冻土爆破穿孔数值模拟与试验验证.pdf
4 6 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 4 卷第l 期 d o i 1 0 .3 9 6 9 /j .i s s n .1 ∞1 彤5 2 .2 0 1 5 .0 1 .0 1 1 冻土爆破穿孑L 数值模拟与试验验证拳 杜富贵梁秋祥董德坤李福龙晏俊伟 沈阳军区司令部工程科研设计院 辽宁沈阳,1 1 0 1 6 2 [ 摘要]为提高冻土爆破效率,采用新型聚能爆破穿孔技术,利用专业爆破软件对冻土进行爆破穿孔数值模拟, 结合冻土聚能穿孔和爆破试验验证,研究解决冻土穿孔和抛土爆破的关键技术难题。验证结果表明数值模拟能 取得聚能爆破的近似结果,使用球缺形及新型材料制作的聚能穿孔器有利于对冻土的侵彻.形成的直筒形爆破孔 能够满足装药爆破、特别是串联随进型装药爆破的要求,而且可通过变换炸高适当调整穿孔深度,在接近于冻土和 非冻土界面处装药爆破可取得更有利的爆坑形状。 [ 关键词] 爆破技术;冻土聚能穿孔;数值模拟;试验验证 『分类号] 7 Ⅳ5 4 2 引言 随着振兴东北老工业基地以及西部大开发战略 步伐的加快。我国广大的季节性冻土和多年冻土地 区已成为建设重点。现有工程机械开挖冻土效率 低、难度大。对于厚度较大的冻土层,采取先聚能爆 破穿孔、后装填炸药爆破、再进行人员或工程机械开 挖作业的方式,是目前克服冻土最有效和最快捷的 一种方法[ 1 ] 。如何在冻土上快速成孔是开挖冻土 的关键所在,但长期以来在冻土上的聚能爆破穿孔 技术一直没有突破性进展,穿出的孑L 径小。且孔径上 大下小呈现明显的锥度,需要装填到冻土深处的爆 破药量受到限制,影响了爆破效果[ 2 ] 。 据数值模拟和冻土聚能爆破实践看。使用球缺 形药型罩的聚能穿孑L 器适合于对冻土的侵彻。除了 药型罩的形状外。药型罩的材料、几何尺寸、加工工 艺及聚能装药的选择,对冻土的穿孔直径、深度以及 孔形都有明显影响[ 3 圳。 本文利用相关爆破软件进行冻土聚能爆破穿孔 数值模拟,并结合试验验证来研究解决冻土爆破关 键技术难题,以此提高冻土爆破效率。 1 数值模拟 1 .1 相关材料模型的建立 聚能爆破穿孑L 器主要由外壳体、起爆体、聚能装 药、药型罩等部分组成。这里主要针对聚能侵彻体 形成及对冻土介质侵彻的全过程进行数值模拟,涉 及到的相关材料模型包括炸药材料模型、药型罩材 料模型、空气材料模型及冻土材料模型[ 5 刮。 1 .1 .1 炸药材料模型及参数 炸药采用H i g h E x p l o s i v e B u m 材料模型联立 J w L 状态方程来描述。状态方程表达式为 “ A 。 一南 e 吨”竭 ,一参 e 啦P ∞‰ 矿。 式中p 。为爆轰产物的压力;y 是相对体积;‰是单 位体积炸药内能;A 。、B 。、R 。、R 、∞均为J w L 状态方 程系数。 选取8 7 0 1 炸药作为聚能装药 表1 。 表18 7 0 1 炸药材料模型及J w L 状态方程参数 T a b .1M a t e r i a lm o d e lo f8 7 0 1e x p l o s i v ea n d p m m e t e r so fJ W Ls t a t ee q u a t i o n 1 .1 .2 药型罩材料模型及参数 在L s D Y N A 程序中,G r t i n e i s e n 方程的具体形 式如下。定义压缩材料的压力为 p o c 缸[ - 一孚卜争2 】 1 [ 1 _ s t - 1 肛点等- s 3 南] y o 掣 E 。 2 亲收稿日期2 0 1 4 .0 1 .1 6 作者筒介杜富贵 1 9 6 2 ~ ,男,高级工程师,主要从事爆破器材的研制工作。E m a i l d ;6 2 2 8 1 6 3 .c o m 万方数据 2 0 1 5 年2 月冻土爆破穿孑L 数值模拟与试验验证杜富贵,等 4 7 定义膨胀材料的压力为 p p o c 缸 y o a 肛 E ; 3 1 肛 音一l 。 4 y 式 2 一式 4 中y 为当前相对体积;C .是u s u p 冲击波速度与质点速度 曲线的截距;S 。、.s 和J s , 是u s u p 曲线斜率的系数;7 。是G m n e i s e n 系数;a 是对y 。的一阶体积修正;E 为材料内能。 选取某型铝合金作为药型罩材料,针对本药型 罩J o h n s o n C o o k 材料模型参数 略 和G 嘣n e i s e n 方 程的参数 表2 建立药型罩的材料模型。 