Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Проведение взрывов - быстрой енерации большого количества энергии в малом объеме является обычным гвлением в промышленности и военном деле. Исследованием механичесішх іффектов взрьшов в настоящее время занимается большое количесгво ченых и инженеров во всех странах мира. Происходит интенсивное іазвитие представлений о характере взрывных движений среды, в которой ыл произведен взрыв (воздушная, водная, грунтовая среда или границы их оприкосновения), и постоянное совершенствование расчетных и кспериментальных методов их исследования, что приводит к качительному прогрессу в смежных разделах прикладной механики и іехаїшки сплошных сред.
При взрыве в любой среде возникает ударная волна, которая, двигаясь от ентра взрыва, генерирует в ней поля перемещений и давлений, писываемые близкими по структуре уравнениями. Это свидетельствует о dm, что результаты теоретических и экспериментальных исследований, олученные в одной среде, или их сочетании, могут быть адаптированы к юбой другой.
Естественно, что различные инженерные объекты и системы, попадая в ютветствующее динамическое поле, вводятся в колебательный режим, гоаметры которого, коррелированные с внешним воздействием, іределяют вероятность и степень повреждений объекта.
Таким образом, во всех случаях среда, в которой производится взрыв, гляется субстанцией передающей энергию от источника к исследуемому >ъекту (комплексу объектов), который в дальнейшем будет называться іхраняемьій объект».
Физический тип генерированной динамики охраняемых объектов іределяется характером их контакта с энергопроводящей средой:
технические средства освоения океана, находящиеся одновременно в ех средах, подвержены комплексному действию упругой волны формации в грунте, гидравлическому удару и воздушной ударной волны:
подводные аппараты - только гидравлическому удару:
- водоизмещающие объекты - гидравлическому удару и воздушной
арной волны;
летательные аппараты - воздушной ударной волны;
подземные - только упругой волны деформаций.
Особое положение в перечисленном комплексе сочетаний :ргопроводящих сред и охраняемых объектов занимают наземные фужения, частично погруженные в две субстанции (грунтовую и (душную среды), резко отличающиеся друг от друга по физико-паническим свойствам, в связи с чем при действии только упругих волн формаций в грунте испытывают особый вид возбуждения колебаний -
кинематический: принудительное перемещение в пространстве системь крепления охраняемого объекта к энергонесущей среде.
Математическое описание поведения охраняемых объектов (систем) і при ударных и при деформационных волнах является практическі идентичным, однако, сами энергопроводящие среды существенно разнята по физико-механическим характеристикам. Если водная и воздушная средь в пределах ограниченных объемов являются изотропными, то ґрунтової среде присуща существенная, предопределенная ее природой анизотропность (неоднородная слоистость, разломы различной ориентации дискретная водонасыщенность, различные углы падения слоев неоднородность рельефа и т.п.). Все это приводит к тому, что прі прохождении через грунтовую среду силовые потоки претерпевают глубокую трансформацию в результате интерференционных дифракционных процессов и фильтрации энергонесущего сигнала, описаті которые можно только вероятностно-статистическими методами.
Созданные к настоящему времени вероятностные расчетные і математические модели грунтов и охраняемых объектов предназначены, е основном, для анализа их напряженно-деформированного состояния или е статической постановке или для ограниченных объемов и не приспособлены для оценки преобразования колебательной энергии на трассе ее распространения и при переходе от грунта к охраняемому объекту.
Учитывая особенности и сложность этой проблемы, наиболее рациональной является вероятностная оценка поведения охраняемых объектов (или их комплексов), находящихся в опасных зонах стохастических динамических полей, генерированных в грунте, с учетом преобразования импульса при переходе его от грунта к фундаменту.
Первой общей задачей этой проблемы является то, что, теоретические методы не могут быть использованы, поскольку требуют численного задания ряда коэффициентов, описывающих физико-механические свойства зоны контакта охраняемого объекта с энергонесущей средой. Отдельные попытки численного определения этих коэффициентов на масштабных моделях встречают большие трудности в связи с необходимостью выбора и выполнения критериев подобия, а на натурных объектах при реальных взрывных воздействиях - не имеют возможности варьировать параметры в необходимом диапазоне. Единственным реальным путем получения необходимой достоверной информации о поведении охраняемых объектов в динамических взрывных полях является выполнение специальных комплексов экспериментальных исследований с применением современных компьютерных технологий их обработки и анализа.
Второй задачей является - необходимость существенной адаптации методов исследования кинематически возбуждаемых систем, хорошо разработанных в сейсмостойком строительстве, в связи с тем, что движение энергопередающей среды (грунта) при взрывах и естественных землетрясе-
иях принципиально разнятся по всем определяющим параметрам:
продолжительности активной фазы,
значению энергонесущих частот и их количеству,
интенсивности,
объемам вовлекаемых в движение масс среды и их распределением по олщине,
степени затухания с расстоянием и т.п.
