CN116579202A - 一种基于abaqus有限元软件的静态爆破钻孔布局参数化仿真分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于ABAQUS有限元软件的静态爆破钻孔布局参数化仿真分析方法，建立三维的钻孔布局实体模型，在实体模型上分布膨胀剂填充孔；通过仿真产生应力传递效果云图；通过数值模拟和分析对比，得出静态爆破最高效的钻孔布局参数。采用上述技术方案，获得静态爆破的最优方案，分析对比出适用于各类静态爆破的最高效的钻孔布局；降低试验成本、提高效率；可以很方便地选择不同参数并可以根据实际情况方便地修改相关参数，适用范围更广，为静态爆破施工提供了安全、高效的技术措施。
Description
技术领域
本发明属于建筑、矿山、交通、地质工程施工中爆破科研与实验的技术领域，更具体地，本发明涉及一种基于ABAQUS有限元软件的静态爆破钻孔布局参数化仿真分析方法。
背景技术
在当代社会经济的快速发展下，迫切需要既能高效挖掘、破碎岩石混凝土，又能减少成本支出、施工人员的安全得到切实保障的施工技术。传统的施工技术设备已经完全不能跟上时代的步伐，人们迫切需求一种新的、功能强大而又安全可靠的爆破施工技术和施工机械。因此，静态爆破技术应运而生。
静态爆破是将硅酸盐和氧化钙之类的固体，加水后，搅拌成固体，再放入须填充的地方，发生水化反应，固体硬化，温度升高，体积膨胀，把岩石涨破，在使用过程中还要能根据具体情况再添加缓凝剂或者速凝剂等外加剂，以调节反应速度。
静态爆破剂是一种高性能膨胀粉，其主要材料为氧化钙(CaO)，加入含有硅、镁、钙、钛等元素的无机化合物，通过高温煅烧，研磨成粉末。
静态破碎的过程是用适量的水与膨胀粉进行拌和，调制成流动状的浆体，把浆体灌入钻孔中，经水化反应产生膨胀，产生的膨胀压力作用在孔壁四周最终使混凝土发生破坏。膨胀剂中的氧化钙与水混合后生成氢氧化钙，在没有约束的条件下反应产生的氢氧化钙的体积是氧化钙的2倍～3倍。现有生产的破碎剂，产生膨胀应力能可达到30MPa～80MPa。
静态爆破解决了在某些特殊情况及特殊环境下不允许使用常规炸药爆破来拆除构筑物及对岩石、矿石的开采这个长期困扰我们的难题。与传统的爆破材料相比，对环境的影响小，安全性更高，操作上很便捷，它是常规的炸药爆破的一种发展、延伸，虽然静态爆破技术现阶段在我国还没有炸药爆破技术那样广泛应用，但我们也应当看到静态爆破它的前景是非常光明的。
静态爆破工艺有两种形式。其一是以静态膨胀剂为爆破介质。其对于专业能力的门槛比较低，普通施工人员即可掌握膨胀剂的使用技巧。其二是利用静态爆破装置。静态爆破装置机械化程度较高，节约了大量人力资源。同时，静态爆破可以预先的确定分裂方向，分裂形状以及需要的部分尺寸，分裂精度高。
在现有技术中，静态爆破之前的钻孔布局及其参数，都是根据经验估算，或者通过实地试验来确定，然后在实际施工中采用这样的参数进行静态爆破的实施。然而，经验估算的结果往往很不准确，与工程实际有很大的误差；很难对不同的技术方案进行对比、选择；实地试验同样存在小范围内可行，但有很大的局限性，在推广到大范围施工时仍存在较大的误差，而且实地试验的成本较高。
通过检索关键词：“静态爆破；仿真；分析”，没有检索到相关公开的技术文献，也没有任何公开应用的实例。检索结果表明，将仿真分析应用到静态爆破中，本领域在这一方面研究还处于空白。
发明内容
本发明提供一种基于ABAQUS有限元软件的静态爆破钻孔布局参数化仿真分析方法，其目的是采用低成本、高效率的方式获得静态爆破的最优方案。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
本发明的基于ABAQUS有限元软件的静态爆破钻孔布局参数化仿真分析方法建立三维的钻孔布局实体模型，在所述的实体模型上分布膨胀剂填充孔；通过仿真产生应力传递效果云图；通过数值模拟和分析对比，得出静态爆破最高效的钻孔布局参数。