表2药型罩G 蹦n e i s e n 方程的参数 T a b .2P a r a m e t e r so fG m n e i s e ne q u a t i o n f o r t h es h a p e dl i n e r C Ip o / g c m - 3 S lS 2.s 3y o d 03 9 427 814 R 9002 .0 20 .4 7 1 .1 .3 空气材料模型 空气采用L S D Y N A 中N u U 材料模型,可以通 过调用状态方程来避免偏应力计算。状态方程采用 气体状态方程模拟 p 7 一1 导‰。 P o 5 式中p 为压力;7 1 .4 ,为气体绝热指数;p 为密度; p 0 1 .3 1 0 。3g /c m 3 ,为初始密度;‰ 0 .2 5M P a , 为气体比内能。 1 .1 .4 冻土材料模型及参数 根据国内外相关研究文献[ 1 ’5 ] 和中科院寒区旱 区环境与工程研究所试验取得的冻土参数,建立冻 土P l a s t i c K I i n e m a t i c 材料模型。选用该模型需要确 定冻土材料的密度p 、杨氏模量E 、泊松比移、屈服极 限盯,、正切模量E 。、硬化参数卢’、应变率系数C 、应 变率系数P 和侵蚀单元的失效应变s ,等参数 表 3 ,其他参数设置为零。 表3冻土P l a s t i c K i n e m a t i c 材料模型 的计算参数 T a b .3C a l c u l a t i o np a r a m e t e r so f P l a s t i c K i n e m a t i cm a t e r i a lm o d e lf o rf r o z e ns o i l 1 .2 聚能装药数值计算结果 1 .2 .1 基本假设 假设炸药、药型罩、壳体及冻土介质均为均匀连 续介质,整个爆炸过程为绝热过程;装药结构为严格 的轴对称结构不考虑重力作用影响冻土的初始应 力设置为0 .不考虑冻土的侧边效应.即在冻土两侧 施加透射边界约束,并忽略冻土的整体运动。 1 .2 .2 有限元计算模型 经过初步试验.1 4 4m m 口径穿孔器穿出的爆破 孑L ,孑L 径和孔深适合l 一2m 冻土层的装药爆破。因 此.本文数值模拟以典型的口径为1 4 4m m 穿孑L 器 为例建立数值计算模型。 按照图1 所示的结构尺寸 其他略 建立有限 元数值计算模型 图2 。 图l冻土聚能穿孔参数示意图 F i g .1 P a r a m e t e r so fs h a p e dc h a r g ep e I f o r a “o no ff 南z e ns o i l Z 聚能穿孔器 空气介质 冻土介质 图2 聚能装药侵彻冻土介质的数值计算模型 F i g .2 N u m e r i c a lc a l c u l a “o nm o d e lo fs h a p e d c h a 唱ep e n e t r a t i o nt of m z e ns o i l 数值模拟计算模型中,考虑到分析对象的轴对 称性,取l /2 结构建立三维模型进行计算,并在模型 的对称面上施加对称约束条件.即约束这些对称面 上节点的位移和旋转自由度。 1 .2 .3 模拟结果分析 1 .2 .3 .1 侵彻过程 图3 所示为聚能穿孔器侵彻过程.图4 所示为 万方数据 4 8 爆 破器材 E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 4 卷第1 期 最终冻土穿孔的形状。由图4 可知冻土中最终的穿 孔深度约为14 8 0m m ,穿孔直径约为1 6 0m m 。整 个孔径稍有差别,上下基本一致。 曼 ” 訇氅 , .| ⋯一 i I ⋯一 丫 i I j a f 1 6 0 p 8 b 卢2 3 5 p s i薹 H d , 6 5 5 肛s 图3 侵彻过程 F i g .3 P e n e I r a I i o np m e s s 曼瑶镬露通麓蒌季鬈 卜一l4 8 0 一。 图4 冻土的穿孔尺寸 F i g .4 P e 南r a t i o ns i z e so ff r o z e ns o i l 1 .2 .3 .2 聚能穿孔爆破过程 图5 所示为侵彻体侵彻冻土前的形状,它既非 典型的聚能射流,又非典型的自锻破片,而是形成了 分离式侵彻体。这种分离式侵彻体的形成与药型罩 的材料、形状、几何尺寸及加工工艺密切相关。数值 模拟结果显示,聚能侵彻体在形成的过程中被拉断 成前后两部分。前部分类似射流,长度较长,直径较 小,射速较高。从模拟过程看,这部分侵彻体主要用 于侵彻冻土。后部分类似自锻破片,长度很短,直径 较大,紧随其后。从模拟过程看,这部分侵彻体主要 用于扩孔.从而形成上下直径较为一致的爆破孔。 