在动载作用下衬砌洞室抗爆加固效果数值分析.pdf

2 0 0 9 年1 2 月在动载作用下衬砌洞室抗爆加固效果数值分析王光勇等 5 在动载作用下衬砌洞室抗爆加固效果数值分析‘ 王光勇①②李桂林①张素华① ①河南理工大学土木工程学院 河南焦作，4 5 4 0 0 0 ②中国科学技术大学近代力学系 安徽合肥，2 3 0 0 2 6 [ 摘要]利用数值分析软件L S D Y N A 3 D 程序，研究了在爆炸荷载作用下衬砌加固洞室的抗爆加固效果以及 衬砌参数对抗爆加固效果的影响规律。通过分析毛洞和衬砌洞室拱顶同一位置的压力曲线，得出压应力波形及传 播规律合理；经过衬砌加固的洞室拱顶峰值位移明显减少，抗爆加固效果显著；当弹性模量不大时，随着弹性模量 的增大，抗爆加固效果有所提高，但当弹性模量增大到一定值时，再增加衬砌的弹性模量，其抗爆加固效果反而不 佳；衬砌的厚度对洞室的抗爆加固效果有一定的影响，但当衬砌的厚度增加到一定值时，再增加其厚度并不能明显 提高衬砌洞室的抗爆加固效果。 [ 关键词] 爆炸荷载衬砌洞室加固效果数值分析拱顶位移 【分类号] T D 3 5 3 1 引言 随着科学技术的发展，电子技术越来越成熟，许 多防护工程面临直接命中打击的威胁⋯，开展衬砌 加固洞室的抗爆效果研究，对提高防护工程防护能 力有十分重要现实意义。 目前，许多国内外学者已经从理论和试验上对 衬砌加固洞室的动态响应做过一定的研究[ 2 钉】，但 在高威力的爆炸荷载作用下衬砌加固洞室的抗爆效 果以及衬砌参数对抗爆效果的影响规律研究比较 少。 由于洞室在上方爆炸应力波的作用下，往往是 拱顶最脆弱，产生竖向位移最大，一旦位移超过其允 许位移，洞室就会破坏，甚至坍塌，因此拱顶位移的 大小是洞室加固效果的直接反映之一。本文尝试利 用数值分析软件L S D Y N A 3 D 程序，取自室内模型 试验尺寸及材料参数，数值模拟在集中装药爆炸条 件下的应力波对衬砌加固洞室的冲击作用，分析衬 砌加固洞室在爆炸荷载作用下拱顶位移以及衬砌参 数对拱顶位移的影响规律，为实际工程提供参考。 2 计算模型 2 ．1 数值模型的设计 计算模型取白室内模型的一部分，见图1 。取 宽高厚 2 4 0 0 r a m 2 3 0 0 r a m 4 0 r a m ，即取沿洞 室平面的水平方向2 4 0 0 姗，竖直方向2 3 0 0m m ， 洞室轴向4 0l n r n ，作近似二维的数值模拟。标准模 型洞室跨度均为6 0 0m i l l ，衬砌厚度1 2 0t o n i ，间距4 0 m i l l o 图1 数值计算模型及测点布置示意图 单位咖 岩体介质选用S O I L C O N T R E T E 材料，密度取 1 ．7g ／c m 3 ，衬砌采用塑性动力学，’肿炸药单元取 3 0g ，采用J W L 状态方程 p A I 一南 e - R l V 8 1 一南 e - t h v 等 1 式中p 、E 、弘_ 吩别表示爆轰产物的压力、内能 和比容 单位体积 。 表1 中，A 、曰、尺l 、R 2 、∞为玛亿方程必须输入的 收稿日期2 0 0 9 - 0 5 4 5 作者简介王光勇 1 9 7 7 一 ，男，博士，讲师。主要从事岩土工程动载试验研究方面的工作。g - n u d l w g y 2 0 0 3 m a i l ．t m t e ．d u ．∞ 俨ii№旷ii怯雌虹旷似 万方数据 6 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第3 8 卷第6 期 常数，P 。x o 、p ，分别为炸药、模型介质及衬砌材料密 度，P “为炸药爆轰压力，D 日为爆速，B 为爆轰初始 内能，G 、K 分别为岩体模型材料剪切模量、体积模 量，E 、肛分别为衬砌模型材料弹性模量、泊松比。 表1 耵盯炸药、J W L 方程、模型及衬砌材料参数 2 ．2 模拟过程及边界条件 计算区域包括三种物质炸药、岩体和衬砌，它 们都是选用六面体实体单元模拟。计算时把岩石和 衬砌都看作均匀的各向同性的介质。计算模型中， 炸药、岩体和衬砌采取共用节点法划分网格。为了 模拟出半无限体中的应力波的传播规律，模型左、右 边界和下边界设置为透射边界，前、后两个侧面设置 为水平位移为零边界，上表面为自由边界，忽略岩体 自重对应力波传播造成的影响。 3 模拟结果分析 3 ．1 拱顶垂直压应力的分析与比较 爆压是造成洞室破坏的重要因素之一，从爆压 时程曲线中可以看出波的作用规律。集中装药爆炸 时，在岩体中产生球面应力波，由于5 m s 后应力波 强度已衰减到零，故图2 和图3 分别是毛洞和衬砌 洞室取5 m s 的垂直压应力时程曲线，P l 一只单元 位置如图1 所示，其垂直压应力峰值应力大小见表 2 。 