应用DDA方法分析竖井爆振稳定问题.pdf

第 “ 卷第 期 ““ 年 月 爆破 “ 0 0-*85** .-*,C ’9 7, D,9,8 E;9-;E, ’F ;-’9;96’6 ,F’G8;’9 298; H,7’C （2） ， 7, 96G,;-8 ;G6I 8;’9 ’F 7, C;E8-,G,9 ’F 7, 78F J, F;,C J;7 9,;D7K’7’’C K8;9D ;9F6,9-, ; -8;,C ’6 37, ,6 ’F K8;9D ;G68;’9 -,8 7’J 7, G’;’ ; C6, ’ 7, 69,8C;9, L’;9;9D ’-M G8 69C, 8EE;,C K8;9D ;G68;’9；K8;9D ;’ 8K;;N8;’9 收稿日期 ““ . “0 . “ 作者简介 刘刚 （O0/ . ） ， 男； 武汉 武汉大学水利水电学院硕士 生 引言 在三峡水利枢纽工程及许多其他水利水电工程 中， 存在着大量的竖井、 输水廊道、 船闸闸室及其它 各类洞室等岩体开挖项目。这些岩体开挖工程布局 复杂， 对围岩、 保留岩体的稳定性要求很高， 邻近爆 破开挖所产生的振动可能造成围岩中软弱结构面的 破坏发展， 弱化岩体力学参数， 进而导致崩落、 滑坡 失稳等严重后果， 因此制约了相关爆破工程的规模、 爆破方式及爆破参数的设计。为确保有效控制相互 间的爆破振动影响， 同时又不降低爆破施工效率、 延 误施工工期、 影响施工方案的顺利实施， 开展了爆破 振动对竖井等岩体结构物的影响分析研究。 采用非连续变形方法模拟分析爆破震动对竖井 岩体稳定作用影响过程， 实现了竖井周围节理岩体 不稳定关键块在爆破振动作用下的沿断层破坏、 崩 落的动力学仿真过程。 2 原理及动力计算简化处理 计算原理 非连续变形分析 （2） 是近年发展起来的能够 模拟节理裂隙岩体产生大变形和大位移的数值分析 方法 ［ P 4］ 。2 方法以天然存在的不连续面切割 岩体形成块体单元， 其总体平衡方程式是用总势能 最小化原理来建立的， 采用罚法强迫块体界面约束 求解。通过块体之间的约束和作用在各块体上的位 移约束条件， 把若干个单独的块体连接起来并构成 一个块体系统。假设所定义的块体系统有 7， 卸载时间为 “;; ;;7。对岩石的爆破作 用， 炮孔孔壁面的峰值压力与爆破方式、 炸药品种、 装药结构和围岩性质等因素有关， 理论上可根据爆 破的线装药密度及孔径等参数来计算。 “’岩体的动强度和动弹模 根据文献 ［］ ， 岩石对动荷载与对静荷载的反应 是完全不同的， 也就是说， 岩石抵抗动荷载的动强度 与静强度是完全不同的， 前者约为后者的 期刘刚等应用 方法分析竖井爆振稳定问题 万方数据 长太小又浪费计算机资源， 给求解带来困难。根据 以往的经验， 对于应力波传播的问题， 迭代步长应当 小到当波在单元之间传播时足以捕捉到波， 故整个 爆振影响计算过程分为 “““ 个时步， 取 “ 。 ’计算结果及分析 由于爆破荷载作用时间较短， 同时邻近爆破开 挖采用了预裂爆破和光面爆破技术， 并对单响药量 作了限制， 因此一次爆破一般不会造成结构岩体的 整体滑落， 但在爆破荷载的反复作用下， 岩体物理力 学参数会不断弱化， 对结构发生不利情况。故需通 过调整安全系数， 改变模型所加载爆振冲击荷载强 度， 或降低材料参数， 使其达到极限平衡状态， 以找 出竖井的可能不稳定关键块体， 为适时支护和加强 支护等措施提供理论依据。岩体计算结果如图 图 *， 块体的位移过程基本上能够反映竖井周围节 理岩体在爆振荷载作用下位移及破坏情况。 图 第 “““ 步变形结果 图 ’ 第 “““ 步变形结果 从图中可以看出邻近开挖所产生的爆破冲击作 用具有明显的应力波传播效应， 爆振引起的压应力 波遇到竖井井壁所构成的临空面时便反射成拉应力 波， 在临空面附近， 拉应力值较大， 出现应力集中现 象。当该应力与岩体的节理、 断层的走向有夹角时， 便产生节理岩体的拉剪破坏， 超过其剪拉强度时， 节 理裂隙便开始扩张， 使原有节理面、 断层面产生破 坏， 导致可能不稳定关键块体的崩落， 进而引起竖井 井壁的局部失稳。通过 , 仿真计算， 可以确定不 同爆振荷载作用下， 竖井周围节理岩体位移及应力 变化情况， 为邻近岩体爆破开挖过程中爆破参数的 调整及加强支护提供理论依据。 