土中爆炸襯砌有限元數(shù)值模擬*

杜榮強(qiáng) 王海亮 韓金生

土中爆炸襯砌[1]是利用在一定土體埋深下進(jìn)行炸藥爆炸,擠壓土體形成具有一定容量的球形空腔,并將砂漿經(jīng)爆炸作用在空腔外壁上形成具有一定承載能力、防滲和防護(hù)能力的襯砌保護(hù)體。爆炸襯砌形成的地下空間是近幾年出現(xiàn)的一種新型防護(hù)體,首先由王海亮等[1]提出應(yīng)用于解決北方旱季農(nóng)田保濕和灌溉問題,對解決目前普遍的耕地干旱問題具有積極意義。由于爆炸襯砌這種新型結(jié)構(gòu)形式是近年內(nèi)才在農(nóng)田方面開展研究,對于它的工作性態(tài)了解很少,雖有從彈性力學(xué)理論角度對爆炸襯砌的初步研究[2],但受到多變的工作環(huán)境和襯砌材料不均等方面的影響,爆炸襯砌工作性態(tài)將較為復(fù)雜。本文利用有限元方法,對爆炸襯砌從數(shù)值上建模并進(jìn)行彈塑性分析,模擬其較為復(fù)雜多變的工作性態(tài),并進(jìn)一步討論其工作能力,以便對這種水利設(shè)施的安全性能和工作能力有較為全面的掌握,使之更好地服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1 有限元建模

對于爆炸形成的地下球形襯砌,考慮爆炸過程中的材料不均勻,將襯砌分成內(nèi)層、中層和外層三種力學(xué)性能有差異的簡單混凝土材料組成的結(jié)構(gòu)體,并研究處于一定埋深的土體包容環(huán)境下的應(yīng)力分布和變形情況,考慮到球形襯砌及工作環(huán)境具有在空間對稱性的特點(diǎn),將襯砌模擬簡化為平面問題,并取半結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,半結(jié)構(gòu)及材料分布如圖1a)、單元離散如圖1b)所示。在圖1b)中,襯砌外土體在達(dá)到一定厚度后,襯砌受此厚度外土體影響不大,因此在模擬分析時外層土體厚度取襯砌半徑的一定倍數(shù)便可,本文取襯砌外土體厚為襯砌外半徑的15倍。

2 材料參數(shù)

根據(jù)對爆炸襯砌材料的力學(xué)性能試驗(yàn)[3],確定爆炸襯砌各層材料用于模擬分析的力學(xué)參數(shù)見表1。

3 破壞準(zhǔn)則

考慮到混凝土拉壓力學(xué)性能不同,并且破壞與圍壓有密切關(guān)系等特征,選用能反映這些特點(diǎn)的混凝土Hsieh-Ting-Chen四參數(shù)破壞準(zhǔn)則[4]作為混凝土的破壞判據(jù)。

表1 襯砌材料力學(xué)參數(shù)

其中,I1,J2,J3分別為第一應(yīng)力不變量、第二和第三應(yīng)力偏量不變量;a,b,c,d均為混凝土材料參數(shù),a=2.0108,b=0.9714,c=9.1412,d=0.2312。

4 有限元模擬

通過分析可知襯砌本身的變形較微小,整體變形主要體現(xiàn)在土體方面,其原因是由于襯砌和周邊土體相比剛度和強(qiáng)度相對較大造成的,故而在此對襯砌的變形不做分析和討論,僅研究襯砌應(yīng)力狀態(tài)的分布及變化。研究其在空容(內(nèi)部無水)、半容量(水位達(dá)到襯砌半徑高度)、滿容下(襯砌正好充滿水)的最大主應(yīng)力S1和最小主應(yīng)力S3,為明了起見,應(yīng)力等值線圖形僅繪出襯砌部分。通過比較分析知空容和半容量下爆炸襯砌應(yīng)力分布差別不大,等值線分布見圖2,滿容下應(yīng)力等值線分布見圖3。

