石灰?guī)r中不同埋深爆炸自由場直接地沖擊參數(shù)的預(yù)計方法*

趙紅玲，侯愛軍，童懷峰，王基生

(1.洛陽理工學(xué)院土木工程系，河南 洛陽471023;2.洛陽市墻體材料改革建筑節(jié)能辦公室，河南 洛陽471000)

深埋爆炸產(chǎn)生的直接地沖擊效應(yīng)比地面爆炸強，對地下坑道的破壞作用大［1-8］。不同鉆地深度爆炸條件下，能量直接沖擊周圍介質(zhì)形成的沖擊波對地下坑道工事的破壞作用，是研究鉆地爆炸效應(yīng)必須解決的問題，也是武器戰(zhàn)斗部設(shè)計和地下防御工事設(shè)計的前提。采用封閉爆炸直接地沖擊參數(shù)與埋深增大系數(shù)相乘的方法計算不同爆炸深度條件下的地沖擊參數(shù)［9］，但采用同一埋深增大系數(shù)計算不同地沖擊參數(shù)不合理，且與實驗結(jié)果不符。本文中，擬通過現(xiàn)場實驗研究石灰?guī)r中常規(guī)裝藥不同埋深爆炸自由場直接地沖擊效應(yīng)，給出不同埋深爆炸條件下自由場直接地沖擊參數(shù)的分布規(guī)律和預(yù)測方法。

1 實驗概況

實驗選擇在洛陽地區(qū)的某石灰?guī)r場地進行。該地層屬華北地層區(qū)，豫西地層分區(qū)，澠池-確山地層小區(qū)。出露的地層有新古元界洛峪群、震旦系、下古生界寒武系下統(tǒng)、中統(tǒng)、上統(tǒng)。場地地層為正南北走向，傾角向東約38°～40°，巖體較完整，構(gòu)造較均勻。實驗裝藥按比例埋深h 為－0.053、0、0.1、0.4、0.6、0.8 m/kg1/3分別對應(yīng)代號YK1 ～YK6，裝藥量27 kg TNT。測點按比例距離L 分別為0.25、0.50、0.80、1.25、1.87、2.50、3.00 m/kg1/3進行布設(shè)，測點代號分別為ZK1 ～ZK7。測得的巖體中應(yīng)力σr、質(zhì)點加速度a，見表1。各炮次鉆孔及測點布置見圖1 ～2。

圖1 裝藥孔和量測孔Fig.1 Charging orifice and measuring orifice

圖2 實驗平面圖Fig.2 Plane diagram of test

表1 實驗測點設(shè)置表Table 1 Arrangements of test gauge locations

2 實驗結(jié)果和分析

實驗測量系統(tǒng)由前置部分的傳感器和測量站內(nèi)的信號放大器、數(shù)據(jù)記錄儀器及其控制系統(tǒng)等組成。傳感器與信號放大器由信號傳輸電纜連接起來。傳感器采用PVDF 壓電式應(yīng)力傳感器和YD-5 型壓電式質(zhì)點加速度傳感器。壓電傳感器連接DHF-1 寬頻電荷放大器進行放大。數(shù)據(jù)的記錄及回放處理采用CS22125 型瞬態(tài)記錄儀。測量站內(nèi)還設(shè)有自動程序控制系統(tǒng)。由于篇幅所限，本文中只給出部分實測的地沖擊應(yīng)力(見圖3)和加速度波形(見圖4)。

圖3 實測的應(yīng)力波形Fig.3 Measured waveforms of stress

圖4 實測的加速度波形Fig.4 Measured waveforms of acceleration

根據(jù)石灰?guī)r中不同埋深爆炸自由場直接地沖擊應(yīng)力峰值和質(zhì)點加速度實測數(shù)據(jù)，可以給出應(yīng)力峰值和質(zhì)點加速度隨比例距離的衰減曲線，如圖5 ～6 所示。

