文摘

爆破已广泛应用在民事和矿业经济和快速岩石开挖工程。为了研究的影响相对水平距离和垂直距离相对两隧道的动力响应两个隧道,10数值模拟病例是由LS-DYNA 3 d模型表面爆炸通过控制下清晰的距离和高度差双线隧道,和啤酒复合流体结构耦合算法应用于分析双线隧道在不同条件下的动态响应特性。数值结果表明,该隧道衬砌的动态响应特性影响的变化清晰的距离和高度差的隧道。与相邻隧道之间的高度差的增加,峰值振动速度的顶部内衬爆炸脸上增加,这是由于上升高度合适的隧道,哪个更有利于应力波的反射和叠加。当隧道4 - 6米的高度差,振动速度和位移监测C点爆破会突然改变,背面和振动速度的变化范围约为25%,而位移的变化范围约为60%。

1。介绍

广泛应用于岩石开挖爆破,采矿和其他坚硬的岩石工程应用程序,因为它有强大的地质适应性和经济优势。然而,blast-induced振动可能伤害周围的建筑物、隧道等结构。目前,许多研究已经完成blasting-induced损坏或对地表建筑物的影响,而研究地下结构是相当罕见的相对。随着地下空间建筑的增加,地下隧道爆破工程蓬勃发展,面临很多问题,比如隧道岩石崩落。因此,它是非常重要的研究如何有效保护地下结构和强大的爆炸下的损失最小化。

很多学者做过研究地下结构爆炸载荷作用下的动态响应特性。Eitzenberger [1]通过实验和数值研究,观察冲击波的衰减是由岩体结构的控制。吴et al。2]调查blast-induced激波的传播对节理岩体利用加速度计和发现冲击波的衰减是完全依赖于距离收费重量,岩层之间的夹角罢工,波传播的方向。杨et al。3)调查的反应blast-induced振动对隧道围岩表面和内部使用三维(3 d)数值分析过程。数值研究表明,与内部振动相比,隧道表面振动更高,更容易减毒PPV和较低的频率下降的速度较慢,占主导地位的频率。梁等。4]调查现有隧道受到blast-induced振动的反应从新建隧道附近放置现有的隧道。默罕默德和Rehan Sadique5)被认为是一个内部爆炸加载岩石隧道建于石英岩岩石上;结果表明,损伤的程度浅深度隧道隧道的发现更多更高的上覆岩层的深度。刘等人。6]研究了隧道内爆炸,爆炸冲击波超压的公式在一定距离内的爆炸中心点隧道利用量纲分析理论导出了。Feldgun et al。7)研究了在埋着隧道内部爆炸加载修改戈杜诺夫方法,考虑所有的阶段过程:爆轰的内部电荷;冲击波传播后的内部气体和其与腔的衬板包括多个反射。杨et al。8)进行数值模拟来评估一个水下隧道的破坏特征受爆炸载荷和探索潜在的缓解措施基于耦合的拉格朗日和欧拉(CLE)方法。结果表明,隧道的刚度和承载能力显著提高了粘结碳纤维增强塑料布。推荐的,碳纤维布的厚度是0.5 - -0.835毫米。Koneshwaran et al。9]研究了地下交通隧道爆炸加载;结果表明,几个螺栓在纵向方向上由于失败的重新分配爆炸加载相邻隧道环,和隧道段拱横方向的机制和反应受损主要是由于高弯曲应力。

上述研究是具有重要意义的理解地下空间的机制和过程动态的灾难。然而,研究地下双线隧道的动力响应特点下表面爆破比较少见。研究爆炸荷载作用下的结构主要采用实验的方法,理论分析和数值模拟。爆炸实验是最有效和直接的方法来研究结构的动力响应特点,但破坏性实验条件恶劣的和昂贵的。爆炸冲击载荷下,地下结构不仅是受到从四面八方的压力波的影响,还受非周期的瞬态行为,考虑材料的塑性应变,使得这一问题成为一个高度非线性的问题结合状态非线性和材料非线性10- - - - - -14]。因此,很难实现爆炸力学分析复杂结构的理论含义。由于这些原因,使用数值方法研究这个复杂的进步波传播与隧道之间的互动是必要的和有效的。在本文中,为了研究的影响相对水平距离和垂直距离相对两隧道的动力响应两个隧道,10数值模拟病例是由LS-DYNA 3 d模型下表面爆炸。研究结果可以提供一个有用的参考antiexplosion保护地下隧道的设计。

