爆炸荷載作用下礁砂地基信號(hào)塔位移特性試驗(yàn)研究*

鐘冬望，伍 岳，孟慶山，雷學(xué)文，司劍峰，杜 泉

(1.武漢科技大學(xué)，武漢 430065；2.湖北省智能爆破工程技術(shù)研究中心，武漢 430065；3.中國(guó)科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071)

作為海上絲綢之路的中繼站，南海島礁的建設(shè)意義重大。目前，我國(guó)正在進(jìn)行“填島工程”，其上修建碼頭、機(jī)場(chǎng)、樓房等各類(lèi)民用建筑物及軍工設(shè)施，而這些吹填島嶼表面的沉積物為礁砂，礁砂主要成分為鈣質(zhì)砂[1,2]。鈣質(zhì)砂是由海洋生物成因的、富含碳酸鈣或碳酸鎂等物質(zhì)的特殊巖土介質(zhì)，具有顆粒多孔隙、形狀不規(guī)則、易破碎、粒間易膠結(jié)等特點(diǎn)，其力學(xué)性質(zhì)與一般陸相、海相沉積物相比有明顯的差異[3-5]。為確保島礁上建筑物的穩(wěn)定性與安全性，有必要開(kāi)展吹填礁砂地基上高聳結(jié)構(gòu)物爆炸動(dòng)力響應(yīng)模型試驗(yàn)。

對(duì)于普通陸源砂在爆炸荷載作下的動(dòng)力特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了大量研究。前蘇聯(lián)學(xué)者梁霍夫?qū)︼柡屯林斜☉?yīng)力波傳播問(wèn)題做了開(kāi)拓性試驗(yàn)和理論研究[6]，得出了應(yīng)力波在準(zhǔn)飽和土中傳播及衰減的基本規(guī)律。錢(qián)七虎等進(jìn)行了三相介質(zhì)飽和土自由場(chǎng)中爆炸實(shí)驗(yàn)[7]，計(jì)算結(jié)果表明:隨著爆心距離的增加，波的衰減強(qiáng)度依賴(lài)于所含空氣的含量。石教往[8]、燕琳等分別進(jìn)行了深層藥包爆炸壓實(shí)試驗(yàn)和飽和砂地表爆炸沉降的試驗(yàn)[9]，論述了飽和砂爆壓過(guò)程的基本特性及其壓實(shí)機(jī)制。關(guān)于鈣質(zhì)砂的研究，大多基于其基礎(chǔ)物理力學(xué)性質(zhì)。秦月等采用室內(nèi)模型試驗(yàn)[10]，研究了鈣質(zhì)砂地基中單樁在不同受力方向下的承載性狀。陳海洋等通過(guò)光學(xué)拍照和圖像處理方法[11]，描述了鈣質(zhì)砂的分形特性。徐學(xué)勇等通過(guò)控制爆炸參數(shù)，測(cè)試不同參數(shù)作用時(shí)鈣質(zhì)砂爆炸前后聲波特性和表面沉降規(guī)律[12]，揭示了飽和鈣質(zhì)砂爆炸密實(shí)動(dòng)力特性。目前，關(guān)于鈣質(zhì)砂爆炸動(dòng)力學(xué)方面的研究尚不多見(jiàn)。

高速攝影技術(shù)具有全局化、非接觸式、高精度、高幀頻等優(yōu)點(diǎn)，有較強(qiáng)的直觀性，已被運(yùn)用于許多試驗(yàn)研究和工程實(shí)際，并得到較好的結(jié)果。因此，根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，結(jié)合相似理論配制不同的礁砂地基形式及信號(hào)塔結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行了礁砂地基爆炸動(dòng)力響應(yīng)模型試驗(yàn)，通過(guò)高速攝影系統(tǒng)來(lái)記錄和捕捉礁砂地基上結(jié)構(gòu)物的特征點(diǎn)位移和變形情況，研究不同爆破參數(shù)、不同地基形式及含水率對(duì)礁砂地基上高聳結(jié)構(gòu)物的爆炸位移特性的影響。

1 爆破試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)地基基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)物

本文試驗(yàn)中地基采用測(cè)試用礁砂樣品，取自南海某島礁附近海域，包含粗砂、細(xì)砂兩種不同顆粒大小的鈣質(zhì)砂，組成均勻混合細(xì)砂、上部細(xì)砂下部粗砂、上部粗砂下部細(xì)砂三種地基形式，平鋪于長(zhǎng)3m、寬1 m、深0.6 m的室外基坑中。基坑底層10 cm以黃沙鋪底，其上用雙層防水布做隔層，以減少礁砂地基中水分的流失，控制其含水率。地基上下分層高度均為25 cm，每鋪10 cm厚時(shí)，使用小型夯實(shí)機(jī)對(duì)礁砂夯實(shí)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖1、圖2所示。

