爆炸波在高饱和度饱和土中传播规律的研究

通过在? 2.5×5 m模拟爆炸装置中进行饱和土爆炸试验,得到了变埋深条件下饱和土中的压力实测波形,实测到了冲击波和弹性波,二者之间具有较明显的分界,爆炸近区和远区荷载形式具有较大的区别。通过综合分析给出了饱和土中波的传播规律,揭示饱和土中爆炸冲击波传播时出现流体动力区和冲击波形成等性质,建立了饱和土双线性递增硬化本构关系,确定了由冲击波向弹性波转换的分界压力。     

基于地表冲击荷载作用下的城市地下空间结构动力响应分析

由于地震效应、重载车辆的震动效应或由于不同爆炸物引起的强烈冲击效应,都会给城市地下空间结构带来较大的影响。通过土体的混凝土改进剑桥动力本构模型和混凝土塑性损伤本构模型,建立地表爆炸冲压荷载简化计算模型,对城市地下空间结构在TNT当量100 kg的炸药爆炸冲压荷载作用下进行了动力分析,研究了结构埋深、土体刚度对结构动力响应的影响,分析了远场爆炸地震波作用下地下空间结构的动力响应。计算结果表明,地下空间结构中部顶板产生了轻微的拉伸损伤;当埋深小于5 m时,结构动应力响应较大;结构覆盖土刚度越小,土对爆炸能量的吸收作用越显著;由于爆炸产生的地震波频率高,其对结构动应力的影响较小。研究结果对地下结构的抗爆设计具有一定的参考意义     

爆炸荷载作用下深埋圆形隧洞的饱和黏弹性土-衬砌系统动力响应

假定土骨架服从标准线性固体黏弹性本构关系,研究了深埋圆形隧洞的饱和黏弹性土-弹性衬砌耦合系统在轴对称爆炸作用下的瞬态动力响应。首先,基于饱和土的Biot模型和衬砌的弹性理论,通过引入势函数和Laplace变换,利用弹性衬砌和饱和黏弹性土界面处的连续性条件以及边界条件,得到饱和黏弹性土体和弹性衬砌位移、应力和孔隙水压力等在Laplace变换域中的解析解。其次,利用Laplace数值Crump逆变换得到耦合系统在时间域的动力响应,数值分析了不同土体模型下土体-衬砌耦合系统的径向位移和环向应力以及土体孔隙水压力等。结果表明：对不同土体模型的土体-衬砌耦合系统,其在爆炸载荷作用下的动力响应性态基本一致,但动力响应的振动周期和幅值等具有明显的差异。同时,对于饱和黏弹性土-弹性衬砌系统,土体黏性参数对土体径向位移和孔隙水压力有明显的影响,但对土体环向应力影响较小。     

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。     

碎石土地基在不同含石量下桩-土水平作用特性及m值的研究

四川输电线路经过的山区场地中,碎石土地基分布普遍,而碎石土是一种介于岩石和土体之间特殊的岩土体,水平受荷碎石土桩基础在不同含石量下水平承载特性具有较大的差异,现行规范给出的地基水平抗力系数的比例系数m值取值范围较为宽泛。研究碎石土地基在不同含石量下桩-土水平作用特性与m值取值是输电线路塔桩基设计中有待解决的问题。通过室内单桩水平静载试验,得到了不同含石量的碎石土地基对桩顶位移、桩身内力、地基水平抗力系数的比例系数m值的影响,以及不同含石量下m值的变化趋势。对比分析得到试验特征规律,研究桩身弯矩、剪力曲线与桩侧土压力曲线,不同含石量条件的m值变化趋势。结果表明:随着碎石土地基含石量提高,桩身最大弯矩值呈非线性增大,且最大弯矩值约在埋深0.3 m截面位置处;碎石土含石量的提高,地基土水平抗力会有所增大,桩侧土压力零点位置也会有所提高;m值随着含石量的提高而增大。含石量每提高10%,m值约增大1.15~1.40倍,该项研究可作为地基水平抗力系数的比例系数m值取值的一个参考。     

地下水数值模拟中入渗补给滞后的处理方法

地面水入渗补给地下水具有滞后性。文章介绍了地下水数值模拟中入渗滞后补给的权系数方法,该方法仅有一个参数需要确定。基于均质介质和底面为自由液面的一维土柱的理想模型数值试验,利用不同滞后因子的饱和地下水流模型同饱和-非饱和地下水模型求解的入渗补给量进行对比分析,认为待定参数与地下水位埋深成反比,与介质的饱和渗透系数成正比,通过40组设定的模型试验得到地下水埋深和饱和渗透系数对应的待定系数取值的统计关系式。这些成果为饱和地下水流模型中入渗滞后性的描述提供了参考,将提高地下水流模拟的仿真性。     

