大当量浅埋地下爆炸抛掷成坑效应的缩比模拟实验装置

针对当前地下爆炸物理模型实验无法模拟大当量地下爆炸抛掷弹坑和疏松鼓包现象的难题,基于相似理论,采用地下爆炸效应真空室模型实验方法,研制了考虑重力影响的大当量地下爆炸效应模拟实验装置。整套装置由容器罐体、快开门密闭机构、爆源系统、真空泵组、量测控制系统等组成,提出的新型爆源模拟装置可以实现精确起爆控制。该装置可模拟0.1~100 kt TNT、埋深20~400 m范围内不同比尺的地下核爆炸成坑和隆起实验,同时也能够模拟不同装药配置方案、不同地质条件下的大当量地下浅埋化爆抛掷实验。典型的核爆抛掷成坑模型实验结果表明,装置实验参数精确可调,实验过程可控,实验结果可信,为钻地核武器地下爆炸毁伤效应分析和大型工程爆破效果预测预报提供了实验室模拟和科学研究设备,填补了爆炸离心机无法模拟大当量地下爆炸抛掷成坑效应的空白。     

地下核爆诱发工程性地震实测数据分析与不可逆变形范围计算

地下核试验瞬间释放的巨大能量引起地壳能量的连锁反应，产生诱发地震等地球物理现象。本文对20世纪前苏联与美国进行的地下核试验数据进行整理与归纳，给出地下核爆炸试验诱发工程地震的范围以及激活岩块大小等。根据实测数据，指出地下核爆炸诱发工程性地震的力学本质，利用理论公式计算了地下核爆炸产生不可逆位移的临界能量因子范围，为相关研究提供理论基础和场地效应试验数据。     

二级高压驱动阵列弹珠同步弹射微型爆源的研制

针对当前大当量地下爆炸真空室模拟试验中爆源起爆方式高度依赖火药制品等问题，基于地下爆炸相似理论和二级气炮原理，自主研制了二级高压驱动阵列弹珠同步弹射微型爆源装置。装置利用二级高压气体驱动弹珠同步击碎玻璃球壳，释放球内高压气体，以模拟真实爆炸气体生成物的推出。整套爆源装置的发射参数:高压气室充气压力4 MPa，玻璃球壳内残余稳态气体压力约为3 kPa，能够用于0~20 kt当量地下爆炸成坑效应的真空室模拟。爆源适用性试验验证表明，该爆源装置的爆破机制和爆破效果满足大当量地下抛掷爆炸真空室模拟试验的功能需求，且具有较高的安全性、可控性和可操作性，为开展相关模拟试验提供了新的技术方法。     

硬岩中地下爆炸震源函数的数值模拟

利用一维球对称有限差分数值计算源程序模拟了硬岩中地下强爆炸的震源函数,给出了弹性半径处的位移、径向压力波形,得到了地下爆炸的折合位移势及其源频谱。相关计算结果与已有文献给出的结果一致。同时,对介质剪切强度与地下爆炸震源强度之间的关系进行了数值分析。研究结果可为硬岩中地下强爆炸地震耦合效应的计算提供参考。     

大跨度采空影响顺倾构造山体侧向变动的复合机理

采空区地表山体侧向变动,不同于一般天然山坡,也与采空区一般上覆岩层的变形破坏有异;它是二者复合机理的效应。本文在分析考察了毗邻电厂的横山顺倾构造山体,剖析了地下采空情况后认为,山体侧向变动中,软弱夹层有决定性作用;变动范围、速率与规模,与地下采空有关。从而又利用地质力学模型试验和数值模拟,探索了采动引起山体应力场及变动规律。结果表明,山体岩层的变形、位移、破坏,由直接顶板向地表发展;采空坍陷诱发了软弱夹层的蠕滑,则产生山体侧向滑移;电厂区地表隆起变形是山体侧向滑移挤压地基土的反映。通过现场实际调究、变形观测资料分析与数值模拟和模型试验的对比研究,提出了“坍落拱梁”的成生效应、挤压蠕滑效应、失稳效应;揭露了顺倾构造山体在采空影响下,具有地表、地下的“复合临空面”的“复合应力场”中“复合变动”的“复合机理”;并提出这种山体侧向变动机理的典型地质模式,借以论证山体稳定性。     

