饱和土中爆炸应力波传播特性研究.pdf

第3 0 卷第1 期 爆破 V 0 1 ．3 0 N 。．1 2 0 1 3 年3 月B L A S T I N G M a r ．2 0 1 3 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 3 ．0 1 ．0 1 2 饱和土中爆炸应力波传播特性研究木 徐学勇1 ，武金贵2 ，李炜1 ，程康3 1 ．中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，杭州3 1 0 0 1 4 ；2 。中国长江三峡集团公司向家坝工程建设部，宜宾6 5 7 8 0 0 ； 3 ．武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉4 3 0 0 7 0 摘要在饱和土地层中建设了大量的工程项目，由于安全和防卫的需要，这些重要的．X - 程必须考虑爆炸 应力波荷载的作用，研究饱和土中爆炸应力波传播特性有着重要的意义。基于应力波传播理论，初步分析了 爆炸荷载作用下饱和土介质的变形特性、压缩特性和强度特性；采用有效应力动力分析方法，推导了爆炸应 力波在饱和土介质中传播的有效应力运动方程。研究结果可以为饱和土介质中建筑设施的抗爆安全评估提 供理论依据。 关键词饱和土；安全防护；应力波；传播特性； 有效应力 中图分类号T U 4 7 2文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 3 0 1 0 0 5 4 0 4 S t u d yo nC h a r a c t e r i s t i c so fE x p l o s i o nS t r e s sW a v eP r o p a g a t i o ni n S a t u r a t e dS o i l X UX u e y o n 9 1 ，W Uf i n g u i 2 ，L IW e i l ，C H E N GK a n 9 3 1 ．H y d r o C h i n aH u a d o n gE n g i n e e r i n gC o r p o r a t i o n ，H a n g z h o u31 0 0 1 4 ，C h i n a ； 2 ．X i a n gJ i a b aH y d r o p o w e ro fC h i n aT h r e eG o r g e sC o r p o r a t i o n ，Y i b i n6 5 7 8 0 0 ，C h i n a ； 3 ．S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e ，W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ， W u h a n4 3 0 0 7 0 ，C h i n a A b s t r a c t N o w a d a y sm a n yp r o j e c t sw e r eb u i l ti ns a t u r a t e dl a n dl a y e r ．C o n s i d e r i n gt h es e c u r i t ya n dd e f e n s e ，t h e e x p l o s i o nl o a db e h a v i o ro nt h e s ei m p o r t a n te n g i n e e r i n gm u s tb et a k e ni n t oa c c o u n t ，w h i c hm a d ei ts i g n i f i c a n tt os t u d y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fe x p l o s i o ns t r e s sw a v ep r o p a g a t i o ni ns a t u r a t e ds o i l ．D e f o r m a t i o n ，c o m p r e s s i o na n ds t r e n g t h p r o p e r t i e sw e r ea n a l y z e dp r e l i m i n a r i l yb a s e do ns t r e s sw a v ep r o p a g a t i o nt h e o r y ．E f f e c t i v es t r e s sm o t i o ne q u a t i o n so f s t r e s sw a v e ss p r e a di ns a t u r a t e ds o i lw e r ed e r i v e df r o me f f e c t i v es t r e s sd y n a m i ca n a l y s i sm e t h o d ．