泥质软岩地基水平抗力系数研究

通过室内水平静载试验和数值模拟对泥质软岩地基水平抗力系数的比例系数m进行研究,给出m值参考值,并讨论了影响地基岩土m值的因素,研究结果表明：试验所用的南宁盆地第三系泥岩m值取值范围为17～35 MN/m4,桩径大时取小值,埋深大时取大值;用ANSYS模拟水平静载试验,计算出的m值与室内试验值十分接近,可为今后数值计算m值提供参考。经分析m值的影响因素后认为适当增加桩的埋深、控制岩土含水率及提高混凝土的浇灌质量等可以提高m值     

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。     

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。     

土-结爆炸冲击相互作用模爆试验相似设计方法

模爆试验是研究爆炸冲击荷载作用下地基动力性能、土-结爆炸冲击相互作用及埋地防护结构抗爆能力与破坏机理等的重要手段之一。模型相似设计是确保模爆试验能够尽可能真实地反映原型爆炸冲击动力性状的关键之一。以上覆饱和砂土层对浅埋地下圆拱直墙式防护隧道免遭炸弹触地爆炸触发地冲击波破坏的保护效应为研究目的,基于目前广泛应用的Bockinghamπ定理,采用量纲分析方法,并且结合考虑土-结体系非线性爆炸冲击动力响应、土-结接触面爆炸冲击动力响应以及爆炸地冲击波-结构动力相互作用等的相似性,求解土-结爆炸冲击相互作用模爆试验的模型设计相似关系。     

Porewater pressure increases in soil and rock from underground chemical and nuclear explosions

A review and analysis of chemical and nuclear explosive-induced porewater pressure increases and induced rise in groundwater table elevations (groundwater mounding) is presented. Our analysis indicates that residual pore pressure increases and groundwater mounding can be induced by underground chemical and nuclear explosions to scaled distances of 879 m/(kt)^1/3. This relationship is linear over seven orders of magnitude of explosive energy ranging from a 0.01 kg chemical explosion to a 100 kt nuclear explosion and is valid for a wide variety of saturated geological profiles. Underground chemical explosions, and probably underground nuclear explosions have the potential to induce liquefaction of water-saturated soils to scaled distances of about 260 m/(kt)^1/3.     

高饱和度饱和土中爆炸波与结构的相互作用

利用改进的? 2.5 mm×5 m的模拟爆炸装置进行了一系列爆炸波与结构相互作用的实验,得出了爆炸波作用下结构上的表面压力、动量、应变的实测波形。实验结果表明,由于结构刚度较小,在相同爆心距离条件下结构的荷载与自由场的压力值相差不大;荷载在顶板的分布较为均匀,结构在爆炸载荷作用下发生整体变形,可以用中心荷载代替整体荷载;结构对爆炸波的反射,无论是弹性波还是冲击波,反射规律基本一致。随着饱和度的增大,结构上的反射系数和爆炸冲击波波速也随之增大。     

Propagation of Rayleigh waves in fluid‐saturated non‐homogeneous soils with the graded solid skeleton distribution

The propagation characteristic of Rayleigh waves in a fluid‐saturated non‐homogeneous poroelastic half‐plane is addressed. Based on Biot's theory for fluid‐saturated media, which takes the inertia, fluid viscosity, mechanical coupling, compressibility of solid grains, and fluid into account, the dispersion equations of Rayleigh waves in fluid‐saturated non‐homogeneous soils/rocks are established. By considering the shear modulus of solid skeleton variation with depth exponentially, a small parameter, which reflects the relative change of shear modulus, is introduced. The asymptotic solution of the dispersion equation expressing the relationship between the phase velocity and wave number is obtained by using the perturbation method. In order to analyze the effects of non‐homogeneity on the propagation characteristic of Rayleigh waves, the variation of the phase velocity with the wave number is presented graphically and discussed through numerical examples. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

