减震沟减震的数值模拟

第 38 卷 第 1 期 2005 年 2 月 武汉大学学报 (工学版) Engineering Journal of Wuhan University Vol. 38 No. 1 Feb. 2005 收稿日期 :2004203220 作者简介 :易长平 (19752) ,男 ,湖北公安人 ,博士研究生 ,从事水利水电施工技术方面的研究. 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50239070) ;教育部科学技术研究重点资助项目 (02133) ;湖北省自然科学基金 资助项目 (2002AB006) . 文章编号 :167128844 (2005) 012049204 减震沟减震的数值模拟 易长平 , 陈 　明 , 卢文波 , 舒大强 (武汉大学水资源与水利水电工程科学国家重点实验室 ,湖北 武汉 　430072) 摘要 :减震沟是降低爆破地震效应的重要措施. 通过数值模拟 ,比较了有无减震沟时的峰值震速分布和开挖面 与减震沟距离变化时质点的峰值震速衰减规律 ,对比分析了不同深度、不同宽度减震沟的减震效果以及减震沟 与炮孔相对深度不同时的减震效果. 结果表明 :开挖面距离减震沟越近 ,减震效果越好 ;在保护区侧 ,减震沟附 近 ,由于减震沟的屏蔽作用 ,存在一个震速很小的区域 ;减震沟的减震效果随减震沟深度的增加而增加 ,而减震 沟的宽度变化对减震意义不大. 关键词 :减震沟 ;爆破地震波 ;减震 中图分类号 : TV 542 　　　文献标识码 :A Numerical simulation for damping effect of damping ditch YI Chang2ping , CH EN G Ming , L U Wen2bo , SHU Da2qiang (State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science ,Wuhan University ,Wuhan 430072 ,China) Abstract : Damping ditch is an important measure to reduce the blasting vibration effect . Based on t he numerical simulation , peak particle velocities ( PPVs) are compared between two cases wit h a damping ditch and wit hout damping ditch ; t he attenuation law of PPV is analyzed for different distances between blasting point s and damping ditches. Damping effect s are compared and analyzed for different dept hs or different widt hs of damping ditch and different relative dept hs between t he damping ditch and t he blas2 ting hole. The result indicates : t he more close to damping ditch excavation face is , t he better the damp2 ing effect is ; on t he side of p rotection zone , near the damping ditch , t here is a zone t hat it s vibration ve2 locity is lit tle because of t he shield effect of damping ditch ; damping effect increases wit h increase of dept h of t he damping ditch , but the widt h of the damping ditch does not quite change the damping effect cor2 rectly. Key words : damping ditch ;blasting seismic wave ;damping 　　爆破工程在水电、交通、建筑、采矿等行业有着 广泛的应用 ,爆破震动问作为爆破的四大公害之 一 ,经常对爆破施工场地附近的建筑物、构筑物、边 坡等产生严重危害 ,如何有效控制爆破震动是爆破 作业时必须考虑的问题. 