花岗岩破坏过程能量演化机制与能量屈服准则

王云飞; 郑晓娟; 焦华喆; 陈峰宾; 赵洪波

doi:10.11883/1001-1455(2016)06-0876-07

花岗岩破坏过程能量演化机制与能量屈服准则

doi: 10.11883/1001-1455(2016)06-0876-07

1.
河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454000
2.
焦作师范高等专科学校管理学院，河南焦作 454000

基金项目:

国家自然科学基金项目 51104057

煤炭工业协会科学技术研究计划项目 MTKJ2013-338

河南省教育厅重点项目 13A440323

河南省高校科技创新团队支持计划项目 15IRTSTHN029

详细信息

作者简介:
王云飞(1978—)，男，博士, wyf_ustb@126.com

中图分类号: O346.4;TU452
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出版历程
- 收稿日期: 2015-03-04
- 修回日期: 2015-05-20
- 刊出日期: 2016-11-25

Energy evolution mechanism and energy yield criterion in granite's failure process

1.
School of Civil Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, Henan, China
2.
Management School, Jiaozuo Teachers College, Jiaozuo 454000, Henan, China

摘要

摘要: 为了明确岩石破坏的能量演化特性，结合单轴实验和颗粒流程序获得花岗岩的细观力学参数，进行不同应力状态的花岗岩实验，研究不同围压下花岗岩破坏过程的能量演化机理并推导能量屈服准则。获得以下主要结论：花岗岩破坏过程中低围压下内部损伤出现较早而高围压较晚，表明低围压花岗岩内部损伤是渐进发展过程，而高围压下内部损伤一旦出现便快速发展破坏；高围压花岗岩峰值前一定应变范围弹性应变能基本保持不变，吸收的能量全部转化为耗散能，表明高围压破坏时花岗岩内部损伤程度严重；弹性应变能经历不断积累并达到弹性储能极限而后减小的变化过程，而弹性储能极限与围压之间存在线性变化规律，因此高围压下岩体开挖卸荷时极易诱发大量弹性应变能的急剧释放，引起围岩失稳甚至发生岩爆；花岗岩峰值破坏时的能量比与围压无关，为一定值；基于能量原理导出了能量屈服准则，该准则包含岩性参数和所有主应力，能够综合反映岩石破坏影响因素。
- 固体力学 /
- 能量屈服准则 /
- 颗粒流程序 /
- 花岗岩 /
- 能量演化机理
Abstract: To understand the energy evolution mechanism in the rock failure process, this paper firstly obtained the meso-mechanical parameters of granite using uniaxial compression experiments and particle flow codes, then tested the granite under different confining pressures and finally analyzed its energy evolution mechanism in the failure process and deduced its energy yield criterion. The main results are as follows: The internal damage of granite in the failure process occurs earlier under lower confining pressures while later under higher confining pressures, which shows that the internal damage under lower confining pressures is a progressive development process but under higher confining pressures the internal damage rapidly develops into failure once it occurs. The granite's elastic strain energy remains constant in a certain strain range before the peak under higher confining pressures, and the overall energy absorbed transforms into dissipation energy, which shows that the granite internal damage under higher confining pressures is more severe. The elastic strain energy increases and reaches the elastic strain energy limit and then decreases. There exists a linear relationship between the elastic strain energy limit and the confining pressure, therefore rock excavation under high confining pressures is likely to induce a rapid release of a large amount of elastic strain energy which causes the surrounding rock to become unstable and even to burst. The energy ratio at the granite's peak failure is a definite value and independent of the confining pressure. The energy yield criterion is derived based on the principle of energy. It includes lithology parameters and all principal stresses and can reflect the comprehensive factors influencing the rock failure.
- solid mechanics /
- energy yield criterion /
- particle flow code /
- granite /
- energy evolution mechanism

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含铝炸药是一类高密度、高爆热的非理想炸药, 被广泛应用于各种武器战斗部。目前含铝炸药在水中和空中爆炸已得到广泛研究^[1-4], 但是在混凝土等密实介质中的爆炸作用过程公开报道较少。混凝土是民用和军用建设应用最为广泛的材料之一, 与空气、水相比, 混凝土的密度更大, 且具有一定强度, 对爆轰产物气体的约束作用更强, 更有利于维持铝粉反应所需要的高温、高压环境。研究含铝炸药对混凝土的爆炸作用具有非常重要的意义。Q.T.Wang等^[5]利用数值模拟方法研究了含铝炸药对混凝土的破坏效应; 李小雷等^[6]利用理论计算和数值模拟相结合的方法, 研究了含铝炸药在混凝土的爆炸, 得到了铝含量与毁伤效应的关系, 但是没有对含铝炸药的爆炸冲击波进行研究。