图 第 ’ “““ 步变形结果 图 * 第 “““ 步变形结果 结论 ,方法克服了以有限元为代表的连续介质 模型不能很好地模拟不连续介质问题、 以离散元为 代表的不连续刚体模型不能反映自身变形的局限 性， 充分考虑了岩体的节理特性， 允许单元块体相互 滑动、 转动、 张开， 在模拟节理岩体在爆破作用下的 破坏形式和产生大位移及大变形的动力学过程方面 更具优势。, 模型中块体形状的任意性， 给带有 复杂结构面的岩体系统的仿真带来了极大的方便。 从实例可以看出， 用非连续变形分析方法分析 竖井周围节理岩体不稳定关键块在爆破振动作用下 沿断层破坏、 崩落的动力学过程达到了较为满意的 结果， 可以作为对有限元方法分析不足的一个补充 手段。 （下转第 页） “爆破““’ 年 月 万方数据 试验体会与结论 “试验再一次证明分集药包具有如下优点 ） 减小压缩圈半径 把单个集中药包分解为若干个小的分集药包， 从形态上改变了集中药包的装药结构， 这样分集药 包爆破作用于围岩的冲击能量比集中药包小很多， 所以压缩圈半径相应缩小。 集中药包的压缩圈半径为 “ ’ “ （） 式中 为压缩圈半径 ； 为集中药包装药量， *； “为装药密度 *， 为由岩石性质决定的压缩系 数。 若分集药包的个数为 ， 依据相似原理， 分集药 包的压缩圈半径为 “ ’ “ （’） 经过 计 算 知 道，当 “ ’ 时， “ ,- “； 当 “ , 时， ’“ - “。 大量试验的结果， 证明了上述理论计算的正确。 同时，和 ’的结果还说明， 分集药包可以降低对 边坡的破坏程度， 有利于边坡的稳定。 ’） 降低爆破震动 对于埋在地下的药包爆炸时引起的地表质点峰 值振动速度， 采用萨道夫斯基的公式计算 ’ “ （ ） （） 式中 ’ 为测点或被保护物地面质点振动速度， ./； 为测点到爆破中心的距离， ； 为地形地质 有关的系数。 ’分“ （ ） （ ） （,） 比较式 （） 与式 （,） 可知， 采用分集药包爆破时， 其震动作用小于集中药包。现场多次爆破震动测试 结果也验证这一结论。 ） 改善爆破效果 大量的试验发现， 分集药包微差爆破的爆破漏 斗的破裂半径， 略小于同等药量的集中药包的破裂 半径， 但 相差不大。分析认为是由于分散药量的能 量， 均匀并充分地作用于破碎岩石， 减少了爆破震 动、 冲击、 噪音和抛掷的能量。 “’本次试验对定向爆破筑坝的启示 在定向爆破筑坝设计中， 可以采用分集药包改 善抛掷堆积效果， 在按经验公式计算药量不变的前 提下， 药包间距 * “ 抛掷堆积效果会 有所改善。 参考文献 ［］ 刘殿中“工程爆破实用手册 ［0］ “ 北京 冶金工业出版 社， ---“ ［’］ 边克信“金堆城东木子沟路堤爆破施工说明书 ［1］ “北 京 北京有色冶金设计研究总院， -2“ ［］ 刘殿中“青海赛什塘铜矿尾矿坝定向爆破设计说明书 ［1］ “北京 北京恩菲爆破公司， ’’“ ［,］ 田国强“分集药包在硐室爆破中的应用 ［3］ “工程爆破， ’，（） ’ 4 ’2“ ［］ 高荫桐“集中药包与条形药包爆破漏斗有及抛掷堆积 的试验研究 ［3］ “爆破， ’， ’ （增刊） 4 ,“ （上接第 , 页） 但是， 也应注意到 556 方法把节理岩体当作一个完 全不连续的块体系统， 模拟实际岩体仍具有一定的 局限， 同时现有 556 模型的计算结果对迭代时步间 隔的依赖很大， 对迭代时步间隔的选取又有很大的 随机性， 这常常造成计算结果的偏差， 这些不足都有 待进一步改进使其分析更符合工程实际。 参考文献 ［］ 石根华“数值流形方法与非连续变形分析 ［0］ “裴觉民 译“北京 清华大学出版社， --7“ ［’］ 裴觉民， 石根华“岩石滑坡体的块体动态稳定和非连续 变形分析 ［3］ “水利学报， -- （） ’2 4 ,“ ［］ 杨善元“岩石爆破动力学基础 ［0］ “ 北京 煤炭工业出 版社， --“ ［,］ 周少怀， 杨家岭“556 数值方法及工程应用研究 ［3］ “岩 土力学， ’， ’ （’） 4 “ ［］ 戴晨， 朱传云， 舒大强等“556 及其在爆破过程仿真 模拟中的应用 ［3］ “爆破， ’， 2 （增刊） , 4 “ ,,爆破’ 年 ’ 月 万方数据