趙章泳，王明洋，邱艷宇，紫 民，邢化島

（1. 96911 部隊，北京 100010；2. 陸軍工程大學 爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，江蘇 南京 210007；3. 南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094；4. 海軍91058 部隊，海南 三亞 572000）

鈣質砂是一種碳酸鈣含量達50%以上的主要由海洋生物形成的粒狀材料，由于在其沉積過程中大多未經長途搬運，從而保留了原生生物骨架中的細小孔隙，因此具有孔隙比高、壓縮性高、顆粒易破碎等特點，并表現(xiàn)出與陸源砂不同的物理力學特性[1–3]。近幾十年來為保障海洋工程的建設，國內外學者已對鈣質砂在低應變率下的力學特性進行了大量的研究[4–6]，但關于鈣質砂在高應變率條件下力學特性的研究還很少。研究鈣質砂在爆炸荷載作用下的動力響應對島礁及海洋工程中的防護工程問題具有重要意義，然而目前學者們僅對陸源砂抗爆性能進行過較為系統(tǒng)的研究，如美軍的《TM5-855-1》手冊提供了不同密實程度砂土中爆炸波傳播的經驗公式[7]，許多學者在飽和、非飽和砂土中進行了大量爆炸試驗，并建立了砂土在爆炸荷載作用下的計算模型[8–17]。Karinski 等[18]、Yankelevsky 等[19]、Karinski 等[20]研究了土壤體積壓縮特性對爆炸波在其中衰減規(guī)律的影響，并利用前人的試驗結果進行驗證。對于飽和鈣質砂，徐學勇等[21-22]使用電雷管作為點爆源對其進行加載，初步研究了爆炸波在其中傳播所引起的土壓力變化、孔隙水壓力建立與消散以及砂土密實的規(guī)律。目前，關于非飽和鈣質砂中爆炸波傳播衰減規(guī)律的試驗研究尚處于空白階段。

本文采用球形TNT 藥包作為爆源，在密實鈣質砂中進行了一系列大尺寸爆炸模型試驗，主要研究了在不同砂土含水率、藥包埋深、藥包質量條件下密實鈣質砂中爆炸波的傳播衰減規(guī)律。所得試驗結果既可用于建立適用于工程實踐的經驗公式，同時還可用于驗證鈣質砂本構模型及相應計算參數(shù)的準確性。

1 爆炸相似律

由于非飽和砂土的成分較復雜，為完整描述其物理力學特性需要很多參數(shù)，包括密度、相對密度、孔隙比和含水率等[23]，且非飽和砂土的結構性也對其力學特性有顯著影響[24–27]，因此目前試驗研究仍為土中爆炸效應研究的最可靠手段。

爆炸波的基本參數(shù)主要包括爆炸波的波速、升壓時間、法向應力峰值及對應的比沖量等。其中比沖量的定義為單位面積上爆炸波沖量的大小，并可根據下式計算得出，其量綱為[ML-1T-1]。

對于爆炸波傳播規(guī)律的主要研究對象是在爆炸波傳播過程中其應力峰值、波速等基本參數(shù)隨波傳播距離的增加而發(fā)生的變化[17]。目前尚未提出在較大的爆心距變化范圍內，可用于求解這些基本參數(shù)的理論解，因此對這些參數(shù)變化規(guī)律的描述常采用半理論半經驗的關系式。關系式的函數(shù)形式借助于爆炸相似律確定，而有關常數(shù)則是根據試驗結果確定。爆炸相似律可闡述如下：兩個尺寸不同、但化學成分相同的藥包在任意形狀介質的相同位置上爆炸時，兩者的應力場和變形場在空間、時間和強度上均是相似的[28]。

該理論的基本假設包括兩點：一是介質對變形速率不敏感，二是介質中的非定常爆炸應力場和變形場只受爆炸能量的影響（不考慮重力和其他力的影響）。雖然該理論的基本假設具有局限性，但是以往研究結果表明，在相當程度上仍能利用該理論設計爆炸模型試驗。

