淺埋炸藥爆炸形貌及其沖擊作用效應(yīng)*

趙振宇，周貽來，任建偉，盧天健

（1. 南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016；2. 南京航空航天大學(xué)多功能輕量化材料和結(jié)構(gòu)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016）

伊拉克和阿富汗戰(zhàn)爭中，以地雷和簡易爆炸裝置為主的典型非對稱作戰(zhàn)方式對美軍造成了嚴(yán)重的威脅。此外，據(jù)日內(nèi)瓦國際人道主義排雷中心的報(bào)告，2018 年全球共發(fā)生199 起反裝甲車地雷事件，導(dǎo)致343 人受傷、226 人死亡。1999 年以來，全世界有近10 萬人死于地雷、簡易爆炸裝置和戰(zhàn)爭遺留爆炸物，因此迫切需要研發(fā)新型防護(hù)結(jié)構(gòu)，充分保護(hù)人員和設(shè)施免受或減輕淺埋爆炸帶來的巨大危害。但是，淺埋爆炸會在防護(hù)結(jié)構(gòu)上引起一系列復(fù)雜的加載現(xiàn)象，例如，爆炸發(fā)生在土壤中時，由于土壤是一種由固體、液體和氣體組成的混合物，與在空氣中爆炸相比，相關(guān)的沖擊載荷傳遞過程更加復(fù)雜。因此，準(zhǔn)確描述淺埋炸藥爆炸的載荷特性，成為地雷防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。

作為載荷輸入，充分了解淺埋爆炸載荷的特性是設(shè)計(jì)合理防護(hù)結(jié)構(gòu)的必要前提。一般而言，爆炸呈現(xiàn)2 種極限情況：其一，爆炸發(fā)生于地下深處，能量完全被土壤/巖石吸收，地面空氣中無爆炸產(chǎn)物和土壤的噴射，也無沖擊波的傳播；其二，爆炸發(fā)生在空氣中，向地面?zhèn)鬟f的能量較少，僅有爆轟產(chǎn)物和沖擊波在空氣中傳播。本文中重點(diǎn)關(guān)注的淺埋砂爆介于上述兩種極限之間，即爆炸發(fā)生時，空氣中既有土壤的噴射，又有爆轟產(chǎn)物和沖擊波的傳播。目前，針對淺埋砂爆載荷特性的研究在試驗(yàn)方面取得了一些進(jìn)展。Westine 等基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了淺埋爆炸載荷沖量的經(jīng)驗(yàn)公式，這是目前應(yīng)用最廣泛的淺埋爆炸載荷沖量計(jì)算手段；在該經(jīng)驗(yàn)公式中，靶板迎爆面上的沖量分布主要取決于以下3 方面：炸藥材料參數(shù)、砂土材料參數(shù)及炸藥與靶板的布設(shè)位置。隨后，在已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)及模型的基礎(chǔ)上，Grujicic 等采用量綱分析法，修正了考慮炸藥、砂土材料特性及炸藥與靶板布設(shè)位置的爆轟沖量計(jì)算方法；雖然該方法未考慮爆炸沖擊波在傳遞過程中的衰減現(xiàn)象，但仍可為砂爆沖量的定量分析提供有力幫助。上述計(jì)算模型均為基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，因此僅適用于特定的炸藥、砂土類型和布設(shè)條件，一旦炸藥、砂土類型等發(fā)生變化，就只能借助新的淺埋爆炸試驗(yàn)以探究其載荷特性的變化。Grujicic 等組裝了一套豎向沖量測量裝置，即在靶板上方放置固定的沖量捕捉檢測裝置，通過垂直導(dǎo)軌連接檢測裝置和靶板：淺埋炸藥爆炸時，爆轟載荷作用于靶板，后者產(chǎn)生垂直向上的位移，該位移被檢測裝置捕捉，進(jìn)而由該位移反推出本次砂爆載荷產(chǎn)生的沖量；但是，該裝置僅能測量淺埋爆炸產(chǎn)生的整體沖量，無法得出沖量在靶板上的空間分布。在此基礎(chǔ)上，Denefeld 等提出了一種測量淺埋爆炸載荷沖量空間分布的新型裝置，即多環(huán)套嵌裝置，通過測量不同時刻各圓環(huán)的上升速度，求得該圓環(huán)區(qū)域上分布的沖量，由此可估計(jì)爆炸產(chǎn)生的沖量在空間中的分布情況。此外，作為沖擊動力學(xué)的常見測量設(shè)備，Hopkinson 壓桿（又稱Kolsky桿）被廣泛應(yīng)用于測定固體材料在沖壓載荷下的力學(xué)行為。Rigby 等和Clarke 等將Hopkinson 壓桿陣列排布，分別測定各桿在淺埋爆炸載荷下的應(yīng)力變化，相鄰桿之間采用插值法進(jìn)行計(jì)算，由此可獲得淺埋爆炸載荷的沖量在靶板表面上的空間及時間分布規(guī)律。

