振 动 与 冲 击 第2 9卷第 5期 J U N LO IR TO N H C O R A FVB A INA DS O K V l 9N . 00 o 2 o521 .
球面波传播特性和围岩动态裂纹产生的数值试验研究
杨自友1,张 速1,顾金才2,杨本水1,李永池3
(. 1 安徽建筑工业学院 土木工程学院, 合肥 202 ; 302 2 总参工程兵科研三所, . 河南洛阳 412 ;. 7033 中国科学技术大学 近代力学系, 合肥 202 ) 306
摘 要:利用非线性动力有限元分析程序, 对于半无限岩土介质中的洞室, 研究了球面波在围岩中的传播特性和
动态裂纹的产生过程, 比较了球面波在毛洞和锚杆加固洞室围岩中的衰减规律和动态裂纹形态的差别.结果表明: 围岩 动态裂纹是自由面产生的反射拉伸波及其相互叠加以及加固区与未加固区相互错动剪切的综合作用造成的; 球面波强度 在毛洞围岩中的衰减速度比在加固洞室中的快; 锚杆加固洞室的破坏程度比毛洞轻一些; 将模拟所得加固洞室围岩破坏 形态与相应模型试验的结果进行了比较, 发现洞室破坏形态及规律较为一致, 说明了数值分析结果是可信的.研究结果 对球面波的认识和防护工程的加固设计具有较好的参考价值. 关键词:球面波; 传播特性; 动态裂纹; 抗爆性能; 数值试验 中图分类号:T 47 U 5 文献标识码:A
目前, 在军事上, 精确制导钻地武器能钻入地下数 十米深处进行爆炸, 对国防工程中的地 下 洞 室, 厂 如 房, 油库等的安全构成了严重的威胁.对半无限的岩 体来说, 钻地炸弹在其中的爆炸类似于工程中的集中 产生球面波并与围岩相互作用.国 装药点爆炸现象, 内外关于岩土类介质受动载作用的数值模拟研究的报 道较多
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1 数值试验过程
11 围岩本构及破坏准则 本文进行的数值模拟内容涉及爆炸力学及波动理 论, 爆炸产生的球面波与围岩的相互作用过程非常短 暂, 对周围岩体的瞬时冲量很大.因此, 采用考虑材料 应变率效应的本构模型, 该本构模型中, 岩体屈服应力 和应变率之间的关系如下:
n p Eε ) () 1 σ = 1+ ε ( 0 +β p ef σ y f C Cn 式中: , 为用户定义参数; 0为岩体初始屈服强度; σ β
, W. . h 如 C Z u等
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利用 R P F A软件开发的
数值模拟器, 研究了静载和动载条件下各向异性巴西 圆盘的变形和断裂过程, 发现岩体断裂机理与应力波 的传播机制有紧密联系.Z M. h [ ,]利用 A t . Z u等 78 u o dnD软件研究了圆柱形岩石在动载下断裂和破碎机 y2 理, 探讨了耦合介质, 约束, 边界条件等因素对岩石断 裂均有重要影响.指出在炮孔附近因剪应力而产生了 一个压碎区, 拉伸主应力引起了径向裂缝, 自由面产生 的反射波在其远处引起了环向裂缝.G W. a [ ]应 . M 等9 用 JhsnH lqi 材料模型数值模拟了岩石爆生裂 ono o u t m s 纹, 指出影响光面爆破的主要参数是加载速率, 与自由 面距离, 地应力和岩体里已有节理等, 结果显示加载速 率对断裂模式有重要影响. 综上可见, 有关球面波与洞室围岩相互作用的研 究文献相对较少, 本文应用非线性动力数值分析软件 L - Y A D程序, S DN3 在集中装药条件下, 模拟了由爆炸 产生的球面波与半无限岩土介质中的洞室围岩相互作 用过程, 数值模型来自于室内模型试验的一部分, 通过 分析球面波在围岩中的传播特性和动态裂纹生成的过 程, 阐明洞室对球面波的响应特征.
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为决定岩体材料为各向同性硬化和随动硬化的参数; 且 0 ≤1 E为塑性硬化模量: ≤β , p Et E E = () 2 p E-E t 式中: E为弹性模量; t E为切线模量. 有效塑性应变: εf = e f
p
∫ 2εεd 3 槡 t
0 p p i i j j
t
() 3
上式中塑性应变率 为 总 应 变 率 与 弹 性 应 变 率 之 差, 即: p e () 4 ε =ε -ε i j i j i j 对于岩土类介质来说, 其抗拉强度远小于抗压强 度, 当围岩所受拉应力超过其抗拉极限时, 岩体即产生 破坏.本文采用 V nM ss o i 破坏准则, e 当岩体单元所受 拉应力超过岩体抗拉强度时, 该单元自动从模型中删 去, 从而达到显示模拟破坏裂纹的效果. T T炸药采用 J N WL状态方程: E ω -1 -2 p=A 1- ω eR V +B 1- ω eR V + V RV RV 1 2 式中:, , pE V分 别 表 示 爆 轰 产 物 的 压 力, 能 和 比 容 内 ( 单位体积) A B R, 2, 为 J ,, , 1 R ω WL方程输入的常数.

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