T h er e s e a r c hr e s u l t s p r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o ra n t i - e x p l o s i o ns a f e t ya s s e s s m e n to fb u i l d i n gf a c i l i t i e si ns a t u r a t e ds o i lm e d i u m ． K e yw o r d s s a t u r a t e ds o i l ；s e c u r i t ya n dd e f e n s e ；s t r e s sw a v e ；p r o p a g a t i o nb e h a v i o r ；e f f e c t i v es t r e s s 由于经济建设的需要，我国在饱和土地层中建 设了许多的工程项目，如越江隧道、地铁等大型地下 结构。基于对安全和防卫的考虑，这些重要的工程 必须考虑地面和地下爆炸冲击波荷载的作用。因 此，研究饱和土中爆炸应力波传播特性有着重要的 收稿日期2 0 1 2 1 l l l 作者简介徐学勇 1 9 8 0 一 ，男，博士，主要从事岩土力学和爆炸力 学方面的研究， E m a i l x x y - c a s 1 2 6 。c o r n 。 基金项目国家自然科学基金项目 N o ．4 1 1 0 1 5 1 9 意义。 ’前苏联学者梁霍夫注意到饱和土中爆炸应力波 传播的特殊性，提出了饱和土介质的流体动力学模 型，描述了高围压时饱和土的变形特征⋯。B o h o n J 、D o n t s o v 、C h a r l i eWA 等学者研究了饱和多孔介质 在爆炸作用下的响应特性和气体含量对应力波传播 规律的影响心剖。钱七虎、王明洋、赵跃堂等学者对 饱和土中爆炸应力波传播规律进行了计算，初步揭 示出饱和土中爆炸波传播的一些特殊规律性”j 。 万方数据 第3 0 卷第1 期 徐学勇，武金贵，李炜，等．饱和土中爆炸应力波传播特性研究 5 5 已有的研究表明爆炸应力波在饱和土中的传播与 其他的岩土介质有着明显的不同j I 爆炸作用下饱和土介质变形特性 饱和土中爆炸应力波传播必须考虑剪应力的影 响，因此引入有效应力的概念，因为骨架中的有效应 力是饱和土抗剪切能力的唯一来源MJ 。同地震荷 载和其它稳态荷载不同，爆炸荷载作用下饱和土介 质表现出一些独特的规律性，这主要表现在以下几 个方面 ①荷载作用的瞬时性【7 ’引。爆炸荷载的作用时 间一般为几毫秒到几百毫秒，在这个时间间隔内，水 和空气来不及从饱和土的孔隙中排出，土的组分没 有变化。 ②排水条件对介质的压缩性有很大的影响。研 究饱和土的短时波动问题时，可以采用不排水边界 条件，正如试验所表明的，短时波动过程中饱和土各 组分之间的相对运动可以忽略不计归J 。在卸载阶 段，有效应力的卸载速度可能比孔隙水压力快，使得 有效应力向孔隙水压力转移，从而出现爆炸液化 现象。 ③饱和土中孔隙被水和少量空气所填充，在动 力荷载作用下固体颗粒构成的骨架也要对压缩产生 反作用力【l0 ‘。小荷载时，骨架的压缩性比空气和水 混合物的压缩性小，此时骨架的压缩性控制了饱和 土的压缩性。当荷载增加时，饱和土的变形随之增 加，由于骨架的压缩性变化不大，而空气和水混合物 的压缩性随变形的增加急剧减小，空气和水混合物 的压缩性控制了饱和土的压缩性，饱和土的变形规 律表现为递增硬化特性。 ④在动荷载作用下，应变率对介质的强度有一 定的影响，许多文献对此进行过专门的讨论Ⅲ1 。 研究表明，应变率对饱和土的影响较非饱和土小得 多。饱和土存在着界限压力，而界限压力只与饱和 土的初始气体含量有关，也说明了应变率的影响 很小。 2 饱和土介质压缩特性 在密实介质的动力学问题中，忽略压缩性的影 响会产生很大的误差，特别是当介质以近于声速般 的高速度运动时，压缩性的影响更为明显。研究表 明，在不大的荷载变化范围内，饱和土中的波传播速 度会发生很大的变化。例如对于气体含量为4 ％的 饱和土，荷载从0 增加到约5M P a 时，压缩波传播速 度能从4 0m ／s 增加到1 5 0 0m ／s 。另外，从试验中观 察到气体含量是影响饱和土中波传播速度的重要因 素，因为气体的压缩性比其他两相大得多。 饱和土中的介质压缩性由2 部分构成一部分 是饱和土中各单相的压缩性，包括气体、水和固体颗 粒的压缩性，第二部分是骨架部分的压缩性。描述 完全耦合条件下饱和土的压缩性可用式 1 表达 巧 K 。 K 一等 j ～g k K pK s 一等一蜂1 1 L 1 ■巧i _ j 7 ‘ It 式帖。 { 壹专【掣叫t11 代表 Li 1pc 。 f c - 4 J 在孔隙水压力P ，作用下固体颗粒、水和气体的变形 模量；i l ，2 ，3 分别代表气体、水和固体颗粒； ≮一p ，。