所述的实体模型包括两组：
第一组：2400×2400×1500mm的六面体；
第二组：3000×3000×1500mm的六面体；
所述的六面体的相交面均互相垂直；
通过两组实体模型得到的钻孔布局参数进行对比。
在所述的实体模型上的膨胀剂填充孔的布孔方式为：正方形分布；b＝a的等腰三角形分布；b＝0.87a的等边三角形分布；b＝0.75a的等腰三角形分布；其中，a为同一排中的相邻孔距；b为相邻排的排距。
在模型材料选择C30素混凝土时，所述的膨胀剂填充孔的参数分别为：
1)、孔径D为35mm～50mm；
2)、钻孔深度L计算公式为：
L＝α×H
式中：
L——钻孔深度；
α——取0.75～0.8；
H——破碎面厚度；
3)、钻孔最小抵抗线W＝400mm；
4)、孔距a分别为400mm、500mm；
5)排距b＝(0.72～1.35)W。
所述的仿真分析方法的过程为：
1)、建模准备；
2)、材料参数的设定；
3)、加荷控制；
4)、网格划分；
5)、计算结果的应力图输出；
6)、测点选取；
7)、应力对比。
在所述的2)中，选用C30混凝土，其材料参数分别为：泊松比：0.3；密度：2.4E-09；杨氏模量：3×104MPa。
在所述的3)中，加荷的标准为80MPa。
在所述的4)中，选用六面体网格进行划分，网格类型选用C3D8R，网格密度seeds为80。
在所述的6)中，选择模型中部钻孔密集处的居中四孔，分别用K1～K4表示，其中K1与K3、K2与K4分别为对角，C1～C4表示孔与孔间的中点，C5表示四孔中心连接交叉点。
在所述的7)中，最小应力出现在两孔间的中点位置，通过对比不同钻孔布局中点应力，可以更直接了解构件的破碎效果。
所述的仿真分析的结果为：
三角形钻孔布局测点处应力比正方形测点处的应力大，表明三角形钻孔布局比正方形钻孔布局的破碎效果好；
等边三角形钻孔布局测点处应力与b＝0.75a的等腰三角形钻孔布局测点处应力接近；二者均比b＝a等腰三角形钻孔布局测点处应力大；
b＝0.87a的等边三角形钻孔布局测点处应力比b＝0.75a的等腰三角形钻孔布局中点处和b＝a的等腰三角形钻孔布局中点处应力大，表明三角形布孔钻孔布置中，b＝0.87a等边三角形破碎效果更好。
本发明采用上述技术方案，获得静态爆破的最优方案，分析对比出适用于各类静态爆破的最高效的钻孔布局；降低试验成本、提高效率；可以很方便地选择不同参数并可以根据实际情况方便地修改相关参数，适用范围更广，为静态爆破施工提供了安全、高效的技术保障措施。
附图说明
附图所示内容简要说明如下：
图1为正方形布孔布局图(b＝a＝400mm)；
图2为等腰三角形布孔布局图(b＝a＝400mm)；
图3为等边三角形布孔布局图(b＝0.87a＝348mm)；
图4为等腰三角形布孔布局图(b＝0.75a＝300mm)；
图5为正方形布孔布局图(b＝a＝500mm)；
图6为等腰三角形布孔布局图(b＝a＝500mm)；
图7为等边三角形布孔布局图(b＝0.87a＝435mm)；
图8为等腰三角形布孔布局图(b＝0.75a＝375mm)；
图9-1为等边三角形布孔布局(b＝0.87a)整体模型图；
图9-2为图9-1所示模型的正面视图；
图10-1为等腰三角形布孔布局(b＝0.75a)整体模型图；
图10-2为图10-1所示模型的正面视图；
图11-1为正方形布孔布局(b＝a)整体模型图；
图11-2为图11-1所示模型的正面视图；
图12-1为等腰三角形布孔布局(b＝a)整体模型图；
图12-2为图12-1所示模型的正面视图；
图13为模型加荷示意图；
图14-1为网格划分示意图；
图14-2为图14-1所示模型的立体视图；
图15为等边三角形布孔布局(b＝0.87a)应力结果图；
图16为等腰三角形布孔布局(b＝a)应力结果图；
