Меню

  • На главную

Поиск

  • Разрушение при взрыве ч.1

    Posted 8/2/2009 в 8:46:27 ПП

    Если рассмотренные выше проблемы прочности в основном относились к вопросам профилактики сооружений и конструкций, разрушение которых нежелательно, то исследование процессов разрушения при взрыве представляет самостоятельный интерес и в значительной мере определяет эффективность и целесообразность взрывных работ.
    При очень быстром выделении достаточно большого количества энергии в некотором объеме твердого тела происходят многообразные процессы разрушения, характер которых существенно зависит от общего количества выделяющейся энергии и ее концентрации, от источника и способа выделения энергии, от физико-механических свойств твердого тела.
    Источники взрывообразного выделения энергии многообразны. Это — ядерные реакции (атомные и ядерные взрывы), химические реакции (большинство применяемых ВВ), сильные электрические разряды (например, атмосферная молния), мощные световые импульсы (получаемые в квантовых генераторах), запас кинетической или упругой энергии (реализующийся, например, при соударении быстро движущихся тел, при взрывах баллонов со сжатым газом, при горных ударах и землетрясениях, при разрушении высокопрочных стекол или сильно хрупких материалов) ит. д.
    Проблема управления энергией взрыва с целью получения наибольшего полезного эффекта является одной из важнейших технических задач. Существенный вклад в решение этой проблемы сделали русские инженеры и ученые Б. Н, Бокий, М. М. Боресков, М. М. Протодьяконов и др. Однако наиболее значительное продвижение в этой области имело место в последние десятилетия.
    Остановимся вначале на основных результатах, полученных при излучении действия взрыва в горных породах и грунтах. Взрывчатые вещества используются в горном и строительном деле для дробления и разрыхления пород, а также для выброса или перемещения породы в целях образования искусственных полостей, плотин и т. п.
    Практика взрывного дела основана на эмпирическом законе подобия, согласно которому объем разрушенной породы (а также объем полости, образующейся после взрыва) прямо пропорционален объему заряда ВВ. Сейчас трудно установить, кто впервые сформулировал этот закон (одно из первых упоминаний о нем относится к 1628 г. и принадлежит французу Девилю). Коэффициент пропорциональности в нем зависит от прочности пород, характеристик ВВ, формы и расположения зарядов и т. д. Указанный закон подобия нарушается для весьма мощных взрывов из-за сравнительно большого влияния силы тяжести и, по-видимому, для весьма прочных хрупких пород, вследствие появления прочностной константы материала (критический коэффициент интенсивности напряжений), размерность которой отлична от размерности напряжения.
    При исследовании действия взрыва в грунтах и горных породах широко использовалась модель идеальной несжимаемой жидкости (сам взрыв считался мгновенным). При этом распределение импульсов давления и скоростей в пространстве сразу после взрыва определяется из решения некоторой краевой задачи для уравнения Лапласа и может быть построено достаточно эффективно. Такой подход развивали М. А. Лаврентьев, а также О. Е. Власов (1945). Он имеет определенное физическое обоснование, так как давление в камере взрывания от взрыва обычных ВВ достигает десятков и сотен тысяч атмосфер,   что  намного превышает прочность  горных пород.  В рамках этого направления О. Е. Власов и С. А. Смирнов (1962) разработали теоретическую схему дробления горных пород взрывом сосредоточенных и удлиненных зарядов, нашли границы и объем зоны дробления, распределение крупности дробления, вероятностный гранулометрический состав раздробленной части горного массива, оценили продолжительность процесса дробления. При этом было существенно использовано введенное О. Е. Власовым представление о критической скорости разрушения. Согласно этому представлению размер кусков породы, образующихся вследствие взрыва, таков, что разность двух соседних кусков равна некоторой критической величине (своей для каждого материала). Эти расчеты позволили получить общее описание характера дробления породы при взрыве. Отметим, что проблема равномерного дробления (чтобы в результате взрыва не оставались куски породы, размер  которых превышает некоторый предельный  объем, допускаемый из технологических условий) чрезвычайно важна в горнодобывающей промышленности и решению ее было посвящено много экспериментальных и теоретических работ. В. М. Кузнецов (1966) применил указанную модель среды для расчета формы воронки выброса. При этом им была использована постановка задачи, предложенная М. А. Лаврентьевым. Модель идеальной жидкости была применена Г. П. Черепановым для решения некоторых задач о воздействии взрыва на подводные и подземные сооружения (1966), а также при построении гидродинамического варианта теории трещин, возникающих под действием взрыва (1963). С этим направлением тесно связан акустический вариант теории откола, предложенный ранее В. С. Ленским (1958).
    М. А. Лаврентьев, В. М. Кузнецов и Е. Н. Шер в 1960 г. поставили задачу о направленном выбросе грунта взрывом и дали ее изящное решение как некоторой обратной задачи гидродинамики. Это'решение нашло экспериментальное подтверждение для мягких грунтов. На его основе были предложены способы массовых взрывов на выброс при помощи системы удлиненных зарядов, расположенных соответствующим образом в подземных выработках. При использовании камер увеличенного объема для повышения эффективности действия взрыва было признано целесообразным заполнять их водой.
    При исследовании сейсмического эффекта взрыва грунт или горную породу обычно рассматривают как упругое тело. Проблема затухания ударных и сейсмических волн в мягких водонасыщенных грунтах была исследована в последнее десятилетие Г. М. Ляховым, В. Н. Николаевским и др. При этом было использовано представление о грунте как о двухком-понентной среде («двойная» сплошная среда — пористое деформируемое твердое тело, поры которого заполнены жидкостью или газом). Эти вопросы освещены в специальном обзоре Г. К. Михайлова и В. Н. Николаевского, помещенном во втором томе сборника, и здесь не затрагиваются.
    Для изучения процесса разрушения и волн напряжений в зоне взрыва предлагалось много подходов с использованием разнообразных усложненных моделей сплошной среды. Отметим вначале основные результаты, полученные путем формулировки математической модели и решения определенных граничных задач для соответствующих дифференциальных уравнений. Все эти результаты опираются на различные варианты описания упруго-пластического тела.
    В 1957 г. X. А. Рахматулин предложил модель «пластического газа», являющуюся некоторым обобщением модели идеальной сжимаемой жидкости. Согласно этой модели между давлением и плотностью газа (касательными напряжениями пренебрегается) при нагружении существует однозначная зависимость, которая при разгрузке заменяется некоторой другой закономерностью (в простейшем случае принимается, что в условиях разгрузки плотность остается постоянной). Эта модель дает идеализированное описание свойств грунта, когда среднее гидростатическое давление намного превосходит касательные напряжения.
    В дальнейшем X. А. Рахматулин, А. Я. Сагомонян и И. А. Алексеев (1965) обобщили модель на случай наличия касательных напряжений в рамках деформационных представлений (получающаяся система уравнений представляет собой обобщение уравнений Генки — Надаи на случай произвольной и необратимой объемной сжимаемости). В более ранних работах А. Ю. Ишлинского, Н. В. Зволинского и И. 3. Степаненко (1954) и А. Я. Сагомоняна (1954) рассмотрены некоторые одномерные задачи динамики грунтовой массы при определенных конкретных положениях относительно свойств среды («пластического  газа»).   В работах А. С. Компанейца (1956), Н. В. Зволинского (1960), А. Я. Сагомоняна (1961) в аналогичных одномерных задачах учитываются также касательные напряжения (с условием пластичности Прандтля).

    Тэги: