穆朝民,齊 娟,辛 凱

(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院,安徽淮南 232001;2.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽淮南232001;3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)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(zhì)組成的一種介質(zhì),其表現(xiàn)出的介質(zhì)性質(zhì)不同于土和水這2種介質(zhì)性質(zhì)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(tài),當(dāng)爆炸波在土中傳播時(shí),飽和土中的爆炸波傳播規(guī)律有著鮮明的特點(diǎn)：由于波速高和壓力衰減小造成應(yīng)力波的高頻部分很容易傳播,可以在爆炸近區(qū)和中區(qū)保持應(yīng)力波陣面的陡峻特征。因而導(dǎo)致了高飽和度飽和土中結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生強(qiáng)烈的震動(dòng)并可能被破壞。因此對(duì)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(jì)70年代以來,美國、前蘇聯(lián)都加強(qiáng)了對(duì)常規(guī)武器的防護(hù)研究。ляхов通過現(xiàn)場試驗(yàn)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(guān)系[1-3]。1971年美國空軍武器試驗(yàn)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(xiàn)都對(duì)飽和土中工事抗常規(guī)武器爆炸效應(yīng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討,取得一定的研究成果[4-6]。中國學(xué)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(duì)爆炸載荷作用下飽和土/砂的動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行了研究,尤紅兵[13]、陸建飛[14]、夏唐代[15]、李立云[16]、蔡袁強(qiáng)[17]、徐平[18]等對(duì)飽和土的波動(dòng)問題進(jìn)行了研究。以上研究均取得了較大的成果,促進(jìn)了飽和土波動(dòng)力學(xué)的發(fā)展。其中趙躍堂,王明洋等利用Φ900平面波加載器進(jìn)行了飽和土實(shí)驗(yàn)并對(duì)所反映的波速變化規(guī)律進(jìn)行了深入的分析。此實(shí)驗(yàn)對(duì)了解飽和土中波的傳播規(guī)律和確定地下結(jié)構(gòu)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(jìn)行了淤泥質(zhì)飽和土中應(yīng)力波傳播的試驗(yàn)研究,摸索出大量有益的實(shí)驗(yàn)方法。但關(guān)于高飽和度飽和土動(dòng)力學(xué)方面的研究尚不多見。

由于爆炸動(dòng)荷載對(duì)土體的擾動(dòng)較大和飽和土本身的特殊性和復(fù)雜性,因此國際上系統(tǒng)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(jìn)的φ2.5m×5 m的模擬爆炸裝置內(nèi),采用逐層開挖法進(jìn)行一系列高飽和度的飽和土樣的自由場實(shí)驗(yàn),得出了飽和土介質(zhì)中爆炸波傳播的規(guī)律和特征。理論分析揭示應(yīng)力波在飽和土中傳播時(shí)出現(xiàn)流體動(dòng)力區(qū)、形成沖擊波等性質(zhì),確立雙線性遞增硬化為飽和土的本構(gòu)關(guān)系,根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù),擬合出壓力、動(dòng)量、上升時(shí)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(guī)律。

1 飽和土的試驗(yàn)研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)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(duì)土體的擾動(dòng)較大,因此系統(tǒng)開展飽和土爆炸荷載試驗(yàn)研究的較少,為保證飽和土的高飽和度和試驗(yàn)的可重復(fù)性,試驗(yàn)設(shè)備采用φ2.5 m×5m的模擬爆炸裝置(如圖1(a)),該設(shè)備直徑2.5 m,地下部分深5m,地上部分高4.0 m,設(shè)備使用厚1 m的鋼筋混凝土澆筑成圓筒狀,頂部設(shè)有反力架。經(jīng)核算,該設(shè)備具有抗井內(nèi)0.2 kg TNT炸藥直接爆炸的能力,部分滿足了飽和土試驗(yàn)的要求,為了完成飽和土試驗(yàn),對(duì)設(shè)備進(jìn)行了必要的改進(jìn)(如圖1(b))。實(shí)驗(yàn)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(dá)到飽和目的。