c ∞2 为固体颗粒的体积模量；K 为土骨架的 体积模量，它与骨架有效应力的球应力分量有关。 已有研究表明0 1 4 ] 饱和土中骨架的体积应力应 变关系可以分为3 个阶段进行描述，即弹性阶段、孔 隙闭合阶段和完全密实阶段。按照DEB u r t o n 的建 议，岩土介质的体积压缩曲线总可以由4 条曲线构 成，如图1 所示，分别是弹性压缩曲线L 。、初始压缩 曲线L 。、极限卸载曲线L 。 又称高压卸载曲线，其对 应于卸载曲线韵最外层包络线 以及极限拉伸曲 线。对于砂类饱和土介质，其抗拉强度可取为0 ，因 此极限拉伸曲线就是图1 的横坐标轴。 图l压力一体积应变关系曲线 F i g ．1 P r e s s u r e v o l u m es t r a i nr e l a t i o n s 3 饱和土介质强度特性 饱和土中水和气体不能承受剪力，饱和土的抗 剪强度完全来自于土骨架。土骨架属于典型的“摩 阻型”材料，它的强度与压力有密切关系。如图2 所示。 取不同的围压进行试验就可以描绘出初始屈服 强度F i P 、峰值强度F 。 P 和残余强度F ， p 包 络线，如图3 所示。在通常情况下，这些包络线都是 万方数据 5 6爆破2 0 1 3 年3 月 曲线，并可以表示成压力的函数 I T “ I o r 3 ‘ p √ i ，m ，r 2 式中盯，、盯，均为饱和土不同方向的应力。 图2 中点，到点U 的应变硬化段，相对于图3 中 曲线曩 p 到曲线F 。 P 。 图2密砂和超固结土三轴试验结果 F i g ．2 T r i - a x i a lt e s tr e s u l t so fd e n s es a n da n d o v e r c o n s o l i d a t e ds o i l 喜 ．‘曼 ／。 D p 图3屈服面示意图 F i g ．3D i a g r a mo fy i e l ds u r f a c e 塑性应变逐渐累积，抗剪强度逐渐增加；从点u 到点尺的应变软化段 相对于图3 中曲线F 。 P 到 曲线t p ，随着轴向应变的增加，抗剪强度逐渐 降低。图2 中从点，到点Ⅳ再到点R ，塑性应变是逐 渐增加的，可以参照一般损伤力学的描述方法，以塑 性应变的大小作为损伤因子来控制强度曲线之间的 过渡。 4 饱和土中爆炸应力波运动方程 对于砂类三相饱和土，假设一个单位体积三相 饱和砂土内空气、水和土颗粒分别为8 ，、a ，和a ，，相 应的密度为P 。妒和P ，。三组份介质在初始压力P 0 的作用下，空气、水和土颗粒的初始密度为p ，。、p ，。和 P 加，每一种组份中波速分别为c ”c ∞和c 加。 在自由状态中各个组分按下列方程式传递爆炸 应力波 P P 0 P 丛, o r l 气态 P R 警吲“一】c ㈣ 3 4 P P o P 3 0 C 3 0 [ 缈一l 】 嘲 y 3 L 、D 一， 1 式中y 。、7 和7 ，分别为各组份的熵。 P ／P 0 I p 。／p 。。 7 1 c ， 厩 刁石两 c ，。 而，e o ‰c 2 。。一。 由此可得 5 6 7 8 ⋯1 鸶巡掣 - 9 、P l o 7 p l o c l op l o C I O 这样，三组份中的每一组份在自由状态中的压 力方程式采取下一形式 P R2 警【钳一】 1 0 由质量守恒可得体积应变与密度的关系 巳掣 1 1 8 。2 一_ 一 1 1 由于每一种组份的压缩而引起的介质密度增量 由下式确定 △P 巧 一式J p 1 2 式中在压力P 作用下，介质的密度由初始密度和每 一种组份压缩形成的项叠加而成 3 P P o ∑％ 1 一v , ／v 曲 p 1 3 i 1 由此得到 丛 a 。等 a 罢 d ，鲁㈣14P P PP ， 一 a ， a ． d ． 1 1 ‘ 2 3 3 、’ 警 驯3 等 1 】一 ㈤， 可以验证等式 1 5 是非线弹性关系，定义体积 应变以压为正，由式 1 4 和式 1 5 可以得到体积 应变增量 皑 荟3 熹[ 坐孚 1 】百△P 1 6 扛1 p 司％‘P e a c 二 。 根据式 1 6 可以得到以下关系 蚤3 熹【丛竽 l 】百C 扛1 p m c 劬。 J D m 。／0 。 令B 上_ 百 荟3 纛【等P } l 】百 k 1 p 由c m 。 扪c 二 。 则可得到 ’ A P B t A 8 7 f1 8 万方数据 第3 0 卷第1 期 徐学勇，武金贵，李炜，等饱和土中爆炸应力波传播特性研究 5 7 在不排水条件下，连续条件要求等价流体的体 积应变等于土骨架体积应变，再根据有效应力原理 可得土骨架与孔隙流体的耦合运动方程 { A t r } 【D 印 D ，】{ △占} 1 9 式中{ A o “ } 为应力增量向量；[ D 印] 为土骨架弹塑 性刚度矩阵；[ D r ] 为等效流体刚度矩阵；{ △占} 为应 变增量。 