Numerical Modeling of Subsurface Blasts

Jhon Silva Castro, L. Sebastian Bryson, Nathan K. Gamber, Braden T. Lusk

In the proceedings of: GEO2011: 64th Canadian Geotechnical Conference, 14th Pan-American Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, 5th Pan-American Conference on Teaching and Learning of Geotechnical Engineering

Session: Mining and Rock Mechanics

ABSTRACT: follows. Ground shock is the propagation of compressive, shear, and tensile waves through earth media. Peak ground shock propagation in an earth medium is a complex function of the dynamic constitutive properties of the soil, the detonation products, and the geometry of the explosion. Due to the complexity of this type of problem, prediction of displacement and particle velocity and acceleration in the earth media resulting from a blast can be a very difficult task. The state-of-the-practice for describing and predicting these blast response parameters utilizes empirical formulas. These empirical formulas typically represent the earth medium as a homogeneous, isotropic mass and thus characterize the blast response within the medium using basic measures of linear elasticity. Unfortunately, natural earth deposits are seldomly isotropic, homogeneous masses and due to the large strains associated with a ground shock loading event, the dynamic response of the mass cannot be adequately described using linear elasticity. This paper presents the results of a study that evaluated the performance of a finite element model developed to predict peak particle velocity and pressure for free-field blast conditions. The influences of domain size, boundary conditions and the damping coefficients on the model performance were analyzed and the results are presented. The results of the numerical model were compared against case histories where empirical equations and monograms were developed to relate dynamic properties of soils to ground shock predictions. Finally, the influence of the soil constitutive model used in the numerical model is presented.

RESUMEN: Cuando ocurre una explosión en la superficie o a una cierta profundidad del terreno, se genera un fenómeno conocido como impacto en el terreno. El impacto en el terreno es la propagación de ondas compresivas, de corte y de tensión a través del terreno. El valor máximo o pico y su propagación es una función compleja que involucra las propiedades dinámicas y constitutivas del suelo, la composición química de los productos que detonan, y la geometría de la explosión. Debido a la complejidad de este problema, la predicción del desplazamiento, la velocidad y la aceleración del terreno en un lugar particular puede difícil. En la práctica, el estado del arte para describir y predecir los parámetros de respuesta del terreno debido a una voladura utiliza formulas empíricas. Esas formulas suponen el medio en donde se desarrolla el fenómeno como una masa homogénea, e isotrópica y caracteriza la respuesta en el medio usando elasticidad lineal. Desafortunadamente los depósitos térreos son raramente isotrópicos. Adicionalmente, debido alas grandes deformaciones producidas en una voladura, la respuesta dinámica del terreno no puede ser adecuadamente descrita usando elasticidad lineal. Este documento presenta los resultados de un estudio que evaluó la eficiencia de un modelo de elementos finitos para predecir la velocidad pico partícula y la presión del terreno para condiciones de campo libre. En el desarrollo del modelo, fueron analizadas la influencia del tamaño del dominio o el tamaño del modelo, las condiciones de frontera y finalmente los coeficientes de amortiguamiento utilizados. Los resultados de estos estudios paramétricos son presentados. Los resultados obtenidos fueron comparados contra casos históricos donde ecuaciones empíricas y monogramas fueron desarrollados para relacionar las propiedades dinámicas del suelo con las predicciones de la explosión. Finalmente, la influencia del modelo constitutivo del suelo en el modelo numérico es presentada.

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Cite this article:
Jhon Silva Castro; L. Sebastian Bryson; Nathan K. Gamber; Braden T. Lusk (2011) Numerical Modeling of Subsurface Blasts in GEO2011. Ottawa, Ontario: Canadian Geotechnical Society.

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