Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология и безопасность взрывных работ. Учебник
.pdf
2) при взрыве в воде меньше (по сравнению с воздухом) энергии затрачивается на нагрев воды вследствие ее малой сжимаемости, т.е. рост температуры будет также весьма небольшим;
3) ударная волна в воде характеризуется очень резким падением параметров за фронтом уже в первый момент времени
после его образования, т.е. наибольшая плотность энергии в
ударной волне локализуется в очень узкой фронтальной зоне.
Давление на фронте сферической ударной волны уже на расстоянии 10 радиусов заряда составляет 0,01 начального давления
ударной волны, скорость распространения ее быстро падает,
а сама ударная волна переходит в звуковую.
Из-за плавучести газообразных продуктов пузырь всплывает, причем максимальная скорость всплытия наблюдается в моменты достижения пузырем минимального размера.
Когда фронт водяной ударной волны доходит до свободной
поверхности, дальнейшее распространение волны сжатия становится невозможным. Вода, находящаяся под действием огромного давления за фронтом ударной волны, получает возможность свободно двигаться в сторону слабо сопротивляющегося
воздуха. Сначала наблюдается небольшой всплеск за счет быстрого расширения сильно сжатого поверхностного слоя воды.
Далее начинается общий подъем всей массы воды, находящейся
между ее поверхностью и газовым пузырем. В результате этого
возникает мощный столб воды (султан), поднимающийся на
значительную высоту над местом взрыва.
121
26. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ
10
pp p
0
РАЗРУШАЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ
УДАРНЫХ ВОЛН
Для того чтобы оценить разрушающее действие взрыва, необходимо знать:
– характер нагрузки;
– свойства сооружения, на которое эта нагрузка действует.
Наиболее полно характер нагрузки описывается функцией
изменения давления в ударной волне от времени p(t) в пределах от 0 до t
В некоторых случаях можно существенно упростить задачу
и полагать, что разрушающее действие ударной волны определяется:
– либо избыточным давлением на ее фронте:
– либо величиной удельного импульса фазы сжатия:
Характер действия ударной волны на сооружение зависит
от соотношения между временем действия фазы сжатия t
менем (периодом) собственных колебаний элементов сооружения T.
Для типичных строительных сооружений, зданий и их частей величина собственных колебаний элементов сооружения
находится в диапазоне T = 0,1…1,0 с. Опытные значения Т для
различных типов зданий приведены табл. 26.1.
(промежуток времени действия фазы сжатия).
+
( )
,
.
+
D= −
t
+
I p t dt
= D
+
∫
и вре-
Жилое с несущими каменными стенами 3 0,15 0,16
Периоды собственных колебаний зданий
Периоды собственных
колебаний, с
поперечных продольных
5 0,26 0,22
8 0,43 0,43
Здание
Число
этажей
122
Таблица 26.1
ppD ≥D
Окончание табл. 26.1
Здание
Жилое крупнопанельное 4 0,16 0,15
Жилое сборное каркасно-панельное 14 0,86 0,76
Административное каркасное с кирпичным заполнением:
– железобетонный каркас 12 0,69…0,96 0,62…0,89
– стальной каркас 12 1,17 1,12
Административное каркасное 22 1,10 1,16
Число
этажей
Периоды собственных
колебаний, с
поперечных продольных
5 0,30 0,22
6 0,36 –
9 0,40 0,32
16 1,2 0,76
1. t+ >> T. Ударная волна весьма мощного взрыва, напри-
мер взрыва ядерного заряда, взрыва крупного склада взрывчатых материалов и т.д., достаточно интенсивна на больших расстояниях и имеет большую протяженность во времени. Время
действия t
фазы сжатия такой ударной волны обычно превос-
+
ходит период T собственных колебаний элементов сооружений.
В этом случае (t
>> T), разрушающее действие взрыва опре-
+
деляется величиной избыточного давления. То есть для оценки
действия взрыва достаточно знать лишь величину избыточного
давления на фронте ударной волны.