圖1 試驗(yàn)裝置

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

由于試驗(yàn)是 TNT炸藥直接作用于飽和土體,每次試驗(yàn)對(duì)飽和土體的擾動(dòng)較大,所以要求每次放炮后,土樣必須重新回填抽氣,試驗(yàn)中的土樣經(jīng)過烘干法測量飽和度在97.5%以上。

1.2 飽和土自由場試驗(yàn)

高飽和度飽和土(簡稱為飽和土)的自由場試驗(yàn)對(duì)研究飽和土在爆炸荷載作用下的飽和土介質(zhì)性質(zhì)、波傳播規(guī)律、認(rèn)識(shí)飽和土在高壓作用下的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系及其飽和土中結(jié)構(gòu)荷載規(guī)律等都具有較大的指導(dǎo)意義。在高飽和度飽和土體內(nèi)上下共埋設(shè)5層土壓力傳感器,同一層使用3個(gè)傳感器,提高了數(shù)據(jù)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(shí),采用逐層開挖法進(jìn)行試驗(yàn)。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(shí),為完全封密爆炸(見圖2(a))。

圖2 飽和土實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)布置圖

TNT炸藥為塊狀,試驗(yàn)中使用自然長方形近似球形裝藥。藥心埋設(shè)保持相同的比例埋深為h/w1/3=0.28,取耦合系數(shù)為0.47,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。對(duì)測量壓力時(shí)域波進(jìn)行時(shí)間積分,得到壓力的沖量值見表1。

表1 飽和土平均數(shù)據(jù)表

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)間和上升時(shí)間卻隨深度增加而增加。波形在一定的壓力范圍內(nèi)表現(xiàn)出來的性質(zhì)與另外一段壓力范圍截然不同,即是否出現(xiàn)沖擊波。3(a)圖中前4層波形表現(xiàn)的形式為典型的沖擊波,第4層壓力在2.5 MPa。上升時(shí)間和下降時(shí)間基本相同,峰值明顯升高,第5層波形以下波形表現(xiàn)出來的性質(zhì)為土中壓縮波,第5層波形上升時(shí)間已經(jīng)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(xiàn)了壓縮波,壓力在1 MPa,第2層的沖擊波壓力為2.5 MPa?？梢?出現(xiàn)沖擊波的宏觀標(biāo)志是一個(gè)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(shí)測波形在性質(zhì)完全一致,在幅值有些差別,數(shù)據(jù)分析時(shí),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(shí)第1層傳感器的實(shí)測波形

從圖5(a),(b)可以看出2個(gè)波形性質(zhì)上的差別,圖5(a)波形形式為沖擊波形態(tài)(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(yàn)的不同位置,波形的呈現(xiàn)出2種截然不同的性質(zhì)。在上升時(shí)間和作用時(shí)間上：爆心距小的位置出現(xiàn)沖擊波,上升時(shí)間快,作用時(shí)間短,但峰值高;爆心距大的位置不出現(xiàn)沖擊波,上升時(shí)間較慢,作用時(shí)間較長,但峰值較低,對(duì)2點(diǎn)的積分沖量值相差不大。

圖5 變埋深條件下壓力實(shí)測波形

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因主要是由于飽和土的特殊的本構(gòu)關(guān)系所決定的。由于爆炸波對(duì)飽和土快速加載的作用,導(dǎo)致飽和土骨架有效應(yīng)力在總應(yīng)力中占有的份額快速降低,這時(shí)的總應(yīng)力主要是由孔隙水的孔隙應(yīng)力所承擔(dān)而飽和土骨架的作用基本消失。因此,可以說飽和土產(chǎn)生沖擊波是骨架的有效應(yīng)力和孔隙水壓力地位的快速轉(zhuǎn)變而形成的。而此時(shí)土介質(zhì)的剪切模量和剪切應(yīng)力消失,偏應(yīng)力為0,表現(xiàn)出來的是類似液體的性質(zhì)?；谝陨戏治龅贸?飽和土的本構(gòu)模型是遞增硬化關(guān)系(如圖6所示)。

