低含水率砂土和飽和砂土場地爆炸成坑特性實驗*

賈永勝，王維國，謝先啟,，楊 貴，姚穎康,

(1.武漢市市政建設集團，湖北 武漢 430023； 2.寧波市交通建設工程試驗檢測中心有限公司，浙江 寧波 315124； 3.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

低含水率砂土和飽和砂土場地爆炸成坑特性實驗*

賈永勝1，王維國2，謝先啟1,3，楊 貴3，姚穎康1,3

(1.武漢市市政建設集團，湖北 武漢 430023； 2.寧波市交通建設工程試驗檢測中心有限公司，浙江 寧波 315124； 3.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

爆坑是土中爆炸荷載作用下的主要響應形式，基于大型爆炸實驗場地，開展了一系列低含水率砂土和飽和砂土中的爆炸成坑現場實驗，研究了藥量、埋深及含水率等因素對土中爆坑效應的影響。研究結果顯示：根據藥包的比例埋深，低含水率砂土場地的最終爆坑形態可以分為隱爆、塌陷型漏斗坑和拋擲型爆坑3類，發生封閉爆炸的臨界比例埋深為2.3 m/kg1/3；形成拋擲型爆坑的條件為比例埋深小于1.5 m/kg1/3；當比例埋深為1.5～2.3 m/kg1/3時，形成塌陷型漏斗坑。土中孔隙水壓力的增大導致坑壁周圍土體發生了液化流動、坍塌，最終造成爆坑橫向尺寸的擴大。相同爆源條件下，飽和砂土場地形成的坑面直徑比低含水率砂土場地提高了25%～35%，飽和砂土場地發生封閉爆炸的極限比例埋深可達2.5 m/kg1/3。

低含水率砂土；飽和砂土；現場實驗；爆坑形態；爆坑尺寸；比例埋深

爆坑是土中爆炸荷載作用下的主要響應形式，也是土體爆炸領域的新興研究熱點之一。地雷爆炸及其對周圍構筑物的損毀評價，掩體、坑道工事快速開挖等具有軍事目的的行為，是促進早期土中爆炸研究的重要因素。

近幾十年來，在高含水率軟弱地基處理、地下空間快速開挖等工程中，控制爆破技術也得到了飛速的發展和應用[1-2]。土中爆炸成坑機制復雜，爆炸作用下成坑規律的理論研究多用于定性的分析，而定量分析仍依賴對實驗成果的統計。已有研究成果表明，土體含水率對爆炸成坑特征具有不可忽視的影響，穆朝明等[3-4]、施鵬等[5]根據一系列爆坑實驗，確定了干(飽和)砂及黃土中發生封閉爆炸的臨界比例埋深。P.T.Simpson等[6]針對干性和含水砂土填筑的堤壩，開展了壩頂接觸爆炸條件下的離心機爆坑實驗，分析了含水率對爆坑尺寸的影響。

1 土中爆炸成坑特征

爆坑最終形態往往與土體性質、爆炸荷載以及重力密切相關。對于小藥量或者小埋深爆炸，用于克服土粒間黏聚力的爆炸能量遠大于克服拋擲土體重力部分的能量，因此通常可以不考慮重力作用的影響，此時爆坑尺寸與藥量成正比，且符合立方根幾何相似原則。而對于藥包埋深較大的土中爆炸，用于克服拋擲土體重力部分的爆炸能量占比影響已經不能忽略，此時僅考慮幾何相似的立方根爆坑尺寸預測公式已不完全適用。大量的土中爆炸成坑實驗結果顯示[7-8]，重力的存在對爆坑尺寸和形態有明顯的影響，考慮重力影響的拋擲爆坑尺寸公式與實驗結果符合較好。

根據相似理論，炸藥質量和埋置深度是決定土中爆炸成坑效應的最主要因素。衡量任何形式的爆炸源在相同條件下產生的爆炸破壞效應，通常可采用比例埋深描述土中埋藥量和藥包埋置深度的綜合影響。對于集中藥包，比例埋深定義為藥包埋深d與等效TNT當量(WTNT)α之比，其中α是與重力相關的系數。根據爆坑實驗及量綱分析，對于小藥量或小埋深爆坑，α=1/3，比例埋深用λ表示；對于考慮重力影響的比例埋深η，α= 7/24[8-10]。

