爆炸作用下软土的热流固力学响应及耦合机制研究

从渗流力学、土动力学、结构动力学、传热学角度出发，考虑热流固耦合作用，采用试验、理论和数值模拟相结合的方法，开展爆炸作用下软土的热流固力学响应及耦合机制研究。首先，通过模爆试验，获得不同装药量条件下软土中超静孔隙水压力、应力波及温度的时程分布，探讨冲击波(应力波)的传播特征及分界压力，揭示爆炸荷载作用下软土中超静孔隙水压力、应力波及温度的演化规律。其次，利用试验数据建立装药量与超静孔隙水压力、应力波及温度之间的相互关系，探讨软土的热流固耦合机制。最后，利用软粘土弹塑性本构方程和修正的热传导定律，推导热流固耦合弹塑性计算模型(THMPD)，在COMSOL Multiphysics平台编制用户子程序，对爆炸荷载作用下软土地层的力学响应及爆炸荷载作用下软土隧道的热流固耦合力学响应问题进行研究。本课题对于促进软粘土热力学理论的发展、爆炸处理软基以及软土中地下结构的防护设计和建设起一定的指导作用。

针对国内外关于软黏土地层中爆炸试验研究主要考虑流固耦合作用的现状，本项目考虑爆炸温度、水和土的耦合，利用现场试验、理论和数值模拟相结合的方法，开展了爆炸作用下软黏土的热流固力学响应及耦合机制研究。首先，通过对软土的现场模爆试验，系统地测试了爆炸温度、爆炸压力及超静孔隙水压力的时程变化规律，并利用模爆试验获得的数据及土动力学原理，分析了爆炸后软黏土中的应力、应变、温度和孔隙水压力之间的相互影响，揭示了爆炸作用下软黏土的热流固耦合机制；其二，通过开展第二次爆炸试验，测定分析了爆炸冲击波传播和衰减规律，并在饱和多孔介质热流固耦合动力响应模型基础上，建立了饱和多孔介质热流固耦合热弹性波动理论，进而求解了SV波在平面上的反射及P波在热弹和多孔热弹性界面上的反射和透射，较为系统地研究了热物性参数对波的传播特性、反射和透射系数的影响规律；其三，假设温度只产生热胀冷缩应变，而其它与温度相关的应变由应力产生，考虑土的先期固结压力是温度的函数，p’-q面上临界状态线斜率是温度的函数，从而建立了考虑温度的修正剑桥模型及边界面模型，利用ABAQUS中THM单元与UMAT子程序技术，进行了二次开发。最后，通过开发TSDSSFEM有限元计算程序，同时利用LS-DYNA、ABAQUS、COMSOL数值计算程序，开展了现场爆炸试验软黏土动力学响应模拟、无限空间柱形孔洞多孔热弹性动力响应、以及爆炸荷载作用下软土地下结构的动力响应模拟，得到爆炸冲击作用下软土地层应力、温度和孔隙水压力的变化规律，以及爆炸作用下隧道衬砌的位移、加速时程变化结果，评价了软土地层爆炸冲击对地下结构的影响，并利用热排水固结模型试验验证了爆炸软基处理中的热流固耦合效应及作用效果。