从图2 和图3 中可知，围岩在爆炸荷载作用下 足 ＼ R 型 出 图2 毛洞的垂直压应力时程曲线 图3 衬砌洞室的垂直压应力时程曲线 表2 单元垂直峰值应力 单位M P a 产生压应力波，都由爆炸应力波的上升段和下降段 组成，先上升，后下降，最后在零点附近振动达到平 衡；三个波形起跳时间不同，随着爆心距越大起跳越 晚，距爆心较近的P ，点先起跳，较远的P 3 点后起 跳，P 点居中，虽然三个测点相隔较近，但激波到达 时间之差却能清楚地区分开来；随着爆炸应力波向 拱顶传播，应力波强度发生了衰减，即随着应力波传 播越远，压应力峰值越来越小，这与文献[ 8 ] 中试验 所测的压应力波形及传播规律相似，表明数值模拟 结果可靠。 表2 是毛洞和衬砌洞室在P 卜P 2 、P 3 位置的压 应力峰值，通过对比相同位置的压应力峰值发现两 个洞室在爆炸荷载作用下，衬砌洞室的同一位置的 压应力峰值明显比毛洞的要大，衬砌洞室的P h P 2 、 P 3 分别比毛洞的压应力峰值大1 0 ．6 ％、1 6 ．6 ％、 1 8 ．4 ％。这是由于洞室经过衬砌加固后，围岩的波 阻抗相应增加，从而使衬砌洞室的相应点作用的荷 载增大，即压应力增大，这与试验的规律一致。 3 ．2 拱顶位移的分析与比较 在爆炸动荷载作用下，离爆心最近的洞室部位 受到的冲击破坏最厉害，产生的变形比较大，该处位 移成为评判洞室抗爆效果的主要因素之一。 图4 是毛洞和衬砌洞室的拱顶位移时程曲线， 从图中可以看出，位移时程曲线是应力波在岩体中 传播了0 ．6 船时才到达拱顶，开始起跳，由于受到 万方数据 2 0 0 9 年1 2 月在动载作用下衬砌洞室抗爆加固效果数值分析王光勇等 7 爆炸压应力作用，两个洞室的拱顶位移一开始是向 下运动，并逐渐地增大达到稳定，即位移峰值。对比 两个洞室的拱顶位移峰值，衬砌洞室在动载作用下 位移峰值明显比毛洞的位移小，只是毛洞的一半，很 好地限制了围岩进一步变形，这表明衬砌洞室在爆 炸荷载作用下抗爆加固效果显著。 图4 拱顶位移时程曲线 3 ．3 衬砌的弹性模量和厚度对抗爆加固效果的影 晌规律 通过前面的数值分析，衬砌加固洞室能够提高 洞室的抗爆加固效果，但若能知道衬砌参数对抗爆 加固效果的影响规律，将对防护工程围岩加固以及 生产实践有很好的参考价值。 影响衬砌的因素比较多，但通过分析可以知道， 衬砌的主要硬度参数 弹性模量 和厚度是两个重 要影响因素，下面就这两个因素对洞室的抗爆效果 的影响规律进行分析。 图5 是衬砌弹性模量与位移的关系图，由图可 以知道当弹性模量从7 ．5G P a 到2 2 ．5G P a ，拱顶位 移峰值是越来越小。拱顶位移从2 ．4 6 4 4m m 降到 1 ．5 9 1 5m i l l ，减少了3 5 ．4 ％，但若继续增大弹性模 量，位移峰值并没有降低，反而有所上升，这说明当 弹性模量不大时，随着弹性模量的增大，抗爆加固效 果有所提高，但当弹性模量增大到一定值时，再增加 衬砌的弹性模量，其抗爆加固效果反而不佳。形成 随着弹性模量增大，拱顶峰值位移有所增加的原因， 作者认为根据文献[ 9 ] 波的反射和透射原理，当波 从“软”进入“硬”时，反射波和入射波是同号，即相 当于在硬层上起到反射加载作用，透射波从应力幅 值上大于入射波，由于增加的衬砌弹性模量相对于 围岩的弹性模量过大。应力波从围岩传到衬砌，使得 衬砌承受的反射荷载更强，并且透射应力幅值更大。 因此，虽然衬砌的弹性模量增大，能够提高洞室的抗 爆强度，但由于衬砌的弹性模量增大而导致其上部 应力波荷载增加，同时透射波的峰值也增加，此时有 可能产生随着衬砌弹性模量的增大，抗爆加固效果 并不好的结果。 i 蠢 毯 弹性模量／G P a 、 图5 衬砌弹性模量与拱顶位移关系图 衬砌的厚度与拱顶位移峰值的关系，如图6 所 示。从图中可以得出随着衬砌厚度的增加，拱顶峰 值位移越来越小，但减小不明显。当衬砌的厚度从 1 2 0 姗增加到2 2 0m i l l 时，拱顶位移峰值只减小了 3 ．6 ％，当衬砌的厚度从1 2 0m m 增加到3 8 0m i l l 时， 厚度增加了2 倍，但拱顶位移峰值只从2 ．4 6 4 4m m 减至1 - 8 7 1 7r a m , ，减少了0 ．5 9 2 7 姗，降低了2 4 ％。 故当衬砌的厚度增加到一定值时，再增加其厚度并 不能明显提高衬砌洞室的抗爆效果。 l 蠢 理 图6 衬砌厚度与拱顶位移关系图 4 结论 通过前面的分析，可以得出以下几点结论 1 在爆炸荷载的作用下，压应力时程曲线与 试验所测的压应力时程曲线形态相似，趋势一致，数 值模拟结果可信；通过对比毛洞和衬砌洞室拱顶同 一位置的压力峰值，得出洞室经过衬砌加固后，其围 岩的作用荷载增加。 2 对比毛洞和衬砌洞室的拱顶时程曲线，发 现洞室在衬砌的加固下，拱顶位移明显减少，抗爆加 万方数据 8 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第3 8 卷第6 期 固效果有明显提高。 