5 结语 基于应力波传播理论，初步分析了爆炸荷载作 用下饱和土介质的变形特性、压缩特性和强度特性， 并基于有效应力动力分析方法，采用等价粘弹性体 本构模型，推导了描述爆炸应力波在饱和土介质中 传播的有效应力运动方程0 饱和土介质中的工程结构与周围介质形成复杂 的受力体系，饱和土介质的成因类型、压缩性、渗透 性等工程性态对爆炸波的传播和衰减机制有着显著 影响。特别是饱和土的含气量极少，气泡呈封闭状 态，当爆炸波在土中传播时，波速高、压力衰减小、应 力波的高频部分很容易传播，在爆炸近区和中区，可 以保持应力波阵面的陡峻特征，因而导致了饱和软 土中结构极易被破坏并可能产生强烈的震动。因 此，开展饱和土介质中爆炸应力波的传播、衰减特性 研究，可以为饱和土介质中建筑设施的抗爆安全评 估奠定理论基础，具有重要的理论意义和实践价值。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] 参考文献【R e f e r e n c e s 梁霍夫．岩土中爆炸动力学基础[ M ] ．刘光寰，王明 洋，译．南京工程兵工程学院，1 9 9 3 ． B O L T O NJ ．U n d r m n e dc o n f e r e n c ec o m p r e s s i o nb e h a v i o r o fs a t u r a t e ds a n da n ds i l t [ D ] ．F o r tC o l l i n s C o l o r a d o S t a t eU n i v e r s i t y ，1 9 8 9 ． D O N T S O VVE ，N A K O R Y A K O VVE ．E n h a n c e m e n to f s h o c kw a v e si nap o r o u sm e d i u ms a t u r a t e dw i t hal i q u i d c o n t a i n i n gg a sb u b b l e s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fM u l t i p h a s eF l o w ，2 0 0 1 2 7 2 0 2 3 - 2 0 4 1 ． C H A R L I EWA ，V E Y E R AGE ．E x p l o s i v ei n d u c e dp o r e - w a t e rp r e s s u r ei n c r e a s e s [ C ] ∥P r o c e e d i n go fllt hI n t e r - n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nS o i lM e c h a n i c sa n dF o u n d a t i o n E n g i n e e r i n g ．S a nF r a n c i s c o ，1 9 8 5 9 9 7 - 1 0 0 0 ． 李华伟，梁金国，刘利平，等．区域非饱和土抗剪强度 特性及快速评价方法研究[ z ] ．国家科技成果． 张连卫，张健民．考虑墙后填土强度各向异性的主动 土压力计算方法[ J ] ．中国矿业，2 0 1 1 ，2 0 1 0 9 9 - 1 1 2 ． Z H A N GL i a n ．w e i ，Z H A N GJ i a n ．m i n ．T h em e t h o df o ra c - t i v ee a r t hp r e s s u r ec a l c u l a t i o na c c o u n t i n gf o rs t r e n g t ha n i - s o t r o p yo ft h es o i l s [ J ] ．C h i n aM i n i n gM a g a z i n e ，2 0 1l ， 2 0 1 0 9 9 11 2 ． i nC h i n e s e [ 7 ] 蔡袁强，陈成振，孙红磊．爆炸荷载作用下饱和土中隧 道的瞬态动力响应[ J ] ．岩土工程学报，2 0 1 1 ，3 3 3 3 6 1 - 3 6 7 ． [ 7 ] C A IY u a n q i a n g ，C H E NC h e n g - z h e n ，S U NH o n g - l e i ． T r a n s i e n td y n a m i cr e s p o n s eo ft u n n e l ss u b j e c t e dt ob l a s t l o a d si ns a t u r a t e ds o i l [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fG e o t e c h n i - c a lE n g i n e e r i n g ，2 0 1 1 ，3 3 3 3 6 1 - 3 6 7 ． I nC h i n e s e [ 8 ] 陈成振．