川渝拆除17713551981水压爆破作用机理
1水压爆破中水的作用原理
)传能作用
在水压爆破中,水作为炸药与介质之间的媒介,主要起到一个传播能量的作用,即炸药爆
炸能量通过水均匀地传递给介质。由于水是一种微压缩性介质,能量传播效率极高。
2)缓冲作用
当炸药与被爆介质密集接触时,炸药爆炸后形成一个粉碎圈,消耗了大量能量而做岀的却
是无用功。水压爆破靠水的传能作用,水中冲击波均匀地作用在被爆介质上,介质只产生破
裂,而不产生塑性流动和过粉碎。不仅提高了能量利用率,同时也起到了缓冲作用。
3)“水楔”作用
炸药在水中爆炸时,水中冲击波在围绕孔壁的介质中产生径向裂隙和环状裂隙,随后水和
爆炸气体进入到裂隙中,对裂隙起到扩展和延伸的作用,“水楔”相对于“气楔”而言,“水楔”的
劈裂作用要大于“气楔”的劈裂作用,这是因为水携带的能量远远大于气体所携带的能量。
2水压爆破构筑物破坏机理
(1)水中冲击波和高压脉动气泡综合作用。在诸如素混凝土这样的均匀介质中,炸药在
水中爆炸后,形成水中冲击波和高压脉动气泡,在破坏介质的过程中,冲击波初次加载于介质,
使介质整体产生位移,在介质内部引起应力、应变。当应力、应变超过临界值时,介质中产生裂
隙。随后,炸药在水中爆炸形成高压脉动气泡气泡在初始时刻处于高压状态,初始行为是膨
胀。在脉动过程中,由于气体产物受浮力作用,气泡逐渐上升。气泡膨胀时,上升缓慢,几乎原
地不动,而气泡受压缩时上升加快。所以,应该认为高压气泡在第一次膨胀时,几乎在原装药
所在水平面上,只要药包有一定的入水深度,气泡在水中的膨胀行为就必然发生。介质在高压
脉动气泡振荡引起的二次应力波作用下进一步被破坏。残压水流对碎块有抛掷作用。试验
证明:
①在水压爆破中,气泡振荡所引起的二次应力波最大压力虽然不超过冲击波峰压的
10%~20%,但二次应力波的作用时间远超过冲击波的作用时间;
②冲击波和二次应力波的冲量几乎是相当的,故高压脉动气泡振荡引起的二次应力波作
用是不可忽视的。
(2)在无限水域中,炸药爆炸后所引起的对水中结构的破坏,多数情况下冲击波占主导作
用(冲击波携带的能量约占爆炸总能量的50%),气泡脉动压力波通常只引起附加破坏
(3)容器器壁在水中冲击波和高压脉动气泡综合作用下,受到压缩、拉伸、剪切作用,但介
质的被破坏主要是拉伸破坏。
(4)钢筋混凝土容器中的水压爆破比素混凝土的水压爆破更为复杂,其破坏一般分为四个
阶段
①钢筋混凝土的弹性变形阶段,钢筋和混凝土共同承受荷载,抵抗切向拉应力作用;
②随着荷载的增加,混凝土开始受损,当拉应力大于混凝土的抗拉强度时,混凝土开裂,此
后,容器的受力全部由钢筋承担,混合物不再承受作用力;
③随着荷载的进一步增加,在原有裂隙不断扩展的同时,新裂隙继续增加,当切向拉应力
达到钢筋的屈服极限后,钢筋发生塑性变形,混凝土破裂、脱落;
④当切向拉应力大于钢筋的强度极限后,钢筋被拉断。
4.3.3水压爆破荷载的计算
1)等效静载荷法
等效静载荷法的原理是按照水中冲击波压力衰减的规律,由炸药爆炸产生的初始冲击波
压力求出作用在壁体上的荷载。当壁体的压力超过介质的强度时,壁体被破坏。
(1)将圆柱壳状容器在爆炸荷载作用下运动规律简化成单自由度无阻尼强迫振动来处理
(4-1)
式中:X—系统振动位移;
K—系统弹簧系数;
t一时间
m-物体质量
设圆柱形容器周壁受到均匀等效静内压P,半径为R,壁厚为δ(R》0)。圆筒的切向拉
应力为σ=PR/δ,最后以比冲量为基础推导出爆炸荷载作用下圆柱形薄壳的切向应力:
(4-2)
式中:P-壳体材料的密度;
Eg-壳体材料的弹性模量;
Q-装药量。
在实际应用中容器材料的强度极限必须乘以安全系数,容器方能完全被破坏。
(4-3)
式中:ob-容器材料的强度极限;
n-安全系数。
(2)根据集中药包在无限水介质中爆炸形成冲击波的衰减规律,参照试验数据,推导出作用在内壁面的荷载
(4-4)
