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  重庆大学学报  2015, Vol. 38 Issue (4): 121-127  DOI: 10.11835/j.issn.1000-582X.2015.04.017 RIS(文献管理工具)
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江向阳, 颜事龙, 刘伟, 黄文尧. 柱状药包爆炸波传播规律的试验分析[J]. 重庆大学学报, 2015, 38(4): 121-127. DOI: 10.11835/j.issn.1000-582X.2015.04.017.
JIANG Xiangyang, YAN Shilong, LIU Wei, HUANG Wenyao. Experimental analysis of the law of explosive wave of cylindrical charge[J]. Journal of Chongqing University, 2015, 38(4): 121-127. DOI: 10.11835/j.issn.1000-582X.2015.04.017. .

基金项目

国家自然科学基金资助项目(51134012);安徽省教育厅自然科学基金资助项目(KJ2013A102)

作者简介

江向阳(1973-),男,安徽理工大学博士研究生,研究方向为岩土力学、爆炸力学及工程应用,(E-mail)xyjiang@aust.edu.cn

文章历史

收稿日期: 2015-03-06
柱状药包爆炸波传播规律的试验分析
江向阳, 颜事龙, 刘伟, 黄文尧     
安徽理工大学 理学院,安徽 淮南 232001
摘要: 药包爆炸波在结构体中传播规律是研究爆破工程的关键性问题之一。先利用爆炸水池对微小药量柱状药包爆炸冲击波压力进行试验测试,得到药包爆炸冲击波压力计算公式的相关参数;再利用预埋在试件中应变砖,对不同药量和长径比的药包进行爆破超动态应变测试。通过试验数据分析获得了柱状药包的爆炸冲击波在混凝土类脆性材料中的传播规律以及近中区应力波公式σr=σmˉrα中的衰减系数α值。
关键词: 柱状药包    爆炸力学    爆炸波    
Experimental analysis of the law of explosive wave of cylindrical charge
JIANG Xiangyang , YAN Shilong , LIU Wei , HUANG Wenyao     
College of Science, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, Anhui, P.R.China
Supported by National Natural Science Foundation of China (51134012) and Natural Science Foundation of Education Department of Anhui Province (KJ2013A102)
Abstract: The law of explosive wave in structures is one of the key problems of the blasting engineering studying. The study obtains the parameters of the formula of pressure caused by cylindrical charge's explosive shock wave through experiments in a pool firstly. Through testing cylindrical charge exploding in concrete specimen, the study then gets blasting strain wave's propagation law and formula's parameter of exploding cylindrical charge in concrete specimen.
Key Words: cylindrical charge    explosion mechanics    explosive wave    

由于工程爆破具有快速、经济和安全等优点,所以随着国民经济的高速发展,工程爆破技术在矿山、水利水电、铁路、交通、建筑等各个领域得到了广泛的应用,并在其中起着举足轻重的作用。炸药爆炸使岩体类结构体发生破裂、破碎及抛掷,这是爆炸应力波和爆生气体膨胀共同作用的结果。爆破作用是一个瞬间完成的高温高压过程,岩石类材料本身具有非均匀性、非弹性和各向异性,这导致其在爆炸载荷作用下是一个复杂的物理、力学过程[1-2]。空气中和水下爆炸时的物理机制和介质运动已经研究的很全面和很详尽,相比之下岩石中地下爆炸的物理机制、介质的运动和破坏的研究还很不透彻[3-6]

目前,对于岩石爆破的物理机制,国内外众多科研工作者从力学模型[7]、断裂损伤[7-12]、能量原理[2, 13-14]、数值计算[15]和实验[16-17]等方面进行了大量研究,但其成果与工程实际应用的需要相距甚远[18-19]。爆破应力波在工作介质中的传播规律是解决该问题的基础。根据应力波理论,应力波在介质中传播发生的衰减可分为几何衰减和物理衰减:几何衰减是因能量分布空间的增大而衰减;物理衰减是波在传播过程中与介质作用而导致其携带的能量转变为其它形式的能量,如形成新岩块表面的表面能,由耗散生成的热能等。对于球形药包爆破应力波理论,经过前苏联科学家的努力,已获得了广为大家接受的应力波方程。柱状药包与球形药包的爆破应力波在传播过程中,在相同距离的条件下,其分布空间是不同的,故衰减也不同[14]。因此,用球形药包理论来处理柱状药包问题在本质上是不合适的。这里采用系统的实验手段对柱状药包在混凝土试件中爆破应力波进行试验测试与分析。