图17为等腰三角形布孔布局(b＝0.75a)应力结果图；
图18为正方形布孔布局(b＝a)应力结果图
图19为方形布孔测点选取图；
图20为三角形布孔测点选取图；
图21为孔距300mm测点的应力变化曲线；
图22为孔距400mm测点的应力变化曲线。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
本发明为一种基于ABAQUS有限元软件的静态爆破钻孔布局参数化仿真分析方法。为了解决现有技术存在的问题并克服其缺陷，实现用低成本的方式获得静态爆破的最优方案的发明目的，本发明采取的技术方案为：
本发明的基于ABAQUS有限元软件的静态爆破钻孔布局参数化仿真分析方法，建立三维的钻孔布局实体模型，在所述的实体模型上分布膨胀剂填充孔；通过仿真产生应力传递效果云图；通过数值模拟和分析对比，得出静态爆破最高效的钻孔布局参数。
采用上述技术方案，获得静态爆破的最优方案，分析对比出适用于各类静态爆破的最高效的钻孔布局，特别是适用于城市地上、地下空间静态爆破最高效的钻孔布局；降低试验成本、提高效率；可以很方便地选择不同参数并可以根据实际情况方便地修改相关参数，适用范围更广，为静态爆破施工提供了安全、高效的技术措施。
一、本发明的研究方法：
(一)、研究思路：
在混凝土的静态爆破问题中，破碎前钻孔布局的参数设置对构件的最终破碎效果以及膨胀剂用量的大小影响重大。
为确定钻孔布局参数，本发明对钻孔布局的参数问题进行建模和有限元数值模拟。
所述的实体模型设置成两组：
第一组：2400×2400×1500mm的六面体；其中的膨胀剂填充孔的孔径为φ40mm；孔距a＝400mm；
第二组：3000×3000×1500mm的六面体；其中的膨胀剂填充孔的孔径为φ50mm；孔距a＝500mm；
所述的六面体的相交面均互相垂直；
通过两组实体模型得到的钻孔布局参数进行对比。
在所述的实体模型上的膨胀剂填充孔的布孔方式为：正方形分布b＝a；b＝a的等腰三角形分布；b＝0.87a的等边三角形分布；b＝0.75a的等腰三角形分布；其中，a为同一排中的相邻孔距；b为相邻排的排距。
不同形状具体尺寸划分：
正方形如图1所示：边长×边长：400mm×400mm；如图2所示：500mm×500m；
等腰三角形如图3所示：底边×腰长：400mm×447mm；如图4所示：500mm×559mm；
等边三角形如图5所示：边长×边长：400mm×400mm；如图6所示：500mm×500mm；
等腰三角形如图7所示：底边×腰长：400mm×361mm；如图8所示：500mm×451mm。
(二)、参数确定：
在模型材料选择C30素混凝土时，所述的膨胀剂填充孔的参数分别为：
1、孔径的选取：
如图1所示：钻孔直径用D表示，D＝40mm和D＝50mm。取值理由分析如下：
孔径D过大容易造成冲孔；钻孔过小破碎效果不明显。
考虑到孔径与膨胀压力的关系，最大孔径一般不宜小于35mm，不宜大于65mm。
目前己经研发出大孔用的静态破碎剂，既使孔径达到80mm～100mm也不会发生喷孔现象。在素混凝土中的孔径一般孔径D为35mm～50mm；为节约膨胀剂同时保证发挥作用，选择孔径D＝40mm和D＝50mm。
2、孔深的选择：
钻孔深度用L表示，L＝1200mm。取值理由分析如下：
合理的钻孔深度可有效减少冲孔的发生，保证静态爆破效果。
钻孔深度L主要与破碎面厚度H及钢筋的约束情况有关。岩石钻孔深度为目标破碎体80％～90％，大体积需要分布破碎的岩石，钻孔深度可根据施工要求选择。
鉴于模型材料选择C30素混凝土，钻孔深度L计算公式为：
L＝α×H
式中：
L——钻孔深度；
α——取0.75～0.8；
H——破碎面厚度。
在素混凝土中α一般取0.75～0.8，一般取0.8H作为孔深设计值，H按1500mm取值，故L＝1200mm。
3、钻孔最小抵抗线的选择：