爆炸相似律的函數(shù)形式可以通過量綱分析的手段得出[29]。根據以往巖土介質中爆炸模型試驗的分析[30–34]，可以匯總得到在集團裝藥情況下影響砂土中爆炸波傳播規(guī)律的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 影響砂土中爆炸波傳播規(guī)律的主要參數(shù)Table 1 Major parameters influencing the propagation of blast wave in sand

爆炸波的法向應力峰值σmax及相應的折合比沖量I 應當是這些控制參數(shù)的函數(shù)，即有：

取藥包質量W、裝藥密度ρw、單位質量炸藥的化學能Ew為基本量，式(2)可化為如下的無量綱關系：

對于采用相同種類的炸藥及裝藥方式，在相同的鈣質砂中進行的炸藥質量不同的爆炸試驗，則有6 個控制參數(shù)保持不變，即：

式(3)可化簡為：

式中：f 和g 通常取為冪函數(shù)的形式，相應參數(shù)由模型試驗得出。R*為比例爆心距離，h*為藥包比例埋深，I*為折合比沖量，相應的計算公式分別為：

2 試驗設計

2.1 砂土試樣

試驗所用的鈣質砂取自中國南海某島，首先將鈣質砂原樣平攤于廣場上風干，然后篩分出砂土試樣中粒徑大于2 mm 的顆粒。按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）[35]得到篩分后的鈣質砂試樣的級配曲線如圖1 所示，試樣的最小干密度與最大干密度分別為1.12 和1.47 g/cm3，顆粒密度為2.81 g/cm3。計算可得試樣的平均粒徑d50=0.348 mm，不均勻因數(shù)Cu＞6，因此屬于不均勻中砂。

圖1 鈣質砂試樣級配曲線Fig.1 Particle size distribution curve of calcareous sand

2.2 試驗裝置及球形藥包

試驗使用如圖2 所示的拼裝式筒體作為爆炸試驗容器。容器總高度為2 000 mm，由10 個拼裝單元沿垂直方向連接而成。拼裝單元由2 片法蘭盤和1 個圓環(huán)焊接而成：其中圓環(huán)外徑為2 000 mm、壁厚為15 mm，共有高度分別為100、200 和500 mm 的3 種尺寸；法蘭盤寬度為75 mm，厚度為16 mm。為提高法蘭與圓環(huán)的連接強度，還在拼裝單元側面設置了12 道加勁肋板。每一層拼裝單元側壁上均加工有螺紋孔，以方便傳感器導線的引出。

關于砂土中爆炸效應的試驗研究中，所使用的爆源主要包括雷管[22]、乳化炸藥[36]和塊裝TNT[31-32]。當爆心距較大時，這些爆源可以近似視為點源。然而在爆心距較小的位置，炸藥類型、裝藥密度以及炸藥形狀均會對試驗結果帶來較大的影響，Krauthammer[37]特別強調了需要慎重使用由非球形爆源試驗所獲得的爆炸近區(qū)數(shù)據。為研究在爆心距較小范圍內鈣質砂中的爆炸波的傳播規(guī)律，本文中將采用球形藥包作為爆源。

圖2 爆炸模型試驗所用容器Fig.2 The container used in explosion experiments

圖3(a)為試驗所用球形藥包的示意圖，藥包由上下2 個部分粘貼而成。每部分均由散裝三硝基甲苯（TNT）壓裝而成，壓藥密度為1.5 g/cm3。其中藥包的下半部為完整半球，上半部則預留有直徑為8 mm 的雷管安裝孔。將2 個半球粘接為一體，通過測量可知蟲膠層厚度小于0.1 mm。試驗所用球形藥包具有3 種規(guī)格，其名義質量分別為64、216、512，相應的名義直徑分別為43.6、65.2 和87.0 mm。由于在藥球的脫模過程中，雷管安裝孔附近會有少量炸藥脫落，因此每次試驗前都需要稱量藥包的實際質量。圖3 (b)為尚未粘接的216 和512 g 藥包，圖3 (c)為粘接好的64 g 球形藥包。由于藥球的壓裝密度低于鑄裝TNT 密度，因此其感度較高可以直接使用電雷管起爆。

