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摘 要： 摘要：本研究采用顯示動(dòng)力有限元軟件AUTODYN，對土中爆炸作用下的土顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)程進(jìn)行研究。計(jì)算結(jié)果表明，土的泊松比較高時(shí)，傳感器會(huì)隨著土一起同步運(yùn)動(dòng);土的泊松比較低時(shí)，傳感器與土則不會(huì)同步運(yùn)動(dòng)。直接將傳感器安裝在低泊松比土中不能準(zhǔn)確測量土的速度
摘要：本研究采用顯示動(dòng)力有限元軟件AUTODYN，對土中爆炸作用下的土顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)程進(jìn)行研究。計(jì)算結(jié)果表明，土的泊松比較高時(shí)，傳感器會(huì)隨著土一起同步運(yùn)動(dòng);土的泊松比較低時(shí)，傳感器與土則不會(huì)同步運(yùn)動(dòng)。直接將傳感器安裝在低泊松比土中不能準(zhǔn)確測量土的速度時(shí)程。本研究提出將傳感器安裝在與土具有相同波阻抗的多孔材料如泡沫混凝土中，再安裝在土中測量地沖擊。數(shù)值計(jì)算表明爆炸波在經(jīng)過波阻抗相同的低泊松比土與泡沫混凝土界面時(shí)，基本不會(huì)發(fā)生波的反射，在地沖擊作用下傳感器與泡沫混凝土間無相對運(yùn)動(dòng)。本研究提出的測量方法提高了地沖擊作用下低泊松比土中速度時(shí)程的測量精度。
關(guān)鍵詞：地沖擊,速度時(shí)程,泡沫混凝土,波阻抗匹配,泊松比
關(guān)于地沖擊作用下精確測量土顆粒速度時(shí)程的研究，目前報(bào)道較少。任保祥，陶鋼等[1]在試驗(yàn)研究爆炸波引起的黃土土壤爆炸坑洞的形成和振動(dòng)傳播規(guī)律中，直接將三軸速度傳感器放入黃土中進(jìn)行測量。徐學(xué)勇，汪稔等[2]在飽和鈣質(zhì)砂爆炸響應(yīng)動(dòng)力特性試驗(yàn)研究中，將加速度傳感器直接埋設(shè)在固定位置測量加速度時(shí)程。劉漢龍，王維國等[3-4]在飽和砂土場地大型爆炸液化現(xiàn)場試驗(yàn)中將加速度傳感器直接放入沙土中進(jìn)行測量。龔成明[5]在黃土的強(qiáng)夯試驗(yàn)中，為避免加速度計(jì)受到損壞，將傳感器放入保護(hù)盒內(nèi)測量黃土的加速度時(shí)程。然而，Perret和Gentry[6]提出測量土中加速度時(shí)程時(shí)，必須保證傳感器的密度和周圍土的密度相同。
Sarma，Chua等[7]在現(xiàn)場液化試驗(yàn)中將傳感器裝入專用保持架中測量土體的加速度時(shí)程，其中包含傳感器支架的平均密度與所測土體密度相同。由此可見，現(xiàn)有的地沖擊時(shí)程測量方法大致分兩類：一類將傳感器直接埋入被測土體中進(jìn)行測量;另一類是將傳感器與土的密度調(diào)整相同后，進(jìn)行測量。本文采用AUTODYN顯式非線性數(shù)值計(jì)算軟件，進(jìn)行TNT在土中爆炸的數(shù)值模擬，提出并研究地沖擊作用下精確測量土的速度時(shí)程的方法。
1數(shù)值計(jì)算模型與分析
1.1基本理論
當(dāng)應(yīng)力波從材料1正入射到材料2時(shí)，透射和反射的應(yīng)力波強(qiáng)度為：
根據(jù)此原理，將傳感器安裝在泡沫混凝土中，保證傳感器與泡沫混凝土緊密貼合，確保傳感器與泡沫混凝土一起運(yùn)動(dòng)。理論上，將泡沫混凝土和土的波阻抗調(diào)整一致后，即可準(zhǔn)確測量出土顆粒的速度時(shí)程。
1.2數(shù)值建模及分析
計(jì)算土域?yàn)?600mm×3600mm的正方形區(qū)域，用10mm×10mm的正方形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，邊界設(shè)置為transmit。圖1(a)邊界附近為3個(gè)10mm×10mm的傳感器，分別在傳感器中心處各設(shè)置1個(gè)觀測點(diǎn)，在左端無傳感器處設(shè)置1個(gè)參考點(diǎn)，此四個(gè)測點(diǎn)距中心均為1650mm。圖1(b)邊界附近為3塊100mm×100mm的泡沫混凝土，分別在泡沫混凝土中心處各設(shè)置1個(gè)觀測點(diǎn)，在左端無傳感器處設(shè)置1個(gè)參考點(diǎn)，此四個(gè)測點(diǎn)距中心均為1650mm。中心處為炸藥，如圖1所示。
