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内聚力模型参数 内聚力和粘聚力的区别( 四 )

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表2爆源球形度实验
图8不同介质中玻璃球罩爆破碎片图
图9柔性导爆索爆炸抛掷成坑影响实验
2.4真空泵组
真空泵组主要为容器罐体提供真空环境,由旋片泵、罗茨泵和各类连接管道和截止阀组成 。真空泵组的技术性能为极限压力0.05Pa、抽速1200L/s、总功率33.5kW,可在0.5h内使容器罐体内部的真空度达到100Pa 。整个容器罐体(容积为30m3)的真空度指标为10~105Pa 。
2.5量测控制系统
量测控制系统主要是相似散体材料基本力学性能参数测量、抛掷飞散介质的动态追踪和整套装置的联动控制 。相似模拟材料的内聚力值和内摩擦因数采用FT4多功能粉末流动性测试仪的剪切盒测试模块测得 。飞散介质的动能参数主要通过高速摄影机、LED投光灯、数据采集设备及分析软件测得,采集速度一般为2000s-1 。操控平台实现快开门密闭机构、光源、真空泵组、高速摄像机和爆源装置的联动控制 。
表3不同当量浅埋地下抛掷爆炸成坑效应模拟实验主要参数
2.6装置模拟指标
基于真空室爆炸模型实验方法[4]以及爆源初始参数设计方法,对已有的大当量浅埋地下核爆炸抛掷成坑原型实验[13]计算给出了模型实验的主要参数(见表3),由表3可知,对于装药当量0.1~100kt范围内的原型地下核爆炸,该装置的主要模拟指标参数如爆源小球压力、容器罐体的真空度等均可在实验室条件下实现,在进行实验时,可以通过调整爆源小球的几何大小改变模拟比尺,进而调整小球压力和容器罐体真空度以实现实验条件 。
3、大当量爆炸抛掷成坑模拟实验分析
3.1实验方案
以美国火山凝灰岩中的大当量抛掷爆炸Neptun实验为例,进行真空室模型实验 。该爆炸等效TNT装药当量q=0.115kt,埋设在坡度为30°的倾斜山坡中,埋深为30.5m,爆炸空腔rn=7.3m,用于抛掷破碎岩石的能量A=62.31GJ,爆炸结果形成了半径为33m、深为10.5m、体积为17000m3的抛掷弹坑 。该地区凝灰岩的主要物理特性为:密度ρ=2000kg/m3,纵波速度cP=2200m/s,抗压强度极限σ*=360MPa,抗拉强度极限为σP=12MPa,泊松系数ν=0.12,岩石含气属性为ηm=0.153 。
模型实验主要参数:玻璃球罩半径r=5cm、模拟比尺N=rn/r=146、玻璃球罩中气体压力P=135.219kPa、埋设深度h=21cm、容器罐体真空度Pa=686Pa,采用平均粒径为0.3mm的干石英砂作为模拟材料,其密度ρ=1.4g/cm3,利用FT4多功能粉末流动性测试仪的剪切盒测试模块测得试样的剪切强度参数[12]:内聚力c=92Pa,内摩擦因数kT=0.8,内摩擦角为38.6°,其中内摩擦角符合破坏岩石天然坡度角的变化范围(36°~45°) 。对关系式(1)中包含能量的量纲一组合参数进行简化,有:
本模型实验中各参数作用力之间的关系为:P/ρgh=47,P/Pa=197,P/c=1470,由此可见,本模型实验参数大气压力和内聚力与模拟材料的重力相比小1~2个量级,突出了支配参数E/ρgh4的决定性作用,符合大当量地下爆炸抛掷成坑效应模拟的相似条件 。爆源装置及实验布置如图10所示 。
图10爆源装置及模型实验布置图
3.2实验过程及结果分析
一般的抛掷弹坑的构造可以分出可视弹坑、真实弹坑和岩石堆置物(见图11) 。可视弹坑的大小反映了抛掷岩石的有效性,Rr为弹坑顶部半径,比真实弹坑半径R大,堆置物由碎裂岩石形成,它们通过爆炸被掀起到空中,然后落到弹坑以外的自由面上(外边堆置物)和弹坑底部(内部堆置物),其中y为堆置物距离地表的最大高度,RP为岩块飞散的最远距离 。
图11抛掷弹坑构造示意图
按照实验参数,将玻璃球罩中心埋设在距离石英砂自由面21cm处,开启控制柜,为装置各系统供电,开启移动小车,利用旋转卡箍将法兰盘锁紧,开启LED投光灯,将高速摄像采集系统调试到位;启动真空泵组,当容器罐内达到额定真空度时,关闭容器罐体截止阀;对玻璃球罩进行充气加压,当达到指定压力135kPa时,关闭电磁阀;同时启动高速摄像机和起爆器,对实验过程进行记录 。由于容器罐体容量大,真空度低于1kPa时,罐内真空度稳定时间很短,起爆瞬时罐内真空度的实际值为740Pa,略高于额定值 。

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