基于ANSYS/LS-DYNA的爆炸加固土壤数值模拟研究

周双涛，李海超，常春伟

(1.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161； 2.军事交通学院 国防交通系，天津 300161)



● 基础科学与技术Basic Science & Technology

基于ANSYS/LS-DYNA的爆炸加固土壤数值模拟研究

周双涛1，李海超2，常春伟2

(1.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161； 2.军事交通学院 国防交通系，天津 300161)

利用有限元仿真软件ANSYS/LS-DYNA模拟研究两点同时起爆，通过观察爆炸扩腔过程、不同位置土壤密度和应力变化情况，对爆炸作用产生的应力波碰撞叠加出现的马赫反射进行分析，对比先前完成的承德路基加固试验结果，两者能较好吻合。通过该研究得出两点同时起爆对土壤的加固效果优于一点起爆加固效果的结论。

爆炸；加固；数值模拟；两点同时起爆

近年来，随着军事和经济的发展，土中爆炸技术在工程中的应用越来越广泛。其基本原理是利用炸药爆炸时所产生的能量改变土壤周围介质的结构或性能等，从而达到加固地基的目的。在军事领域，利用炸药在土中的爆炸可以快速开挖单兵掩体，加固坑道工事。战时，可利用爆炸法快速加固道路路基，从而保障军用装备快速机动到达指定地域。在民用工程领域，利用炸药爆炸产生的能量加固机场跑道的土体，处理水下软基，定向爆破筑坝、修路造田等[1]。

1　两点及多点起爆数值模拟研究现状

文献[1]利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA 2D模型，对双槽聚能装药情况下一点起爆和两点起爆这两种起爆方式进行二维数值模拟，文中详细阐述了爆轰波阵面的传播过程及应力波会在波的叠加处碰撞，使土中压力明显升高。模拟结果验证了两点同时起爆形成的聚能射流速度和长度均大于一点起爆的效果。文献[2]利用ANSYS模拟了环形传爆药柱四点起爆和八点起爆的起爆能力，得出环形传爆药柱中，八点同步起爆的起爆效果优于四点同步起爆的起爆效果的结论。

上述研究主要针对爆炸过程中的应力进行试验验证，未能深入研究爆炸的扩腔过程和土壤密度的变化情况。本文在文献[3]的基础上，针对爆炸荷载作用下土壤加固研究现状，通过承德路基加固试验，运用数值模拟软件ANSYS/LS-DYNA研究两点同时起爆加固土壤情况，分析爆腔体积、土壤密度及应力的变化情况。该研究成果可用于指导工程实践，为深入研究多点起爆加固土壤提供借鉴。

2　建模和材料参数确定

2.1建模说明

模型采用3D-SOLID164三维实体单元，六面体映射网格进行划分。炸药、土壤均采用ALE算法，使用布尔运算中的Glue使炸药与土壤共节点，默认单位制为cm-g-μs，以下计算结果都是以此为依据进行换算。

(1)建模时，为了节省计算时间，模型两端的土壤采用与炸药同心的半圆柱。两爆点位于x轴上分别距离原点2 m，y轴为纵向，土壤高度6 m，x、z轴为水平方向。

(2)由于该模型具有对称性，且为了方便求解观察，所以采用二分之一对称结构模型，并添加对称面约束。

(3)为避免土壤在爆炸过程中产生畸变造成计算不便，采用自适应网格划分技术。

(4)为防止应力、密度等物理量形成跳跃性间隔，不便于数据的采集，因此在建模过程中将人工体积粘性加入压力项(使用默认值)。

(5)考虑到承德黄土试验中土壤范围较大，爆炸过程可近似认为半无限土中的爆炸加固问题，所以在其他几个面施加无反射边界约束。建模中土壤炸药尺寸及坐标如图1所示。

图1　两点同时起爆示意

(6)由于爆炸过程中空气对试验的影响较小，所以建立模型时忽略空气的影响，直接采用土壤和炸药两种材料进行建模。两点同时起爆模型如图2所示。

图2　两点同时起爆模型

2.2材料参数确定

(1)建模中土壤采用模拟中普遍使用的 *MAT_SOIL_AND_FOAM模型[4]，本文基于承德黄土软基加固试验进行模拟，其测定的各项参数见表1。

表1　承德黄土软基物理力学参数

(2)炸药参数及其状态平衡方程。2号岩石乳化炸药采用*HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型与JWL状态平衡方程。本模拟中采用两点同时起爆的方式对土壤进行加固。A、B两起爆点的装药量分别为3 000 g，半径6 cm，高20 cm，模拟中炸药参数见表2。其中：ρ0为炸药密度；D为初始比内能；Pcj为爆炸波阵面压力；A、B为常数；E为单位体积内能；R1、R2为无量纲常数；w为格林爱森参数[5]。

