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內聚力模型參數(shù) 內聚力和粘聚力的區(qū)別( 二 )

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1、設計原理
本實驗裝置以化爆實驗中建立的拋擲巖石爆炸能量轉移機制為物理模擬基礎,把大當量地下爆炸成坑過程看作爆炸氣狀生成物推出碎裂巖石的結果,主要模擬與彈坑形成和巖石移動相關的氣體加速階段和慣性拋擲階段,而沖擊波作用階段已經(jīng)結束,此時已知爆炸腔體的大小,腔體周圍巖石受到破壞,模型的初始參數(shù)為爆腔的大小和腔體氣體能量 。地下爆炸彈坑的主要特征參數(shù)包括:彈坑半徑R、深度H、體積V、拱頂最大質點速度vm以及氣體加速運動時間tm 。該模型的支配參數(shù)為爆炸源、破碎巖石介質和外部環(huán)境的特性,爆源的關鍵參量為空腔半徑rn、腔體氣體能量E(或壓力P)、裝藥埋深h、絕熱線參數(shù)χ;對于巖石的拋擲過程,忽略介質的壓縮性,破碎巖石的關鍵參數(shù)為密度ρ、巖塊間的摩擦因數(shù)kT、破碎巖塊脫離母巖的內聚力c;外部環(huán)境參數(shù)包括重力加速度g和自由面大氣壓Pa 。根據(jù)相似理論量綱分析法[10],M.A.Sadovskii等[4]最早給出了描述彈坑形成發(fā)展過程與拋擲巖石初始條件和特性間的關系式為:
根據(jù)相似準數(shù)恒定的要求,各物理量相似常數(shù)之間的關系為:
設線性幾何比尺αh=αrn=1/N,采用與原型材料相等密度的模擬材料,如果實驗在慣性力場中進行,即αρ=1,αg=N,由關系式(2)得:
如果實驗在自然重力場中進行,即αρ=1,αg=1,由關系式(2)得:
由關系式(1)可知,當忽略重力對拋擲彈坑的影響時,即不考慮參數(shù)E/(ρgh4),就得到了爆炸幾何相似律,即爆炸能量比尺是線性比尺的3次方,其必要條件為ρgh與Pa和c相比數(shù)值要小,屬于小當量淺埋爆炸情形;當爆炸當量增大時,蘊含能量的主要參數(shù)是E/(ρgh4),該參數(shù)的作用將隨著爆炸當量的增大而增大,此時爆炸能量比尺是線性比尺的4次方(式(4)) 。錢七虎[11]通過拋擲爆破原型實驗與模型實驗數(shù)據(jù)對比分析指出,重力在大型爆破特別是軟弱巖層形成漏斗坑時起決定性作用 。為了在模型實驗中再現(xiàn)大當量拋擲爆炸,當材料密度變化不大時,有兩種方式實現(xiàn)模型和實物中各量綱的對等關系,其中一種就是利用離心機使實驗場中的慣性加速度增加到重力加速度的N倍,而模擬材料采用原型材料 。另一種方式就是使用相似材料,讓模型中自由面氣壓變?yōu)榇髿鈮毫Φ?/N,內聚力為原型材料的1/N,從而使參數(shù)E/(Pah3)和E/(ch3)的影響降至最低,保證了支配參數(shù)E/(ρgh4)的決定性作用 。
以上述相似理論為基礎,在大當量地下爆炸效應模擬裝置的設計中,爆炸源采用充有一定體積壓縮氣體的空腔模仿真實條件下充滿氣狀生成物的地下爆炸腔體 。通過對密閉容器抽真空,降低模型材料自由面的大氣壓力Pa,采用與原型材料密度相近的散體材料如細石英砂,減小模擬材料的內聚力值c 。這樣將石英砂放置在真空室中,石英砂內一定深度處放置充有壓縮氣體的球殼,當球殼破裂后,釋放的壓縮氣體把石英砂推擠出去,形成飛散彈坑,整個拋擲過程由高速攝影機記錄 。整套裝置的設計原理圖如圖1所示 。
2、實驗裝置研制
根據(jù)裝置的設計原理,自主研制了大當量地下爆炸效應模擬實驗裝置(見圖2~3),主要由容器罐體、快開門密閉機構、爆源系統(tǒng)、真空泵組、量測控制系統(tǒng)組成,其中爆源系統(tǒng)為整個裝置的核心 。
圖1地下爆炸真空室模擬裝置設計原理示意圖
圖2地下爆炸效應模擬裝置容器系統(tǒng)圖
圖3地下爆炸效應模擬裝置主體結構示意圖2.1容器罐體
容器罐體為整個裝置的主體,是樣品試件和其他系統(tǒng)的搭載平臺,主要包括基座、罐體和輔助設備 ?；钦麄€裝置的支撐部件,為保證容器罐體的整體穩(wěn)定性,基座基礎由鋼筋混凝土澆筑而成 。罐體主體結構采用臥式設計,尺寸為3.0m×3.93m,由不銹鋼板和Q345R容器板組成的復合鋼板加工而成 。罐體外部纏繞隔音材料和玻璃鋼層,內部放置模型沙箱,罐體一端有直徑為1.5m的法蘭盤,法蘭盤中心有直徑為20cm的觀察窗口,用于樣品的進出和高速攝影的觀察 。輔助設備包括軌道、護欄和各類標準法蘭接管,用于測控線纜、起爆線纜的進出 。罐體的承壓指標為:絕對氣壓0.2MPa,絕對水壓0.3MPa 。

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