爆炸平面波作用下大跨度洞室抗爆性能模型试验研究

爆炸平面波作用下大跨度洞室抗爆性能模型试验研究

0大跨度地下空间锚喷衬砌支护加固技术横向超过20m的空间结构统称为大倾角空间结构。随着社会经济的逐渐发展，大力发展大跨度地下空间已经成为世界各国地下岩土工程开发和建设的共识。例如加拿大多伦多PATH、新加坡中央商务区、法国巴黎LesHalles以及国内的香港九龙站、上海静安公园地铁枢纽等大型地下空间开发工程实例都是在此大背景下设计完成的。与此同时，大跨度地下空间同样广泛应用于人防、国防工程建设，尤其是在现代战争条件下，精确制导武器能够钻入地下很深处进行精准打击破坏，对大跨度地下空间的防护能力提出了新的挑战和要求锚喷衬砌支护加固技术是现阶段大跨度地下空间洞室的主要加固方法，是保证洞室工作人员安全和保持洞室稳定的重要技术手段。对此，国内外许多学者通过模型试验、数值模拟、理论分析等各个层面进行了大量比较系统的研究，其研究成果也已经大量应用到现场的岩土工程中1模型材料室内试验现阶段大跨度洞室的抗爆试验主要采用两种方法:一种是用原型材料缩小比尺在现场进行试验;另一种是用模型材料在室内进行试验。现场试验的难点除了费时、费力之外，主要是岩体特征无法按几何比尺缩小，同时重力效应的影响也无法考虑，会对试验结果造成一定的影响。相比较来说，在室内用模型材料进行试验容易操作，并且经济合理。1.1模型洞室应力波参数计算武器爆炸引起的直接地冲击应力波，在较厚岩体中传播至工程结构附近时应力波的曲率半径已经很大，与有限的洞室跨度相比，作用在洞室上的应力波已接近平面波的形态。本试验要求在模型洞室拱顶施加垂直向下平面波荷载以模拟武器爆炸对原型大跨度洞室的破坏作用。具体做法及思路:按照现行规范计算出原型洞室部位的爆炸应力波参数，包括应力峰值、上升和作用时间等;其次，按照Froude相似比尺换算出模型洞室的各项应力波参数;最后，选择合适的爆炸方式、装药量和装药位置在模型介质中进行爆炸试验，使其在洞室部位产生所需要的应力波参数。采用Froude相似理论进行模型试验需要满足的重要比尺因数关系是K1.2试验总结1.2.1锚杆加固支护原型岩体为Ⅲ级岩体，大跨度洞室为直墙拱顶型，毛洞净跨度D为22.8m。外层全断面周边采用锚喷支护，选取ue78825锚杆、C20喷射混凝土加固;里层选取C30钢筋混凝土衬砌支护，配筋有环向、轴向钢筋，并于洞室拱脚部位进行局部加强配筋。针对原型，共进行了1次设计工况和3次超载工况抗爆模型试验，具体试验条件详见表1。1.2.2导爆索和爆炸波叠加试验要求产生一种平面应力波。试验时在模型表面沿洞室轴线方向等间距地埋设多根导爆索，如图1所示，采用两个电雷管从外围同时引爆。爆炸时单根导爆索产生的爆炸波相互叠加，可在洞室部位介质内产生较均匀的压应力波;两端垂直于洞轴线的导爆索产生的爆炸波可弥补边界叠加的不足，使爆炸波更接近于平面应力波。导爆索间距越小，这种叠加效果越好。经反复试验，取间距为15cm时，可以在模型介质内产生较均匀的平面应力波，达到试验要求。1.2.3模拟材料与原型材料物理力学参数的比较(1)岩体材料岩体材料经过多次比较，最后选定为型砂掺入30%河砂的混合料。其物理力学参数详见表2，基本符合试验的相似要求。(2)钢筋混凝土材料试验中采用石膏模拟原型中的C30钢筋混凝土，以铜丝模拟钢筋。