黄土中爆炸空腔体积规律的数值模拟.pdf

第3 3 卷第4 期 爆破 V o l 3 3N o 4 2 0 1 6 年1 2 月B L A S T I N G D e c ．2 0 1 6 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 6 ．0 4 ．0 1 3 黄土中爆炸空腔体积规律的数值模拟 王心胴a ，李海超“，周双涛8 ，李j B 杰8 军事交通学院a ．研究生管理大队；b ．国防交通系，天津3 0 0 1 6 1 摘要黄土中爆炸成腔的大小与黄土参数具有密不可分的关系，其中黄土的天然密度和含水率是主要影 响因素。利用A N S Y S ／L S ．D Y N A 软件进行三维建模，模拟黄土中爆炸成腔的过程，与黄土中爆炸试验结果进 行对比．从空腔体积、峰值应力、爆后土体密度3 个方面验证数值模拟的可行性。以土体天然密度和含水率 作为影响因素，对黄土中爆炸空腔的体积规律进行数值模拟研究，得到三维拟合规律，发现天然密度对爆后 空腔体积影响较大，含水率对其影响较小。 关键词黄土；爆炸；空腔体积；数值模拟 中图分类号0 3 8 3 ．1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 4 0 0 7 3 0 5 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fC a v i t yV o l u m eR u l eo fE x p l o s i o ni nL o e s s W A N GZ h i - p e n 9 8 ，L IH a i c h a 0 6 ，Z H O US h u a n g t a 0 8 ，l dB e i - j i e 8 a ．P o s t g r a d u a t e sT r a i n i n gB r i d g e ；b ．N a t i o n a lD e f e n s eT r a n s p o r t a t i o nD e p a r t m e n t ， M i l i t a r yT r a n s p o r t a t i o nU n i v e r s i t y ，T i a n j i n3 0 0 1 6 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h es i z eo fe x p l o s i o nc a v i t yh a sac l o s er e l a t i o n s h i pw i t ht h ep a r a m e t e r so fl o e s s ，a n dt h en a t u r a ld e n s i t ya n dw a t e rc o n t e n to fl o e s sa r et h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r s ．B yu s i n gA N S Y S ／L S D Y N Af o r3 Dm o d e l i n g ，t h ee x p l o s i o np r o c e s si nl o e s si ss i m u l a t e d ．T h ef e a s i b i l i t yo ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sv e r i f i e db y3a s p e c t sa sv o l u m eo f t h ec a v i t y ，p e a ks t r e s sa n ds o i ld e n s i t y ．T a k i n gn a t u r a ld e n s i t ya n dw a t e rc o n t e n to fl o e s sa si n f l u e n c i n gf a c t o r s ，t h e v o l u m eo ft h ee x p l o s i o nc a v i t yi nt h el o e s si ss t u d i e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n dt h e3 Df i t t i n gl a wi so b t a i n e d ．