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爆炸荷载下城市浅埋隧道动力离心模型试验和数值研究

马立秋  
【摘要】:随着国际恐怖主义的蔓延以及各种化爆事件的日益增多,各种城市基础设施和生命线工程的抗爆防爆减灾问题已成为当前我国需要高度重视和深入研究的重大课题之一。在国内外可以借鉴的研究成果基础上,本文从设备研制、物理试验、机理分析和数值模拟诸方面入手,着力于探讨爆炸离心模型试验技术以及物理模拟与数值模拟相结合的研究方法,着重对爆炸荷载作用下城市浅埋隧道结构的动力响应规律进行了较为系统的研究,取得如下主要研究成果: 1)在国内率先成功地研制开发了一套爆炸离心模型试验装置及测试技术。本系统数据采集频率高(最高频率达20MHz/s),边界处理效能较优,性能稳定,运行可靠,能较好地再现常规条件下爆炸试验的基本规律,易于重复,极大降低试验成本和周期。试验表明,爆炸试验能相当好地满足相似率关系。 2)进行了水平地基爆炸、浅埋隧道结构爆炸和浅埋隧道结构防爆等一系列离心模型试验研究。试验分析表明,①当模型炸药量、埋深、土性一定时,水平地基的模型峰值加速度和Hopkinson比例距离之间存在着与几何比尺N无关的唯一性关系,由此可通过离心模型爆炸试验简便地确定被国内外广泛采用的Drake公式中的待定参数C、n,从而给出了一条有效、安全且便捷地预测水平地基原型峰值加速度衰减规律的新途径;②揭示了不同药量、埋深、土性、介质含水量、隧道结构厚度等条件下的隧道模型结构爆炸动力响应规律,阐明了爆源近区结构随爆炸比尺距离减小和爆破强度增加而依次呈现出轻微裂纹、局部裂缝、贯穿裂缝、弯曲破坏、冲穿破坏、整体坍塌等破损或破坏的模式;③结构抗爆防护试验中在结构周围加入柔性回填材料,结构响应明显减小,表明了地层-回填层-结构的“较硬-软-硬”的浅埋隧道复合结构的抗爆防护有效性。 (3)在构筑炸药-结构-介质-回填层数值模型和考虑不同部位接触算法的基础上,通过对水平地基和浅埋隧道结构离心模型试验的数值模拟,验证了数值模型及分析方法的有效性,进而对复杂条件下回填层材料的防爆抗震效果进行了数值模拟和分析评价,表明了将物理试验与数值模拟相结合是研究地下结构抗爆减灾规律的一个有力工具。


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