坑道模型抗冲击试验边界效应改善

杨 耀 然

(解放军理工大学国防工程学院爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室,江苏 南京 210007)



·建筑材料及应用·

坑道模型抗冲击试验边界效应改善

杨 耀 然

(解放军理工大学国防工程学院爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室,江苏 南京 210007)

通过坑道模型抗冲击试验，分析了填充石英砂与相似材料砂的边界效应，指出石英砂具有较好的吸收波作用，能很好地消散达到自由面的冲击波，相似材料砂则可以有效改善边界效应。

石英砂，吸能材料，边界效应，拉伸波

0 引言

对冲击作用下坑道口部破坏特征的研究[1-3]一直是防护工程领域的重点。近几年来，随着战争形式从大规模向局部转变，对充当着保护伞作用的坑道工程要求日益提高[4，5]，相关方面的研究也日益增加。西北核技术研究所[6]通过一系列的试验研究表明石英砂具有吸收波的作用，能够很好地消散达到自由面的冲击波。弹性波在不同介质界面上的传播理论[7]则反映波的反射和折射系数与两种材料的阻尼比密切相关。

1 边界效应

模型试验中，由于试件尺寸按照比例缩小过，而冲击波在相似材料中的传播速度并未按照相似比缩小，导致冲击波到达边界发生反射的时间大大缩短。研究表明，压缩波达到自由面时会发生反射形成拉伸波，在模型试验中，由于波达到边界时间大大提前，反射产生的拉伸波会与压缩波共同作用在试件上形成复杂的应力场，加剧试件的破坏，影响试验结果的准确性。如图1所示是拉伸波作用下试件发生破坏的几种主要形式。在真实坑道工程中，由于岩体范围很大，基本不会因为边界上的反射而产生拉伸波，因此不会出现图中心裂和角裂的破坏形态。为了保证试验结果的可靠性，边界效应产生的拉伸波必须通过一定的试验方法减小甚至消除，文章通过对几种吸能材料进行试验对比，选出效果最好的吸能材料。

2 试验设计

考虑到试件和冲击试验机试验箱的尺寸，设计并制作了一个尺寸为350 mm×350 mm×300 mm的木盒子(见图2)，由于木盒的尺寸大于试件，因此可以在试件底部和周围填充吸能材料，试验一共选取两种不同的吸能材料，分别是石英砂，以及将按照围岩部分配比的相似材料制作好后，敲碎研磨成颗粒粉状的相似材料砂。本次试验主要目的是找出吸能效果最好的材料，不需要进行有关物理量的测量，通过试件最终的破坏形态来进行对比分析。

3 无填充材料

无填充材料试件的试验结果如图3所示。

从图3中可以看出，无填充材料的试件在受到冲击后裂纹由冲击点向四周扩散，主要是角裂和心裂破坏。裂纹分布无规律，试件完全破坏，有较多碎块飞出，这样的试验结果受边界效应影响严重，与真实情况相差甚远。

4 填充石英砂

填充石英砂试件的试验结果如图4所示，从图中可以看出，填充石英砂后边界效应明显改善，角裂现象消失，但是依然出现了心裂现象。两侧反射回来的拉伸波作用明显，将试件直接破坏为两截，紧贴木盒一端在冲击作用下裂缝呈三角形展开，较符合真实情况。这主要是因为冲击波在石英砂中会造成砂粒的分散，砂粒在运动中产生的动能是由冲击能量转化而来的；同时，砂粒在冲击波作用下彼此之间会发生位移，相互摩擦时产生的热能也是由冲击能量转化而来。根据弹性波在不同介质界面上的传播理论，波的反射和透射系数根据以下公式进行计算：

F=1-n/1+n;T=2/1+n。

由于石英砂的阻尼比小于相似材料，因此0

5 填充相似材料砂

填充相似材料砂试件的试验结果如图5所示。

从图5中可以看出，填充相似材料砂后边界效应基本消失，周围砂在冲击过后“拱起”，部分掉落到试件表面。说明透射的波比用砂作为吸能材料时多，能量变大导致相似材料砂吸收能量时转化成动能被抛起，发生“拱起”现象。同时，口部上方围岩材料发生破坏,出现“漏斗坑”(见图6)，深度为6 cm，直径为14 cm，落锤进入试件深度为1.2 cm。这些现象和真实情况相符合，说明采用相似材料砂作为填充材料，能够有效改善边界效应，让试验结果更加真实可信。

6 结语

1)无填充材料的试件在受到冲击后裂纹由冲击点向四周扩散，主要是角裂和心裂破坏。裂纹分布无规律，试件完全破坏，有

较多碎块飞出，试验结果受边界效应影响严重，与真实情况相差甚远。

2)填充石英砂后边界效应明显改善，角裂现象消失，但是依然出现了心裂现象。两侧反射回来的拉伸波作用明显，将试件直接破坏为两截，紧贴木盒一端在冲击作用下裂缝呈三角形展开，较符合真实情况。说明石英砂具有较好的吸收波作用，能够很好地消散达到自由面的冲击波。

3)填充相似材料砂后边界效应基本消失，说明采用相似材料砂作为填充材料，能够有效改善边界效应。

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[7] 方 秦,柳锦春.地下防护结构[M].北京：中国建筑工业出版社，1982.

On improvement of boundary effect of impact tests of tunnel layers

Yang Yaoran

(NationalKeyLabforBlastingImpactDisasterPreventionandReduction,DefenseEngineeringCollege,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)

According to the impact tests of the tunnel layer model, the paper analyzes the boundary effect of the filled quartz sand and similar material sand, and points out the quartz sand has better wave absorption and capacity to dissipate the impact wave of the free surface, while the similar material sand can be used to improve the boundary effect effectively.

quartz sand, energy absorption material, boundary effect, tension wave

1009-6825(2016)11-0116-02

2016-02-01

杨耀然(1991- )，男，在读硕士

TU502

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