冲击波是炸药对周围介质产生破坏效应的一个重要手段, 在混凝土介质中对冲击波进行研究将不仅有助于了解炸药性能, 而且可以为提高混凝土抗冲击防护性能提供理论指导。在冲击波测试方面, 王永刚等^[7]、焦楚杰等^[8]、Z. Rosenberg等^[9]利用锰铜传感器测量到了混凝土中的冲击波, 但是由于传感器的有效作用时间较短, 均没有记录完整的记录到冲击波时程曲线, 且测试得到信号干扰大, 严重影响了对混凝土介质中冲击波的分析。针对含铝炸药在混凝土中的爆炸作用这一复杂的问题, 采用数值模拟计算获取爆炸过程中冲击波传播及衰减规律, 是一种非常有效的手段。

本文中运用AUTODYN有限元程序对3种炸药在混凝土中的爆炸作用过程进行数值模拟研究; 与实验结果对照, 验证模型的可靠性; 计算3种不同铝氧比炸药在混凝土中爆炸毁伤的情况, 并且分析铝氧比对冲击波峰值压力和冲击波能的影响。

1. 模型的建立

1.1 计算模型

以含铝炸药在混凝土中的爆炸实验为基本物理模型, 建立数值计算模型, 实验现场见图 1。混凝土靶板的尺寸是1.2 m×1.2 m×0.8 m, 在靶板的中心处留有一个圆柱孔(直径40 mm, 深100 mm), 药柱尺寸为∅35 mm×40 mm, 药量为70 g, 起爆点为药柱上端面中心处。网格尺寸选为0.4 cm, 利用欧拉法来描述炸药材料, 在炸药周围的空白区域填充空气, 在欧拉网格的边界定义流出边界。混凝土采用拉格朗日网格描述。为了计算方便, 简化成轴对称模型, 建立1/2模型。为了与实验工况保持一致, 在距离炸药中心5、10、15和20 cm处设置观测点, 计算该点冲击波压力。数值模型如图 2所示。

图 1 实验现场

Figure 1. Experimental site

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图 2 计算模型

Figure 2. Simulation model

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1.2 材料模型与状态方程

采用JWL状态方程^[10]和Miller反应速率模型^[11]来共同描述RDX基含铝炸药的二次反应能量释放过程:

$p=A\left(1-\frac{\omega}{R_{1} V}\right) \mathrm{e}^{\left(-R_{1} V\right)}+B\left(1-\frac{\omega}{R_{2} V}\right) \mathrm{e}^{\left(-R_{2} V\right)}+\frac{\omega(E+\lambda Q)}{V}$

(1)

式中:p为产物压力; V为产物相对比容; E为产物的内能; Q为非理想成分含有的热量; λ为非理想成分的反应度, 0≤λ≤1;A、B、R₁、R₂、ω为待定系数, 由圆筒实验得到。计算时炸药的性能及状态方程参数均由实验测得, 具体结果分别如表 1、表 2所示, 其中:w为各成分的质量分数, η为铝氧物质的量比, ρ为密度, Q为爆热, D为爆速, p_d为爆压。

表 1 炸药性能^[12]

Table 1. Characteristics of explosives^[12]

炸药	w/%			η	ρ/(g·cm^-3)	Q/(MJ·kg^-1)	D/(m·s^-1)	p_d/GPa
炸药	RDX	Al	wax	η	ρ/(g·cm^-3)	Q/(MJ·kg^-1)	D/(m·s^-1)	p_d/GPa
HL0	95	0	5	0	1.673	5.879	8 325	29.39
HL15	80	15	5	0.257	1.763	6.736	8 121	23.91
HL30	65	30	5	0.632	1.865	7.594	7 879	22.21

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表 2 炸药JWL状态方程参数^[12]

Table 2. Parameters of JWL equations for explosives^[12]

炸药	A/GPa	B/GPa	R₁	R₂	ω
HL0	694.52	13.75	4.55	1.30	0.49
HL15	1 897.54	24.77	5.83	1.72	0.35
HL30	2 225.00	21.59	5.94	1.78	0.38

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利用Miller反应速率方程定义非理想成分的反应速率:

$\frac{\mathrm{d} \lambda}{\mathrm{d} t}=G(1-\lambda)^{a} p^{b}$

(2)

式中:G、a和b是与反应速率相关的系数。根据文献[13], 含铝炸药反应速率指数取a=1/2, b=1/6。G的取值与炸药特性、铝粉的颗粒形状和尺寸有关。

混凝土内在的各向异性及多孔特性, 使其有复杂的体积应变, 内能受压力变化影响非常明显。考虑到这一因素, 文中选取p-a状态方程, 既能够很有效描述混凝土在高压下的热力学行为, 也能很好的描述在低压区时的压缩行为。混凝土本构方程选用侧重于描述混凝土的压缩损伤的RHT模型, RHT模型中包含有失效面、弹性极限面、残余失效面、加载面和破裂面。实验中所用混凝土的抗压强度是31.6~33.5 MPa, 密度为2 300 kg/m³。

