高飽和度飽和土中爆炸波的傳播特性

穆朝民,齊 娟,辛 凱

(1.安徽理工大學能源與安全學院,安徽淮南 232001;2.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室,安徽淮南232001;3.中國科學技術大學近代力學系,合肥230026;4.總參工程兵科研三所,河南洛陽471023)

高飽和度飽和土基本上是一種由水和土骨架2 相介質組成的一種介質,其表現出的介質性質不同于土和水這2種介質性質的任何一種。高飽和度飽和土的含氣量極少并且氣泡呈封閉狀態,當爆炸波在土中傳播時,飽和土中的爆炸波傳播規律有著鮮明的特點：由于波速高和壓力衰減小造成應力波的高頻部分很容易傳播,可以在爆炸近區和中區保持應力波陣面的陡峻特征。因而導致了高飽和度飽和土中結構極易產生強烈的震動并可能被破壞。因此對高飽和度飽和土中爆炸波傳播特性的研究具有十分重要的意義。

20世紀70年代以來,美國、前蘇聯都加強了對常規武器的防護研究。ляхов通過現場試驗首次明確提出飽和土中的爆炸波傳播與飽和土中的氣體含量有最直接的關系[1-3]。1971年美國空軍武器試驗室編寫的“Protection from Nonnuclear Weapons”,1986年美國編寫“Fundam entals of Protective Design for Conventional Weapons-TMS-855-1”,1980年Baker等人編寫出的“A M anual for the Prediction of Blast and Fragment Loading on Structures”,這些文獻都對飽和土中工事抗常規武器爆炸效應的設計方法進行了探討,取得一定的研究成果[4-6]。中國學者趙越堂[7]、王明洋[8]、國勝兵[9]、孫美鳳[10]、楊海杰[11]、劉建新[12]等對爆炸載荷作用下飽和土/砂的動力學問題進行了研究,尤紅兵[13]、陸建飛[14]、夏唐代[15]、李立云[16]、蔡袁強[17]、徐平[18]等對飽和土的波動問題進行了研究。以上研究均取得了較大的成果,促進了飽和土波動力學的發展。其中趙躍堂,王明洋等利用Φ900平面波加載器進行了飽和土實驗并對所反映的波速變化規律進行了深入的分析。此實驗對了解飽和土中波的傳播規律和確定地下結構上的荷載也有很大的幫助。總參工程兵三所黃能法研究員進行了淤泥質飽和土中應力波傳播的試驗研究,摸索出大量有益的實驗方法。但關于高飽和度飽和土動力學方面的研究尚不多見。

由于爆炸動荷載對土體的擾動較大和飽和土本身的特殊性和復雜性,因此國際上系統開展高飽和度飽和土中爆炸波的傳播特性研究的較少。該文介紹了制作高飽和度飽和土的方法和步驟,在通過改進的φ2.5m×5 m的模擬爆炸裝置內,采用逐層開挖法進行一系列高飽和度的飽和土樣的自由場實驗,得出了飽和土介質中爆炸波傳播的規律和特征。理論分析揭示應力波在飽和土中傳播時出現流體動力區、形成沖擊波等性質,確立雙線性遞增硬化為飽和土的本構關系,根據實驗測得的數據,擬合出壓力、動量、上升時間隨比例距離變化的公式。得到了爆炸波在飽和土中的衰減規律。

1 飽和土的試驗研究方法

1.1 實驗設備及飽和土樣的制取

獲得較高飽和度的飽和土難度較大,而且爆炸荷載對土體的擾動較大,因此系統開展飽和土爆炸荷載試驗研究的較少,為保證飽和土的高飽和度和試驗的可重復性,試驗設備采用φ2.5 m×5m的模擬爆炸裝置(如圖1(a)),該設備直徑2.5 m,地下部分深5m,地上部分高4.0 m,設備使用厚1 m的鋼筋混凝土澆筑成圓筒狀,頂部設有反力架。經核算,該設備具有抗井內0.2 kg TNT炸藥直接爆炸的能力,部分滿足了飽和土試驗的要求,為了完成飽和土試驗,對設備進行了必要的改進(如圖1(b))。實驗采用真空反壓制作飽和土樣,利用真空泵真空抽氣,使土體中氣體含量減小而達到飽和目的。

圖1 試驗裝置

全系統密封飽和土樣試驗設備并設置高真空度的真空泵(6×10-2Pa);制作含水量15%土樣,在預定深度上埋置結構或傳感器并分層夯實,每層填土使用格柵器進行控制土樣密度均勻,(格柵器將φ2.5 m直徑的圓分成12個等面積的格子,每個格子中填土重量相等);保持長時間對土樣抽氣以控制土樣真空度,抽氣時間不小于7 d;往真空土樣內充制作好的無氣水,充水速度不大于2m3/24 h;真空狀態靜止置放時間大于15 d;回填土樣爆炸試驗形成的彈坑后再次真空抽氣,充無氣水并靜放固結。

由于試驗是 TNT炸藥直接作用于飽和土體,每次試驗對飽和土體的擾動較大,所以要求每次放炮后,土樣必須重新回填抽氣,試驗中的土樣經過烘干法測量飽和度在97.5%以上。

1.2 飽和土自由場試驗

高飽和度飽和土(簡稱為飽和土)的自由場試驗對研究飽和土在爆炸荷載作用下的飽和土介質性質、波傳播規律、認識飽和土在高壓作用下的動本構關系及其飽和土中結構荷載規律等都具有較大的指導意義。在高飽和度飽和土體內上下共埋設5層土壓力傳感器,同一層使用3個傳感器,提高了數據成功率和精度。相鄰上、下2層傳感器不在同一方位角上(見圖2(b))以減少相鄰2層傳感器相互影響。保持爆心距為1.10m時,采用逐層開挖法進行試驗。藥量為 50 g、100 g、200 g,裝藥埋深分別為0.24 m、0.46 m、0.73 m、1.13 m。埋深至1.33 m時,為完全封密爆炸(見圖2(a))。