I ti s f o u n dt h a tt h en a t u r a ld e n s i t yh a sag r e a t e ri m p a c to nt h ec a v i t yv o l u m e ，a n dt h ew a t e rc o n t e n th a sl i t t l ee f f e c to ni t ． K e yw o r d s l o e s s ；e x p l o s i o n ；c a v i t yv o l u m e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 黄土中爆炸成腔问题，最早可追溯到上世纪4 0 年代，当时由苏联学者阿尔列夫研究了在黄土中利 用垂直深孔装药爆炸打桩的课题j 。之后，土中爆 炸技术被应用于包括矿山、人防、交通、水利等多个 领域，总结了较多的实践经验。但是由于爆炸过程 的瞬时性和复杂性，土中爆炸成腔规律的研究停留 在经验总结和理论分析阶段。土的基本物理参数包 括天然密度、含水率、土粒比重三个，其它参数包括 收稿日期2 0 1 6 0 9 2 2 作者简介王志鹏 1 9 9 0 一 ，男，山东省青州市人，硕士研究生，从事 国防交通工程抢修抢建理论与技术研究， E m a i l w z p w z p 2 0 1 2 s i n a ．e o m 。 通讯作者李海超 1 9 6 9 一 ，女，博士在读、副教授、硕士研究生导 师， E m a i l 1 7 2 9 5 1 7 3 6 6 q q ．c o m 。 干密度、孔隙比、饱和度等都可由三个基本参数计算 而得心J 。对某一种土来说，其土粒比重，即土颗粒 的密度是基本不变的，对于承德地区的黄土状土，爆 炸前取土试验测得其土粒比重为2 ．7 2g ／c m 3 ，未发 现天然密度与含水率之间的对应关系。因此，以土 体天然密度与含水率为爆炸成腔的影响因素，利用 A N S Y S ／L D ．D Y N A 软件三维建模，研究其对爆腔体 积的影响规律。 1 计算模型 1 ．1 有限元模型 计算模型定义为黄土中的封闭爆炸，假设土体 是均匀的，各向同性的，同时假设炸药与土壤之间是 万方数据 7 4爆破 2 0 1 6 年1 2 月 耦合的，并忽略土壤上方空气的影响。建模过程包 括定义单元类型，定义材料类型，建立几何模型，进 行网格划分，定义约束，算法控制设定等步骤。模型 包括炸药、土壤2 种材料，考虑到整个模型的对称 性，只取模型的1 ／4 进行分析，模拟中采用的单位制 为c m g 一斗s 。 炸药、土壤均采用3 D S O L I D l 6 4 实体单元，所 有单元均定义为A L E 多物质单元，使得所有材料均 能在网格内相互流动。为了模拟炸药在半无限黄土 介质中爆炸的理想情况，将模型的外边界和底面设 置为无反射边界，其作用是允许波通过模型边界传 输而没有反射，这样可以模拟地下土体的半无限空 间效应，同时模型的两个坐标对称面施加法向约束。 见图l 。 图 F i g ．1 1 ．2 材料定义 对于计算模型中的柱形2 岩石乳化炸药，选用 高能炸药燃烧材料模型∞1 木M A T H I G H E X P L O ． S I V E B U R N 和标准J W L 状态方程来描述。J W L 方程表达式为 p A 一南 e 呐” B - 一南 e 吨” 等 1 式中A 、B 、R ，、R 、∞为试验确定的常数；p 、E 、y 分别为爆轰产物的压力、单位体积的内能和比容。 J W L 方程能较好地描述爆轰气体产物压力、体积及 能量特性，计算中所用的炸药材料模型参数见表1 ， 其中P 、D 、P 。．分别为炸药的密度、爆速和爆炸波波 阵面压力。 土采用木M A T _ S O I L A N D F O A M 材料模型，目 前该模型已嵌入到L S D Y N A 软件的模型库中，该模 型描述的土壤具有某些流体的性质。表2 所示为某 次模拟所用的土材料参数，其中P 、E G 、K 分别为土 介质的密度、剪切模量和体积卸载模量，A 。、A ，、A 是塑性屈服函数常数。另外，I M A T S O I L A N D F O A M 模型用十组应力与相对体积应变的对应关系 表征土在爆炸荷载作用下的加卸载曲线J ，在此不 做过多描述。 2 模型的验证 2 ．1 黄土中爆炸试验 通过比较分析数值模拟的结果和黄土中爆炸试 验的实测结果，对材料模型参数进行调整，可以得到 能够较好模拟黄土中爆炸扩腔规律的有限元模型。 