回转体头部通气入水流场演化与载荷特性数值预报研究

地下硐室作为爆炸危险物的隐蔽贮藏空间，有潜在的内爆炸风险。为研究内爆炸作用下硐室围岩的动态响应机制，提出了一种基于岩石HJC （Holmquist-Johnson-Cook）模型和节理内聚力单元的损伤-虚拟裂纹模型。分析了模拟方法的可靠性，并在此基础上，通过多物质ALE算法对球形硐室内爆炸过程进行数值模拟，分析了围岩损伤范围和分区破坏规律。研究表明：插入内聚力单元弥补了HJC模型无法模拟低静水压力下张拉破坏的不足，且尺寸效应易于处理。模拟方法同时考虑了岩体内张拉裂纹的扩展和岩石材料的塑性损伤，能够真实地反映岩石破坏的全过程。以红砂岩为例，根据数值模拟结果，填实（耦合装药）爆炸时围岩分区破坏规律明显，破碎区比例半径为0.26 m/kg^1/3、裂隙区比例半径为0.47 m/kg^1/3。随着硐室尺寸的增大，空气的间隔作用可以减小爆炸荷载对围岩的损伤作用，比例半径达到0.52 m/kg^1/3时，可以实现爆炸荷载的完全解耦。     

基于损伤-虚拟张拉裂纹模型的地下爆炸围岩破坏规律研究

地下硐室作为爆炸危险物的隐蔽贮藏空间,有潜在的内爆炸风险。为研究内爆炸作用下硐室围岩的动态响应机制,提出了一种基于岩石HJC (Holmquist-Johnson-Cook)模型和节理内聚力单元的损伤-虚拟裂纹模型。分析了模拟方法的可靠性,并在此基础上,通过多物质ALE算法对球形硐室内爆炸过程进行数值模拟,分析了围岩损伤范围和分区破坏规律。研究表明:插入内聚力单元弥补了HJC模型无法模拟低静水压力下张拉破坏的不足,且尺寸效应易于处理。模拟方法同时考虑了岩体内张拉裂纹的扩展和岩石材料的塑性损伤,能够真实地反映岩石破坏的全过程。以红砂岩为例,根据数值模拟结果,填实（耦合装药）爆炸时围岩分区破坏规律明显,破碎区比例半径为0.26 m/kg1/3、裂隙区比例半径为0.47 m/kg1/3。随着硐室尺寸的增大,空气的间隔作用可以减小爆炸荷载对围岩的损伤作用,比例半径达到0.52 m/kg1/3时,可以实现爆炸荷载的完全解耦。     

地下爆炸气体输运的一种双孔隙度数学模型

考虑气体在压力驱动下的渗透、气体和岩体的热传导以及气体的扩散,建立了用于模拟地下爆炸气体输运的二维轴对称双孔隙度双渗透率数学模型,并编制了数值模拟程序;研究了参数在取值范围内变化对计算结果的影响。结果显示：泄漏到地表的气体随着裂隙区域圆心角的增大而先增大后减小,随裂隙渗透率的增大而增大,随介质孔隙度和孔隙渗透率的增大而减小。用该模型对一次砂砾岩中地下爆炸实验气体的泄漏行为进行了数值模拟。将数值模拟结果与气体泄漏实测结果进行对比,反推出当地介质的裂隙渗透率在4×10^-11 m2～5×10^-11 m2之间。利用反推得到的介质参数,可以对同类介质中地下爆炸气体泄漏行为进行预测。     

塑性减震技术在地下强爆炸环境下的应用研究

本文介绍了地下封闭爆炸中利用塑性减震技术对参试的重要测试仪器进行减震防护研究的基本原理和设计的基本思路，根据振动冲击理论计算和模拟实验实测结果研制的减震装置将63kg重的摄像装置的切向峰值加速度由地表激励的1695m/s^2减至在减震装置上的98m/s^2；将23.5kg重的摄像装置的垂向峰值加速度由地表激励的400m/s^2减至147m/s^2，实测结果表明，本文所研制的塑性减震装置，其减震效果与预计的结果相一致，增强了摄像装置在强冲击、大位移特殊环境下的物理生存能力，保证了拍摄图像的清晰完整，达到了设计的要求，满足了试验研究工作的需要。     

水下爆炸近壁面流场局部空化形成机理

为深入认识水下爆炸近壁面流场局部空化的形成机理，采用自行研制的转镜式分幅相机，获得了炸药水下爆炸近壁面流场局部空化效应的光学图像，结合数值模拟和Taylor平面波理论、空泡动力学理论，分析了近壁面空化效应的形成过程。结果表明：界面反射的稀疏波作用和水中空化核的膨胀发展是水下爆炸近壁面流场空化效应形成的原因；外界流场压力对空泡初期膨胀运动影响较小，对空泡后期运动行为影响较大；低压环境下不同尺度空泡的运动行为存在较大差异，小尺度空泡（半径小于10μm）在低压环境下处于快速膨胀、溃灭状态，对流场空化影响较小；大尺度空泡（半径大于10μm）可失去稳定性，半径持续增大，对流场空化区的形成影响较大；水中不同尺寸空泡空间分布的随机性可导致空化区成长过程中呈现非规则形状。     

