高饱和度饱和土中爆炸波的传播特性

穆朝民,齐 娟,辛 凯

(1.安徽理工大学能源与安全学院,安徽淮南 232001;2.煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室,安徽淮南232001;3.中国科学技术大学近代力学系,合肥230026;4.总参工程兵科研三所,河南洛阳471023)

高饱和度饱和土基本上是一种由水和土骨架2 相介质组成的一种介质,其表现出的介质性质不同于土和水这2种介质性质的任何一种。高饱和度饱和土的含气量极少并且气泡呈封闭状态,当爆炸波在土中传播时,饱和土中的爆炸波传播规律有着鲜明的特点：由于波速高和压力衰减小造成应力波的高频部分很容易传播,可以在爆炸近区和中区保持应力波阵面的陡峻特征。因而导致了高饱和度饱和土中结构极易产生强烈的震动并可能被破坏。因此对高饱和度饱和土中爆炸波传播特性的研究具有十分重要的意义。

20世纪70年代以来,美国、前苏联都加强了对常规武器的防护研究。ляхов通过现场试验首次明确提出饱和土中的爆炸波传播与饱和土中的气体含量有最直接的关系[1-3]。1971年美国空军武器试验室编写的“Protection from Nonnuclear Weapons”,1986年美国编写“Fundam entals of Protective Design for Conventional Weapons-TMS-855-1”,1980年Baker等人编写出的“A M anual for the Prediction of Blast and Fragment Loading on Structures”,这些文献都对饱和土中工事抗常规武器爆炸效应的设计方法进行了探讨,取得一定的研究成果[4-6]。中国学者赵越堂[7]、王明洋[8]、国胜兵[9]、孙美凤[10]、杨海杰[11]、刘建新[12]等对爆炸载荷作用下饱和土/砂的动力学问题进行了研究,尤红兵[13]、陆建飞[14]、夏唐代[15]、李立云[16]、蔡袁强[17]、徐平[18]等对饱和土的波动问题进行了研究。以上研究均取得了较大的成果,促进了饱和土波动力学的发展。其中赵跃堂,王明洋等利用Φ900平面波加载器进行了饱和土实验并对所反映的波速变化规律进行了深入的分析。此实验对了解饱和土中波的传播规律和确定地下结构上的荷载也有很大的帮助。总参工程兵三所黄能法研究员进行了淤泥质饱和土中应力波传播的试验研究,摸索出大量有益的实验方法。但关于高饱和度饱和土动力学方面的研究尚不多见。

由于爆炸动荷载对土体的扰动较大和饱和土本身的特殊性和复杂性,因此国际上系统开展高饱和度饱和土中爆炸波的传播特性研究的较少。该文介绍了制作高饱和度饱和土的方法和步骤,在通过改进的φ2.5m×5 m的模拟爆炸装置内,采用逐层开挖法进行一系列高饱和度的饱和土样的自由场实验,得出了饱和土介质中爆炸波传播的规律和特征。理论分析揭示应力波在饱和土中传播时出现流体动力区、形成冲击波等性质,确立双线性递增硬化为饱和土的本构关系,根据实验测得的数据,拟合出压力、动量、上升时间随比例距离变化的公式。得到了爆炸波在饱和土中的衰减规律。

1 饱和土的试验研究方法

1.1 实验设备及饱和土样的制取

获得较高饱和度的饱和土难度较大,而且爆炸荷载对土体的扰动较大,因此系统开展饱和土爆炸荷载试验研究的较少,为保证饱和土的高饱和度和试验的可重复性,试验设备采用φ2.5 m×5m的模拟爆炸装置(如图1(a)),该设备直径2.5 m,地下部分深5m,地上部分高4.0 m,设备使用厚1 m的钢筋混凝土浇筑成圆筒状,顶部设有反力架。经核算,该设备具有抗井内0.2 kg TNT炸药直接爆炸的能力,部分满足了饱和土试验的要求,为了完成饱和土试验,对设备进行了必要的改进(如图1(b))。实验采用真空反压制作饱和土样,利用真空泵真空抽气,使土体中气体含量减小而达到饱和目的。

图1 试验装置

全系统密封饱和土样试验设备并设置高真空度的真空泵(6×10-2Pa);制作含水量15%土样,在预定深度上埋置结构或传感器并分层夯实,每层填土使用格栅器进行控制土样密度均匀,(格栅器将φ2.5 m直径的圆分成12个等面积的格子,每个格子中填土重量相等);保持长时间对土样抽气以控制土样真空度,抽气时间不小于7 d;往真空土样内充制作好的无气水,充水速度不大于2m3/24 h;真空状态静止置放时间大于15 d;回填土样爆炸试验形成的弹坑后再次真空抽气,充无气水并静放固结。

由于试验是 TNT炸药直接作用于饱和土体,每次试验对饱和土体的扰动较大,所以要求每次放炮后,土样必须重新回填抽气,试验中的土样经过烘干法测量饱和度在97.5%以上。

1.2 饱和土自由场试验

高饱和度饱和土(简称为饱和土)的自由场试验对研究饱和土在爆炸荷载作用下的饱和土介质性质、波传播规律、认识饱和土在高压作用下的动本构关系及其饱和土中结构荷载规律等都具有较大的指导意义。在高饱和度饱和土体内上下共埋设5层土压力传感器,同一层使用3个传感器,提高了数据成功率和精度。相邻上、下2层传感器不在同一方位角上(见图2(b))以减少相邻2层传感器相互影响。保持爆心距为1.10m时,采用逐层开挖法进行试验。药量为 50 g、100 g、200 g,装药埋深分别为0.24 m、0.46 m、0.73 m、1.13 m。埋深至1.33 m时,为完全封密爆炸(见图2(a))。

