裝藥對(duì)防波堤爆破毀傷效果影響的數(shù)值模擬研究

Numerical Simulation of the Effects of Charging on the Blasting Damage Outcomes of Breakwater

ZHONG Mingshou，XIE Xingbo，MAO Wensheng， ZHANG Lei， YANG Guili，MA Huayuan College of Field Engineering，Army Engineering University of PLA （Jiangsu Nanjing， 210007）

[ABSTRACT]Acombination of experimentsandnumerical simulations was used to investigatethe damage of breakwaters built with rock pilesunderdiferent chargesand burialdepths.Theresearchresults indicatethat increasing the charge amount and burial depth can enhance the blasting damage on breakwaters. When the charge amount is 1kg ，the diameter of the explosion pit，thedepthof the explosionpit，and thediameterof thecrack zone increaseby1.11，O.41times and0.95 times respectively withaburied depth of 10cmcompared to those without burial depth.The diameterof theexplosion pit， thedepth of heexplosion pit，andthediameterofthecrack zone increase by2.O8，2.18 timesand1.97times respectively withaburied depth of2Ocmcompared tothose without burial depth.Whenthe burieddepthof thechargeis 2O cm，the diameteroftheexplosion pit，thedepthof the explosion pit，and thediameterof thecrack zone increase byO.57，0.28 times ad O.21 times respectively with a charge amount of2kgcompared to those with a charge amountof1kg.The diameterof theexplosion pit，thedepth oftheexplosionpit，andthediameterofthecrack zone increasedbyO.63，0.35 times and O.51 times respectively with a charge amount of 3kg compared to those with a charge amount of1 kg. It can provide references for practical blasting engineering and military operations.

[KEYWORDS]powder charge；breakwater；smoothed partide hydrodynamics（SPH）；throwing outcome；blasting damage

0 引言

防波堤是為了保護(hù)海岸線和港口免受海浪的影響而建造的結(jié)構(gòu)，可能會(huì)阻礙海軍艦艇進(jìn)入某些區(qū)域。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展，特別是在海戰(zhàn)和兩棲攻擊中，防波堤的毀傷破壞可以在軍事行動(dòng)中發(fā)揮戰(zhàn)略作用。通過破壞或摧毀敵方防波堤，我方軍事力量可以通過敵方的防線，使軍事力量從海上過渡到陸地，完成登陸戰(zhàn)，并對(duì)地方建筑設(shè)備進(jìn)行打擊。故軍事行動(dòng)中，對(duì)防波堤毀傷的必要性可以作為海戰(zhàn)和兩棲攻擊的關(guān)鍵因素，使軍事力量能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)，并獲得對(duì)敵人的決定性優(yōu)勢(shì)。因此，裝藥對(duì)防波堤的爆破毀傷作用具有重要的研究意義。

巖石在爆破載荷等高速?zèng)_擊作用下，通常會(huì)出現(xiàn)損傷、破碎、失效、裂紋等現(xiàn)象，這類問題主要涉及流體力學(xué)、計(jì)算力學(xué)、損傷力學(xué)等專業(yè)學(xué)科[1-2]。近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者從理論研究[34]、試驗(yàn)[5]和數(shù)值模擬[6-8]等方面對(duì)巖石建筑工程的爆破毀傷問題進(jìn)行了大量的研究。