從圖5 ～6 中可以得到:(1)裝藥比例埋深從－0.2 ～1.0 m/kg1/3變化時，裝藥埋深對地沖擊參數(shù)影響很大，當埋深從地面開始增加時，爆心正下方的直接地沖擊參數(shù)值將迅速增大，在相同的比例距離上裝藥從觸地爆炸到埋深爆炸的地沖擊參數(shù)增大數(shù)倍，說明了裝藥埋深越大，爆炸耦合入地的能量越多，地沖擊應(yīng)力值越大。(2)不同埋深爆炸地沖擊參數(shù)隨比例距離的衰減曲線的規(guī)律是一致的，即衰減指數(shù)是大致相同的，只是衰減系數(shù)不同。裝藥的比例埋深從－0.2 ～1.0 m/kg1/3，衰減系數(shù)依次增大。

圖5 應(yīng)力峰值隨比例距離的曲線Fig.5 Radial peak stress versus scaled distance

圖6 質(zhì)點加速度峰值隨比例距離的曲線Fig.6 Radial peak acceleration versus scaled distance

3 石灰?guī)r中不同埋深爆炸自由場直接地沖擊參數(shù)的預(yù)計方法

為了對石灰?guī)r中不同埋深爆炸自由場直接地沖擊參數(shù)進行預(yù)計，采用等效當量埋深系數(shù)這個工程處理方法［10］描述不同的爆炸埋深地沖擊效應(yīng)。等效當量埋深系數(shù)是指同一種巖土介質(zhì)在同一距離上產(chǎn)生相同地沖擊強度的2 種不同埋深爆炸時的裝藥量之比，即η=Qa/Qb，稱為b 爆炸相當于a 爆炸的等效當量埋深系數(shù)。觸地爆炸條件下地沖擊效應(yīng)的研究相對較深入，研究成果相對較多。為了充分利用已有的成果來預(yù)測不同深度爆炸時的爆炸地沖擊，本文中的等效當量埋深系數(shù)是指不同埋深爆炸條件下相當于觸地爆的等效當量的埋深系數(shù)。石灰?guī)r中不同爆炸埋深自由場地沖擊參數(shù)相當于觸地爆的等效當量埋深系數(shù)如表2 和圖7 ～8 所示。

圖7 石灰?guī)r中不同埋深爆炸應(yīng)力等效當量埋深系數(shù)與比例埋深關(guān)系Fig.7 Buried depth coefficients of equivalent explosion stress varied with scale buried depths in limestone

圖8 石灰?guī)r中不同埋深爆炸質(zhì)點加速度等效當量埋深系數(shù)與比例埋深關(guān)系Fig.8 Buried depth coefficients of equivalent explosion particle acceleration varied with scale buried depths in limestone

由圖7 ～8 可知，當爆炸埋深再增加，地沖擊參數(shù)隨爆炸深度而增加的速率逐漸減慢。當爆炸比例深度達到臨界值0.8 m/kg1/3時，爆心正下方直接地沖擊參數(shù)便趨于某一個穩(wěn)定值。當埋深超過這個臨界值后，等效當量埋深系數(shù)數(shù)值便不再發(fā)生變化了。我們稱這個臨界深度為臨界無影響深度。

由表2 可以得到石灰?guī)r中應(yīng)力等效當量埋深系數(shù)和質(zhì)點加速度等效當量埋深系數(shù)的計算公式

式中:h 為爆炸裝藥比例埋深，單位為m/kg1/3。

表2 石灰?guī)r中不同埋深爆炸應(yīng)力等效當量埋深系數(shù)和加速度等效當量埋深系數(shù)Table 2 Buried depth coefficients of equivalent explosion stress and particle acceleration in limestone