饱和钙质砂爆炸响应动力特性试验研究

钙质砂是一种特殊的海洋沉积物,开展钙质砂在爆炸作用下动力响应特性研究具有重要的理论意义和工程实用价值。通过室内小型爆炸试验,研究饱和钙质砂在爆炸作用下土压力、孔隙水压力和质点振动加速度等参数的变化规律。结果表明：饱和钙质砂中爆炸应力波随距离增大而衰减,但随爆心距增大衰减速度呈减小趋势;随试样相对密度增大爆炸应力波的衰减速度趋缓;爆炸引起的超孔隙水压力在10～30 ms内到达峰值,在前3 min内快速消散,消散幅度达90％以上;双发雷管微差起爆相对于单发起爆,最大单段起爆药量相同,但微差起爆由于爆炸应力波的叠加,使得钙质砂动力响应加剧。与相同试验条件下石英砂爆炸响应对比表明,相同测点处钙质砂动力响应弱于石英砂,应力波在钙质砂中衰减速度远比石英砂快,说明饱和钙质砂对爆炸应力波有着极强的吸收和衰减作用;爆炸近区钙质砂颗粒大量破碎,形成爆炸破碎和压缩区,形成这几个区域所耗损的爆炸冲击能量大约占总能量的25％左右。     

不同地应力条件下双孔爆破的数值模拟

考虑岩石介质的非均匀性,把爆破过程视为爆炸应力波和爆生气体压力共同作用的结果,基于损伤力学理论建立了岩石爆破的力学模型,并对不同地应力条件下岩石双孔爆破裂纹演化规律进行了数值模拟,分析了不同侧压力系数和埋 深对裂纹扩展规律的影响。数值模拟结果表明：①爆炸应力波导致裂纹的萌生,爆生气体压力则会使裂纹进一步扩展和贯通; ②裂纹演化过程与地应力密切相关,裂纹扩展的主方向趋于最大地应力方向;③随着埋深增加和初始地应力增大,裂纹扩展半径和裂纹区面积减小,地应力对爆破致裂的抑制作用明显。     

P波作用下饱和土中输流管道动力响应

根据Biot波动理论,采用复变函数与多级坐标法,求解了P波作用下饱和土体中地下输流管道的波动散射方程,分析了管道中流体介质性质、入射波角度及管道埋深等对地下输流管道周边动应力集中系数及孔压集中系数分布的影响。计算结果表明：在低频弹性波入射时,管道周边动应力集中系数及孔压集中系数分布相对均匀,而随入射频率的增加,其分布变得复杂化,但其峰值有所减小;中低频波入射作用下,管道内为水、石油介质时,动应力集中系数和孔压集中系数较空气介质时小,而在高频波作用时情况相反;对于管道内流体介质为水时,随着入射角度的变化,应力集中分布也沿一定角度的方向发生转动,入射波自管道下方垂直入射时,管道周边动应力集中系数峰值相对较大;随埋深的增加,动应力集中系数和孔压集中系数均呈震荡减小的趋势。     

复杂管网中瓦斯爆炸冲击波与火焰波传播实验研究

为了进一步探究瓦斯爆炸冲击波火焰波的传播特性,在自行设计并搭建的复杂管网中进行瓦斯爆炸实验.实验中利用高精度压力传感器和温度传感器收集压力变化和温度峰值数据;使用火焰传感器采集爆炸过程中出现的火焰波信号,根据理论公式计算得出火焰波传播速度;利用Origin软件对实验数据进行综合处理,研究复杂管网中瓦斯爆炸时的冲击波、火...     

瑞利波在非均匀饱和地基中的传播特性

考虑地基横观各向同性和非均匀性,建立孔隙率、密度、剪切模量及渗透系数同时随深度变化的非均匀饱和地基模型,模型中考虑参数间的耦连影响,并引入非均匀因子表征地基的不均匀程度。基于Biot多孔介质理论建立以土骨架位移和孔隙水压力为基本未知量的控制方程,采用微分算子法对控制方程进行解耦求解,推导出非均匀饱和地基中瑞利波的频散方程。将推导结果分别退化到均匀饱和地基和单一弹性地基,验证了结果的正确性。通过数值算例,对非均匀饱和地基中瑞利波的传播速度、衰减系数及位移分布进行分析。结果表明：在低频区,饱和地基的非均匀性对瑞利波传播速度、衰减和位移都有显著影响,质点运动轨迹也由此发生变化;随着频率的升高,这种影响逐渐减小,当频率趋于无穷大时,瑞利波速度收敛于弹性地基中的波速;地基非均匀性增大了瑞利波的传播阻抗性,瑞利波位移加速衰减,传播深度小于均匀饱和地基。随着非均匀性增大,质点竖向位移的衰减快于水平位移,这种差异造成质点椭圆运动轨迹的扁率减小。此外,地基中非均匀土层厚度越小,则地基非均匀程度越高,对瑞利波的传播影响越大。