图5 侵彻体侵彻冻土前的形状 F i g .5 P e n e t m t o rs h a p eb e f b I ℃t h ep e n e t m t i o no ff I _ o z e ns o i l 2 试验验证 2 .1 穿孔试验验证 按照数值模拟中的聚能穿孑L 器结构尺寸加工聚 能穿孔器试验样品,外壳体由金属机加工而成;为了 增加爆破威力,主装药选用8 7 0 l 炸药.并利用现代 新型装药工艺,增加装药密度;药型罩为某型铝合金 球缺罩。并做特殊的热处理[ 7 剖。 试验条件冻土层厚约1 .5m ,砂土,水质量分 数为2 0 %;用支架设置炸高 图6 ,炸高设置从4 0 0 m m 起始,最大6 2 0m m ,聚能穿孔效果如图7 所示。 表4 为冻土聚能爆破穿孔试验结果。 譬习I f 圃 2 .2 抛土爆破试验验证 为观察穿孔后的抛土爆破效果,选择穿孔综合 效果好的5 、6 ’进行了装填炸药的爆坑试验,各装填 一定量的某型炸药。5 4 、6 ’单孔爆坑效果如图8 所 陋 ∞ Tl一一∽ 万方数据 2 0 1 5 年2 月 冻土爆破穿孔数值模拟与试验验证杜富贵。等 示。5 。坑装填1 2 .5k g 梯恩梯当量装药,爆坑口径 36 0 0m m ,可见深度15 0 0m m ;6 ”坑装填1 5k g 梯恩 梯当量装药,爆坑口径44 0 0m m ,可见深度l5 1 0 图8 单孔爆破漏斗坑效果 F i g .8 C m t e rf o m e db ys i n e h o l eb l a s t 2 .3 试验结果分析 从穿孔试验结果看.随着炸高的增大.穿孑L 孔深 逐步加大,而穿孔孑L 径则呈现减小趋势。 在小炸高4 0 0m m 时,呈现出人口大、底部孔径 小的穿孑L 形状.这可能与穿孔爆破器距冻土介面近, 侵彻体没有完全形成杆式杵体有关。 炸高为5 0 0 ~6 2 0m m 时.入口口径变化不大, 有减小趋势.但在1 5 0m m 左右。当炸高小于5 8 0 m m 时,底部孔径大于人口孔径,孔形呈葫芦形,这 时孑L 深较小在5 8 0m m 炸高时,底部孑L 径与人口孑L 径基本相等。孔形呈直筒形,这时孑L 深稳定在l5 0 0 m m 左右当炸高大于5 8 0m m 时,底部孔径小于人 口孑L 径。孔形呈现梯度趋势,这时孑L 深逐渐加大。 从深度和孔形综合效果来看,对于口径1 4 4m m 的穿孔器。当炸高设置在5 8 0m m 时.穿孔效果最 好;即穿孔直径基本稳定在1 5 0m m 左右、深度稳定 在15 0 0m m 左右,孔形呈直筒形。这与数值模拟结 果基本吻合。验证了数值模拟结果是基本正确的。 从两个典型的抛土爆破试验结果看,爆破效果 有以下特点 1 爆坑形状并非漏斗形,爆坑底部尺寸只稍小 于口部尺寸,坑壁呈现立壁状,这是由于强大的爆压 拉断冻土层的结果; 2 完全破除了冻土层,实现了明显的抛掷爆 破。随着装药量的加大,坑口尺寸和坑底尺寸也随之 加大 3 验证了直筒形穿孔可将足够的爆破药量装 填到冻土深处.利于将冻土层抛开,尤其是串联随进 式爆破装药能够随进到位,有利于一次性破除冻土。 3 结论 1 用专业爆破软件进行冻土聚能穿孔数值模 拟可取得近似结果。由于冻土的复杂性 土质差 异、含水量差异、冻结温度差异等 ,它不能简单等 同于混凝土、岩石等介质。但冻土试验结果证明,这 种数值模拟的方法仍能指导设计和试验。 2 可满足装药爆破的要求。使用球缺形及新 型聚能材料的爆破穿孔器可取得直筒形爆破穿孑L 。 能够满足装药爆破、特别是串联随进型装药爆破的 要求,可显著提高冻土爆破效率。 3 可通过变换炸高,适当调整穿孔深度。验证 试验表明,对于不同厚度的冻土层,可通过炸高适当 调整穿孔深度,以适应不同厚度冻土的爆破。 4 可取得有利的爆坑形状。利用冻土抗拉强 度较低的特性,在冻土和非冻土界面处装药爆破,能 完全掀开冻土层.形成的爆坑有别于传统的漏斗坑, 它会在冻土层处形成垂直的立壁,这对开挖冻土更 为有利,多孑L 联爆,能快速形成工程用坑。 参考文献 [ 1 ]陈博,李建平.近5 0 年来中国季节性冻土与短时冻土 的时空变化特征[ J ] .大气科学,2 0 0 8 ,3 2 3 4 3 2 . 4 4 3 . C h e nB o ,L iJ i a n p i n g .C h a m c t e r i s t i c so fs p a t i a la n dt e m p o r a lv 撕a t i o no fs e a s o n a la n ds h o n t e mf 南z e ns o i l i n c h i n ai nr e c e n t5 0y e a r s [ J ] . c h i n e s eJ o u m a lo fA t m o s . p h e r i cS c i e n c e s ,2 0 0 8 ,3 2 3 4 3 2 幸4 3 . [ 2 ] 陈卫东.