книги из ГПНТБ / Подводные и подземные взрывы сб. ст
.pdfЭФФЕКТЫ ДВИЖЕНИЯ ГРУНТА ПРИ ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВАХ 391
Представляет интерес сравнить некоторые получен ные при взрывах спектры действия с теми, которые на блюдались при некоторых известных землетрясениях. Такое сопоставление приведено на рис. 18. Из этого рисунка видно, что максимальное значение PSAA на расстоянии 175 км при взрыве мощностью 825 кт «Гри лей» почти в 100 раз меньше, чем на расстоянии 11 км при взрыве «Рулисон» мощностью 46 кт. При периодах свыше 1 с, однако, амплитуда при взрыве «Грилей» на 175 км намного больше, чем при взрыве «Рулисон» на расстоянии 11 км. Спектр взрыва «Рулисон» на расстоя нии 179 км смещен в сторону высоких частот и, конечно, имеет много меньшие амплитуды, чем спектр взрыва «Грилей». Из всех приведенных на рис. 18 землетрясе ний наименьшие повреждения были при землетрясении «Тракки», происшедшем в Калифорнии в 1966 г., в то время как при других трех землетрясениях [18] ампли туды в резонансном интервале частот как грунта, так и высоких зданий были, конечно, очень велики. Относи тельные смещения дают также возможность представить ту степень повреждения, какую можно было бы ожидать либо при землетрясениях, либо при взрывах. Ни при взрыве «Грилей», ни при взрыве «Рулисон» относитель ные смещения не превышали 1 см. При таком уровне смещений повреждения должны иметь характер архи тектурных повреждений. Когда смещения увеличиваются, возможность повреждений более серьезного характера возрастает.
Список литературы
1.Griggs D. Т., Surface motion from deep nuclear shots, in “Indu strial Uses of Nuclear Explosives”, Lawrence Radiation Labora tory, Livermore, Rept. UCRL-5253, 1958.
2.Blume J. A., The spectral matrix method of damage prediction, AEC Report NVO-99-33, 1968.
3.Duvall W. I., Fogelson D. E., Review of criteria for estimating damage to residences from blasting vibrations, U. S. Bureau of Mines Report 5968, 1962.
4.Cauthen L. J., Survey oF shock damage to surface facilities and holes resulting from underground nuclear detonations, Lawrence Radiation Laboratory, Livermore, Rept. UCRL-7964, 1964.
392 |
Ф. ХОЛЬЦЕР |
|
5. Power D. V., A survey |
of complaints |
of seismic-related damage |
to surface structures |
following the |
Salmon detonation, Bull. |
Seism. Soc. Amer., 56, 1413 (1966).
6.Wall J. F., Seismic-induced architectural damage to masonry structures at mercury, Nevada, Bull. Seism. Soc. Amer., -57, 991
(1967).
7. Nadolski M. E., Architectural damage to residential structures from seismic disturbances, Bull. Seism. Soc. Amer., 59, 487 (1969).
8.Clough R. W„ Earthquake response of structures, in “Earthquake Engineering" (R. L. Wiegel, ed.), Prentice-Hall, New York, 1967.
9.Observed Seismic Data, Rulison Event, AEC Report NVO 1163-197, 1969.
10. |
Structural Response Studies |
for Project Rulison, AEC |
Report |
|
11. |
JAB 99-78, 1971. |
|
|
|
Rizer G. C., A method for predicting seismic damage to residen |
||||
|
tial-type structures from underground |
nuclear explosions, |
Law |
|
12. |
rence Radiation Laboratory, |
Livermore, Rept. UCRL-50959, 1970. |
||
Farhoomand 1., Scholl R. E., Statistical correlation of observed |
||||
|
ground motion and low-rise |
building |
damage— Project Rulison, |
|
|
AEC Report JAB 99-59, 1971. |
|
|
|
13.Murphy J. R., Lahoud J. A., Analysis of seismic peak amplitudes from underground nuclear explosions, Bull. Seism. Soc. Amer., 59,
2325 (1969).
