间的增加夹层厚度增加率先迅速增大至峰 值，随着夹层厚度的增加其厚度增加率峰值分别为 7 8 ％、4 7 ％、4 0 ％、3 3 ％，而后由于爆炸应力波和爆生 气体的衰减以及上方试件的重力作用其厚度增加率 缓慢降低，大约在1 5 0 斗s 后达到一个稳定值，其值 分别为3 l ％、2 8 ％、2 5 ％、2 1 ％；夹层初始厚度越薄， 爆破后夹层厚度增加率越大，表明了夹层厚度越小 其越容易被压缩。 2 ．3 夹层不同倾角影响 1 爆腔发展规律 在抵抗线为6c m ，夹层厚度为2c m 的条件下， 改变夹层倾角0 。、1 2 。、2 2o 、3 2o 进行计算。如 图6 所示分别选取软弱夹层在1 0 0 “s 、2 0 0 s 、 3 0 0I t s 的爆腔形状图。由于软弱夹层并不是都在水 平面内，爆轰气体平行于软弱夹层中性面的分力对 软弱夹层的推移、压缩作用最为显著，随着夹角的增 加分力逐渐减小，其推移范围也就减小。 万方数据 4 爆破 2 0 1 0 年1 2 月 O5 01 0 01 5 0 2 0 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 0 5 0 0 时间／斗8 图5 不同夹层厚度增加率时程曲线 F i g ．5 R a t eo ft h i c k n e s sm c r e a s i n go fw e a k i n t e r c a l m i o nv e n u st i m e 图6 不同夹层倾角条件下软弱夹层的变形 F i g ．6 D e f o r m a t i o no fw e a ki n t e I ．c a I a l i 册w i t hd i f f e r e n ta n g l e 2 夹层厚度变形规律 如图7 所示，在相同体积范围内进行爆破时，当 其夹层倾角越大时上覆岩体的质量也就越小，所以 在相同条件下倾角较大时爆轰气体压缩夹层也更加 容易，所以随着倾角的增加夹层厚度的压缩峰值也 就越大；但由于夹层倾角较大其层面速度却较小而 且爆轰气体平行于软弱夹层中性面的分力也较小所 以随着时间的增长倾角大的夹层厚度反而大幅度减 小，最终夹层厚度随着倾角的增加而减小。 茸 { 越 酐 衄 咏 2 ．7 2 ．6 5 01 0 0 1 5 0 2 0 02 5 03 0 03 5 0 时间，斗8 图7 夹层厚度随倾角变化时程曲线 F i g ．7T h i c k n e s so fw e a ki n t e r c a l a t i o nV e 玛t 1 8a n g l e 3 结论 1 数值计算能够再现整个爆破过程，而且能观 测到现有实验条件下无法观测到的细微过程，并且 计算结果具有较高的一致性。 2 从计算结果中可以看到抵抗线的变化对软 弱夹层的推移和变形起着重要的作用相同抵抗线 下随着时间的增加，软弱夹层的厚度值先迅速增加， 而后缓慢的减小至稳定；随着抵抗线的增加，初始厚 度为2c m 的软弱夹层其最终厚度为2 ．1c m 、 2 ．4c m 、2 ．7c m 。 3 在相同抵抗线和夹层倾角条件下，随着夹层 初始厚度的增加，其厚度增加率峰值分别为7 8 ％、 4 7 ％、4 0 ％、3 3 ％，而后大约在1 5 0 斗s 后达到一个稳 定值，其值分别为3 1 ％、2 8 ％、2 5 ％、2 l ％。 4 在相同抵抗线和夹层厚度条件下，当其夹层 倾角越大时上覆岩体的质量也就越小，所以在相同 条件下倾角较大时爆轰气体压缩夹层也更加容易， 所以随着倾角的增加夹层厚度的压缩峰值也就越 大；但由于夹层倾角较大爆轰气体平行于软弱夹层 中性面的分力较小所以随着时间的增长倾角大的夹 层厚度反而大幅度减小，最终夹层厚度随着倾角的 增加而减小。 参考文献 [ 1 ] 王明华，白云，张电吉．含软弱夹层岩体质量评价研 究[ J ] ．岩土力学，2 0 0 7 ，2 8 1 1 8 5 ．1 8 7 ． [ 2 ] 郭富利，张顶立，苏洁，等．软弱夹层引起围岩系统 强度变化的试验研究[ J ] ．岩土工程学报，2 0 0 9 5 7 2 0 ．7 2 6 ． [ 3 ] 许宝田，阎长虹，陈汉永，等．