圖6 本構(gòu)關(guān)系圖

圖6(a)當(dāng)荷載小于某一分界應(yīng)力點(diǎn)時(shí),曲線凸向應(yīng)力軸,此時(shí)具有這是因?yàn)楫?dāng)荷載較小時(shí),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(nèi),骨架表現(xiàn)為彈塑性,卸載后有殘余變形,此時(shí)介質(zhì)的變形包括介質(zhì)壓縮時(shí)由于固體顆粒和液體質(zhì)點(diǎn)重新排列而產(chǎn)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(yīng)變軸,當(dāng)荷載大于分界應(yīng)力時(shí),飽和土中應(yīng)力與方向無關(guān)。此時(shí),骨架對(duì)壓縮產(chǎn)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(gòu)關(guān)系。該模型具有一個(gè)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(diǎn);在第2段為流體特性,剪應(yīng)力和剪切應(yīng)變?yōu)?。

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

圖7 爆炸波參數(shù)在飽和土自由場中變化規(guī)律

式(1)中：P為壓力峰值,MPa;I0為沖量,MPa?μs;Ts為上升時(shí)間,s;f為耦合系數(shù),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(gòu)關(guān)系和爆炸波在飽和土中的衰減規(guī)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(chǔ)上得到的)

3 結(jié) 論

1)在飽和土試驗(yàn)中,存在由沖擊波向彈性波轉(zhuǎn)化的分界壓力,這個(gè)分界壓力是一個(gè)與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的參數(shù),在不同的土中產(chǎn)生沖擊波的條件不相同。高飽和度的飽和土中應(yīng)力波在點(diǎn)爆炸條件下的三維彌散空間中也較容易產(chǎn)生沖擊波,因此,在同樣的爆炸條件下,飽和土中結(jié)構(gòu)具有更大的破壞可能性。

2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù),擬合出壓力、動(dòng)量、上升時(shí)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(guī)律。

3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)分析出飽和土的特殊的本構(gòu)關(guān)系,該本構(gòu)模型為雙線性遞增硬化流體彈塑性本構(gòu)關(guān)系模型,其具有1個(gè)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(diǎn);在第2段為流體特性,剪應(yīng)力和剪切應(yīng)變?yōu)榱恪?/p>

[1]LIANG JIAN-WEN,YOU HONG-BING.Dynam ic stiffness matrix of a poroelastic mutli-layered site and its Green's functions[J].Earthquake Engineering and Engineering V ibration,2004,3(2)：273-282.

[2]LIANG JIAN-WEN,YOU HONG-BING.G reen's functions for uniform ly distributed loads acting on an inclined line in a poroelastic layered site[J].Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2005,4(2)：233-241.

[3]BIOT M A.Theory of p ropagation of elasticw aves in a fluid saturated porous solid[J].Journal of A coust,1956,28(2)：168-191.

[4]DONTSOV V E,NAKORYAKOV V E.Enhancement of shock w aves in a porousmedium saturated w ith a liquid containing solub le-gas bubbles[J].International Journal of Mu ltiphase Flow,2001,27(11)：2023-2041.

[5]WANG ZHONG-QI,HAO HONG,LU YONG.A three-phase soil model for simu lating stress w ave p ropagation due to blast loading[J].International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics,2004,28(1)：33-56.

[6]PRAPAHARAN S,CHAM EAU J L,HOLTZ R D.Effec to f strain rate on undrained strength derived from p ressuremeter tests[J].Geotechnique,1989,39(4)：615-624.

[7]趙躍堂,梁暉,范斌.飽和土中爆炸波傳播問題的數(shù)值模擬[J],爆炸與沖擊,2007,27(4)：352-357.ZHAO YUE-TANG,LIANG HUI,FAN BIN.Numerical simulation of explosion wave propagation in the saturated soil[J].Explosion and Shock W aves,2007,27(4)：352-357.

