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内聚力模型参数 内聚力和粘聚力的区别( 二 )

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1、设计原理
本实验装置以化爆实验中建立的抛掷岩石爆炸能量转移机制为物理模拟基础,把大当量地下爆炸成坑过程看作爆炸气状生成物推出碎裂岩石的结果,主要模拟与弹坑形成和岩石移动相关的气体加速阶段和惯性抛掷阶段,而冲击波作用阶段已经结束,此时已知爆炸腔体的大小,腔体周围岩石受到破坏,模型的初始参数为爆腔的大小和腔体气体能量 。地下爆炸弹坑的主要特征参数包括:弹坑半径R、深度H、体积V、拱顶最大质点速度vm以及气体加速运动时间tm 。该模型的支配参数为爆炸源、破碎岩石介质和外部环境的特性,爆源的关键参量为空腔半径rn、腔体气体能量E(或压力P)、装药埋深h、绝热线参数χ;对于岩石的抛掷过程,忽略介质的压缩性,破碎岩石的关键参数为密度ρ、岩块间的摩擦因数kT、破碎岩块脱离母岩的内聚力c;外部环境参数包括重力加速度g和自由面大气压Pa 。根据相似理论量纲分析法[10],M.A.Sadovskii等[4]最早给出了描述弹坑形成发展过程与抛掷岩石初始条件和特性间的关系式为:
根据相似准数恒定的要求,各物理量相似常数之间的关系为:
设线性几何比尺αh=αrn=1/N,采用与原型材料相等密度的模拟材料,如果实验在惯性力场中进行,即αρ=1,αg=N,由关系式(2)得:
如果实验在自然重力场中进行,即αρ=1,αg=1,由关系式(2)得:
由关系式(1)可知,当忽略重力对抛掷弹坑的影响时,即不考虑参数E/(ρgh4),就得到了爆炸几何相似律,即爆炸能量比尺是线性比尺的3次方,其必要条件为ρgh与Pa和c相比数值要小,属于小当量浅埋爆炸情形;当爆炸当量增大时,蕴含能量的主要参数是E/(ρgh4),该参数的作用将随着爆炸当量的增大而增大,此时爆炸能量比尺是线性比尺的4次方(式(4)) 。钱七虎[11]通过抛掷爆破原型实验与模型实验数据对比分析指出,重力在大型爆破特别是软弱岩层形成漏斗坑时起决定性作用 。为了在模型实验中再现大当量抛掷爆炸,当材料密度变化不大时,有两种方式实现模型和实物中各量纲的对等关系,其中一种就是利用离心机使实验场中的惯性加速度增加到重力加速度的N倍,而模拟材料采用原型材料 。另一种方式就是使用相似材料,让模型中自由面气压变为大气压力的1/N,内聚力为原型材料的1/N,从而使参数E/(Pah3)和E/(ch3)的影响降至最低,保证了支配参数E/(ρgh4)的决定性作用 。
以上述相似理论为基础,在大当量地下爆炸效应模拟装置的设计中,爆炸源采用充有一定体积压缩气体的空腔模仿真实条件下充满气状生成物的地下爆炸腔体 。通过对密闭容器抽真空,降低模型材料自由面的大气压力Pa,采用与原型材料密度相近的散体材料如细石英砂,减小模拟材料的内聚力值c 。这样将石英砂放置在真空室中,石英砂内一定深度处放置充有压缩气体的球壳,当球壳破裂后,释放的压缩气体把石英砂推挤出去,形成飞散弹坑,整个抛掷过程由高速摄影机记录 。整套装置的设计原理图如图1所示 。
2、实验装置研制
根据装置的设计原理,自主研制了大当量地下爆炸效应模拟实验装置(见图2~3),主要由容器罐体、快开门密闭机构、爆源系统、真空泵组、量测控制系统组成,其中爆源系统为整个装置的核心 。
图1地下爆炸真空室模拟装置设计原理示意图
图2地下爆炸效应模拟装置容器系统图
图3地下爆炸效应模拟装置主体结构示意图2.1容器罐体
容器罐体为整个装置的主体,是样品试件和其他系统的搭载平台,主要包括基座、罐体和辅助设备 。基座是整个装置的支撑部件,为保证容器罐体的整体稳定性,基座基础由钢筋混凝土浇筑而成 。罐体主体结构采用卧式设计,尺寸为3.0m×3.93m,由不锈钢板和Q345R容器板组成的复合钢板加工而成 。罐体外部缠绕隔音材料和玻璃钢层,内部放置模型沙箱,罐体一端有直径为1.5m的法兰盘,法兰盘中心有直径为20cm的观察窗口,用于样品的进出和高速摄影的观察 。辅助设备包括轨道、护栏和各类标准法兰接管,用于测控线缆、起爆线缆的进出 。罐体的承压指标为:绝对气压0.2MPa,绝对水压0.3MPa 。

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