圖3 球形藥包Fig.3 Spherical explosives

2.3 測試系統(tǒng)

本文采用高頻壓阻式土壓力傳感器測量不同測點處爆炸波法向應力的時程曲線。圖4 所示為試驗采用的土壓力傳感器：圖左為昆山雙橋公司生產的CYG1712F 型土壓力傳感器，其尺寸為 ? 30 mm×16 mm；圖右為河南動感電子科技公司生產的DNS-TY 型土壓力傳感器，其尺寸為? 40 mm×10 mm。

傳感器輸出的模擬信號由東華測試公司的DH8302 高性能動態(tài)信號測試系統(tǒng)調理并采集。測試采用連續(xù)采集模式。

圖4 土壓力傳感器Fig.4 Soil pressure sensors

圖5 為藥包及傳感器位置的設計示意圖。其中藥包位于容器的幾何中心，在鈣質砂試樣制備過程中預留裝藥孔，待試樣準備完畢后將捆綁好電雷管的藥包放入裝藥孔并回填。傳感器的安裝平面指傳感器底面所在平面，在布置傳感器時需要使用此平面對傳感器進行定位；測試平面指傳感器頂面（也即敏感元件）所在平面。考慮到砂土的不均勻性，在每個傳感器安裝平面內均布置1 個中心傳感器與1～2 個邊緣傳感器，且中心傳感器位于藥包正下方。各傳感器中心之間的水平距離設置為6 cm，以減小傳感器對砂土自由場的擾動。由于第一層測點距離爆心較近，因此只能設置一個中心傳感器。試驗中容器將被拆分為上、下兩部分，以便進行夯實、取樣和安裝傳感器等操作。

圖5 藥包及傳感器位置示意圖Fig.5 The schematic of the locations of explosive and sensors

2.4 試驗流程

共進行8 次爆炸試驗，構成了分別以藥包埋深、藥包質量和試樣含水率為單變量的3 組對照試驗，各試驗的設計參數(shù)如表2 所示。在試驗編號中，DCS 表示干燥鈣質砂，WCS 表示潮濕鈣質砂；64、216 和512 表示藥包設計質量。其中干燥鈣質砂由原始試樣經風干后所得，通過室內試驗測定其平均含水率約為1%；潮濕鈣質砂是通過將已知含水率的鈣質砂與相應質量的水使用攪拌機混合后制備獲得。

表2 爆炸模型試驗參數(shù)Table 2 Designed parameters for explosion model test

為提高法向應力測試結果的信噪比，需預先對測點的應力峰值進行估計，以合理設置每個測試層內傳感器的量程。然而目前尚未有文獻給出鈣質砂中爆炸波的試驗數(shù)據，因此在試驗設計中使用了梁霍夫[17]關于非飽和石英砂中爆炸波的試驗結果對各測點處應力幅值進行預估。由于當容器裝滿鈣質砂試樣后難以進行夯實操作，因此本節(jié)試驗中最大設計埋深為0.9 m，即略小于容器上半層的高度。

考慮到模型試驗的尺寸較大，按試樣干密度1.4 g/cm3計算則約需8.3 t 干燥鈣質砂試樣。為使用有限量的鈣質砂進行不同試驗工況條件下的對照試驗，同時縮短試驗周期，將按照試樣含水率由低至高的順序進行表2 中所示的試驗。

考慮到鈣質砂試樣易破碎，在每次試驗結束后，均需對各測試層試樣進行回收并進行顆粒分析，舍棄砂土顆粒明顯破碎的試樣，以保證每次試驗中試樣顆粒特性一致。顆粒分析結果表明，在比例爆心距R*＞0.5 m/kg1/3的范圍內，不同含水率試樣中的鈣質砂顆粒幾乎不發(fā)生破碎。對于藥包質量為64 g的試驗，此范圍內砂樣的體積僅為試樣總體積的5‰。因此在每次試驗結束后，僅需將上述范圍內的試樣拋棄，即可保證試樣的顆粒分配特性不隨系列爆炸試驗的進行而發(fā)生明顯變化。