爆炸试验所用土为现场取土，通过夯锤压实和洒水 来改变土的天然密度和含水率，如图2 所示。 表1 炸药材料参数‘4 1 T a b l e1M a t e r i a lp r o p e r t i e sf o re x p l o s i v e s 表2 土材料模型参数 T a b l e2M a t e r i a lp r o p e r t i e sf o rs o i l P ／ S c m 一3 G ／G P aK ／G P a A o A l A 2 1 ．8 21 3 ．42 91 ．7 9 E 84 ．9 5 E 30 ．0 3 4 3 根据试验前适配的结果，考虑到本次试验的目 的是验证数值模拟的可行性，设定如下表所示5 组 改变土体天然密度和土体含水率的黄土中爆炸试 验，试验结果见表3 。 2 ．2 爆腔体积验证 图3 所示为数值模拟过程中，1 ／4 爆炸空腔的 扩张过程，初期爆炸空腔发展很快，1 0 0 0I z s 时爆炸 空腔已比较均匀，1 0 0 0 2 0 0 0 s 时可以观察到爆炸 冲击波对土体密度的影响效果，4 0 0 0i t s 后爆炸空 腔运动变的比较缓慢，5 0 0 0t x s 时爆炸空腔已基本 稳定。条形药包的爆炸空腔最终形状近似为椭球 体，其体积可以在软件中读取。 由试验得到的5 组爆炸空腔的试验结果和数值 模拟得到的相应数值模拟结果，绘制得图4 所示曲 线，从验证结果都可以看出，爆腔体积随土体密度的 变化规律基本上表现为爆前土体越密实，爆腔体积 越小，而爆前含水率对爆腔的影响较复杂，因为改变 含水率的同时土体密度也随之变化。 万方数据 第3 3 卷第4 期王志鹏，李海超，周双涛，等黄土中爆炸空腔体积规律的数值模拟 7 5 暑 { 聚 世 趄 蹬 芝 a 洒水 a W a t e r i n g f b 夯锤压实 b T a m p i n g 图2 爆炸试验前改变土体参数 F i g ．2C h a n g es o i lp a r a m e t e r sb e f o r ee x p l o s i o n 表3 爆炸试验结果 T a b l e3E x p l o s i v et e s tr e s u l t s a 0t x s 图3 数值模拟过程中的扩腔过程 F i g ．3E x p a n s i o np r o c e s si n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 图4 爆后空腔体积验证 F i g ．4 V e r i f i c a t i o no fc a v i t yv o l u m e 2 ．3 峰值应力验证 爆炸试验过程中，使用压电式压力传感器采集 爆炸荷载下特定位置的土中应力。预先将传感器埋 置到距离爆心2 2e m 、3 2c m 、4 2e m 、5 2e m 四个点 处，采集并记录爆炸过程中应力的变化过程。数值 模拟中，通过选取距爆心2 2e m 、3 2e m 、4 2e m 、5 2e m 四个点处对应的单元，生成其应力历程曲线，综合试 验结果与数值模拟结果绘制得到图5 。 由图5 可以看出，虽然存在一定的偏差，但数值模 拟结果还是较好地反映了应力峰值及其衰减规律。 万方数据 7 6 爆破 2 0 1 6 年1 2 月 9 _ 。 乏 R 倒 理 誊 爆心距／e r a a 试验1 a T e s tl 0 ．0 0 0 0 4 山 b0 ．0 0 0 0 3 R 倒o ．0 0 0 0 2 理 鹫 O ．O O o o l 9 b ≤ 穴 馏 j 璺 罄 爆心距／e r a d 试验4 d T e s t 4 爆心距／c m b 试验2 b T e s t2 9 _ 。 R 氇 趔 誊 9 b ≤ 农 翻 j 堡 鹫 图5 爆炸峰值应力验证 F i g ．5 V e r i f i c a t i o no fp e a ks t r e s s 2 ．4 爆后土体密度验证 爆炸试验结束后，剖开1 ／4 爆腔，在沿水平半径 方向上，依次对距爆心不同距离处的土体进行环刀 爆心距／c m a 试验1 a T e s t1 爆心距，c m e 试验5 e T e s t 5 爆心距／c m e 试验3 c T e s t3 取土，测定其爆后密度。在数值模拟结果中，提取对 应的土单元密度，得到图6 。 