Условие разрушения:
,
к
где Dpк – критическое значение максимального избыточного
давления в волне.
Если давление достаточно велико, то сооружение деформируется и разрушится за время порядка (1/3…1/4)T, т.е за которое давление в ударной волне не успеет упасть сколько-нибудь
значительно. Если давление недостаточно и вызванная им деформация сооружения с самого начала не приведет к его разрушению, то сооружение не разрушится и в последующие моменты, когда давление начнет падать.
123
Этот случай, когда разрушение определяется избыточным
II≥
давлением (ударная волна весьма мощных взрывов), часто условно называют статическим действием ударной волны.
Статический характер действия ударной волны имеет место,
если t
≥ 10T.
+
<< T. Если ударная волна вызвана взрывом малой мощ-
2. t
+
ности (взрыв накладных зарядов, обычных одиночных боеприпасов: артиллерийских снарядов, фугасных авиабомб малого
и среднего калибра и т.д.), то давление за фронтом упадет за
столь короткий промежуток времени, что сооружение практически еще не успеет сдвинуться с места. Однако под действием
импульса фазы сжатия сооружение приобретет некоторое количество движения и будет в дальнейшем разрушено, если это
количество движения окажется достаточным, чтобы вызвать
некоторую предельную деформацию. Разрушение в этом случае
произойдет уже после того, как фаза сжатия пройдет.
Условие разрушения:
,
к
где Iк – критическое значение удельного импульса.
Таким образом, если t
<< T, то разрушающее действие опре-
+
деляется сообщенным сооружению импульсом фазы сжатия.
Этот случай часто называют условно импульсным действием
ударной волны.
Допущение об импульсном характере действия ударной волны считается практически приемлемым для t
≈ T. Если t+ по порядку величины не слишком отлича-
3. t
+
≤ 0,25T.
+
ется от T, то характер действия ударной волны будет в известной мере промежуточным между чисто импульсным и статическим. Разрушающее действие в этом случае нельзя оценивать
ни по величине избыточного давления, ни по величине удельного импульса: оно будет определяться некоторой головной
частью импульса. В таких случаях для оценки разрушающего
действия нужно знать всю кривую p(t).
124
27. ДЕЙСТВИЕ УДАРНЫХ ВОЛН
S
НА ЗДАНИЯ
При относительно небольших взрывных нагрузках во многих зданиях разрушается остекление. Так как стекло является
хрупким материалом, то оно рассыпается, как только напряжение в нем достигает предела упругости. Окна обычно имеют
небольшие горизонтальные размеры между опорами, поэтому первыми откликаются на взрывные нагрузки и чаще всего
разрушаются в режиме статического нагружения. Для таких
случаев вполне оправданно применение частного критерия по
максимальному избыточному давлению.
Критическое избыточное давление, при котором начинает
разрушаться остекление зданий, связано с площадью поверхно-
2
сти оконного стекла S ,м
максимального и минимального размеров A = L/B следующей
зависимостью:
p
D=
к
Для зданий и других объектов различают четыре степени
разрушений: полное, сильное, среднее и слабое. При полном разрушении обрушивается большая часть стен, колонн и перекрытий. Сильное характеризуется частичным повреждением стен,
колонн и перекрытий; легкие элементы (двери, перегородки,
крыши) разрушаются полностью или частично. При среднем основные ограждающие и несущие конструкции деформируются
(прогибаются), а разрушаются в основном второстепенные конструкции. Слабое характеризуется повреждением или серьезными деформациями отдельных легких элементов ограждения
(окна, двери, крыши домов). При полном разрушении сетей
коммунально-энергетического хозяйства выходят из строя значительные участки трубопроводов, разрывается кабель, обрушиваются опоры воздушных линий электропередачи.
