石灰?guī)r中不同埋深爆炸自由場(chǎng)直接地沖擊參數(shù)的預(yù)計(jì)方法*

趙紅玲，侯愛軍，童懷峰，王基生

(1.洛陽理工學(xué)院土木工程系，河南 洛陽471023;2.洛陽市墻體材料改革建筑節(jié)能辦公室，河南 洛陽471000)

深埋爆炸產(chǎn)生的直接地沖擊效應(yīng)比地面爆炸強(qiáng)，對(duì)地下坑道的破壞作用大［1-8］。不同鉆地深度爆炸條件下，能量直接沖擊周圍介質(zhì)形成的沖擊波對(duì)地下坑道工事的破壞作用，是研究鉆地爆炸效應(yīng)必須解決的問題，也是武器戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)和地下防御工事設(shè)計(jì)的前提。采用封閉爆炸直接地沖擊參數(shù)與埋深增大系數(shù)相乘的方法計(jì)算不同爆炸深度條件下的地沖擊參數(shù)［9］，但采用同一埋深增大系數(shù)計(jì)算不同地沖擊參數(shù)不合理，且與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符。本文中，擬通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究石灰?guī)r中常規(guī)裝藥不同埋深爆炸自由場(chǎng)直接地沖擊效應(yīng)，給出不同埋深爆炸條件下自由場(chǎng)直接地沖擊參數(shù)的分布規(guī)律和預(yù)測(cè)方法。

1 實(shí)驗(yàn)概況

實(shí)驗(yàn)選擇在洛陽地區(qū)的某石灰?guī)r場(chǎng)地進(jìn)行。該地層屬華北地層區(qū)，豫西地層分區(qū)，澠池-確山地層小區(qū)。出露的地層有新古元界洛峪群、震旦系、下古生界寒武系下統(tǒng)、中統(tǒng)、上統(tǒng)。場(chǎng)地地層為正南北走向，傾角向東約38°～40°，巖體較完整，構(gòu)造較均勻。實(shí)驗(yàn)裝藥按比例埋深h 為－0.053、0、0.1、0.4、0.6、0.8 m/kg1/3分別對(duì)應(yīng)代號(hào)YK1 ～YK6，裝藥量27 kg TNT。測(cè)點(diǎn)按比例距離L 分別為0.25、0.50、0.80、1.25、1.87、2.50、3.00 m/kg1/3進(jìn)行布設(shè)，測(cè)點(diǎn)代號(hào)分別為ZK1 ～ZK7。測(cè)得的巖體中應(yīng)力σr、質(zhì)點(diǎn)加速度a，見表1。各炮次鉆孔及測(cè)點(diǎn)布置見圖1 ～2。

圖1 裝藥孔和量測(cè)孔Fig.1 Charging orifice and measuring orifice

圖2 實(shí)驗(yàn)平面圖Fig.2 Plane diagram of test

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)設(shè)置表Table 1 Arrangements of test gauge locations

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)由前置部分的傳感器和測(cè)量站內(nèi)的信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)記錄儀器及其控制系統(tǒng)等組成。傳感器與信號(hào)放大器由信號(hào)傳輸電纜連接起來。傳感器采用PVDF 壓電式應(yīng)力傳感器和YD-5 型壓電式質(zhì)點(diǎn)加速度傳感器。壓電傳感器連接DHF-1 寬頻電荷放大器進(jìn)行放大。數(shù)據(jù)的記錄及回放處理采用CS22125 型瞬態(tài)記錄儀。測(cè)量站內(nèi)還設(shè)有自動(dòng)程序控制系統(tǒng)。由于篇幅所限，本文中只給出部分實(shí)測(cè)的地沖擊應(yīng)力(見圖3)和加速度波形(見圖4)。

圖3 實(shí)測(cè)的應(yīng)力波形Fig.3 Measured waveforms of stress

圖4 實(shí)測(cè)的加速度波形Fig.4 Measured waveforms of acceleration

根據(jù)石灰?guī)r中不同埋深爆炸自由場(chǎng)直接地沖擊應(yīng)力峰值和質(zhì)點(diǎn)加速度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以給出應(yīng)力峰值和質(zhì)點(diǎn)加速度隨比例距離的衰減曲線，如圖5 ～6 所示。

從圖5 ～6 中可以得到:(1)裝藥比例埋深從－0.2 ～1.0 m/kg1/3變化時(shí)，裝藥埋深對(duì)地沖擊參數(shù)影響很大，當(dāng)埋深從地面開始增加時(shí)，爆心正下方的直接地沖擊參數(shù)值將迅速增大，在相同的比例距離上裝藥從觸地爆炸到埋深爆炸的地沖擊參數(shù)增大數(shù)倍，說明了裝藥埋深越大，爆炸耦合入地的能量越多，地沖擊應(yīng)力值越大。(2)不同埋深爆炸地沖擊參數(shù)隨比例距離的衰減曲線的規(guī)律是一致的，即衰減指數(shù)是大致相同的，只是衰減系數(shù)不同。裝藥的比例埋深從－0.2 ～1.0 m/kg1/3，衰減系數(shù)依次增大。

圖5 應(yīng)力峰值隨比例距離的曲線Fig.5 Radial peak stress versus scaled distance

圖6 質(zhì)點(diǎn)加速度峰值隨比例距離的曲線Fig.6 Radial peak acceleration versus scaled distance

