2.1.1. Lý thuyết về sóng nổ.
Sóng lan truyền trong môi trường được hình thành do năng lượng của thuốc nổ gây ra gọi là sóng nổ. Sóng nổ lan truyền trong không khí gọi là sóng xung kích (hay sóng tới). Sóng nổ lan truyền gây dao động trong môi trường đất đá gọi là sóng chấn động hay còn gọi là sóng địa chấn. Sự giãn nở của đất đá được lan truyền từ mặt thoáng trở lại tâm nổ gọi là sóng phản xạ.
2.1.2. Sóng nổ xung kích theo quan điểm thủy khí động học
Nổ là một phản ứng hóa học, có kết quả trong một khoảng thời gian rất ngắn, tạo ra một năng lượng lớn và hình thành một vùng áp lực nhiệt độ cao. Trong trường hợp tổng quát thì sự phân bố áp lực và nhiệt độ trên mặt giới hạn những thành phẩm nổ và môi trường bao quanh ở thời điểm ban đầu là hoàn toàn bất kỳ, vì đặc điểm của phản ứng nổ không phụ thuộc vào các tính chất của môi trường bao quanh. Khi năng lượng nổ truyền ra môi trường bao quanh sẽ xuất hiện những mặt, trên những mặt này có có các yếu tố thủy động (áp lực, mật độ, vận tốc) hoặc đạo hàm của chúng theo thời gian và không gian bị gián đoạn. Nếu bản thân các yếu tố này bị gián đoạn thì ta có những mặt gián đoạn mạnh. Còn nếu đạo hàm của chúng gián đoạn thì ta có những mặt gián đoạn yếu. Nếu áp lực và thành phần pháp tuyến véc tơ vận tốc bị gián đoạn thì gián đoạn mạnh gọi là không dừng hay gọi là đầu sóng xung kích. Nếu chỉ có mật độ và nhiệt độ bị gián đoạn thì mặt gián đoạn này gọi là sóng dừng. Nhiệm vụ chủ yếu của lý thuyết nổ là nghiên cứu chuyển động không dừng của chất lỏng (theo nghĩa rộng) ở khoảng giữa hai mặt biên là mặt đầu sóng và mặt gián đoạn mạnh. Hình 2.1 trình bày sơ đồ nổ trên không và chuyển động của các mặt gián đoạn.
Khu vực bao quanh A và nằm trong mặt α là vùng các thành phẩm nổ (khu vực 1). Trong khu vực 1 này môi trường thường ở trạng thái bị phá hủy hoàn toàn, áp lực lớn và nhiệt độ cao. Khu vực 2 là vùng môi trường đã bị kích động và các hạt
đang ở trạng thái chuyển động không dừng. Khu vực này giới hạn bởi mặt đầu sóng xung kích β. Khu vực 3 là vùng còn ở trạng thái tĩnh, chưa bị kích động.
1 2
3
Pds A
Hình 2.1: Sơ đồ nổ trên không và các mặt gián đoạn.
A: Trung tâm nổ.
α: Mặt gián đoạn mạnh.
β: Đầu sóng (gián đoạn mạnh không dừng).
Khu vực 1: Vùng các thành phẩm nổ.
Khu vực 2: Vùng môi trường bị kích động.
Khu vực 3: Vùng môi trường chưa bị kích động.
∆Pds: Áp lực thặng dư tại đầu sóng.
Đối với các công trình xây dựng ở gần khu vực nổ mìn, sóng xung kích do nổ mìn gây ra có tác dụng rất quan trọng. Trong môi trường có sóng xung kích bao giờ cũng hình thành một vùng chịu nén với áp lực rất lớn, chuyển động trong không gian với tốc độ siêu âm và không phụ thuộc vào các loại môi trường và loại thuốc nổ.
Khi sóng xung kích qua một điểm nào đó trong không gian thì áp lực, mật độ và các yếu tố thủy động khác tăng lên đột ngột. Những đại lượng này sau đó sẽ thay đổi dần dần, và sau một khoảng thời gian nhất định thì áp lực và mật độ tại điểm nói trên trở nên nhỏ hơn các trị số tương ứng tại vùng chưa bị kích động.
Tính chất định tính của sự thay đổi áp lực tại sóng xung kích có thể biểu diễn như (hình 2.2).
