地下爆炸的地震效应问题课件.ppt

1、v一、概述一、概述v二、地下爆炸的基本问题二、地下爆炸的基本问题v三、结论三、结论2021/5/411 1、背景、背景（1 1）工业爆破对环境的安全评估问题）工业爆破对环境的安全评估问题;（2 2）矿业爆破的安全与稳定问题）矿业爆破的安全与稳定问题;（3 3）地球物理勘探问题）地球物理勘探问题;（4 4）核试验效应及核军控的核查）核试验效应及核军控的核查;（5 5）钻地武器对目标的毁伤效应及评估方法）钻地武器对目标的毁伤效应及评估方法;（6 6）钻地武器战斗部的受载环境及设计问题。）钻地武器战斗部的受载环境及设计问题。一、概述一、概述2021/5/422 2、国内外现状、国内外现状:（1 1）

2、爆炸地震波破坏作用的问题爆炸地震波破坏作用的问题萨道夫斯基萨道夫斯基:确定破坏强度取决于地震波质点运动速度。确定破坏强度取决于地震波质点运动速度。3Qkv 一、概述一、概述2021/5/43（2 2）地下核爆炸时地震安全的问题）地下核爆炸时地震安全的问题爆炸近区爆炸近区:介质的衰减规律介质的衰减规律;爆炸远区爆炸远区:介质构造及地质结构的影响研究介质构造及地质结构的影响研究;密切了地震学与爆炸地震学的联系一、概述一、概述2021/5/44（3 3）监视地下核试验问题）监视地下核试验问题 探测爆炸信号并对地震进行鉴别。探测爆炸信号并对地震进行鉴别。QMQMRplg85.02.3lg85.03.4

3、一、概述一、概述2021/5/45（4 4）地下爆炸地震效应主要问题）地下爆炸地震效应主要问题1 1、波的运动学特征、波的运动学特征:波的传播速度与到达时间波的传播速度与到达时间;2 2、波的动力学特征、波的动力学特征:粒子的运动特征、相对幅值粒子的运动特征、相对幅值及振动持续时间、最大幅值的衰减规律。及振动持续时间、最大幅值的衰减规律。上述特征与距震源爆炸的上述特征与距震源爆炸的埋深与规模埋深与规模密切密切相关相关,同时与波传播的地质构造相关。同时与波传播的地质构造相关。一、概述一、概述2021/5/46二、基本理论二、基本理论（一）（一）地下爆炸介质运动的基本规律地下爆炸介质运动的基本规律

4、（二）（二）自由表面对介质爆炸变形的影响自由表面对介质爆炸变形的影响2021/5/47（一）地下爆炸介质运动的基本规律（一）地下爆炸介质运动的基本规律 研究气状介质及水中发生爆炸时运动规律是研究气状介质及水中发生爆炸时运动规律是首要的。首要的。地下爆炸与上述情况不同的是地下爆炸与上述情况不同的是,不能仅仅基于不能仅仅基于介质的运动参数来描述爆炸作用的所有表现。介质的运动参数来描述爆炸作用的所有表现。但在确定地震动参数时研究介质的运动规律具但在确定地震动参数时研究介质的运动规律具有独立的意义。有独立的意义。2021/5/481、爆炸作用的岩土介质机械能守恒定律VVWdVdVuFdSusn2（一）

5、地下爆炸介质运动的基本规律（一）地下爆炸介质运动的基本规律W的组成的组成:（1 1）势能）势能（2）内部耗散能（不可恢复变形、裂痕和滑移线）内部耗散能（不可恢复变形、裂痕和滑移线）（3）运动能（非稳定状态和稳定状态）运动能（非稳定状态和稳定状态）2021/5/49计算结果及实验研究表明计算结果及实验研究表明,在爆炸空腔停止扩张后在爆炸空腔停止扩张后,地下爆炸的能量分配如下地下爆炸的能量分配如下:爆炸产物含总能的爆炸产物含总能的10102020;介质的熔化占介质的熔化占1515左右左右;耗散于非弹性区的能量占耗散于非弹性区的能量占60607070,主要以热的形式主要以热的形式耗散。爆炸能的绝大部

