地形对爆破振动波传播影响的数值模拟研究

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爆破振动波通过不平整地形时会产生一系列复杂的反射、衍射和波形转换,使爆破振波的时域、频域特征与平整地形有明显差异,而研究这种差异对岩体爆破振动控制有重要意义。通常,爆破施工有两种装药方式,一种平行地面,如隧道爆破,另一种垂直地面,如基础开挖爆破,因此本文的研究内容包括这两个方面。  首先,采用LS-DYNA程序模拟平行地面的药包在岩体中的爆炸过程,此时产生的是柱面爆炸应力波。在UDEC程序中建立凹槽、台阶和几种凸起地形,并将LS-DYNA模拟的弹性振动区域的速度波形作为输入荷载,模拟爆破振动波在凹槽、台阶和几类凸起地形的传播。定义地形的拐点与相同位置平整地形的振动速度峰值之比为动力放大系数和动力衰减系数。分析结果表明,凹槽地形的迎波坡面是动力放大的,且放大系数随凹槽深度增加趋近于2;凹槽地形的背波坡面是动力减小的,且衰减系数随凹槽深度增加而增大,水平方向的衰减系数大于垂直方向,当凹槽较深时,水平方向的衰减系数可达0.8,垂直方向的衰减系数可达0.6。随爆源距增加,凹槽的衰减系数减小。当凹槽深度小于爆源深度时,凹槽宽度越大,衰减系数越小;当凹槽深度大于爆源深度时,凹槽宽度对衰减系数的影响不大。爆破振动波通过凹槽地形时其主频会降低。台阶地形的水平方向是动力减小的,垂直方向仅当台阶高度较低时动力放大,但随台阶高度增加而转变为动力减小。爆破振动波经过台阶地形时主频会降低。节理的分布特征对地形动力放大效应有明显影响,当节理切割台阶坡面形成块体时,台阶地形的动力放大系数会明显增大。矩形凸起地形水平方向是动力减小的,且两侧坡面的振动速度峰值十分接近;背波坡面的垂直方向是动力放大的,且放大系数随凸起高度增加先增加后减小,最大可达2.4。当凸起地形宽度较小时,动力放大的区域集中在背波坡面;当凸起宽度较大时,迎波坡面的动力响应类似于台阶地形,背波坡面的动力响应类似于凹槽地形迎波坡面。凸起地形的形状对爆破振动波的传播具有明显的影响,凸起地形越尖锐水平方向的动力响应越大,尤其在尖点处,会出现振动速度峰值突增现象,而垂直方向动力响应受尖点的影响并不明显。  然后,在FLAC2D程序中建立台阶地形,并施加三角型爆炸荷载,模拟爆破振动波在台阶内地形的传播。模拟结果表明,相较于平整地形,台阶地形垂直方向的放大系数随台阶高度增加先增后减,存在一个极大值;水平方向的放大系数随台阶高度的增加而减小。拐点处的振动速度峰值与该处的夹角有关,夹角越大则振动速度峰值越小,当台阶坡度小于1/3时,台阶上、下拐点垂直方向的振动速度峰值几乎相等,即动力放大效应消失。通过与前人的试验结果比较,得出纵波导致垂直方向的动力放大,面内剪切波导致水平方向的动力放大,瑞利面波同时导致两个方向的动力放大,爆破振动波传播引起的台阶地形的动力放大效应是这三种波的综合作用。
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