3 当弹性模量不大时，随着弹性模量的增大， 抗爆加固效果有所提高，但当弹性模量增大到一定 值时，再增加衬砌的弹性模量，其抗爆加固效果反而 不佳。 4 衬砌的厚度对洞室的抗爆加固效果有一定 的影响，但当衬砌的厚度增加到一定值时，再增加其 厚度并不能明显提高衬砌洞室的抗爆加固效果。 参考文献 [ 1 ] 周布奎，唐德高，陈向欣，等．刚玉块石砼抗侵彻特 性试验研究[ J ] ．实验力学，2 0 0 4 ，1 9 1 7 9 8 3 ． [ 2 ] 吴亮，卢文波，章克凌，等．侵彻爆炸荷载作用下坑道 衬砌破坏机理及影响因素分析[ J ] ．岩石力学与工程 学报。2 0 0 5 ，2 4 增1 4 9 0 0 4 9 0 4 ． [ 3 ]王祥秋，杨林德，周治国．列车振动荷载作用下隧道衬 砌结构动力响应特征分析[ J ] ．岩石力学与工程学报， 2 0 0 6 ，2 5 7 1 3 3 7 1 3 4 2 ． [ 4 ] 易长平，卢文波，张建华，等．爆破振动作用下城门洞 形衬砌的临界振速研究[ J ] ．岩土力学，2 0 0 8 ，2 9 8 2 2 0 1 2 2 0 6 ． [ 5 ]陈明，卢文波．爆炸应力波对新浇混凝土衬砌的影响 研究[ J ] ．岩土力学，2 0 0 8 ，2 9 2 4 5 5 4 5 0 ． [ 6 ] 王祥秋，杨林德，高文华，等．基于小波分析的隧道衬 砌结构动力响应规律研究[ J ] ．岩石力学与工程学报， 2 0 0 5 。2 4 1 0 1 7 4 6 1 7 5 0 ． [ 7 ] 周香莲，周光明，王建华．饱和土中圆形衬砌结构对弹 性波的散射[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 5 ，2 4 9 1 5 7 2 1 5 7 6 ． [ 8 ] 王光勇，顾金才，陈安敏，等．拱顶端部加密锚杆支护 洞室抗爆加固效果模型试验研究[ J ] ．岩土工程学报， 2 0 0 9 ，3 1 3 3 7 8 3 8 3 ． [ 9 ] 王礼立．应力波基础[ M ] ．北京国防工业出版社， 2 0 0 5 ． N u m e r i c a lA n a l y s i so ft h eA n t i ．e x p l o s i o nA n c h o r e dE f f e c t so fL i n e d T u n n e lu n d e rD y n a m i cL o a d s W A N GG u a n g y 甜I g ∞，L IG u i l i n o ，Z H A N GS u b 一 0 s c h o do fC i v i lE n g i n e e r i n g ，H e ’咖P o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y H e ’n a nJ i a o z u o ，4 5 4 0 0 0 多D e p a 衄e m0 fM o d e mM e c h a n i c s ，U I l i v e 如i t y0 fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yo fC h i n a A n h u iH e f e i ，2 3 0 0 2 6 [ A B S T R A C T ] 1 1 l ea n t e x p l o s i o na n c h o r i n ge f f e c t s0 ft h el i n e dt u n n e la 1 1 es t u d i e db yL S D Y N A 3 Ds o f t w a r eu n d e rt h e e x p l o s i v el o a d s ．T h er e s u l t ss h o wt h a tb ya n a l y z i n gv e r t i c a l 刚T 嘲t e m p o r a lc u r v e so fu n r e i n f o r e e dt u n n e la n dl i n e dt u n n e la t t h e 柏蹴p l a c e s ，v e r t i c a l8 咖t e m p o r a l 姗∞a n di t sp r o p a g a t i o nl a wi sr e a s o n a b l e ，a n dv a u l td i s p l a c e m e n to fl i n e dt l l n - 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