爆炸冲击波作用下围岩与被覆结构的动力相互作用

爆炸作用下围岩与被覆结构的动力相互作用对于合理确定防护结构荷载、科学设计被覆结构具有重要意义。运用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力有限元程序和流-固耦合算法,对垂直爆炸作用下不同爆距、不同跨度的地下结构与围岩的动力相互作用进行了数值模拟,应用波动理论进行了动力相互作用力分析,讨论了相互作用动载计算公式在岩石结构中的适用性,得到了围岩与被覆结构的最大相互作用力变化规律。研究结果表明:在距拱顶1~25 m垂直爆炸作用下,14~25 m跨地下结构都发生了拱顶局部破坏,整个拱的混凝土均会产生震动裂缝;当爆距为4 m时,围岩与结构的动力耦合作用最大,可以作为确定最大荷载的依据。     

损伤围岩中爆炸应力波动的数值模拟

应用有限元方法分析了硐室损伤围岩中爆炸应力波的传播和应力分布特征，通过引入JHC本构模型和岩石损伤变量D探讨了应力波作用下岩体的损伤演化模式。研究表明:围岩初始损伤对后续爆炸应力波的波动性质、作用范围和围岩应力分布具有不同程度的影响。当初始损伤超过某临界值后会显著地影响应力波的波动范围和围岩应力分布；在一定爆炸当量下，爆炸应力存在一个有效作用范围Lp，该范围塑性区以内，爆炸应力对岩体的损伤随围岩初始损伤增大而增大；有效作用范围Lp以外，围岩初始残余非弹性变形积累和单元残余拉应力可以平衡爆炸应力波动产生的损伤叠加效应，耗散了爆炸应力作用和波动能量。分析了产生在这种现象的原因。给出了有效作用范围Lp与围岩初始等效应力p之间的经验关系。     

平板撞击下C30混凝土中冲击波的传播特性

采用1级气炮加载技术和锰铜应力计多点测试技术,开展了C30混凝土在平板撞击条件下的冲击压缩实验研究。基于锰铜应力计实测的应力波形,研究了混凝土中冲击波的传播特性,结果显示冲击波的应力峰值随传播距离呈现明显的衰减特性,衰减过程可分为2个阶段。在早期阶段,卸载波没有赶上前面传播的冲击波,冲击波应力峰值衰减较慢,主要是混凝土材料的本构粘性效应所引起的;而后期阶段应力峰值的快速衰减则归因于混凝土材料的本构粘性效应、后续的来自飞片自由面的反射波追赶卸载、边侧稀疏波卸载及波传播的几何弥散效应的共同作用;另外,冲击波在混凝土中传播的升时也随着传播距离逐渐增大,即由强间断波逐渐转化为弱间断波。     

强爆炸冲击波作用下天线结构的离散变量优化设计

首先建立了强爆炸冲击波作用下天线结构受精度和应力约束的连续变量优化设计数学模型 ;其次 ,根据材料特点 ,将设计变量取为离散变量 ,提出了天线结构在强爆炸冲击波作用下受精度和应力约束的离散变量优化设计数学模型。采用离散变量优化算法离散复合形法 ,对强爆炸冲击波作用下的 8m天线进行了优化计算。结果表明 ,经优化设计后 ,天线重量仅为初始重量的 4 0 %。     

海拔高度对长直坑道内爆炸冲击波传播的影响

为有效表征不同海拔坑道内爆炸冲击波的传播特征,利用非线性显式动力学有限元软件AUTODYN,研究了海拔高度对长直坑道内爆炸冲击波传播的影响规律,探讨了高海拔环境对坑道内冲击波传播的影响,基于量纲分析,建立了适用于不同海拔高度典型坑道内冲击波峰值超压的计算模型,并通过数值计算进行了验证。结果表明：随着海拔高度升高,坑道内爆炸冲击波波阵面传播速度与径向的冲击波参数偏差增大,平面波形成距离增加,冲击波峰值超压降低;在0～4 000 m范围内,海拔高度每升高1 000 m,冲击波冲量降低约0.91%。结合Sachs无量纲修正方法和量纲分析,推导出不同海拔高度冲击波峰值超压的理论分析模型,模型计算结果与数值计算结果的相对偏差不大于10%,能够为高海拔环境下坑道内爆炸冲击波的传播提供理论依据。     