При длительности взрывной волны t > 10T, т.е. при взрыве крупномасштабных зарядов, степень разрушения объектов
можно оценить по критическому избыточному давлению, значения которого приведены в табл. 27.1.
, его толщиной h, мм, и соотношением
1
0,175 0,0634 0,1939
hA
+−
( )
10 .
125
Таблица 27.1
Критическое избыточное давление ударных волн
для некоторых объектов
Давление Dp
Объект
полному сильному среднему слабому
Жилые и промышленные здания
– кирпичные многоэтажные 30…40 20…30 10…20 8…10
– кирпичные малоэтажные 35…45 25…35 15…25 8…15
– деревянные 20…30 12…20 8…12 6…8
Промышленные с тяжелым металлическим и железобетонным
каркасом
Промышленные бескаркасной
конструкции и с легким металлическим каркасом
60…100 50…60 40…50 20…40
60…80 40…60 30…40 20…30
, кПа, соответствующее
к
разрушению
Для оценки совместного воздействия избыточного давления
и удельного импульса взрывной волны на типовые здания и промышленные сооружения можно воспользоваться данными о разрушениях от бомбардировок во Второй мировой войне, которые
для кирпичных зданий аппроксимируются уравнением
13
KM
rM=
1
3180
1
+
,
16
2
где r – расстояние от места взрыва, м;
M – масса заряда ВВ (тротиловый эквивалент), кг;
– коэффициент (3,8 – полное разрушение зданий; 5,6 –
K
1
здания разрушены наполовину; 9,6 – здания непригодны
для обитания; 28 – умеренные разрушения, повреждения
внутренних малопрочных перегородок; 56 – зданиям на-
несен небольшой ущерб, разбито более 10 % стекол).
126
28. ДЕЙСТВИЕ УДАРНЫХ ВОЛН
Wp= D−
НА ЧЕЛОВЕКА
Поражение человека связано с травмами различных частей
тела. При этом отдельные органы могут по-разному реагировать
на воздействие ударных волн. Например, барабанные перепонки имеют очень маленький период собственных колебаний, поэтому их реакцию на воздействие ударных волн можно оценивать
по критерию максимального избыточного давления в волне.
Связь между максимальным избыточным давлением в волне Dp, кПа, и вероятностью повреждения барабанных перепонок человека W описывается зависимостью
Умножив вероятность W на 100, получим процент повреждения барабанных перепонок в группе людей, одинаково удаленных от места взрыва. Граница временной потери слуха соответствует давлению Dp = 1,5…2,0 кПа, нижний порог повреждения
барабанных перепонок – 34…45 кПа, а 50 % вероятности разрыва перепонок – примерно 100 кПа.
Наиболее чувствительны к поражающему действию ударных
волн органы человека, отличающиеся большой разницей в плотностях соседних тканей, в первую очередь легкие и органы слуха
(табл. 28.1).
Характерные виды поражения человека ударной волной
Повреждение Dp, кПа R*, м/кг
Контузия внутренних органов и центральной
нервной системы
Баротравма легких средней тяжести 150…200 < 2,2
Разрыв барабанной перепонки 35…45 < 4,5
Временная потеря слуха > 2 –
Примечание. R* = r / 3√m – приведенное расстояние.
0,88 lg 1,323.
Таблица 28.1
1/3
450…500 < 1,4
На поражение человека существенное влияние оказывает его
ориентация относительно набегающей волны и окружающих
объектов. Наибольшие повреждения получает человек, который
стоит или лежит вблизи плоской отражающей поверхности, по
127
нормали к которой движется ударная волна. В этом случае на
него действует не только давление в проходящей ударной волне,
но и давление в волне, отраженной от жесткой стенки.
При взрывах крупных зарядов в качестве критерия поражения человека можно использовать критическое давление в ударной волне, значения которого в зависимости от вероятности летального исхода приведены в табл. 28.2.