以变形相似为首要考虑因素，即要求满足原型钢筋与模型铜丝的应变相等(K所以变形相似要求刚度EA相似，即K因此，可根据相似比尺与原型中的配筋率算出模型中铜丝的面积，进而确定铜丝网布置:侧墙和拱部为环向ue7880.33@19，轴向ue7880.23@23;底板为环向ue7880.23@30，轴向ue7880.23@30;拱角加强部位为环向ue7880.33@30，轴向ue7880.23@46。模拟材料与原型材料物理力学参数的比较详见表3。(3)锚杆材料锚杆的模拟同样以变形相似为首要考虑因素，材料选用ue7882.2塑料焊条，其抗拉强度R1.3数据监控和研究试验监测内容包括模型洞周围岩介质内自由场应力、洞壁相对位移以及洞周环向应变。1.3.1自由场应力测定自由场应力测点布置如图4，共布置14个应力测点。P1-P4这4个应力传感器布置在装药面下沿垂直方向测量自由场应力;P5-P8在洞室拱顶以上3cm水平面上，P9-P14在洞室中心附近的水平内，两组传感器分别测量所在平面的应力分布规律，其中P12-P14测量的是水平应力，其他测点均为垂直应力。1.3.2相对位移和洞壁变形测量U1～U4为自制的位移传感器，测量垂直方向即洞室拱顶底板间的相对位移。在A-A断面上沿环向布置有ε1.4试验结果的分析1.4.1不同击穿工况下的围岩应力(1)各工况下的应力对比分析在设计工况条件下，两种洞室洞周应力分布形态大致相同，但从数值上看，仍存在较大差异性:M2的拱顶、边墙处垂直应力较M1小，水平应力二者几乎相等，如图6(a);超载工况下如图6(b)、(c)、(d),M1、M2洞室岩体的垂直应力峰值分布状态大致相同，其水平应力峰值分布状态却明显不同，M2的拱顶垂直应力和侧墙水平应力较M1大，侧墙垂直应力较小。其主要原因在于M2爆距较小，所以在垂直向下的平面波作用时必然会造成拱顶垂直方向和侧墙水平方向所承载的爆炸荷载相比其他方向大，并且存在边界反射波对侧墙水平应力的影响问题，使之发生形态的改变;在爆炸荷载总量不变，M2拱顶承载较大的基础上，侧墙垂直应力相应较小。(2)爆炸应力峰值衰减规律针对试验实测峰值应力、爆心距离进行无量纲化处理。以爆心距离r与装药量的平方根W式中，P/R1.4.2位移测点的选取表4为各工况下的实测相对位移峰值及残余值的变化情况，均取为4个位移测点的平均值。从表中可以看出，在试验的各种工况条件下，M1的洞壁位移值u以U1测点在设计工况下M1与M2的位移对比图(图7)为例，据图可知:u1.4.3压拉过程变化的特性各工况下，M1与M2各点洞壁应变随时间变化明显不同。M1拱顶部位在不同工况下都呈现出从压应变到拉应变的变化过程，而M2拱顶部位只在超载工况下经历了压拉变化过程，在设计工况下只处于受压状态。二者的拱脚和直墙部位一直处于压应变状态，但其应变数值大小不同，M1远大于M2，表明在经过锚喷衬砌支护以后，M2约束洞壁变形的能力远好于M1，即抗爆能力优于M1(详见图8)。1.4.4纳入塑性破坏阶段(1)洞室破坏形态分析:M1和M2在设计工况下均未产生明显破坏，M1拱脚部位压应变为-1194με，小于Ⅲ级岩体弹性压应变峰值为1667με(ε=M1在进行超载工况1试验时，拱顶出现一轴向细裂纹，拱脚处也有较明显的挤压破坏现象，此时其拱脚应变为-1853με，大于1667με，但相差不大，表明此时M1已进入塑性破坏阶段，故以此时M1拱顶的应力峰值0.086MPa作为其临界破坏荷载。进行超载2、3试验时，洞壁应变值及其相对位移值接近成倍增长，拱顶裂纹及拱脚挤压带迅速延伸，塑性破坏加剧至洞室完全破坏(如图9)。