球对称形式物质点法及其在水下爆炸中的应用

利用物质点法求解三维远场水下爆炸冲击响应问题时,爆炸冲击波到达结构物之前传播过程的计算会消耗大量的计算资源,影响求解效率。针对这一问题,并考虑到水下爆炸冲击波在自由场中的传播特点,提出了一维球对称形式的物质点法,对球形炸药水下爆炸过程进行了数值模拟,并与Cole公式以及DYNA计算结果进行了比较,结果吻合较好,验证了一维球对称形式物质点法的正确性。在此基础上,提出了基于物质点法的重映射算法,将爆炸冲击波在自由场中的传播过程在一维球对称模型中进行计算,并将计算结果映射到三维模型中,以便继续完成计算过程,有效避免了计算资源在冲击波传播过程计算上的消耗。     

多级穿廊结构坑道口部内爆炸冲击波传播规律的实验研究

对坑道口部的内爆炸效应进行了系统的实验研究,探讨了端部不同开闭工况下多级穿廊结构内的冲击波传播规律、作用在防护门上的荷载规律及门后次生冲击波的发展与变化规律,给出了多级穿廊结构坑道内各分段之间冲击波超压衰减变化的量值关系.实验结果表明,多级穿廊结构不仅能显著衰减冲击波峰值压力,而且与单一的直坑道相比,在同样的冲击波衰减...     

侵彻爆炸条件下岩石边坡破坏效应的数值模拟

运用爆炸冲击非线性有限元理论,对侵彻爆炸条件下岩石边坡的破坏,如爆炸成坑效应、爆炸波传播过程进行了模拟,算例结果验证了本文方法的有效性。在此基础上,假定在拉力作用下单元可以分离,岩石单元和炸药单元之间都为可破坏接触面,对岩石破碎过程进行了模拟,算例结果与实际情况比较符合。     

建筑玻璃的爆炸动力响应及防爆距离

玻璃作为一种透明或半透明材料,广泛应用于现代建筑工程中,但其在爆炸冲击荷载作用下易于破碎,产生飞片伤人。文章应用弹性薄板振动理论,研究框支承玻璃在爆炸冲击荷载下的动力响应,得到玻璃的最大挠度与最大应力计算公式。基于爆炸冲击波传播特性和玻璃强度理论,提出了建筑玻璃爆炸冲击破坏准则,对不同类型和厚度的框支承玻璃在爆炸冲击波...     

高原环境爆炸冲击波传播特性的实验研究

在评估弹药在高原的爆炸威力时,需要考虑高海拔条件对炸药爆炸冲击波参数的影响。为研究高海拔低气压条件下的冲击波传播规律,开展了模拟海拔高度h=500, 2 500, 4 500 m等3种气压条件下的爆炸冲击波测试实验。结果表明,当环境气压每下降20%时,冲击波超压、比冲量和到达时间平均降低约9%、10%和6%。将使用Sachs因子修正后的计算结果与测试数据进行对比分析,发现该方法能较好地预测不同环境条件下的爆炸冲击波参数。进一步分析了环境温度的影响,发现初始温度升高会使到达时间提前,本文实验的温度条件对超压和比冲量的影响并不显著。该研究结果对战斗部在高海拔的爆炸威力评估具有参考意义。     

煤体中爆炸应力波传播与衰减规律模拟实验研究

在岩石爆破理论的基础上分析了煤体中爆炸应力波的作用机理,借助损伤力学理论探讨了煤体在 爆炸应力波作用下的损伤断裂准则。煤体中爆炸应力波传播与衰减规律模拟实验结果表明:煤体中爆炸应力 波一般包含2段波形,第1段由压缩相和拉伸相组成简单波形,第2段是由多种作用形成的复杂波形;爆炸应 力波作用下,煤体首先承受压应力,而后承受拉应力,且压缩相的作用时间较拉伸相作用时间短;煤体中爆炸 应力波的衰减速度较一般岩体中的快,实验条件下应力波衰减因数符合=3-/(1-),爆炸应力波的主要 作用是在煤体中形成少量新裂隙、激活煤体中原生裂隙并打破煤体中瓦斯气体的平衡状态。     