式中:Q-装药量;
R-结构物内半径。
冲击波作用在结构物上,在壳体内形成应力波,并随传播距离的增加而衰减,如下式所示:
(4-5)
(4-6)
式中:0-结构物内径向应力;
P-冲击波峰值压力;
R-结构物内某一点距药包中心的距离;
G-结构物内切向应力;
u-泊松比
药包在水中爆炸形成冲击波,对结构物施加荷载,当此荷载在结构物内部引起切向拉应力等于或大于结构物的抗拉强度时,便形成径向裂纹。结构物的水压爆破,至少应保证径向裂纹贯穿整个结构物厚度,即
(4-7)
式中:K2-结构物在动态多维荷载下的抗拉强度提高系数,Ka=3;
r-结构物内半径;
o-结构物壁厚;
σt-混凝土的抗拉强度。
以上公式推导所选用炸药均为TNT炸药
(3运用材料的强度理论,分析薄壁圆筒和厚壁圆筒在爆炸荷载作用下的受力状态
由试验得知:炸药在水中爆炸时,水中冲击波的峰值压力为
(4-8)
式中Q-炸药量,kg;
R-空间点与药包之间的距离,m;
K,a-系数与指数,当TNT炸药的密度为1.25g/cm3时,K=533,=1.13
当水中冲击波的峰值压力Pm作用于圆筒内壁时,随着圆筒壁厚的不同,产生的应力状态也不相同。
①对于薄壁圆筒,筒内质点产生的应力主要是切向拉应力a1,破坏方式为拉伸破坏。当
01大于或等于圆筒壁上质点的极限抗拉强度oB时,即a1≥B时,便发生破坏。图4-1为受力示意图
根据内力的作用原理,冲击波的峰值压力Pnm与筒壁上质点产生的切向拉应力a1有如下关系
式中:01-筒壁上质点产生的切向拉应力,kg/cm2;
t-圆筒壁厚,cm;
r2-圆筒内半径,cm。
当达到强度极限时,即
(4-9)
将式(49代式(4-8),得
(4-10)
②对于厚壁圆筒,则采用第三和第四强度理论进行校核。筒内质点产生的应力有a1、O2和a。其中:01是切向拉应力,a3是径向压应力,a2是垂直横截面的压应力,如图4-2所示。然后,分别求出a1、a2和a3与波峰压力的关系式。采用第三强度理论和第四强度理论进行破坏校核
根据第三强度理论导出的药量计算式如下:
(4-11)
根据第四强度理论导出的药量计算式如下
(4-12)
2)动载法
动载法与等效静载荷法的主要区别在于前者考虑了结构物的动力响应,从而较好地模拟了结构物在爆破荷载作用下的运动规律。
(1)通过对敞口薄壁圆筒的动力响应分析,得出了轴向荷载的表达式
水压爆破机理的示意图可以用图43表示。A点的内表面应力a1|=2为正,轴向受拉。
由于随着距爆源距离的增大,冲击波的作用减小,而动压的作用增大,故薄壁圆筒荷载与∝
有关(δ为圆筒壁厚,R为圆筒半径),R越小,动压作用越明显。根据结构物的动力响应,从理
论上计算出薄壁圆筒形构筑物(。R<0.2)的轴向应力表达式(a1|2=82)。取a12=82=0B(aB为
混凝土极限抗拉强度),可推导出药量计算公式。推导出的药量公式与试验结果比较吻合。
图4-1薄壁圆筒受力示意图
图4-2厚壁圆筒受力示意图
图4-3水压爆破破坏形式
(2)对于薄壁圆筒
,结构的动力效应主要表现为结构的变形随时间而变化,求得的作用在薄壁圆筒上的环向应力(ap)和纵向应力(ax)
式中:ox,o4-纵、环向应力;
u,s-纵向和径向位移;
E-材料弹性模量;
v-材料泊松比
R-构筑物中部内半径;
h—构筑物壁厚
敞口圆筒,位移函数s(x,t)在x=h/2处取得最大值,进一步推出在x=H/2(H为
圆筒高度)处∝远小于σφ,因此环形裂隙较纵向裂隙更难开展。破坏程度系数定义为:
式中:t1位移到达峰值时间;
[o4]d环向动允许应力。
由此确定了构筑物破坏程度
综上所述,等效静载荷法似乎比动载法更为简单,前者省去了冗长的数学推导。动载法由于考虑了结构的动力响应,较前者更为合理。但在实际工程中,二者均有应用。
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