14.Lynch R. D., Response spectra for Pahute Mesa nuclear events,
Bull. Seism. Soc. Amer., 59, 2295 (1969).
15. Klepinger R. \V., Analysis |
of ground motion and |
containment |
data — Gasbuggy event, AEC |
Report NVO 1163-158, |
1968. |
16.Mueller R. A., Murphy J. R„ Seismic spectrum scaling of under ground detonations, AEC Report NVO 1163-195, 1970.
17.Foote R. A., et al., Analysis of ground motions and close-in
physical effects, Rulison event, AEC Report |
NVO 1163-206,' 1970. |
||
18. Blume J. A., Skjei R. A., Seismic motion |
thresholds |
ror |
damage |
to structures, presented al the Seismological Soc. |
of |
America |
|
Annual Meeting, Riverside, California, 1971, |
|
|
|
ВОЗДУШНАЯ УДАРНАЯ ВОЛНА ПРИ ПОДЗЕМНЫХ ВЗРЫВАХ1)
Док. В. Рид
1. ЦЕЛЬ ПРОГНОЗНЫХ РАСЧЕТОВ
Прогнозные расчеты воздушной взрывной волны де лаются для принятия мер предосторожности от появле ния сильных ударных волн в населенной местности, где они опасны и могут вызвать повреждения. Временами наша атмосфера действует подобно линзе, вызывая фо кусировку ударных или звуковых волн, возникающих при взрыве. На больших расстояниях это может вызвать ударную волну гораздо большей интенсивности, чем можно было бы ожидать на основании критерия о без опасном расстоянии, установленном для обычных взрыв чатых веществ в нерефрактирующей атмосфере. Даже относительно слабые, но еще слышимые волны сжатия, которые обычно не рассматриваются как обладающие разрушительной силой, могут выбить в городе некото рые окна с большими стеклами. Большие окна наиболее подвержены разрушениям и вызывают существенную опасность при разрушении и выпадении стекол.
Взрывы по программе «Плаушер», производимые под землей, вызывают воздушные ударные волны умень шенной интенсивности. Степень уменьшения для некото рых предполагаемых взрывов может оказаться недоста точной для нейтрализации всех случаев атмосферной фокусировки. Энергия взрыва, глубина заложения, свой ства породы и число взрывных устройств — вот факто ры, используемые для определения интенсивности экви валентного источника воздушной ударной волны. Ис пользуя местные метеорологические данные, можно
for |
■) Reed J. W., Ai.rblast from Plowshare projects, in «Education |
peaceful uses of nuclear explosives», L. E. Weaver (ed.), Univer |
|
sity |
of Arizona Press, Tucson, Arizona, 1970, p. 173—192. |
394 |
ДЖ. в. РИД |
сделать сезонные оценки потенциально опасных направ лений и расстояний. Это позволяет установить уязвимые поселения, стоимость возможных повреждений и оце нить степень риска.
Для решения этой проблемы, возможно, потребуется постоянная служба предсказания действия ударных волн, что повлечет за собой специальные наблюдения за погодой и ее предсказания вплоть до больших высот, достижимых только при помощи ракет. Некоторые прог нозные вычисления действия ударных волн потребуют использования быстродействующих вычислительных ма шин. В местах, где возможны разрушительные воздуш ные ударные волны, необходимо предусмотреть измере ния с целью проверки прогноза и подтверждения исков за повреждния, которые могут быть представлены.
2. ИСХОДНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
Распространение воздушной взрывной волны на большие расстояния постоянно рассматривалось в связи с ядерными испытаниями в атмосфере. При взрывах по программе «Плаушер» помещение зарядов под землю значительно ослабляет воздушную взрывную волну, так что действительная опасность повреждения отдаленных сооружений сильно уменьшается. Тем не менее этой опасностью нельзя пренебречь, так как при многих по лезных взрывах по программе «Плаушер» мощность за рядов, по-видимому, будет гораздо больше предела, до пустимого при проведении атмосферных испытаний на континенте, а затухание из-за заглубления заряда не настолько велико, чтобы полностью предотвратить об разование воздушной волны.
