楊 峰,翟紅波,蘇健軍,李尚青,肖 洋,劉 偉

(1.西安近代化學研究所,陜西 西安 710065;2.軍事科學院防化研究院,北京 102205)

引 言

地雷和鉆地彈等侵徹武器在土中爆炸時產(chǎn)生沖擊波,會對人員與建筑目標等造成嚴重毀傷。沖擊波的強度和威力特性可用來衡量武器的威力特性以及評估對目標的破壞程度。當炸藥在近地表爆炸時,其沖擊波分布規(guī)律除了與諸多自身因素相關(guān)外,還與炸藥當量、埋深以及起爆方式等很多外部因素相關(guān)。研究土壤中裝藥埋深對地表爆炸沖擊波傳播規(guī)律的影響,可為摸清彈藥爆炸威力以及預(yù)估彈藥毀傷效能提供參考。

為摸清沖擊波的傳播特性,美國、德國以及俄羅斯等國都在研究淺埋土中爆炸,通過采用理論分析、數(shù)值模擬與試驗研究等手段,開展了大量研究工作,并取得了豐富成果[1-17],為準確預(yù)估彈藥毀傷效果提供了科學依據(jù)。Bergeron等[18]采用自制裝置進行了淺埋爆炸試驗,研究了100g的C4炸藥分別在0、3和8cm的埋深爆炸,分析了炸藥在正上方30、70、110、150和190cm處空氣波的傳播規(guī)律。劉琦等[19]通過黃土中接觸爆炸和半埋爆炸試驗,得到了不同比例爆距上地面空氣沖擊波超壓。趙振宇等[20]通過爆炸試驗系統(tǒng)探究了淺埋爆炸過程中沖擊波的傳播過程,發(fā)現(xiàn)淺埋爆炸在空氣中產(chǎn)生沖擊波的傳播速度大于爆炸產(chǎn)物與砂土的噴射速度。徐其鵬等[21-22]通過研究坡度角與壕溝對地面爆炸空中沖擊波傳播規(guī)律的影響,發(fā)現(xiàn)了沖擊波峰值壓力和沖量隨著坡度角的增加而增大,并隨著爆距的增大而減小,給出了不同寬度的壕溝、不同測點的沖擊波峰值壓力與沖量的變化規(guī)律。王桂林等[23]依托重慶市某地下綜合管廊試點工程,模擬了淺埋管廊泄漏甲烷氣體爆炸沖擊管廊本體結(jié)構(gòu)和圍巖的過程,研究了爆炸作用下地面壓強的響應(yīng)特性。穆朝民等[24]利用自由場試驗研究了飽和土在不同埋設(shè)深度條件下的爆炸問題,得到了相應(yīng)的爆炸破壞效應(yīng)的宏觀特征和壓力實測波形,并對測試結(jié)果進行了分析,得到了飽和土中爆炸波傳播規(guī)律。吳祥云等[25]研究了巖石中裝藥埋深對地表空氣沖擊波超壓的影響,給出了不同埋深爆炸地表空氣沖擊波的預(yù)估方法。

目前土中爆炸相關(guān)領(lǐng)域研究尚不完善,未涉及到土壤中裝藥埋深對地表空氣沖擊波的影響,未給出相關(guān)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。本研究通過爆炸試驗研究埋深變化對地表掠過沖擊波傳播規(guī)律的影響,對所得數(shù)據(jù)進行對比分析,并擬合出沖擊波峰值壓力及沖量與埋深、比例距離相關(guān)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?以期為實際工程應(yīng)用提供一定參考。

1 試 驗

1.1 試驗樣品

試驗采用圓柱形TNT炸藥,質(zhì)量為5kg,密度為1.56g/cm3,尺寸為Φ190mm×112mm。傳爆藥柱均使用100g的JH-14炸藥,尺寸為Φ40mm×40mm。起爆雷管選用8號電雷管,采用上端部中心起爆方式。試驗所用TNT與傳爆藥柱樣品如圖1所示。

圖1 試驗樣品Fig.1 The test samples

1.2 試驗工況

爆炸試驗時,確定好爆心,根據(jù)試驗工況在爆心處挖好坑洞。將TNT豎直放進挖好的坑洞里,與洞壁之間的縫隙用土壤填充,并進行夯實,達到原狀土狀態(tài),避免炸藥周圍土壤變化對試驗產(chǎn)生影響。圖2為炸藥布設(shè)位置示意圖。

圖2 炸藥布設(shè)位置Fig.2 Placement of explosives

炸藥埋深是淺埋爆炸試驗的關(guān)鍵參數(shù),直接影響沖擊波超壓峰值、沖量以及形成的爆坑尺寸。為了更好地進行對比分析試驗工況,將具體試驗參數(shù)列于表1中。

