图1 接触模型图
纸质出版日期:2023-09-25,
网络出版日期:2023-06-28,
收稿日期:2023-05-04,
录用日期:2023-05-19
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基于穗莞深城际轨道项目,采用离散单元法对基坑深层岩体爆破过程进行数值模拟,并对周围地面影响加以安全性分析。首先,验证了PFC模拟爆破的合理性;随后通过单轴压缩试验,得到了合理的地质细观参数;并建立二维基坑模型,从不同初始应力、不同埋深以及是否存在预裂缝三个角度对地面扰动的影响进行了研究。结果表明:初始应力越大,对应的地面速度也越大;地面速度随炸药埋深的变化曲线呈上抛物线形状;预裂缝的存在可以有效减缓地面峰值速度,可达13%。
Based on the Guangzhou-Dongguan-Shenzhen Intercity Railway Project, we use the discrete element method to simulate the blasting process of deep rock masses in foundation pits, and analyzes the safety of the surrounding environment. Firstly, the rationality of PFC simulation blasting was verified. Subsequently, reasonable geological microscopic parameters were obtained through uniaxial compression tests; and a two-dimensional foundation pit model was established to study the impact of ground disturbance from three perspectives, referring to different initial stresses, burial depths and the presence of cracks. The results indicate that:the greater the initial stress, the greater the corresponding ground velocity; the variation curve of ground velocity with the burial depth of explosives shows an upward parabolic shape; the presence of cracks can effectively reduce the peak ground velocity by 13%.
为了满足国家经济发展及人民日常出行的需求,地下交通出行逐渐成为目前的主流方式。因此,基坑开挖深度及开挖规模不断增大。基坑深层部分通常采用爆破的方式进行施工,但部分基坑与周围建筑相隔紧密,如何在深层岩石层爆破施工的同时保证周围建筑及相关基础设施的安全变得尤为重要。针对这一问题,学界从现场监测、数学模型、人工智能等方面做了许多研究。
随着计算机技术的高速发展,数值模拟逐渐成为了研究爆破的有力“可视化”试验手段。
传统的有限元方法和有限差分方法均难以模拟岩石爆破近区的大变形过程,如岩体爆破过程中的抛掷现象。离散单元法(DEM,discrete element method)的基本思想是将不连续单元体表示为独立单元的集合,并将每一个单元作为一个独立对象来分析,接触的单元之间互相传递力与力矩,由此产生运动与变形。相对于有限元、有限差分等网格方法,DEM的主要优势在于其能够处理复杂的颗粒间相互作用和非线性力学行为,而无需使用网格。DEM既不需要进行网格化处理,也不需要自适应网格方法来适应颗粒大小和形状的变化,因此DEM可以更加高效地模拟颗粒流问题。由于DEM能够较好解决岩土介质的大变形问题,在岩土工程中得到了广泛的发展。众多学者应用DEM对岩石爆破过程做了许多研究 (
基于穗莞深城际超深工作井爆破项目,本文通过颗粒膨胀方法来模拟爆破作用,验证离散单元法模拟爆破过程的合理性。通过分析基坑环境,合理构造模型,探究了不同起爆条件下引起的速度变化,评估了爆破对附近建筑物产生的影响。采用颗粒膨胀法来模拟爆破的加载过程,拓展了离散单元法的应用场景,并为基坑爆破提供了理论参考依据。
当使用有限差分等方法时,需要将物理域离散化为网格,并在网格节点上求解物理量的数值。然而,在颗粒流等含有大量颗粒的问题中,由于颗粒之间的相互作用和运动具有高度非线性和不连续性,这些问题的网格化处理将导致网格数量急剧增加,并增加计算的复杂度和计算量。此外,在颗粒流等问题中,颗粒的大小和形状可能会随时间发生变化,因此需要使用自适应网格方法来确保网格足够细致。这些因素导致使用传统的网格方法模拟颗粒流问题变得困难和耗时。离散单元法由
图1 接触模型图
Fig.1 Structure of contact model
本文采用颗粒膨胀法来近似模拟炸药爆破(
图2 PFC爆破作用示意图
Fig.2 Blasting action in PFC
根据颗粒接触原理,设炸药颗粒的膨胀半径变化量为,则炸药颗粒对外围颗粒产生的径向推力为
, | (1) |
其中为爆炸颗粒法向刚度。假设实际爆破中冲击能量传递到周围颗粒上的初始压力为,则作用在周围颗粒上的合力为
. | (2) |
将
. | (3) |
因此,不同形式的爆破荷载可通过改变的大小来进行模拟。
, | (4) |
, | (5) |
式中为半正弦波的频率。爆破过程一般作用时间在50 ms以内(
图3 应力波加载图
Fig.3 Diagram of stress loading
在岩体爆破中,炸药内部通过复杂的化学反应,将内能转化为热能、机械能,然后通过震动的形式向周围岩体施加爆炸荷载,对周围的岩石介质产生多方面的效果。在爆破过程中,随着传播距离的增加,爆破能量产生衰减,这种衰减形式使得距离药包中心的不同位置的岩体产生不同形式的破坏,它们共分为压缩区、破裂区和弹性震动区三个区域。如
