大跨度被覆结构爆炸荷载分布规律研究

为确定常规武器岩土介质中爆炸应力波作用在大跨度(20m以上)被覆结构上荷载分布,利用LS-DYNA有限元程序具体针对不同工况进行数值模拟,得出不同爆距H和爆炸偏角α下几种典型跨度拱壳结构上荷载大小变化和分布情况.计算表明,拱壳结构上荷载随时间推移逐渐由拱顶向两侧扩散衰减;荷载作用范围随结构跨度的增大而减小,当跨度达到50m时,荷载作用范围不再减小;不同爆炸偏角下,荷载分布只是随爆源相对结构偏角位置的变化而偏移,而分布形式一致.     

基于SPH-FEM耦合法的土体爆炸效应数值研究

岩土体爆炸破坏问题是岩土工程领域的研究热点,为开展小当量集团装药在不同埋置深度时的土中爆炸效应分析研究,在LS-DYNA框架内建立基于光滑粒子流体动力学-有限元耦合方法（SPH-FEM）的砂土地基爆炸效应分析模型。计算结果表明：浅埋装药时最大爆坑深度到达时刻远在最大爆坑直径之前,地基表层砂土体剪切流场对爆坑直径的发展具有决定性作用;随着药包埋置深度的增加存在一个临界爆坑直径,爆坑直径近似认为只与药包当量和埋置深度相关,经简化与经验假定之后得到的爆坑直径与埋药深度之比与比例距离近似呈直线关系;砂土中爆炸波在近区表现为强间断的冲击波形式,压缩作用是造成近区砂土大变形流动的主要因素,而在爆炸远区则转变为连续的应力波形式;土中爆炸波峰值压力随比例爆距的衰减规律与经验曲线基本一致。研究结果可以为地基工程的抗爆设计及加固提供参考。     

地应力场下岩体爆体的数值模拟

建立了地应力作用下岩体在爆炸荷载作用下的运动微分方程,并对岩体中的地应力采用隐式分析方法,对爆炸的高速动载作用采用显式分析方法,通过隐式－显式连续求解完成地应力作用下岩体爆炸的数值模拟。数值算例结果表明,近爆腔处,较低的静应力场与较高的动应力场作用时爆炸动态应力波占主导地位,初始应力对爆破应力波影响较小。在远离爆腔处,高地应力存在改变了爆破应力波的传播规律,对爆炸岩体有很大影响。     

炸药触地爆炸后核电站安全壳基底振动响应分析

现代战争或恐怖活动中,核电站很可能受到精确制导炸弹的攻击。运用有限元软件LS－DYNA3D,以5 000 kg等效TNT当量的装药在安全壳100 m外触地爆炸为例,将装药爆炸、土中传播和结构构成有限元分析体系,对安全壳基底的振动响应进行了分析。结果表明,安全壳基底和壳体的压力呈环状分布,在基底和壳体的连接处有明显的应力集中;等效应力-时程曲线和径向应力-时程曲线显示,壳体的最大等效应力为35 kPa、最大径向应力为32 kPa,均在安全范围。在给定的条件下,基底和壳体的响应值远未超出设计值,核电站的运行安全可靠。     

岩石中柱状装药爆炸能量分布

岩石中装药爆炸产生的爆破能量可分为爆炸冲击波能量和爆生气体膨胀能量。对爆炸能量分布的理论分析有助于改善爆破效果,提高爆破质量。在柱状耦合装药情况下,分析了冲击波作用下岩石变形和破坏的特点、爆生气体对爆腔的扩腔作用,考虑了在岩体的损伤情况下爆生气体对裂纹的驱裂作用。计算结果表明：埋深在临界深度以下时,岩石中柱状装药爆破冲击波做功消耗的能量约占爆炸总能量的40 %,剩余爆生气体能量中用于扩腔和扩展主要裂隙的能量约占总能量的23 %,剩余大约37 %的能量中有小部分能量用于新增裂纹数目,而大部分损失掉了。     