3 石灰?guī)r中不同埋深爆炸自由場(chǎng)直接地沖擊參數(shù)的預(yù)計(jì)方法

為了對(duì)石灰?guī)r中不同埋深爆炸自由場(chǎng)直接地沖擊參數(shù)進(jìn)行預(yù)計(jì)，采用等效當(dāng)量埋深系數(shù)這個(gè)工程處理方法［10］描述不同的爆炸埋深地沖擊效應(yīng)。等效當(dāng)量埋深系數(shù)是指同一種巖土介質(zhì)在同一距離上產(chǎn)生相同地沖擊強(qiáng)度的2 種不同埋深爆炸時(shí)的裝藥量之比，即η=Qa/Qb，稱為b 爆炸相當(dāng)于a 爆炸的等效當(dāng)量埋深系數(shù)。觸地爆炸條件下地沖擊效應(yīng)的研究相對(duì)較深入，研究成果相對(duì)較多。為了充分利用已有的成果來預(yù)測(cè)不同深度爆炸時(shí)的爆炸地沖擊，本文中的等效當(dāng)量埋深系數(shù)是指不同埋深爆炸條件下相當(dāng)于觸地爆的等效當(dāng)量的埋深系數(shù)。石灰?guī)r中不同爆炸埋深自由場(chǎng)地沖擊參數(shù)相當(dāng)于觸地爆的等效當(dāng)量埋深系數(shù)如表2 和圖7 ～8 所示。

圖7 石灰?guī)r中不同埋深爆炸應(yīng)力等效當(dāng)量埋深系數(shù)與比例埋深關(guān)系Fig.7 Buried depth coefficients of equivalent explosion stress varied with scale buried depths in limestone

圖8 石灰?guī)r中不同埋深爆炸質(zhì)點(diǎn)加速度等效當(dāng)量埋深系數(shù)與比例埋深關(guān)系Fig.8 Buried depth coefficients of equivalent explosion particle acceleration varied with scale buried depths in limestone

由圖7 ～8 可知，當(dāng)爆炸埋深再增加，地沖擊參數(shù)隨爆炸深度而增加的速率逐漸減慢。當(dāng)爆炸比例深度達(dá)到臨界值0.8 m/kg1/3時(shí)，爆心正下方直接地沖擊參數(shù)便趨于某一個(gè)穩(wěn)定值。當(dāng)埋深超過這個(gè)臨界值后，等效當(dāng)量埋深系數(shù)數(shù)值便不再發(fā)生變化了。我們稱這個(gè)臨界深度為臨界無影響深度。

由表2 可以得到石灰?guī)r中應(yīng)力等效當(dāng)量埋深系數(shù)和質(zhì)點(diǎn)加速度等效當(dāng)量埋深系數(shù)的計(jì)算公式

式中:h 為爆炸裝藥比例埋深，單位為m/kg1/3。

表2 石灰?guī)r中不同埋深爆炸應(yīng)力等效當(dāng)量埋深系數(shù)和加速度等效當(dāng)量埋深系數(shù)Table 2 Buried depth coefficients of equivalent explosion stress and particle acceleration in limestone

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由圖5 石灰?guī)r中爆炸地沖擊應(yīng)力峰值的衰減曲線可得出應(yīng)力峰值衰減公式為

式中:σ 為應(yīng)力，單位為MPa;R 為測(cè)點(diǎn)至爆心的距離，單位為m;Q 為裝藥量，單位為kg;ηy，σ為應(yīng)力等效當(dāng)量埋深系數(shù)。

由圖6 石灰?guī)r中爆炸地沖擊質(zhì)點(diǎn)加速度峰值衰減曲線可得出質(zhì)點(diǎn)加速度峰值衰減公式為

式中:a 為加速度，單位為m/s2;R 為測(cè)點(diǎn)至爆心的距離，單位為m;Q 為裝藥量，單位為kg;ηy，a為質(zhì)點(diǎn)加速度等效當(dāng)量埋深系數(shù)。

4 結(jié) 論

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)石灰?guī)r中常規(guī)裝藥不同埋深爆炸自由場(chǎng)直接地沖擊參數(shù)的傳播規(guī)律和預(yù)計(jì)方法進(jìn)行了研究，得到了如下結(jié)論:(1)當(dāng)常規(guī)裝藥埋深從地面開始向下增加時(shí)，其爆心正下方的直接地沖擊參數(shù)值將迅速增大，說明裝藥埋深越大，爆炸耦合入地的能量越多，地沖擊參數(shù)值越大;當(dāng)爆炸埋深再增加時(shí)，地沖擊參數(shù)隨爆炸深度而增加的速率逐漸減慢;當(dāng)爆炸比例深度達(dá)到臨界值0.8 m/kg1/3時(shí)，爆心正下方直接地沖擊參數(shù)便趨于某一個(gè)穩(wěn)定值。當(dāng)埋深超過臨界值后，等效當(dāng)量埋深系數(shù)數(shù)值便不再發(fā)生變化，這個(gè)臨界深度也被稱為臨界無影響深度。(2)得到了不同埋深爆炸下巖石中應(yīng)力等效當(dāng)量埋深系數(shù)和質(zhì)點(diǎn)加速度等效當(dāng)量埋深系數(shù)的計(jì)算公式。(3)通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得到了了石灰?guī)r中常規(guī)裝藥不同埋深爆炸自由場(chǎng)直接地沖擊參數(shù)隨比例距離的預(yù)計(jì)公式。

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