綜上，目前已開發(fā)的試驗(yàn)裝置大多僅適用于小當(dāng)量的淺埋爆炸試驗(yàn)，且試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造精度要求嚴(yán)格，成本較高。結(jié)合前人研究基礎(chǔ)，本文中將設(shè)計(jì)一套簡單易行且方便實(shí)施的試驗(yàn)裝置，對淺埋炸藥爆炸形貌及其沖擊作用效應(yīng)開展系統(tǒng)研究。依托本套新型試驗(yàn)裝置，開展不同的淺埋爆炸試驗(yàn)，通過對比分析揭示淺埋爆炸的基本特性，為優(yōu)質(zhì)防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 淺埋砂爆試驗(yàn)設(shè)置

采用不同的砂土類型和炸藥埋深，開展了2 次淺埋爆炸試驗(yàn)：試驗(yàn)1 與試驗(yàn)2。

1.1 試驗(yàn)工裝

為研究淺埋炸藥爆炸形貌及其沖擊作用效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一套易加工且搭建方便的工裝，由底座、立柱、橫梁、配重、基板、斜撐、壓板以及高速攝像機(jī)組成，如圖1 所示。為防止工裝在爆炸過程中發(fā)生移動，在基板上放置4 塊由混凝土塊制成的配重，配重總質(zhì)量為6 t。為增加工裝的穩(wěn)定性，在橫梁與立柱之間設(shè)置斜撐。工裝材料為Q345 鋼。為獲得淺埋爆炸載荷產(chǎn)生的沖量在空間中的分布情況，在工裝基板上分散布置9 根完全相同的矩形梁作為試驗(yàn)靶板，按照順序?yàn)槊繅K靶板設(shè)置編號，如圖1(b)所示。與一整塊靶板相比，本文中提出的分布式靶板可更準(zhǔn)確地顯示淺埋爆炸沖量在空間中的分布。靶板的厚度為10 mm，平面尺寸如圖2 所示。試驗(yàn)中，在工裝正前方設(shè)置高速攝像機(jī)（幀率20000 s），拍攝整個淺埋爆炸過程。此外，在面向高攝方向的立柱與橫梁上涂上具有特定長度和寬度、紅白相間的標(biāo)尺，爆炸完成后對其進(jìn)行圖像處理，可定量得出噴射產(chǎn)物形貌的幾何參數(shù)。

圖1 試驗(yàn)工裝示意圖Fig. 1 Schematic of test set-up

圖2 靶板平面尺寸Fig. 2 In-plane geometric dimensions of target plate

1.2 靶板材料

靶板材料選用鋁合金AL6063-T6，采購自易邁鋁業(yè)（江蘇）集團(tuán)有限公司。為獲得靶板的物理材料參數(shù)，參考標(biāo)準(zhǔn)GB-T228.1-2010，在MTS 拉伸試驗(yàn)機(jī)上對靶材進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，速度為0.5 mm/min。圖3 為拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，由此得到彈性模量=68.9 GPa ，屈服強(qiáng)度 σ= 2 51 MPa 。

