河北工业大学土木工程学院 天津 300401
摘要：利用爆破产生能量可进行软基处理，但不同土体状态及埋药方式下产生的爆破挤密效果存在差异。采用 Ansys/Ls-Dyna动力有限元数值模拟技术对土中爆破技术进行了模拟与分析。结果表明，爆前土体含水率越高、压实度越低，爆破挤密效果越好，预埋炸药较预留药孔再装药爆破挤密效果更好。
关键词：土中爆破；数值模拟；土体参数；埋药方式；挤密效果
Numerical simulation of cavity produced by explosion in soil
WEI Lianyu，DONG Liying
（School of Civil Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin00401，China）
Abstract：Energy produced by explosion in soil can be used to improve soft foundation. Blasting compaction result are different under different soil parameter and embedding method. ANSYS/Ls-Dyna dynamic finite element numerical simulation technique is adopted to analyze explosion problem in soil. The result shows that The higher the water content of the soil and the lower the degree of compaction，the better the result of the blasting. Embedded explosive is better than rear mounted explosive.
引言
固体介质中的爆炸属于较为复杂的爆炸力学范畴，其爆炸冲击效应过程复杂，对其进行精确的解析分析十分困难。同时由于爆炸作用的特殊性导致实地测量和模型试验都具有一定的局限性，因此数值模拟在爆炸力学领域的研究价值也日益显现 [1]。但不同土体状态的爆破挤密效果存在差异[2]，不同的埋药方式对于爆破挤密效果也存在影响。文献[3]采用基于欧拉法的爆炸流体动力学数值模拟技术对土中爆破问题进行了分析，得出爆腔直径与药量存在一定的非线性关系。文献[4]利用数值模拟研究土中浅层爆破产生爆坑的过程以及土体属性对爆破结果的影响，并与现场试验进行了对比分析。文献[5]利用数值模拟方法模拟土中爆腔形成及周围土体挤密效果与现场爆破实验结果具有较好的一致性。
本文采用 Ansys/Ls-Dyna动力有限元数值模拟技术对不同土体状态以及不同埋药方式下的工况进行模拟分析，重点研究了土体爆前含水率、压实度以及埋药方式对爆破挤密效果的影响问题，为爆破法处理软基提供参考。
1 土中爆破数值模拟方法
1.1数值模拟算法的选择
目前常用的数值模拟算法主要有，Lagrange、Euler以及ALE算法。在计算固体力学中通常采用Lagrange列式方法，而在流体力学的计算中则常采用Euler列式方法。由于土中爆炸流体与结构间存在流固耦合作用，因此本文采用一种将Lagrange算法和Euler算法的优点结合起来的ALE算法，即Arbitrary Lagrange Euler算法。
本次数值模型由炸药、土壤、空气三部分组成，各部分都用 SOLID164 单元。为避免 Lagrange 单元网格的形状畸变可能导致计算的中断问题，在计算中将空气、土体、炸药均划分为 Euler 网格，该网格是不变形的，物质通过网格边界流进流出。单元算法采用多物质 ALE算法，该算法允许同一网格中包含多种物质，可以很好的处理流体和固体接触问题。
ANSYS/LS-DYNA 软件模拟中需要的土壤的主要参数包括密度 、剪切模量、体积模量、动力屈服常数 、 、 。本次模拟采用的土壤密度与模量参数通过普通土力学试验及室内动三轴试验获取，由于爆炸强动载作用下，土体屈服特性与静态或准动态条件下屈服特性有很大差别，现有的试验研究很难给出强动载作用下的动力屈服常数，因此本文查阅相关文献，沿用国防科技大学[7]文献中的数值进行模拟计算。
1.3 数值分析模型
为了简化模型节省计算时间，假定土体均匀并且各向同性，因此炸药爆炸后爆轰效果以柱状炸药对称，因此本文采用 1/4 圆柱体有限元模型。炸药周边土体模型的尺寸为：圆柱底面半径为 101.6cm，高为 239.6cm；柱状炸药底面半径为1.6cm，高 9.6cm，质量约为 100g；炸药顶面距地表 100cm。具体计算模型见图 5.1，坐标原点 O 为柱状炸药底面中心，沿空气的垂直方向为 Z 轴正方向，水平面为XOY 面。网格划分模型中有 3000 个炸药单元（红色部分），5000 个空气单元（紫色部分），77000个土壤单元（蓝色部分）。
图6为Q=50g、w=16%、k=84%时两种装药方式爆破云图与扩腔曲线。两种装药方式均在5000μs左右达到稳定，土中直接埋药的1/4爆腔体积为4903.13cm3，预留孔道装药方式的1/4爆腔体积为4304.905cm3。两种方式的爆后空腔体积存在很大不同，预留孔道装药方式的空腔体积为直接埋药方式空腔体积的87.80%。并且预留孔道方式由于埋药后填土压实度达不到原土体模型压实度，在爆轰波的冲击下爆腔有向欠压密土体扩张的趋势，因此会减弱对周围的土体的压密效果。以上两点表明预埋炸药方式要优于预留孔道方式。
3.结论
（1）采用 Ansys/Ls-Dyna动力有限元数值模拟技术可以很好的揭示土中爆破挤密过程，数值模拟结果与现场试验结果吻合性较好。
（2）土中爆破对周围土壤具有挤密作用，随着爆心距的增加爆后密度逐渐减小直至与爆前土体密度一致，依次确定爆破的有效挤密范围对工程施工有指导意义。
（3）土体参数的变化影响爆破挤密效果。随着爆前含水率、压实度的变化，爆腔大小有明显差异。爆前含水率越大爆腔越大，爆前压实度越大爆腔越小。
（4）不同埋药方式下爆破挤密效果有很大差异，建议在现场条件允许的条件下采用预埋炸药的方式进行爆破挤密施工。
参考文献：
[1]宁建国，王猛．关于计算爆炸力学的进展与现状。力学与实践，2012
[2]魏连雨，刘艳竹，马士宾，王清洲. 高填方路堤软弱区域爆破挤密技术[J]. 科技导报，2014，15：49-52.
[3]崔溦，宋慧芳，张社荣，闫澍旺. 爆炸荷载作用下土中爆坑形成的数值模拟[J]. 岩土力学，2011，08：2523-2528.
[4]AMBROSINI D，LUCCIONI B. Craters produced by explosions on the soil surface[J]. Journal of Application Mechanics，2006，36：890－900.
[5]魏连雨，刘艳竹，李海超，魏凯. 高填方路堤土中爆破数值模拟[J]. 科技导报，2014，32：32-36.
[6]叶海旺，王进. 节理岩体爆破数值模拟[J]. 爆破，2009，04：13-16+37.
[7]陈同军. 炸药埋深及炸药量对土中爆炸效应影响规律的数值模拟研究[D].国防科学技术大学，2010.
论文作者:魏连雨,董立颖,李慧
论文发表刊物:《基层建设》2015年26期供稿
论文发表时间:2016/3/22
标签：数值论文; 炸药论文; 药方论文; 土中论文; 算法论文; 效果论文; 模型论文; 《基层建设》2015年26期供稿论文;