2. 模型验证

为了验证本文所选用的材料模型和状态方程, 对实验的工况进行了数值模拟计算, 表 3是不同炸药作用下混凝土中毁伤效应的计算值与实测值的对比, 其中:m为药量, d为炸药埋深, R为漏斗坑半径, H为漏斗坑深度, 表 3中实验值见参考文献[12]。数值模拟结果普遍高于实测值, 偏差在15%以内, 由于非均匀介质中的冲击波测试本身存在很大的离散性, 这个偏差可以接受。图 3是利用锰铜传感器实测的冲击波压力与计算压力时程曲线的对比, 从图 3可以看出计算得到的冲击波信号实验结果吻合较好, 且模拟结果弥补了实验信号的不完整。由此说明文中所采用的材料模型、状态方程以及数值模拟方法可用于混凝土中含铝炸药爆炸的研究。

表 3 数值模拟与实验结果的比较

Table 3. Comparison of experimental and simulated results

炸药	m/g	d/cm	R/cm		H/cm
炸药	m/g	d/cm	实验	数值模拟	实验	数值模拟
HL0	70	10	27.2	24.8	14.1	13.0
HL15	70	10	28.6	26.9	14.5	14.2
HL30	70	10	25.7	23.3	13.6	11.9

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图 3 冲击波时程曲线的数值计算与实验结果对比

Figure 3. Numerical shock wave stress versus time compared with experimental results

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3. 计算结果与分析

3.1 毁伤过程分析

以损伤度f表示混凝土的破坏, 图 4给出了炸药爆炸后混凝土的破坏过程, 3种炸药作用下混凝土破坏的发展趋势相同。炸药从零时刻开始起爆, 20 μs时混凝土在冲击波的压缩作用下粉碎破坏。随着冲击波的传播, 破坏区域逐渐增大。冲击波在自由面反射后形成拉伸冲击波, 由于混凝土的抗拉强度远小于抗压强度, 在拉伸波的作用下混凝土更容易发生破坏。60 μs时靠近自由面的区域出现了明显的破坏, 这是压缩波和反射拉伸波共同作用的结果。药柱底端介质的破坏主要是由冲击波的压缩作用引起的, 在拉伸波和压缩波的共同作用下, 混凝土中出现了一个漏斗坑形状的破坏区域。

图 4 混凝土的损伤发展过程

Figure 4. The damage development process of concrete

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3.2 冲击波压力分析

3种炸药作用下的冲击波压力时程曲线如图 5所示。HL15和HL30的冲击波峰值压力小于HL0, 但是压力衰减明显慢与HL0, 这主要是由于铝粉的二次反应, 虽然二次反应放出的热量不能支持爆轰波阵面的传播, 但它可以使爆轰产物的温度和压力维持较长的时间而不致过快的衰减。

图 5 混凝土中的冲击波时程曲线

Figure 5. Shock wave stress versus time in concrete

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靶板中冲击波峰值压力与比例距离的关系一般可以用如下方程来描述:

$p_{\mathrm{r}}=D_{1}{ }_{1}^{-D_{2}}$

(3)

式中:p_r为混凝土介质中距爆心处的冲击波压力峰值(GPa); 是比例距离, =r/r₀, r₀为炮孔半径, r为观测点与爆心之间的距离; D₁为比例系数, D₂为衰减指数, D₁和D₂的值与炸药和混凝土介质的性质等相关。

利用模拟所得到数据进行拟合, 得到冲击波压力峰值与比例距离之间的关系, 如图 6所示, 其中图 6(b)为图 6(a)中虚线框内的放大图。≤10时, 不同炸药在10 cm炸深下压力峰值随比例距离的衰减规律为:

${p_{\rm{r}}} = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {25.6{{\bar r}^{ - 2.10}}}&{{\rm{HL}}0}\\ {13.1{{\bar r}^{ - 1.71}}}&{{\rm{HL}}15}\\ {8.65{{\bar r}^{ - 1.60}}}&{{\rm{HL}}30} \end{array}} \right.$

(4)