表2　2号岩石乳化炸药参数及JWL状态方程参数

炸药爆炸产物的JWL状态平衡方程为

式中V为爆轰产物的相对体积。

3　模拟结果及分析

3.1炸药爆炸扩腔过程

在承德黄土软基加固试验中，一点起爆的炸药质量为3 000 g时，对应的空腔体积为1.33×106cm3，对应的模型如图3所示。而本模拟中得到的体积是1.53×106cm3，模拟的结果与试验的误差为14.3%；模拟中空腔半径约为70 cm，比装药直径扩大了约11.7倍，满足工程实际中扩腔直径的要求。

图3　一点起爆扩腔示意

两点同时起爆模拟中爆腔近似为球形，爆炸扩腔示意如图4所示。最初炸药体积为2 260 cm3，空腔出现后，初期1×102～1.2×104μs时间内爆炸空腔迅速发展， 1.3×104μs后爆炸扩腔运动比较缓慢，1.4×104μs后爆炸空腔已基本稳定，最终空腔体积是3.03×106cm3。此后虽有应力波的持续作用，但对空腔的体积变化影响较小。

图4　两点同时起爆扩腔示意

对比两个模型可知，两点同时起爆爆腔体积近似为一点起爆爆腔体积的2倍。这也说明了当两个炸药相距较远时，炸药爆炸产生的能量对空腔体积影响较小。

3.2土壤密度变化情况

为便于观察比较，做出如下推理：由于A炸药(左侧炸药)对x>4 m区域的土壤加固效果影响较小，且距离相同时，在一点起爆的模拟中，加固的密度值基本相同，所以把B炸药(右侧炸药)的右侧土壤部分近似看作一点起爆加固土壤的效果，则可以取两点同时起爆的模型进行土壤密度的分析对比。

(1)为对比两点同时起爆对坐标原点处的土壤加固情况，分别取距离B炸药2 m处的坐标为C(0，0，0)和D(400，0，0)的点进行研究，其对应的土壤密度变化曲线如图5所示。

图5　(0，0，0)、(400，0，0)密度时程曲线

由模拟输出的数据可得，两点处土壤密度最大值分别为1.841 g·cm-3和1.818 g·cm-3，加固效果较原土壤相差1.3%。当t=9. 8×103μs时，坐标(400，0，0)处土壤加固作用基本结束；而(0，0，0)处，由于两个炸药产生的应力波共同作用，出现应力波的碰撞叠加发生马赫反射，使得加固土壤所用的时间比一点起爆加固时间长1. 5×103μs。当t=11 .5×103μs时，坐标原点(0，0，0)由爆炸产生的能量加固土壤密度最大值1.841 g·cm-3，其后虽有应力波作用，但传输过程中逐渐减弱，难以继续对土壤进行加固。

(2)为对比两点同时起爆与一点起爆的加固效果，输出B炸药两侧土壤加固后的密度值(如图6所示)。

图6　B炸药两侧土壤加固密度值对比

不难发现，B炸药左侧土壤密度值始终比右侧大，说明两点同时起爆加固土壤效果明显优于一点起爆。随着距空腔边缘距离的增加，B炸药左侧土壤密度差值逐渐增大，说明A炸药的作用越来越明显。且在原点附近(即距空腔边缘距离130 cm位置)密度值远大于一点起爆密度值，这正是研究两点同时起爆的意义所在。

(3)在-50 cm≤x≤50 cm区间内，会出现土壤加固的波峰，即坐标原点附近，密度值为1.841 g·cm-3，而两侧的土壤密度小于原点附近的土壤密度。由于爆轰波阵面在相交处碰撞叠加，使得两炸药相互作用，共同加固土壤，所以会出现两点起爆中垂线位置加固效果优于两侧的情况。两炸药之间的土壤加固密度值随x值变化情况如图7所示。

图7　x轴上区间内土壤密度变化曲线

该曲线对应的拟合函数为y=-2×10-6x2-2×10-6x+1.840 6，R2=0.987 6

式中：y为对应点土壤加固后密度值，g·cm-3；x为出现应力集中的土壤区域横坐标值，cm；R2为曲线拟合程度。

从上述曲线，容易得出结论：两点同时起爆加固土壤会在两炸药连线中点处发生应力集中现象，土壤密度值呈抛物线型变化。

3.3土壤应力变化过程

输出一点起爆与两点起爆原点处土壤应力最大值，分别为0.47 MPa、0.99 MPa。由此可见，两点起爆应力的变化较为明显，基本是一点起爆土壤应力值的两倍。这正是爆轰波在原点处碰撞应力聚集发生马赫反射所致，图8为两点起爆爆炸过程的应力云图。

