李志敏，汪旭光，汪 泉，劉文震

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)力學(xué)與光電物理學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.北京礦冶研究總院,北京102628；4. 安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)，是高效吸能材料，在爆破工程安全防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越受到重視。在水下爆破環(huán)境，水介質(zhì)傳播爆炸能量相較于空氣介質(zhì)強(qiáng)度高很多，又因?yàn)镋PS材料具有質(zhì)輕、導(dǎo)熱系數(shù)小、吸水率低、耐腐蝕、耐低溫、價(jià)廉質(zhì)優(yōu)等特性，所以分析EPS緩沖材料衰減炸藥水下爆炸能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。水下爆炸防護(hù)方法研究很多，倪小軍等[1]分析了泡沫鋁殼對(duì)水下爆炸沖擊波衰減的影響，賈虎等[2-3]分析了空氣隔層及爆炸氣泡幕對(duì)水中沖擊波的衰減特性，袁英杰等[4]研究了爆炸載荷下泡沫混凝土的減振性能，汪泉等[5]分析了有機(jī)玻璃-空氣層結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸水池水下爆炸地基振動(dòng)的影響，汪玉等[6]分析了泡沫芯層夾層結(jié)構(gòu)水下爆炸沖擊特性，萬(wàn)松林等[7]分析了塑料泡沫抗沖覆蓋層深水爆炸響應(yīng)，艾冬杰等[8]研究了泡沫鋁夾芯板結(jié)構(gòu)水下爆炸載荷作用下的失效機(jī)理與吸能特性,金澤宇[9]研究了抗沖覆蓋層水下爆炸近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的計(jì)算方法。以上研究均以緩沖介質(zhì)在具體結(jié)構(gòu)中緩沖水下爆炸能量，而直接分析緩沖介質(zhì)本身衰減水下爆炸能量的研究尚未見(jiàn)到。

本研究在爆炸水池中起爆有EPS緩沖材料包裹的8號(hào)工業(yè)導(dǎo)爆管雷管，采用壓力傳感器測(cè)量水下固定爆心距處爆炸沖擊波參數(shù)，采用振動(dòng)傳感器測(cè)量實(shí)驗(yàn)水池近地面固定點(diǎn)處振動(dòng)，分析包裹雷管的EPS材料密度和包裹半徑對(duì)水下爆炸能量的衰減作用，以期為水下爆炸工程安全防護(hù)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)水池半徑5.5 m，高3.6 m。使用8號(hào)工業(yè)雷管作為爆源，在雷管中心入水深度為2.4 m處引爆。為研究EPS緩沖材料對(duì)水下爆炸能量的衰減作用，采用EPS材料對(duì)雷管進(jìn)行柱形包裹，雷管軸線與柱體軸線重合。緩沖柱體高60 mm，上下為圓形木質(zhì)夾板，表面為塑料薄膜，EPS材料均勻、密實(shí)地充滿(mǎn)柱體。雷管與緩沖柱體的開(kāi)口處用膠密封，使得雷管不會(huì)脫落以及緩沖柱體內(nèi)不會(huì)進(jìn)水。變換EPS材料粒徑大小和緩沖柱體半徑，進(jìn)行多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分組編號(hào)，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)分組

采用ICP型水下爆炸壓力傳感器測(cè)量爆炸沖擊波，在距離爆心0.3、0.5 m設(shè)置2個(gè)測(cè)點(diǎn)。采用NUBOX-6016型爆破振動(dòng)測(cè)試儀測(cè)量水池近地面振動(dòng)，振動(dòng)傳感器距離水池外表面1 m(見(jiàn)圖1～圖2)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試系統(tǒng)