Таблица 28.2
Критическое давление поражения человека ударной волной
Вероятность летального исхода 0,99 0,75 0,5 0,25 0,1
, кПа 500 370 320 280 250
Dp
k
128
29. ОСНОВЫ
ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ
ДЕТОНАЦИИ
Большинство теоретических исследований в области детонации относятся к газовым смесям, которые представляют собой
простейшие взрывчатые системы. Эти исследования привели в
итоге к созданию стройной математической теории детонационной волны, основные закономерности которой оказались справедливыми и для конденсированных (жидких и твердых) ВВ.
Явление детонации в газах было открыто в 1881 г. независимо двумя группами французских ученых: Бертло и Вьелем,
а также Малляром и Ле Шателье в ходе работ по исследованию распространения пламени в трубах. Их эксперименты
показали, что после установления стационарного режима детонация распространяется с постоянной скоростью, достигающей для некоторых газовых смесей очень высоких значений –
порядка 3500…4000 м/с. Оказалось, что скорость детонации
в несколько раз превышает скорость звука в тех же газах при
обычной температуре и давлении.
Количественная теория распространения детонационной
волны известна под названием гидродинамической теории де-
тонации. Распространение детонации эта теория рассматривает как распространение скачка давления – ударной волны.
При этом предполагается, что распространение скачка давления
вызывает во взрывчатой системе быструю экзотермическую реакцию, энергия которой, в свою очередь, поддерживает стационарное распространение ударной волны. Таким образом, скорость детонации отождествляется со скоростью ударной волны
во взрывчатом веществе.
Основоположником современной гидродинамической теории детонации является известный российский физик Владимир
Александрович Михельсон
разработал основные ее положения. В диссертации «О нормальной скорости воспламенения гремучих газовых смесей» Михель-
соном были даны отчетливые физические представления о распространении пламени при нормальном горении и детонации.
(1860–1927), который еще в 1889 г.
129
Пионерами в области разработки гидродинамической теории детонации являются также Д.Л. Чепмен (Англия, 1899),
Е. Жуге (Франция, 1905). В их работах детонационная волна
была представлена ударной волной с экзотермической химической реакцией в ее фронте.
Теория Михельсона – Чепмена – Жуге не только правильно
объясняет качественные особенности детонационных процессов, но и дает возможность вполне удовлетворительно рассчитать все параметры (скорость, давление, плотность, температуру, энергию) идеальной детонации.
Дальнейшее существенное развитие гидродинамическая теория получила главным образом благодаря работам А.А. Гриба,
Я.Б. Зельдовича, Д. Неймана и В. Дёринга, независимо предложивших модель детонационной волны, учитывающую физическую зону превращения исходного ВВ в конечные продукты
(зону «химического пика»).
В теории Гриба – Зельдовича – Неймана – Дёринга взрывчатое вещество вначале сжимается во фронте детонационной
волны, а затем образовавшийся слой ударно сжатого вещества самовоспламеняется и начинается химическая реакция
взрывчатого превращения – «химический пик». Представление о химическом пике является основным в теории Гриба –
Зельдовича – Неймана – Дёринга и имеет многократное экспериментальное подтверждение.
Л.Д. Ландау, К.П. Станюкович и др. адаптировали гидродинамическую теорию применительно к конденсированным ВВ.
В дальнейшем обнаружились факты, несовместимые с теорией Гриба – Зельдовича – Неймана – Дёринга, в основном
они касаются некоторых особенностей детонации гетерогенных
конденсированных взрывчатых веществ. Такую детонацию называют неидеальной.
Знание закономерностей неидеальной детонации является необходимым для безопасного производства
взрывных работ в горной промышленности.
Согласно гидродинамической теории передача детонации
обусловлена распространением по взрывчатому веществу ударной волны. Если амплитуда на фронте этой волны больше некоторой величины, то волна при своем распространении способна за своим фронтом возбуждать интенсивную химическую
130
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]