针对爆破震动的特点及 规律 ,工程界提出了多种有效措施来控制和降低爆 破引起的震动 ,开挖减震沟作为一种行之有效的方 法 ,在控制爆破震动时被广泛采用[1 ,2 ] . 减震沟减震作用主要是阻隔和干扰爆破地震 波的传播 ,爆破地震波通过减震沟时发生反射、绕 射 ,加快了爆破地震波的衰减 ,从而使其强度得以 降低. 对于减震沟的减震效果和机理 ,许多人通过 实际工程和试验进行了研究[2～4 ] . 由于现场爆破 试验规模及试验条件的限制 ,爆破试验不可能完全 武汉大学学报 (工学版) 2005 模拟实际施工条件 ,因此借助于数值模拟方法模拟 实际爆破开挖条件 ,全面评价不同爆破开挖条件下 减震沟的减震效果 ,是对现场试验的有效补充和完 善. 本文利用动力有限元软件 ANSYS/ L S2D YNA 模拟了多种工况下减震沟的减震效果. 1 　不同抽槽长度的减震效果比较 为了比较减震沟的隔震效果 ,首先模拟了没有 减震沟情况下爆破地震波的衰减规律 ,计算模型如 图 1 ,整体尺寸为 42. 2 m ×10 m ,孔深取 1. 5 m ,堵 塞段为 0. 5 m ,荷载作用段为 1 m ;模型左边界和 底部边界取无反射边界 ,荷载作用侧采用对称边 界 ;荷载作用段及以上的网格尺寸为 0. 1 m × 0. 2 m ,荷载作用段以下的网格尺寸为 0. 2 m ×0. 2 m. 计算时按平面应变问题进行计算. 爆破荷载采用三角形荷载 ,如图 2 ,升压时间 为 120μs ,荷载作用时间为 800 μs ,峰值压力为 100 MPa. 岩石参数密度取 2 700 kg/ m3 ,弹性模 量取 40 GPa ,泊松比为 0. 22 ,计算时将岩石当作弹 性体. 图 1 　无减震沟时数值模拟计算模型 图 2 　爆破荷载示意图 在进行有减震沟情况下计算时 ,减震沟深3 m , 宽 1. 2 m ,炮孔深 1. 5 m ,其中堵塞段为 0. 5 m ,荷载 作用段为 1 m ;保护区长 40 m ,开挖侧长 35 m ,模 型高为 10 m ;抽槽长度分别是 10 m、15 m、20 m. 典型计算模型见图 3 ,由于网格太密 ,图 3 中只取 了原模型的一部分. 图 4 是没有减震沟时地表质点峰值震速随距 图 3 　开挖典型计算模型 离的衰减规律 ,V X是水平峰值震速 ,V Y是垂直峰值 震速. 图 5、6 是有减震沟情况下不同开挖长度时 水平和垂直峰值震速的衰减规律. 图 5、6 中横坐 标是保护区地表质点的爆心距. 图 4 　无减震沟时峰值震速分布 图 5 　有减震沟时水平峰值震速分布 图 6 　有减震沟时垂直峰值震速分布 比较图 4 和图 5～6 ,可以看出减震沟起到了 良好的隔震效果 ,越靠近爆源 ,减震效果越好 ;每次 开挖时 ,由于减震沟左侧面离爆源最近且存在应力 波的反射 ,其上质点的水平峰值和垂直峰值震速最 05 　第 1 期 易长平等 :减震沟减震的数值模拟 大 ;由于减震沟对爆破地震波的屏蔽作用 ,使得离 减震沟 2～5 m 左右的地方峰值震速较小 ,以后由 于爆破地震波绕过减震沟 ,通过其底部传入保护 区 ,峰值震速又逐渐回升 ,然后随距离衰减 ,这一规 律与试验结果[4 ]完全相符. 2 　不同深度减震沟的减震效果比较 为了比较不同深度减震沟的减震效果 ,考虑了 减震沟深 3 m 和深 6 m ,宽度为 1. 2 m 的工况 ,比 较了抽槽长度为 10 m 时两种减震沟的减震效果. 图 7、8 是两种工况下的水平峰值震速和垂直峰值 震速对比. 图 7 　两种工况下水平峰值震速 图 8 　两种工况下垂直峰值震速 由图 7、8 可以看出 ,减震沟越深 ,其隔震效果 越好 ,对水平峰值的影响较大 ,对垂直峰值震速的 影响相对较小. 这是由于减震沟越深 ,爆破地震波 需要绕射进入保护侧的路径越长 ,其损失的能量也 越多. 3 　不同宽度减震沟减震效果比较 为了比较不同深度减震沟的减震效果 ,设计了 两种工况进行比较. 