球形装药爆腔预测的准静态模型

于成龙; 王仲琦

doi:10.11883/1001-1455(2017)02-0249-06

摘要: 炸药土中爆炸形成爆腔的特征尺寸会影响远场地震波的幅频特征。为了准确预测爆腔的特征尺寸，本文建立了爆腔膨胀的准静态模型，该模型给出了无限均匀不可压缩的弹性介质中球形装药爆炸形成的粉碎区、裂隙区半径的解析表达式，并利用该模型计算讨论了不同条件下各分区尺度的变化。最后将该模型与现场实验、动力模型所得到的结果进行对比后表明，该模型与以上两者之间的误差约为5.4%~16.0%，能够较为准确地预测爆腔尺寸。

关键词:

Abstract: The characteristic dimension of the explosion-generated cavity in the soil is the most important influence factor for the feature of the far field seismic wave. In this paper we established a quasi-static model to predict the characteristic dimension of the cavity. When a spherical charge was detonated in the homogeneous, incompressible, infinite and elastic mediums, the analytical expressions of the fine crushing zone and the radial fissures zone were shown in this model. In addition, we also used this model to calculate the dimension of the divisions in different conditions. Finally, we conducted a comparison among the quasi-static model, the dynamic model and the experiments. The errors range of the quasi static model was 5.4%-16.0%. The results show that our model can be used to predict exactly the dimension of the cavity.

Key words:

图 1 球形爆腔响应区

Figure 1. Response regions in a spherical cavity

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图 2 不同破坏区域中的径向应力分布

Figure 2. Radial stress distribution in different fracture zones

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图 3 1 kg炸药爆炸产生空腔尺寸

Figure 3. Radius of cavity created by 1 kg TNT

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图 4 2 kg炸药爆炸产生空腔尺寸

Figure 4. Radius of cavity created by 2 kg TNT

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表 1 TNT特性参数

Table 1. Parameters of TNT

爆速/ (km·s^-1)	密度/ (kg·m^-3)	p₀/ GPa	γ
6.9	1 650	9.82	3.15

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表 2 砂质黏土特性参数

Table 2. Parameters of Sandy-clay

σ^*/ MPa	σ₀/ MPa	μ/ GPa	f	k/ kPa	ρ/ (kg·m^-3)
11.6	2	0.16	0.2	50	1 600

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表 3 测试现场土壤参数

Table 3. Parameters of soil in testing field

粉质黏土	密度/(g·cm^-3)	声速/(km·s^-1)	体积分数
固相	2.72	4 500	0.623
液相	1.0	1 000	0.365
气相	0.001 2	340	0.012

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表 4 爆炸成腔现场测试与计算结果对比

Table 4. Comparison of the cavity between tests and calculations

药量/kg	装药半径/cm	实测爆腔半径/cm		计算爆腔半径/cm		误差/%
药量/kg	装药半径/cm	竖直方向	水平方向	动力学模型	准静态模型	动力学模型	准静态模型
1	5.3	40.8	38.5	42.4	36.43	3.92~10.1	5.38~10.7
1	5.3	41.5	39.5	42.4	36.43	2.17~7.34	7.77~12.2
2	6.7	49.5	50.5	46.9	42.04	5.25~7.13	12.2~16.0
2	6.7	48.5	48.0	46.9	42.04	3.30~2.29	11.5~12.6

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[1]	Favreau R F. Generation of strain waves in rock by an explosion in a spherical cavity[J]. Journal of Geophysical Research, 1969, 74(17):4267-4280. doi: 10.1029/JB074i017p04267
[2]	亨利奇J. 爆炸动力学及其应用[M]. 熊建国, 译. 北京: 科学出版社, 1987: 239-252.
[3]	Holmberg R, Persson P A. The Swedish approach to contour blasting[C]// Proceedings of the 4th Conference on Explosives and Blasting Technique. New Orleans, LA: ISEE, 1978: 113-127.
[4]	Ouchterlony F. Prediction of crack lengths in rock after cautious blasting with zero inter-hole delay[J]. Fragblast, 1997, 1(4):417-444. doi: 10.1080/13855149709408407
[5]	Ouchterlony F, Olsson M, Bergqvist I. Towards new Swedish recommendations for cautious perimeter blasting[J]. Fragblast, 2002, 6(2):235-261. doi: 10.1076/frag.6.2.235.8666
[6]	Kanchibolta S S, Valery W, Morrell S. Modeling fines in blast fragmentation and its impact on crushing and grinding[C]// The Australasian Institute of Mining and Metallurgy Proceeding of Explosion 99-A Conference on Rock Breaking. Australia: Brisbane, 1999: 137-144.
[7]	Chernikov A, Sher E. A quasistatic model of a confined explosion of a concentrated charge in a bed and in a block[J]. Journal of Mining Science, 1990, 26(4):355-362. doi: 10.1007/BF02506516
[8]	Forrestal M J, Tzou D Y. A Spherical cavity-expansion penetration model for concrete targets[J]. International Journal of Solids and Structures, 1997, 34(31):4127-4146. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=15bb10f7d851f075588b20216506d45c
[9]	Voitenko Y I. Fracture of solids by weak blasts[J]. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 1995, 31(4):492-496. doi: 10.1007/BF00789374
[10]	Drukovanyi M F, Kravtov V S, Chernyavskii Y E, et al. Calculation of fracture zones created by exploding cylindrical charges in ledge rock[J]. Soviet Mining Science, 1976, 12(3):292-295. doi: 10.1007/BF02594873
[11]	Ding H, Zheng Z M. Source model of blasting vibration[J]. Science in China, Series E, 2002, 45(4):395-407. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zgkx-ee200204007

期刊类型引用(28)

