機(jī)場(chǎng)道面彈坑修復(fù)的數(shù)值模型及驗(yàn)證

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1、機(jī)場(chǎng)道面彈坑修復(fù)的數(shù)值模型及驗(yàn)證*許巍1，3魏武2岑國(guó)平3（1，長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院陜西西安710064；2，清華大學(xué)土木學(xué)院；3，空軍工程大學(xué)工程學(xué)院）摘要分析了反跑道彈藥破壞作用下機(jī)場(chǎng)道面彈坑類(lèi)型破壞特點(diǎn)，推導(dǎo)了彈坑參數(shù)的計(jì)算公式，建立了彈坑修復(fù)的有限元模型，并用足尺試驗(yàn)對(duì)有限元模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：基層材料彈性模量及回填深度對(duì)修復(fù)效果的影響最為顯著；采用彈性模量在200MPa以上的基層材料，回填深度控制在40～60cm效果最好。關(guān)鍵詞機(jī)場(chǎng)工程反跑道彈藥彈坑修復(fù)回填有限元陳太林和吳祥林等對(duì)機(jī)場(chǎng)道面彈坑

2、的修復(fù)進(jìn)行了分析［1］，［2］，葛東華等對(duì)簡(jiǎn)易機(jī)場(chǎng)跑道基層快速加固進(jìn)行研究［3］。目前，對(duì)機(jī)場(chǎng)道面復(fù)合結(jié)構(gòu)中的彈坑形態(tài)、彈坑參數(shù)計(jì)算方法及影響彈坑修復(fù)效果的因素進(jìn)行深入討論尚不多。本文分析了反跑道彈藥作用下機(jī)場(chǎng)道面彈坑類(lèi)型特點(diǎn)，推導(dǎo)了參數(shù)計(jì)算公式，建立了彈坑修復(fù)的數(shù)值模型，并進(jìn)行驗(yàn)證。式中m為炸彈質(zhì)量，kg；ν為彈藥初始接地速度，0m/s；α、β為計(jì)算參數(shù)［4］。2.2彈坑形狀彈坑形狀可由拋擲指數(shù)n確定。n>1.00時(shí)，為Ⅰ型彈坑；0.75

3、1姨）3（2）kH31彈坑的形成反跑道彈藥破壞形成不同形式、不同大小的彈坑。試驗(yàn)研究表明，隨爆炸深度（反跑道彈藥侵徹道面深度）不同，破壞模式可分為成坑破壞和隱爆破壞。相應(yīng)的彈坑類(lèi)型可分三種（圖1）。Ⅰ型彈坑（淺層爆炸）的可見(jiàn)部分近似一個(gè)半球形，大量拋擲物以小塊飛散出去；Ⅲ型彈坑（深層爆炸），不產(chǎn)生可見(jiàn)彈坑，但地表下形成一個(gè)壓縮空腔，產(chǎn)生少量拋擲物，并伴隨有徑向巨大的環(huán)裂混凝土塊；Ⅱ型彈坑（中等深度爆炸）具有Ⅰ型和Ⅲ型某些特征，可見(jiàn)彈坑是圓錐型的，底部成球狀，飛散物處于Ⅰ型和Ⅲ型破壞之間。式中ω為裝藥量，k

4、g；H為彈藥侵徹深度，m；k為介質(zhì)系數(shù)。彈坑體積彈坑體積為V=nD2H2.3（3）式中V為含土基和混凝土道面部分的實(shí)際彈坑體積之和，m3；D為彈坑口部直徑，m，表面散落物移除后，彈坑口部?jī)?nèi)邊緣間的平均距離；H為彈藥侵徹深度，m。對(duì)于Ⅰ型彈坑，可將體積計(jì)算公式［5］簡(jiǎn)化為3π·H姨4姨D2d2Dd1++（4）V=42式中d為彈坑底部直徑，m，坑底散落物移除后，彈坑底部?jī)?nèi)邊緣間的平均距離，實(shí)測(cè)得到；其余參數(shù)意義同上。彈坑口部半徑徑彈坑口部半徑實(shí)際彈坑深度飛散物實(shí)飛實(shí)際彈坑深度際彈坑深度原道面飛散物原道面3彈坑