Комплексное решение поставленных задач представляется, как научная роблема, имеющая важное народнохозяйственное значение, особенно читывал практическое использование результатов ее решения при птимизации параметров системы «взрыв - грунт - охраняемый объект» горном деле, строительстве и районах работ на континентальном шельфе с спользованием технических средств освоения океана, а после эответствующеи адаптации в упомянутых выше смежных областях науки и зхники.
ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИИ является аналитическое обобщение данных імкнутой последовательности натурных экспериментальных сследований, выполненных и накопленных автором по единой методике гандартной аппаратурой и обработанных лицензированной компьютерной родукцией и выявление на их основе качественных и количественных ценок закономерностей стохастических динамических полей и поведения гсположенных в них охраняемых объектов
оценить, качественно и количественно, интенсивность движения эунта в динамических полях, генерированных промышленными взрывами;
выявить особенности поведения охраняемых объектов в реальных шамических взрывных полях;
- разработать метод моделирования взрывных полей;
разработать методику оценки динамики охраняемых объектов с іетом конструкции фундаментов и категории грунтов в основании;
произвести сопоставительную оценку интенсивности динамических >лей, генерированных взрывами, и расположенных в них охраняемых іьектов с существующими нормативами:
разработать рекомендации по методике проведения :спериментальных измерений грунта взрывных полей и охраняемых гьектов.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для решения поставленных в гссертации задач применялись следующие методы:
- экспериментальные измерения колебаний грунта и охраняемых
іьектов по единой методике с использованием стандартной измерительной
хгаратура и рекомендованных АН СССР способов ее калибровки;
- математическая статистика, спектральный и корреляционный анализ;
- обработка, анализ и интерпретации полученных экспериментальны:
данных с использованием математических сред MathCAD PLUS 7.0 PRO і
Excel 7.0 PRO;
- классические численные методы построения спектров Фурье I
спектров реакций с использованием специальной программы на языке Quid
BASIC 4.5.
ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ определялась
использованием единой, надежной и апробированной в полевы? условиях в течение 25 лет совместной работы с коллегами методикі проведения натурных экспериментальных исследовании;
корректностью и замкнутостью постановки и решения задач і сопоставлением экспериментальных данных, полученных при исследование объектов-аналогов;
отбором из накопленного автором информационного массива данны> высокой надежности:
положительными результатами применения промежуточных выводов г результатов в практике.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА исследования и полученных результатої заключается в следующем:
- выполнена вероятностная оценка параметров стохастические
динамических полей, генерированных промышленными взрывами, ш
примере карьеров, угольного разреза и районов планирования территории
строительных площадок взрывами, в результате которой установлена их
корреляционная связь с основными параметрами буровзрывных работ и
грунтовыми условиями районов их проведения;
определены отличия в поведении реальных охраняемых объектов различного типа при взрывных воздействиях и естественных землетрясениях;
разработана методика гибридного представления динамической системы с элементами, не имеющими математического описания, на основе которой создана гибридная модель охраняемого объекта, в которой зона контакта грунта с фундаментом заменяется экспериментально - расчетным модулем;
разработана методика динамической калибровки натурных объектов экспериментальными взрывами, в результате практической реализации которой получены численные оценки динамики охраняемых объектов и преобразования параметров колебательной энергии при переходе ее с грунта на фундамент с учетом их конструктивного оформления и категории грунтов в основании:
- разработаны методики сопоставления спектров Фурье колебаний
грунта в динамических полях от техногенных взрывов с существующими
нормативными оценками и спектров реакций SDF и гибридных моделеіі от
взрывных воздействий и эталонного землетрясения, в результате использо-
зования которых получены численные сопоставительные оценки;
- разработаны рекомендации по методике экспериментальных
измерений движения грунта в динамических полях от взрьгеов и
расположенных в их опасных зонах охраняемых объектов при оптимизации
параметров взрывных работ по условию заданной устойчивости
охраняемых объектов;
- выявлен ряд феноменов динамики охраняемых объектов, которые не
укладываются в существующие концепции теоретической динамики
сооружений.
АПРОБАЦИЯ основных научных и практических результатов диссертации производилась в виде докладов и сообщений на международных, всесоюзных, российских и региональных конференциях и совещаниях:
- IX Европейской конференции по сейсмостойкому строительству
(Москва, 1990 г.), II International Conference on "Recent Advances in
Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics" (St. Louis, US, 1991),
Всесоюзной конференции «Сейсмичность и сейсмостойкое строительство
на Дальнем Востоке» (Владивосток, 1991), Международной конференции
«Стихия. Строительство. Безопасность» (Владивосток, 1997),
Международной конференции «Кораблестроение и океанотехника.