爆炸载荷下地下巷道分配层结构的对比分析

为寻找削波效果更好的分配层结构,基于光滑粒子流体动力学-有限元耦合方法SPH-FEM,建立地下巷道爆炸效应分析模型,形成11种不同的模拟方案。将含不同材料的分配层结构的测点应力峰值进行对比,以及从测点应力峰值、能量峰值和拱顶竖向位移的角度来比较不同分配层结构的削波能力,并将爆炸近区测点应力峰值与经验公式进行对比。结果表明,砂土的削波能力要强于泡沫混凝土;分配层中各层材料采用周期循环、波阻抗值递增且相邻材料波阻抗比减小的方式来布置,同时在分配层中加入钢铁,对应力波峰值的衰减和弥散效果最优。爆炸近区的模拟数值与计算值吻合度较高,证明此模拟具有一定的可靠性,可以为军事防护工程的结构设计提供参考。     

多次爆破荷载作用下大荒沟小净距隧道围岩岩体位移响应

以丹东-通化高速公路大荒沟隧道进行的爆破振动监测数据为依据,采用FLAC-3D软件,分析了多次爆破荷载作用下大荒沟隧道小净距段围岩位移响应规律。根据爆破振动监测数据,考虑了竖向和横向质点运动在爆破荷载作用下的耦合效应,模拟左、右洞在6次爆破开挖下的隧道围岩位移响应,同时进行小净距隧道围岩岩体疲劳损伤声波监测,将爆破振动模拟结果和工程实测岩体疲劳损伤声波监测结果进行比较。分析表明:随着爆破循环开挖的进行,围岩处于稳定状态,在排除爆破加载左洞及右洞先后顺序的影响后,岩体损伤及围岩位移偏移以间柱为对称面呈现一定的对称性。同时,随着爆破掘进进行,隧道围岩监测处距爆破中心距离增大,测点处爆破应力波的强调度降低,围岩岩体疲劳损伤及位移偏移增量减少并最终趋于稳定。     

寒区非圆形隧道冻胀力的解析解

利用复变函数相应理论引入一种求解考虑衬砌结构的季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形的方法. 方法克服了隧道断面形状为非圆形状并且同时考虑非圆形隧道支护、冻胀圈、未冻围岩时, 经典的复变函数理论不能直接应用求解非圆形隧道应力和位移的问题. 方法通过将经典复变函数理论与连续性条件结合, 导出了非圆形隧道衬砌-冻胀圈-未冻围岩系统在正交曲线坐标系$\zeta $平面内的解析式, 然后通过保角变换求得直角坐标系$Z$平面上考虑衬砌支护的寒区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形. 将推导的解析式应用于鹧鸪山隧道洞口段研究中, 得到鹧鸪山隧道洞口段冻胀应力和冻胀位移解析解, 并将解析解与数值解进行对比,验证解析解的正确性. 由结果可知: 围岩冻胀力对衬砌影响明显, 在拱顶、拱脚、拱底处因冻胀造成的环向附加应力显著增大; 在拱脚及两侧拱肩处会受到较大的法向附加应力; 由于衬砌几何形状的原因, 造成了衬砌冻胀变形的不均匀, 进而造成冻胀力分布不均.应用复变函数理论将冻胀圈考虑为马蹄形、直墙拱形等非圆形状较以往将冻胀圈考虑为单一圆环的冻胀力研究更符合实际, 较以往研究更能反映实际工况. 研究结果为季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力的弹塑性分析奠定了基础.      

圆宝山隧道炭质板岩大变形段初期支护结构受力特性研究

为了准确掌握丽香铁路圆宝山隧道炭质板岩大变形段初期支护结构受力特性,结合深埋炭质板岩隧道大变形特点,通过调查分析发现炭质板岩具有显著的各向异性特征,在地下水、高地应力及施工扰动等复杂因素作用下表现出显著的蠕变特性,从而导致隧道发生大变形。同时,对圆宝山隧道展开围岩变形及初期支护受力监测,监测结果表明,薄层炭质板岩段围岩的变形速率、变形量整体上较中厚层炭质板岩段围岩大,且达到稳定所需的时间更长;围岩压力与钢拱架应力基本呈从拱顶到拱脚减小的趋势,且围岩压力最大值出现在拱肩,而钢拱架应力最大值分布位置不固定,常见分布位置为两侧拱墙上下,这与钢拱架因发生扭曲而设置横支撑基本吻合;变更支护参数后,围岩的时效特性有明显改善,尤以薄层炭质板岩段围岩最为明显,同时围岩压力分布更加均匀,钢拱架出现拉应力现象不再集中。基于上述研究成果,选择I18型工字钢焊制钢架、设置间距为0.6m、喷射厚为27cm的C25混凝土作为初期支护,同时采用"弱爆破、短进尺"的掘进方式,以达到控制深埋炭质板岩隧道围岩变形的目的。     