钻孔最小抵抗线用W表示，W＝400mm。取值理由分析如下：
钻孔最小抵抗线W是指在工程爆破中，通常将药包中心或重心到最近自由面的最短距离，称为最小抵抗线W，通常取值为：破碎少筋混凝土W＝300～400mm，低中硬度岩石W＝400～500mm。
本发明中素混凝土试件按少筋布置，为了便于施工方便一律取400mm。
4、孔距的选择：
孔距a分别为400mm、500mm。取值理由分析如下：
钻孔间距(孔距)用a表示，孔距a的选择应考虑临空面、最小抵抗线及破碎物强度等多种因素，一般取孔径D的5倍～10倍，通常取值为：破碎少筋混凝土a＝40～50cm，破碎多筋混凝土a＝30～40cm。
当孔数较多，需进行分次破碎时，排距b一般取值(0.6～0.9)a。
考虑到模型截面本身是正四边形，材料性质为素混凝土，选择孔距为400mm，500mm。
5、排距的选择：
排距b＝(0.72～1.35)W。取值理由分析如下：
钻孔排间距(排距)用b表示，排距的选取与破碎的自由面有关，破碎自由面越小时，排距b的取值也越小，一般b＝(0.72～1.35)W，反之则越大，排距一般是依靠施工者的经验而定，在素混凝土中一般b＝(0.72～1.35)W。
考虑到破碎效果，正方形布孔b＝a，等腰三角形布孔b＝a，等边三角形布孔b＝0.87a，等腰三角形布孔b＝0.75a。
二、本发明的仿真分析方法的过程为：
(一)、建模准备：
如图9-1～图12-2所示：
1、2400×2400×1500mm的六面体，孔径为40mm；
2、3000×3000×1500mm的六面体，孔径为50mm。
对照组为截面等比放大模型，钻孔比相等，整体模型图类似。
(二)、材料参数的设定：
材料参数按下表设定(选用C30混凝土)：
| 材料参数 | 泊松比 | 密度 | 杨氏模量(MPa) |
| 数值 | 0.3 | 2.4E-09 | 3×104MPa |
(三)、加荷控制：
加荷的标准为80MPa。
静态爆破剂是一种高性能膨胀粉，其主要材料为氧化钙(CaO)，加入含有硅、镁、钙、钛等元素的无机化合物，通过高温煅烧，研磨成粉末。
静态爆破在使用过程中还要能根据具体情况再添加缓凝剂或者速凝剂等外加剂，以调节反应速度。
静态破碎的过程是用适量的水与膨胀粉进行拌和，调制成流动状的浆体，把浆体灌入钻孔中，经水化反应产生膨胀，产生的膨胀压力作用在孔壁四周，最终使混凝土发生破坏。
膨胀剂中的氧化钙与水混合后生成氢氧化钙，在没有约束的条件下反应产生的氢氧化钙的体积是氧化钙的2倍～3倍。现有生产的破碎剂，产生膨胀应力能可达到30MPa～80MPa。
如图13所示，本发明研究以80MPa为加荷标准，探究其在不同排布下的爆破效果。
(四)、网格划分：
如图14-1、图14-2所示：选用六面体网格进行划分，网格类型选用C3D8R，网格密度seeds为80，以提高计算精度。
(五)、计算结果：
计算结果的应力图输出。以2400×2400×1500mm的，其孔径为40mm为例，如图15、图16、图17和图18所示。
(六)、测点选取：
如图19和图20所示：
选择模型中部钻孔密集处的居中四孔，分别用K1～K4表示，其中K1与K3、K2与K4分别为对角，C1～C4表示相邻孔与孔之间的中点，C5表示四孔中心连接交叉点。
(七)、应力对比：
最小应力出现在两孔间的中点位置，通过对比不同钻孔布局中点应力，可以更直接了解构件的破碎效果。
图20和图21为孔距a＝400mm和500mm时两孔中心点对应的应力变化曲线。
三、结论：
由图21和图22可知，所述的仿真分析的结论为：
三角形钻孔布局测点处应力比正方形测点处的应力大，表明三角形钻孔布局比正方形钻孔布局的破碎效果好；
等边三角形钻孔布局测点处应力与b＝0.75a的等腰三角形钻孔布局测点处应力接近；二者均比b＝a的等腰三角形钻孔布局测点处应力大；
由附图可知：
