بخشی از مقاله
چکیده
امروزه با توسعه فعالیت های عمرانی و معدنی استفاده از روش انفجار برای خردایش سنگ بهعنوان یک روش کم هزینه کاربرد زیادی پیدا کرده است. همچنین استفاده از مواد منفجره در نزدیکی سازههای حساس به دلیل اثرات نامطلوب از قبیل لرزش زمین، لرزش هوا و پرتاب سنگ پیرامون منطقه نیازمند به طراحی دقیق و کنترلشده انفجار است. در این مقاله ابتدا به منظور اعتبار سنجی مدل عددی، یک چال انفجاری با وزن خرج 3 kg مدلسازی شد.
لرزش حاصل از تحلیل عددی تک چال با مدل تجربی پیشبینی حداکثر سرعت لرزش ذرات مقایسه شد. سپس از همین مدل برای شبیهسازی اثر زمان تأخیر بین چالهای واقع در یک الگوی انفجار، با مدلسازی یک الگوی انفجار با 4 چال استفاده شد. با بررسی لرزش زمین در فاصله 20 m از الگوی انفجار، نتایج حاکی از آن است که با افزایش فاصله زمانی تأخیر انفجار در چالها، لرزش زمین به دلیل کاهش همافزایی بین امواج منتشرشده از انفجار کاهش مییابد. بهصورت تقریبی میتوان گفت که فواصل تأخیر انفجار بیش از 20 ms تأثیر چندانی روی لرزش زمین نخواهند داشت.
-1 مقدمه
امروزه با گسترش فعالیتهای عمرانی و معدنی در کشور نیاز به استفاده از مواد منفجره بیشازپیش احساس میشود. تمامی فعالیتها از قبیل تونل سازی به روش سنتی، حفر ترانشه، راهسازی، گودبرداری، ایجاد مغارهای زیرزمینی، استخراج معادن روباز و زیرزمینی از انواع و اقسام مواد منفجره استفاده میکنند. بدیهی است استفاده از مواد منفجره نیاز به طراحی فنی برای پیشبینی ثرات نامطلوب انفجار مانند لرزش زمین، لرزش هوا و پرتاب سنگ در پیرامون منطقه دارد
فرایند انفجار از سوختن سریع یک ماده منفجره آغاز میشود، در اثر این فرایند مواد منفجره به یک توده گاز بسیار داغ و پرفشار تبدیل میشوند. در ابتدا موج کرنشی در اطراف چال گسترش مییابد. فشار حاصل از این موج تا 7 GPa نیز میرسد. یکی از اثرات نامطلوب انفجار، لرزش زمین است بهگونهای که نزدیک به 40% انرژی آزادشده ناشی از انفجار صرف لرزش زمین میشود. لرزش زمین میتواند آسیبهای جدی و جبرانناپذیری را به همراه داشته باشد
از ابتدای مطالعات لرزش زمین رویکردها و روشهای مختلفی برای ارزیابی پیشبینی میزان لرزش زمین استفاده شده است. تحقیقات و مطالعات لرزش زمین بهصورت جدی از سال 1935 تا 1942 توسط اداره معادن آمریکا پیگیری شد که نتیجه این مطالعات پیشنهاد شتاب ذرات بهعنوان مبنایی برای اندازهگیری و پیشبینی خسارات وارده به سازههای سطحی است
کرندلٌ - 1949 - برای تعیین سطح لرزش سازه، پارامتر نسبت انرژی را بهعنوان معیار پیشنهاد کرد. وی نسبت انرژی را بهصورت نسبت مربع شتاب - ft/sec2 - به مربع فرکانس - cycle/sec - عنوان کرد
لانگفورسٍ و همکاران - 1958 - معیاری متفاوت برای ارزیابی لرزش ناشی از انفجار معرفی کردهاند . این معیار بر اساس سرعت ذرات زمین در نقاط اطراف سازهها عنوان شد
جدول 1 حد لرزش زمین برای أسیب زدن به ساختمان های مجاور را نشان می دهد .[5] ادواردز و نورثوود َ - 1959 - طی مطالعهای در زمینه لرزش زمین ناشی از انفجار در پروژه لاورنس در کانادا دو معیار سرعت و شتاب را بهعنوان شاخص برای تعیین سطح میزان لرزش و تخریب سازه پیشنهاد دادند اما اهمیت و کاربرد معیار سرعت را نسبت به شتاب را بیشتر بیان کردند
امروزه معیارهای متفاوتی برای بیان و تفسیر لرزش زمین مطرحشده است که رایجترین آنها حداکثر سرعت ذراتُ است. حداکثر سرعت ذرات در سه مؤلفه شعاعی، مماسی و قائم ثبت میشوند ومعمولاً بهصورت برآیند این سه مؤلفه بیان میشود.