圖3 AL6063 的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 3 True stress-strain curve of AL6063

1.3 試驗(yàn)工況

1.3.1 砂層的鋪設(shè)與砂土參數(shù)

2 次試驗(yàn)采用的砂土類型不同，試驗(yàn)1 采用按北約標(biāo)準(zhǔn)AEP-55 配做的砂土，試驗(yàn)2 采用普通河砂。對于北約標(biāo)準(zhǔn)砂，按照AEP-55 的要求，鋪設(shè)的地層范圍是2 m×2 m，深度約1.5 m。鋪設(shè)地層時，采取分層鋪設(shè)的方法，即每鋪設(shè)400 mm 厚的砂土夯實(shí)一次；夯實(shí)過程中，采用特定容器不斷取樣，測量密度，確保其滿足AEP-55 的密度要求。上一層砂土滿足密度要求后，再次填入400 mm厚的砂土，繼續(xù)夯實(shí)，測量密度。如此循環(huán)，直到整個砂坑被填滿，確保其密度誤差在可控范圍。對于普通河砂，地層鋪設(shè)范圍與北約標(biāo)準(zhǔn)砂一致，且同樣采取分層鋪設(shè)的方法，但鋪設(shè)過程中未特意控制密實(shí)度，僅把砂層夯實(shí)，不至于松散。圖4 中比較了2 次試驗(yàn)中砂土的形貌，由圖可以看出，北約標(biāo)準(zhǔn)砂土的粒徑較大，現(xiàn)場測量其密度約2261 kg/m，而普通河砂的粒徑較小，現(xiàn)場測量其密度約1387 kg/m。圖5 中給出了2 種類型砂土的級配，可見在試驗(yàn)1 砂土中，5 mm 以下粒徑質(zhì)量占比51%，滿足北約標(biāo)準(zhǔn)AEP-55，而在試驗(yàn)2 砂土中，5 mm 以下粒徑質(zhì)量占比100%，兩者粒徑分布呈現(xiàn)明顯差異。

圖4 試驗(yàn)1 和試驗(yàn)2 采用砂土的形貌Fig. 4 Morphologies of sand used in test 1 and test 2

圖5 試驗(yàn)1 和試驗(yàn)2 采用砂土的粒徑分布Fig. 5 Particle size distribution of sand used in test 1 and test 2

1.3.2 炸藥與靶板的布設(shè)

淺埋炸藥采用圓柱形TNT，其直徑與高度均為90 mm，質(zhì)量為1 kg，如圖6 所示。采用引爆藥起爆TNT，引爆藥質(zhì)量約2 g，引爆點(diǎn)位于TNT 的上表面（見圖6）。試驗(yàn)時，TNT 被豎直埋設(shè)在砂土中，且位于靶板中心正下方，如圖7 所示。

圖6 試驗(yàn)用TNT 及其起爆方式Fig. 6 TNT and its initiation charge

炸藥、砂土、靶板三者之間的位置關(guān)系是淺埋試驗(yàn)的關(guān)鍵參數(shù)，直接影響爆轟產(chǎn)物的噴射和靶板的動態(tài)響應(yīng)。炸藥的相對位置由2 個具體參數(shù)控制，即埋深與炸高，如圖7 所示：炸藥埋深代表炸藥中心到地面的距離，炸高代表地面到靶板下表面的距離。炸高對靶板接收到的沖量有顯著影響，炸高越大，直接作用于靶板的沖量越小，相應(yīng)的靶板變形越小。為保證靶板在爆炸后有適當(dāng)?shù)淖冃?，且更多地捕捉爆炸時砂土的噴射形貌，同時考慮高速攝像機(jī)的幀率，試驗(yàn)的炸高固定不變（1000 mm）。炸藥的埋深不僅影響爆轟產(chǎn)物的噴射和靶板的變形，還影響爆炸后炸坑的大?。赫犹?，會影響工裝的穩(wěn)定性。通過估算靶板的變形與爆炸后炸坑的大小，確定試驗(yàn)1 炸藥埋深為100 mm，試驗(yàn)2 炸藥埋深為145 mm。

