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地下工程抗爆防震塌设计动力学机理讨论
发布时间:2022年06月04日

随着攻击性武器的发展,工程抗爆防护更显重要[1,2]。在爆炸荷载直接作用下,有限厚度的混凝土结构呈现严重的局部破坏,在迎爆面形成漏斗坑,在背爆面由于自由表面反射产生的拉伸波引起背面层裂,基于各种机制的损伤演化的综合效应最终会导致混凝土结构的震塌。对岩土震塌破坏机理及破坏过程的动力学研究国内外已经有很多报道,国内的防护专业人士在相关研究中取得了一系列成果,为我国的防护工程的发展作出了重要贡献[3~12],但仍然面临一系列新的挑战。

事实上,在冲击或爆炸作用下,介质中往往产生曲面应力波,这种复杂的应力 -应变状态对材料的动力破坏的影响尚无完整的研究方法,因而为了揭示震塌破坏机理,一般将问题简化为一维平面波的传播来分析处理。对于这类问题,已有相关研究报道[13,14],但还存在不少重要的问题有待解决。破坏准则采用是制约震塌机理研究的主要因素之一,在冲击或爆炸作用下,实际的应力状态远较试验设计的复杂得多,并且材料的强度与应变率有关,一般来说,应变率越高,其强度提高也越多,在拉伸条件下此种现象尤为显著。另外,冲击和爆炸作用是高应变率下的强动加载,必须考虑时间和惯性的影响。加载时间越短,则要使结构上的损伤 (微裂缝)在量上积累,以最终造成宏观破坏,就必须施加更大的应力。反之,加载应力水平越高,则为使损伤积累到临界状态所需的延迟时间越少[15~20]

在评定混凝土结构的抗震塌能力时,主要根据试样在爆后的总体破坏形貌来对其抗震塌能力进行分级,并确定相应的“不震塌系数”K i :

式( 1 )中,ω 为装药量;λ 为不同爆破物的修正系数;m 为耦合系数;H i 为临界不震塌高度。即评定混凝土结构的抗爆震塌能力的主要依据是其爆后的总体终态,而这一总体终态实际上是结构的动态响应和材料的动态响应从经历早期的局部响应到后期的总体响应之综合反映。而这些已有的震塌试验既未区分结构动态响应(包括应力波的传播和相互作用以及边界条件的影响等)与材料动态响应(包括率相关的流变过程、损伤演化过程、裂纹传播过程和断裂等)各自的作用大小,也未区分早期局部响应和后期总体响应各自的作用大小,因此不仅未能提取出爆炸载荷作用下与时间过程相关的重要信息,而且也难以发现抗爆防震塌的机理。所以,有必要对现有的震塌试验补充必要的动态测试和发展冲击动力学分析,以便为科学设计具有更好抗爆能力的防护工程提供依据。

事实上,式( 1 )可以在若干基本假定的前提下,通过量纲分析来导出。由此可以了解式( 1 )所隐含的基本假定。

爆破物对周围介质(如混凝土)的爆炸作用将涉及爆破物和介质两个方面:

在爆破物方面,作点源爆炸假定,即忽略装药几何形状尺寸和爆破物状态方程等对介质爆炸效应的作用,则影响介质中冲击波压力的主要装药物理量是:药量 ω 、爆破物密度 ρ0 和爆破物爆速 D 。

在介质方面,假设:

1) 爆破物在无限介质中爆炸,则可忽略结构的几何尺寸及相应的边界条件;

2) 介质为可压缩无粘流体(流体动力学模型),则可忽略介质的一切固体力学特性。若再假定介质中的冲击波压力只依赖于波前介质初态,则只需计及介质初始压力 pm0 和初始密度 ρm0 。

在上述假定下,距离中心药包 r 处的介质中的冲击波压力 pm 可简化为仅仅是上述 ω 、 ρ0 、 、 pm0 、 ρm0 和 r 6 个物理量的函数:

根据量纲分析理论的  定理,式(2)可化为如下 4 个无量纲物理量之间的函数关系:

即有

式(3)为点源爆炸球面冲击波在满足流体动力学模型的无限介质中传播时的近似相似律。若进一步假定:

1) 爆破物的种类和装药密度不变,即设 D 和 ρ0 为恒值;

2) 流体化介质的初始压力和初始密度不变,即设 pm0 和 ρm0 为恒值,则式( 3)简化为:

再假定介质的破坏只取决于压力,即当 pm / pm0 达到和超过某临界值时介质处于某种破坏状态,并且其相应的 r 值以 H f 表之。于是由式( 4 )可知,表征破坏区域的特征尺度 f 正比于 ω1/3 ,即有

当再引入爆破物修正系数 λ 和爆炸耦合系数 m 后,就与式( 1 )完全一致。

根据以上分析讨论不难看到,通过现有震塌试验来确定“不震塌系数”K 的式( 1 )实际上是以一系列简化假定的成立为前提的。在偏离这些基本假定的情况下,原则上式( 1 )已难以继续适用,而必须进一步加以改进;更何况从模型律(scaling)的角度看,小尺寸混凝土试块的震塌试验本来已难以反映大尺寸混凝土结构的实际震塌情况。因此,在抗震塌研究中,以下几点是尤其值得注意的:

1) 震塌试验的实际情况既然难以满足“点源爆破物爆炸”的假定和“爆破物种类与装药密度不变”的假定,从而必然会引入相应的误差。

2) “无限介质”假定,这一假定完全忽略了边界效应,从而忽略了应力波在边界上的反射以及入射波与反射波的相互作用等等,也不适用于具有复合结构的防护体。然而在震塌试验中,凡裂纹的形成和发展以及最后导致整体破坏等等,往往是与来自自由边界的反射卸载波的作用分不开的;若防护体具有复合结构,在复合层界面上,冲击波也将发生反射和透射等相互作用,而改变防护体的受力状况。因此,在震塌防护设计中,应充分考虑到波的相互作用。合理的结构设计可有效提高混凝土防护体抗震塌能力,却是式( 1 )所未能反映的。

3) “介质的可压缩无粘流体近似”假定,对于震塌试验来说更是一种过于简化的假定,因为混凝土震塌时所呈现的各种形式的破坏几乎都与混凝土作为固体所具有的抗畸变特性和抗剪切断裂特性相关。而且,大量试验研究结果已表明混凝土的力学行为对应变率很敏感,属于粘弹性或粘弹塑性材料。因此,必须考虑到材料力学特性对结构震塌的影响,以利于对混凝土类材料抗震塌能力的分析比较,但这也是式( 1 )所无法反映的。综上所述,必须研究材料的动态力学性能和应力波在防护结构中的传播特征,才能揭示工程抗爆防震塌设计动力学原理,为科学设计具有更好抗爆能力的防护工程提供依据。