空腔解耦条件下岩土体动力响应研究

论文摘要

空腔解耦爆炸研究的目的是利用不同形状和尺度的空腔使爆炸耦合到周围介质的能量减少,达到降低近区运动参数值和远区地震信号幅值,以保护工程结构并使爆炸不被他人探测到。本文基于弹性力学、塑性力学、爆炸力学等多学科的理论和方法,运用冲击波动学理论,探索空腔解耦的理论和方法,分析不同介质条件下的解耦特征,爆炸对岩土体的影响,岩土体对爆炸的影响以及它们之间耦合关系,为试验的选址、建造提供一定的技术、方法和参数。从空腔解耦的角度看,大空腔要比小空腔解耦效果好,硬岩比软岩解耦效果好,但从地质解耦的情况看软岩的解耦效果要比硬岩好,盐岩介质体现了超弹性材料的特性。冲击波在黄土中衰减最快,传播范围小,远区很快衰减为地震波;冲积土、盐岩和花岗岩表现明显的弹性应力波传播特征。材料本构性质在近区由于介质和冲击波的耦合作用,发生变化,呈现出塑性、弹塑性、粘弹性特征;研究表明冲击波速度小于应力波速度,应力波速度小于地震波速度。爆炸对岩土体的不同加载特性,反映出岩土体对爆炸的动力响应的敏感性。频率对作用力的贡献由黄土、冲积土、盐岩和花岗岩的顺序由小变大,主要集中在低频信号区,黄土和花岗岩的频率范围较大,其中花岗岩最大,冲积土和盐岩频率范围较窄,黄土、冲积土和盐岩中的应力波高频成分被较快地过滤掉。花岗岩塑性破坏的范围要比黄土和冲积土中小,塑性区的形状不规则,岩体产生大量裂隙,同时破坏程度要小,其等效应力的值要比黄土和冲积土中小一个量级。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图表索引
• 1 前言
• 1.1 选题依据和研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 爆炸力学的研究现状
• 1.2.2 空腔解耦技术研究现状
• 1.2.3 岩土体的动力响应研究现状
• 1.3 研究内容
• 1.4 研究思路与技术路线
• 1.6 主要研究成果
• 2 岩土中爆炸应力波及其研究方法
• 2.1 爆炸应力波特征
• 2.1.1 应力波的特征
• 2.1.2 应力波波速
• 2.1.3 应力波研究方法
• 2.2 岩土中爆炸冲击波
• 2.2.1 岩土中冲击波的形成
• 2.2.2 爆炸冲击波基本方程
• 2.2.3 岩土中冲击波关系式
• 2.3 冲击载荷下固体性质
• 2.3.1 Hugoniot曲线
• 2.3.2 流体—弹塑性体
• 2.4 岩土体中爆炸应力波的研究方法
• 2.4.1 方法与技术
• 2.4.2 爆炸模拟的计算方法
• 2.5 量纲分析和爆炸相似律
• 2.5.1 量纲分析
• 2.5.2 爆炸相似律
• 3 空腔解耦的理论和技术
• 3.1 地下爆炸过程
• 3.1.1 爆炸过程
• 3.1.2 爆炸效应
• 3.1.3 解耦效果
• 3.2 空腔解耦的概念
• 3.3 一维球对称弹性波动方程
• 3.4 折合位移势和折合速度势
• 3.5 空腔解耦的物理机制
• 4 分析与ANSYS建模
• 4.1 计算方法
• 4.2 物理模型
• 4.3 几何模型
• 4.4 控制方程
• 4.5 本构模型
• 4.5.1 炸药状态方程
• 4.5.2 流体区的Gruneisen状态方程
• 4.5.3 介质本构方程
• 4.5.4 空气的数值模拟
• 4.6 材料参数
• 4.6.1 炸药状态方程JWL的参数
• 4.6.2 岩土体的材料参数
• 4.6.3 空气状态参数
• 5 不同介质条件下的解耦特征
• 5.1 黄土中爆炸的解耦效果
• 5.2 冲积土中爆炸的解耦效果
• 5.3 盐岩中爆炸的解耦效果
• 5.4 花岗岩中爆炸的解耦效果
• 5.5 分析
• 6 爆炸应力波传播规律研究
• 6.1 应力波的传播过程
• 6.1.1 冲击波和应力波传播过程
• 6.1.2 分析
• 6.2 解耦条件下不同介质的冲击波特征
• 6.2.1 空腔半径50m的log冲击谱特征
• 6.2.2 分析
• 6.3 应力加载率特征
• 6.3.1 黄土应力加载率
• 6.3.2 冲积土应力加载率
• 6.3.3 盐岩应力加载率
• 6.3.4 花岗岩应力加载率
• 6.4 应变加载率特征
• 6.5 应力频率密度谱特征
• 7 速度谱衰减规律研究
• 7.1 加速度谱特征
• 7.1.1 黄土加速度谱特征
• 7.1.2 冲积土加速度谱特征
• 7.1.3 盐岩加速度谱特征
• 7.1.4 花岗岩加速度谱特征
• 7.2 速度谱特征
• 7.2.1 黄土中爆炸速度谱特征
• 7.2.2 冲积土中爆炸速度谱特征
• 7.2.3 盐岩中爆炸速度谱特征
• 7.2.4 花岗岩中爆炸速度谱特征
• 7.3 分析
• 8 介质应力特征分析
• 8.1 爆炸空腔扩展情况
• 8.1.1 黄土中爆炸的空腔扩展
• 8.1.2 冲积土中爆炸的空腔扩展
• 8.1.3 盐岩中爆炸的空腔扩展
• 8.1.4 花岗岩中爆炸的空腔扩展
• 8.2 破坏特性
• 8.2.1 黄土中爆炸塑性破坏应力特征
• 8.2.2 冲积土中爆炸塑性破坏应力特征
• 8.2.3 盐岩中爆炸塑性破坏应力特征
• 8.2.4 花岗岩中爆炸塑性破坏应力特征
• 8.2.5 分析
• 8.3 冲击荷载下的应力—应变特征
• 8.3.1 黄土应力—应变特征
• 8.3.2 冲积土应力—应变特征
• 8.3.3 盐岩应力—应变特征
• 8.3.4 花岗岩应力—应变特征
• 8.3.5 分析
• 9 结束语
• 9.1 主要结论
• 9.2 进一步研究方向
• 参考文献
• 参加科研实践及成果
• 致谢