圖2 水中沖擊波測(cè)試和地面振動(dòng)測(cè)試

2 結(jié)果與討論

2.1 水下爆炸沖擊波能和氣泡脈動(dòng)能

炸藥在水下爆炸后，會(huì)在水中產(chǎn)生大于水中音速的沖擊波和氣泡的脈動(dòng)波。利用置于水下的爆炸壓力傳感裝置，就可以測(cè)試出沖擊波和氣泡的脈動(dòng)波隨時(shí)間而產(chǎn)生的變化歷程，通過(guò)電纜線傳輸信號(hào)到放大、采集裝置，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的處理，形成波形圖，就能夠得到?jīng)_擊波能和氣泡能等參數(shù)。

水下壓力測(cè)點(diǎn)測(cè)得的沖擊波超壓和比沖擊波能隨EPS緩沖柱體半徑變化如圖3、圖4所示。由圖可見(jiàn)：相對(duì)于無(wú)緩沖材料包裹的雷管水下爆炸(R=0 mm)，有EPS材料包裹的雷管水下爆炸(R>0 mm)沖擊波超壓和比沖擊波能明顯減小。而且隨緩沖柱體半徑R梯度增加(梯度間隔為40 mm)，沖擊波超壓和比沖擊波能一致遞減明顯。

圖3 極值超壓隨緩沖柱體半徑變化

圖4 比沖擊波能隨緩沖柱體半徑變化

下面分別從緩沖柱體半徑、裝填密度以及壓力測(cè)點(diǎn)位置三方面分析EPS緩沖材料對(duì)水下爆炸能量的衰減作用。

1)EPS材料緩沖柱體半徑增加，在EPS材料密度不變條件下，壓力測(cè)點(diǎn)極值超壓和比沖擊波能均減小，相對(duì)于無(wú)EPS材料緩沖，衰減率如表2所示。

表2 緩沖柱體半徑增加引起爆炸能量衰減百分比

2)EPS材料密度增加(粒徑減小)，EPS材料緩沖柱體半徑不變，壓力測(cè)點(diǎn)極值超壓和比沖擊波能均減小，衰減情況如表3所示。由表可知：EPS材料密度增加相同，緩沖柱體半徑越大，壓力測(cè)點(diǎn)極值超壓和比沖擊波能衰減程度越高。

表3 EPS材料密度增加引起爆炸能量衰減百分比

3)EPS材料密度相同，緩沖柱體半徑相同，壓力測(cè)點(diǎn)的爆心距S越大，測(cè)得極值超壓和比沖擊波能越小，能量衰減率如表4所示。

表4 爆心距增加引起爆炸能量衰減百分比

由表2～表4有：①增加EPS緩沖柱體半徑對(duì)衰減水下爆炸能量作用大，衰減率γR、ηR相對(duì)于γρ、ηρ數(shù)值要大。②增加裝填EPS材料密度，可有效地衰減水下爆炸能量，衰減率γρ、ηρ隨EPS緩沖柱體半徑的增大而增大。③有EPS緩沖材料包裹炸藥的水下爆炸相對(duì)于無(wú)緩沖材料包裹炸藥的水下爆炸，測(cè)點(diǎn)爆心距S增加對(duì)水下爆炸能量的衰減作用并無(wú)明顯強(qiáng)化。如表4所示，R=0 mm時(shí)能量衰減率相較于R>0 mm情況并未明顯偏低，有的還略高。

綜合考慮EPS材料緩沖柱體半徑、裝填密度以及壓力測(cè)點(diǎn)位置三重因素對(duì)水下爆炸能量的衰減作用，設(shè)定EPS材料初始密度(本實(shí)驗(yàn)為粒徑A族)、壓力測(cè)點(diǎn)初始位置(本實(shí)驗(yàn)為S=0.3 m)，則相對(duì)壓力測(cè)點(diǎn)(本實(shí)驗(yàn)為S=0.5 m)，在EPS材料增加后密度(本實(shí)驗(yàn)為粒徑B族)，極值超壓和比沖擊波能可表示為

(1)

式中：p0為壓力測(cè)點(diǎn)S=0.3 m在雷管無(wú)EPS材料緩沖條件下爆炸所測(cè)沖擊波超壓；ES0為壓力測(cè)點(diǎn)S=0.3 m在雷管無(wú)EPS材料緩沖條件下爆炸所測(cè)比沖擊波能。