-
+
-
+
P
S
t
P
R
Hình 2.2: Sự thay đổi của áp lực phía sau đầu sóng xung kích
∆P: Áp lực thặng dư.
t: Thời gian tác dụng của áp lực thặng dư.
S: Sung lực toàn phần của áp lực tại thời điểm đang xét.
λ: Chiều dài của vùng nén (bước sóng xung kích).
Biểu đồ của sóng xong kích gồm các vùng áp lực thặng dư dương (vùng nén) và âm (vùng nở). Chiều dài vùng nén thường được gọi là bước sóng xung kích λ.
Thời gian tác dụng của áp lực thặng dư gọi là chu kỳ của sóng được ký hiệu là t.
Trong các vụ nổ với khối lượng chất nổ lớn thì áp lực của sóng nổ sẽ càng nhiều chu kỳ tắt nhanh với những đợt nén, nở nối tiếp nhau (hình 2-3). Trong tính toán thường ta chỉ chú ý đến 2 đợt nén nở đầu tiên vì biên độ áp lực vùng này lớn hơn các vùng sau rất nhiều.
t1+ t2+ t3+
t1- t2- t3-
P
t
Po=1
Hình 2.3. Áp lực của sóng nổ theo thời gian.
∆P: Áp lực thặng dư đầu sóng.
t: Thời gian tác dụng của áp lực thặng dư.
tP+P: Thời gian tác dụng của vùng nén.
tP-P: Thời gian tác dụng của vùng nở.
Tuy thời gian tác dụng của vùng nở dài hơn nhiều so với thời gian tác dụng của vùng nén (tP-P>>tP+P) nhưng vì áp lực nén lớn hơn rất nhiều so với vùng nở (∆pR1RP+P>>pR1RP-P). Cho nên nói chung áp lực nén gây tác hại nhiều hơn cả.
Càng xa trung tâm nổ thì áp lực tại đầu sóng càng giảm. Tại các vùng rất xa thì sóng xung kích chuyển thành sóng truyền âm.
2.1.3. Sự hình thành sóng nổ địa chấn theo quan điểm lý thuyết đàn hồi.
Để nghiên cứu vấn đề này ta giả thiết rằng môi trường nổ phá là hoàn toàn đàn hồi, liên tục, bao gồm các phần tử liên kết chặt chẽ với nhau. Lúc bình thường mỗi phần tử ở vị trí cân bằng bền. Khi nổ phá bao thuốc, năng lượng của thuốc nổ truyền ra môi trường xung quanh. Lúc đầu, phần tử A cạnh bao thuốc tiếp nhận một phần năng lượng của bao thuốc dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng. Vì các phần tử liên kết chặt chẽ với nhau nên phần tử B (cạnh phần tử A) một mặt kéo phần tử A về vị trí cân bằng, nhưng do quán tính, phần tử A lại chuyển động quá vị trí cân bằng và rồi lại được kéo lên nhờ lực liên kết … Kết quả là phần tử A dao động quanh vị trí cân bằng. Mặt khác, bản thân phần tử B cũng bị năng lượng thuốc nổ kích động và do đó phần tử B cũng dao động. Hiện tượng vẫn tiếp tục xảy ra với các phần tử tiếp
tục tạo thành những dao động lan truyền trong môi trường. Những dao động lan truyền trong môi trường đàn hồi do tác động của năng lượng thuốc nổ gọi là sóng nổ.
Càng xa trung tâm nổ, năng lượng thuốc nổ càng giảm (do mất dần năng lượng để tạo dao động), do đó càng truyền xa biên độ sóng càng giảm.
Vì giữa các phần tử của môi trường tồn tại ma sát nên dao động của mỗi phần tử là dao động tắt dần theo thời gian. Sự yếu dần của sóng khi lan truyền ra xa và sự tắt dần theo thời gian của dao động của mỗi phần tử được biểu diễn ở hình 1-4.
Trong đó: X: Độ dời của phần tử giao động;
Y: Phương truyền sóng;
T: Thời gian.
X
Y
Hình 2.4a: Sự yếu dần của sóng khi lan truyền ra xa.
X
T
Hình 2.4b: Sự yếu dần của sóng khi lan truyền ra xa.
Người ta gọi bao thuốc nổ gây kích động là nguồn sóng, phương truyền sóng là tia sóng. Không gian mà sóng truyền qua gọi là trường sóng.