2 0 2 5 3 03 54 0 4 5 5 05 56 0 爆心距／c m d 试验4 d T e s t 4 爆心距／c m b 试验2 b T e s t 2 1 ．9 8 爆心距／c m C 试验3 e T e s t3 图6 爆腔周围土体密度验证 F i g ．6 V e r i f i c a t i o no fs u r r o u n d i n gs o i ld e n s i t y 观察图6 ，数值模拟结果显示，随着爆心距地增 爆心距／c m e 试验5 e T e s t5 加，爆炸的挤密效果以一条较为平滑的曲线衰减，爆 一。。目。．3、趟龆群州一，；望髓龆群刊一，g，望髓扭群卅 吣 ∞ 舛 眈 ∞ 2 2 2 2 2 一，目口．芒赵帮脊州 一，o 3．暑、刨龆鲜卅 万方数据 第3 3 卷第4 期 王志鹏，李海超，周双涛，等黄土中爆炸空腔体积规律的数值模拟 炸试验中，虽然取点有限，但还是与数值模拟显示出 较为一致的规律性。在设定的5 组工况下，试验结 果和数值模拟结果在空腔体积、峰值应力、土体密度 3 个方面的对比可以看出，土中爆炸的有限元模型 较好地反映了爆炸作用下土体的扩腔和挤密效应。 3 土体参数对爆炸空腔体积的影响规律 为进一步研究土体参数对爆炸空腔体积的影响 规律，利用验证可行的有限元模型，进行了2 0 组数 值模拟，依据模拟得到的数据绘制1 ／4 爆腔体积随 土体参数的变化规律曲线如图7 。 3 6 0 0 3 4 0 0 g3 2 0 0 聚3 0 0 0 蠡肇2 2 6 8 。0 。0 S2 4 0 0 2 2 0 0 2 0 0 0 密度／ g - c m 。 a 随密度变化规律 a V a r i a t i o no fd e n s i t y 量 乏 器 蛙 型 蝼 芝 分析图7 可以得出，在某一含水率下，初始土体 密度越大，爆炸空腔越小，呈现出良好的线性关系； 在某一土体密度下，土体含水率越大，爆炸空腔越 大，也呈现良好的线性关系。当土体天然密度和含 水率一同考虑时，显然土体天然密度是爆腔体积的 主要影响因素，含水率在其基础上起微调作用。进 一步的分析可知，实际上并不存在只改变含水率而 土体密度不变的理想情况，并且，对于某一种土 例 如黄土 来说，土体天然密度和含水率是最易由试 验测得的两个参数，以其二者为自变量，进行了黄土 中爆炸空腔体积的三维曲面拟合，见图8 。 密度， g e m ’2 b 随含水率变化规律 b V a r i a t i o no fw a t e rc o n t e n t 图71 ／4 爆腔体积随单一参数变化规律 F i g ．7 V a r i a t i o no f1 ／4c a v i t yv o l u m ew i t has i n g l ep a r a m e t e r 图81 ／4 爆腔体积随天然密度、含水率变化规律 F i g ．8 V a r i a t i o no f1 ／4c a v i t yv o l u m ew i t hd e n s i t y a n dw a t e rc o n t e n t 拟合结果近似为平面，表达式为 V 8 0 2 8 ．8 2 9 3 4 ．2 R 3 ．7 W 2 式中y 为1 ／4 爆后空腔体积，a m 3 ；R 为土体初 始天然密度，g ／c m 3 ；W 为土体含水率，％。从式 2 可以进一步验证，依托本次试验验证的有限元模型 进行计算，在其它条件一定的前提下，初始天然密度 是决定爆后空腔体积的主要影响因素，含水率是其 次要影响因素。 1 ．6 1 ．7 1 ．8 1 ．9 2 ．0 4 结束语 通过基于假设条件下的黄土中爆炸扩腔的数值 模拟，并进行了相应试验验证，进一步探究了爆炸空 腔的体积规律，主要结论如下 1 利用A N S Y S ／L S ．D Y N A 软件和A L E 算法建 模，可以较好地模拟土中爆炸过程，经与试验对照， 得到爆炸空腔规律、峰值应力规律和爆后土体密度 规律与试验结果吻合较好。 2 当炸药量、埋深等其他因素一定的情况下， 研究了土体参数对爆炸空腔体积的影响规律，发现 土体初始天然密度和含水率是其主要影响因素，其 中天然密度起主要作用，含水率起次要作用，并得到 了其三维拟合规律。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 林大能，胡伟，彭刚．岩土介质爆炸挤压特性分析 [ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 3 ，2 2 1 1 1 7 6 7 1 7 7 0 ． 