边坡岩体软弱夹层力学 特性试验研究[ J ] ．岩土力学，2 0 0 8 ，2 9 1 1 3 0 7 7 3 0 8 1 ． [ 4 ]乐俊义，李维树，夏晔．某水电站厂房下卧软弱夹层 基础岩体质量及灌浆效果评价[ J ] ．长江科学院院报， 2 0 0 8 ，2 5 5 3 2 3 6 ． [ 5 ]欧阳吉，郑爽英，张继春，等．爆破作用对软弱夹层岩 质边坡稳定性影响试验研究[ J ] ．爆破，2 0 0 9 ，2 6 1 l O ．1 4 ． [ 6 ]郝亚飞，郭学彬，张继春，等．爆破对软弱夹层的影响 [ J ] ．西南科技大学学报，2 0 0 8 ，2 3 4 2 9 ．3 2 ． [ 7 ]张继春，肖正学，郑爽英，等．含软弱夹层岩体爆破的 夹层土运动特征试验研究[ J ] ．岩石力学与工程学报， 2 0 0 9 8 1 6 9 7 - 1 7 0 3 ． [ 8 ]肖定军，郭学彬，刘恺德，等．爆破作用下岩体层间充 填土运动的高速摄影试验[ J ] ．西南科技大学学报， 2 0 0 8 。2 3 3 3 3 - 3 7 ． 下转第2 l 页 ∞ 加 ∞ 卯 ∞ 如 ∞ m 水、静罴罂瑙殴嗵球 5 4 3 2 l 0 0 2 2 2 2 2 2 万方数据 第2 7 卷第4 期贾则，李鹏，张臣，等圆柱壳水下爆炸冲击响应信号的小波分析 2 l 数，它是分解后的余项，是一个单调变换幅值很小的 序列，表征了原始数据的整体趋势，石，。的振动幅值 明显高于各层细节小波重构信号的幅值，能量高度 集中，且波形非常接近测量信号，这说明结构在爆炸 载荷作用下的响应是在冲击波和气泡脉动分别作用 下才产生的；再依次往下分解出各分量，所得各分量 频率逐渐变高，波长也越来越短。 、。h _ 厂、一 ．．2 0 01 ．．．．．．．．．J L ．．．．．．。．．J ．．．．．．．．．．‘．．．．．．．．．．‘．．．√ 2 0 0 f 孑。h ．／＼一 一2 0 0 【．．．．．．．．J ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．J ．．J 5 0 f 蔷oh ／＼儿～V A ～ ．5 I L ．．。。．．．．．一 商1 0 0 卜叫P 5 f o 卜卅叫呐帅卜 一j L ．．．．．．。．。一 1 0 『 o 卜肿- _ 叶_ ～ 一1 0 【．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．。。．一 0I O O2 0 03 0 04 0 05 0 0 2 0r 瞄。h 忡一- 2 0 占_ 茹r 1 茹茹广1 苟如 5 0r 面。卜H - 州- 一扣十 ．．5 0 1．．．．．．．．．．-．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 5 0 r 商。l - 嘲 - 一 ．．5 0 I．．．．．．．．．．．-．．．．．．．、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 1 0r 。卜_ 卜十 ．．I O I ．．．．- - ．．- - J L ．．．．．．- ．．．．J ．．．．．．．．．．．．‘．．．．．．．．．．．L ．．．．．．一 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 5 『 面。卜_ 州巾叶 - 5 卜茹r 1 蕊磊r 1 确 timelm●timclmB 图8 结构冲击响应信号的小波分解 由于水下爆炸压力包括冲击波和多次气泡脉动 压力，并受到与结构的相互耦合作用的影响。水下 爆炸压力含有丰富的频率成分，气泡膨胀产生的气 泡脉动压力的能量以低频为主，冲击波的能量主要 作用在中高频。因此，对于结构整体而言，这种高能 量的低频成分易与结构的整体振动模态耦合，激起 结构的鞭状运动，造成结构的总体破坏，而冲击波容 易造成结构局部的破损。 通过小波分析提取了冲击响应信号的细部特 征，得出各个频带的能量分布情况，而这些都是隐含 在信号中非常重要的信息悼J ，对于分析结构在水下 爆炸作用下的冲击响应是必不可少的，而这些细部 特征运用传统方法是根本无法获得的，这就更体现 了运用小波分析方法的优越性。 