不同爆炸力作用下端部消波和加密錨桿支護(hù)洞室動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究

王光勇， 陳安敏， 徐景茂

(1. 河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2. 總參工程兵科研三所，河南 洛陽 471023)

由于地下爆炸對(duì)地下堅(jiān)固工程的沖擊破壞比相同當(dāng)量觸地爆炸要大幾倍至幾十倍，因此各國都在致力于常規(guī)的鉆地武器發(fā)展，為了增大對(duì)地下工事的打擊力度，常規(guī)鉆地武器的精度越來越高，鉆地越來越深，因此防護(hù)工程將面臨著嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。從近年來的幾次局部戰(zhàn)爭看，盡管常規(guī)鉆地武器對(duì)防護(hù)工程構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，但深埋于地下的堅(jiān)固工事和具有足夠防護(hù)層厚度的坑道工程仍然是抵抗精確制導(dǎo)武器打擊的最有力手段。目前提高防護(hù)工程防護(hù)能力的技術(shù)措施有多種，其中最重要的措施之一就是采用各種加固措施大力提高坑道圍巖的抗力。在眾多的加固措施當(dāng)中，錨桿支護(hù)是應(yīng)用最廣泛的一種加固措施，由于防護(hù)工程所受打擊的常規(guī)鉆地武器的炸藥當(dāng)量和鉆地深度會(huì)有所不同，從而導(dǎo)致防護(hù)工程受的爆炸力不同，因此研究不同爆炸力作用下新型錨桿支護(hù)洞室的動(dòng)態(tài)響應(yīng)是非常有意義的。

關(guān)于錨固洞室在動(dòng)載作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究已經(jīng)進(jìn)行了許多的研究，并取得了豐富的成果。國內(nèi)外學(xué)者們[1-17]從錨固洞室的位移、速度、加速度、破壞形式、錨桿軸力、振動(dòng)頻率、錨桿的支護(hù)形式等方面進(jìn)行研究，并且研究了錨固洞室支護(hù)參數(shù)和洞室自由面數(shù)對(duì)地下洞室動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，以上的成果主要是研究在某一確定爆力作用下錨固洞室的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，然而實(shí)際錨固洞室所受到的動(dòng)載是不一樣的。本文主要通過調(diào)整比例距離來確定不同的爆炸力，研究不同爆炸力作用下端部消波和加密錨桿支護(hù)洞室的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從而為動(dòng)載下端部消波和加密錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽y點(diǎn)位置

試驗(yàn)裝置是采用總參工程兵科研三所巖土與結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自行研制的抗爆模型試驗(yàn)裝置，該模型試驗(yàn)裝置的尺寸為長×寬×高=2.4 m×1.5 m×2.3 m，每個(gè)試驗(yàn)段總長800 mm。沿洞室軸線劃分成3個(gè)試驗(yàn)段，如圖1所示，每個(gè)試驗(yàn)段800 mm，左邊、中間和右邊分別是端部加密錨桿支護(hù)洞室、普通長密錨桿支護(hù)洞室、端部消波錨桿支護(hù)洞室，分別簡稱為M4，M3和M5，3個(gè)洞室加固長度均為400 mm，為了減小加固段邊界的影響，便于加固效果的比較，在每個(gè)試驗(yàn)段兩邊分別留長200mm的毛洞。洞室M3，M4和M5的跨度都為60 cm，用直徑Φ1.84 mm的鋁棒模擬加固圍巖的錨桿，其中長錨桿、短錨桿長度分別為18 cm，6 cm，長短錨桿間、排距均為4 cm。M5中錨桿內(nèi)端部空孔長度為6 cm，間距為4 cm。整個(gè)模型共布置了9個(gè)壓力傳感器，6個(gè)加速度傳感器，3個(gè)位移傳感器，15個(gè)洞壁應(yīng)變測點(diǎn)，具體的符號(hào)及位置見圖1。

(a)(b)(c)(d)

圖1 模型測點(diǎn)布置圖(單位：mm)

Fig.1 Arrangement of measuring points in the models(unit：mm)

