雷电冲击下土体应力及弹塑性界面时程分析

摘要

雷电作为自然界一种极端天气的表现形式，常给地基、地面、高耸建筑等造成严重破坏。工程防雷措施依赖于土体雷电冲击特性。现阶段，研究人员大多从电气工程角度探究雷电冲击土体造成的危害，但因学科间的差异与局限，雷电作用下岩土工程与电气工程的交叉融合方面的研究十分欠缺。本文构建土体雷电冲击模型，基于电弧通道能量平衡方程计算雷电放电产生的冲击波压力，将冲击波压力作为外加荷载作用在土体中，并通过修正Mohr-Coulomb屈服准则考虑动荷载下土体应变硬化，利用土体的理想锁定状态方程（Idealized Locked Equation of State）和动态扩孔方法考虑冲击波非稳态加载，探究雷电冲击下土体的弹塑性界面及应力时程变化规律。研究表明：在雷电冲击下，土体应力随时间变化呈现先陡增后迅速衰减的趋势，应力突变点表明土体此时正处于弹塑性交界面；在应力突变点之前，土体附加应力趋于0，处于弹性状态。任一时刻下，随着逐渐远离雷电冲击点，土体应力呈现迅速衰减的趋势，应力发生突变骤降表明此处土体正处于弹塑性交界面；在突变点之后土体附加应力趋于0，处于弹性状态。土体压缩系数对土体的弹塑性界面变化具有显著影响，随着压缩指标增大，土体塑性区半径逐渐减小；随着土体黏聚力逐渐增大，土体塑性区半径逐渐减小；增大土体弹性模量可以增大土体塑性区半径，但变化幅度相对较小；电流波形对土体塑性区中的应力会产生较大影响，而对土体弹性区影响较小。

关键词

雷电冲击 / 冲击波压力 / 应变硬化 / 土体应力 / 弹塑性界面 / 时程变化