减震沟相关参数对减震效果影响的数值模拟*

潘 涛 康 强 赵明生

(1.贵州久联民爆器材发展股份有限公司;2.贵州新联爆破工程有限公司)

爆破振动是爆破工程施工引起的多种危害中最难以避免的，因此爆破振动控制往往成为爆破安全工作中最主要的一个环节。爆破振动可以采用多种手段进行控制与削弱，既包括调整参数、控制微差时间等主动控制手段，也包括预裂爆破、开挖减震沟槽等被动降振方法［1］。开挖减震沟适用于爆源与被保护对象间存在易开挖岩土层的情况，是一种效果显著的降振方法，降振率可达80%以上［2-3］。在使用上，减震沟降振效果受到沟槽深度、长度等参数的影响［4-5］，研究这些参数的影响规律与效果有助于减震沟的合理优化使用。对于这些参数影响规律的研究难以采用对比试验来完成，因此在本研究中采用数值模拟的手段，对单孔条件下不同几何参数条件减震沟的减震效果进行了模拟研究。

本研究中运用有限元分析软件ANSYS/LSDYNA，采用单一炮孔施加爆破振动荷载的简化模拟条件，并使用中心单点积分的单物质ALE方法，针对减震沟爆心距、长度、深度、宽度4项参数，以自由面节点水平径向振动峰值速度作为指标对模拟所得结果进行对比分析。

1 模型及参数

本数值模拟模型如图1所示，模型共有单元106 480个，除正面为对称面，顶面为自由面外，其他面均施加无反射边界条件［6-7］。模拟炮孔孔径为90 mm，孔深3 m，2 m装药长度，反向起爆。

图1 模 型

模型的岩石介质、炸药等材料相关参数见表1～表3。

模拟中以右侧距离炮孔5 m、长10 m、深4 m、宽1 m的减震沟作为基准，在此组基本参数基础上分别改变单一参数进行多组模拟，然后比较模拟结果。

表1 岩石材料相关参数

表2 炸药材料相关参数

表3 炸药状态方程相关参数

2 数值模拟结果及分析

如图2所示，以5 m为间距，在顶面、对称面交线上自距炮孔5 m处开始依次选取18个节点，基于节点x向质点振动速度峰值变化对比不同参数减震沟的减震效果。

图2 选取的水平径向节点

由于减震沟影响的是一个区域而不仅仅是个别点，为便于比较不同参数减震沟的减震效果，在此引入一个减震指数ARF［8］，ARF实际是选取的多个节点的平均减震率，具体定义如下:

式中，uDn为无减震沟时节点Dn处水平径向质点振动速度峰值;vDn为有减震沟时节点Dn处水平径向质点振动速度峰值。

2.1 减震沟宽度影响规律

以基本参数作为标准，其他参数不变，只改变减震沟宽度，模拟宽度分别为0.1、0.5、1.0 m。模拟所得结果见图3及图4。图3所示为不同减震沟宽度下的水平径向质点峰值振速，图4所示为不同减震沟宽度下的减震指数。可以看到，减震效果随着减震沟宽度增大而增大，两者关系近似线性，但是增长幅度极小，减震沟宽度由0.1 m提高到1.0 m时减震指数仅仅提高了约4个百分点。

图3 减震沟宽度与质点振速峰值

图4 减震沟宽度与减震指数关系

2.2 减震沟深度影响规律

以基本参数作为标准，其他参数不变，只改变减震沟深度，模拟深度分别为3.0、4.0、5.0及6.0 m。模拟所得结果见图5及图6。图5所示为不同减震沟深度下的水平径向质点峰值振速，图6所示为不同减震沟深度下的减震指数。由图6可以看到，减震效果随着减震沟深度增大而增大，两者关系近似线性，减震沟深度由3.0 m提高到6.0 m时减震指数提高了约35个百分点。