圖2 飽和土實驗測點布置圖

TNT炸藥為塊狀,試驗中使用自然長方形近似球形裝藥。藥心埋設保持相同的比例埋深為h/w1/3=0.28,取耦合系數為0.47,試驗數據見表1。對測量壓力時域波進行時間積分,得到壓力的沖量值見表1。

表1 飽和土平均數據表

2 實驗結果和分析

從圖3可以看出,隨深度的增加,壓力峰值衰減,但作用時間和上升時間卻隨深度增加而增加。波形在一定的壓力范圍內表現出來的性質與另外一段壓力范圍截然不同,即是否出現沖擊波。3(a)圖中前4層波形表現的形式為典型的沖擊波,第4層壓力在2.5 MPa。上升時間和下降時間基本相同,峰值明顯升高,第5層波形以下波形表現出來的性質為土中壓縮波,第5層波形上升時間已經開始由沖擊波的形式向壓縮波形式過渡。圖3(b)中在第3層就出現了壓縮波,壓力在1 MPa,第2層的沖擊波壓力為2.5 MPa。可見,出現沖擊波的宏觀標志是一個壓力峰值,在表1中也可以得出,該壓力值為1.0～2.0 MPa之間。

從圖4可以看出,飽和粘土在同一層的實測波形在性質完全一致,在幅值有些差別,數據分析時,取平均處理。

圖3 爆炸波在飽和土中傳播圖

圖4 飽和土中200 g爆炸時第1層傳感器的實測波形

從圖5(a),(b)可以看出2個波形性質上的差別,圖5(a)波形形式為沖擊波形態(爆心距離為1.37 m),壓力為3.7 MPa,圖5(b)(爆心距為2.63m)波形形式為彈性波,圖5可以比較在同一次爆炸試驗的不同位置,波形的呈現出2種截然不同的性質。在上升時間和作用時間上：爆心距小的位置出現沖擊波,上升時間快,作用時間短,但峰值高;爆心距大的位置不出現沖擊波,上升時間較慢,作用時間較長,但峰值較低,對2點的積分沖量值相差不大。

圖5 變埋深條件下壓力實測波形

出現上述現象的原因主要是由于飽和土的特殊的本構關系所決定的。由于爆炸波對飽和土快速加載的作用,導致飽和土骨架有效應力在總應力中占有的份額快速降低,這時的總應力主要是由孔隙水的孔隙應力所承擔而飽和土骨架的作用基本消失。因此,可以說飽和土產生沖擊波是骨架的有效應力和孔隙水壓力地位的快速轉變而形成的。而此時土介質的剪切模量和剪切應力消失,偏應力為0,表現出來的是類似液體的性質。基于以上分析得出,飽和土的本構模型是遞增硬化關系(如圖6所示)。

圖6 本構關系圖

圖6(a)當荷載小于某一分界應力點時,曲線凸向應力軸,此時具有這是因為當荷載較小時,變形很小,骨架沒有完全破壞,飽和土的壓縮性由骨架的壓縮性來決定,在此荷載范圍內,骨架表現為彈塑性,卸載后有殘余變形,此時介質的變形包括介質壓縮時由于固體顆粒和液體質點重新排列而產生的孔隙變形以及液體和固體材料顆粒變形,而前者是主要的。隨著荷載的增大,曲線逐漸凸向應變軸,當荷載大于分界應力時,飽和土中應力與方向無關。此時,骨架對壓縮產生的反作用力可以忽略。圖6(b)為圖6(a)的簡化處理,可以看出,該模型為雙線性遞增硬化流體彈塑性本構關系。該模型具有一個分界壓力值;2段不同的線性模量,且第2段的彈性模量大于第1段的彈性模量;在第1段為粘塑性特點;在第2段為流體特性,剪應力和剪切應變為0。

由圖7的擬合規律,得到了爆炸波在飽和土中的衰減規律,這是本次試驗的主要目的之一。由于每次試驗都保持了相同的耦合系數,代入 f=0.47得到衰減規律為式(1)。

圖7 爆炸波參數在飽和土自由場中變化規律

式(1)中：P為壓力峰值,MPa;I0為沖量,MPa?μs;Ts為上升時間,s;f為耦合系數,ρ為密度,kg/m3;c為壓縮波速,m/s;R為爆心距,m;W為 TNT藥量,kg。(注：文中所得的土的本構關系和爆炸波在飽和土中的衰減規律公式是在比例距離h/w1/3大于0.28,飽和土的飽和度大于97.5%的基礎上得到的)

3 結 論

1)在飽和土試驗中,存在由沖擊波向彈性波轉化的分界壓力,這個分界壓力是一個與介質性質有關的參數,在不同的土中產生沖擊波的條件不相同。高飽和度的飽和土中應力波在點爆炸條件下的三維彌散空間中也較容易產生沖擊波,因此,在同樣的爆炸條件下,飽和土中結構具有更大的破壞可能性。

2)根據實驗測得的數據,擬合出壓力、動量、上升時間隨比例距離變化的公式,得到了爆炸波在飽和土中的衰減規律。

3)根據實驗測得的數據分析出飽和土的特殊的本構關系,該本構模型為雙線性遞增硬化流體彈塑性本構關系模型,其具有1個分界壓力值;2段不同的線性模量,且第2段的彈性模量大于第1段的彈性模量;在第1段為粘塑性特點;在第2段為流體特性,剪應力和剪切應變為零。

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