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.     

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。     

冲击荷载作用下软土隧道结构热-流-固耦合动力响应分析

爆炸对结构物的作用可以看成是冲击力和热的共同作用结果。基于Biot热弹性波动理论,利用饱和多孔介质热- 流-固耦合动力响应模型,研究了饱和软黏土中隧道结构内受指数衰减热/力冲击荷载作用下的动力响应。利用Flügge薄壳理论,得到隧道结构的运动方程。考虑土-结构接触面上的协调条件并利用热-流-固耦合动力响应模型的通解,得到了热/力冲击荷载作用下应力、位移和孔隙水压力响应在Laplace变换域中的解。利用Laplace数值逆变换技术得到数值计算结果,探讨了冲击荷载和热荷载作用下隧道结构刚度和厚度对应力、位移和孔隙水压力响应的影响。结果表明：在爆炸冲击荷载作用下,隧洞衬砌对周围土体起到很好的屏蔽作用,且衬砌刚度越大,其保护效果越好;衬砌与土体接触面上应力随衬砌刚度增大而减小,并且刚度越大应力衰减越快;衬砌刚度和厚度对热冲击的位移响应有明显影响,而对其温度响应的影响较小。     

新型锚固类结构抗爆性能数值分析

采用LS-DYNA有限元软件,对分别使用单一锚固结构和新型复合锚固类结构加固的洞室在抗爆炸荷载作用下的性能进行了数值模拟。分析了在爆炸条件下应力波传播及爆坑形成过程、爆炸近区围岩中的压力波和复合锚固结构构造措施断裂缝形成过程,与试验结果的可靠性相互验证,并对其作用机理得出一些初步认识。结果表明：两个模型的计算爆坑大小与试验结果基本吻合;复合锚固构造措施段使得锚固区外的介质内出现了局部自由面,当爆炸应力波经过自由面时产生反射拉伸波在此处产生了裂缝;复合锚固结构洞室拱顶垂直向振动加速度峰值比单一锚固结构洞室的约小23.7 %;单一锚固结构洞室比复合锚固结构洞室更容易出现结构性的冲切破坏和拉伸剥落破坏。     

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。     

爆炸波影响地下结构的数值模拟方法

采用动力有限元,利用特有的爆炸单元直接计算炸药在岩土介质中爆炸、爆炸波传播及遇到地下洞室对其产生影响的全过程,并针对某现场大型地下洞室抗爆试验,利用数值模拟,分析计算与现场爆炸、地质、洞室支护等条件相同情况下地下结构的动力响应,模拟计算结论与现场试验结果分布规律相同、数值接近,表明有限元法直接模拟爆炸对地下结构的影响具有一定的可靠性,为进一步研究地下结构在爆炸荷载下的动力响应及安全评价打下基础。     

孔隙水压力及炸药埋深对堤坝爆炸效应的影响分析

爆炸荷载作用下的堤坝破坏形态研究在国防以及工程应用中都具有重要意义。为了研究堤坝在不同爆炸工况下产生的破坏形态,在LS-DYNA软件框架内,建立了适合于爆炸荷载作用下土体动力分析的实用模型,并基于多物质ALE法,对均质土坝遭受爆炸袭击开展了仿真分析,得到了不同炸药埋深以及不同孔隙水压力上升程度下的堤坝爆炸弹坑形态。结果表明,随着炸药埋深的增加,堤坝弹坑尺寸具有增大的趋势,但当埋深超过一定范围,则无法形成弹坑;同时,爆炸荷载作用下含水土体的孔隙水压力发展对弹坑的形成具有重要影响,孔隙水压力上升程度越强,产生的弹坑尺寸就越大。研究结果可以为堤坝抗爆安全设计以及爆破拆除堰塞坝等工程提供参考。     

岩土力学与工程战略讨论会-就防护工程存在的有关问题对岩土力学与工程的研究战略提一些初浅看法

岩石力学方面:1.爆炸对岩体的破坏;地层条件和岩体结构对爆炸坑尺寸和形状的影响;抛掷带的机制、形态和尺寸。2.岩体破坏的亚微观研究及其与爆炸波的关系。3.断层等较大规模的不连续性对爆炸波的作用。     

