錨固洞室拱部側(cè)爆模型試驗(yàn)

張獻(xiàn)文 ,沈 俊 ,陳安敏 ,張 偉 ,楊為民

(1.河南科技大學(xué)建筑工程學(xué)院,河南洛陽 471003;2.總參工程兵科研三所,河南洛陽 471023)

0 前言

隨著深侵徹、高精度、大威力鉆地武器的發(fā)展,地下防護(hù)工程受到嚴(yán)重威脅,提高地下防護(hù)工程抗爆能力研究成為一個事關(guān)地下防護(hù)工程能否生存的重大課題。按爆炸位置不同,鉆地武器爆炸可分為頂爆、拱部側(cè)爆和邊墻側(cè)爆。爆炸位置不同,洞室受力和破壞特點(diǎn)就不相同。已有的文獻(xiàn)資料多是關(guān)于頂爆、邊墻側(cè)爆和錨桿方面的研究[1-12],尚未見到關(guān)于拱部側(cè)爆方面研究的文獻(xiàn)資料,而拱部側(cè)爆是一種比頂爆更普遍的情況。本文通過室內(nèi)模型試驗(yàn),對地下直墻拱頂型錨固洞室在集中裝藥拱部側(cè)爆條件下的破壞情況和受力變形特點(diǎn)進(jìn)行了研究。

1 模型設(shè)計(jì)

圖1 爆心位置及測點(diǎn)布置圖

本試驗(yàn)原型洞室圍巖按Ⅲ類巖體性質(zhì)考慮,模擬巖體材料為低強(qiáng)度水泥砂漿,錨桿采用鋁絲。根據(jù)Froude比例法,確定密度、應(yīng)力和長度等相似比尺,模型尺寸為2 400 mm×1 500 mm×2 300mm(長×寬 ×高)。試驗(yàn)裝置為總參工程兵科研三所研制的巖土工程抗爆結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)爆心位置及各種測點(diǎn)布置見圖1。圖中P1P7為徑向壓應(yīng)力測點(diǎn);ε1ε11為洞壁應(yīng)變測點(diǎn);U1U3為位移測點(diǎn);a1,a2為加速度測點(diǎn)。試驗(yàn)共放炮 5次,相應(yīng)的裝藥量分別為 40、80、120、160和 160 g。為敘述方便,分別稱為第 15炮。前 4炮爆心位置不變,只改變藥量,第5炮藥量同第 4炮,爆心距由前 4炮的 500 mm變?yōu)榈?5炮的400mm。模型中錨桿長度為180 mm,間距為 40mm,直徑為 1.84 mm。試驗(yàn)錨固參數(shù),包括錨桿間距、長度、分布形式等是通過多組對比試驗(yàn)后,按頂爆情況下優(yōu)化參數(shù)選取[3]。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次試驗(yàn)從洞室破壞形態(tài)、破壞過程、圍巖徑向應(yīng)力、洞壁應(yīng)變、拱頂和邊墻位移、拱頂和底板加速度 6個方面進(jìn)行研究。

2.1 洞室破壞形態(tài)

圖2 洞室破壞形態(tài)

第 5炮后,將模型沿橫向從中部剖開,剖面如圖2所示。由圖2可以看出,洞室破壞形態(tài)是在迎爆側(cè)拱腳出現(xiàn)了豎向裂縫,在迎爆側(cè)半拱中部出現(xiàn)了環(huán)向和水平裂縫,在拱頂和迎爆側(cè)拱腳發(fā)生掉塊現(xiàn)象。拱腳豎向裂縫出現(xiàn)原因是由于在爆炸應(yīng)力波作用下,拱腳右側(cè)下部為邊墻,對拱腳具有較強(qiáng)的支撐作用,向下位移較小,而拱腳左側(cè)下部為臨空面,向下位移較大,導(dǎo)致拱腳部位巖體變形不協(xié)調(diào),發(fā)生剪切破壞。出現(xiàn)水平和環(huán)向裂縫原因是由于爆炸應(yīng)力波在迎爆側(cè)半拱圍巖表面發(fā)生反射,使圍巖受拉伸而產(chǎn)生裂縫。拱腳和拱頂處的掉塊現(xiàn)象是因?yàn)檫@兩個部位分別是剪切變形和拉伸變形的薄弱位置,當(dāng)兩種變形足夠大時在薄弱位置發(fā)生局部破壞。迎爆側(cè)拱部盡管出現(xiàn)了較寬且貫通的裂縫,但未出現(xiàn)大塊巖體脫落現(xiàn)象體現(xiàn)出錨桿的抗剪和抗拉作用,它也是錨固洞室抗爆能力高于毛洞的主要原因。總之,洞室破壞主要發(fā)生在迎爆側(cè)半拱,其他位置無明顯破壞現(xiàn)象,這與第 5炮后洞室內(nèi)觀察到的宏觀破壞情況一致。