混凝土含水裂隙中爆炸压力传播的模型试验研究

爆炸作用下含水裂隙中水压力的分布及传播特征对分析含水裂隙岩体初始裂纹扩展机制具有重要意义。通过含水裂隙的混凝土室内爆炸试验,测量了爆炸时含水裂隙中的水压力,分析了含水裂隙中水压力的荷载特性及传播特征,并研究了裂隙张开宽度及爆炸药量对水压力荷载的影响。试验研究结果表明：爆炸作用下含水裂隙中水压力时程分布呈多峰波动分布,水压力来源包括爆源通过水介质直接传递的荷载及通过混凝土间接传递的荷载,且在不同裂隙长度,荷载峰值主要来源不同;相同装药条件下,含水裂隙中水压力随距爆源距离增大而迅速衰减,裂隙中同一位置水压力大小与裂隙张开宽度呈负相关;混凝土室内爆炸试验含水裂隙中水击波所带能量频谱主要集中在7.8～62.5 kHz,是一种高频信号。随距爆源距离的增加,能量分布向低频集中;水击波频带能量分布特征受爆炸药量及裂隙张开宽度的影响。当量为4.5 g TNT（三硝基苯）乳化炸药装药相比 8.1 g TNT乳化炸药装药爆炸时水击波高频信息更丰富;相同爆炸药量时,随混凝土中含水裂隙张开宽度的增加,水击波频带能量分布峰值呈现向中间频带移动的趋势。     

地下爆炸成腔注浆支护的小型实验研究

针对爆扩成腔稳定性差、渗水率高及遇水坍塌等问题，采用注浆抽浆法对爆炸空腔进行了支护，并进行防渗小型实验研究。确定了注浆临界水灰比为0.8:1，分别对重力注浆、压力注浆以及压力注浆加防水剂和无支护的4个空腔进行了支护对比实验。实验表明：重力注浆不足以达到要求，压力注浆是一种解决支护和防渗较为可行的方法，加入防水剂后效果更好。     

拱形结构爆炸作用荷载分布规律研究

采用数值计算方法对地下高边墙拱形结构在爆炸作用下爆炸荷载的分布规律进行了研究。研究结果表明,拱形部分荷载分布主要受爆高、跨度、观测点角度的影响,荷载分布形式是以拱顶为对称轴的马鞍形。爆高与跨度的比值越大,结构上的荷载分布越均匀,反之,则越集中;边墙部分荷载分布主要受爆高、跨度、边墙高度影响,从墙顶开始沿着墙体逐渐衰减,最终趋于均匀。在此基础上,给出了自由场地下大跨度拱形结构荷载的计算方法,并计算了拱形结构上的荷载系数,发现沿着拱形荷载系数并不是固定值,在拱顶最小,近似等于1.5,且随拱角的增加而变大。     

爆炸冲击波对地下巷道破坏效应分析

爆炸过程,特别是高能量爆炸中产生的强大冲击波在击碎地质介质的同时,也往往危及到爆炸源附近一定范围内地下工程的稳定与安全.某直墙拱形地下巷道(锚杆支护)在一次较大当量的爆炸事件中发生了大范围的坍塌,破坏总长度超过100m,巷道完全报废.本论文运用有限元数值方法,模拟和计算了爆炸冲击波动荷载最大超压作用瞬间,巷道围岩的失稳范围、区域,围岩应力分布状况及位移特征.计算结果表明,当爆炸动荷载很大时,地下工程采取锚杆支护的效果不明显.     

空孔直眼掏槽成腔模型理论与实践分析

空孔直眼掏槽是隧道或井巷掘进的主要方法之一。基于典型空孔掏槽炮眼布置,分析了掏槽眼爆破形成空腔的物理力学过程;建立了空腔形成的物理和力学模型;研究了腔内碎石在高压爆生气体作用下的抛射过程;得出了空腔尺寸的理论计算方法。槽腔岩石介质破碎和外端部漏斗形成取决于掏槽眼装药爆炸动作用;碎石的抛出率与炸药性质、岩石性质和爆破参数有关。理论分析与在某矿进行的48次试验结果有较好的吻合性。     

Application of a Cam–Clay model to overconsolidated clay

The yield locus governing the stress–strain response of a soil may degrade during rebound at high overconsolidation ratios. The cause can be attributed to a breakdown in bonding. A Cam–Clay model is applied to account for the degrading yield locus, and the influence of this degradation is assessed using a theoretical approach for friction pile capacity. Stress changes in the soil continuum due to pile installation and setup are simulated by cylindrical cavity expansion and radial consolidation, anda segment loading model is used to determine the effective stress change in the soil at peak load transfer under undrained conditions. The results indicate that plastic rebound affects peak load transfer to at least the same extent as shear strength.     