محققان روابط مختلفی برحسب دادههای لرزهنگاری ثبت شده ارائه دادهاند که هرکدام از این روابط پارامترهای مختلفی را در نظر میگیرد. اکثر روابط ارائهشده حداکثر سرعت ذرات را بهعنوان تابعی از فاصله مرکز انفجار تا نقطه اندازهگیری و میزان خرج در هر تأخیرِ بیان میکنند. دووال و فوگلسن ّ - 1962 - در اداره معادن آمریکاْ رابطه حداکثر سرعت ذرات را با فاصله از محل انفجار و جذر حداکثر خرج منفجرشده در هر تأخیر ارائه کردند
در رابطه تجربی موسسه استاندارد هند - 1973 - از فاصله مقیاس شدهَ استفاده شده است. فاصله مقیاس شده نسبت فاصله از مرکز بلوک انفجار به ریشه دوم یا سوم حداکثر وزن ماده منفجره مصرفی در هر تاخیر است. گوش و دیمنُ - 1983 - رابطه اصلاحشده اداره معادن آمریکا را با در نظر گرفتن پراکندگی هندسی موج بهعنوان یک فاکتور میرایی امواج ارائه کردند
رای و سینگًٌ - 2004 - با در نظر گرفتن پراکندگی هندسی رابطهای برای پیشبینی حداکثر سرعت ذرات با توجه به پراکندگی هندسی موج ارائه کردند. دهقانی و عطایی پور - 2011 - با استفاده از آنالیز ابعادی رابطهای برای پیشبینی لرزش زمین ناشی از انفجار روباز برحسب الگوی انفجار، میزان تأخیر و خرج ویژه ارائه دادند
اولین تحقیقات در خصوص اثرات لرزش زمین و هوا بروی ایمنی سازهها توسط راکول - 1927 - صورت گرفته است. نتایج تحقیقات راکول این است که حداقل فاصله ایمن سازهها از محل انفجار باید60 تا 90 متر باشد . پس از آن مطالعات اداره معادن آمریکا از سال 1935 تا 1942 ضمن پیشنهاد شتاب ذرات بهعنوان مبنایی برای اندازه گیری بیان کرد که در لرزشهای کمتر از 0/1 g هیچگونه تخریبی ایجاد نمیشود، لرزش 1/0-0/1 g تخریب بسیار کم و لرزش با شتاب بیشتر از 1/0 g سبب آسیب زدن به سازهها میشود
کراندل - 1949 - برای تعیین سطح لرزش سازه با معرفی نسبت انرژی بهعنوان یک معیار، پیشنهاد کرد که لرزشهای با نسبت انرژی کمتر از 3 ایمن بوده، بین 3 تا 6 سطح تخریب بسیار کم است و برای نسبت بالای 6 تخریب صوت میگیرد
جدول :1 معیار تخریب ساختمانها در سرعت لرزشهای متفاوت ارائهشده توسط لانگفوس
با توسعه هوش مصنوعی، روشهای بهینهسازی مسائل مهندسی به عنوان طیف وسیعی از روشهای حل مسائل پیچیده در علوم مهندسی توسط الگوریتمهای مختلف توسعه یافته است. در این روشها تعدادی از دادههای واقعی برای آموزش الگوریتم استفاده شده و از تعدادی دیگر برای ارزیابی مدل آموزشدیده استفاده میشود. محققان مختلفی برای پیشبینی لرزشهای ناشی از انفجار از روشهای مختلف بهینهساز ازجمله الگوریتم تکامل تفاضلی ٌ [11] ، روش ماشین بردار پشتیبانٍ [12]، الگوریتم ژنتیکَ [13]، روش سیستم استنتاج وفقی نوروفازیُ 14] و [15 و روش شبکه عصبی مصنوعیِ [9] و [22]-[15] کردهاند.