低含水率砂土和饱和砂土场地爆炸成坑特性实验

爆坑是土中爆炸荷载作用下的主要响应形式,基于大型爆炸实验场地,开展了一系列低含水率砂土和饱和砂土中的爆炸成坑现场实验,研究了药量、埋深及含水率等因素对土中爆坑效应的影响。研究结果显示:根据药包的比例埋深,低含水率砂土场地的最终爆坑形态可以分为隐爆、塌陷型漏斗坑和抛掷型爆坑3类,发生封闭爆炸的临界比例埋深为2.3 m/kg1/3;形成抛掷型爆坑的条件为比例埋深小于1.5 m/kg1/3;当比例埋深为1.5~2.3 m/kg1/3时,形成塌陷型漏斗坑。土中孔隙水压力的增大导致坑壁周围土体发生了液化流动、坍塌,最终造成爆坑横向尺寸的扩大。相同爆源条件下,饱和砂土场地形成的坑面直径比低含水率砂土场地提高了25%~35%,饱和砂土场地发生封闭爆炸的极限比例埋深可达2.5 m/kg1/3。     

Numerical prediction of rock mass damage due to accidental explosions in an underground ammunition storage chamber

Accidental detonations in an underground ammunition storage chamber inside a rock mass may cause severe damage to the rock mass around the chamber, adjacent tunnels and chambers, ground surface, and in the worst case cause sympathetic detonation of explosives in adjacent storage chambers. To prevent such damage, underground ammunition storage chambers are often situated at minimum depth below the ground surface, and spaced at minimum distance from each other, so that damage, should it occur, is limited to the accidental chamber. Different codes and regulations for ammunition storage chambers specify minimum embedment depth and separation distance for underground ammunition storage chambers. They are usually given in terms of the rock mass properties and the weight of explosive stored in chambers. Some empirical formulae, usually based on the peak particle velocity of the stress wave or the maximum strain of the rock mass, are also available to estimate the damage zones in the rock mass from an explosion. All these empirical methods do not include the effects of explosion details, such as the loading density, chamber geometry and explosive distribution. In this paper, a previously calibrated numerical model is used to estimate the damage zones in a granite mass resulting from an accidental explosion in an underground ammunition storage chamber. Effects of various explosion conditions on rock mass damage are investigated. On the basis of the numerical results, some empirical formulae are derived to predict damage zones around the explosion chamber, as well as safe embedment depth of the storage chamber and safe separation distance between adjacent chambers. The numerical results are also compared with available empirical formulae and code specifications. It should be noted that the characteristics of stress wave propagation around an ammunition storage chamber has been published in a preceding paper (Int. J. Blast. Fragm. 5:57–90, 2001.     

温压炸药爆炸性能实验研究

为研究温压炸药的爆炸特性,将25 g温压炸药在5.8 L的密闭爆炸罐中引爆,测试了真空和空气环境下的爆炸压力和爆炸温度,并通过气相色谱分析了爆炸后的气体产物。实验结果表明,温压炸药在空气环境下的平衡压力和平衡温度明显高于真空环境,并且空气中的氧气参与了炸药中铝粉的氧化反应,说明温压炸药在空气环境下存在后燃效应。     

CL-20基炸药水中爆炸气泡脉动实验研究

为研究CL-20基炸药、CL-20基含铝炸药水下爆炸气泡脉动情况,在2 m×2 m×2 m的实验水箱中开展小当量实验,采用高速摄影技术,得到炸药水中爆炸冲击波传播曲线,同时清晰地观测到气泡的产生、膨胀和收缩过程。拟合得到气泡脉动过程中气泡半径、速度、加速度对时间的变化曲线,对比分析了CL-20含铝与非含铝炸药水下爆炸气泡脉动规律。在实验条件下,首次直观地拍摄到CL-20含铝炸药水下爆炸的二次反应放热现象。实验表明:CL-20基含铝炸药的气泡半径、脉动周期都明显升高,半径增大13.7%,周期增大6.9%;冲击波峰值压力略有下降;水下爆炸测试技术以及高速摄影技术是研究观测含铝炸药二次反应的有效手段。     

爆炸衬砌试验研究

给出了爆炸衬砌的定义。介绍了爆炸衬砌技术的施工工艺和衬砌机理。推导出爆扩料仓半径的计算公式。分析了爆炸对周围土壤物理、力学性质的影响。指出装药药量及其在料仓中的位置是影响衬砌效果的重要因素。研究结果表明 ,砂浆衬砌外侧存在一个抗剪强度明显高于原状土体的土质外衬。爆炸衬砌在地下土层中形成的是一个砂浆与土体的复合衬砌。