含软弱夹层顺倾边坡爆破层裂效应的数值模拟与试验研究

进行含软弱夹层顺倾边坡单孔爆破数值模拟,分析爆破过程中上覆岩体受到的应力作用、爆破层裂效应及其对边坡稳定性的影响。模拟结果表明,爆破层裂作用具有分区特性,爆轰气体对夹层的冲刷、推移作用形成夹层爆腔区,爆腔区外围是压密区,其次是离析区,离析区以外的夹层未受爆破层裂作用的影响;上覆岩体在空腔区受到爆轰气体膨胀压力作用,临近夹层壁面的峰值压力达0.75 GPa,压密区受到夹层挤压衍生的向上压力作用,压力峰值达0.21 GPa,且压力衰减较慢;空腔区的上覆岩体与夹层脱离,压密区和离析区改变了夹层与上覆岩体的接触状态,使模型的稳定性降低。剪切试验验证了数值模拟关于爆破层裂效应降低模型稳定性的结论。     

Dynamic Analysis of Tunnel in Soil Subjected to Internal Blast Loading

The present work deals with the three-dimensional nonlinear finite element (FE) analyses of the tunnel in soil subjected to internal blast loading. The analyses are performed using the coupled Eulerian–Lagrangian analysis tool in FE software Abaqus/Explicit. The soil and reinforced concrete lining are modeled using the Lagrangian elements. The explosive Trinitrotoluene (TNT) is modeled using the Eulerian elements. The stress–strain response of soil, concrete, and reinforcement are simulated using strain rate dependent Drucker–Prager plasticity, concrete damaged plasticity and Johnson–Cook (J–C) plasticity models, respectively. The pressure–volume relationship of the TNT explosive is simulated using the Jones-Wilkins-Lee equation of state. Parametric sensitivity studies have been performed for different (1) tunnel lining thicknesses, (2) explosive charge weights and (3) angles of internal friction of soil. It is observed from the results that blast induced pressure on the tunnel lining increases with the increase in charge weight. Both the lining and the surrounding soil undergo significant deformation. The deformation of the tunnel lining increases with increasing charge weight and decreases with increasing lining thickness and increasing the angle of internal friction of soil. Blast-induced velocity in soil attenuates with increasing distance from the source of the blast.     

不耦合装药下爆炸应力波传播规律的试验研究

通过室外爆破试验,利用预埋研制的PVDF压力传感器对耦合及水不耦合延长药包装药爆破时爆炸应力波的中远场压力进行测量,拟合实测结果,得到4种不耦合系数下爆炸应力波峰值随传播距离衰减的指数关系式。分析试验结果可知： ①在试验所涉及的范围内,不耦合装药时爆破应力波峰值衰减幅度小于耦合装药（即K =1）时爆破应力波峰值衰减幅度,验证了水介质作为炸药爆轰产物与岩体间的弹性缓冲层作用,减少了粉碎孔壁岩体造成的能量耗散,增加了能量传递,加大了爆炸的作用范围;②当不耦合系数K = 3.29时,应力波峰值衰减指数表现出大于K =1.79及大于K =2.57时应力波峰值衰减指数的趋势,表明过大的不耦合系数造成了不耦合介质--水过多的能量耗散（在高温高压下水并不完全是弹性的）,削弱了不耦合装药爆破的优势;③在不耦合装药爆破中,存在最佳的不耦合系数,此时爆炸应力波峰值衰减最慢,爆炸能得到充分利用,达到最优的爆破效果。研究结果对不耦合装药爆破的设计及工程应用有一定的指导意义。     