準備試件時，首先使用懸掛于叉車臂上的吊秤將盛放鈣質砂的噸袋吊至容器上方，稱量每一袋試樣的總質量。適當打開出料口，使試樣緩慢漏出，砂土將在容器內形成圓錐狀堆積體。手動調節(jié)叉車臂的高度使其隨堆積體高度的增大而增大，控制噸袋底部與堆積體頂部的高度差約為0.5 m，此時試樣約以3.2 m/s 的速度落入容器內。待試樣完全從噸袋中落入容器后，使用鐵鍬將倒入容器之中的砂土攤平，并使用電動沖擊夯對試樣進行夯實。夯機質量為80 kg，電機功率為3 kW，夯實時起跳高度約為5 cm，相應每次夯擊輸入能量為40 J，每層試樣總夯擊時間約為5 min。由于在夯實操作前已將部分土壓力傳感器埋入試樣中，因此可以使用這些傳感器測量夯擊產生的應力波的信號。測試結果表明由夯擊產生的應力波的應力幅值約為0.015 MPa，夯擊周期約為100 ms。

按照圖5 所示進行試樣的分層裝填與夯實、傳感器的布設及藥包的埋置。在埋設好每層傳感器后，使用環(huán)刀法在該層距圓心40 cm 位置處沿圓周方向取3 個樣本，對其稱重即可計算該層試樣的初始密度。與干燥鈣質砂相比，潮濕鈣質砂具有一定程度的假黏聚力[23]，因此其能夠維持較穩(wěn)定的形狀。這種特性使得對于潮濕鈣質砂試驗，在整個容器內的試樣均被裝填夯實完畢后，可以使用環(huán)刀取土鉆獲取不同深度處的試樣，進而計算不同深度處試樣的密度。通過對比由試樣總質量除以總體積法、環(huán)刀法及環(huán)刀取土鉆法所獲得的試樣密度，可以確定上層試樣的夯擊對下層試樣密度的影響程度。

2.5 實測試驗參數(shù)

表3 總結了各次爆炸模型試驗的實際參數(shù)。對比實測結果發(fā)現(xiàn)，干燥鈣質砂的平均含水率隨試驗的進行略有上升。這是因為試驗周期較長，孔隙率很高的鈣質砂試樣從空氣中吸收了部分水蒸氣。

表3 實測爆炸試驗參數(shù)表Table 3 Summary of measured parameters in explosion test

使用環(huán)刀取土鉆的方法測得的密度與使用總質量除以總體積法測得的密度差別不大，但均比環(huán)刀取樣法測得的密度大0.02～ 0.05 g/cm3，這是因為在使用環(huán)刀取樣后進行的夯擊會略微增加已取樣砂土層中試樣的密度。

考慮到起爆所用電雷管折合TNT 當量為1 g，試樣中的實際炸藥質量與設計藥包質量相差不超過1%，另外藥包的埋深與設計值相差不超過3%，因此在下文的計算中對于藥包質量和埋深仍采用設計值。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗現(xiàn)象及應力時程曲線

圖6 (a)～(f)分別為藥包埋深等于0.9、0.3 和0 m 時，在爆炸試驗前后試樣的表面狀態(tài)。由圖6(a)～(b)可知，當藥包埋深為0.9 m 的試驗，試驗結束后試件表面除有少許浮土外幾乎沒有任何明顯變化；由圖6(c)～ (d)可知，當藥包埋深為0.3 m 時，在爆心上方的試樣被拋擲出去并形成爆破漏斗；由圖6(e)～(f)可知，當藥包埋深為0 m 時，在試樣表面將出現(xiàn)深度較小、半徑較大的爆炸坑。這3 種藥包埋深條件下對應的爆炸類型分別為封閉爆炸、淺埋爆炸和觸地爆炸。