1 柱状药包参数的水下爆炸测试

由于试验用的水泥砂浆试块体积不大,所需药量很小,炮孔直径也很小,只有几个毫米,所以使用工业炸药是不合适的。本试验采用的是二硝基重氮酚(DDNP)作为爆源,装药密度为ρ0=0.82 g/cm3,爆速为v=3 991 m/s。药包直径为3.5 mm。试验所用爆炸水池φ5.5 m、高3.62 m。为避免炸药爆炸后来自水面和水池底部冲击反射的干扰,将装药在水池中心三分之二深度处爆炸,以消除边界效应。水下爆炸测试系统如图 1所示。

图 1 实验装置示意图 Figure 1 Schematic diagram of experimental device

根据P.库尔的研究[20],炸药水下爆炸冲击波压力计算公式

Pm=k(W13R)α, (1)

式中: Pm为冲击波压力,MPa;W为标定药包的重量,kg;R为传感器至药包中心的距离,这里其为0.237 m;kα为与实验有关系数和指数。

试验测试数据如表 1所示,采用最小二乘法对实验数据进行曲线拟合,得到k=41.45 MPa, α=1.235。

表 1 柱状药包水下爆炸压力试验数据 Table 1 Data of pressure of cylindrical charge blasting under water
2 柱状药包爆炸冲击波基本问题

药包爆炸时在爆破工作面上产生的压力可达5~10万个大气压,爆炸载荷首先在炮孔附近区域形成冲击波。随着冲击波的传播,爆炸能量向四周扩散,岩石介质中产生短时间的高压和高温,其使得岩石中形成压碎圈。压碎圈的形成将消耗冲击波中很大一部分能量,导致冲击波衰减很快。因此,炸药爆破岩石的作用是先形成爆炸冲击波,而后其衰减成应力波。

关于爆炸应力波的研究较为成熟的是集中装药的球形药包,而在工程实践中,常采用等效球形药包理论的方法来计算柱状药包参数,即用集中药包的理论和公式计算柱状药包应力场参数,而后将其药量均匀拉长分布或乘以一经验系数来修正。关于柱状药包爆炸产生的冲击波在介质中的衰减规律一般用式(2)表示[21]

σr=σmˉrα, (2)

式中:ˉr=rr0为比距离,r, r0分别为传播距离和炮孔半径,其适用范围:10≤r≤120;σm炮孔的初始压力;α为衰减系数,与介质和药包形状等因素有关。常见岩石的衰减系数由文献[21]可知1.4≤α≤3.0,如表 2所示。

表 2 不同岩石爆破应力波衰减系数 Table 2 The attenuation parameters of explosive stress waves of different rocks

当冲击波衰减为应力波后,若此时假定岩石为理想弹性介质,就可以由应力波理论推导出其传播方程。应力波在传播过程中,波阵面应满足质量守恒和动量守恒两定律,即运动学相容条件和动力学相容条件。柱状药包在弹性介质中爆炸激起的应力波应为柱面波或近似柱面波。

采用Lagrange柱坐标r, θ, z,其中只有径向位移ur(r, t)非零,且其只是r, t的函数。由动量守恒条件可得柱面波的径向运动方程:

σrr+σrσθr=ρ0vt (3)

根据广义虎克定律可得到应力的表达式:

σr=(λ+2G)θ2Gurr,σθ=λθ+2Gurr,σz=λθ. (4)

所以柱面波的波前应力为:

σr=r0rσm. (5)

显然,柱状药包的爆炸应力波在不同区域传播时衰减系数差异较大。在近中区,药包爆炸在介质中产生的是冲击波,衰减规律如式(2)所示,其衰减系数大于在1~3之间;在远区,产生的是弹性应力波,衰减规律如式(5)所示,其衰减系数是0.5。

3 柱状药包在砂浆试块中的爆炸测试

砂浆试块配比为:水泥:黄沙:水=1:2:0.5。通过在材料试验机和CTS-25型非金属超声波检测仪进行测试,得到混凝土的物理力学参数,如表 3所示。

表 3 水泥砂浆试块物理力学参数 Table 3 Cement mortar specimen mechanical parameters

混凝土试件采用圆柱体,直径为400 mm, 高为450 mm。药包在水泥砂浆中爆破应变测试装置如图 2所示。预埋的应变砖所用的材料和配比与混凝土试件相同,以保证它们波阻抗相等。应变砖尺寸为180 mm×20 mm×10 mm,每块应变砖上布置4个测点,其到炮孔的距离分别为4,8,13,18 cm。