单螺旋空孔直眼掏槽成腔过程数值模拟研究

采用ANSYS三维非线性动力有限元软件,对单螺旋空孔直眼掏槽的爆炸应力波传播规律与成腔过程进行了数值模拟研究,得到了单元有效塑性应变分布图、节点有效速度分布图、节点时间-加速度历程曲线和炸药爆炸体积扩展过程示意图。结果表明,模拟的爆炸应力波是以柱面波形式传递,这与理论上的爆破应力波传递形式相一致,同时还总结出爆破效果与装药孔至空孔的距离相关的结论。整个数值模拟研究实现了掏槽爆破成腔成型过程和压力传播过程的可视化,对预测掏槽爆破效果和优化爆破设计具有积极意义。     

西大别造山带中新县-红安地区的变质变形分析

以商麻断裂为界,大别造山带分为东段和西段,西大别造山带是连接桐柏造山带和大别造山带的纽带。通过对几何学和运动学以及变质环境的研究表明：西大别造山带的形态为一个枢纽向西倾伏的巨型背形构造,且有圈层结构,层间存在滑脱面。西大别地区至少存在着3 期构造变形,第一期是南北边界剪切带的形成,第二期是层间滑脱面和榴辉岩透镜体的形成,第三期是晚期的岩体侵入。应力场的统计结果可知,西大别造山带主要受到近南北方向的挤压,统计结果真实地记录了西大别造山带形成时的古应力状态,对应着3 期变形的第一期。有限应变测量结果显示,从北向南岩石的变形强度存在着：强变形带→弱变形带→强变形带→弱变形带→强变形带这种强弱变形带交替出现的规律。通过白云母Ti温度计以及多硅白云母压力计结果显示西大别造山带中新县-红安地区岩石的变质条件为T = 450 ℃～620 ℃,P = 1.0～1.6 GPa,属于高压蓝片岩相到榴辉岩相。     

岩土类软化材料的柱形孔扩张统一解问题

用应力一次跌落应变软化模型来模拟岩土软化材料特性，采用双剪统一强度理论的屈眼函数形式，推导了柱形孔扩张问题应力场及位移场的统一计算公式，分析了不同模型、不同软化程度对柱形孔扩张时应力、位移及塑性区开展规律的影响。     

Numerical Simulation of Explosion in Twin Tunnel System

Rapid growth of urban population in Indian cities have led traffic congestion leading to demand for scientific utilization of underground space. Immediate underground level and deep level underground below the major arterial roads are the sustainable spaces available for meeting the demand of the future traffic/transport. Due to recent increased transit activities it has become one of the soft targets by terrorists or prone to catastrophic accidents in recent years which have increased the importance of rock structures study under explosive loading. In this paper, the response of a underground metro tunnel subjected dynamic loads have been investigated including explosive capacity (30 kg TNT), ground characteristics, liner thickness and blast pressure characteristics. Blast pressure representing CONWEP air blast loading model with positive over pressure phase was applied to lining of tunnel. A three dimensional explicit finite element method was used to analyze dynamic response and damage in twin tunnels of underground metro. It is found that liner of thickness 28 cm will start deforming at the explosive loading of more than 65 kg TNT.     

Analysis of undrained cavity expansion in elasto‐plastic soils with non‐linear elasticity

A large strain analysis of undrained expansion of a spherical/cylindrical cavity in a soil modelled as non‐linear elastic modified Cam clay material is presented. The stress–strain response of the soil is assumed to obey non‐linear elasticity until yielding. A power‐law characteristic or a hyperbolic stress–strain curve is used to describe the gradual reduction of soil stiffness with shear strain. It is assumed that, after yielding, the elasto‐plastic behaviour of the soil can be described by the modified Cam clay model. Based on a closed‐form stress–strain response in undrained condition, a numerical solution is obtained with the aid of simple numerical integration technique. The results show that the stresses and the pore pressure in the soil around an expanded cavity are significantly affected by the non‐linear elasticity, especially if the soil is overconsolidated. The difference between large strain and small strain solutions in the elastic zone is not significant. The stresses and the pore pressure at the cavity wall can be expressed as an approximate closed‐form solution. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.