地基上的高聳結(jié)構(gòu)物為塔形和筒形結(jié)構(gòu)物型式，以模擬礁島上信號(hào)塔、燈塔等結(jié)構(gòu)，本文主要對(duì)信號(hào)塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。塔形結(jié)構(gòu)物上部結(jié)構(gòu)采用鋼架結(jié)構(gòu)制作，高度約85 cm，基礎(chǔ)底板直徑17.5 cm，埋深12.5 cm，采用C30混凝土澆灌制作，模型示意圖如圖3所示，將其底座埋于礁砂地基中。在信號(hào)塔上以相同的間距布置攝影專(zhuān)用動(dòng)態(tài)捕捉標(biāo)示點(diǎn)。

1.2 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)使用的炸藥為2#巖石乳化炸藥，手工制成球形藥包，插入單發(fā)導(dǎo)爆管雷管，采用耦合裝藥形式，炮孔用鈣質(zhì)砂堵塞，并用三層橡膠皮進(jìn)行覆蓋防護(hù)，上壓沙袋，防止砂石飛濺。爆破方式為單孔爆破，炮孔布置在兩結(jié)構(gòu)物模型連線的中垂線上，藥包埋深0.25 m，爆心距(爆源到模型基座連線的垂直距離)分別為0.75 m、1 m、1.5 m，可微調(diào)。炸藥在砂土介質(zhì)中爆炸，能量急劇釋放，使炮孔周?chē)橘|(zhì)破碎壓縮，同時(shí)爆炸能量以波動(dòng)形式向外傳播，從而引起介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)。采用高速攝影機(jī)來(lái)記錄塔模型上部結(jié)構(gòu)的位移和變形情況，可以了解和分析礁砂地基上高聳結(jié)構(gòu)物在爆炸荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性。高速攝影系統(tǒng)采用日本NAC公司的GX-8超高感光度高速相機(jī)，最高拍攝速度為60萬(wàn)幅/s，測(cè)試系統(tǒng)由攝影主機(jī)與裝有HX—Link控制軟件的計(jì)算機(jī)相連，通過(guò)手持型遙控器J—Pad3進(jìn)行手動(dòng)觸發(fā)采集數(shù)據(jù)。拍攝時(shí)，要保證清晰拍攝到結(jié)構(gòu)模型上的人工標(biāo)示點(diǎn)，方便圖像的后期處理。炮孔布置及高速攝影拍攝位置可見(jiàn)圖2。

試驗(yàn)參數(shù)基于以下2個(gè)方面：(1)在起爆方式上，通過(guò)改變起爆藥量Q和爆心距R，得出鈣質(zhì)砂地基中不同藥量和爆心距的作用效果。(2)改變鈣質(zhì)砂地基的含水率ρ，模擬島礁漲潮、落潮時(shí)的地基形式，定義干砂、濕砂、全飽和砂(全淹沒(méi))三種含水率，得出不同含水率對(duì)信號(hào)塔結(jié)構(gòu)爆炸動(dòng)力響應(yīng)的影響。

1.3 圖像處理

試驗(yàn)中，高速攝影統(tǒng)一采用3000 fps拍攝幀率，像幅852×384像素，將高速攝影拍攝得到的原始文件保存為AVI視頻格式，采用配套的視頻分析軟件，動(dòng)態(tài)捕捉模型塔上的標(biāo)記點(diǎn)，得到不同捕捉點(diǎn)在拍攝平面X、Y方向上的位移時(shí)程曲線，對(duì)應(yīng)導(dǎo)出EXCEL表，得出各測(cè)點(diǎn)位移峰值。其中，X為拍攝平面的水平方向，Y為豎直方向，如圖4所示。圖5為試驗(yàn)流程圖。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同藥量、爆心距對(duì)信號(hào)塔結(jié)構(gòu)位移的影響

試驗(yàn)中有50 g、100 g、150 g三種炸藥量，圖6為均混干砂地基，爆心距1.5 m，埋深0.25 m時(shí)，三種藥量下信號(hào)塔測(cè)點(diǎn)1在X方向的位移時(shí)程曲線，其位移峰值分別為0.19 cm、0.25 cm和0.51 cm?？煽闯?，藥量Q從50 g增大到150 g，信號(hào)塔位移峰值增大了168%。如圖7所示為均混干砂地基，三種藥量下信號(hào)塔結(jié)構(gòu)上不同測(cè)點(diǎn)在X、Y方向的位移峰值趨勢(shì)圖。從圖中可以看出，隨著藥量的增加，信號(hào)塔上三個(gè)捕捉點(diǎn)在X、Y方向上的位移峰值均呈增大趨勢(shì)。且藥量越大，位移峰值的增量越大。整體上，各捕捉點(diǎn)在Y方向上的位移峰值大于X方向上的位移峰值。

