锚固洞室拱部侧爆模型试验

张献文 ,沈 俊 ,陈安敏 ,张 伟 ,杨为民

(1.河南科技大学建筑工程学院,河南洛阳 471003;2.总参工程兵科研三所,河南洛阳 471023)

0 前言

随着深侵彻、高精度、大威力钻地武器的发展,地下防护工程受到严重威胁,提高地下防护工程抗爆能力研究成为一个事关地下防护工程能否生存的重大课题。按爆炸位置不同,钻地武器爆炸可分为顶爆、拱部侧爆和边墙侧爆。爆炸位置不同,洞室受力和破坏特点就不相同。已有的文献资料多是关于顶爆、边墙侧爆和锚杆方面的研究[1-12],尚未见到关于拱部侧爆方面研究的文献资料,而拱部侧爆是一种比顶爆更普遍的情况。本文通过室内模型试验,对地下直墙拱顶型锚固洞室在集中装药拱部侧爆条件下的破坏情况和受力变形特点进行了研究。

1 模型设计

图1 爆心位置及测点布置图

本试验原型洞室围岩按Ⅲ类岩体性质考虑,模拟岩体材料为低强度水泥砂浆,锚杆采用铝丝。根据Froude比例法,确定密度、应力和长度等相似比尺,模型尺寸为2 400 mm×1 500 mm×2 300mm(长×宽 ×高)。试验装置为总参工程兵科研三所研制的岩土工程抗爆结构模型试验装置。试验爆心位置及各种测点布置见图1。图中P1P7为径向压应力测点;ε1ε11为洞壁应变测点;U1U3为位移测点;a1,a2为加速度测点。试验共放炮 5次,相应的装药量分别为 40、80、120、160和 160 g。为叙述方便,分别称为第 15炮。前 4炮爆心位置不变,只改变药量,第5炮药量同第 4炮,爆心距由前 4炮的 500 mm变为第 5炮的400mm。模型中锚杆长度为180 mm,间距为 40mm,直径为 1.84 mm。试验锚固参数,包括锚杆间距、长度、分布形式等是通过多组对比试验后,按顶爆情况下优化参数选取[3]。

2 试验结果及分析

本次试验从洞室破坏形态、破坏过程、围岩径向应力、洞壁应变、拱顶和边墙位移、拱顶和底板加速度 6个方面进行研究。

2.1 洞室破坏形态

图2 洞室破坏形态

第 5炮后,将模型沿横向从中部剖开,剖面如图2所示。由图2可以看出,洞室破坏形态是在迎爆侧拱脚出现了竖向裂缝,在迎爆侧半拱中部出现了环向和水平裂缝,在拱顶和迎爆侧拱脚发生掉块现象。拱脚竖向裂缝出现原因是由于在爆炸应力波作用下,拱脚右侧下部为边墙,对拱脚具有较强的支撑作用,向下位移较小,而拱脚左侧下部为临空面,向下位移较大,导致拱脚部位岩体变形不协调,发生剪切破坏。出现水平和环向裂缝原因是由于爆炸应力波在迎爆侧半拱围岩表面发生反射,使围岩受拉伸而产生裂缝。拱脚和拱顶处的掉块现象是因为这两个部位分别是剪切变形和拉伸变形的薄弱位置,当两种变形足够大时在薄弱位置发生局部破坏。迎爆侧拱部尽管出现了较宽且贯通的裂缝,但未出现大块岩体脱落现象体现出锚杆的抗剪和抗拉作用,它也是锚固洞室抗爆能力高于毛洞的主要原因。总之,洞室破坏主要发生在迎爆侧半拱,其他位置无明显破坏现象,这与第 5炮后洞室内观察到的宏观破坏情况一致。

由洞室破坏形态可以看出,拱部侧爆情况下,洞室破坏主要发生在迎爆侧半拱,因而,该部位应是重点防护部位。根据上述洞室破坏,为提高洞室的抗爆能力,可采用加密的高抗拉、高抗剪锚杆和表层喷网相结合方法对洞室进行加固。