表1 淺埋爆炸試驗參數(shù)Table 1 Parameters of shallow buried explosion test

1.3 試驗布置

爆炸試驗在某靶場進行,在平坦的地面上,以爆心為原點按照不同比例距離布設(shè)壓電傳感器,測量爆炸時地面掠過的沖擊波。每次試驗沿同一方向布設(shè)7路壓力傳感器,傳感器布設(shè)比例距離Z分別為:1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5以及4.0m/kg1/3,從左到右依次編號為1～7,并保證傳感器的上表面與地面平齊。在距離爆心安全距離200米外布置一臺高速動態(tài)分析儀,觀察爆炸過程的實時狀態(tài)。試驗場地布設(shè)簡圖如圖3所示;試驗現(xiàn)場傳感器布設(shè)位置示意圖如圖4所示。

圖3 試驗場地布設(shè)簡圖Fig.3 Schematic diagram of test layout

圖4 現(xiàn)場傳感器布設(shè)圖Fig.4 Field sensor layout diagram

1.4 測試系統(tǒng)

該試驗測試系統(tǒng)由3部分組成:壓電傳感器、信號調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集儀。

試驗采用PCB公司的113系列壓電傳感器,其性能指標滿足:諧振頻率大于500kHz,非線性度小于1%,上升時間小于1μs。PCB公司的482C05型適調(diào)儀可用于壓電傳感器的動態(tài)解調(diào),其輸出信號直接連接數(shù)據(jù)采集儀。試驗中采用HBM數(shù)據(jù)采集儀器采樣測試數(shù)據(jù),單通道沖擊波采樣速率不低于1MS/s;單通道記錄長度不小于100kS。

2 結(jié)果與討論

2.1 爆炸過程

高速攝像機捕捉到的埋深為0.108m工況的爆炸過程如圖5所示。從圖5中可看出,一團火光從地面噴射而出,這是起爆過程中產(chǎn)生的高溫高壓爆轟產(chǎn)物。隨著爆炸的進行,爆轟產(chǎn)物沖破炸藥上方土壤,向外噴射,此時火光四周彌漫著很多塵土,瞬間火光湮滅在灰黑色的塵土與爆轟產(chǎn)物中。

圖5 埋深為0.108m工況下的爆炸過程Fig.5 The explosion process under the buried depths of 0.108m

爆炸結(jié)束后,爆轟產(chǎn)物和塵土散去,爆心位置產(chǎn)生一個圓形爆坑,如圖6所示爆坑周圍形成一個圓環(huán)的隆起,里面有很多回填土。

圖6 爆炸后形成的爆坑Fig.6 The crater formed after an explosion

2.2 沖擊波實測波形

埋深為0.108和0.228m的壓力實測波形如圖7所示。從圖7中可以明顯看出,隨著埋深增加,沖擊波峰值壓力呈指數(shù)規(guī)律遞減;沖擊波到達測點時,極短時間達到峰值,然后緩慢減小,出現(xiàn)負壓,最后穩(wěn)定在0MPa附近;距離爆心越近的測點,壓力峰值越大,波峰越陡,衰減速度越快;埋深越小的工況,相同測點的沖擊波達到時間越早。

圖7 埋深分別為0.108和0.228m的實測波形圖Fig.7 Measured overpressure waveform with buried depth of 0.108 and 0.228m

2.3 試驗結(jié)果合理性分析

我國國防設(shè)計規(guī)范中規(guī)定的空爆沖擊波超壓計算公式為:

(1)

根據(jù)能量相似原理,將觸地爆炸藥量換算為TNT在無限介質(zhì)中的裝藥量:

we=1.8w

(2)

用上面公式對觸地爆炸工況試驗結(jié)果進行可靠性驗證,試驗值與經(jīng)驗公式計算值的比較見表2。

表2 試驗結(jié)果與經(jīng)驗公式計算結(jié)果的對比Table 2 Comparison of experimental values and the values of empirical formulas

從表2中可以看出,試驗值與計算公式偏差不是很大。存在偏差的原因有兩點:經(jīng)驗公式采用的是球形藥,而試驗采用的是柱形藥,裝藥形狀對試驗值有一定影響;試驗場地土壤參數(shù)的變化以及測試系統(tǒng)的測試誤差等都有一定影響。但總體上,試驗數(shù)據(jù)與經(jīng)驗公式符合較好。

2.4 埋深對沖擊波影響因素

2.4.1 埋深對沖擊波峰值壓力的影響

(1)水平爆心距對沖擊波峰值壓力的影響

不同埋深工況下7個測點沖擊波峰值壓力如圖8所示。從圖8中可以看出,隨著爆心距增加,峰值壓力呈指數(shù)衰減,且衰減系數(shù)隨著埋深的增加而有所減小。試驗中發(fā)現(xiàn),比例距離從1到4測點處,觸地爆炸時峰值壓力衰減率為96.76%,埋深為0.108、0.228以及0.85m時峰值壓力衰減率依次為74.98%、70.12%和62.13%。由此可見,相同質(zhì)量的裝藥淺埋爆炸時,峰值壓力不僅與埋深有關(guān),還與水平爆心距有關(guān)。