Имеется большое число данных по испытаниям на выброс, когда заряды были заглублены так, чтобы по лучить оптимальные размеры воронок. Кроме того, были проведены измерения при значительном количестве камуфлетных подземных испытаний при различных глу бинах и разных энергиях взрывов. Очень мало опытов было проведено при промежуточном заглублении, при котором взрывы могли бы быть применены для получе ния карьеров или вскрытия месторождений. Для тц-
ВОЗДУШНАЯ УДАРНАЯ ВОЛНА ПРИ ПОДЗЕМНЫХ ВЗРЫВАХ 395
ких взрывов, пока не проведены дополнительные ра боты, оценочные данные следует получать путем интер поляции.
Ватмосфере из-за наличия градиентов температуры
иветра в некоторых случаях возможна фокусировка ударных взрывных волн на расстоянии 50, 100 миль или
даже больше. Около этих фокусов, или каустик, ампли туды обычных акустических волн могут возрасти в де сять или большее число раз, компенсируя ослабляющие эффекты подземных взрывов, при которых интенсив ность воздушных волн ослабляется в десять раз. По этому нужно дальнейшее исследование этого ослабле ния, которое, как установлено, зависит от энергии, глу бины взрыва и породы, окружающей источник взрыва.
3. УДАРНЫЕ ВОЛНЫ ПРИ ВЗРЫВАХ
Взрыв в воздухе излучает ударные волны, которые достаточно хорошо изучены; они рассчитываются по гидродинамической теории, причем расчеты подтверж дены экспериментом. Закон подобия позволяет пересчи тывать параметры воздушной ударной волны от взрыва одной энергии к другой, так что прогноз делается для стандартного взрыва, в качестве которого здесь принят ядерный взрыв в 1 кт в воздухе без отражающих по верхностей и в однородной неподвижной атмосфере при давлении 1000 мбар на уровне моря при температуре 300 К (+ 2 7 °С). Полные таблицы параметров для этого взрыва были рассчитаны в Лос-Аламосе и имеют шифр «Задача М» в программах IBM.
На рис. 1 показана зависимость давления от вре мени в волне при этом взрыве на расстоянии 9000 фу тов, полученная в самом конце расчета. Здесь показана типичная форма взрывной волны с резким сжатием, медленным переходом давления в длинную отрицатель ную фазу и постепенным возвращением к окружающему давлению после прохождения ударной волны. Зависи мость избыточного давления на фронте от расстоя ния для этого взрыва показана на рис. 2. Экстрапо ляция на давления, меньшие давлений в конце задачи М и ниже 0,37 фунт/дюйм2, основана на опытных данных
396 |
ДЖ. В. РИД |
для взрывов на большой высоте, которые мало чувстви тельны к атмосферной рефракции. При низких амплиту дах на расстояниях, близких к безопасным,-избыточное давление уменьшается обратно пропорционально рас стоянию в степени 1,2. Для акустических волн сфериче ское расширение дало бы степень 1, но небольшие поте ри энергии и изменения формы волны вызывают не сколько более быстрое наблюдаемое затухание.
Рис. 1. Зависимость давления в ударной волне от времени на рас стоянии 9000 футов от ядерного взрыва в 1 кт, произведенного в атмосфере на уровне моря (задача М в программах IBM).
Законы подобия показывают, что заданная интен сивность ударной волны, т. е. отношение избыточного давления к окружающему давлению ts.plр, будет до стигать расстояний R, пропорциональных кубическому корню из энергии взрыва W. Может быть учтена не большая поправка из-за изменения давления с высотой, однако для большинства взрывов по программе «Плаушер» этой поправкой можно пренебречь. Давление в ударной волне на высоте, превышающей уровень моря, было бы уменьшено -в безопасную сторону. Предмет на высоте 10 000 футов над средним уровнем моря под вергся бы действию избыточного давления на 9% мень ше, чем указано в графике, а на высоте 20 000 футов уменьшение составило бы 19%. Избыточное давление
Р и с. 2. Зависимость от расстояния избыточного давления при стандартном взрыве.