1.2 相似要求

試驗(yàn)中的相似條件主要是考慮了應(yīng)力相似條件、幾何相似條件和爆炸力相似條件，相應(yīng)比例系數(shù)的選取是按弗魯?shù)?Froude)比尺和藥量的立方根比尺進(jìn)行綜合考慮確定的。本次模型試驗(yàn)主要是考慮Ⅲ類圍巖，具體Ⅲ類圍巖參數(shù)及模型材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1。由表1可以大致得到密度比例系數(shù)Kρ、應(yīng)力比例系數(shù)Kσ和幾何比例系數(shù)KL。具體3個(gè)相似比例系數(shù)確定如下：首先根據(jù)表1中模型試驗(yàn)材料最大密度和原型最大密度比例得到密度比例系數(shù)為0.67，其次通過材料試驗(yàn)，確定應(yīng)力比例系數(shù)為0.06，最后由Froude比例法知幾何比例系數(shù)等于應(yīng)力比例系數(shù)除以密度比例系數(shù)，即可確定為0.09。由上述密度、應(yīng)力和幾何比例系數(shù)可得模型試驗(yàn)各重要變量比例系數(shù)，如表2所示。

表1 III類圍巖和模型材料物理力學(xué)參數(shù)

表2 模型試驗(yàn)主要變量及其數(shù)值

本試驗(yàn)參考Ⅲ、Ⅳ類圍巖錨桿參數(shù)，根據(jù)相似比尺來確定模型上錨桿長度和間距；試驗(yàn)中的錨桿是考慮與實(shí)際工程上使用的Φ18螺紋鋼筋相似，從幾何比尺、應(yīng)力比尺及操作方便考慮，最終確定用Φ1.84 mm的鋁棒來模擬Φ18的螺紋鋼筋。

1.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)準(zhǔn)備分五級(jí)爆炸荷載進(jìn)行，最后進(jìn)行了四級(jí)。第 1 次爆炸為正常試驗(yàn)，后 3 次爆炸為超載試驗(yàn)，挖除模型內(nèi)破壞材料，回填相同材料待凝結(jié)硬化后再重新爆炸。由于裝藥的比例埋深不同會(huì)導(dǎo)致炸藥傳遞給地下能量不同，為了確保每次爆炸條件對(duì)巖體的影響可以忽略[18-19]，所以保證每次比例埋深(h/W1/3)都為17.1 cm/g1/3，具體每次裝藥量分別如表3所示，試驗(yàn)藥量由低向高依次進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 拱頂垂直壓力峰值衰減規(guī)律

為了確保工程結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性，在研究爆炸荷載對(duì)地下工程的影響時(shí)，大家最關(guān)心是離地下結(jié)構(gòu)最近點(diǎn)的動(dòng)載強(qiáng)度，它的大小直接影響到地下工程穩(wěn)定性和安全。離3個(gè)錨固洞室最近測點(diǎn)P3，P6 和P9的垂直壓應(yīng)力峰值與比例距離的關(guān)系曲線見圖2，從圖中擬合曲線中分析得出：在相同爆炸條件作用下，離加固范圍最近的點(diǎn)所得垂直壓應(yīng)力峰值衰減規(guī)律比較相似，隨著比例距離的增大，符合冪函數(shù)衰減規(guī)律。通過擬合可以得到P3，P6和P9衰減指數(shù)分別為1.462，1.483和0.657，M3和M4衰減指數(shù)相差比較小，僅1.4%，并且相同比例距離的垂直壓應(yīng)力峰值也比較相近。隨著比例距離的減小，M5的垂直壓應(yīng)力峰值從比M3和M4大向比M3和M4小轉(zhuǎn)變，大約在比例距離0.6 m·kg-1/3處，3個(gè)洞室的垂直壓應(yīng)力峰值相等。

表3 模型試驗(yàn)藥量及埋深

圖2 P3，P6，P9拱頂垂直壓應(yīng)力峰值與比例距離關(guān)系曲線

Fig.2 Relation curves between the peak vertical compression stresses on vault ofP3,P6 andP9 and scaled stance