2。三维有限元建模

2.1。有限元建模的岩石和衬里

为了研究相对水平距离和相对垂直距离的影响两个隧道的动力响应之间的两个相邻隧道、10数值模拟病例是由LS-DYNA 3 d模型下表面爆炸。cm-g——的模型μ单位系统。图1显示了双线隧道的几何模型。数据2和3等距侧视图和有限元模型的前视图的双线隧道,分别。整个模型的大小是80 m×10米×42米。衬里的外直径是10米,内壁的壁厚是0.3米,和衬砌的纵向长度是10米。的指控40公斤TNT炸药。之间的距离,左衬和TNT爆炸的中心是30 m和20 m,分别如图1。三个自由度(用户体验、UY和乌斯)的有限元模型的底部是受限的。为了模拟无限区域和消除反射应力波对仿真结果的影响,除了自由面顶部,其他边界的模型是控制的关键字 Boundary_Non_Reflecting可以吸收膨胀波和横波穿过界面。


图1
几何模型的等距面视图。

图2
等轴有限元模型的侧面。

图3
有限元模型的前视图。

考虑衬砌的影响清晰的距离和高度差在双线隧道的动力响应特征表面爆破,以下参数分析方案制定。在分析衬清楚距离变量的动态特性的影响,确保两个衬里的高度差为0 m,左衬的位置相对于TNT炸药同时保持不变,只改变水平净距对衬里,和衬里的水平明显的距离是5米,7米,9米,11米,分别和13米。为了简化后续的分析,相应的条件是标记为A1, A2, A3、A4、A5,分别如图4和表1。在分析衬高度差变量对动态特性的影响,水平净距两个衬里是9米,和左边的位置相对于TNT炸药保持不变。之间的高度差异两个衬里0米,2米,4米,6米,和8 m,分别。为了简化后续的分析,相应的条件是标记为A3, B3, C3, D3, E3,分别如图4和表1。


图4
数值模拟的细节情况。
表1
数值模拟的细节情况。
2.2。啤酒复合流体结构耦合算法

任意Lagrange-Euler (ALE)耦合算法用于LS-DYNA 3 d解决流体结构耦合问题,这是一样的欧拉算法的描述。可以理解,有两层网格重叠在一起,但不同的是,网格在ALE算法是不固定的,在太空中可以任意移动。ALE算法执行几个拉格朗日时间步计算,网格变形的元素与物质流,然后执行啤酒时间步计算。(1)修改对象的边界条件保持不变,和内部元素是网状网的拓扑关系不变。这一步被称为平滑步骤。(2)元素的参数(密度、能量、应力张量等)和节点变形网格的速度矢量转移到新网格,即期望的步骤。ALE算法一方面保留了拉格朗日算法的优势(10,15,16];也就是说,它可以准确检测的边界网格,也继承了欧拉算法的主要优势,可以解决元素失真的问题,弥补这两个算法的缺点,和非常适合大变形分析。

在这个模拟中,岩体和衬里是所描述的拉格朗日方法;欧拉描述的炸药和空气的方法。这种方法夫妻一起流体和固体之间的非线性耦合实现流体介质和岩体模型通过关键字 Constrained_Lagrange_In_Solid。流体结构耦合算法结构和流体在特定约束方法来实现力学参数的传输。主要约束方法(17)速度约束、加速度约束和罚函数约束。该算法的优点是,流体耦合表面元素和结构元素不需要对应一个接一个,这大大减少了网格生成的工作负载。速度和加速度约束的计算步骤如下:

流体元素和结构节点搜索,和结构节点参数(质量、动量和节点力)被分配到的流体元素节点。

计算新的流体节点加速度(速度):