圖6 試驗前后試件表面狀態(tài)變化Fig.6 Changes of sample surface state after the explosion tests

如圖6(e)所示在DCS64-2 試驗中形成的漏斗坑，其寬度為80 cm，深度為27 cm。試樣表面布滿了黑灰色的爆轟產物，說明爆腔上部的砂土被完全拋散出去，這種漏斗坑一般被稱為完全漏斗坑[38]。

圖7 所示為試驗中傳感器記錄到的全部原始數(shù)據?？紤]到砂土的不均勻性，在每個傳感器安裝平面內均布置1 個中心傳感器與1～2 個邊緣傳感器。圖7 中所示爆心距下對應的多條曲線即表示布置的多個傳感器。除部分爆心距較小位置處傳感器導線受爆炸波作用損壞導致未采集到數(shù)據外，絕大多數(shù)傳感器均完整記錄了測點處的爆炸波法向應力時程曲線。試驗結果信噪比較高，相同爆心距處傳感器記錄波形一致性較好。由于爆轟產物運動會產生電磁脈沖[34]，這些電磁脈沖耦合入測試電路致使部分試驗結果中出現(xiàn)了高頻振蕩的電磁噪聲。除DCS512 試驗的第一層傳感器外，這種電磁噪聲基本不會對應力測試結果的分析造成任何影響。此外，由于試驗操作不當，導致在WCS64-3 試驗中藥包埋設位置比設計位置高出3 cm，因此該試驗中所有測點的爆心距均增大了3 cm。

圖7 應力時程曲線Fig.7 Stress-time curves

3.2 爆炸波波速與升壓時間

爆炸波的波速主要包括波陣面的傳播速度和應力峰值的傳播速度。將4 種不同含水率的封閉爆炸試驗中波陣面和應力峰值的到時匯總于圖7 中，由圖7 可知在試驗的測試范圍內，爆心距與波陣面到時、應力峰值到時均滿足線性關系，因此密實鈣質砂中的波速基本保持為定值。且除DCS64-1 試驗中第一層測點外，在其余測點爆炸波的到時和應力峰值到時有很大區(qū)別。由于波陣面到時及應力峰值到時的特征與彈塑性波傳播規(guī)律一致，根據彈塑性球面波的傳播理論可知，其波陣面的波速為試樣的彈性縱波波速C0，因此可以將爆心距-波陣面到時線性擬合關系的斜率作為彈性縱波波速；應力峰值的波速為試樣的塑性縱波波速Cp，因此可以將爆心距-應力峰值到時線性擬合關系的斜率作為塑性縱波波速。

表4 匯總了所有試驗中的波速擬合值，根據表中數(shù)據可知：在密實干燥鈣質砂中彈性縱波波速為291～359 m/s，塑性縱波波速為250～282 m/s；在密實潮濕鈣質砂中彈性縱波波速為372～427 m/s，塑性縱波波速為302～339 m/s。干燥鈣質砂中彈性縱波波速離散性較大，且與試樣密度的變化不具有一致性，因此鈣質砂試樣在低應力下的力學特性受不限于試樣密度的多種因素影響；而干燥鈣質砂塑性縱波波速隨試樣密度的增大而增大，因此試樣密度是干燥鈣質砂高應力下變形特性的主要影響因素。潮濕鈣質砂中的彈性和塑性縱波波速均隨含水率的升高而增大，因此含水率是潮濕鈣質砂在低應力和高應力條件下力學特性的主要影響因素。

表4 密實鈣質砂中的爆炸波波速Table 4 The blast wave velocity in dense calcareous sand

由于在試驗條件下，爆炸波的彈性波速和塑性波速均基本保持不變，則在爆心距為R 處其上升時間tr可近似表示為：

該式表明，密實鈣質砂中爆炸波的升壓時間與爆心距成線性關系。

3.3 爆炸波法向應力峰值的衰減規(guī)律

爆炸波法向應力峰值σn,max的衰減公式通常是以如式(8)所示的冪函數(shù)的形式給出：

式中： Kσ為應力衰減常數(shù)，代表比例距離等于1 m/kg1/3時介質中的應力峰值； μσ為應力衰減指數(shù)，代表著爆炸波應力峰值的衰減規(guī)律，其值越大則應力峰值衰減速度越快。