劉陽等[9]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)不同角度掏槽孔條件下的巖石爆破進(jìn)行研究。結(jié)果表明，掏槽孔與自由面斜交時(shí)，會(huì)造成內(nèi)部巖石的壓縮損傷，最終形成有效的爆破槽腔，在炮孔遠(yuǎn)端形成少量的裂紋與拉伸損傷。陳一曦等[1°采用平滑粒子流體動(dòng)力學(xué)算法（SPH）-有限元建模（FEM）耦合算法研究了在平行掏槽孔內(nèi)的延期時(shí)間對(duì)巖石毀傷效果的影響。結(jié)果表明，分段延時(shí)起爆對(duì)爆破毀傷效果的影響顯著。王衛(wèi)華等[1]運(yùn)用LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，探究了雙孔爆破時(shí)裝藥間距對(duì)爆破毀傷效果和巖石有效損傷率的影響。劉一帆等[12采用LS-DYNA軟件建立數(shù)值模型，研究了不同節(jié)理長度對(duì)巖石裂紋萌生和擴(kuò)展的影響，并分析了地應(yīng)力的作用機(jī)理。范勇等[13]采用理論、試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了巖石爆破破壞范圍變化以及破碎塊度的分布規(guī)律。劉杰等[14]對(duì)混凝土重力壩進(jìn)行了頂部侵徹爆炸毀傷的數(shù)值模擬研究。研究發(fā)現(xiàn)，較大炸藥當(dāng)量時(shí)，壩頂毀傷形態(tài)呈現(xiàn)多面爆破漏斗狀，爆炸應(yīng)力波和爆炸氣體會(huì)造成大壩部分坍塌，并形成相互貫通的爆坑。謝興博等[15]采用Johnson-Cook（JC）和Riedel-Hiermaier-Thoma（RHT）模型，對(duì)聚能裝藥侵徹混凝土基座的毀傷效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，發(fā)現(xiàn)不同侵徹方式對(duì)混凝土的毀傷效果不同。錢明淵等[16]對(duì)大斷面超深溜井爆破進(jìn)行了仿真分析，研究發(fā)現(xiàn)，最小抵抗線為 0.9～1.0m 輔助孔距為 0.94～1.07m 時(shí)，輔助孔之間裂縫基本貫通，可有效保障巖石破碎均勻。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖石在爆炸載荷作用下的毀傷作用進(jìn)行了大量研究。但對(duì)于影響爆破毀傷效果的主要因素的分析研究較少，包括裝藥量和裝藥埋深。這些不足限制了對(duì)于防波堤爆破毀傷規(guī)律的探究。

本文中，將試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合，對(duì)典型巖石堆砌的防波堤結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的毀傷效果進(jìn)行研究。首先，建立防波堤三維仿真模型，并進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，將仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)誤差分析，確定仿真參數(shù)的準(zhǔn)確性；分析不同裝藥量、不同裝藥埋深對(duì)爆破漏斗形成的影響，巖石損傷程度的演化規(guī)律；以及防波堤巖石粒子在爆炸沖擊波作用下的拋擲規(guī)律?？梢詾閷?shí)際爆破工程和軍事作戰(zhàn)提供參考。

1防波堤模型構(gòu)建及準(zhǔn)確性驗(yàn)證

1. 1 防波堤模型構(gòu)建

運(yùn)用SolidWorks三維建模軟件進(jìn)行模型構(gòu)建。為節(jié)約計(jì)算成本和提高計(jì)算效率，沿垂直于斷面方向進(jìn)行1/2建模，如圖1所示。模型分為堤心石和塊石兩部分，運(yùn)用SolidWorks軟件裝配體模塊對(duì)模型進(jìn)行裝配，組成防波堤模型。防波堤模型尺寸如圖1（c）所示，斷面上、下邊長分別為 2.0m 和4.0m ，高度為 2.0m ，長度為 2.5m 。

1.2 網(wǎng)格劃分

將SolidWorks軟件導(dǎo)出的裝配體Step格式文件導(dǎo)入HyperMesh軟件中，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格選用六面體實(shí)體網(wǎng)格，考慮計(jì)算準(zhǔn)確性與計(jì)算效率，防波堤模型網(wǎng)格尺寸設(shè)為 3cm ，并在Ls-PrePost軟件中進(jìn)行SPH粒子的生成和模擬計(jì)算，防波堤模型網(wǎng)格如圖2所示。

1.3 材料參數(shù)選取

仿真模型共包含3種材料，分別為TNT、堤心石和塊石，采用 cm-g-μs 單位制。

TNT采用的是 * Mat_High_Explosive_Burn 材料模型，用JWL狀態(tài)方程描述：

式中： p 是壓力； V，E 分別是相對(duì)體積和內(nèi)能； A，B 、R₁、R₂、ω 為JWL狀態(tài)方程參數(shù)。

TNT 模型參數(shù)[17]見表1。

塊石采用 * Mat_Johnson_Holmquist_Concrete材料模型進(jìn)行描述，模型參數(shù)[18]見表2。表2中： G 為剪切模量； p_c 為單軸抗壓強(qiáng)度； T 為靜水抗拉強(qiáng)度；A，B，N，S_max 為極限面參數(shù)； C 為應(yīng)變率參數(shù)； U_c 為開裂體應(yīng)變。