若EPS緩沖材料密度不變則γρ=0、ηρ=0，若測(cè)點(diǎn)位置不變則γS=0、ηS=0，式(1)可以表示所有極值超壓和比沖擊波能的實(shí)驗(yàn)值。結(jié)合表2～表4得到：極值超壓衰減率在27.4%～89.8%之間，比沖擊波能衰減率在77.3%～99.8%之間。為將式(1)推廣到工程實(shí)踐，定義如下無(wú)量綱量：

(2)

(3)

(4)

(5)

實(shí)驗(yàn)測(cè)得無(wú)EPS材料緩沖水下爆炸和R=40 mmEPS材料緩沖水下爆炸的氣泡脈動(dòng)周期和比氣泡能如表5所示。炸藥在實(shí)驗(yàn)設(shè)置的其他緩沖情況(R≥80 mm)下爆炸，壓力測(cè)點(diǎn)未測(cè)得水下爆炸氣泡脈動(dòng)數(shù)據(jù)。

表5 氣泡脈動(dòng)周期和比氣泡能

從測(cè)試結(jié)果看，EPS緩沖材料對(duì)水下爆炸氣泡能衰減作用顯著，炸藥在大于一定的EPS材料緩沖柱體半徑條件下爆炸，水下爆炸脈動(dòng)波被弱化或消除。

2.2 水下爆炸引起水池周?chē)孛娴恼駝?dòng)

在EPS材料緩沖柱體半徑R=40 mm，粒徑大小為A族(3～5 mm，ρA=21.3 kg/m3)時(shí)，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)x(徑向)、y(環(huán)向)、z(垂直)3個(gè)方向的振動(dòng)波形如圖5所示，顯然垂直于地面的z向振動(dòng)速度最大。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)[11]規(guī)定，以及實(shí)驗(yàn)所測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)，選振動(dòng)測(cè)點(diǎn)豎直方向振動(dòng)速度進(jìn)行分析。

圖5 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的波形(R=40 mm，A族粒徑)

炸藥在不同的緩沖柱體半徑包裹下爆炸引起振動(dòng)測(cè)點(diǎn)豎直方向最大振動(dòng)速度如圖6所示。從圖中可以看到：雷管在有EPS材料緩沖與無(wú)材料緩沖的水下爆炸相比，引起爆炸水池外振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的豎直方向最大振動(dòng)速度明顯減小，衰減率在76.3%～90.7%，說(shuō)明EPS材料衰減由于水下爆炸引起的水體周?chē)矬w振動(dòng)效果顯著。EPS材料緩沖柱體半徑是衰減振動(dòng)的主要因素，EPS材料裝填密度增加(粒徑由A族變?yōu)锽族)，并未引起振動(dòng)速度明顯衰減，圖6中同一緩沖柱體半徑處，兩粒徑族縱軸數(shù)值相差不大。

圖6 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)垂直方向最大振動(dòng)速度

3 結(jié)論

1)雷管在水下爆炸，隨著包裹雷管的EPS緩沖柱體半徑梯度增大，壓力測(cè)點(diǎn)沖擊波超壓、比沖擊波能衰減率以及振動(dòng)測(cè)點(diǎn)豎直方向振動(dòng)速度衰減率都顯著增大；在緩沖柱體半徑R≥80 mm時(shí)，水下爆炸脈動(dòng)波弱化或消失；增加EPS緩沖材料的密度，可有效衰減壓力測(cè)點(diǎn)爆炸能量，但對(duì)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)速度衰減影響較?。粔毫y(cè)點(diǎn)爆心距增加，測(cè)得爆炸能量減小，但不因有EPS材料緩沖作用而衰減率明顯提升。

2)導(dǎo)出公式(1)可用于根據(jù)防設(shè)點(diǎn)的爆心距S和藥包半徑r來(lái)近似設(shè)計(jì)選擇EPS材料緩沖厚度R和密度ρ。