图 2 爆炸应变波测定装置示意图(单位:mm) Figure 2 Schematic diagram of blasting strain wave measuring device (Unit: mm) 1-应变砖;2-堵塞;3-柱状药包;4-水泥砂浆试块;5-SDY2107A型超动态应变仪;6-TST3406C动态测试分析仪;7-计算机

实验采用的是柱状药包,直径为3.5 mm,药量分别为:0.2,0.33,0.45,0.61,1.1 g。每一药量做2个为1组平行实验,根据前面的水下实验计算各种药量的药包其炮孔初始压力σm,如表 4所示。

表 4 混凝土试件炮孔中的初始爆炸应力 Table 4 The initial blasting stress of blast hole in concrete specimen

试验中没有发生应变砖被剥离的现象,这说明预埋的应变砖在试块中没有产生明显的界面效应,也证明这种预埋应变砖的方法是可行的。爆破的破碎块度较为均匀,以5号试块为例,其长径比是所有药包中最大的,其被爆破成完整的8块,如图 3所示。通过超动态应变仪测得的应变波形,如图 4所示。从所测波形图中得出,炸药在岩体中爆炸,在近区首先产生快速的压缩波,各测点应变急剧突跃,这时径向获得很大的负应变值。由于装药条件的不同,每组所测波形在细节上又各不相同。以5号试块为例,其应变波如图 4所示,由里向外依次为1、2、3、4号测点。5组试块测得的应变如表 5所示。

图 3 5#试块爆破效果图 Figure 3 The rendering of broken 5# specimen
图 4 5#试块应变波图 Figure 4 Strain wave of 5# specimen
表 5 混凝土试件中爆炸应变波测试结果 Table 5 Results of blasting strain wave in concrete specimen

根据药包的水下测试得到炮孔的初始爆炸压力和混凝土的材料参数,对上表中数据进行拟合,得到爆炸应力波的衰减系数αi和平均衰减系数α=1nαi为:α1=1.030 19,α2=0.967 87,α3=0.963 89,α4=1.040 39,α5=1.128 14,α=1.026 1。

试验结果与众多文献中给出的常见岩石中爆炸冲击波衰减系数相比偏小。试验所用的混凝土试块是水泥砂浆,没有粗骨料,浇注也是在实验室中完成的。试件的均匀性得到了保证,其致密性较好,微缺陷较少,所以其爆炸冲击波衰减系数比岩石的小,差异较大。

4 结论

1)通过水下爆炸测试实验,得出了柱状药包的爆炸冲击波计算公式Pm=k(W13R)α的参数k=41.45 MPa, α=1.235,其结果与其他研究结果和工程实际吻合较好。

2)通过预埋应变传感器方法,测得柱状药包在混凝土试件中的爆炸冲击波在混凝土介质中的衰减规律:σr=σmˉrα,衰减指数:α=1.026 1,试验数据规律性较好,结果可靠。

3)通过对应变波传播规律的实验数据的数值分析,得出了柱状药包在混凝土试件中衰减系数,其与爆炸冲击波在常见岩石中衰减系数有较大差异,对工程爆破实践有切实意义。

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图 1 实验装置示意图 Figure 1 Schematic diagram of experimental device
表 1 柱状药包水下爆炸压力试验数据 Table 1 Data of pressure of cylindrical charge blasting under water
表 2 不同岩石爆破应力波衰减系数 Table 2 The attenuation parameters of explosive stress waves of different rocks
表 3 水泥砂浆试块物理力学参数 Table 3 Cement mortar specimen mechanical parameters
图 2 爆炸应变波测定装置示意图(单位:mm) Figure 2 Schematic diagram of blasting strain wave measuring device (Unit: mm) 1-应变砖;2-堵塞;3-柱状药包;4-水泥砂浆试块;5-SDY2107A型超动态应变仪;6-TST3406C动态测试分析仪;7-计算机
表 4 混凝土试件炮孔中的初始爆炸应力 Table 4 The initial blasting stress of blast hole in concrete specimen
图 3 5#试块爆破效果图 Figure 3 The rendering of broken 5# specimen
图 4 5#试块应变波图 Figure 4 Strain wave of 5# specimen
表 5 混凝土试件中爆炸应变波测试结果 Table 5 Results of blasting strain wave in concrete specimen
柱状药包爆炸波传播规律的试验分析
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