变埋深条件下饱和土爆炸能量耦合系数的试验研究

通过在? 2.5 m×5 m模拟爆炸装置中进行了饱和土爆炸试验。利用自由场试验研究了饱和土在不同埋设深度条件下的爆炸问题,得到了相应的爆炸破坏效应的宏观特征和压力实测波形,并对测试结果进行了分析,得到了饱和土中爆炸波传播规律,并通过试验得到耦合系数的试验数据,绘制了耦合系数曲线。实验结果表明,对于封闭爆炸最小比例埋深为2.62 m/kg1/3,当比例埋深大于2.62 m/kg1/3时,峰值压力与动量受比例埋深的影响不大,此时爆炸能量基本被封闭在饱和土中。     

加筋土挡墙静动力学特性大模型试验研究

为了研究加筋土挡墙在交通荷载作用下的受力变形特性,分别设计了在静载和动载作用下的加筋土挡墙大模型试验,分析了加筋土挡墙的竖向土压力、挡墙面板变形、加载板沉降以及动力加速度等参数的分布规律。试验结果表明:静、动荷载作用下加筋土挡墙受振源荷载的水平影响范围约为0.16～0.54H(墙高),挡墙土压力均呈现水平方向上由振源中心向两侧减小的趋势;同时静动荷载下挡墙面板水平位移的主要影响范围为墙顶往下约为0.55H;加载前期加筋土挡墙内部结构是一个逐渐压密的过程,动荷载作用下加载板沉降量在整个逐级荷载值变化临界处随荷载值的增大呈斜坡“阶梯”式发展;筋土结构对加速度响应有着显著的消散作用,且随着离荷载作用点距离的增大而减小。     

节理对爆炸波传播影响的数值研究

采用加入无反射边界条件的DDA程序,研究了节理面对应力波传播的影响。结果表明,节理面能阻碍波的传播,有利于波的衰减,节理面越多,波的反射越强,而波的透射越弱。模拟了一个现场爆炸试验,研究爆炸产生的应力波在节理岩体中传播、衰减的规律,模拟结果与现场试验结果比较吻合。研究表明,DDA方法可以模拟节理面对应力波传播的阻碍作用,用它来模拟爆炸波在节理岩体中的传播是适用的。     

回采工作面断层构造无线电波反射测量方法研究

矿井无线电波勘探可用于煤层地质构造探查,凭借其轻便和效果好等优势,成为煤层地质构造探查的常规和必备手段。现阶段无线电波信号在煤层中的能量衰减较快,大宽度煤层工作面透射无线电波探测面临制约。基于此,提出煤层工作面无线电波反射勘探方法。首先,数值模拟构建二维含煤地层电性模型,对无线电波H_x分量信号的场强值进行分析。模拟结果显示:无线电波在正常煤层巷道中H_x分量信号的场强值衰减与传播距离呈现近似线性关系,为无线电波反射成像算法奠定理论基础。其次,在模型中距巷道5、10、15、20、25、30 m处设置断层异常区。与正常无断层煤层相比:H_x分量场强值在断层处会发生数值突变,场强值先增大再减小,并且随着断层距巷道距离的增大反射场强值整体减小;当断层距巷道25 m以后,场强值变化不明显。最后,利用某煤矿工作面进行现场试验。试验采用0.965 MHz的频率进行整条巷道的无线电波反射探测,探测结果中地质异常附近无线电波场强值异常升高,显示出明显的直达波和反射波相叠加的现象。通过回采揭露验证,场值异常处与断层位置吻合较好,试验取得良好的效果。综上所述,无线电波在正常煤层巷道中场强值衰减与传播距离呈近似线性关系,当工作面内存在构造异常时会产生直达波和反射波相叠加的现象,其场值会发生跳跃升高。采用反射无线电波法进行煤层工作面地质异常探测具有可行性和有效性,为煤层工作面地质构造探查提供一种新的方法和思路。      

