3 拆除爆破數值模擬技術的研究現狀

3.1 綜述

拆除爆破屬于比較特殊的一種爆破技術，拆除對象千差萬別，作業環境又大多在城市鬧市區，所以要達到的特定爆破效果與常規的以破碎巖土介質為目的的爆破技術有著本質上的區別，除了要遵循一般常規爆破的爆轟原理、介質破碎機制外，還需要分析結構倒塌機制、倒塌的復雜動力學過程以及爆破與觸地振動效應等問題。所以拆除爆破技術比一般爆破技術復雜得多。雖然拆除爆破技術復雜、風險高，但是在工程技術人員的不懈努力與長期工程實踐積累中已經摸索出一套以實踐經驗為主、理論分析為輔、以相關國家標準為指導的、相對成熟的施工方法。

但是，由于理論發展的滯后，目前，進行拆除爆破設計主要是依靠設計工程師的經驗和在實驗基礎上通過統計分析而來的經驗公式，如鋼筋混凝土框架結構樓房爆破拆除主要采用不等爆高和等爆高兩種方式使樓房失穩，立柱爆高的選取并沒有從結構的空中解體，構件塌落和爆炸堆積范圍以及結構落地造成對地表的沖擊振動等方面來綜合考慮。設計參數的選取還沒有成熟的理論依據，而只能以經驗公式為基礎。實際工程中往往靠爆破工程師的實踐經驗進行設計。但是具有這種較高的專業知識和豐富實踐經驗的工程師人數滿足不了實際需要，這就造成了爆破設計的從業人員業務素質參差不齊，從而導致在爆破的設計和施工過程中出現了許多問題，爆破事故頻頻發生：如拆除物危立不倒，爆破碎石亂飛，甚至出現建筑物反向傾倒，引起人員傷亡并對周圍建筑造成重大損害等事故。因而在進行爆破設計時，必須綜合考慮建筑物倒塌方向和距離、爆破后堆積物高度、觸地振動、建筑物解體形式以及有害效應等多方面的因素，要想在理論上把這些因素完全分析清楚是很困難的。近年來，我國爆破工作者在拆除爆破技術方面做了大量工作，但是對于建筑物的傾倒、解體形式和觸地振動等技術問題的理論研究還處于探索階段，在理論上有待于進一步完善，而通過計算機仿真分析來優化選擇設計參數并對設計結果進行驗證，無疑是一個經濟有效的方法[58]。因此，運用計算機模擬手段對結構倒塌的復雜動力學過程進行模擬越來越受到重視。

拆除爆破的數值模擬是按照特定的數學或物理模型，利用計算機進行過程模擬的研究方法，拆除爆破的數值模擬應該滿足以下幾個方面的要求：①可以描述結構構件的局部破壞與整體結構的失穩；②可以預測爆破效果，對于拆除爆破，主要是預測爆破塊度分布、爆堆形態（包括爆堆高度、前沖距離、后座距離等）； ③可以根據模擬結果優化爆破設計；④模擬和再現結構倒塌過程。

因此，將計算機模擬技術應用于建筑物拆除爆破，不僅可以了解問題的結果，而且可連續地、動態地、重復地描述事物的發展規律，了解結構整體倒塌與局部斷裂破壞的詳細過程。同時，還可以把模擬結果中反映的信息反饋給爆破設計，可以修正、完善爆破設計方案，因而拆除爆破仿真模擬技術的研究具有重要的工程應用價值。

由于建（構）筑物爆破拆除破壞過程涉及的力學問題十分復雜，研究中必然要用到數值分析方法。各種數值分析方法在不同的領域內取得的效果是不一樣的，數值分析方法的選擇是否恰當，將直接關系到研究結果的好壞，因而在研究前對各種數值分析方法進行比較與分析是十分必要的。

在計算機技術飛快發展的今天，完全有可能在計算機上對爆破過程進行詳細模擬分析。因此，促進了各種數值方法的誕生和發展。在爆破數值模擬及結構倒塌數值模擬方面主要有以下幾種數值方法：平面桿系結構有限元法、數值流形法（manifold method, MM）、有限單元中的節理單元法（Joint element, Je）、非連續變形分析（discontinuous deformation analysis, DDA）、離散單元法（discrete element method, DEM）、塊體理論（block theory, BT）、快速拉格朗日法（fast lagrangian analysis of continua, FLAC）、靜力同步松弛離散單元法（又稱塊體彈簧元法，BSM）以及無網絡伽遼金法（element free galerkin method, EFGM）等[59][60][61][62]。

在爆破理論研究中應用較多的數值分析方法是：平面桿系結構有限單元法、離散單元法以及塊體系統的不連續變形分析等。