隧道支护结构体系及其协同作用

隧道支护结构体系是围岩稳定性控制的关键,也是隧道设计的基本任务,而对支护结构之间相互作用过程和机制的系统认识则是定量化设计的基础. 本文从隧道围岩结构性和支护作用的本质特征出发,提出隧道支护具有"调动"和"协助"围岩承载的基本作用,明确了二者的功能分配原则和实现方式,即分别通过超前支护的保障作用、初期支护的核心作用和二次衬砌的安全储备作用共同完成;针对围岩的正面挤出、前倾式冒落和后倾式冒落等三种超前破坏模式,分别给出了相应的超前支护方式和支护效果评价方法;提出初期支护作为隧道围岩附加载荷的主要承担者,包括锚固体系与拱架及喷射混凝土结构,分别通过"调动"和"协助"围岩实现其承载功能,且同时具有"支"与"护"的作用;阐明了二次衬砌结构作为安全储备功能的内涵,建立了二次衬砌结构的载荷分担比率与刚度匹配性、支护时机的关系,并据此给出了二次衬砌结构参数和施作时机的建议值;建立了以围岩变形量$S$最小和协同度$\xi$最优为目标,基于超前支护、初期支护和二次衬砌与围岩相互作用三阶段的协同支护优化模型,明确了支护结构体系与围岩、不同支护结构之间以及支护结构要素之间三个层次的协同关系,并提出了隧道支护结构体系协同优化设计方法.      

工程爆破问题数值模拟研究

工程爆破方法在开矿、筑坝、修路和凿洞中得到了广泛使用,经验和分析表明,当炸药埋深超过40米时,重力对爆破抛掷现象有明显影响,但目前缺乏系境研究。本文提出了一个用于爆破作用下的岩体本构数学模型,并用二维轴对称数值计算方法对有重力影响的工程爆破问题初始阶段进行了详细研究,计算结果包括爆炸应力波的传播规律,岩体的加速与破坏过程,空腔与地表面的运动规律,抛掷区的形成与划定,能量分配关系等,结果表明:重力对爆炸波的传播基本无影响,重力仅影响抛掷区的大小和抛掷区动能占总爆炸能的比例。     

沉底水雷爆炸威力的数值计算

采用冲击波物理中的阻抗匹配镜像线方法处理物质交界面,利用无网格光滑粒子流体动力学法(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法模拟沉底装药的水下爆炸过程,得到了不同方向不同爆距处的峰值压力反射系数,分析了爆炸流场参量分布和变化规律,研究了不同水底砂层厚度和不同装药量对爆炸冲击波传播和流...     

基于D-P准则的盾构隧道围岩与衬砌结构相互作用分析1）

在进行盾构隧道管片衬砌结构载荷计算时，常采用全土柱或压力拱理论计算围岩松动压力，但当盾构隧道面临深埋条件且需计入形变压力时，该方法难以适用.鉴于此，基于Drucker-Prager屈服准则，推导了考虑渗流效应影响下围岩与衬砌结构相互作用的弹塑性解析解，给出了围岩弹、塑性区应力与位移、塑性区半径等关键参数与支护阻力间关系的解析式.阐述了上述解析结果在确定衬砌结构载荷中的应用，即建立围岩与衬砌结构静力平衡状态并求二者对应曲线的交点.进一步地，考虑接头引起管片衬砌结构整体刚度降低对围岩与衬砌结构相互作用的影响，引入刚度折减系数，并在衬砌结构围岩压力确定中对施工期流固耦合效应的影响和渗流力对衬砌结构支护特性曲线的影响进行了简化处理.最后，通过算例将解析解与水下盾构隧道载荷实测值和数值计算值进行了比较.结果表明：用解析方法得到的施工期和稳定期的管片衬砌结构围岩压力比现场实测值分别大28%和12%，稳定期围岩压力比数值计算值大5%，可为类似工程的设计施工提供一定的参考价值.