圖8 為在對數(shù)坐標系下，所有干燥鈣質砂試驗中測點的比例爆心距和法向應力峰值的對應關系。由圖8 可知，干燥鈣質砂的應力峰值衰減規(guī)律以R*=0.75 m/kg1/3為界可劃分為兩段，表5 匯總了這兩段衰減規(guī)律的參數(shù)值。

根據表5 的匯總結果及圖9 可知：在R*＞0.33 m/kg1/3的范圍內試驗結果一致性較好且符合爆炸相似律，而在R*=0.25 m/kg1/3的測點處不同藥包質量的試驗結果偏差較大。其原因可能是當應力水平較高時，應力值及相應的測試手段對介質的不均勻性較敏感；也可能是在該比例距離處，鈣質砂動力特性的率敏感性將對爆炸相似率的適用性產生影響。具體是由哪種原因造成的這種偏差，尚需進一步研究。

圖8 封閉爆炸試驗中爆心距與到時關系Fig.8 The relationship between blast center distance and arrival time in closed explosion

表5 干燥鈣質砂法向應力峰值衰減規(guī)律參數(shù)值Table 5 The parameters of attenuation law of peak normal stress in dry calcareous sand

圖9(b)表明比例埋深由2.25 m/kg1/3減小至0.75 m/kg1/3時，鈣質砂中爆炸波應力峰值的衰減規(guī)律不會發(fā)生變化。當比例埋深減小至0 m/kg1/3時，在R*=0.25，2.0 m/kg1/3處的應力峰值將分別下降27%和60%，且衰減指數(shù)會略微增大。

圖10 為對數(shù)坐標系下，所有潮濕鈣質砂試驗中測點的比例爆心距和法向應力峰值的對應關系，相應的衰減規(guī)律參數(shù)值匯總于表6 中?？梢园l(fā)現(xiàn)在比例爆心距在0.5～2.0 m/kg1/3的范圍內，潮濕鈣質砂中的應力峰值衰減曲線并沒有出現(xiàn)如同干燥鈣質砂中的分段現(xiàn)象，法向應力峰值隨含水率的升高先減小后增大，但衰減指數(shù)μσ卻隨含水率的升高而單調遞增。

圖9 干燥鈣質砂法向應力峰值衰減的試驗結果及擬合曲線Fig.9 Experiment results and fitting curves of the peak normal stress in dry calcareous sand

圖10 潮濕鈣質砂法向應力峰值試驗結果及擬合曲線Fig.10 Experiment results and fitting curves of the peak normal stress in moist calcareous sand

表6 潮濕鈣質砂法向應力峰值衰減規(guī)律參數(shù)值Table 6 The parameters for attenuation law of peak normal stress in moist calcareous sand

對于R=100 cm 測點處的傳感器，其被放置于容器底板之上，而底板下方為混凝土地基。由于傳感器、容器底板及混凝土地基的波阻抗均遠大于鈣質砂的波阻抗，因此可以將該層傳感器視為剛壁，其所測應力時程曲線的應力峰值即為實測反射波應力峰值σR,max。使用式(8)和表5～6 中的參數(shù)值，可以通過外推的方法獲得在100 cm 測點處的自由場應力峰值σI,max，σR,max與σI,max之比即為非飽和鈣質砂中的剛壁反射因數(shù)。

表7 匯總了所有試驗中的外推自由場應力峰值、實測反射波應力峰值及剛壁反射因數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)：對于含水率低于等于10%的非飽和鈣質砂，剛壁反射因數(shù)在1.473～1.603 之間；對于含水率高于20%的非飽和鈣質砂，剛壁反射因數(shù)在1.225～1.249 之間。