约束结构节点的加速度(速度)如下: 在哪里米n和米o代表流体元素之前和之后的节点质量分布,分别;米和F分别是动量和节点力;一个和 节点的加速度和速度;h是包含在一个流体元素节点的数目;和f和年代是流体和固体的象征元素。

2.3。材料本构模型
2.3.1。TNT炸药的本构模型

爆炸材料模型所描述的关键字 MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN结合JWL状态方程由LS-DYNA提供。的P- - - - - -V关系的JWL状态方程如下: 在哪里一个,B,R1,R2,ω对TNT炸药材料常数,参数一个和B代表压力的大小,ρ炸药的密度,E具体的内部能量在大气压力。

对TNT炸药(18),ρ= 1630公斤/米3;爆轰波速度D= 6930 m / s;Chapman-Jouget压力 ;一个= 373800 MPa;B= 3747 MPa;R1= 4.15;R2= 0.9;和 。

2.3.2。本构模型的空气

空气模型(19所描述的关键字 MAT_NULL结合多重线性状态方程 EOS_LINEAR_POLYNOMIAL在这项研究中。

为方便计算,视为理想气体,空气的参数如下:C0=C1=C2=C3=C6= 0,C4=C5= 0.4。在cm-g -空气μ单元系统,零材料模型的参数如下:密度 和动态粘度系数μ= 0.001。

2.3.3。混凝土的本构模型

混凝土材料采用模型适应高压力和高应变率的关键字 MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE (HJC)。HJC的材料模型由状态方程、收益率方程,方程和损伤。状态方程可分为弹性阶段、塑性阶段(内部孔隙压缩、孔隙度降低),并完全致密的阶段(内部孔隙压缩、损伤和细粒度的裂缝)。HJC模型的特点是它可以反映混凝土等脆性材料的动态响应在大应变、高应变率和高压力,和材料损伤的效果。这是特别适合研究爆炸荷载下混凝土结构的动态响应。HJC材料的状态方程模型如下。

弹性装卸( )是由

加载塑料过渡区( )是由

卸货的塑料过渡区( )是由

完全压缩加载( )是由

在完全卸压实( )阶段,材料是完全摧毁了:

HJC材料的屈服方程模型如下:

HJC材料的损伤方程模型如下: 在哪里 是体积弹性模量,它是破碎体积的比例压力 和破碎体积 在单轴压缩试验菌株, 代表的是混凝土材料的压实压力, 是压缩体积应变。K1是塑料体积弹性模量; 和 最大体积压力和体积应变卸载之前。在这个阶段,材料的孔隙度压缩,材料损坏,破碎裂纹开始出现; 是标准化的等效应力,D是伤害值( ), 是标准化的静水压力, 是无量纲应变率,一个是归一化凝聚强度;B是归一化压力硬化系数;N是压力硬化指数;C代表了应变速率系数; 和 等效塑性应变增量和塑性体积应变增量的元素在一个计算周期, 是标准化的最大拉伸应力,D1和D2混凝土的损伤常数。在这项研究中具体的参数如表所示2。

表2
具体的属性(20.]。
2.3.4。岩石本构模型

岩石模拟通过Drucker-Prager模型。收益率Drucker-Prager模型给出的标准 在哪里p是静水压力,问代表·冯·米塞斯应力,K是一个标量参数决定屈服曲面的形状的凸性和维护屈服面偏(p)飞机。r是第三个偏应力张量不变量: 在哪里J2和J3代表第二个和第三个偏应力不变量,分别。 在哪里φ摩擦和角吗C是扩张角。