浅谈高原铁路桥梁桩基旋挖钻干法成孔施工 技术[ J ] .科技创新导报,2 0 0 9 1 5 1 0 7 .1 0 8 . C h e nW e i d o n g .D i s c u s s i o no nt h ep o I ℃一f o I m i n gc o n s t m c t i o nt e c h n i q u eo fm t a r yd i g 舀n gm e t h o df o rr a i l r o a db r i d g e p i l ef o u n d a t i o n i np l a t e a u [ J ] .s c i e n c e 矾dT e c h n o l o g y I n n o v a t i o nH e r a l d ,2 0 0 9 1 5 1 0 7 - 1 0 8 . [ 3 ] 孟海利,施建俊,田会礼.爆破法在冻土基坑开挖中的 应用[ J ] .建筑技术,2 0 0 4 ,3 5 1 0 7 6 7 .7 6 9 . 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Q iS h 如,W 锄gF u g a n g ,X u eF 蚰g s o n g ,e ta 1 .D e m o l i t i o n o fa1 8 0ms u p e r h e i g I l tr e i l l f b r c e dc o n c r e t ec h i 啪e yb y d i r e c t i ∞a lb l a s t i n g [ J ] .E x p l o s i v eM a t e r i a l s ,2 0 1 0 ,3 9 1 2 6 - 2 8 . 靳洋,任志远.1 5 0m 钢筋砼烟囱定向爆破拆除[ J ] . 爆破,2 0 0 9 ,2 6 1 6 9 .7 2 . [ 9 ] [ 1 0 ] J i nY 明g ,R e nZ h i ”粕. D i r e c t i o n a lb l 鹅t i n gd e m o l i t i o n “1 5 0mh i 小r e i I l f o r c e dc o n c r e t es m o k es t a c k [ J ] .B l a s t i n g ,2 0 0 9 ,2 6 1 6 9 - 7 2 . 谢先启.1 5 0m 钢筋砼烟囱爆破拆除技术与分析[ J ] . 工程爆破,2 0 0 8 ,1 4 1 5 4 - 5 6 . x i ex i 锄q i . B l 嬲t i I l gt e c h n 0 1 0 9 y 锄de 虢c ta n a l y s i si n d e m o l i t i o no far e i n f b r c e dc o n c r e t ec h i m n e yo f1 5 0m h e i g h t [ J ] .E n g i n e e I i n gB l a s t i n g ,2 0 0 8 ,1 4 1 5 4 - 5 6 . 武双章.夏卫国.高耸烟囱不同爆破切口位置破坏过 程摄像观测分析[ J ] .工程爆破,2 0 1 1 ,1 7 4 7 9 - 8 2 . w us h u 锄铲h a n g ,x i aw e i g u o .P h o t o g r a p h yo b s e n r a t i o n a n a l y s i so nd e m o l i s h i n gp m c e s so fb l a s t i n gc u t sl o c a t e d i nd i 妊毫r e n t p o s i t i o n o ft a l lc h i m n e y [ J ] . E n g i n e e r i n g B l 鹊t i n g ,2 0 1 1 ,1 7 4 7 9 - 8 2 . C r 嘁d Ⅸr e c 咖m lB l 枷n go fT w oC m m m y su n d e rC o m p l e xS u r r 伽n d i n g s X I AW e i g u o ①,Y U A NP i n g ①⑦,W US h u a n g z h a n g ①,F A NL e i ① ①F i e l dE n g i n e e r i n gI n s t i t u