工况 1 : 减震沟深 3 m ,宽 1. 2 m ,开挖面距离减震沟右侧面 10 m ;工况 2 : 减 震沟深 3 m ,宽 2. 4 m ,开挖面距离减震沟右侧面 8. 8 m. 这样可以使两种工况下保护区侧相应的地 表质点的爆心距相同 ,利于比较. 图 9、10 是两种 工况下保护区侧质点峰值震速比较. 图 9 　两种工况下水平峰值震速比较 图 10 　两种工况下垂直峰值震速比较 由图 9、10 可以看出 ,两种工况下保护区质点 的峰值震速非常接近 ,说明增加减震沟的宽度对于 隔震没有太大意义 ,所以工程上常常采用预裂缝来 隔震[5～8 ] . 4 　炮孔与减震沟相对深度不同时的 减震效果比较 　　为了比较炮孔与减震沟相对深度不同时的减 震效果 ,设计了如下两种工况进行比较. 工况 1 :炮 孔深 1. 5 m ,堵塞段长 0. 5 m ,开挖位置距离减震 沟右侧 10 m ;工况 2 :炮孔深 3 m ,堵塞段长 0. 5 m , 开挖位置距离减震沟右侧 10 m. 图 11、12 是两种 工况的水平和垂直峰值震速比较. 图 11 　两种工况下水平峰值震速 15 武汉大学学报 (工学版) 2005 图 12 　两种工况下垂直峰值震速 由图 11、12 可以看出 ,两种工况下 ,对于相同 的质点 ,孔深为 3 m 时的水平峰值震速大于孔深 为 1. 5 m 时的水平峰值震速 ,而垂直峰值震速则 相差不大 ,说明当减震沟的深度以及开挖面与减震 沟的距离一定时 ,炮孔越深 ,减震沟的减震效果越 差. 文献[ 2 ]指出 ,减震沟的深度应超过药包的埋 深 ,最好超过建筑物基础的深度. 5 　结　论 通过以上数值模拟及比较 ,可以得出以下结论 : (1)开挖面距离减震沟越近 ,减震效果越好 ;在 保护区侧 ,减震沟附近 ,由于减震沟的屏蔽作用 ,存 在一个震速很小的区域. 　　(2)减震沟的减震效果随减震沟深度的增加而 增加 ,而减震沟的宽度变化对减震意义不大. (3)当减震沟的深度及开挖面与减震沟的距离 一定时 ,炮孔越深 ,减震效果越差 ,所以应根据工程 实际需要来确定减震沟和炮孔深度. 参考文献 : [1 ] 　高善堂. 临近民房的爆破减震技术 [J ] . 工程爆破 , 1996 ,2 (1) :78281. [2 ] 　方 　向. 高振儒 ,龙 　源 ,等. 减震沟对爆破震动减 震效果的实验研究[J ] . 工程爆破 ,2002 ,8 (4) :20223. [3 ] 　郭学彬 ,肖正学 ,张志呈 ,等. 爆破地震作用的沟槽效 应[J ] . 爆破器材 ,1999 ,28 (3) :427. [4 ] 　陆 　文 ,郭学彬. 爆破地震效应中的沟槽减震作用研 究[J ] . 矿业安全与环保 ,2001 ,28 (1) :11212. [5 ] 　税承慧. 边坡预裂爆破中的减震措施[J ] . 采矿技术 , 2003 ,3 (1) :58260. [6 ] 　张树堂 ,李茂林 ,傅盛国. 大连三道沟山体预裂爆破 降震效果[J ] . 东北地震研究 ,1997 ,13 (1) :59263. [7 ] 　谢永生. 预裂爆破技术在边坡保护中的应用 [J ] . 冶 金矿山设计与建设 ,1999 ,31 (5) :20222. [8 ] 　张新民 ,舒大强. 预裂爆破震动规律的试验研究 [J ] , 爆破 ,2001 ,18 (3) :18220. (上接第 4 页) 参考文献 : [1 ] 　王长德. P + PR 控制器用于比威尔算法 [J ] . 武汉水 利电力大学报 ,2000 ,33 (2) :11215. [2 ] 　徐正凡. 水力学[ M ] . 北京 :高等教育出版社 ,1986. [3 ] 　杨 　桦 ,王长德 ,冯晓波. 模糊控制在渠道运行系统 中的应用[J ] . 武汉大学学报 (工学版) ,2003 ,36 (1) : 45249. [4 ] 　李士勇. 模糊控制. 神经控制和智能控制论 [ M ] . 哈 尔滨 :哈尔滨工业大学出版社 ,1996. [5 ] 　闻 　新 ,周 　露 ,李东江 ,等. Matlab 模糊逻辑工具箱 的分析与应用[ M ] . 北京 :科学出版社 ,2000. 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