如圖8所示為上細(xì)下粗濕砂地基，藥量100 g，埋深0.25 m，爆心距分別為0.75 m、1 m、1.5 m時(shí)，信號(hào)塔測(cè)點(diǎn)1在X方向的位移時(shí)程曲線，其位移峰值分別為0.99 cm、0.53 cm和0.4 cm。可發(fā)現(xiàn)，爆心距R從0.75 m增大到1.5 m，其位移峰值減小了59.6%。圖9為上細(xì)下粗濕砂地基，不同爆心距下信號(hào)塔三個(gè)捕捉點(diǎn)在X、Y方向上位移峰值趨勢(shì)圖。測(cè)試結(jié)果顯示，隨著爆心距的增加，信號(hào)塔各捕捉點(diǎn)在X、Y方向上的位移峰值呈減小趨勢(shì)。且爆心距越小，位移峰值的差值越大，說(shuō)明鈣質(zhì)砂中爆炸應(yīng)力波衰減速度在一定近的距離內(nèi)相對(duì)較快，而隨著爆心距增大，衰減速度逐漸趨緩。整體上，Y方向的位移峰值大于X方向的位移峰值。

綜合對(duì)比其他地基形式下各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，分析表明：(1)隨著藥量增加，鈣質(zhì)砂地基上信號(hào)塔結(jié)構(gòu)的位移峰值呈增大趨勢(shì)；藥量Q從50 g增大到150 g，信號(hào)塔的位移峰值增大了150%～170%。(2)隨著爆心距增大，信號(hào)塔的位移峰值呈減小趨勢(shì)，且鈣質(zhì)砂中爆炸應(yīng)力波的衰減速度逐漸趨緩；爆心距R從0.75 m增大到1.5 m，信號(hào)塔的位移峰值減小了50%～65%。(3)信號(hào)塔豎直方向的位移峰值均大于水平方向的位移峰值。

2.2 不同高程下信號(hào)塔的位移特性

圖10為上粗下細(xì)濕砂地基，藥量100 g，埋深0.25 m，爆心距1.1 m時(shí)，信號(hào)塔不同高程位移峰值的變化趨勢(shì)。結(jié)合多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著信號(hào)塔的測(cè)點(diǎn)高度H的增加，位移峰值呈增大趨勢(shì)，最高測(cè)點(diǎn)位移峰值較最低測(cè)點(diǎn)的位移峰值增大了27%～50%。整體上，各測(cè)點(diǎn)在Y方向的位移峰值大于X方向的位移峰值。

2.3 不同含水率地基下結(jié)構(gòu)位移特性

圖11為均勻混合砂地基，分別在干砂、濕砂和全飽和砂的情況下，藥量、埋深一定，信號(hào)塔位移峰值隨爆心距變化的情況。從圖中可以看出，在X、Y方向上均有，全飽和砂地基上的位移峰值>濕砂地基上的位移峰值>干砂上的位移峰值。表明在有一定含水率時(shí)，礁砂地基介質(zhì)內(nèi)孔隙變小，同時(shí)，爆炸沖擊波在水介質(zhì)中的傳播速度較砂土介質(zhì)要快，能量衰減小，所以地基的含水率越大，信號(hào)塔的動(dòng)力響應(yīng)越大。在爆心距為0.75 m時(shí)，三種地基上信號(hào)塔在X方向的位移峰值分別為0.43 cm、0.57 cm、1.01 cm，全飽和砂和濕砂地基較相對(duì)干砂地基分別增大了32.5%和134.8%。綜合對(duì)比其他測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析，全飽和砂較干砂地基上信號(hào)塔的位移峰值增大了105%～135%。

3 結(jié)論

采用高速攝影系統(tǒng)，測(cè)量得出礁砂地基上信號(hào)塔結(jié)構(gòu)物在爆炸載荷作用下的位移時(shí)程曲線，分析其爆炸動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)在不同礁砂地基形式下均有，隨著炸藥藥量Q、礁砂地基含水率ρ和測(cè)點(diǎn)高度H的增加，信號(hào)塔的位移峰值呈增大趨勢(shì)；隨著爆心距R的增加，信號(hào)塔的位移峰值呈減小趨勢(shì)，且地基中爆炸應(yīng)力波的衰減速度逐漸趨緩。

(2)相比幾個(gè)影響因素，礁砂地基含水率和炸藥量對(duì)信號(hào)塔結(jié)構(gòu)位移影響較大，藥量從50 g增加到150 g，信號(hào)塔位移峰值增大量為150%～170%，全飽和砂較干砂地基上信號(hào)塔位移峰值增大了105%～135%。其次，礁砂地基中的爆炸地震波在信號(hào)塔上傳播有一定的高程放大效應(yīng)。

(3)信號(hào)塔在豎直方向的位移峰值均大于水平方向的位移峰值，說(shuō)明礁砂地基對(duì)信號(hào)塔結(jié)構(gòu)基座的豎向約束力較弱，應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)物與礁砂地基豎向連接形式方面的研究。