2 實 驗

2.1場地

實驗場地的上下圓截面直徑分別為19和16 m，實驗坑的開挖深度為3 m。原場地開挖區土質為高強度的低透水性黏土，坑內回填長江灰細砂，如圖1所示。實驗回填江砂的天然含水率為6.6%，土粒平均粒徑為0.18 mm，不均勻系數為2.11，相對于4 ℃水的密度比為2.633。低含水率回填砂土的密度為1 440 kg/m3，土層初始相對密實度為27%～30%；飽和砂土密度為1 835 kg/m3，土層初始相對密實度為30%～35%。

2.2設計

根據藥包質量和埋深分別在低含水率砂土和飽和砂土場地設計8組和6組成坑實驗，每組實驗的實際藥量及埋深如表1所示，藥包布置位置如圖2所示。采用抗水性能優異的2號巖石乳化炸藥，炸藥密度為0.95～1.10 g/cm3。根據爆轟實驗結果，該炸藥在低含水率砂土和飽和砂土中的等效TNT當量系數分別為0.7和0.8[11]。

編號藥量/kg埋深/m低含水率砂土編號藥量/kg埋深/m飽和砂土SE10.21.0JE10.31.13SE20.41.0JE20.40.83SE30.81.0JE30.30.93SE40.21.5JE40.41.35SE50.41.5JE50.40.93SE60.81.5JE60.21.35SE70.20.5SE80.40.5

3 結果與分析

3.1低含水率砂土場地爆坑

《意見》明確，江蘇保持小鎮宜居尺度，不盲目蓋高樓，不盲目拆老街區，下細致功夫打造小鎮特色空間形態。同時嚴控房地產化傾向，各地區要綜合考慮特色小鎮和特色小城鎮吸納就業和常住人口規模，從嚴控制房地產開發，合理確定住宅用地比例，并結合所在市縣商品住房庫存消化周期確定供應時序。適度提高產業及商業用地比例，鼓勵優先發展產業。科學論證企業創建特色小鎮規劃，對產業內容、盈利模式和后期運營方案進行重點把關，防范“假小鎮真地產”項目。

每組實驗完成后，觀測爆坑形狀輪廓并測量其直徑和深度，各組實驗爆坑的特征描述如表2所示。圖3為低含水率砂土場地中爆點SE1～SE8爆后地表鼓包隆起特征隨藥包立方根比例埋深的變化，根據爆炸過程中地表鼓包運動特征或噴射物形狀，可以將低含水率砂土場地中的爆坑行為分為3類：(1)當藥包比例埋深λ≥ 2.3 m/kg1/3時，地表幾乎觀測不到隆起、破裂等特征，此時可認為發生隱爆或完全封閉爆炸，如爆點SE4；(2)當1.5 m/kg1/3≤λ< 2.3 m/kg1/3時，地表面僅形成隆起的土穹頂而不發生拋擲現象，鼓包土體在自重作用下回落，同時內部空腔發生不穩定坍塌而下沉，最終形成塌陷型爆坑，如爆點SE2(見圖4)；(3)當λ< 1.5 m/kg1/3時，爆轟氣體具有足夠的能量克服藥包上覆土體的自重及土粒間的黏結力，使得藥周土體以噴射物形式向外拋擲，藥包底部和側翼的土體在壓縮波和稀疏波共同作用下被不斷侵蝕和壓密，最終形成拋擲型可見爆坑，如爆點SE8(見圖5)。