傳感器材料為鈦，選用材料庫中的模型。炸藥選用材料庫中的TNT。土以材料庫中的Sand模型為基礎(chǔ)，修改部分參數(shù)。泡沫混凝土以Concrete-L為基礎(chǔ)，修改部分參數(shù)。AUTODYN中采用為2D面對稱計(jì)算模型，單位制為mm-mg-ms，采用Lagrange算法，計(jì)算時(shí)長為15ms。如圖2(a)所示，傳感器直接放入泊松比為0.499的土中，傳感器所測得的速度時(shí)程曲線與參考點(diǎn)基本吻合，精確度很高。如圖2(b)所示，傳感器直接放入泊松比為0.2的土中，測得的峰值結(jié)果與參考點(diǎn)誤差為12.7%。圖2(c)所示，泡沫混凝土放入泊松比為0.2的土中，所測得的結(jié)果誤差為4.2%。
因此，土的泊松比較高時(shí)，傳感器會(huì)隨著土一起同步運(yùn)動(dòng);土的泊松比較低時(shí)，傳感器與土運(yùn)動(dòng)不同步。地沖擊在低泊松比土和泡沫混凝土界面處的反射率要低于低泊松比土與傳感器界面處的反射率，使用波阻抗與低泊松比土相同的泡沫混凝土所測得的結(jié)果，比將傳感器直接放入低泊松比土中測得的結(jié)果更加精確。
1.3驗(yàn)證傳感器和泡沫混凝土同步運(yùn)動(dòng)
將傳感器安裝在泡沫混凝土中，保證傳感器與泡沫混凝土緊密接觸，傳感器在泡沫混凝土的正中心位置。數(shù)值計(jì)算中，泡沫混凝土與傳感器連接方式為join，泡沫混凝土尺寸為100mm×100mm，傳感器尺寸為10mm×10mm，如圖3所示。泡沫混凝土和傳感器中心分別放置1個(gè)觀測點(diǎn)。圖4給出了泡沫混凝土和傳感器的速度時(shí)程曲線圖，兩條速度時(shí)程曲線完全重合，證明傳感器與泡沫混凝土同步運(yùn)動(dòng)。綜上，數(shù)值模擬表明本研究提出的方法可有效測量低泊松比土中的速度時(shí)程。
2結(jié)論
本研究通過數(shù)值軟件AUTODYN對地沖擊作用下精確測量土中顆粒速度時(shí)程進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：
(1)將傳感器直接放入泊松比為0.499的土中測得的速度時(shí)程比較準(zhǔn)確，但將傳感器放入泊松比為0.2的土中測得的速度時(shí)程峰值顯著低于精確值。
(2)泡沫混凝土與低泊松比土的波阻抗相同時(shí)，應(yīng)力波在其界面處基本不發(fā)生反射，確保泡沫混凝土與土基本達(dá)到同步運(yùn)動(dòng)。
(3)將傳感器安裝在泡沫混凝土中，保證傳感器與泡沫混凝土緊密貼合，可確保傳感器隨著泡沫混凝土一起同步運(yùn)動(dòng)。
(4)本研究提出的使用泡沫混凝土作為傳感器外加介質(zhì)的地沖擊測量方法，在測量低泊松比土中顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)，比傳統(tǒng)測量方法更精確。
參考文獻(xiàn)：
[1]任保祥，陶鋼，徐利娜等.黃土土壤中爆炸成坑作用的力學(xué)參數(shù)分析[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(10)：164-168.
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[6]PerretW.R.,GentryV.L.Free-FieldMeasurementsofEarthStress,Stress,Strain,andGroundMotion[R].Albuquerque,NewMexico:SandiaCorporation,1955:33-34.
[7]AnandSarma,HiongSuanChua,HengEuChangLeonard.ObservationsfromBlast-InducedLiquefactionTestsinSingapore[C].Singapore:DefenceScienceandTechnologyAgency,2015.
推薦期刊：《巖土力學(xué)雜志》創(chuàng)刊于1979年，本刊為月刊，主編：白世偉。國內(nèi)統(tǒng)一刊號：CN42-1199/O3，國際刊號：ISSN1000-7598。