Numerical Modeling of Subsurface Blasts Jhon Silva Castro 1 , L. Sebastian Bryson 2 (corresponding author), Nathan K. Gamber 3 , Braden T. Lusk 4 1 Research Assistant, Department of Mining Engineering – University of Kentucky, Lexington, KY, USA 2 Assistant Professor, Department of Civil Engineering – University of Kentucky, Lexington, KY, USA, Email: bryson@engr.uky.edu 3 Associate II, Wiss, Janney, Elstner Associates, Inc., Fairfax, VA, USA 4 Assistant Professor, Department of Mining Engineering – University of Kentucky, Lexington,KY, USA ABSTRACT When an explosion occurs on or below the ground surface, a phenomenon known as “ground shock” immediately 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 un “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. 1 INTRODUCTION Infrastructure protection against blast events is important regardless if the source of the explosion is from a terrorist attack, mining activities or excavations due to civil works. Structures supported on shallow foundation systems, such as buildings, bridges, and power transmission towers are the most vulnerable to subsurface blasting loads. There are different responses of foundation systems to a blast event. Such responses can range from instantaneous, severe damage or destruction, up to long- term geotechnical effects that generate differential settlements, footing rotations and ultimately bearing capacity failure.