編號藥包比例埋深λ/(m·kg-1/3)η/(m·kg-7/24)爆坑尺寸D/mh/m爆坑形態特征描述SE11.931.770.501)0.401)無拋擲,地表隆起后下陷成塌陷型爆坑,爆坑周圍有數圈不規則裂紋SE21.531.451.301)0.301)鼓包明顯但無拋擲,內陷形成塌陷型爆坑,爆坑周圍有數圈不規則裂紋SE31.211.181.200.32發生明顯拋擲,形成漏斗狀可見爆坑SE42.892.66--隱爆,地面未鼓包SE52.292.170.741)0.301)無拋擲,地表特征不明顯,爆后形成小型塌陷型爆坑,周邊有明顯裂紋SE61.821.771.201)0.381)無拋擲,地表隆起后下陷成塌陷型爆坑,爆坑周圍有數圈不規則裂紋SE70.960.891.050.25拋擲明顯且拋擲距離較遠,形成拋擲型可見爆坑SE80.760.721.250.28拋擲明顯且拋擲距離遠,形成拋擲型可見爆坑

1)塌陷型爆坑

圖6為實驗實測的拋擲型和塌陷型爆坑直徑與藥包埋深的關系，同時根據ConWep程序[12]給出了低含水率砂土中0.2、0.4和0.8 kg乳化炸藥對應的爆坑直徑與藥包埋深的關系。爆點SE3、SE7和SE8的拋擲型爆坑直徑實測值比ConWep程序的經驗計算結果分別高12.0%、17.6%和8.2%。爆坑邊緣的松散含水細砂，在爆后持續流向爆坑底部造成爆坑橫向擴展，是引起偏差的主要原因。

3.2飽和砂土場地爆坑

飽和砂土中發生爆炸時，爆轟氣體會攜帶上層土體以噴射物的形式透過自由面噴出，同時高溫高壓的氣態爆轟產物滲入到土體孔隙中，而使得氣室周圍形成干土區，短時內仍會形成爆坑現象。飽和砂土場地中爆點JE1～JE5爆炸后短時內，均可在地表觀測到爆坑現象，爆坑尺寸及形態特征見表3。其中爆點JE1和JE4爆后形成的爆坑較小，短時內即被爆炸振動液化引發的流砂覆蓋。爆點JE6的比例埋深λ=2.49 m/kg1/3，爆后地表并未發生隆起或拋擲現象，即可認為在該比例埋深條件下，飽和砂土中已基本達到完全封閉爆炸的狀態。

表3 飽和砂土場地爆坑形態Table 3 Blast-induced crater formation in saturated sand

圖7為飽和砂土場地的淺埋爆點JE2、JE3和JE5爆后3 min內拍攝的爆坑輪廓。由圖可知，各爆點爆后拋擲物拋撒均勻，爆坑呈典型的火山坑形狀。然而，爆后短時內在爆坑邊壁附近可以觀測到砂土顆粒的流動，這是由于飽和砂土在爆炸振動作用下抗剪強度嚴重削弱、爆坑周圍飽和土顆粒發生了液化流動現象，從而可能導致爆坑橫向尺寸的擴大。

3.3低含水率砂土和飽和砂土場地爆坑尺寸對比

選取乳化炸藥藥量W為0.4 kg的爆坑實驗組進行對比分析，如表4所示。

表4 低含水率砂土和飽和砂土場地爆坑直徑對比Table 4 Comparison of crater diameters in low-moisture and saturated sand

注：塌陷型爆坑

圖8給出了各對比實驗組爆后實測的爆坑直徑及ConWep程序的經驗計算結果。相比較低含水率砂土場地，飽和砂土中的爆炸作用使爆坑周圍局部土體有產生液化流動的趨勢，將形成更大的爆坑面。即相同藥量及埋深時，飽和砂土中的爆坑直徑比低含水率砂土中更大。當低含水率砂土(w=6.6%)場地中埋置深度為1 m的0.4 kg乳化炸藥爆炸時，藥包上部土體在爆轟氣體推動作用下發生鼓包，但并不能形成拋擲，最終形成塌陷型爆坑。通過低含水率砂土和飽和砂土中的爆炸成坑實驗，在相同爆源條件下，飽和砂土中的爆坑直徑及可能發生爆炸拋擲的比例埋深均比低含水率砂土中的大。