2.2 洞室破坏过程

图3 洞室破坏过程

从洞室内观察,洞室宏观破坏过程如图3所示。由图3可以看出,在第 3炮前,洞室未发生破坏。第 3炮后,洞室在迎爆侧半拱中部出现掉块和不连续的横向裂缝。第 4炮后,迎爆侧半拱中部的裂缝贯通并向拱脚部位延长,拱顶出现表层局部脱落。第 5炮后,迎爆侧半拱中部的裂缝向拱顶延长,拱顶表层局部脱落现象沿洞室轴向加剧。同时,洞室在迎爆侧拱脚出现沿洞室轴向表层局部脱落现象。可见,洞室破坏过程是首先在迎爆侧半拱中部出现横向拉伸裂缝,其次在拱顶出现表层局部脱落现象,最后在迎爆侧拱脚沿轴向出现表层局部脱落现象。洞室背爆侧、边墙和底板未出现明显破坏现象。洞室的横向裂缝是由于该部位受压应力过大,出现反弯所致。

因此,若将迎爆侧锚杆沿洞室轴向用钢板带连接,提高洞壁的抗拉强度,限制裂缝发生或减小裂缝宽度,可能有利于提高洞室的承载能力。

2.3 洞室围岩内应力分析

图4为第 2炮时洞室围岩径向压应力第一峰值分布图,其余各炮次在分布形态上与第 2炮相似,限于文章篇幅,不再一一给出。

(1)拱部侧爆情况下,洞室围岩径向压应力最大值出现在迎爆侧半拱中部(对应测点为 P3)。可见,迎爆侧半拱中部为受力最不利位置;(2)拱部侧爆时,围岩径向压应力分布具有非对称性,这一点与顶爆不同。洞室围岩压应力主要集中在迎爆侧半拱,而洞室破坏也主要发生在迎爆侧半拱,由此看来,洞室径向压应力是洞室破坏主要控制因素;(3)图5给出了第 2炮时迎爆侧半拱中部和拱脚的应力时程曲线。由图可知:迎爆侧半拱首先受较大压力然后发生反弹或再反弹,相应地应力时程曲线表现出双峰或三峰特点。这种应力反弹现象是由于反射拉伸波所致,并与岩体材料弹性恢复力有关。

2.4 洞壁四周应变分析

图6是将第 2炮各应变测点的应变第一峰值用折线连接,正号表示拉应变,负号表示压应变。

图6 第 2炮各测点应变第一峰值分布图

(1)由图6可以看出,压应变最大值出现在迎爆侧拱脚,其他值相对较小。拉应变最大值在迎爆侧半拱中部。除迎爆侧半拱中部和背爆侧边墙下部出现拉应变外,洞壁其它各测点均为压应变。

(2)迎爆侧半拱中部(对应于测点ε2)反向受拉说明这里受到了相当大的压力。尽管该部位拉应变最大值较小,但因模拟材料为低标号水泥砂浆,其抗拉强度远低于抗压强度,洞室首先在该部位出现受拉破坏。

(3)应变测试数据说明,拱部侧爆情况下,迎爆侧拱脚和半拱中部为受力不利位置。

2.5 位移分析

表1 测点峰值位移表

各炮次测点位移最大值见表1。图7是根据测点位移、测点应变并结合数值模拟做出的t=3.2 ms时的洞室变形图,图7中实线表示原洞室轮廓线,虚线表示变形后洞室轮廓线,它们之间的斜线方向表示对应测点的位移方向,长度表示合成位移大小。

(1)由表1可以看出,拱顶(对应测点 U1)、迎爆侧边墙(对应测点U3)和背爆侧边墙(对应测点 U2)的最大位移均随着药量的增加而增大。它们的最大位移由大到小顺序是拱顶、迎爆侧边墙、背爆侧边墙。前 3炮各测点位移最大值随药量呈线性增加,其原因是由于相应部位未破坏。拱顶在第 4炮后,由于破坏而不再呈线性。由此可知:在实际工程或试验中,可将位移是否为线性作为洞室是否破坏一个必要条件。

(2)图7中,洞室变形具有代表性,洞室各点变形大小关系与方向在爆炸荷载作用大部分时间内基本与此相同。由图7中可以看出,洞室变形最大位置是迎爆侧半拱中部。洞室变形主要表现为拱部和迎爆侧边墙先向洞内位移,之后反弹,再向洞内位移再反弹,如此反复振荡。但洞室反弹位移始终小于第一次峰值位移。