用于硅岩岩体的材料特性表3从三轴试验,得到了21]。

表3
石英岩岩石属性(21]。

3所示。在表面爆破双线隧道的动态响应特性

3.1。在双线隧道应力波传播规律

图5显示了A1条件下岩体的压力云图。此刻的TNT炸药爆炸,爆炸卷在很短的时间内迅速扩张,迅速从固态变为高压气体状态。高压气体作用于岩石和产生应力波(t= 0.5 ms)在岩体,与大约228 MPa的压力峰值。由于无反射边界条件,冲击波将不会反映在岩体边界。进一步传播和扩散的冲击波岩体中应力波的振幅大大削弱。当t= 6.3,女士的峰值下降约4.32 MPa的压力。结合图5(t= 10毫秒,t= 17女士,和衬里监视点的速度随时间的变化曲线在图6),在t= 10 ms,左边的应力波传播衬里,t= 17女士,应力波传播正确的衬里。进一步衰减冲击波、应力波逐渐变得弹性波,在弹性波传播速度不打扰岩体的物理状态。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图5
典型的岩土压力云图(Mbar)。(一)T= 0.5 ms。(b)T= 6.3 ms。(c)T= 10 ms。(d)T= 17女士。

图6
布局的监视点。

它还可以看到从图7监控点的峰值速度大约是7.5厘米/秒t= 27女士,从应力波传播和时间监控点达到峰值速度的监测点大约17女士。B点的峰值速度是大约6.4厘米/秒t= 46女士,从应力波传播到B点的峰值速度是大约29女士。可以看出,到达峰值的时间进程速度不同,时差是12 ms。这是由于应力波产生一系列的反射和衍射两隧道之间,所以它的动态响应过程是不同于一个隧道。针对这一点,本文后续研究开始,也就是说,通过改变隧道的水平间距和高度差来调查下的双线隧道的动力响应特征表面爆炸载荷。


图7
速度时程曲线的监视点。
3.2。衬里的等效应力的分布规律

数据8和9显示等效应力云图的混凝土衬砌在不同条件下(考虑水平净距和高度差)在同一时间(t分别= 20 ms)。左边的隧道,应力分布的左侧YOZ对称平面的衬里基本上是相同的。右边的YOZ衬里的对称面,应力分布显示了明显的区别。根据云图相对应的颜色,深色的颜色元素,等效应力越小。从图可以看出8与增加的净距衬里(5米、7米,9米,11米,和13米),对称平面的压力在右边的YOZ衬里不是经常减少。可以看出,在A3、A4条件下,等效应力的整体价值在这方面显然比其他三个条件(A1, A2, A5)。这表明隧道间距的影响在衬里不是线性的动态响应特性。同样,图中可以看到9衬里的动态响应特征也表现出非线性关系的变化衬里高度差(0米,2米、4米、6米、8米)。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
图8
等效应力云图的衬砌条件下1t= 20 ms (Mbar)。(一)A1。(b) A2。(c) A3。(d) A4。(e) A5。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
图9
衬里2条件下的等效应力云图t= 20 ms (Mbar)。(一)A3。(b) B3。(c) C3。(d) D3。E3 (e)。
3.3。监测的参数分析点

图10是监控的布局点左边的衬里。监视点A, B, C和D都位于左衬。图11展示了监控的速度之间的关系曲线点的水平净距隧道。从图可以看出11的速度响应监视点的顶部衬表面面临爆炸是低于爆炸荷载作用下的侧墙。以衬里的净距离为例,监测B点的峰值振动速度的顶部衬表面面临爆炸是约7.5厘米/秒,和监测的振动速度峰值点的侧墙衬爆炸面临表面大约6.5厘米/秒。振动速度低于13%。与此同时,可以看出监视点A和B的峰值速度几乎不会改变与衬砌的水平间距的增加,这表明隧道间距的变化对振动速度的衬面和侧壁的顶部可以忽略。


图10
布局的监视点。

图11
监视点速度之间的关系曲线和水平净距隧道。

至于监测C点衬边墙上的爆破的脸和监测D底部的衬,从图可以看出11的振动速度监控的C点低于D,和增加的水平净距隧道,监视点C和D的振动速度明显降低。监控点C的爆破的脸,背面的增加水平净距的衬里,监测的振动速度点C从6.4厘米/秒降低到4.7厘米/秒,和峰值速度下降了约26.5%。点D爆破表面,底部的点的振动速度D从6.7厘米/秒降低到5.3厘米/秒衬里水平净距的增加,峰值速度降低了20.9%。