t e ,P L AU 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 舒 J i a l l g s uN a n j i n g ,2 1 0 0 0 7 Q 刀3 9 0 6t r o o po fN a n j i n gM i l i t a r yA r e a J i a I l g s uN 蚰j i n g ,2 1 0 0 2 8 [ A B s T R A c T ] T oe n s u r et h es a f ec o l l 印s e0 ft w or e i n f o r c e dc o n c r e t ec h i m n e y so f1 5 0m 粕d1 8 0mh i 曲s i t t i n gi nt h e p m d u c t i o na r e a p o w e rp l 锄ti nas i n d eb l a s t i n gd e m o l i t i o n ,t h et e c h n o l o g yo fd i r e c t i o n a lb l a s t i n go fh i g hp o s i t i o nb l a s t i n g c u ta n dd e l a yd e t o n a t o r ,a n dt I l eb l a s t i n gt e c h n i c a ls c h e m eo fc m s s e dd i r e c t i o n a lb l 硒t i n gd e m o l i t i o no ft w oc h i m n e y sw e r e u s e di nt h ec o n d i t i o no fc o m p l e xe n v i m n m e n ta n dt I l en 咖a lo p e m t i o no fe q u i p m e n t .T h eb l a s t i n gc u t sw e r el o c a t e da t2 5 .O ma n d3 0 .0m ] 6 r o mt h e 猡r o u n dr e s p e c t i v e l yf o rt h ec h i m n e y so f1 5 0ma n d1 8 0m .T bt h et w Dc h i m n e y s ,t h ei n i t i a t i o nd e l a y t i m ew a s5 s .P r a c t i c es h o w st h a tt h ec h o i c e so fb l a s t i n gp a r a m e t e r s ,c u t1 0 c a t i o n ,c o l l 印s ed i r e c t i o na n d5 8d e l a yt i m ea r e r e a s o n a b l ea n df e 鹊i b l e ,r e s u l t i n gi ng o o db l a s t i n g 雒e c t s . [ K E Yw O R D s ] c o n t r o l l e db l a s t i n g ;h i g hp o s i t i o nb l a s t i n gc u t ;r e i I l f o r c e dc o n c r e t ec h i m n e y ;c m s s e dd i r e c t i o n a l 上接第4 9 页 [ 7 ]任新见,李林,李世民.聚能射流侵彻的计算与模拟试 验研究[ J ] .工程爆破,2 0 0 8 ,1 4 4 1 4 .1 5 . R e nX i n j i a n ,U “n ,“S h i m i n .C a l c u l a t i o n 粕ds i m u l a - t i o ne x p e r i m e n tr e s e a r c ho np e n e t r a t i o n0 fc u m u l a t i v ej e t [ J ] .E n 舀n e e r i n gB l a s t i n g ,2 0 0 8 ,1 4 4 1 4 1 5 . [ 8 ] 冯彬,方向,毛益明,等.装药位置对冰凌爆破效果影 响的数值模拟[ J ] .