M2直至超载工况2条件下，拱脚部位才有挤压破坏带产生，但其拱顶没有发生明显破坏。此时其拱脚压应变为-2215με，是C30混凝土压应变极限值1640με的1.35倍。表明此时洞壁介质已进入塑性破坏阶段，所以M2临界破坏荷载应介于超载1、2工况之间，取其拱顶处应力峰值平均值0.152MPa;在超载3试验时，拱部仍未发生严重塌落破坏，但在局部出现裂纹，此时其拱脚压应变值高达-3657με，已完全处于塑性状态(如图10)。(2)洞室稳定性分析:就模型试验结果而言，M2的抗爆能力远远好于M1，以二者安全系数作为其稳定性的衡量标准。在模型试验中M1、M2拱顶部位的位移集中现象最明显，故以模型试验在临界破坏荷载条件下试验实测拱顶所受应力峰值σ与设计工况下拱顶所受应力峰值σ结果表明，K2数值模拟模拟采用FLAC3D软件对垂直向下的爆炸平面波作用下大跨度洞室的动态响应进行数值模拟。该软件可以针对各种岩土材料力学效应进行分析，模拟现实岩土工程中的支护结构，例如锚杆、衬砌等与岩体的相互作用。2.1爆破能量分析数值模拟过程中以模型全体作为计算范围，将岩体以及衬砌简化为均质体，模型整体采用MohrCoulomb弹塑性本构模型。针对两种试验模型产生初始破坏状态的时间，对超载1、2工况进行模拟计算。爆腔设在距离装药面5cm处，根据拟合公式1测算得一、二工况爆腔内壁的应力峰值分别为1.49、1.52MPa;参考试验实测数据以及现行规范计算其升降压时间，以Fish语言施加平面波荷载于爆腔内壁，见表5;为尽量减小应力反射波的影响，引入静态黏滞边界;实际岩体的阻尼效应会使爆炸能量产生损耗和逸散，且作用明显，所以计算时采用了瑞利阻尼。鉴于本文对于抗爆结果的分析考虑，选取最具代表性的计算位移进行分析。2.2计算结果对比在施加荷载后的数值计算过程中，对侧墙、拱顶的各个监测点进行位移记录，其位移计算云图结果如图11所示。由图可知，在超载1、2工况条件下，M1的拱顶位移相对于M2，集中现象更明显。这是由于M2拱顶岩体受到了锚喷衬砌支护作用影响，加固作用明显，造成M2拱顶岩体的刚度、密度在一定范围内大于M1，在一定程度上既约束了岩体向洞内的自由变形，又造成M2应力波在拱顶岩体中的传播速度大于M1，进而能够将爆炸荷载快速传递到侧墙外围岩体中，从而减小了拱顶荷载集中。图12为M1、M2的拱顶位移实测波形与数值计算波形对比图，据图可知:(1)在两种工况下，二者波形大致相似，均为先下降到达波形负峰值后再回升，但实测波形回升幅度大;(2)从数值上，实测波形峰值均大于计算波形，而计算残余值又大于实测残余值;(3)二者上升时间和作用时间相差不大;(4)超载工况1下M2仍处于弹性阶段，但M1已进入塑性破坏阶段;(5)M2较M1约束洞室拱顶位移作用明显，抗爆效果显著。由此可见，实测位移波形与数值计算波形一致性较好，能够明显表现出二者抗爆性能的区别。3试验结果分析(1)各工况下未支护洞室与锚喷衬砌支护洞室洞周应力分布状态大致相同，拱顶处均为垂直应力集中部位。设计工况下，未支护洞室拱顶应力略大于支护洞室，但随着超载工况下药量的增加和爆距的减小，支护洞室拱顶应力逐渐大于未支护洞室，且差距逐渐增大。这是因为未支护洞室在试验过程中拱顶部位首先产生破坏，造成应力释放，且随着比例距离的减小，拱顶破坏程度越发严重，应力释放现象加剧，进而导致其拱顶部位应力小于锚喷衬砌支护洞室。(2)从位移上看，试验实测数据和数值计算结果均表明:各工况下，未支护洞室拱顶