下转第1 2 6 页 ◆兮 万方数据 1 2 6爆破 2 0 1 6 年1 2 月 效，因此耐火隔热套管在极端条件下也能满足高温 火区爆破中导爆索的防护要求。 3 结论 采用耐温吸热保护结构对现有的普通导爆索进 行保护，使得现有的普通导爆索能够应用到高温火 区爆破中，通过热电偶测温技术测量填土前后的高 温炮孔温度变化情况以及耐温隔热套管在高温炮孔 中的温度变化情况，得到的结论如下 1 填土后不同深度的炮孔温度都出现急剧下 降，下降后的炮孔温度在初期出现无规律回升，在后 期成近似线性回升，但不同深度的温度回升速率有 所不同。 2 填上干燥土后的炮孔中间温度在较长时间 内才恢复到先前的温度，其有利于导爆索的保护，但 需要进一步研究往炮孔内填上潮湿的土石后的炮孔 温度变化情况。 3 耐温隔热套管内下部温升速率比上部温升 速率快，但最终都稳定在水沸点温度，因此防护下的 导爆索在其底部温度为3 2 0 0 C 炮孔中放置4 0m i n 后 能正常起爆。 4 通过增加陶瓷纤维套管的直径即通过增加 套管中的水量不能明显减小保护结构内部温升速 率，但可以延长套管内部环境处于水沸点温度的时 间，因此后期需要进一步优化套管的直径大小。 参考文献 R e f e r e n c e s 齐俊德，禹学成．浅谈宁夏煤田火灾现状及综合治理 [ J ] ．陕西煤炭，2 0 0 7 1 3 6 ．3 8 ． Q IJ u n d e ．Y UX u e c h e n g ．P r e s e n ts i t u a t i o na n de o m p r e h e n s i v et r e a t m e n to ff i r ea c c i d e n ti nN i n g x i ac o a l - f i e l d [ J ] ．S h a a n x iC o a l ，2 0 0 7 1 3 6 3 8 ． i nC h i n e s e 周名辉，唐洪佩，杨开山．露天煤矿高温爆破技术研究 [ J ] ．爆破，2 0 1 4 ，3 1 2 1 1 9 ．1 2 2 ． Z H O UM i n g - h u i ，T A N GH o n g p e i ，Y A N GK a i s h a n ．S t u d y o fh i g ht e m p e r a t u r ea r e ab l a s t i n gi no p e n c a s tc o a lm i n e [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 4 ，3 1 2 1 1 9 1 2 2 ． i nC h i n e s e 王涛，张贵峰，廖新旭．露天煤矿高温火区干冰降温 试验研究[ J ] ．工程爆破，2 0 1 4 ，2 0 4 4 5 4 7 ，2 2 ． W A N GT a o ，Z H A N GG u i f e n g ，L I A OX i n X U ．E x p e r i m e n t a ls t u d yo fh i g ht e m p e r a t u r ea r e ac o o l i n go fo p e n c a s tc o a l m i n eb yu s i n gs o l i dc a r b o nd i o x i d e [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s r i n g ，2 0 1 4 ，2 0 4 4 5 - 4 7 ，2 2 ． i nC h i n e s e 蔡建德．露天煤矿高温区爆破安全作业技术研究[ J ] ． 工程爆破，2 0 1 3 ，1 9 1 ／2 9 2 - 9 5 ，7 3 ． C A IJ i a n - d e ．S e c u r i t yt e c h n o l o g yo fh i g h - t e m p e r a t u r eb i a s - r i n gi no p e np i t c o a lm i n e [ J ] ．E n g i n e e r i n g B l a s t i n g ， 2 0 1 3 ，1 9 1 ／2 9 2 - 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