图7 洞室在t=3.2m s变形图

2.6 洞室拱顶及底板加速度分析

各炮次拱顶及底板加速度最大值见表2,由于放第 1炮时加速度测点出现问题未测出数据,因而在表中未列出第一炮峰值。

表2 拱顶和底板加速度最大值 10m/s2

(1)第 2炮时洞室拱顶中部加速度最大值远大于底板中部,二者加速度比值为 17.5,说明拱顶受力远大于底板。因此,拱顶较底板更容易发生破坏。(2)对第2炮时拱顶加速度时程曲线二次积分,可以得出拱顶的最大值位移为 0.51 mm。由上述方法求得的拱顶位移最大值与表1中第 2炮实测的位移最大值较接近,说明通过加速度二次积分求位移法,可以校核检验位移和加速度测试系统的正确与否。(3)从表2可以看出,第2炮时,底板加速度远大于人体立姿、坐姿无约束时的容许值(小于 10m/s2)[12]。由于各种设备容许值大都在(25)×10 m/s2左右,故底板速度也远大于各种设备振动容许值。因此,该类洞室设计时必需采取减震措施。

3 结论

通过上述分析,可得出直墙拱顶型锚固洞室在集中装药拱部侧爆情况下几点结论:

(1)洞室最薄弱区域为迎爆侧半拱,洞室破坏主要发生在该区域。洞室底板、边墙和背爆侧拱部未出现明显的破坏现象。洞室破坏类型为在迎爆侧半拱拱脚发生剪切破坏,半拱中部发生拉伸破坏。(2)洞室围岩径向压应力是洞室破坏主要控制因素,其分布具有非对称性,最大值出现在迎爆侧半拱中部。(3)洞室拱部和迎爆侧边墙先由于受压而向洞内位移,之后回弹振荡。在各测点位移中,拱顶的向下位移远大于两边墙位移,说明拱顶较边墙更容易发生破坏。拱顶的加速度最大值远大于底板加速度最大值,说明洞室拱顶受力远大于底板受力,更容易发生破坏。洞室底板加速度值在较小的爆炸荷载下就远大于人体和设备振动容许值,故该类洞室设计时必需采取减震措施。

[1] 顾金才,陈安敏,徐景茂,等.在爆炸荷载条件下锚固洞室破坏形态对比试验研究[J].岩石力学与工程学报,2008, 27(7):1315-1320.

[2] 王光勇.提高锚固洞室的抗爆能力技术措施研究[D].合肥:中国科学技术大学,2009.

[3] 杨自友.锚固洞室的抗爆性能研究[D].合肥:中国科学技术大学,2008.

[4] 杨苏杭.预应力锚索对地下洞室抗爆加固效应模型试验与数值模拟研究[D].洛阳:河南科技大学,2006.

[5] 王承树.爆炸荷载作用下坑道喷锚支护的破坏形态[J].岩石力学与工程学报,1989,8(1):72-91.

[6] 陈剑杰,孙 钧,林俊德.深埋岩石洞室受爆炸应力波荷载作用的破坏效应[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2001,20(4):402-404.

[7] 陈剑杰,孙 均,林俊德,等.强爆炸应力波作用下岩石地下洞室的破坏现象学[J].解放军理工大学学报,2007,8(6):582-588.

[8] 朱如玉,王承树.某观察坑道在爆炸荷载下破坏情况的宏观调查分析[J].爆炸与冲击,1982(2):17-26.

[9] 黄承贤.土岩爆破中岩体和坑道爆破分区的试验研究[J].岩土力学,1986,7(1):35-45.

[10] 杨昇田.侧向爆炸荷载下直墙拱形岩洞强度的近似分析[J].爆炸与冲击,1982(4):24-32.

[11] 赵以贤,王良国.爆炸载荷作用下地下拱形结构动态分析[J].爆炸与冲击,1995,15(3):201-211.

[12] 杨为民,李燕粉,张 伟.全长粘结式砂浆锚杆的力学特性数值分析[J].河南科技大学学报:自然科学版,2008,29 (3):67-69.