由洞室破壞形態(tài)可以看出,拱部側(cè)爆情況下,洞室破壞主要發(fā)生在迎爆側(cè)半拱,因而,該部位應(yīng)是重點(diǎn)防護(hù)部位。根據(jù)上述洞室破壞,為提高洞室的抗爆能力,可采用加密的高抗拉、高抗剪錨桿和表層噴網(wǎng)相結(jié)合方法對洞室進(jìn)行加固。

2.2 洞室破壞過程

圖3 洞室破壞過程

從洞室內(nèi)觀察,洞室宏觀破壞過程如圖3所示。由圖3可以看出,在第 3炮前,洞室未發(fā)生破壞。第 3炮后,洞室在迎爆側(cè)半拱中部出現(xiàn)掉塊和不連續(xù)的橫向裂縫。第 4炮后,迎爆側(cè)半拱中部的裂縫貫通并向拱腳部位延長,拱頂出現(xiàn)表層局部脫落。第 5炮后,迎爆側(cè)半拱中部的裂縫向拱頂延長,拱頂表層局部脫落現(xiàn)象沿洞室軸向加劇。同時,洞室在迎爆側(cè)拱腳出現(xiàn)沿洞室軸向表層局部脫落現(xiàn)象?？梢?洞室破壞過程是首先在迎爆側(cè)半拱中部出現(xiàn)橫向拉伸裂縫,其次在拱頂出現(xiàn)表層局部脫落現(xiàn)象,最后在迎爆側(cè)拱腳沿軸向出現(xiàn)表層局部脫落現(xiàn)象。洞室背爆側(cè)、邊墻和底板未出現(xiàn)明顯破壞現(xiàn)象。洞室的橫向裂縫是由于該部位受壓應(yīng)力過大,出現(xiàn)反彎所致。

因此,若將迎爆側(cè)錨桿沿洞室軸向用鋼板帶連接,提高洞壁的抗拉強(qiáng)度,限制裂縫發(fā)生或減小裂縫寬度,可能有利于提高洞室的承載能力。

2.3 洞室圍巖內(nèi)應(yīng)力分析

圖4為第 2炮時洞室圍巖徑向壓應(yīng)力第一峰值分布圖,其余各炮次在分布形態(tài)上與第 2炮相似,限于文章篇幅,不再一一給出。

(1)拱部側(cè)爆情況下,洞室圍巖徑向壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在迎爆側(cè)半拱中部(對應(yīng)測點(diǎn)為 P3)?？梢?迎爆側(cè)半拱中部為受力最不利位置;(2)拱部側(cè)爆時,圍巖徑向壓應(yīng)力分布具有非對稱性,這一點(diǎn)與頂爆不同。洞室圍巖壓應(yīng)力主要集中在迎爆側(cè)半拱,而洞室破壞也主要發(fā)生在迎爆側(cè)半拱,由此看來,洞室徑向壓應(yīng)力是洞室破壞主要控制因素;(3)圖5給出了第 2炮時迎爆側(cè)半拱中部和拱腳的應(yīng)力時程曲線。由圖可知:迎爆側(cè)半拱首先受較大壓力然后發(fā)生反彈或再反彈,相應(yīng)地應(yīng)力時程曲線表現(xiàn)出雙峰或三峰特點(diǎn)。這種應(yīng)力反彈現(xiàn)象是由于反射拉伸波所致,并與巖體材料彈性恢復(fù)力有關(guān)。

2.4 洞壁四周應(yīng)變分析

圖6是將第 2炮各應(yīng)變測點(diǎn)的應(yīng)變第一峰值用折線連接,正號表示拉應(yīng)變,負(fù)號表示壓應(yīng)變。

圖6 第 2炮各測點(diǎn)應(yīng)變第一峰值分布圖

(1)由圖6可以看出,壓應(yīng)變最大值出現(xiàn)在迎爆側(cè)拱腳,其他值相對較小。拉應(yīng)變最大值在迎爆側(cè)半拱中部。除迎爆側(cè)半拱中部和背爆側(cè)邊墻下部出現(xiàn)拉應(yīng)變外,洞壁其它各測點(diǎn)均為壓應(yīng)變。

(2)迎爆側(cè)半拱中部(對應(yīng)于測點(diǎn)ε2)反向受拉說明這里受到了相當(dāng)大的壓力。盡管該部位拉應(yīng)變最大值較小,但因模擬材料為低標(biāo)號水泥砂漿,其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度,洞室首先在該部位出現(xiàn)受拉破壞。