圖9為低含水率砂土和飽和砂土場地的比例爆坑直徑的對比情況，由于爆炸引起的飽和砂土液化流動，使在相同比例埋深條件下，飽和砂土中的爆坑橫向擴展更劇烈。根據低含水率砂土和飽和砂土場地爆炸成坑實驗結果，可以得到低含水率砂土和飽和砂土的爆坑直徑經驗擬合公式分別為：

D/(2d)=1.22(1/η)-0.40

D/(2d)=1.32(1/η)-0.31

(1)

式中：D為爆坑直徑，m；d為藥包埋深，m；η為藥包比例埋深，m/kg7/24。

然而，爆坑直徑經驗擬合公式并未考慮土體的性質變化對爆坑尺寸的影響，同時僅針對某一特定土體含水率條件。根據圖9，相同藥包比例埋深條件下，飽和砂土場地的爆坑直徑相比低含水率砂土場地，可以提高25%～35%。直接利用基于低含水率砂土場地條件的爆坑直徑經驗公式進行預測時會發生較大偏差，這是因為飽和砂土場地爆坑變形性質已發生了明顯的變化，液化流動作用已成為爆坑后期變形的重要因素。

4 結 論

基于低含水率砂土和飽和砂土場地單藥包爆炸成坑的現場實驗，分析了藥量、埋深及土體含水率等因素對土中爆坑效應的影響，并利用ConWep經驗計算結果對爆坑試驗進行對比，得到以下結論。

(1)地表面的運動特征或爆坑噴射物形狀與藥量和藥包埋深密切相關，根據藥包的比例埋深，低含水率砂土場地的最終爆坑形態可以分為隱爆、塌陷型漏斗坑和拋擲型爆坑3類。其中發生封閉爆炸的臨界比例埋深λ=2.3 m/kg1/3；形成拋擲型爆坑需滿足的條件為λ<1.5 m/kg1/3；當1.5 m/kg1/3≤λ<2.3 m/kg1/3時，則形成塌陷型漏斗坑。

(2)低含水率砂土場地拋擲型爆坑SE3、SE7和SE8的直徑實測值比ConWep預測結果分別高12.0%、17.6%和8.2%，爆坑邊緣的松散含水細砂在爆后持續流向爆坑底部造成爆坑橫向擴展是引起偏差的主要原因。

(3)當不考慮土體性質變化時，低含水率砂土和飽和砂土場地的比例爆坑直徑D/(2d)隨1/η的變化關系均可近似以直線描述。

(4)根據飽和砂土場地爆坑實驗結果，土中孔隙水壓力的增大導致坑壁周圍局部土體發生了液化，從而使得土體發生流動、坍塌等現象，造成爆坑橫向尺寸的擴大。在相同爆源條件下，飽和砂土場地形成的爆坑面直徑相比較低含水率砂土環境可以提高25%～35%，飽和砂土場地發生封閉爆炸的極限比例埋深可達2.5 m/kg1/3。

[1] 連峰,龔曉南,徐杰,等.爆夯動力固結法加固軟基試驗研究[J].巖土力學,2009,30(3):859-864.

Lian Feng, Gong Xiaonan, Xu Jie, et al. Experimental research on soft foundation treatment by blasting ramming dynamic consolidation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009,30(3):859-864.

[2] Gohl W B, Martin T, Elliott R J. Explosive compaction of granular soils and in situ liquefaction testing using sequential detonation of explosives[C]∥Proceedings of the 1st International Symposium on Ground Improvement Technologies and Case Histories. Singapore, 2010:199-207.

[3] 穆朝民,任輝啟,辛凱,等.變埋深條件下土中爆炸成坑效應[J].解放軍理工大學學報(自然科學版),2010,11(2):112-116.

Mu Chaomin, Ren Huiqi, Xin Kai, et al. Effects of crater formed by explosion in soils[J]. Journal of PLA University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2010,11(2):112-116.

[4] 穆朝民,任輝啟,李永池,等.變埋深條件下飽和土爆炸能量耦合系數的試驗研究[J].巖土力學,2010,31(5):1574-1578.