از اواسط قرن 19 میلادی، توسعه و پیشرفت ناگهانی در توانایی محاسبات کامپیوتری به سرعت افزایش پیدا کرد و استفاده از این محاسبات، شبیهسازی عددی پروسههای پیچیده متعددی ازجمله انفجار را آسان کرد.
بوبتّ و همکاران - 2009 - بیان کردند که برای هر شبیهسازی عددی باید به مسائلی ازجمله هندسه، زمینشناسی مدل - شامل لایهبندی، عمق، گستردگی، ناپیوستگیها و غیره - ، شرایط مرزی مناسب و رفتار مواد - الاستیک، پلاستیک، ویسکوالاستیک و غیره - توجه کرد
رسندْ و همکاران - 2014 - پیشنهاد کردند که مدلهای دینامیکی باید شامل هر دو مدل رفتاریَ و پارامترهای مناسب برای نرخ کرنش و مقیاس مسئله باشد
بستههای نرمافزاری زیادی وجود دارد که میتواند برای مدلسازی جنبههای مختلف فرآیند انفجار استفاده شود. بسته به نرمافزارهای مختلف، شبیهسازی میتواند برای مدل کردن دینامیک غیرخطی جامدات، سیالات، گازها و اثر متقابل آنها استفاده شود. محققان مختلفی برای شبیهسازی منبع انفجار و انتشار موج فشاری در زمین از بستههای نرمافزاری المان محدود ANSYS AUTODYN و LS-DYNA استفاده کردهاند
برای مدلسازی عددی انتشار امواج انفجار درصورتیکه محیط پیوسته و بدون درزه و ناپیوستگی باشد میتوان از روشهای FEM9 و BEM10 بهره برد. اما اگر محیط انتشار ناپیوسته و دارای درزه باشد روشهای عددی DEM11، DDA12 و BPM13 استفاده میشود. امواج لرزشی ناشی از انفجار میتوانند فواصل زیادی را طی کنند. در اثر انفجارمعمولاً تعدادی چال منفجر میشود. هر چال بهتنهایی امواج لرزشی را تولید میکند. اثر متقابل امواج لرزشی چالهای مختلف بر روی یکدیگر میتواند امواج را تشدید کند یا تضعیف کند که مطالعه این امواج موضوع پیچیدهای است
محققین مطالعات عددی مختلفی را برای بررسی انفجار و اثر آن روی سازههای مختلف انجام دادهاند. جایاسینگٌُ و همکاران - 2016 - اثر پدیده انفجار را با روش عددی SPH15 بر روی شمعهای مجاور محل انفجار بررسی کردند . یوٌّ و همکاران - 2014 - با روش عددی FEM تأثیر لرزشهای ناشی از انفجار را بر روی تونلهای حفرشده در زمینهای نرم بررسی کردند
-2 مدلسازی عددی انفجار
برای مدلسازی عددی انفجار از رویکردهای مختلفی استفاده میشود. در این مقاله با اعمال فشار ناشی از انفجار به دیواره چال انفجاری، شبیهسازی انفجار در نرمافزار ANSYS AUTODYN انجام شده است.
-1-2 شبیهسازی فرآیند انفجار
کاربردیترین رویکرد برای مدلسازی منبع انفجار در شبیهسازیهای عددی، فشاری است که به دیواره چال اعمال میشود. با توجه به اینکه اندازهگیری آزمایشی فشار اعمالی به دیواره چال امری فوقالعاده سخت است، فرمولهای تجربی یا تئوریهای انفجار اغلب برای تخمین آن به کار گرفته میشوند . برای تخمین عددی تاریخچه زمانی فشار- اعمالشده به دیواره چالعموماً از سه رویکرد معادله حالت انبساط گاز تولیدشده، ورودی مستقیم تابع فشار و توابع میرایی فشار استفاده میشود.
-1-1-2 معادله حالت انبساط گاز تولیدشده
پروسه انفجار ماده منفجره بهعنوان یک تبدیل گرمایی-شیمیایی-فیزیکی شناخته میشود. بنابراین رویکرد معمول برای تخمین فشار وارده به دیواره چال معادله حالت است.