3.4 爆炸波法向折合比沖量的衰減規(guī)律

當爆炸波傳至底板后會產生反射波，反射波會對爆心距較大的測點（主要是R=60，80 cm）處的波形造成顯著影響，圖11 中的實線為DCS64-1 試驗中R=80 cm 測點處的原始波形?？梢园l(fā)現(xiàn)反射波信號并不會影響爆炸波的應力峰值的讀取，但卻給比沖量的計算帶來巨大誤差。為消除反射波的影響，依據梁霍夫[17]的關于同一測點處爆炸波法向應力隨時間而衰減的研究結果，使用指數(shù)函數(shù)對未受到底板反射信號影響的波形進行擬合，然后將其外推至試驗測試結束。圖11中的虛線即為擬合及外推的結果。

表7 非飽和鈣質砂剛壁反射因數(shù)Table 7 The rigid reflection coefficient of unsaturated calcareous sand

圖11 消除反射波對應力時程曲線影響的方法Fig.11 The method for eliminating the influence of reflected wave on stress-time curve

將不同傳感器測得的法向應力時程曲線按照圖11 所示的方法進行修正后進行積分，即可得到相應位置的比沖量時程曲線，按照該方法計算DCS64-1 試驗中各測點的比沖量時程曲線如圖12 所示。由圖可知在時間達到10 ms 后所有位置處的比沖量基本保持為一穩(wěn)定值，即爆炸波脈沖已完全通過該測點，相應的比沖量穩(wěn)定值即為此位置處爆炸波的總比沖量值，該值對爆炸荷載作用下地下防護結構的動力響應計算及相應的工程設計具有重要意義。

圖12 DCS64-1 試驗中各測點的比沖量時程曲線Fig.12 Specific impulse time histories at each measuring point in DCS64-1 test

將不同測點處爆炸波的總比沖量代入式(6)中第3 式，即可得到各測點的折合比沖量值。折合比沖量的衰減公式通常是以如式(9)所示的冪函數(shù)的形式給出：

式中：KI為比沖量衰減常數(shù)，μI為比沖量衰減指數(shù)。

在同一測試層內不同傳感器測得的比沖量相差由5%～50%不等，其離散性明顯大于應力峰值試驗結果的離散性。這是因為在卸載過程傳感器的位移遠大于加載過程的位移，由于波陣面曲率的影響，將導致傳感器感壓面方向發(fā)生偏轉，從而給應力的測量帶來較大誤差。因此即使在同一測試層內各傳感器測得的應力峰值幾乎相同，但其卸載曲線可能存在顯著差異。由于卸載時間遠比加載時間長，因此卸載曲線的差異將對比沖量計算造成顯著影響。

圖13～14 所示分別為在干燥鈣質砂和潮濕鈣質砂中折合比沖量的試驗結果及相應的擬合曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)在對數(shù)坐標系下，干燥鈣質砂或潮濕鈣質砂折合比沖量的衰減均為一段直線的形式，這一點與干燥鈣質砂中應力峰值的衰減規(guī)律不同。對于干燥鈣質砂，比例埋深由2.25 m/kg1/3減小至0.75 m/kg1/3時，雖然應力峰值的大小不變，但是折合比沖量卻顯著降低。

圖13 干燥鈣質砂折合比沖量試驗結果及擬合曲線Fig.13 Experiment results and fitting curves of the specific impulse in dry calcareous sand

圖14 潮濕鈣質砂折合比沖量試驗結果及擬合曲線Fig.14 Experimental results and fitting curves of the specific impulse in moist calcareous sand

表8 匯總了非飽和鈣質砂中折合比沖量衰減公式的參數(shù)值?？梢园l(fā)現(xiàn)當含水率不變時，比例埋深僅會影響折合比沖量的值而不影響其衰減指數(shù)，即不影響其衰減規(guī)律。對于潮濕鈣質砂，折合比沖量的衰減指數(shù)隨含水率的增加而減小，且10%含水率試樣與干燥試樣的衰減指數(shù)近似相同。

