坑道模型抗沖擊試驗邊界效應(yīng)改善

楊 耀 然

(解放軍理工大學國防工程學院爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點實驗室,江蘇 南京 210007)

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·建筑材料及應(yīng)用·

坑道模型抗沖擊試驗邊界效應(yīng)改善

楊 耀 然

(解放軍理工大學國防工程學院爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點實驗室,江蘇 南京 210007)

通過坑道模型抗沖擊試驗，分析了填充石英砂與相似材料砂的邊界效應(yīng)，指出石英砂具有較好的吸收波作用，能很好地消散達到自由面的沖擊波，相似材料砂則可以有效改善邊界效應(yīng)。

石英砂，吸能材料，邊界效應(yīng)，拉伸波

0 引言

對沖擊作用下坑道口部破壞特征的研究[1-3]一直是防護工程領(lǐng)域的重點。近幾年來，隨著戰(zhàn)爭形式從大規(guī)模向局部轉(zhuǎn)變，對充當著保護傘作用的坑道工程要求日益提高[4，5]，相關(guān)方面的研究也日益增加。西北核技術(shù)研究所[6]通過一系列的試驗研究表明石英砂具有吸收波的作用，能夠很好地消散達到自由面的沖擊波。彈性波在不同介質(zhì)界面上的傳播理論[7]則反映波的反射和折射系數(shù)與兩種材料的阻尼比密切相關(guān)。

1 邊界效應(yīng)

模型試驗中，由于試件尺寸按照比例縮小過，而沖擊波在相似材料中的傳播速度并未按照相似比縮小，導致沖擊波到達邊界發(fā)生反射的時間大大縮短。研究表明，壓縮波達到自由面時會發(fā)生反射形成拉伸波，在模型試驗中，由于波達到邊界時間大大提前，反射產(chǎn)生的拉伸波會與壓縮波共同作用在試件上形成復(fù)雜的應(yīng)力場，加劇試件的破壞，影響試驗結(jié)果的準確性。如圖1所示是拉伸波作用下試件發(fā)生破壞的幾種主要形式。在真實坑道工程中，由于巖體范圍很大，基本不會因為邊界上的反射而產(chǎn)生拉伸波，因此不會出現(xiàn)圖中心裂和角裂的破壞形態(tài)。為了保證試驗結(jié)果的可靠性，邊界效應(yīng)產(chǎn)生的拉伸波必須通過一定的試驗方法減小甚至消除，文章通過對幾種吸能材料進行試驗對比，選出效果最好的吸能材料。

2 試驗設(shè)計

考慮到試件和沖擊試驗機試驗箱的尺寸，設(shè)計并制作了一個尺寸為350 mm×350 mm×300 mm的木盒子(見圖2)，由于木盒的尺寸大于試件，因此可以在試件底部和周圍填充吸能材料，試驗一共選取兩種不同的吸能材料，分別是石英砂，以及將按照圍巖部分配比的相似材料制作好后，敲碎研磨成顆粒粉狀的相似材料砂。本次試驗主要目的是找出吸能效果最好的材料，不需要進行有關(guān)物理量的測量，通過試件最終的破壞形態(tài)來進行對比分析。

3 無填充材料

無填充材料試件的試驗結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，無填充材料的試件在受到?jīng)_擊后裂紋由沖擊點向四周擴散，主要是角裂和心裂破壞。裂紋分布無規(guī)律，試件完全破壞，有較多碎塊飛出，這樣的試驗結(jié)果受邊界效應(yīng)影響嚴重，與真實情況相差甚遠。

4 填充石英砂

填充石英砂試件的試驗結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出，填充石英砂后邊界效應(yīng)明顯改善，角裂現(xiàn)象消失，但是依然出現(xiàn)了心裂現(xiàn)象。兩側(cè)反射回來的拉伸波作用明顯，將試件直接破壞為兩截，緊貼木盒一端在沖擊作用下裂縫呈三角形展開，較符合真實情況。這主要是因為沖擊波在石英砂中會造成砂粒的分散，砂粒在運動中產(chǎn)生的動能是由沖擊能量轉(zhuǎn)化而來的；同時，砂粒在沖擊波作用下彼此之間會發(fā)生位移，相互摩擦時產(chǎn)生的熱能也是由沖擊能量轉(zhuǎn)化而來。根據(jù)彈性波在不同介質(zhì)界面上的傳播理論，波的反射和透射系數(shù)根據(jù)以下公式進行計算：