空气间隔装药爆破机理研究

利用爆轰波理论分析了空气间隔装药炮孔内一维不定常激波的相互作用及其在炮孔堵头、孔底的反射过程,同时分析了孔内各点的压力随时间的变化过程,介绍了空气间隔装药爆破的机理及设计参数。基于此,认为应充分利用空气间隔爆破结构的优势,并在梯段爆破中满足以下两个条件：（1）在设计过程中要尽量使稀疏波及从孔底反射的稀疏波传播过程能在整个孔内每一断面都作用到,即稀疏波到达孔底的时间要比从堵头反射的压力波到达孔底要早;（2）反射压力波应该到达空气与爆生气体接触面的时间比从孔底反射的稀疏波到达空气与爆生气体接触面的时间要早。由此通过计算得到了在梯段爆破工程中合理的空气层长度比例值约为30 %～42 %。计算结论与已有实测成果基本一致。     

复杂模型高精度数值模拟研究

通过对声波方程采用二阶有限差分与四阶有限差分近似,进行数值模拟及波场分析,边界条件利用吸收边界和增加衰减带混合使用的方法。计算结果表明,四阶有限差分的精度明显高于二阶有限差分,并且边界吸收效果好。对于单炮记录难于模拟复杂模型的情况下,实现了单次叠加剖面和爆炸反射面的零炮检距剖面,并进行了偏移处理。地震剖面更加清晰地反映了复杂构造的信息,更好地实现了对复杂地质模型的正演模拟。     

岩体夹层应力波能量演化及应力响应特征分析

夹层是常见的地质结构,在地震或爆破荷载作用下,夹层对应力波的传播以及对岩体的响应具有重要的影响。以往对应力波在夹层介质中传播的研究多集中于夹层对应力波的隔振或透射性能,而对应力波在夹层中的多次折、反射过程中能量的演化规律缺乏讨论,对夹层介质的应力响应与破坏没有开展较好地分析。通过理论方法对应力波在夹层内部传播过程中的能量系数的变化规律进行了研究,分析了岩体介质波阻抗和应力波入射角对夹层内外介质中累积波动能量系数的影响规律,以及平面型边坡中软弱夹层的应力响应特征和动态稳定性。研究发现,应力波在夹层内部往复反射过程中,夹层内剩余应力波能量随折、反射发生次数呈指数曲线下降,第4次折、反射后产生的应力波能量可以忽略;夹层内外介质中应力波的累积能量系数的差异随着夹层内外介质波阻抗的相对差异的增大而增大。在平面谐波入射下,边坡内部的夹层中的剪应力和抗剪强度呈波动变化;相对P波,SV波入射会产生较高水平的剪应力,对边坡稳定性影响最大。且SV波入射时,边坡的安全系数对夹层的倾角变化更为敏感,随倾角增大而迅速降低。     

交通荷载作用下地基中Love波的传播特性

Love波的传播特性对动力响应和工程勘探都具有重要意义。运用解析法建立了交通荷载作用下双层地基中Love波的特征方程和位移表达式,并对方程进行了求解,得到了不同交通荷载情况下地基中Love波的弥散特性和位移分布情况。结果表明,交通荷载作用下Love表面波的传播速度不仅与土层的剪切波速度有关,而且与土层的压缩波速度有关。     

利用弹性波阻抗反演预测构造煤发育

弹性波阻抗反演方法摆脱了常规叠后波阻抗反演基于地震波垂直入射假设前提的局限,保留了反射波振幅随偏移距或入射角度的变化特征,考虑AVO效应,其反演结果对岩性探测更加灵敏。利用弹性波阻抗反演和常规叠后波阻抗反演的结果,构成煤体结构比例因子P。数值模拟分析和实际资料反演结果均表明:当P≥2.5时,构造煤比较发育;P值可以作为有效判别煤体结构的参考依据用以预测构造煤发育带。