根據(jù)實驗結(jié)果，由圖5 石灰?guī)r中爆炸地沖擊應(yīng)力峰值的衰減曲線可得出應(yīng)力峰值衰減公式為

式中:σ 為應(yīng)力，單位為MPa;R 為測點至爆心的距離，單位為m;Q 為裝藥量，單位為kg;ηy，σ為應(yīng)力等效當量埋深系數(shù)。

由圖6 石灰?guī)r中爆炸地沖擊質(zhì)點加速度峰值衰減曲線可得出質(zhì)點加速度峰值衰減公式為

式中:a 為加速度，單位為m/s2;R 為測點至爆心的距離，單位為m;Q 為裝藥量，單位為kg;ηy，a為質(zhì)點加速度等效當量埋深系數(shù)。

4 結(jié) 論

通過現(xiàn)場實驗，對石灰?guī)r中常規(guī)裝藥不同埋深爆炸自由場直接地沖擊參數(shù)的傳播規(guī)律和預(yù)計方法進行了研究，得到了如下結(jié)論:(1)當常規(guī)裝藥埋深從地面開始向下增加時，其爆心正下方的直接地沖擊參數(shù)值將迅速增大，說明裝藥埋深越大，爆炸耦合入地的能量越多，地沖擊參數(shù)值越大;當爆炸埋深再增加時，地沖擊參數(shù)隨爆炸深度而增加的速率逐漸減慢;當爆炸比例深度達到臨界值0.8 m/kg1/3時，爆心正下方直接地沖擊參數(shù)便趨于某一個穩(wěn)定值。當埋深超過臨界值后，等效當量埋深系數(shù)數(shù)值便不再發(fā)生變化，這個臨界深度也被稱為臨界無影響深度。(2)得到了不同埋深爆炸下巖石中應(yīng)力等效當量埋深系數(shù)和質(zhì)點加速度等效當量埋深系數(shù)的計算公式。(3)通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，得到了了石灰?guī)r中常規(guī)裝藥不同埋深爆炸自由場直接地沖擊參數(shù)隨比例距離的預(yù)計公式。

［1］ 何唐甫，陳貴堂，侯素燕.國外常規(guī)深鉆地武器的發(fā)展分析［J］.防護工程，2002(1):22-25.HE Tang-fu，CHEN Gui-tang，HOU Su-yan.The development analysis of conventional earth-penetrating weapons in internation［J］.Protective Engineering，2002(1):22-25.

［2］ 何翔，吳祥云，李永池，等.石灰?guī)r中爆炸成坑和地沖擊傳播規(guī)律的試驗研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(5):725-730.HE Xiang，WU Xiang-yun，LI Yong-chi，et al.Testing study on crater formed by explosion and ropagation laws of groud shock in limestone［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(5):725-730.

［3］ 李曉軍，張殿臣，李清獻，等.常規(guī)武器破壞效應(yīng)與工程防護技術(shù)［M］.洛陽:總參工程兵科研三所，2001:207-217.

［4］ 吳祥云，趙玉祥，任輝啟.提高巖體中地下工程承受動載能力的技術(shù)途徑［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22(2):261-265.WU Xiang-yun，ZHAO Yu-xiang，REN Hui-qi.On basic way to dramatically increase the bearing capacity of underground engineering in rock mass［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(2):261-265.

［5］ Schuler H，Mayrhofer C，Thoma K.Experimental determination of damage parameter and implementation into a new damage law［C］∥Proceedings of the 11th International Symposium on Interaction of the Effects of Munitions with Structures.Mannheim，Germany，2003:55-58.

［6］ Luk V K，F(xiàn)orrestal M J.Penetration into semi-infinite reinforced-concrete targets with spherical and ogive-nose projectiles［J］.International Journal of Impact Engineering，1987，6(4):291-301.

［7］ Klepaczko J R，Brara A.An experimental method for dynamic tensile testing of concrete by spalling［J］.International Journal of Impact Engineering，2001，25(4):387-409.

［8］ Landmann F.Engineering tool for the computation of the effects of near and contact detonations on conventional and fiber reinforced concrete［C］∥Proceedings of the 11th International Symposium on Interaction of the Effects of Munitions with Structures.Mannheim，Germany，2003:65-72.

［9］ Department of the Army.Fundamentals of protective design for conventional weapons［M］.Vicksburg，Mississippi:Headquarters Department of Army，Waterways Experiment Station，1986:23-44.

［10］ 吳祥云，劉國軍，楊仁華.常規(guī)裝藥爆炸埋深對自由場直接地沖擊參數(shù)的影響［J］.防護工程，2009，31(5):26-31.WU Xiang-yun，LIU Guo-jun，YANG Ren-hua.The direct ground shock parameter influence of buried depth of conventional charge explosion to free field［J］.Protective Engineering，2009，31(5):26-31.