Проблемы и перспективы (SOPP'98)» (Владивосток, 1998). Международной
конференции «Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов
(ПЭНС90)» (Владивосток, 1999), Международной конференции «Asian
Technical Exchange and Advisory Meeting on Marine Structure (TEAM'2000)»
(Владивосток. 2000);
II Всесоюзной конференции по динамике сооружений (Тбилиси, 1982), Всесоюзном совещании «Снижение материалоемкости и трудоемкости сейсмостойкого строительства» (Алма-Ата, 1982), VI Всесоюзной конференции по динамике оснований и фундаментов (Нарва, 1985), VI Всесоюзной конференции по экспериментальным методам исследования инженерных сооружений (Ново Полоцк, 1986). Всесоюзных координационных совещаниях по динамике сооружений ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя СССР (Донецк, Тбилиси, Алма-Ата, Москва, Томск, Ленинград, 1982 - 1987);
Республиканской научно - технической конференции «Надежность и эффективность нетрадиционных систем сейсмозащиты зданий и сооружений» (Севастополь, 1991), II Савиновских чтениях (СПб, 1977), Всероссийском симпозиуме ТОЙ ДВО РАН «Сейсмоакустика переходных зон» (Владивосток. 1999);
I и II Дальневосточных акустических конференциях (Владивосток, 1974, 1978). II - IX научных сессиях Дальневосточной секции Междуведомственного совета по сейсмологии и сейсмостойкому строительству АН СССР (Петропавловск Камчатский, Магадан. Иркутск,
Южно-Сахалинск, Владивосток, 1981-91), Зональной научно - технической конференции Госстроя СССР «Перспективы ускорения научно -технического прогресса в строительстве районов Дальнего Востока и Забайкалья» (Владивосток, 1985), Дальневосточном семинаре научных и проектных организаций капитального строительства Министерства обороны СССР (Хабаровск, 1990), Зональные научно - технические конференции ДальНИИС Госстроя СССР (Владивосток, 1978 - 1986), ежегодные научно - технические конференции Дальневосточного государственного технического университета (Владивосток, 1997 -2000).
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ состоит в том, что полученные в диссертации результаты и накопленный экспериментальный материал:
нашли применение в научном обеспечении нужд промышленности Дальнего Востока и используются в настоящее время автором и его коллегами по работе при оценке допустимых уровней динамики охраняемых объектов при внешних воздействиях, генерированных промышленными взрывами, работой технологического оборудования, движением транспорта и т.п.;
были использованы ДальНИИС Госстроя СССР и ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя СССР при разработке рекомендательных документов по проектированию и ведению взрывных работ при рыхлении скальных и мерзлых грунтов под локализаторами в стесненных условиях городской застройки и расчету и проектированию свайных фундаментов при взрывных воздействиях;
используются в учебном процессе при подготовке инженеров и магистров в лекциях, практических занятиях и курсовых работах.
1.Обобщенные результаты натурных экспериментальных исследований динамических полей, генерированных техногенными промьшшенными и экспериментальными взрывами, динамики охраняемых объектов от промышленных взрывов и динамических калибровок.
2.Методика моделирования динамического поля мгновенным и короткозамедленным взрыванием скважинных зарядов.
3. Представление охраняемого объекта гибридной моделью,
позволяющей численно оценить преобразование колебательной энергии при
переходе ее с грунта на фундамент с учетом его конструктивного
оформления и категории грунтов в основании.
-
Методика и обобщенные результаты динамической калибровки экспериментальными взрывами натурных объектов.
-
Методика и результаты сопоставительных оценок интенсивности динамических полей, генерированных техногенными взрывами, с действующими нормативными рекомендациями и спектров реакций SDF и гибридных моделей на взрывные воздействия и эталонные землетрясения.
6. Рекомендации по использованию полученных результатов в практике экспериментальных исследований поведения охраняемых объекгов в стохастических динамических полях.
ПУБЛИКАЦИИ по теме диссертации представлены 54 печатными работами, четырьмя авторскими свидетельствами об изобретении и 33 отчетами по хоздоговорным и госбюджетным научно - исследовательским работам, имеющим номер государственной регистрации.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержание изложено на 257 страницах машинописного текста и включает 76 рисунков, 31 таблицу и 158 наименований отечественных и зарубежных первоисточников.
Автор выражает глубокую признательность своему учителю д.т.н., профессору Н.В. Барабанову, научному консультанту д.т.н., профессору П.А. Аббасову и благодарит специалистов: к.т.н. Б.А. Пышкина, инж. A.M. Гончарова, инж. В.Н. Горюнова, инж В.З. Дубницкого, принимавших активное участие в подготовке и проведении натурных испытаний, а также всех своих коллег за их доброжелательное отношение и сотрудников предприятий, на объектах которых проводились эксперименты за оказанные помощь и содействие.