爆炸荷载作用下饱和土及准饱和土中隧道的 瞬态动力响应研究[ D ] ．杭州浙江大学硕士学位论 文．2 0 1 0 ． [ 8 ] C H E NC h e n g z h e n ．A n a l y t i c a ls o l u t i o n f o rd y n a m i cr e - s p o n s eo ft u n n e ls u b j e c t e dt ob l a s tl o a d si ns a t u r a t e ds o i l a n dp a r t i a l l ys a t u r a t e ds o i l [ D ] ．H a n g z h o u Z h e j i a n gU n i c - e r s i t y ，2 0 1 0 ． i nC h i n e s e [ 9 ] A 1 - D o u r iRH ，P O U L O S ．S t a t i ca n dc y c l i cd i r e c ts h e a r t e s t so nc a r b o n a t es a n d s [ J ] ．G e o t e c hT e s t 1 9 9 2 ， 1 5 2 1 3 8 - 1 5 7 ． [ 1 0 ] 穆朝民，齐娟，辛凯．高饱和度饱和土中爆炸波 与结构的相互作用[ J ] ．岩土力学，2 0 1 l ，3 2 2 4 3 1 ．4 3 4 ． [ 1 0 ] M UC h a o - m i n ，Q IJ u a n ，X I NK a i ．I n t e r a c t i o nb e t w e e n b l a s tw a v ea n ds t r u c t u r ei nh i g h l ys a t u r a t e ds o i l [ J ] ． R o c ka n dS o i lM e c h a n i c s ，2 0 1 1 ，3 2 2 4 3 1 4 3 4 ． i n C h i n e s e [ 1 1 ]M C D O W E L LGR ．B O L T O NMD ．O nt h em i e r o m e ． e h a n i e so fc r u s h a b l ea g g r e g a t e s [ J ] ．G e o t e e h n i q u e ， 1 9 9 8 ，4 8 5 6 6 - 6 9 ． [ 1 2 ] L U Z Z A N IL ，C O O PMR ．O nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n p a r t i c l eb r e a k a g ea n dt h e c r i t i c a ls t a t eo fs a n d s [ J ] ． S o i l sa n dF o u n d a t i o n s ，2 0 0 2 ，4 2 2 7 1 - 8 2 ． I nC h i n e s e [ 1 3 ] 徐学勇，汪稔，胡明鉴，等．饱和钙质砂爆炸密实动 力特性试验研究[ J ] ．岩土力学，2 0 1 2 ，3 3 2 4 0 2 ．4 0 6 ． [ 1 3 ] X UX u e y o n g ，W A N GR e n ，H UM i n g - j i a n ，e ta 1 ．E x p e r i - m e n t a ls t u d yo fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs a t u r a t e dc a l - e a r e o u ss o i le x p l o s i o nc o m p a c t i o n [ J ] R o c ka n dS o i lM e c h a n i c s ，2 0 1 2 ，3 3 2 4 0 2 4 0 6 ． i nC h i n e s e [ 1 4 ]刘林超，杨骁．分数导数模型描述的饱和土桩纵向 振动分析[ J ] ．岩土力学，2 0 0 8 ，2 9 1 1 3 1 7 ． i nC h i n e s e [ 1 4 ] L I UI A n ．c h a o ，Y A N GX i a o ．A n a l y s i so fv e r t i c a lv i b r a - t i o n so fap i l ei ns a t u r a t e ds o i ld e s c r i b e db yf r a c t i o n a l d e r i v a t i v em o d e l [ J ] ．R o c ka n dS o i lM e c h a n i c s ，2 0 0 8 ， 2 9 1 1 3 1 7 ． i nC h i n e s e 万方数据