F=1-n/1+n;T=2/1+n。

由于石英砂的阻尼比小于相似材料，因此0

5 填充相似材料砂

填充相似材料砂試件的試驗結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，填充相似材料砂后邊界效應(yīng)基本消失，周圍砂在沖擊過后“拱起”，部分掉落到試件表面。說明透射的波比用砂作為吸能材料時多，能量變大導致相似材料砂吸收能量時轉(zhuǎn)化成動能被拋起，發(fā)生“拱起”現(xiàn)象。同時，口部上方圍巖材料發(fā)生破壞,出現(xiàn)“漏斗坑”(見圖6)，深度為6 cm，直徑為14 cm，落錘進入試件深度為1.2 cm。這些現(xiàn)象和真實情況相符合，說明采用相似材料砂作為填充材料，能夠有效改善邊界效應(yīng)，讓試驗結(jié)果更加真實可信。

6 結(jié)語

1)無填充材料的試件在受到?jīng)_擊后裂紋由沖擊點向四周擴散，主要是角裂和心裂破壞。裂紋分布無規(guī)律，試件完全破壞，有

較多碎塊飛出，試驗結(jié)果受邊界效應(yīng)影響嚴重，與真實情況相差甚遠。

2)填充石英砂后邊界效應(yīng)明顯改善，角裂現(xiàn)象消失，但是依然出現(xiàn)了心裂現(xiàn)象。兩側(cè)反射回來的拉伸波作用明顯，將試件直接破壞為兩截，緊貼木盒一端在沖擊作用下裂縫呈三角形展開，較符合真實情況。說明石英砂具有較好的吸收波作用，能夠很好地消散達到自由面的沖擊波。

3)填充相似材料砂后邊界效應(yīng)基本消失，說明采用相似材料砂作為填充材料，能夠有效改善邊界效應(yīng)。

[1] 趙躍堂,石 磊,張并瑞.地沖擊荷載下坑道震塌問題的研究現(xiàn)狀[J].地下空間與工程學報,2012(S1):1364-1368.

[2] 寧建國,宋衛(wèi)東,任會蘭,等.沖擊載荷作用下材料與結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與防護[J].固體力學學報,2010(5):532-552.

[3] 楊 鑫,孫 凱,丁大勇.爆炸作用下坑道頭部結(jié)構(gòu)毀傷試驗研究與數(shù)值模擬[J].工程爆破,2009(4):20-23，37.

[4] 錢七虎,劉光寰,徐 飛,等.高技術(shù)局部戰(zhàn)爭條件下的工程防護[A].錢七虎院士論文選集[C].2007:11.

[5] 李 峰.城市地下交通空間爆炸人員及結(jié)構(gòu)毀傷研究[D].西安：長安大學,2014.

[6] 沙墻系能作用對爆炸沖擊波影響的試驗研究[J].實驗力學，2011(26):37-41.

[7] 方 秦,柳錦春.地下防護結(jié)構(gòu)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1982.

On improvement of boundary effect of impact tests of tunnel layers

Yang Yaoran

(NationalKeyLabforBlastingImpactDisasterPreventionandReduction,DefenseEngineeringCollege,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)

According to the impact tests of the tunnel layer model, the paper analyzes the boundary effect of the filled quartz sand and similar material sand, and points out the quartz sand has better wave absorption and capacity to dissipate the impact wave of the free surface, while the similar material sand can be used to improve the boundary effect effectively.

quartz sand, energy absorption material, boundary effect, tension wave

1009-6825(2016)11-0116-02

2016-02-01

楊耀然(1991- )，男，在讀碩士

TU502

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