/ — пдерныП взрыв 1 кт в воздухе на уровне |
моря (IBM, задача М); 2—ядер- |
ный взрыв I Мт в воздухе на уровне моря |
(пересчет по законам подобия). |
Законы подобия: А р / р — А р м / Р м > R = % M ( w P m / w M P ) ' ^ ' i= t M (W P M lK 'M )'/3(cWc)-
p —атмосферное давление. Ар — ударное избыточное давление, Я —расстояние, W —энергия взрыва, ( — время, С—скорость звука.
3£8 |
ДЖ. В. РИД |
нанесено на график |
в миллибарах — метрических еди |
ницах, которые обычно употребляются при расчетах ударных волн. Расстояния показаны для удобства и в километрах и милях.
Отраженное избыточное давление Ар*, которое из меряется на больших расстояниях от взрыва, удобно
выразить формулой |
|
Ар* = 7l4W0AR~l'2(lQ~3p)0’6 F. |
(1) |
Здесь р — атмосферное давление, мбар; Ар — избы точное давление в ударной волне; индекс * означает, что амплитуда удвоена при отражении от земли; W — энер гия взрыва, кт; R — расстояние, кфут; F — коэффициент атмосферной фокусировки.
4. ПОДЗЕМНЫЕ ВЗРЫВЫ
При подземных взрывах давление в воздушной вол не уменьшается благодаря ослабляющему действию грунта. Форма волны может быть разной при различ ных глубинах взрыва, как это показано на рис. 3. На чальная ударная волна, прошедшая сквозь грунт, дей ствует на воздух как поршень, образуя при этом импульс «наведенной грунтовой ударной волны» GSI. Вслед за ним следует импульс «выхода газов» GV, если образуется воронка или происходит прорыв газов. При взрывах на малых глубинах наблюдается только им пульс GV; на глубинах, оптимальных для образования воронок в аллювии, наблюдаются оба импульса; при камуфлетных взрывах в воздухе образуется только им пульс GSI. !
Амплитуда воздушной ударной волны находится при помощи коэффициента передачи Т, который опреде ляется как отношение избыточного давления Ар на больших расстояниях к избыточному давлению Аро, ко торое было бы там от такого же заряда, но взорван ного в воздухе:
Ар
А р 0 '
(2)
Передача в ближней области очень сложна и зави сит от многих параметров. Пока еще нет полного физи
ВОЗДУШНАЯ УДАРНАЯ ВОЛНА ПРИ ПОДЗЕМНЫХ ВЗРЫВАХ 399
ческого описания того, что там происходит. Для опре деления безопасных расстояний в предлагаемой работе будут приниматься во внимание только наблюдения на больших расстояниях.
На рис. 4 показана интерполяционная кривая Т, по строенная по экспериментальным данным в зависимости
Р и с. 3. Зависимость от времени давления в воздушной волне при взрыве на выброс.
а —взрыв па малой глубине; б —взрыв на промежуточной глубине; в — взрыв на большой глубине.
от глубины взрыва, отнесенной к W'ls. Большой раз брос частично вызван неодинаковыми условиями излу чения волны около источника, а частично — неоднород ностями в атмосфере на большом путираспространения волны. При предсказаниях безопасности нужно принять во внимание отмеченные возможные ошибки.. Кривые показывают, что существенное значение имеют свойства среды, в которой производится взрыв. При ядерных взрывах во влажных средах происходит испарение воды, увеличивающее амплитуду волны GV, При взрывах
Р и с. 4. Коэффициент передачи для подземных взрывоб.
По оси абсцисс: глубина взрыва в футах, отнесенная к энергии взрыва (кт)
встепени '/з-
/—«Седан»; 2— «Кабриолет»; 3—«Денни-БоП»; 4— «Паланкин»; а —взрыв в скале;
б—взрыв в аллювии.