將不同含水率的封閉爆炸試驗中折合比沖量的衰減擬合曲線匯總于圖15 中，可以發(fā)現(xiàn)隨著含水率的升高，在相同比例爆心距位置處折合比沖量的值與衰減速度均隨含水率的升高而降低。

耦合因數(shù)f 的定義是非封閉爆炸與封閉爆炸在同一介質匯總所產生的地沖擊大小比值，其取值范圍為0～1，通常按照下式計算求得：

式中：σn,max為法向應力峰值，I*為折合比沖量，v 為峰值粒子速度，d 為峰值位移，a 為峰值加速度。一般情況下，上述不同的量所對應的f 是不相同的。在關于爆炸近區(qū)地沖擊的研究中，選取較多的是法向應力峰值和比沖量，相應的耦合因數(shù)分別稱為應力型耦合因數(shù)和沖量型耦合因數(shù)。由于鈣質砂中爆炸波峰值應力的的衰減隨比例爆心距的增大而增強，因此不適宜用式(10)的形式表示。根據計算可得，在比例埋深為0 和0.75 m/kg1/3時，鈣質砂的沖量型耦合因數(shù)f 分別為0.21 和0.73。

表8 非飽和鈣質砂中折合比沖量衰減公式參數(shù)值Table 8 The parameters of attenuation law of specific impulse in unsaturated calcareous sand

4 結 論

本文進行了不同埋深及藥包質量下干燥鈣質砂中的爆炸模型試驗，以及不同含水率的潮濕鈣質砂中的封閉爆炸模型試驗。首次獲得了比例爆心距在0.25～2.0 m/kg1/3范圍內，爆炸波在不同含水率非飽和鈣質砂中的自由場應力時程數(shù)據，分析了密實鈣質砂中藥包埋深及試樣含水率對爆炸波傳播衰減規(guī)律的影響，主要結論包括：

（1）集團裝藥情況下，非飽和鈣質砂中封閉爆炸的臨界比例埋深約為2.25 m/kg1/3。

（2）在密實干燥鈣質砂中彈性縱波波速為291～359 m/s，塑性縱波波速為250～282 m/s。在密實潮濕鈣質砂中彈性縱波波速為372～427 m/s，塑性縱波波速為302～339 m/s。試樣密度及含水率是非飽和鈣質砂在高應力條件下波速的主要影響因素。密實鈣質砂中爆炸波的升壓時間隨爆心距的增加呈線性增長。

（3）封閉爆炸情況下，在比例爆心距小于0.75 m/kg1/3時干燥鈣質砂中爆炸波的應力衰減因數(shù)為2.94，在比例爆心距大于0.75 m/kg1/3時為1.37。比例埋深減小至0.75 m/kg1/3時，應力峰值的大小及衰減規(guī)律均不變；比例埋深減小為0 m/kg1/3時在不同的比例爆心距處應力峰值將下降27%～60%。封閉爆炸情況下，潮濕鈣質砂中爆炸波的應力衰減因數(shù)在比例爆心距為0.5～2.0 m/kg1/3的范圍內為1.39～1.79，且隨含水率的升高而增大。

（4）對于含水率低于等于10%的非飽和鈣質砂，其應力峰值的剛壁反射因數(shù)在1.473～1.603 之間；對于含水率大于等于20%的非飽和鈣質砂，其應力峰值的剛壁反射因數(shù)在1.225～1.249 之間。

（5）相同比例爆心距處爆炸波的折合比沖量值隨著含水率的升高而減小，其范圍為0.97～1.18。10%含水率的鈣質砂與干燥鈣質砂的比沖量衰減指數(shù)近似相同；當含水率高于10%時，比沖量衰減指數(shù)隨含水率的升高而減小。比例埋深僅會影響折合比沖量的大小，而不會影響其衰減規(guī)律。在比例埋深為0 和0.75 m/kg1/3時干燥鈣質砂中沖量型耦合因數(shù)分別為0.21 和0.73。