圖8 峰值超壓隨埋深及爆心距的變化關(guān)系Fig.8 The variation of peak pressure with buried depth and distance from detonation center

(2)埋深對沖擊波峰值壓力的影響

為了更好地分析埋深對沖擊波峰值壓力的影響,以觸地爆炸沖擊波峰值壓力為基準,采用α來定義折減系數(shù):α=pL/p0,pL為有埋深的沖擊波峰值壓力(MPa);p0為觸地爆炸沖擊波峰值壓力(MPa)。不同埋深下折減系數(shù)隨比例距離變化的關(guān)系如圖9所示。

圖9 折減系數(shù)隨埋深及爆心距的變化關(guān)系Fig.9 Reduction coefficient varies with buried depth and distance from detonation center

從圖9中可以看出,當埋深一定時,折減系數(shù)隨比例距離增加呈增大趨勢;當比例距離一定時,折減系數(shù)隨埋深的減小呈增大趨勢。當埋深為0.108、0.228和0.85m時,比例距離為1的測點處沖擊波峰值壓力分別是觸地爆炸的8.7%、4.0%和2.5%;比例距離為4的測點處沖擊波峰值壓力分別是觸地爆炸的67.2%、37.0%和12.7%。由此可見,相同質(zhì)量的裝藥淺埋爆炸時,隨爆心距增加,埋深對沖擊波峰值的影響減弱。

為了更直觀地觀測埋深對沖擊波峰值壓力的影響,將比例距離為1.5、2.0和2.5測點處4個不同埋深的峰值壓力呈現(xiàn)在圖10中。從圖10中可以看出,比例距離一定時,沖擊波峰值壓力隨埋深呈指數(shù)遞減,且隨著比例距離增加,遞減速度呈減小趨勢。

圖10 峰值壓力隨埋深及比例距離的變化關(guān)系Fig.10 The variation of peak pressure with buried depth and scaled distance

(3)沖擊波峰值壓力經(jīng)驗公式

由上述分析可知,相同質(zhì)量的裝藥淺埋爆炸時,隨著埋深增加,峰值壓力衰減,其衰減系數(shù)不僅與埋深有關(guān),還與爆距有關(guān)。不同埋深工況下的沖擊波峰值壓力可以表示為觸地爆炸相應(yīng)值與衰減系數(shù)的函數(shù):

pL=αp0

(3)

首先對觸地爆炸的沖擊波峰值壓力試驗數(shù)據(jù)進行多項式擬合,得到公式(4):

p0=0.5301-3.9173Z-1+9.2412Z-2-4.0747Z-3

1≤Z=R/W1/3≤4

(4)

式中:Z為比例距離(m/kg1/3);R為爆距(m);W為裝藥質(zhì)量(kg)。

再結(jié)合埋深分別為0.108、0.228和0.85m的試驗數(shù)據(jù)分析,得到α為:

α=0.111+0.171Z-1.647L+0.006Z2+

1.833L2-0.206ZL

1≤Z≤4,-0.093≤L≤0.85

(5)

式中:L為埋深(m)。

2.4.2 埋深對沖擊波沖量的影響

(1)水平爆心距對沖量的影響

4種不同埋深工況下7個測點處沖擊波沖量大小的比較如圖11所示。從圖11中可以看出,不同埋深試驗條件下,隨著爆心距增加,沖量呈減小趨勢,隨著埋深增加也減小。試驗中發(fā)現(xiàn),比例埋深從1到4,觸地爆炸時沖量衰減率為74.71%,埋深為0.108、0.228和0.85m時沖量衰減率分別為28.12%、36.89%和69.16%?？梢缘贸?當埋深一定時,沖量隨爆心距的增加呈指數(shù)遞減,埋深越大,沖量衰減速率越慢。

圖11 沖量隨埋深及爆心距的變化關(guān)系Fig.11 The variation of impulse with buried depth and distance from detonation center

(2)埋深對沖量的影響

為了更好地分析埋深對沖擊波峰值壓力的影響,以觸地爆炸沖擊波峰值壓力為基準,采用β來定義折減系數(shù):β=IL/I0,IL為有埋深的沖擊波沖量(MPa·s);I0為觸地爆炸沖擊波沖量(MPa·s)。不同埋深條件下沖量折減系數(shù)隨比例距離變化的關(guān)系如圖12所示。

圖12 折減系數(shù)隨埋深及爆心距的變化關(guān)系Fig.12 Reduction coefficient varies with buried depth and distance from detonation center