圖7 炸藥、砂土、靶板的相對位置Fig. 7 Relative positions of explosive, sand and target plate

1.3.3 靶板邊界條件

所有靶板采用固支邊界條件，即采用壓板與8 顆螺栓將每根靶板固定于基板，如圖8 所示：螺栓限制靶板的平動，壓板限制靶板邊界處的轉(zhuǎn)動。壓板外框尺寸1500 mm×1500 mm，內(nèi)框尺寸1200 mm×1200 mm，因此每根靶板的實(shí)際有效跨度為1200 mm。

圖8 靶板邊界條件Fig. 8 Boundary conditions of target plates

綜上所述，為方便查看與對比，將2 次試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)列于表1 中。

表1 淺埋砂爆試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Parameters of shallow buried sand explosion

2 淺埋砂爆試驗(yàn)結(jié)果

2.1 爆炸過程

圖9 中給出了高速攝像機(jī)捕捉到的爆炸過程。試驗(yàn)1 中，一團(tuán)火光首先從地面噴射而出，這是起爆后高溫高壓的爆炸產(chǎn)物，其沖破炸藥上層覆蓋的砂層后，向外噴射。在火光（即爆炸產(chǎn)物）底部圍繞著一層砂土，其向外噴射的動力有2 種：一是爆炸產(chǎn)物向外噴射時，攜帶了部分砂土；二是爆炸產(chǎn)生的沖擊波在砂層中傳播時不斷擠壓砂土，促使其向外噴射。由圖9 可見，淺埋TNT 起爆后，爆炸產(chǎn)物與砂土迅速向外噴射，其體積隨時間不斷膨脹，在接觸到靶板后受到工裝的阻礙，迅速向周圍擴(kuò)散。與試驗(yàn)1 顯著不同的是，在試驗(yàn)2 中，首先從地面噴射而出的是被砂土包圍的爆炸產(chǎn)物；隨后，砂土與爆炸產(chǎn)物迅速向外噴射。高速攝像顯示，在噴射過程中，爆炸產(chǎn)物始終被砂土包圍，因此砂土首先接觸到靶板，受到靶板阻礙后迅速向四周擴(kuò)散。已有研究表明，100 g C4 炸藥在北約標(biāo)準(zhǔn)砂中埋深30 mm 起爆后，砂土的噴射速度可達(dá)900 m/s。本次試驗(yàn)中，通過圖中標(biāo)尺計(jì)算得到，在0.1～0.4 ms，試驗(yàn)1 爆炸產(chǎn)物和砂土上升約500 mm，其前沿平均拋射速度約1666.67 m/s。在0.4～1.0 ms，試驗(yàn)2 爆炸產(chǎn)物和砂土上升約475.61 mm，其前沿平均拋射速度約792.68 m/s。

圖9 爆炸過程Fig. 9 Explosion process

2.2 沖擊波的傳播

淺埋于砂土中的炸藥被引爆后產(chǎn)生沖擊波，沖擊波先以壓縮波的形式在砂土中傳播，到達(dá)砂土與空氣交界處，大部分以拉伸波的方式返回砂土，少量透射進(jìn)入空氣。與此同時，爆轟產(chǎn)物向周圍空氣中膨脹時也會形成沖擊波。沖擊波是一種強(qiáng)壓縮波，在波陣面前后伴隨有很大的密度差，光的傳播受到影響和改變，因此可采用高速攝像捕捉?jīng)_擊波。以試驗(yàn)1 為例，由于爆炸產(chǎn)物和砂土的干擾，首次看到?jīng)_擊波波陣面的時間是炸藥起爆后的0.60 ms，波陣面隨后向外傳播，如圖10 所示，為清晰標(biāo)識沖擊波位置，圖中用虛線標(biāo)注波陣面位置。通過圖像處理，可得沖擊波波陣面與砂土的橫向(與地面平行方向)傳播速度，結(jié)果見圖11。可見，隨著傳播距離增大，由于空氣的阻礙，波陣面橫向速度不斷衰減，砂土的橫向噴射速度也逐漸減??；在同一時刻，波陣面的橫向傳播速度明顯大于砂土的橫向噴射速度，且兩者之間的差異逐漸增大。此后，沖擊波繼續(xù)向外傳播，遇到工裝的立柱后，部分在立柱表面發(fā)生反射，產(chǎn)生反射沖擊波，其余部分穿過立柱，繼續(xù)向外傳播。