(3)應(yīng)變測試數(shù)據(jù)說明,拱部側(cè)爆情況下,迎爆側(cè)拱腳和半拱中部為受力不利位置。

2.5 位移分析

表1 測點(diǎn)峰值位移表

各炮次測點(diǎn)位移最大值見表1。圖7是根據(jù)測點(diǎn)位移、測點(diǎn)應(yīng)變并結(jié)合數(shù)值模擬做出的t=3.2 ms時的洞室變形圖,圖7中實(shí)線表示原洞室輪廓線,虛線表示變形后洞室輪廓線,它們之間的斜線方向表示對應(yīng)測點(diǎn)的位移方向,長度表示合成位移大小。

(1)由表1可以看出,拱頂(對應(yīng)測點(diǎn) U1)、迎爆側(cè)邊墻(對應(yīng)測點(diǎn)U3)和背爆側(cè)邊墻(對應(yīng)測點(diǎn) U2)的最大位移均隨著藥量的增加而增大。它們的最大位移由大到小順序是拱頂、迎爆側(cè)邊墻、背爆側(cè)邊墻。前 3炮各測點(diǎn)位移最大值隨藥量呈線性增加,其原因是由于相應(yīng)部位未破壞。拱頂在第 4炮后,由于破壞而不再呈線性。由此可知:在實(shí)際工程或試驗(yàn)中,可將位移是否為線性作為洞室是否破壞一個必要條件。

(2)圖7中,洞室變形具有代表性,洞室各點(diǎn)變形大小關(guān)系與方向在爆炸荷載作用大部分時間內(nèi)基本與此相同。由圖7中可以看出,洞室變形最大位置是迎爆側(cè)半拱中部。洞室變形主要表現(xiàn)為拱部和迎爆側(cè)邊墻先向洞內(nèi)位移,之后反彈,再向洞內(nèi)位移再反彈,如此反復(fù)振蕩。但洞室反彈位移始終小于第一次峰值位移。

圖7 洞室在t=3.2m s變形圖

2.6 洞室拱頂及底板加速度分析

各炮次拱頂及底板加速度最大值見表2,由于放第 1炮時加速度測點(diǎn)出現(xiàn)問題未測出數(shù)據(jù),因而在表中未列出第一炮峰值。

表2 拱頂和底板加速度最大值 10m/s2

(1)第 2炮時洞室拱頂中部加速度最大值遠(yuǎn)大于底板中部,二者加速度比值為 17.5,說明拱頂受力遠(yuǎn)大于底板。因此,拱頂較底板更容易發(fā)生破壞。(2)對第2炮時拱頂加速度時程曲線二次積分,可以得出拱頂?shù)淖畲笾滴灰茷?0.51 mm。由上述方法求得的拱頂位移最大值與表1中第 2炮實(shí)測的位移最大值較接近,說明通過加速度二次積分求位移法,可以校核檢驗(yàn)位移和加速度測試系統(tǒng)的正確與否。(3)從表2可以看出,第2炮時,底板加速度遠(yuǎn)大于人體立姿、坐姿無約束時的容許值(小于 10m/s2)[12]。由于各種設(shè)備容許值大都在(25)×10 m/s2左右,故底板速度也遠(yuǎn)大于各種設(shè)備振動容許值。因此,該類洞室設(shè)計(jì)時必需采取減震措施。

3 結(jié)論

通過上述分析,可得出直墻拱頂型錨固洞室在集中裝藥拱部側(cè)爆情況下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)洞室最薄弱區(qū)域?yàn)橛瑐?cè)半拱,洞室破壞主要發(fā)生在該區(qū)域。洞室底板、邊墻和背爆側(cè)拱部未出現(xiàn)明顯的破壞現(xiàn)象。洞室破壞類型為在迎爆側(cè)半拱拱腳發(fā)生剪切破壞,半拱中部發(fā)生拉伸破壞。(2)洞室圍巖徑向壓應(yīng)力是洞室破壞主要控制因素,其分布具有非對稱性,最大值出現(xiàn)在迎爆側(cè)半拱中部。(3)洞室拱部和迎爆側(cè)邊墻先由于受壓而向洞內(nèi)位移,之后回彈振蕩。在各測點(diǎn)位移中,拱頂?shù)南蛳挛灰七h(yuǎn)大于兩邊墻位移,說明拱頂較邊墻更容易發(fā)生破壞。拱頂?shù)募铀俣茸畲笾颠h(yuǎn)大于底板加速度最大值,說明洞室拱頂受力遠(yuǎn)大于底板受力,更容易發(fā)生破壞。洞室底板加速度值在較小的爆炸荷載下就遠(yuǎn)大于人體和設(shè)備振動容許值,故該類洞室設(shè)計(jì)時必需采取減震措施。

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