堤心石采用 * Mat_Johnson_Holmquist_Concrete材料模型進(jìn)行描述。模型參數(shù)[18]見表3。

1.4 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為進(jìn)行防波堤仿真模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證，開展全尺寸防波堤爆破毀傷試驗(yàn)。選擇在某環(huán)山試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行試驗(yàn)。澆筑全尺寸防波堤模型，進(jìn)行裝藥對(duì)防波堤的毀傷爆炸試驗(yàn)，如圖1（d）所示。防波堤試驗(yàn)工況設(shè)置如下：防波堤高度為 2m ，斷面為等腰梯形，上底邊為 2m ，下底邊為 4m ，防波堤長度為 5m 。在防波堤側(cè)面中心位置設(shè)置集團(tuán)藥包，藥量 1kg ，進(jìn)行接觸爆炸。爆炸后，防波堤表面形成明顯爆坑，對(duì)爆坑尺寸進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表4。

模擬爆炸對(duì)防波堤的毀傷作用，將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性。防波堤模型與炸藥布設(shè)示意情況如圖3所示。

防波堤仿真模型計(jì)算結(jié)果如圖4＼～圖6所示。圖4展示了防波堤側(cè)面裝藥引爆時(shí)石塊的拋擲效果與損傷區(qū)域剖面圖，防波堤粉碎區(qū)直徑為 0.48m 裂紋區(qū)直徑為 0.96m ，裂紋區(qū)深度為 0.59m 。圖5和圖6為數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果中損傷區(qū)域尺寸的對(duì)比情況，相對(duì)誤差在 20% 以內(nèi)，見表4?？梢娝貌牧夏Ｐ蛥?shù)合理，故可用此參數(shù)進(jìn)行后續(xù)模型的仿真計(jì)算。

1.5 計(jì)算工況選取

設(shè)置5種不同的計(jì)算工況，如表5所示。通過設(shè)置裝藥埋深為 0，10，20cm ，以及設(shè)置裝藥量為1，2，3kg ，探究裝藥量、裝藥埋深對(duì)爆破毀傷作用的影響。

2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

2.1 防波堤巖石拋擲過程

圖7給出了爆炸作用下防波堤拋擲損傷的演化過程。圖7中，顏色由藍(lán)到紅，代表損傷程度由淺到深；紅色代表完全損傷，即粉碎性損傷。工況 1^#～5^# 分別為頂部中心 1kg 裝藥、埋深 10cm 的 1kg 裝藥、埋深 20cm 的 1kg 裝藥、埋深 20cm 的 2kg 裝藥、埋深 20cm 的 3kg 裝藥。損傷范圍大致形成時(shí)間分別為 1947?1697?1646?1145μs 與 1899μs ，范圍主要集中于防波堤上方的塊石區(qū)域。從圖7可以看出，內(nèi)部炸藥埋深較大時(shí)損傷區(qū)域明顯增大，破壞區(qū)域由放置炸藥下方的一小塊區(qū)域擴(kuò)展到防波堤塊石的整個(gè)上方區(qū)域，巖石拋擲效果更為明顯。增加炸藥藥量，防波堤塊石上方左、右兩側(cè)邊緣處均有粉碎性損傷區(qū)域， 2kg 藥量的爆坑較 1kg 更大，致使有大范圍的石塊向外拋擲。

2.2 防波堤巖石粒子運(yùn)動(dòng)

2.2.1 巖石粒子速度

為探究爆炸沖擊波作用下防波堤破碎石塊的拋擲規(guī)律，在模擬計(jì)算結(jié)果中提取緊靠爆炸中心石塊區(qū)域單元的速度時(shí)程曲線。速度隨時(shí)間的增加呈現(xiàn)先升、后降的趨勢(shì)

如圖8所示，裝藥量為 1kg 時(shí)，設(shè)置裝藥埋深分別為 0，10，20cm ，峰值速度分別為183、391、632m/s ?？傮w來看，隨著裝藥埋深的增加，巖石粒子峰值速度呈上升趨勢(shì)。裝藥埋深由 0cm 增加到10cm ，峰值速度增加 114% ；裝藥埋深由 0cm 增加到 20cm ，峰值速度增加 245% 。由此可得，可通過增加裝藥埋深來提高巖石粒子的峰值速度。

如圖9所示，當(dāng)裝藥埋深為 20cm 時(shí)，設(shè)置裝藥量分別為 1，2，3kg ，峰值速度分別為632、789、823m/s ?？傮w來看，隨著裝藥量的增加，巖石粒子的峰值速度呈上升趨勢(shì)。裝藥量由 1kg 增加到2kg ，峰值速度增加 24.8% ;裝藥量從 1kg 增加到3kg ，峰值速度增加 30.2% 。由此可得，可通過增加裝藥量有效提高巖石粒子的峰值速度。