4 结论 通过运用大型有限元软件A B A Q U S 对结构水 下爆炸的数值模拟，得到了水下爆炸载荷作用下结 构关键部位的冲击环境，为结构的冲击响应信号分 析提供了输入条件。小波分析是一种多分辨率分析 的分解方法，具有更好的时频特性，可以满足短时非 平稳水下爆炸压力时频分析的需要。实验数据表明 运用小波来分析水下爆炸信号是非常有效的，能方 便提取出信号变化的细节特征。运用小波来分析水 下爆炸信号较传统分析方法更能适应信号突变快、 衰减快的特征，同时为进一步研究水下爆炸机理和 破坏原因提供了新途径。 参考文献 [ 1 ]K W O NYW ，F O XPK ．U n d e r w a t e rs h o c kr e s p o n s eo fa c y l i n d r i c a ls u b j e c t e dt oa s i d e O ne x p l o s i o n [ J ] ．C o m p u t - e r sS t r u c t u r e s ，1 9 9 3 ，4 8 4 6 3 7 - 6 4 6 ． [ 2 ] W O V A KDB 。M o d e l i n gs u b m e r g e ds t r u c t u r e sl o a d e db y u n d e r w a t e re x p l o s i o n sw i t hA B A Q U S ／E x p l i c i t [ c ] ∥ A B A Q U SU s e r s ’C o n f e r e n c e ，2 0 0 2 ． [ 3 ] 温华兵，尹群，张健，等．水下爆炸船舱冲击响应 时频特征的小波包分析[ J ] ．工程力学，2 0 0 8 ，2 5 6 1 9 9 ．2 0 3 ． [ 4 ]葛哲学，陈仲生．M A T L A B 时频分析技术及其应用 [ M ] ．北京人民邮电出版社，2 0 0 6 ． [ 5 ]李国华，李玉节，张效慈，等．浮动冲击平台水下爆炸 冲击谱测量与分析[ J ] ．船舶力学，2 0 0 0 ，4 2 5 1 - 6 0 ． [ 6 ] 姚熊亮，张阿漫．经验模态分解方法在结构冲击信号 分析中的应用[ J ] ．中国舰船研究。2 0 0 8 ，l 4 1 l - 1 5 [ 7 ]宋敬利，贾则．基于S I M U L I N K 的舰船冲击响应信号 处理方法研究[ J ] ．计算机测量与控制，2 0 0 9 ，1 7 8 1 6 1 3 ．1 6 1 5 ． [ 8 ]吴成．基于M A T L I B 方法水下爆炸声信号的特征提 取及其分析[ J ] ．北京理工大学学报，2 0 0 8 ，2 8 1 0 8 1 ．8 5 ． 上接第4 页 [ 9 ] 宋小林，张继春，郭学彬，等．软弱顺倾岩体爆破层裂 的准静态力学模型应用研究[ J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 8 ， 2 8 6 5 6 5 - 5 7 1 ． [ 1 0 ] 肖正学，郭学彬，张继春，等．含软弱夹层顺倾边坡爆 破层裂效应的数值模拟与试验研究[ J ] ．岩土力学， 2 0 0 9 S I 1 5 - 1 8 ． [ 1 1 ] L i v e n m r eS o f t w a r eT e c h n o l o g yC o r p o r a t i o n ．L S - D Y N AK e y - w o r dU s e r ’SM a n u a l [ M ] ．A I n e r i e a l l ．．L i v e r m o r eS o f t w a r e T e c h n o l o g yC o r p o r a t i o n ，2 0 0 3 ． [ 1 2 ] 杨军，金乾坤，黄风雷．岩石爆破理论模型及数值 计算[ M ] ．北京科学出版社，1 9 9 9 ． 【1 3 ] 钟冬望．预裂爆破数值模拟及其应用研究[ J ] ．爆破， 2 0 0 1 ．1 8 3 8 ．1 1 ． 万方数据