5、修復(fù)的數(shù)值模型3.1基本假設(shè)（1）為簡(jiǎn)化計(jì)算，將彈坑均視為Ⅰ型；實(shí)際彈坑及修復(fù)后結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2；同時(shí)取彈坑口部直徑與彈坑底可見(jiàn)彈坑可見(jiàn)彈坑實(shí)際彈坑實(shí)際彈坑實(shí)際彈坑（a）I型彈坑（b）II型彈坑圖1彈坑類(lèi)型圖（c）III型彈坑1-原道面6-修復(fù)面層1-原道面板2-基（墊）層5-飛散物（墊）層2彈坑參數(shù)計(jì)算2.1彈藥侵徹深度Forrestal給出了炸彈所受的徑向阻力公式［4］，化簡(jiǎn)可得彈藥侵徹深度為散物4-爆炸擠密土層炸擠密土層3-壓實(shí)土基βνH=ln[1+0]23-壓實(shí)土基m（1）2βα（a）實(shí)際彈坑結(jié)構(gòu)（b）

6、修復(fù)后彈坑結(jié)構(gòu)（示意）*空軍簡(jiǎn)易機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目。許巍，男，講師，博士研究生。圖2彈坑結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖7-回填基層2-基5-飛4-爆8-回填土基物原道面散彈坑口部半許巍等：機(jī)場(chǎng)道面彈坑修復(fù)的數(shù)值模型及驗(yàn)證·17·部直徑一致，即D＝d。（2）爆炸擠密土層及飛散物層的實(shí)際厚度遠(yuǎn)小于其它結(jié)構(gòu)層，建模時(shí)忽略這兩層的影響。3.2模型建立與單元?jiǎng)澐植捎肁NSYS軟件，取有限三維尺寸進(jìn)行分析。因模型符合軸對(duì)稱(chēng)特性，計(jì)算時(shí)僅取模型的1/2。機(jī)輪荷載采用荷載圓進(jìn)行簡(jiǎn)化。面層殼體結(jié)構(gòu)采用shell63單元（6自由度），其余結(jié)構(gòu)層均采用sol

7、id45單元（3自由度），由于兩種單元自由度不一致，故用MPC結(jié)點(diǎn)耦合。在修復(fù)面層與回填基層、彈坑側(cè)壁回填材料與原道面結(jié)構(gòu)層材料之間采用contact170與target174接觸單元，考慮層間摩擦作用，取摩擦系數(shù)分別為0.1、0.5。3.3實(shí)例分析彈坑面層修復(fù)材料采用玻璃鋼道面板，基層采用級(jí)配碎石回填，見(jiàn)表1，按某型飛機(jī)單輪荷載計(jì)算，荷載圓半徑16.8cm，胎壓1.27MPa。彈坑口部直徑2m，彈坑深度1m。構(gòu)承載能力有所增加，荷載圓中心點(diǎn)豎向位移相應(yīng)減小，但幅度不大。實(shí)例表明，當(dāng)回填基層厚度從0.2m

8、增至0.6m時(shí)，面層豎向位移減少5%～30%；厚度繼續(xù)增大時(shí)，對(duì)豎向位移影響不明顯。（4）隨回填基層模量增大，回填深度對(duì)荷載圓中心點(diǎn)的豎向位移影響不斷增大。4試驗(yàn)驗(yàn)證（1）利用18.0m×6.0m×0.3m混凝土道面板，開(kāi)挖直徑為4.0m、深度為1.0m的模擬彈坑。先在模擬彈坑下部回填70cm土基，再在其上填充60cm厚的級(jí)配礫石材料（粒徑5~40mm，彈模150MPa）?；靥詈蟛捎?2t壓路機(jī)連續(xù)碾壓8～10遍，以保證密實(shí)度