图 6 冲击波峰值压力与比例距离的关系

Figure 6. Relationship between shock wave peak load and scaled distance

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式(4)中的比例距离是观测点的爆心距与炮孔半径的比值, 是反映观测点与炸药中心距离的一个量纲一量。在比例距离≤10范围内, 压力峰值随传播距离呈指数衰减规律, 随着铝氧比的增加, 衰减指数减小。根据图 6(a)可知, 在比例距离≤5的范围内, 在混凝土介质中炸药按冲击波压力峰值由大到小依次为:HL0, HL15, HL30;随着传播距离的增加, HL0炸药作用下的压力峰值衰减最快, 其次是HL15, HL30衰减最慢; 根据图 6(b)可知, 在比例距离≤10范围内, 炸药按压力峰值由大到小依次为:HL15, HL30, HL0。这主要是由于含铝炸药中铝粉反应放出的能量对爆轰产物的能量进行了补充, 延缓了冲击波峰值压力的衰减。

3.3 冲击波能分析

本文选取的4个观测点离炸药的中心距离较近, 所以在炸药爆炸产生的高温高压环境下, 爆炸近区的混凝土介质可以近似看作流体介质.因此在计算混凝土中的冲击波能量时可以参照在水中冲击波能^[14]的公式进行推导, 以爆炸点为坐标原点, 设混凝土中任一点的Euler坐标为X, 比冲击波能E_sw为

$E_{\mathrm{sw}}=\frac{4 \pi X^{2}}{w \rho_{0} c_{0}} \int_{t_{\mathrm{a}}}^{t_{\mathrm{a}}+\tau} p^{2}(t) \mathrm{d} t$

(6)

式中:X为测点到爆心的距离, w为装药质量, ρ₀为混凝土密度, c₀为混凝土中波速, t_a为冲击波到达时间, p(t)为压力时程, τ为正压作用时间。

将模拟得到的冲击波时程结果带入式(6)进行计算, 得到比冲击波能随距离的关系, 如图 7所示。

图 7 比冲击波能比较

Figure 7. Comparison of shock wave energy

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在以RDX为基的炸药中添加适量的铝粉可以提高比冲击波能, 这主要是由于铝粉反应放出的能量转化为炸药的冲击波能, 但是铝粉添加过多将导致冲击波峰值压力的降低, 比冲击波能下降。由图 7可知, 当铝含量为15%, 铝氧比为0.26时, 比冲击波能最大, 在比例距离≤10范围内, 炸药按比冲击波能由大到小依次为:HL0, HL15, HL30。结合实验的毁伤结果可知, 炸药的比冲击波能越高, 其毁伤效果越好。在比例距离为2.5处, HL0、HL15、HL30的比冲击波能分别为2.12、2.87、1.38 MJ/kg。

3. 结论

通过AUTODYN数值计算与实验相结合的方法, 模拟了含铝炸药在混凝土中的爆炸作用过程, 数值模拟结果与实验结果基本符合, 说明材料的参数和选用的计算方法合理可行。根据计算的结果可知, 在比例距离在2.5到10之间时, 冲击波峰值压力呈指数衰减, 衰减指数分别为2.10、1.71、1.60, 衰减指数随铝氧比的增大而减小。这主要是因为含铝炸药中铝粉的反应是在C-J面后进行的, 虽然二次反应放出的热量不能支持爆轰波阵面的传播, 但是它可以使爆轰产物的温度与压力维持较长时间而不过快的衰减。这使含铝炸药爆炸形成的冲击波压力-时间曲线不像非含铝炸药那样陡峭, 铝氧比越高冲击波压力-时间曲线衰减越慢, 同时冲击波峰值压力随距离的衰减也越缓慢。另外, 以RDX为基的炸药中添加适量的铝粉可以提高比冲击波能, 但是铝粉添加过多将导致冲击波峰值压力降低, 进而导致比冲击波能下降, 3种炸药比冲击波能的大小顺序为:HL15, HL0, HL30。

图 1 平行黏结模型

Figure 1. Parallel bond model

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图 2 耗散能与可释放应变能的关系

Figure 2. Relationship between dissipation strain energy and releasable strain energy

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图 3 花岗岩破坏过程能量转化机制

Figure 3. Energy conversion mechanism of granite in failure process

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图 4 花岗岩弹性储能极限与围压的关系

Figure 4. Relationship between granite's maximum elastic strain energy and confining pressures

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图 5 花岗岩峰值能量比与围压关系

Figure 5. Relationship between granite's peak energy ratio and confining pressures

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图 6 花岗岩能量屈服准则

Figure 6. Energy yield criterion of granite

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参考文献(18)

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施引文献

期刊类型引用(8)

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1. 模型的建立
1.1 计算模型
1.2 材料模型与状态方程
2. 模型验证
3. 计算结果与分析
3.1 毁伤过程分析
3.2 冲击波压力分析
3.3 冲击波能分析
3. 结论

花岗岩破坏过程能量演化机制与能量屈服准则

doi: 10.11883/1001-1455(2016)06-0876-07

作者简介: 王云飞(1978—)，男，博士, wyf_ustb@126.com

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