圖10 沖擊波橫向傳播過程Fig. 10 Transverse propagation process of shock wave

圖11 沖擊波與砂土的速度時程曲線Fig. 11 Velocity versus time curves for both shock wave and sand

2.3 靶板變形

圖12 中給出了2 次試驗(yàn)后靶板的變形情況。由圖12 可見，所有靶板均發(fā)生整體彎曲變形，但未斷裂。在向靶板兩端，由于壓板與螺栓的約束作用，靶板未發(fā)生變形。為進(jìn)一步分析靶板的變形，圖13中給出了靶板從夾具上拆下后的變形輪廓圖，其中圖13(a)～(b)是三維輪廓圖，圖13(c)～(d)是二維輪廓圖。

圖12 靶板變形Fig. 12 Deformation of target plates

圖13 靶板變形輪廓Fig. 13 Deformed profiles of target plates

由圖13 可見，沿方向，每根靶板變形呈拱形，即中間最大，向兩端逐漸減小，且撓度基本呈對稱分布。在靶板兩端（?75 cm＜＜?60 cm 和60 cm＜＜75 cm），由于壓板與螺栓的約束作用，靶板變形撓度本應(yīng)為零，但由于靶板從夾具上拆下后，發(fā)生回彈，導(dǎo)致靶板在邊界處產(chǎn)生了變形撓度。沿方向，靶板變形并未以5 號靶板為中心呈對稱分布，原因可能有3 種：（1）埋設(shè)時未將炸藥置于5 號靶板中心正下方，有一定的位置誤差；（2）埋設(shè)時未將炸藥豎直放置，與靶板迎爆面之間呈一個夾角；（3）未將不同粒徑的砂土均勻分布于炸藥四周。

拆下靶板后，測量出每個靶板跨度中點(diǎn)的最終撓度，結(jié)果如圖14 所示。靶板的最終變形沿方向基本呈拱形分布，中間位置處的撓度最大，向兩邊逐漸降低，對比試驗(yàn)1 與試驗(yàn)2 靶板變形發(fā)現(xiàn)，前者更向中部位置集中，后者更為均勻。在試驗(yàn)1 中，靶板從基板上拆卸后發(fā)生回彈，導(dǎo)致未拆卸時靶板的撓度大于拆卸后的最終撓度。鑒于此，在試驗(yàn)2 中既測量了靶板的最終撓度，也測量了其未拆卸時的撓度，后者如圖1 4中藍(lán)色三角線所示。可見，靶板未拆卸時的撓度明顯大于拆卸后的最終撓度，表明靶板未拆卸時，其內(nèi)儲存了一定的彈性變形能。

圖14 靶板的變形撓度Fig. 14 Deformations of target plates

綜上，沿、兩個方向，試驗(yàn)1 與試驗(yàn)2 中靶板的整體變形均呈拱形分布，由此表明，淺埋砂爆載荷產(chǎn)生的沖量在空間中呈非均勻分布，即中心區(qū)域大，向四周逐漸降低。

2.4 炸坑形貌

圖15 對比了2 次淺埋爆炸試驗(yàn)產(chǎn)生的炸坑，可見2 個炸坑的形狀均呈倒錐形，炸坑頂部近似圓形，且炸坑頂部均高于地面。試驗(yàn)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，炸坑周圍高于地面的這部分砂土很松軟，間隙大，因此可確定這部分砂土是爆炸初始向四周噴射的砂土回落而形成。同時發(fā)現(xiàn)，2 次試驗(yàn)中形成的炸坑的顏色明顯不同，我們認(rèn)為這是砂子的類型不同造成的。試驗(yàn)1 中的砂子采用粒徑不同的石子和土壤配做而成，顏色較深，因此爆炸后炸坑的顏色也較深。試驗(yàn)2 中的砂子為普通河砂，粒徑較小，爆炸后，被蒸干水分的淺色砂子回落炸坑；此外，由于高溫高壓的爆炸產(chǎn)物的擠壓，部分砂子變成粉末狀后回落炸坑。因此，試驗(yàn)2 形成了淺色炸坑。