爆破器材,2 0 1 2 ,4 1 4 2 6 - 2 7 . F e n gB i n ,F a I I g i 蛐g ,M a oY i m i n g ,e ta 1 .N u m e r i c a l s i m u l a t i o no fi c eb l a s t i n ga f 耗c t e db yd i f f e r e n tc h a r g ep o s i t i o n s [ J ] .E x p l o s i v eM a t e r i a l s ,2 0 1 2 ,4 1 4 2 6 .2 7 . N 岫e c a lS i I n l l l a 饰na n dE x p e r h n 蚰t a lV e 尚明t i 佃o fF r O z e nS o nB I 嬲t i n gP e 啪阳t i 仙 D uF u g u i ,U A N GQ i 商a n g ,D O N GD e k u n ,uF u l o n g ,Y A NJ u n w e i S c i e n t i 6 cR e s e a r c ha n dE n 西n e e r i n gD e s i g nI n s t i t u t eo fS h e n y a I l gM i l i t a r yC o m m a n d L i a o n i n gS h e n y a n g ,1 1 0 1 6 2 [ A B S T R A c T ]An e w8 h 印e dc h a r g eb l a s t i n gp e 怕r a t i o nt e c h n i q u ew a su s e dt oi m p m v et h eb l a s t i n ge m c i e n c yo nf r o z e n s o i l .P m f e s s i o n a lb l a s t i n gs o f h a r ew 船u s e dt os i m u l a t et h eb l a s t i n gp e d ’o r a t i o nf o rf 而z e ns o i l .S h a p e dc h a r g ep e 而r a t i o n “ f r o z e ns o i la n db l a s t i n gt e s tv e r i f i c a t i o nw e r ec o m b i n e dt os o l v et h ek e yt e c h n i c a lp m b l e m so ff r o z e ns o i lp e 面r a t i o na n ds o i l c a s t i n gb 1 鹊t .E x p e r i m e n t ss h o wt h a tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa r es i m i l a rt ot h a t o ft e s t . H e m i s p h e r i c a ls h a p e dc h a r g e p e d ’o r a t o rm a d eb yn e wm a t e r i a l si sg o o df o rt h ep e n e t r a t i o nt of 而z e ns o i l ,a n dt h es t m i g h tb l a s th o l e sc o u l dm e e tt h ed e m a n do fc h a q g i n g ,i np a r 七i c u l a r ,t h et a n d e mc h a r g i n g .T h ep e d b m t i o nd e p t hc o u l db ea 由u s t e db yc h a I l g i n gt h eb l a s t i n g h e i g h t 。C h a r 舀n gn e a rt h ei n t e l 妇c eo ff r o z e ns o i la n ds o i lc o u l dg e tt h eb e t t e rs h 印e0 fb l a s t i n gh o k s . [ K E Yw 0 R D s ] b l 鹊t i n gt e c h n i q u e ;s h 印e dc h a F g ep e d b r a t i o no ff m z e ns o i l ;n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ;e x p e r i m e m a lv e r i f i . c a t i o n 万方数据