2.2 洞室頂?shù)装逑鄬?duì)位移峰值衰減規(guī)律

洞室頂?shù)装逑鄬?duì)位移是衡量洞室穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)，表4是四炮的洞室頂?shù)装逑鄬?duì)位移峰值，根據(jù)表4的數(shù)據(jù)得到洞室頂?shù)装逑鄬?duì)位移峰值與比例距離關(guān)系曲線，如圖3所示(圖中D是洞室的跨度)。由于第一炮的藥量較小，洞室頂?shù)装逑鄬?duì)位移受到其它波的干擾較大，另外第一炮有密實(shí)作用，所以取后三炮的數(shù)據(jù)擬合出比例距離與頂?shù)装逑鄬?duì)位移峰值關(guān)系曲線和公式。從圖3中分析可以知道：隨著比例距離的增大，3個(gè)洞室頂?shù)装逑鄬?duì)位移峰值以冪函數(shù)規(guī)律進(jìn)行衰減；在相同的比例距離時(shí)，M3的位移峰值最大，M4的位移峰值最小，并且隨著比例距離逐漸減小，位移峰值增大的速度越來越大，3個(gè)洞室的位移峰值差值從小變大再變小，在比例距離為1.4 m·kg-1/3附近位移峰值差值最大。從擬合曲線公式可以得到M3，M4，M5的衰減指數(shù)分別為2.921，5.043，3.791，M4和M5的衰減指數(shù)比M3要大，所以隨著比例距離的減小，M4，M5的頂?shù)装逑鄬?duì)位移峰值逐漸向M3靠近，甚至可能超過M3。當(dāng)比例距離小于0.8 m·kg-1/3，M4和M5的頂?shù)装逑鄬?duì)位移峰值就開始超過M3。這說明雖然端部加密錨桿加固圍巖的強(qiáng)度比普通長密錨桿加固圍巖的強(qiáng)度有所提高，但其作用在加固區(qū)的動(dòng)載強(qiáng)度也因波阻抗增加而提高，當(dāng)比例距離比較大時(shí)，提高的動(dòng)載強(qiáng)度對(duì)洞室穩(wěn)定性的影響效果可能比提高圍巖強(qiáng)度的效果要小，此時(shí)M4的頂?shù)装逑鄬?duì)位移峰值比M3小；當(dāng)比例距離比足夠小時(shí)，提高的動(dòng)載強(qiáng)度對(duì)洞室穩(wěn)定性的影響效果可能比提高圍巖強(qiáng)度的效果要大，此時(shí)M4的頂?shù)装逑鄬?duì)位移峰值比M3大。端部消波錨桿支護(hù)洞室雖然消波孔能吸收一定的能量，但其也使錨區(qū)附近圍巖強(qiáng)度有所降低，當(dāng)比例距離比較大時(shí)，消波孔能吸收的能量對(duì)洞室穩(wěn)定性的影響效果比錨區(qū)附近圍巖強(qiáng)度降低的效果大，此時(shí)M5的頂?shù)装逑鄬?duì)位移峰值比M3小；當(dāng)比例距離比較小時(shí)，消波孔能吸收的能量對(duì)洞室穩(wěn)定性的影響效果可能比錨區(qū)附近圍巖強(qiáng)度降低的效果小，此時(shí)M5的頂?shù)装逑鄬?duì)位移峰值比M3大。

表4 洞室拱頂?shù)装逑鄬?duì)位移峰值

圖3 洞室頂?shù)装逑鄬?duì)位移峰值與比例距離關(guān)系曲線

2.3 洞壁最大壓應(yīng)變峰值衰減規(guī)律

洞壁應(yīng)變是考慮洞室環(huán)向受力情況，從試驗(yàn)的結(jié)果可以知道，洞壁環(huán)向受力較嚴(yán)重主要在拱頂和拱腳，前者是受拉，后者是受壓。由于M3拱頂洞壁應(yīng)變大部分?jǐn)?shù)據(jù)沒有測到，所以主要分析拱腳受壓洞壁應(yīng)變峰值與比例距離關(guān)系，另外第一炮有密實(shí)的作用，與實(shí)際不太相符，故根據(jù)后三炮的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其相關(guān)的數(shù)據(jù)和擬合曲線及公式見表5和圖4。從圖中分析可以得到：隨著比例距離的增大，最大洞壁應(yīng)變峰值呈一定規(guī)律性的衰減，利用冪函數(shù)進(jìn)行擬合，得到M3，M4，M5的衰減指數(shù)分別為1.839，1.926，2.965；M3和M4的衰減指數(shù)和公式系數(shù)都比較相近，因此，兩個(gè)洞室的曲線比較靠近，隨著比例距離的減小它們最大壓應(yīng)變峰值相差越小，當(dāng)比例距離為1.0 m·kg-1/3時(shí)，M4小于M3不到1%；隨著比例距離減小，M5的最大壓應(yīng)變峰值從比M3和M4小逐漸向比M3和M4大轉(zhuǎn)變，當(dāng)比例距離為1.0 m·kg-1/3時(shí)，M5的最大壓應(yīng)變峰值比M3和M4大60%左右，由于M5的衰減指數(shù)明顯比其它兩個(gè)洞室大，所以隨著比例距離減小，這種差距會(huì)越來越大。