数据12- - - - - -14之间关系的曲线监视点的等效应力和水平净距隧道监控的压力之间的关系的X方向的水平净距隧道,和压力之间的关系的监视点Y方向的水平净距隧道,分别。从图可以看出12,速度监控点的变化规律相似,等效应力的峰值衬里侧壁监视点和衬砌顶部B点爆炸面临脸上并没有改变衬砌的水平间距的增加。等效应力监控B点的峰值约为0.42 MPa,和监控点约为0.36 MPa。等效应力的峰值点减少了约14%。


图12
等效应力监测之间的关系曲线和水平净距隧道。

图13
之间的关系曲线X方向应力的监视点和水平净距隧道。

图14
之间的关系曲线Y方向应力的监视点和水平净距隧道。

监测C点衬边墙上的爆破的脸,监视点D衬底,从图的整体分析12,可以看出与隧道水平间距的增加,等效应力监测点降低。C点,等效应力降低的峰值0.3 MPa 0.27 MPa,和等效应力的峰值下降了10%。点D等效应力降低的峰值0.28 MPa 0.24 MPa,和等效应力的峰值下降了14%。

至于数据13和14从分析可以看出,不管的X方向压力或Y方向的应力监测,监测点的峰值应力几乎没有明显的变化。这是因为尽管岩石应力波的折射和衍射效应两个衬里之间产生,其影响主要是在背面衬爆破方面,影响监测的衬里爆炸面临一侧侧壁可以忽略。点C的抨击,从数据的分析可以看出13和14的应力分量X和Y在整体呈下降趋势,而监视点D在底部的衬,可以看出应力分量的Y方向有一个轻微的增加与隧道的净距的增加,应力峰值Y方向从0.15 MPa提高到0.18 MPa,增加了约20%。

图15显示的速度监控的关系点和隧道的高度差。从图可以看出15爆破作用下的表面,类似于前面的分析,振动速度峰值的监视点面临的爆炸衬砌表面一侧墙壁没有显著改变。监测爆破脸上B点的面料,与隧道高度差的增加,振动速度峰值的增加。这是因为随着隧道往上升,哪个更有利于应力波的反射和叠加,所以测量B点振动速度的增加。可以看出,监测B点振动速度的增加从7.3厘米/秒到7.7厘米/秒,增加约5.5%。当衬的高度差是0到4米,侧墙的振动速度的敏感性监测C点很低,和几乎没有显著改变振动速度。然而,当4和6之间的高度差是m,振动速度的变化从5厘米/秒到5.5厘米/秒,和振动速度的增加间隔约为10%。点D底部的衬,振动速度变化显著的增加隧道高度差。可以看出点的振动速度D从5.7厘米/秒增加到7.1厘米/秒,和峰值速度提高约25%。


图15
监视点速度之间的关系曲线和水平高度差的隧道。

数据16- - - - - -18是等效应力之间的关系的曲线的监视点和隧道的高度差,之间的关系X方向的压力监测和隧道的高度差,和之间的关系Y方向的压力监测和隧道的高度差,分别。从图可以看出16,隧道高度差的增加,点A和B的等效应力爆破脸上仍然是稳定的,和等效应力的峰值值约为0.36 MPa和0.43 MPa,分别。破裂面衬测试点C的等效应力峰值的增加略与隧道高度差的增加,等效应力的峰值从0.24 MPa提高到0.26 MPa,增加约8.3%。对爆破的脸衬监视点D,与隧道高度差的增加,等效应力的峰值点D呈现一个小下行趋势,以及等效应力的峰值从0.29 MPa减少到0.27 MPa,减少约6.9%。至于X方向压力监测点的组件,它可以看到从图的分析17除了点爆破脸上,X方向应力分量的监视点增加第一次当衬里的高度差0∼4米,然后降低高度差时约4∼8米。这表明反射激波的影响最大X方向应力分量的监视点背面左侧隧道爆破表面的高度差相邻隧道是4米,水平净距是恒定的。从图可以看出18的峰值Y方向应力监测B点的爆破的脸衬慢慢减少与隧道高度差的增加,而对于监测爆破脸上点C的衬里,组件的Y方向应力的增加略有减少隧道高度差。