2.2.2 巖石粒子位移

圖10為炸藥起爆后 6000μs 內(nèi)，石塊目標(biāo)單元的位移-時(shí)間曲線。裝藥量為 1kg 時(shí)，設(shè)置裝藥埋深為 0，10，20cm ，巖石粒子的峰值位移分別為3.6、5.5，8.9cm ?？傮w來看，裝藥量相同時(shí)，隨著裝藥埋深的增加，巖石粒子的峰值位移呈增加趨勢(shì)。裝藥埋深由 0cm 增加到 10cm 時(shí)，巖石粒子位移增大52.7% ；裝藥埋深由 0cm 增加到 20cm 時(shí)，巖石粒子位移增大 147.2% 。由此可得，增加裝藥埋深可以有效增加峰值位移。

圖11為裝藥埋深為 20cm 時(shí)，裝藥量分別為1、2，3kg 時(shí)的巖石粒子位移-時(shí)間曲線。總體來看，裝藥埋深相同時(shí)，隨著裝藥量的增加，巖石粒子的峰值位移呈增加趨勢(shì)。裝藥量為 1kg 時(shí)，峰值位移為8.9cm ;裝藥量為 2kg 時(shí)，峰值位移為 18.0cm ；裝藥量為 3kg 時(shí)，峰值位移為 23.5cm 。裝藥量由1kg 增加到 2kg 時(shí)，峰值位移增加 102% ；裝藥量由1kg 增加到 3kg 時(shí)，峰值位移增加 164% 。由此可得，增加裝藥量可以有效增加峰值位移。此外，對(duì)比裝藥埋深和裝藥量對(duì)位移變化的影響可得，增加裝藥量可以更有效地增加巖石粒子的峰值位移。

2.3 防波堤爆破毀傷效果

由爆炸沖擊波的作用可以由此得出防波堤毀傷效果的剖面圖與俯視圖，如圖12＼～圖13所示。測(cè)量得出爆坑的直徑與深度、裂紋區(qū)直徑，如表6＼～表7所示。

裝藥量為 1kg 時(shí)，設(shè)置裝藥埋深分別為0、10、20cm 。由圖12和表6可知：埋深 10cm 比無埋深的爆坑直徑、爆坑深度與裂紋區(qū)直徑分別增加了1.11，0.41，0.95 倍；埋深 20cm 比無埋深的爆坑直徑、爆坑深度與裂紋區(qū)直徑分別增加了2.08、2.18、1.97倍。

裝藥埋深為 20cm 時(shí)，設(shè)置裝藥量分別為1、2、3kg 。由圖13和表7可知：設(shè)置裝藥量 2kg 比裝藥量 1kg 的爆坑直徑、爆坑深度與裂紋區(qū)直徑分別增加了0.57、0.28、0.21倍；設(shè)置裝藥量 3kg 比裝藥量 1kg 的爆坑直徑、爆坑深度與裂紋區(qū)直徑分別增加了0.63、0.35、0.51倍。

3結(jié)論

通過對(duì)比分析不同裝藥量和裝藥埋深對(duì)防波堤毀傷的影響，得到以下結(jié)論：

1）裝藥量為 1kg 時(shí)，裝藥埋深由 0cm 增加到10cm ，峰值速度增加 114% ；裝藥埋深由 0cm 增加到 20cm ，峰值速度增加 245% 。裝藥埋深為 20cm 時(shí)，裝藥量由 1kg 增加到 2kg ，峰值位移增加102% ；裝藥量由 1kg 增加到 3kg ，峰值位移增加164% 。

2）裝藥量 1kg 時(shí)，埋深 10cm 比無埋深的爆坑直徑、爆坑深度與裂紋區(qū)直徑分別增加了1.11、0.41、0.95倍;埋深 20cm 比無埋深的爆坑直徑、爆坑深度與裂紋區(qū)直徑分別增加了2.08、2.18、1.97倍。裝藥埋深 20cm 時(shí)，裝藥量 2kg 比裝藥 1kg 的爆坑直徑、爆坑深度與裂紋區(qū)直徑分別增加了0.57、0.28、0.21倍;裝藥量 3kg 比裝藥量 1kg 的爆坑直徑、爆坑深度與裂紋區(qū)直徑分別增加了0.63、0.35、0.51倍。

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