[8]王明洋,趙躍堂,錢七虎.飽和砂土動(dòng)力特性及數(shù)值方法研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2002,24(6)：723-729.WANG M ING-YANG,ZHAO YUE-TANG,QIAN QIHU.Study of dynam ic behaviour and numericalmethod for saturated sand[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2002,24(6)：732-729.

[9]國勝兵,高培正,潘越峰,等.爆炸波在準(zhǔn)飽和砂土中的傳播規(guī)律[J].巖土力學(xué),2004,25(12)：1897-1902.GUO SHENG-BING,GAO PEI-ZHENG,PAN YUEFENG,et al.Explosive wave propagation in quasisaturated sandy soil[J],Rock and Soil M echanics,2004,25(12)：1897-1902.

[10]孫美鳳.爆炸荷載作用下飽和土中地下建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2004,25(2)：18-21.SUN MEI-FENG.The structure dynam ical response in saturated soil to b lasting loads[J].Journal of North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectic Power,2004,25(2)：18-21.

[11]楊海杰,錢七虎,趙躍堂,等.三相飽和土爆炸液化機(jī)理模型研究[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào).2001,2(1)：70-73.YANG HA I-JIE,QIAN QI-HU,ZHAO YUE-TANG,et al.Study on blast induced liquefaction model for 3 phase saturated soil[J].Journal of PLA University of Science and Technology,2001,2(1)：70-73.

[12]劉建新,宋華,趙躍堂,等.準(zhǔn)飽和砂土中平面壓縮波傳播[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2004,24(1)：86-92.LIU JIAN-XIN,SONG HUN,ZHAO YUE-TAN,et al.Propagation of p lane com press wave in quasic saturated sandy soil[J].Journal of Disaster Prevention and M itigation Engineering,2004,24(1)86-92..

[13]尤紅兵,梁建文,趙鳳新.含飽和土的層狀場地的動(dòng)力響應(yīng)[J].巖土力學(xué),2008,29(3)：679-684.YOU HONG-BING,LIANG JIAN-WEN,ZHAO FENG-XIN.Dynam ic responses of a multilayered site with saturated soils[J].Rock and Soil Mechanics,2008,29(3)：679-684..

[14]陸建飛,聶衛(wèi)東.飽和土中單樁在瑞利波作用下的動(dòng)力響應(yīng)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2008,30(2)：225-232.LU JIAN-FEI,N IE WEI-DONG.Dynam ic response of sing le pile embedded in half-space saturated soilsub jected to rayleigh w aves[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2008,30(2)：225-232..

[15]夏唐代,薛威,顏可珍.準(zhǔn)飽和土中的瑞利波彌散特性[J].江南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2007,6(1)：76-80.XIA TANG-DAI,XUE W EI,YAN KE-ZHEN.Dispersion of rayleigh wave in a nearly saturated soil[J].Journal of Southern Yangtze University：Natural Science Edition,2007,6(1)：76-80..

[16]李立云,杜修力.動(dòng)載作用下飽和土壤液化的研究述評(píng)[J].世界地震工程,2006,22(2)：39-49.LI LI-YUN,DU XIU-LI.Review on the liquefaction research o f saturated soils under dynam ic load[J].World Earthquake Engineering,2006,22(2)：39-49.

[17]蔡袁強(qiáng),李保忠.飽和度變化對(duì)彈性波在非飽和砂巖表面反射和透射的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(3)：520-521.CA IYUAN-QIANG,LIBAO-ZHONG.Effecto fw ater saturation on reflec tion and transm ission of elastic waves at interface of partially saturated sandstone[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,25(3)：520-521..

[18]徐平,夏唐代.飽和度對(duì)準(zhǔn)飽和土體中瑞利波傳播特性的影響[J].振動(dòng)與沖擊,2008,27(4)：10-13.XU PING,XIA TANG-DA I.In fluence o f saturation degree on p ropagation characteristics of ray leighwaves in nearly saturated soils[J].Journal of vibration and shock,2008,27(4)：10-13..