6、分被消耗在非弹性变形区耗散。爆炸能的绝大部分被消耗在非弹性变形区。只有只有10101515的能量进入到弹性区的能量进入到弹性区,主要以介质的压主要以介质的压缩形式存在。弹性区的能量的一部分用于地震动缩形式存在。弹性区的能量的一部分用于地震动,地震波地震波能量主要取决于爆心处岩石的性质能量主要取决于爆心处岩石的性质 。地下爆炸理论主要是致力于定量地描述压缩波在非地下爆炸理论主要是致力于定量地描述压缩波在非弹性变形介质中运动弹性变形介质中运动,并且确定具有各种物理力学特性的并且确定具有各种物理力学特性的介质中应力变形状态的规律性。介质中应力变形状态的规律性。1、爆炸作用的岩土介质能量守恒定律202

7、1/5/410（1 1）爆炸分区）爆炸分区912231cpcCQrcpcdCrR42 空腔半径与非弹性区半径空腔半径与非弹性区半径-震动源中心震动源中心2021/5/411（2 2）弹性区的波动周期）弹性区的波动周期pdCRT2 弹性区传播的波动周期与非弹性区的半径成正比 2021/5/412A、弹性状态、弹性状态r11*rB、内摩擦状态、内摩擦状态C、流体动力状态、流体动力状态1*rsin1sin1*2、地下爆炸介质动量、质量守恒定律（1 1）地下爆炸介质一般状态）地下爆炸介质一般状态sin)(cos2rrc3130V0V0V2021/5/413ABC状态分别反映了摩擦力的相对大小。状态分别

8、反映了摩擦力的相对大小。2021/5/4140ttr1.0ttr冲击波阵面上冲击波阵面上应力波的应变应力波的应变00rr 正相运动的持续时间比上正相运动的持续时间比上升到最大速度的时间大约大一升到最大速度的时间大约大一个数量级个数量级,即在爆炸波驱动介即在爆炸波驱动介质时的加速度比介质粒子减速质时的加速度比介质粒子减速时的加速度大许多。时的加速度大许多。（2 2）地下爆炸介质近区状态）地下爆炸介质近区状态2021/5/415vr近区变形状态近区变形状态:接近冲击波的应变状态。接近冲击波的应变状态。忽略强度与忽略强度与“强度消失强度消失”无关无关,而与消耗在体积变化的而与消耗在体积变化的能量大大

9、超过消耗在克服形状能量大大超过消耗在克服形状变化阻力上的能量有关。变化阻力上的能量有关。2021/5/416近区的应力状态近区的应力状态:接接近流体动力学状。近流体动力学状。0K rp（2 2）地下爆炸介质近区状态）地下爆炸介质近区状态2021/5/417 耗费能量的主要部分与不同的范围有关耗费能量的主要部分与不同的范围有关:体积的变化,包括加热和质变,与空腔半径立方 成正比,而克服滑移面上的剪应力和破坏（形成新的表面）则与空腔半径平方 成正比。3cr005.0001.0运动能量级破坏能量级 近区的能量耗散主要以运动能为主,载体主要为纵波。摩擦和介质状态的变化是衰减的主要原因 2cr （2 2

10、）地下爆炸介质近区状态）地下爆炸介质近区状态2021/5/418A、弹性状态、弹性状态B、内摩擦状态、内摩擦状态C、流体动力状态、流体动力状态12234SVAPCCCBPAPCC003/2KCCV1*（3 3）地下爆炸波的运动学与动力学特征）地下爆炸波的运动学与动力学特征 在声速中反映出固体的两个主要特点:固体抵抗体积压缩和剪切变形的能力。一个声速值不可能同时包含弹性或非弹性应力状态的特征,需要补充波的衰减特征。2021/5/419 应力波代表了过程中速度最快的部分,它反映了可压缩性和不可逆变形。动应力状态的作用指标就是粒子运动速度。（3 3）地下爆炸波的运动学与动力学特征）地下爆炸波的运动学

11、与动力学特征maxmaxrprC2021/5/420kraatr)(,目前根据剪胀方程目前根据剪胀方程:近区介质为不可压缩关系近区介质为不可压缩关系:0krr 目前国内外研究中爆炸近区局部破坏效应误目前国内外研究中爆炸近区局部破坏效应误差的主要原因就在于对速度场的描述存在数量级差的主要原因就在于对速度场的描述存在数量级误差。误差。（3 3）地下爆炸波的运动学与动力学特征）地下爆炸波的运动学与动力学特征2021/5/421根据质量守恒:333)(arrrwkpkpprprraCraCrCC)()11(1(233介质动应力状态的粒子运动速度介质动应力状态的粒子运动速度200300)(31rwrr)