從圖12中可以看出,當埋深一定時,沖量衰減速率隨比例距離增加呈減小趨勢。當埋深為0.108、0.228和0.85m時,測點1處的沖擊波沖量分別是觸地爆炸的20.4%、13.9%和4.6%;測點4處的沖擊波沖量分別是觸地爆炸的58.2%、35.8%和5.3%。由此可見,相同質(zhì)量的裝藥淺埋爆炸時,沖量折減系數(shù)隨埋深的增加呈減小趨勢,隨比例距離增加呈增大趨勢。

為了更直觀地觀察埋深對沖擊波沖量的影響,將比例距離為1.5、2.0和2.5處4個不同埋深的沖量呈現(xiàn)在圖13中。從圖13中可以看出,比例距離一定時,沖量隨埋深呈指數(shù)遞減;且隨著比例距離增加,遞減速度呈減小趨勢。與峰值壓力不同,沖量衰減速度要小很多,峰值壓力對埋深的變化更為敏感。

圖13 沖量隨埋深及比例距離的變化關(guān)系Fig.13 The change of impulse with buried depth and scaled distance

(3)沖擊波沖量經(jīng)驗公式

由上述分析可知,相同質(zhì)量的裝藥淺埋爆炸時,隨著埋深增加,峰值壓力衰減,其折減系數(shù)不僅與埋深有關(guān),還與爆心距有關(guān)。不同埋深工況下的沖擊波峰值壓力可以表示為觸地爆炸相應(yīng)值與折減系數(shù)的函數(shù):

IL=βI0

(6)

首先對觸地爆炸的沖擊波沖量試驗數(shù)據(jù)進行多項式擬合,得到公式(7):

I0=30.1-11.52Z-1+331.1Z-2-198.1Z-3

1≤Z=R/W1/3≤4

(7)

式中:Z為比例距離(m/kg1/3);R為爆距(m);W為裝藥質(zhì)量(kg)。

再結(jié)合埋深分別為0.108、0.228和0.85m的試驗數(shù)據(jù)分析,得到β為:

β=0.153+0.224Z-1.238L-0.018Z2+

1.184L2-0.165 7ZL

1≤Z≤4,-0.093≤L≤0.85

(8)

式中:L為埋深(m)。

2.4.3 埋深對沖擊波正壓作用時間的影響

觸地爆炸和埋深為0.85m的試驗工況下其7個測點沖擊波正壓作用時間長短的比較如圖14所示。從圖14中可以看出,兩種工況的正壓作用時間呈現(xiàn)不同走勢,觸地爆炸的正壓作用時間隨爆心距增加呈指數(shù)增加,埋深為0.85m的爆炸試驗其正壓作用時間呈對數(shù)增加。比例距離從測點1到4,觸地爆炸的正壓作用時間增加了3.24ms,增長率為208.7%,后者正壓作用時間增加了0.76ms,增長率為67.9%。這意味著相同質(zhì)量的裝藥爆炸時,沖擊波正壓作用時間與埋深和爆心距密不可分。

圖14 正壓作用時間隨埋深及爆心距的變化關(guān)系Fig.14 The change of positive pressure time with burial depth and distance from detonation center

3 結(jié) 論

(1)當裝藥埋深從地表向下增加時,埋深越大,地表空氣沖擊波峰值壓力越小,且峰值壓力隨爆心距的增大呈指數(shù)減小。埋深為0.108m時,比例距離為1處的沖擊波峰值壓力是觸地爆炸的8.7%。觸地爆炸比例距離為4處的峰值壓力是1處的3.24%,埋深為0.108m的爆炸試驗,比例距離為4處的峰值壓力是1處的25.02%。

(2)沖量隨著埋深的增加呈減小趨勢,隨爆心距增加呈指數(shù)遞減。通過5kg淺埋爆炸試驗發(fā)現(xiàn),比例距離從1到4,觸地爆炸時沖量衰減率為74.71%,埋深為0.108m時沖量衰減率為28.12%。埋深為0.108m時,比例距離為1的測點處沖量是觸地爆炸的20.44%。

(3)在本研究范圍內(nèi),觸地爆炸的正壓作用時間隨爆心距增加呈指數(shù)增加,埋深為0.85m的爆炸試驗其正壓作用時間呈對數(shù)增加。觸地爆炸比例距離為4處的正壓作用時間比1處增加了3.24ms,埋深為0.85m時,比例距離為4處的正壓作用時間比1處增加了0.76ms。

(4)通過對試驗值進行擬合,分別建立了5kg TNT在不同埋深條件下地表空氣沖擊波峰值壓力與沖量的工程計算模型,可用于實際工程計算。但選取的裝藥量和埋深范圍具有一定的局限性,在更大范圍內(nèi)對爆炸沖擊波的影響仍需繼續(xù)研究。