為了解爆炸襯砌在水壓作用下的最佳工作情況和應(yīng)力分布,以及在極限水壓下的工作情況,研究了超高水位(即襯砌充滿水后上部仍有一定高度的水位)下的應(yīng)力分布和極限下的應(yīng)力狀態(tài)(見圖 4,圖 5)。

5 結(jié)果分析

通過圖2～圖5應(yīng)力等值線分布可知,襯砌工作應(yīng)力狀態(tài)最佳時的水位是在一定超容狀態(tài)下,此時爆破襯砌應(yīng)力分布狀態(tài)最好,最大拉應(yīng)力不到10 kPa,而最大壓應(yīng)力均處于負(fù)值。此時爆破襯砌材料受力處于材料的力學(xué)性能安全范圍。而當(dāng)襯砌內(nèi)水位不斷變化時,對襯砌工作情況有如下認(rèn)識:

1)空容下,爆破襯砌在下部外邊緣承受了300 kPa左右的拉應(yīng)力,在外層襯砌混凝土抗拉強(qiáng)度0.7MPa范圍內(nèi)。半容時,最大和最小主應(yīng)力變化不大,且應(yīng)力分布范圍一致。當(dāng)滿容時,應(yīng)力分布范圍、模式和空容、半容時一致,但應(yīng)力分布范圍減小,最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的最大值有所降低。這說明內(nèi)部貯水情況下,隨貯水增多,對襯砌受力有利,初砌趨向安全。空容時襯砌處于較不安全狀態(tài),但初砌材料未達(dá)到破壞的程度。

2)隨水位增加到超容過程中,出現(xiàn)最大拉應(yīng)力的范圍逐漸減小,拉應(yīng)力降低;同時最大壓應(yīng)力也有一定程度提高,但均沒有出現(xiàn)正值,即壓應(yīng)力均處于受壓狀態(tài)。在超容過程中,一定范圍的水位使襯砌應(yīng)力分布最為理想:拉應(yīng)力基本很小,壓應(yīng)力也較小,這時襯砌材料最為安全,此時的水位為襯砌最安全的工作水位。

3)在水位達(dá)到一定程度后,襯砌最大拉應(yīng)力由襯砌下部外邊緣向上發(fā)展,達(dá)到襯砌下部內(nèi)邊緣處。同時最大壓應(yīng)力的最值也在向襯砌內(nèi)部發(fā)展,并且最小主應(yīng)力也達(dá)到正值,此時對混凝土強(qiáng)度安全趨向不利。

4)在上部承受超壓水位較大時,可看出襯砌內(nèi)部下邊緣處最大拉應(yīng)力將接近混凝土的抗拉強(qiáng)度,可能引起破壞。說明此時爆破襯砌達(dá)到了臨界承載能力。

6 結(jié)語

本文利用有限元對在不同水容量和土體包容環(huán)境下的爆炸襯砌進(jìn)行了數(shù)值模擬,通過彈塑性分析獲得在不同水容量下襯砌的應(yīng)力狀態(tài)變化,通過分析確定了襯砌在空容下工作較為不利,但處于安全工作范圍內(nèi);在內(nèi)部貯水增多到一定程度時襯砌趨向安全,但當(dāng)超過一定水位限度,襯砌工作又趨向不利,且在達(dá)到限定水位下襯砌將出現(xiàn)破壞。這對爆炸襯砌的工作狀態(tài)認(rèn)識和指導(dǎo)襯砌空間在農(nóng)田水利中的應(yīng)用具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。對應(yīng)用爆炸襯砌進(jìn)行雨水期時存水,在旱季時農(nóng)田抗旱,保障農(nóng)作用物抗旱保收具有重要意義。

[1]王海亮,馬 敏,葉朝良,等.爆炸成腔與爆炸襯砌對土體含水率的影響[J].巖土工程學(xué)報,2008,30(184):425-428.

[2]郭增強(qiáng),趙玉成,王海亮.土中球形爆破襯砌承載力的研究[J].鐵道建筑,2004(2):43-45.

[3]王海亮.土中爆炸襯砌應(yīng)用基礎(chǔ)研究報告[R].軍械工程學(xué)院研究院,2005.

[4]朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,2000:316-319.