12、,(00trwrr2021/5/422 位移增长段(在粒子达到自己的最大值之前)起作用的只有起支配作用的摩擦规律,没有往复运动。质点速度和位移的最大幅值衰减的一致性。2/tWmm0maxmaxWvdtu粒子运动速度和位移的衰减特征粒子运动速度和位移的衰减特征2021/5/423地下封闭爆炸满足几何相似原则地下封闭爆炸满足几何相似原则2021/5/42421,rvrrrr1远区弹性状态 近区内摩擦状态 衰减的轨迹形成非弹性变形区;爆炸近区波动幅值及其衰减程度对介质性质不敏感。爆炸近区的衰减规律爆炸近区的衰减规律2021/5/425衰减指数随爆炸当量大小的变化 在爆炸当量Q小于10kg 时以及在大

13、规模当量时（Q106 kg）衰减指数随当量的增加而变化不 大,而 在 中 间 过 渡 区（10Q106 kg）,衰减指数随当量的增加而变化较大。远区场地特性影响衰减取决于爆炸当量的规模远区场地特性影响衰减取决于爆炸当量的规模 2021/5/426（二）（二）自由表面对介质爆炸变形的影响自由表面对介质爆炸变形的影响经典的理论结果经典的理论结果（1 1）LameLame问题问题;（2 2）-问题问题AjSornadPS0RHompPRock(,)Zmax)(tRnndsin*rrcrrc2021/5/427（1 1）自由表面运动规律）自由表面运动规律地表水平方向位移地表水平方向位移 各分量的具体形

14、式为各分量的具体形式为:ru2322201rU2cos2sin11402212avdUrR1/111122222422222cos2sin111162124dUr,;uuuuR0sWRk002401/3Rr2021/5/428（1 1）自由表面运动规律）自由表面运动规律地表垂直方向位移地表垂直方向位移 各分量的具体形式为各分量的具体形式为:Zu,2/322201zU2sin2212dUzR1/1112224222222sin111621128dUz2401/3RrsWRk002021/5/429自由表面波的运动学与动力学特征自由表面波的运动学与动力学特征(上上水平水平,下下垂直垂直)1020-

15、0.20.00.20.40.6 r/Rz=100 r/Rz=200 r/Rz=400t*wr/k11020-2024 r/Rz=100 r/Rz=200 r/Rz=400t*r/k21020-0.10-0.050.000.050.100.150.20wz/k1t*r/Rz=100 r/Rz=200 r/Rz=4001020-1.0-0.50.00.51.01.5z/k2 r/Rz=100 r/Rz=200 r/Rz=400t*2021/5/430（1 1）自由表面运动规律）自由表面运动规律 基于对点爆炸球形波作用下弹性半平面表面各点振动计算,表面运动完全由波的运动学与动力学特征决定。其运动学特

16、征取决于介质的构造特点与组成岩石块系的岩体物理力学性质、埋深与规模。可以将扰动分成二个基本类别:近区内表面最大位移和速度的载体是纵波;远区内表面最大位移和速度的载体是表面波。2021/5/431纵波在自由表面运动学与动力学特征纵波在自由表面运动学与动力学特征纵波的最大位移与速度振幅衰减规律:纵波的位移振幅和周期实际上与装药的比例埋深无关;表面水平方向上的最大位移要比无限介质中传播的波中的最大位移大1.5倍;表面位移的垂直分量是无限介质中传播的波中的最大位移0.5倍;比水平分量小3.0倍;纵波的震动周期接近无限埋深中波的周期21,rvrr2021/5/4322、表面波的振幅与爆炸强度和装药埋深有

17、关,特别是,装药埋深增加2倍会使振幅减小3-4倍;1、表面波的最大振幅（位移与速度）的衰减规律为:,幅值由非弹性区边界信号参数确定;表面波运动学与动力学特征表面波运动学与动力学特征r13、表面波的周期比纵波的周期大2-4倍。2021/5/433结果表明:v有自由表面时最大位移的衰减规律及压缩波正相运动时间随距离爆心的距离的变化与地下封闭爆炸时的规律相似。v自由表面对于波的持时的影响比对于质点速度的影响要大。v不能按一个爆源参数把不同埋深的浅埋爆炸归纳到一个相似群,但具有相同相对埋深但药量不同的爆炸之间是相似的。（2 2）浅埋爆炸的规律）浅埋爆炸的规律2021/5/434v三、结论三、结论粒子的运动特征、相对幅值及粒子的运动特征、相对幅值及振动持续时间、最大幅值的衰减规律的频谱特振动持续时间、最大幅值的衰减规律的频谱特性性2021/5/435 v三、结论三、结论2021/5/436