b＝0.87a的等边三角形钻孔布局测点处应力比b＝0.75a的等腰三角形钻孔布局中点处和b＝a的等腰三角形钻孔布局中点处应力大，表明三角形布孔钻孔布置中，b＝0.87a等边三角形破碎效果更好。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于ABAQUS有限元软件的静态爆破钻孔布局参数化仿真分析方法；其特征在于：所述的分析方法建立三维的钻孔布局实体模型，在所述的实体模型上分布膨胀剂填充孔；通过仿真产生应力传递效果云图；通过数值模拟和分析对比，得出静态爆破最高效的钻孔布局参数。
2.按照权利要求1所述的基于ABAQUS有限元软件的静态爆破钻孔布局参数化仿真分析方法，其特征在于：所述的实体模型包括两组：
第一组：2400×2400×1500mm的六面体；
第二组：3000×3000×1500mm的六面体；
所述的六面体的相交面均互相垂直；
通过两组实体模型得到的钻孔布局参数进行对比。
3.按照权利要求1所述的基于ABAQUS有限元软件的静态爆破钻孔布局参数化仿真分析方法，其特征在于：在所述的实体模型上的膨胀剂填充孔的布孔方式为：正方形分布；b＝a的等腰三角形分布；b＝0.87a的等边三角形分布；b＝0.75a的等腰三角形分布；其中，a为同一排中的相邻孔距；b为相邻排的排距。
4.按照权利要求3所述的基于ABAQUS有限元软件的静态爆破钻孔布局参数化仿真分析方法，其特征在于：在模型材料选择C30素混凝土时，所述的膨胀剂填充孔的参数分别为：
1)、孔径D为35mm～50mm；
2)、钻孔深度L计算公式为：
L＝α×H
式中：
L——钻孔深度；
α——取0.75～0.8；
H——破碎面厚度；
3)、钻孔最小抵抗线W＝400mm；
4)、孔距a分别为400mm、500mm；
5)排距b＝(0.72～1.35)W。
5.按照权利要求1所述的基于ABAQUS有限元软件的静态爆破钻孔布局参数化仿真分析方法，其特征在于：所述的仿真分析方法的过程为：
1)、建模准备；
2)、材料参数的设定；
3)、加荷控制；
4)、网格划分；
5)、计算结果的应力图输出；
6)、测点选取；
7)、应力对比。
6.按照权利要求5所述的基于ABAQUS有限元软件的静态爆破钻孔布局参数化仿真分析方法，其特征在于：在所述的2)中，选用C30混凝土，其材料参数分别为：泊松比：0.3；密度：2.4E-09；杨氏模量：3×104MPa。
7.按照权利要求5所述的基于ABAQUS有限元软件的静态爆破钻孔布局参数化仿真分析方法，其特征在于：在所述的3)中，加荷的标准为80MPa。
8.按照权利要求5所述的基于ABAQUS有限元软件的静态爆破钻孔布局参数化仿真分析方法，其特征在于：在所述的4)中，选用六面体网格进行划分，网格类型选用C3D8R，网格密度seeds为80。
9.按照权利要求5所述的基于ABAQUS有限元软件的静态爆破钻孔布局参数化仿真分析方法，其特征在于：在所述的6)中，选择模型中部钻孔密集处的居中四孔，分别用K1～K4表示，其中K1与K3、K2与K4分别为对角，C1～C4表示孔与孔间的中点，C5表示四孔中心连接交叉点。
10.按照权利要求5所述的基于ABAQUS有限元软件的静态爆破钻孔布局参数化仿真分析方法，其特征在于：仿真分析的结果：
三角形钻孔布局测点处应力比正方形测点处的应力大，表明三角形钻孔布局比正方形钻孔布局的破碎效果好；
等边三角形钻孔布局测点处应力与b＝0.75a的等腰三角形钻孔布局测点处应力接近；二者均比b＝a等腰三角形钻孔布局测点处应力大；
b＝0.87a的等边三角形钻孔布局测点处应力比b＝0.75a的等腰三角形钻孔布局中点处和b＝a的等腰三角形钻孔布局中点处应力大，表明三角形布孔钻孔布置中，b＝0.87a等边三角形破碎效果更好。
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