图4 爆炸应力波衰减示意图
Fig.4 The attenuation of explosive stress wave
(1)压碎区:由于靠近爆源,爆破产生的爆破脉冲压力大大超过了岩石的抗压强度,且在爆生气体的高温高压作用下,岩石产生强烈的压缩破坏,岩石质点径向速度增大,炮孔孔腔扩大,使得附近岩石表现出流体的性质。通常压碎区区域一般为炮孔半径的3~7倍。
(2)破裂区:岩石爆破产生的冲击波使得岩石粉碎破坏,之后不断向外传播,这个区域为岩石破碎的主要区域。当爆炸冲击波的压力小于岩石的抗压强度时,将不会在围岩中产生压缩破坏,但由于在径向压应力的作用下,岩石在环向上产生拉应力、并将产生拉伸破坏,形成了径向的裂隙。通常破裂区半径远远大于压碎区,一般为炮孔半径的7~150倍。
(3)弹性震动区:当应力波传递到较远处时,衰减程度较大,岩石不会再被破坏,只产生弹塑性变形,应力波呈现出弹性波的形态,以地震波的形式传播。
根据相关文献(
, | (6) |
式中为岩石介质中距离爆破点直线距离的应力波峰值,为爆破初始应力,为爆炸颗粒半径,为监测点距爆破点的直线距离。在本次模拟中,炸药颗粒半径为0.2 m,初始应力 GPa,为压力衰减指数。爆破过程中,,可近似取,为岩石整体泊松比。本文计算得。
为了验证爆炸应力波在岩石中的传播和衰减规律,建立如
图5 测试用PFC模型
Fig.5 The model for test in PFC
通过上述颗粒膨胀方法施加爆炸荷载,并选取三个时刻导出速度云图,如
图6 爆破过程的速度云图
Fig.6 Velocity diagram of blasting process
图7 爆破应力波衰减曲线
Fig.7 Attenuation curve of blasting stress wave
本文选取穗莞深城际轨道建设项目为基本背景,在该路线范围内为冲海积平原地貌,地势平坦,场地现状主要为道路、建筑物等,而爆破工作井正位于建筑密集处。通过地勘钻探得到的资料显示,上层主要为填土及砂类物质,而下层为花岗岩层,形成了一种“上软下硬”的地质结构。在基坑的开挖过程中,由于地面浅层基本为素土,易用机械或人工的方式开挖;爆破层主要是深层花岗岩区域,从地下28 m进行开挖。在对应的DEM模型中,素土层对应的接触模型为线性模型,花岗岩对应的接触模型为平行粘结模型。本文主要通过离散元法模拟爆破对地面速度的影响,故决定采用PFC2D来进行二维建模计算,这样既不失真实性,又可提高计算效率。DEM模型中将岩层分为素土层和岩层两层。综合学者对花岗岩细观参数的研究(
图8 基坑模型
Fig.8 The model of pit
在基坑开挖的过程中,距离地面较近的岩层采用浅孔爆破,到达一定的深度则换用深孔爆破,本文分别取2 m和4 m 两种埋深在同一基坑深度下进行浅孔爆破和深孔爆破模拟试验。采用颗粒膨胀法来模拟爆破,浅孔爆破在5 ~9 GPa范围内选取5个等距的初始应力,而深孔爆破在6 ~9 GPa选取4个等距的初始应力。后台的监测数据显示,监测点速度在0.1 s左右时到达峰值,因此选取计算时间为0.12 s,此时监测点速度基本为0。
提取监测点的速度峰值,以研究不同装药量对地面扰动的影响。如
图9 不同工况下的地面峰值速度
Fig.9 Velocity peak under different work condition
为深入了解爆破的实际效果,对爆破所形成的漏斗形态进行评价,以获得更加清晰的认识(
图10 不同深度下的爆破结构图
Fig.10 Blasting structure diagram at different depths
为了深入研究炸药埋深对地面扰动的影响,设置6组对照组试验。试验中,炸药埋深从2 m至7 m等距分布,初始应力均设置为7 GPa。如
图11 不同炸药埋深下的地面速度峰值
Fig.11 Velocity peak with different buried depth of explosives
预裂爆破是在进行石方开挖时,在主爆区爆破之前沿设计轮廓线先爆出一条具有一定宽度的贯穿裂缝,以缓冲、反射开挖爆破的振动波(
图12 预裂缝示意图
Fig.12 Pre-crack schematic diagram
图13 有无预裂缝时的地面峰值速度
Fig.13 Ground peak velocity with and without pre-crack
图14 爆破过程的速度云图
Fig.14 Speed profile during blasting process
本文基于PFC颗粒流离散元程序,对基坑爆破过程进行了研究。从爆破应力波衰减过程和理论值拟合效果来看,PFC软件可以较好地模拟爆破这一过程。随后,建立了二维基坑模型,分别从不同炸药量、不同埋深和有无预裂缝三种情况对单孔爆破展开了研究,并从安全性的角度分析了基坑爆破对地面带来的速度扰动影响。本文的研究得到了以下主要结论:
(1)从浅孔和深孔爆破上来看,地面速度随炸药量增大而增大,且在同一炸药量下深孔爆破相对浅孔爆破会产生更大的影响。具体来说,浅孔爆破的初始应力比深孔爆破的大2 GPa、且为8 GPa;但深孔爆破漏斗面积相对较大,可以提高爆破效率;
(2)分析不同埋深对地面速度的影响,发现:地面速度随炸药埋深的变化呈上抛物线趋势,且存在临界最大值,同时考虑到漏斗面积的大小,应尽量使炸药埋深低于5 m较好;在基坑支护墙周围设置炮孔埋深左右的预裂缝时,地面的速度会受到一定程度的减缓作用,在本文中达到了13%的减震效果;
(3)实际应用中,尽量在炸药埋深较浅时进行爆破;但在确保不会对周围建筑产生影响的前提下,可逐渐加大炸药埋深提高爆破漏斗面积,以提高爆破效率。从不同监测点的地面速度数据可知,地面速度随基坑距离增大基本上呈衰减趋势,但在某个位置速度会达到最大值。在实际应用中需要注意这个问题,可将基坑周围一定范围内的地面速度变化纳入监测范围。
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