圖4 洞室最大應(yīng)變峰值與比例距離關(guān)系曲線

洞室第一炮第二炮第三炮第四炮最大壓應(yīng)變峰值/με比例距離(R/W1/3)/(m·kg-1/3)最大壓應(yīng)變峰值/με比例距離(R/W1/3)/(m·kg-1/3)最大壓應(yīng)變峰值/με比例距離(R/W1/3)/(m·kg-1/3)最大壓應(yīng)變峰值/με比例距離(R/W1/3)/(m·kg-1/3)M3276.4632.84357.0612.2624.2851.61 495.541.0M4375.4022.84298.6702.2625.3911.61 481.801.0M5402.7162.84232.2732.2596.0941.62 402.081.0

2.4 拱頂加速度峰值衰減規(guī)律

由于拱頂是直接受到爆炸荷載的作用，而底板受到的爆炸荷載已經(jīng)經(jīng)歷了洞室的繞射和反射作用，所以拱頂?shù)恼駝?dòng)加速度明顯大于底板的振動(dòng)加速度，另外由于M3的底板加速度沒有測到，所以下面主要分析3個(gè)洞室的拱頂加速度峰值規(guī)律。表6是3個(gè)洞室的四炮拱頂加速度數(shù)據(jù)，通過拱加速度峰值與比例距離的關(guān)系可得到擬合曲線和公式，如圖5所示。隨著比例距離的減小，3個(gè)洞室的拱頂加速度峰值呈一定的規(guī)律減小，利用冪函數(shù)進(jìn)行擬合，得到相應(yīng)的擬合公式。從擬合曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)比例距離小于1.55 m·kg-1/3時(shí)，M4的拱頂加速度峰值比M3大，并且隨著比例距離的增大，兩者的差距逐漸減小；當(dāng)比例距離大于1.55 m·kg-1/3時(shí)，M4的拱頂加速度峰值比M3小，并且隨著比例距離的增大，兩者的差距越來越大，當(dāng)比例距離為1.0 m·kg-1/3時(shí)，M4的拱頂加速度峰值是M3的1.21倍；M5的拱頂加速度峰值在所進(jìn)行的四炮中普遍比M3小，當(dāng)比例距離為1.0 m·kg-1/3時(shí)，M5的拱頂加速度比M3的小14.6%，由于M5的衰減指數(shù)比M3大，所以隨著比例距離的減小，M5的拱頂加速度逐漸向M3接近，并且有可能超過M3。

表6 洞室拱頂加速度峰值

圖5 洞室拱頂加速度峰值與比例距離關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

通過對(duì)普通長密錨桿支護(hù)洞室、端部加密錨桿支護(hù)洞室、端部消波錨桿支護(hù)洞室在不同的爆炸力作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1) 離3個(gè)錨固洞室最近測點(diǎn)P3，P6和P9的垂直壓應(yīng)力峰值與比例距離的關(guān)系曲線符合冪函數(shù)衰減規(guī)律；M3和M4衰減指數(shù)相差比較小，并且相同比例距離的垂直壓應(yīng)力峰值也比較相近。隨著比例距離的減小，M5的垂直壓應(yīng)力峰值從先比M3和M4大，然后逐漸向它們靠近，最后比M3和M4小，大約在比例距離0.6 m·kg-1/3處，3個(gè)洞室的垂直壓應(yīng)力峰值相等。

(2) 隨著比例距離的減小，M4，M5的頂?shù)装逑鄬?duì)位移峰值逐漸向M3靠近，當(dāng)比例距離小于0.8 m·kg-1/3，M4和M5的頂?shù)装逑鄬?duì)位移峰值就開始超過M3。

(3)M3和M4最大洞壁應(yīng)變峰值的衰減指數(shù)和公式系數(shù)都比較相近，因此，兩個(gè)洞室的曲線比較靠近，隨著比例距離減小，M5的最大壓應(yīng)變峰值從比M3和M4小逐漸向比M3和M4大轉(zhuǎn)變，由于M5的衰減指數(shù)明顯比其它兩個(gè)洞室大，所以隨著比例距離減小，這種差距會(huì)越來越大。

(4) 隨著比例距離的減小，M4的拱頂加速度峰值從比M3小到比M3大，比例距離為1.55 m·kg-1/3是兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。M5的拱頂加速度峰值在所進(jìn)行的四炮中普遍比M3小，由于M5的衰減指數(shù)比M3大，所以隨著比例距離的減小，M5的拱頂加速度逐漸向M3接近，并且有可能超過M3。