结果显示，两点同时起爆产生的应力波分别在横向和纵向传播。传播出一个近似于球形的应力波，同时爆炸空腔开始以球面的形式向外扩散(如图8(a)所示)。

两个爆点的应力波在水平方向上扩散到连线中垂线位置，即t=9.8×103μs时(如图8(b)所示)，会发生正碰，碰撞处由于应力波叠加，形成复杂的应力场，出现局部超压现象，应力值远大于两侧土壤。而后在中垂线上下两侧应力波发生斜碰撞发生马赫反射，碰撞点处应力升高，出现应力聚集现象(如图9所示)。接着应力波继续向外扩散，当应力波传播到无反射边界时发生透射，应力波逐渐减小。

图8　应力波传播碰撞示意

图9　马赫反射示意

为较好地反映两点起爆的应力传播过程，取空腔内两点M(170，0，0)和N(190，0，0)进行研究，其对应的应力随时间变化关系如图10所示。

图10　M、N点应力时程曲线

在t=0 μs时，炸药起爆，由于高温高压气体的作用，药室开始扩张。当t=200 μs时，N点土壤应力值为216.2 MPa。炸药爆炸产生高温高压气体致使土壤以较高速度移动，应力波以球形波阵面形式向外传播，当t=500 μs左右时，应力波波峰值到达M点，此时土壤应力值为21.6 MPa，波阵面压力随着离爆心距离的增大而迅速衰减。这是由于随着空腔体积的扩大，气体的压力和温度快速降低。由于气体重新膨胀，由爆炸气体和土壤组成的系统发生振荡，又产生新的波[6]。所以在图10中，N点的应力值出现波动，曲线发生震荡的效果，其后应力值减弱，迅速减小为0。

4　结　语

本文运用数值仿真软件ANSYS/LS-DYNA，针对2号岩石乳化炸药在半无限土质中爆炸加固黄土软基进行数值模拟，并将模拟计算结果与承德土中爆炸试验进行对比。该数值仿真模拟结果能够较好地拟合工程实际中爆炸扩腔过程，反映爆炸加固土壤的实际情况。文中针对爆轰波阵面碰撞产生的马赫反射进行研究，能够较好地解释两点同时起爆中垂线位置土壤加固密度值大于两侧的情况，并呈抛物线型变化。分析研究了两点同时起爆空腔的形成和发展规律、土壤加固效果和土压力的变化情况。通过对比一点起爆的土壤密度和应力，得出结论两点同时起爆对土壤的加固效果优于一点起爆的加固效果，对后续研究多个炸药土中爆炸加固土壤的炸药布局形式具有一定的指导意义。

[1]肖雄，张建华，吴芳，等．两点起爆双槽聚能装药的模拟及实验研究[J]．爆破，2015，32(1):38-42.

[2]刘洪榕，胡立双，胡双启，等．多点同步起爆环形传爆药柱数值模拟研究[J]．爆破，2013， 30(4):129-132.

[3]魏连雨，刘艳竹，马士宾，等．高填方路堤软弱区域爆破挤密技术[J]．科技导报， 2014，32(15):49-52.

[4]王志鹏，李海超，常春伟，等．爆炸法处理软土地基的数值模拟[J]．军事交通学院学报，2015，17(3)：87-90.

[5]罗吉．不同直径装药爆破作用分析与应用研究[D]．安徽：安徽理工大学，2015.

[6]宁建国，王成，马天宝．爆炸与冲击动力学[M]．北京：国防工业出版社，2010：151-153.

(编辑：史海英)

Numerical Simulation of Soil in Explosive Consolidation with ANSYS/LS-DYNA

ZHOU Shuangtao1, LI Haichao2, CHANG Chunwei2

(1.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.National Defense Traffic Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

The paper simulates two simultaneous explosions with ANSYS/LS-DYNA finite element simulation software and analyzes Mach reflection generated by stress wave collision in explosion according to expanding cavity process, changes of soil density and stress at different positions，and the result agrees with previous roadbed strengthening test result. The study shows that the soil consolidation effect is better in two simultaneous explosions than one explosion.

explosion; consolidation; numerical simulation; two simultaneous explosions

2015-12-19；

2016-01-25．

河北省交通运输厅科技计划项目(20140629).

周双涛(1992—)，男，硕士研究生；

李海超(1969—)，女，副教授，硕士研究生导师．

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.10.020

O382+.2

A

1674-2192(2016)10- 0082- 05