Mu Chaomin, Ren Huiqi, Li Yongchi, et al. Experiment study of explosion energy coupling coefficient with different burial depths in saturated soils[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010,31(5):1574-1578.

[5] 施鵬,辛凱,楊秀敏,等.土中裝藥不同埋深爆炸試驗研究[J].工程力學,2006,23(12):171-174.

Shi Peng, Xin Kai, Yang Xiumin, et al. Experimental study of explosion with different burial depths in soil[J]. Engineering Mechanics, 2006,23(12):171-174.

[6] Simpson P T, Zimmie T F, Abdoun T B. Explosion tests on embankment models in the geotechnical centrifuge[C]∥Proceedings of International Conference on New Developments in Geoenvironmental and Geotechnical Engineering. Incheon, Korea: Korean Institute of Construction Technology Education, 2006:1-8.

[7] 錢七虎,王明洋.巖土中的沖擊爆炸效應[M].北京:國防工業出版社,2010.

[8] 錢七虎.大型拋擲爆破中的重力影響[J].解放軍理工大學學報(自然科學版),2010,11(2):103-105.

Qian Qihu. Influence of gravity in large-scale throw blasting[J]. Journal of PLA University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2010,11(2):103-105.

[9] Ambrosini R D, Luccioni B M, Danesi R F. Influence of the soil properties on craters produced by explosions on the soil surface[J]. Mecánica Computacional, 2004,73(3):1-20.

[10] Luccioni B M, Ambrosini R D, Nurick G N, et al. Craters produced by underground explosions[J]. Computers and Structures, 2009,87(21/22):1366-1373.

[11] Wang P, Xei X A, He W D. Preparation and performance of a novel water gel explosive containing expired propellant grains[J]. Central European Journal of Energetic Materials, 2013,10(4):495-507.

[12] Hyde D W. Microcomputer programs of TM5-855-1: ConWep[Z]. Army Engineers Waterways Experimentation Station, US Army, 1988.

Abstract: Craters are the main response-induced form of underground explosion loadings. A series of field experiments were conducted in low-moisture and saturated sand in a large-scale experiment pit to study crater formation induced by underground explosions. The influence of charge mass, burial depth and moisture content on the crater diameter were analyzed. The results showed that, for a crater in sand with a low-moisture content, the eventual form may fall into one of the three types, formed respectively by enclosed explosion, cast blasting and soil collapse. The critical scaled burial depth for a crater from the enclosed explosion is about 2.3 m/kg1/3, that for crater from cast blasting is 1.5 m/kg1/3or less, and that for a crater from soil collapse is 1.5～2.3 m/kg1/3. For a crater in saturated sand, the soil particles close to the crater were liquefied due to porewater pressure rise under explosion loadings. Thus, the lateral dimension of a crater was enlarged due to the flow and the collapse of the soil particles. The diameter of the crater in saturated sand can extend up to 1.25～1.35 times that of the crater in low-moisture sand under the same explosion loading. The greatest scaled burial depth of an enclosed explosion in saturated sand may reach 2.5 m/kg1/3based on the experiments.

Keywords: low-moisture sand; saturated sand; filed experiment; crater formation; dimension of crater; burial depth

(責任編輯 丁 峰)

Characterizationofblast-inducedcratersinlow-moistureandsaturatedsandfromfieldexperiments

Jia Yongsheng1, Wang Weiguo2, Xie Xianqi1,3, Yang Gui3, Yao Yingkang1,3

(1.WuhanMunicipalConstructionGroup,Wuhan430023,Hubei,China; 2.NingboCommunicationConstructionEngineeringTestingCenterCo.Ltd,Ningbo315124,Zhejiang,China; 3.CollegeofCivilandTransportationEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,Jiangsu,China)

O383.1;TU 437國標學科代碼1303520

A

10.11883/1001-1455(2017)05-0799-08

2016-01-04；

2016-06-07

國家自然科學基金面上項目(51379067)；長江學者和創新團隊發展計劃項目(IRT1125)

賈永勝(1970— )，男，博士，高級工程師;

王維國，2008hmily@163.com。