图16
等效应力监测之间的关系曲线和水平高度差的隧道。

图17
之间的关系曲线X方向的压力监测分和隧道高度差。

图18
之间的关系曲线Y方向的压力监测分和隧道高度差。

图19是监控的布局点路径的突然离开衬里表面。数据20.和21沿着路径显示位移之间的关系(以及消极的方向Z)的水平距离和隧道净高度差(t= 31女士),分别。从图可以看出,衬里的位移监测是减少沿道路方向作为一个整体。也可以看到的监测点的位移条件1,A1和A5大于A2、A3、A4,表明监测点的位移的变化不是很明显,由于衬砌间距。对于条件2,从图可以看出21随着隧道高度差的增加,监测点的位移增加而增加时,路径长度小于4米。此外,在区间隧道位移明显增加4 - 6米的高度差。路径的起始点(距离= 0)作为一个例子,C3条件下的位移监测点(高度差= 4米)约为0.0025厘米。的位移监测是D3条件下约0.004厘米(高度差= 6米),这是比其他的高出约60%。


图19
路径设置监视点。

图20
衬砌位移的变化监测沿着路径在案例1分。

图21
衬砌位移的变化监测沿着路径点2。

图22是摇滚监视点的道路布局。监视点排列顺时针沿着z设在。可以看出,振动速度的变化规律以及监视点的路径相同的无论状况条件1或2。隧道的振动速度最高达到峰值100厘米沿着路径,而不是上面的隧道,如图23和24。它还可以看到最低的振动速度是底部的隧道。可以看出离散程度的两条曲线的振动速度值的离散程度条件1会更高,这表明隧道的水平间距的变化会有更重要的影响每个监测的振动速度比隧道高度差的变化点。


图22
路径设置隧道岩体监视点。

图23
变化的速度沿着路径在案例1衬里监视点。

图24
变化的速度沿着路径案例2中衬监视点。

4所示。结论

基于LS-DYNA三维非线性有限元软件,一个完整的耦合模型,TNT explosive-surrounding rock-lining structure-air成立。拉格朗日算法用于衬里和岩体材料。欧拉算法用于空气和爆炸材料。欧拉流体域和拉格朗日之间的非线性耦合结构域实现了啤酒复合流体结构耦合算法。通过控制双线隧道的清晰的距离和高度差,各种数值模拟的情况下制定。双线隧道在不同条件下的动态响应特性和表面爆炸加载系统进行了研究。主要结论如下:

表面爆破的作用下,隧道净距的影响,高度差衬里的动态响应特性提出了一种非线性变化规律除了监视点爆破脸上。

监视点A和B的峰值速度表面几乎没有变化,面临的爆炸衬砌的水平间距的增加,表明隧道间距的变化对振动速度的顶部和侧墙面临的爆炸衬砌表面可以忽略。点C的侧壁的爆破的脸,C点减少约26.5%的峰值速度的增加水平净距的衬里。点D爆破的脸,底部的点D减少约20.9%的峰值速度的增加水平净距的衬里。与隧道的水平距离的增加,等效应力的测量分减少。

与相邻隧道之间的高度差的增加,振动速度峰值的衬里监测B点的增加,更有利于应力波的反射和叠加的上升高度合适的隧道。当相邻隧道之间的高度差是4米,反射激波的影响最大X方向应力分量的测量表面点在爆破隧道。当隧道高度差4∼6米,振动速度、位移监测C点爆破会突然改变,背面和振动速度的变化范围约为25%,而位移的变化范围约为60%。

数据可用性

本文中的数据和解释;读者可以访问数据支持本研究的结论。

信息披露

作者想要申报的,这里所描述的工作是原始研究和以前没有在其他地方发表。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

确认

作者欣然承认山西省科技计划提供的资金([2018]1056)和中国廊坊关键技术研究与发展计划(批准号2020013039)。