1.	朱剑雷，韩磊，方展翔，徐豫新. 活性材料与炸药环状复合内爆的准静态压力计算方法. 爆炸与冲击. 2025(04): 60-69 . 本站查看
2.	万文超，张兆龙，吕宁，蔡斯渊，洪旸. 冲击波和破片联合作用下舱段毁伤效应分析. 舰船科学技术. 2024(03): 19-27 . 百度学术
3.	张学瑞，周涛. 密闭空间中复合装药的能量释放特性. 爆炸与冲击. 2024(06): 41-49 . 本站查看
4.	陈青华，陶彦光，梁振刚，杨佳岐. 双舱室模型内爆炸临舱压力载荷特性分析. 舰船科学技术. 2024(11): 75-79 . 百度学术
5.	李营，杜志鹏，陈赶超，王诗平，侯海量，李晓彬，张攀，张伦平，孔祥韶，李海涛，郭君，姚术健，王志凯，殷彩玉. 舰艇爆炸毁伤与防护若干关键问题研究进展. 中国舰船研究. 2024(03): 3-60 . 百度学术
6.	习修义，李俊，张娅，王志平，陈威，李营，李晓彬. 水雾环境下密闭舱室内爆准静态压力特性试验研究. 中国舰船研究. 2024(03): 174-181 . 百度学术
7.	蒋欣利，张国凯，何勇，姚箭，王振，吴玉欣，刘举，王明洋. 密闭建筑温压炸药内爆炸后燃效应. 兵工学报. 2024(08): 2520-2530 . 百度学术
8.	岳学森，周沪，孔祥韶，郑成，吴卫国. 舱室内爆载荷燃烧增强效应试验及仿真研究. 中国舰船研究. 2023(04): 223-232 . 百度学术
9.	解江，潘汉源，李漩，王立轩，蒋逸伦，冯振宇. 内爆载荷作用下泄压容器准静态压力特性. 应用数学和力学. 2023(10): 1236-1249 . 百度学术
10.	袁增森，徐振洋，潘博，李广尚. 不同不耦合系数下花岗岩爆破损伤特性的离散元模拟. 高压物理学报. 2022(01): 202-212 . 百度学术
11.	刘正，聂建新，徐星，朱英中，刘攀，郭学永，闫石，张韬. 密闭空间内六硝基六氮杂异伍兹烷基复合炸药能量释放特性. 兵工学报. 2022(03): 503-512 . 百度学术
12.	李怿，李典，侯海量，李永清. 基于密闭空间内爆的核爆冲击波载荷模拟试验和数值计算方法. 振动与冲击. 2022(17): 138-144 . 百度学术
13.	黄魁，梁仕发，王励自，王启睿. 泄爆口对防护舱内TNT爆炸荷载的影响. 防护工程. 2021(01): 16-21 . 百度学术
14.	焦立启，张权，李茂，张磊，张春辉. 典型舱内爆炸载荷对加筋板的毁伤特性. 中国舰船研究. 2021(02): 108-115+124 . 百度学术
15.	孔祥韶，王子棠，况正，周沪，郑成，吴卫国. 密闭空间内爆炸载荷抑制效应实验研究. 爆炸与冲击. 2021(06): 24-37 . 本站查看
16.	张鹏宙，董奇，杨沙. 爆炸载荷特征参数对无限长圆柱壳弹性动态响应的影响. 爆炸与冲击. 2021(06): 48-57 . 本站查看
17.	赵英博，张子寒，赵跃堂. 弹药库内爆炸冲击波荷载研究. 防护工程. 2021(03): 46-54 . 百度学术
18.	郑昆，侯卫国，马军，林文表，傅钊. 基于环境试验设备的锂离子电池燃爆特性分析. 环境技术. 2021(03): 186-188+197 . 百度学术
19.	张磊，杜志鹏，高鹏，李营. 水面舰艇舱内爆炸毁伤载荷研究进展. 中国科学:物理学力学天文学. 2021(12): 54-64 . 百度学术
20.	孙琦，董奇，杨沙，张刘成. 内爆炸准静态压力对球形容器弹塑性动态响应的影响. 含能材料. 2020(01): 25-31 . 百度学术
21.	孔祥韶，况正，郑成，吴卫国. 舱室密闭空间中爆炸载荷燃烧增强效应试验研究. 兵工学报. 2020(01): 75-85 . 百度学术
22.	张龙，邹虹，张宝国，张继军，张东亮，孔德骞. 有限空间爆炸静态压力的温度补偿方法. 爆炸与冲击. 2020(03): 100-109 . 本站查看
23.	蔡林刚，李晓彬，杜志鹏，张磊，李营. 密闭空间中内爆载荷冲量饱和现象研究. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2020(01): 85-90 . 百度学术
24.	张玉磊，陈华，韩璐，李尚青，袁建飞，苏健军. 泄压口面积对温压炸药内爆炸准静态压力的影响. 火炸药学报. 2020(05): 521-525 . 百度学术
25.	李彦超，徐鹏，蔡宣明，李海涛，秦国华. 爆炸载荷作用下含预制损伤膜片力学响应特性. 兵器装备工程学报. 2020(12): 149-154+176 . 百度学术
26.	张广华，屈可朋，沈飞，王辉. 组合装药的撞击安全性与内爆威力试验研究. 高压物理学报. 2019(04): 175-181 . 百度学术
27.	孙琦，董奇，杨沙，张刘成. 内爆炸准静态压力对球形容器弹性动态响应的影响. 含能材料. 2019(08): 698-707 . 百度学术
28.	徐维铮，吴卫国. 密闭空间内爆炸准静态压力理论计算研究. 中国舰船研究. 2019(05): 124-130 . 百度学术

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