图2 饱和土实验测点布置图

TNT炸药为块状,试验中使用自然长方形近似球形装药。药心埋设保持相同的比例埋深为h/w1/3=0.28,取耦合系数为0.47,试验数据见表1。对测量压力时域波进行时间积分,得到压力的冲量值见表1。

表1 饱和土平均数据表

2 实验结果和分析

从图3可以看出,随深度的增加,压力峰值衰减,但作用时间和上升时间却随深度增加而增加。波形在一定的压力范围内表现出来的性质与另外一段压力范围截然不同,即是否出现冲击波。3(a)图中前4层波形表现的形式为典型的冲击波,第4层压力在2.5 MPa。上升时间和下降时间基本相同,峰值明显升高,第5层波形以下波形表现出来的性质为土中压缩波,第5层波形上升时间已经开始由冲击波的形式向压缩波形式过渡。图3(b)中在第3层就出现了压缩波,压力在1 MPa,第2层的冲击波压力为2.5 MPa。可见,出现冲击波的宏观标志是一个压力峰值,在表1中也可以得出,该压力值为1.0～2.0 MPa之间。

从图4可以看出,饱和粘土在同一层的实测波形在性质完全一致,在幅值有些差别,数据分析时,取平均处理。

图3 爆炸波在饱和土中传播图

图4 饱和土中200 g爆炸时第1层传感器的实测波形

从图5(a),(b)可以看出2个波形性质上的差别,图5(a)波形形式为冲击波形态(爆心距离为1.37 m),压力为3.7 MPa,图5(b)(爆心距为2.63m)波形形式为弹性波,图5可以比较在同一次爆炸试验的不同位置,波形的呈现出2种截然不同的性质。在上升时间和作用时间上：爆心距小的位置出现冲击波,上升时间快,作用时间短,但峰值高;爆心距大的位置不出现冲击波,上升时间较慢,作用时间较长,但峰值较低,对2点的积分冲量值相差不大。

图5 变埋深条件下压力实测波形

出现上述现象的原因主要是由于饱和土的特殊的本构关系所决定的。由于爆炸波对饱和土快速加载的作用,导致饱和土骨架有效应力在总应力中占有的份额快速降低,这时的总应力主要是由孔隙水的孔隙应力所承担而饱和土骨架的作用基本消失。因此,可以说饱和土产生冲击波是骨架的有效应力和孔隙水压力地位的快速转变而形成的。而此时土介质的剪切模量和剪切应力消失,偏应力为0,表现出来的是类似液体的性质。基于以上分析得出,饱和土的本构模型是递增硬化关系(如图6所示)。

图6 本构关系图

图6(a)当荷载小于某一分界应力点时,曲线凸向应力轴,此时具有这是因为当荷载较小时,变形很小,骨架没有完全破坏,饱和土的压缩性由骨架的压缩性来决定,在此荷载范围内,骨架表现为弹塑性,卸载后有残余变形,此时介质的变形包括介质压缩时由于固体颗粒和液体质点重新排列而产生的孔隙变形以及液体和固体材料颗粒变形,而前者是主要的。随着荷载的增大,曲线逐渐凸向应变轴,当荷载大于分界应力时,饱和土中应力与方向无关。此时,骨架对压缩产生的反作用力可以忽略。图6(b)为图6(a)的简化处理,可以看出,该模型为双线性递增硬化流体弹塑性本构关系。该模型具有一个分界压力值;2段不同的线性模量,且第2段的弹性模量大于第1段的弹性模量;在第1段为粘塑性特点;在第2段为流体特性,剪应力和剪切应变为0。

由图7的拟合规律,得到了爆炸波在饱和土中的衰减规律,这是本次试验的主要目的之一。由于每次试验都保持了相同的耦合系数,代入 f=0.47得到衰减规律为式(1)。

图7 爆炸波参数在饱和土自由场中变化规律

式(1)中：P为压力峰值,MPa;I0为冲量,MPa◦μs;Ts为上升时间,s;f为耦合系数,ρ为密度,kg/m3;c为压缩波速,m/s;R为爆心距,m;W为 TNT药量,kg。(注：文中所得的土的本构关系和爆炸波在饱和土中的衰减规律公式是在比例距离h/w1/3大于0.28,饱和土的饱和度大于97.5%的基础上得到的)

3 结 论

1)在饱和土试验中,存在由冲击波向弹性波转化的分界压力,这个分界压力是一个与介质性质有关的参数,在不同的土中产生冲击波的条件不相同。高饱和度的饱和土中应力波在点爆炸条件下的三维弥散空间中也较容易产生冲击波,因此,在同样的爆炸条件下,饱和土中结构具有更大的破坏可能性。

2)根据实验测得的数据,拟合出压力、动量、上升时间随比例距离变化的公式,得到了爆炸波在饱和土中的衰减规律。

3)根据实验测得的数据分析出饱和土的特殊的本构关系,该本构模型为双线性递增硬化流体弹塑性本构关系模型,其具有1个分界压力值;2段不同的线性模量,且第2段的弹性模量大于第1段的弹性模量;在第1段为粘塑性特点;在第2段为流体特性,剪应力和剪切应变为零。

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