2.3 减震沟长度影响规律

图5 减震沟深度与质点振速峰值

图6 减震沟深度与减震指数关系

以基本参数作为标准，其他参数不变，只改变减震沟长度，模拟长度分别为6、10、14、18及20 m。模拟所得结果见图7及图8。图7所示为不同减震沟深度下的水平径向质点峰值振速，图8所示为不同减震沟长度下的减震指数。由图8可以看到，减震沟长度由6 m提高到14 m时减震效果随着减震沟长度增大而增大，两者关系近似线性，当减震沟长度超过14 m，减震指数基本保持恒定。由6 m提高到20 m时减震指数提高了8.3个百分点。

图7 水平径向节点减震沟长度与质点振速峰值

图8 水平径向节点减震沟长度与减震指数关系

由图8还可以看到，减震沟长度变化对于降低图2中选取的炮孔到减震沟垂线上节点的振动强度有一定效果，但是效果有限。为了更全面地考察减震沟长度变化的影响，选取如图9所示的减震沟后水平切向的10个节点，考察不同减震沟长度下的质点振动速度峰值，从而判断减震沟长度变化对有效减震区域的影响。

图9 选取的水平切向节点

图10 所示为不同减震沟长度下选取的水平切向各节点的质点峰值振速，图11所示为不同减震沟长度下在图9所示水平切向位置节点的减震指数。观察图10，可以看到随着减震沟长度增大，更大范围的区域受到减震沟影响而有效减低了爆破振动。由图11可以看到，图9中选取节点所在区域的减震指数随着减震沟长度增大而增大，且当减震沟深度超过14 m时减震沟长度增加的减震效果更为显著。在图9所示水平切向节点范围内，当减震沟深度由6 m提高到20 m时减震指数由25.6%提高到81.8%，提高了56.2个百分点。

图10 水平切向节点减震沟长度与质点振速峰值

图11 水平切向节点减震沟长度与减震指数关系

2.4 减震沟爆心距影响规律

以基本参数作为标准，其他参数不变，只改变减震沟与炮孔的爆心距，模拟爆心距分别为5、10、15、20、25、30及50 m。模拟所得结果见图12及图13，图12所示为不同爆心距下的水平径向质点峰值振速，图13所示为不同爆心距下的减震指数。观察图12，可以看到:当减震沟距离炮孔接近时可以取得极为显著的减震效果;爆心距较大时，减震沟后的减震效果变得不太明显。由图13可以看到，减震沟爆心距由5 m提高到10 m时减震指数变化不大，爆心距超过10 m后减震效果随着减震沟爆心距增大而不断减小，两者关系近似线性。爆心距由5 m提高到50 m，减震指数由56.8%降低到23.9%，降低了32.9个百分点。

图12 减震沟爆心距与质点振速峰值

图13 减震沟爆心距与减震指数关系

3 结论

(1)减震沟宽度对于减震效果虽然有一定影响，但是影响十分有限，长度、深度、爆心距相同时预裂缝与减震沟的减震效果差距极小。

(2)减震沟深度对于减震效果的影响较为显著，减震沟越深，减震效果越好。

(3)减震沟长度对有效减震区域范围及减震率均有影响。增加减震沟长度可以显著地提高有效减震区域范围。在一定长度范围内减震沟长度的增加可以提高最大减震率，但是超过一定长度后几乎没有影响。

(4)减震沟距爆源距离越大，总体的减震效果越差。

［1］ 赵京林，李永刚.爆破振动的危害性及防治措施［J］.现代矿业，2010，490(2):40-42.

［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):20-23.

［3］ 娄建武，龙 源，周 翔，等.爆炸波传播的沟槽效应及分析［J］.矿冶工程，2004，24(1):11-15.

［4］ 郑水明，姚运生，曾心传.工程场地隔振沟减震效应［J］.爆破，2008，25(3):103-106.

［5］ Onder Uysal，Kaan Erarslan，Akif Cebi，et al.Effect of barrier holes on blasting induced vibration［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2008，45(6):712-719.

［6］ 梁开水，陈天珠，易长平.减震沟减震效果的数值模拟研究［J］.爆破，2006，23(3):18-21.

［7］ 罗 毓，刘雁鹰，易长平.预裂缝参数对减振效果影响的数值分析［J］.爆破，2007，24(2):25-27.