基于3DEC的破碎锤破礁数值模拟

基于3DEC的破碎锤破礁数值模拟

蒋国兴

(重庆交通大学 河海学院，重庆 400074)

摘要：近年来，生态环保在各行各业中占着越来越重要的地位。就航道整治中的礁石清理方法来说，常规的爆破清礁由于对环境影响大，在很多地方已经被禁止使用；而破碎锤破岩技术作为一种兼顾生态的清礁方法，渐渐被广泛使用和发展。本文从破碎锤破岩技术原理出发，运用3DEC软件模拟了破碎锤钎杆凿入岩石过程，分析了破碎锤凿入岩体的规律及岩体的破坏形态，对水下破碎锤破礁技术发展具有一定参考意义。

关键词：破碎锤；3DEC；破礁；数值模拟

0 引言

航道整治中礁石清理方法主要包括化学爆破和机械破礁。化学爆破会产生巨大的冲击波和发生化学反应生成污染物，对周围生态环境危害巨大[1-2]。破碎锤破岩技术作为机械破礁方法的一种，因其清礁效率高、安全性好、生态环保，逐渐被广泛应用[3-5]。本文就破碎锤破岩过程进行了数值模拟，用矩形循环荷载模拟破碎锤中活塞冲击钎杆过程，分析了破碎锤钎杆凿入岩体的规律。

1 破碎锤破岩技术原理

破碎锤主要构件包括：缸体，活塞，钎杆等，如图1所示。其主要原理是：冲击活塞在油压的作用下，在油缸内迅速作周期运动，从而将液压能转化为活塞的冲击能，钎杆一般为特殊合金钢材制成，刚度较大，作为中间介质，钎杆在获得冲击能量后迅速冲击岩石，将冲击能转化为破碎岩石的能量，达到破碎岩石的目的。

图1 破碎锤构造简图

2 破碎锤破礁数值模型

2.1 模型的建立

用Rhino 6软件建立破碎锤破岩模型，模型分为岩石模型和破碎锤钎杆模型两部分。岩体模型为边长为1 m的立方体；钎杆模型尖端简化为圆锥形，直径为17 cm，圆锥段长为25 cm，圆柱段长55 cm。为了减小最后软件运算时的计算量，将岩体模型顶部中心区域块体进行局部加密。将建好的模型导入到3DEC中，如图2所示。

图2 破碎锤破岩数值计算模型

2.2 模型参数选取

岩体本构模型取为弹塑性模型，屈服条件符合摩尔库伦破坏，岩性为砂岩，抗压强度为33.74 MPa；岩石节理本构模型为面接触-库伦滑移模型。钎杆材质为42crmo钢，采用线弹性模型。计算模型的参数取值见表1和表2。

表1 岩体与钎杆参数取值

表2 岩体节理参数取值

2.3 边界条件设置

模型的边界条件设置为：岩石模型顶面不设约束，为自由面；岩石模型四周设置粘性边界，以减小边界产生的应力波反射；岩石模型底面固定。约束钎杆模型的x向和y向位移,使钎杆只能沿z向（竖向）移动。

图3 计算模型边界条件设置

2.4 冲击荷载的确定

破碎锤工作时，活塞在油压的作用下获得速度冲击钎杆，将液压能转换为破碎岩石的冲击能。活塞撞击钎杆后，在活塞-钎杆界面产生应力波并传入钎杆中，钎杆在此作用下运动，获得能量破碎岩石。活塞对钎杆的不断冲击，可以看成一个循环冲击荷载对钎杆顶端的作用。

应用一维弹性动力学理论，活塞与钎杆碰撞后从接触面向钎杆中传入矩形波[6]。因此，钎杆受到的循环冲击荷载可以简化为矩形荷载，矩形波的大小及作用时间可分别由下式1和式2计算。

式中：—为活塞与凿杆中产生的初始应力；

—分别为介质的波速和密度；

V冲—为活塞冲击钎杆的速度；

L—为活塞的长度。

结合破碎锤参数，活塞的长度为1.1 m，在额定档位下的活塞冲击钎杆的速度为8.16 m/s。带入上式即可求出冲击荷载取值。

3 模型计算结果与分析

为减少模型计算时间，模型计算过程中每隔固定的计算步数移除飞出的块体。图4为模型计算结果位移云图，图5为钎杆位移时程曲线。

图4 模型计算结果位移云图

图5 钎杆位移时程曲线

由图4可知，破碎锤冲击作用下岩体的破坏形态呈漏斗状，破碎的岩石在三维空间中可看成一圆锥，由此便可推算出破碎岩石的体积。分析图5可知，破碎锤钎杆位移的变化趋势呈阶梯状增大，直至达到最大位移，破碎锤钎杆最大的位移为-3.04×10-1 m，即破碎锤最大的凿入深度为30.4 cm。

4 结论

（1）3DEC离散元软件可以很好地模拟破碎锤破岩过程。

（2）活塞与钎杆碰撞后从接触面向钎杆中传入矩形波，用矩形循环荷载可以模拟钎杆受到活塞的不断冲击过程。

（3）破碎锤冲击作用下岩体的破坏形态呈漏斗状；破碎锤钎杆位移的变化趋势呈阶梯状增大，直至达到最大位移。

（4）对于抗压强度为33.74 MPa的砂岩，破碎锤最大的凿入深度为30.4 cm。

参考文献(References)：

[1]丁群. 水下钻孔爆破技术在水运工程建设中的应用[J]. 珠江水运, 2022(15): 22-24.

[2]秦玲. 内河航道水下炸礁工程施工技术[J]. 智能城市, 2021, 7(10): 137-138.

[3]王少锋, 孙立成, 周子龙, 等. 非爆破岩理论和技术发展与展望[J].中国有色金属学报, 2022, 32(12): 3883- 3912.

[4]韦昌方. 液压破碎法在右江航道整治工程中的应用及质量控制探讨[J]. 西部交通科技, 2022(6): 198-200.

[5]杨金锋. 航道整治水下疏浚清礁施工工艺研究[J]. 珠江水运, 2020(23): 86-87.

[6]陈昊博. 液压破碎锤破岩机理研究[D].武汉理工大学, 2014.