圖15 試驗(yàn)1 和試驗(yàn)2 產(chǎn)生的炸坑形貌Fig. 15 Morphologies of bomb-craters in Test 1 and Test 2

經(jīng)現(xiàn)場測量，試驗(yàn)1 炸坑最大直徑1300 mm、最大深度345 mm，試驗(yàn)2 炸坑最大直徑2100 mm、最大深度430 mm。試驗(yàn)2 炸坑的最大直徑與最大深度均比試驗(yàn)1 炸坑的相應(yīng)值大，因?yàn)榍罢叩恼ㄋ幝裆罡?，使得砂層吸收更多的爆炸能量，促使更多的砂土被拋射而出?/p>

3 分析與討論

3.1 靶板迎爆面形貌

爆炸后的靶板迎爆面形貌如圖16 所示。試驗(yàn)1 中，由于高溫高壓的爆炸產(chǎn)物直接與靶板相互作用，靶板迎爆面被嚴(yán)重?zé)疲粝麓罅亢谏∮?。試?yàn)2 中，雖然靶板的迎爆面也出現(xiàn)了黑色的燒灼印記，但明顯沒有試驗(yàn)1 中靶板的燒灼嚴(yán)重。同時發(fā)現(xiàn)，靶板的中心區(qū)域覆蓋了一層白色物質(zhì)，仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)是直徑非常小的粉末狀砂土黏附于靶板迎爆面。試驗(yàn)1 與試驗(yàn)2 靶板的迎爆面形貌明顯不同，主要原因是二者的炸藥埋深和砂土類型不同。試驗(yàn)1 中的炸藥埋深較淺，爆炸產(chǎn)物沖破砂層的覆蓋后直接作用于靶板，在靶板上形成黑色的燒灼印記。試驗(yàn)2 中的炸藥埋深較深，爆炸后，覆蓋在爆炸產(chǎn)物之上的砂土層首先作用于靶板，爆炸產(chǎn)物未與靶板直接接觸，砂土層的存在減弱了爆炸產(chǎn)物對靶板的燒灼，因此靶板迎爆面的燒灼印記較弱，且在中心區(qū)域的迎爆面上留下了粉末狀砂土。

圖16 靶板變形形貌對比Fig. 16 Comparison of deformation morphologies of target plates

3.2 爆炸產(chǎn)物與砂土的噴射形貌

對比試驗(yàn)1 和試驗(yàn)2 的淺埋爆炸過程時序圖，發(fā)現(xiàn)二者在噴射初始階段呈現(xiàn)顯著差異。試驗(yàn)1 中，爆炸產(chǎn)物率先沖破炸藥表面覆蓋的砂層，之后帶動周圍的砂土向外噴射：在整個噴射過程中，爆炸產(chǎn)物未被砂土包圍（覆蓋）。但是，在試驗(yàn)2 中，爆炸產(chǎn)物始終未沖破砂層，爆炸產(chǎn)物被砂層包裹著向外噴射，直至撞擊到靶板。圖17 中對比了采用圖像處理方法得到的爆炸產(chǎn)物和砂土隨時間變化的噴射軌跡，可見試驗(yàn)2 中爆炸產(chǎn)物噴射到相同空間位置時對應(yīng)的時間明顯遲于試驗(yàn)1，這種現(xiàn)象也源自于炸藥埋深和砂土類型的不同，也與砂子內(nèi)部的孔隙分布及連通情況有關(guān)。Clarke 等的研究表明，土壤的孔隙分布及連通情況是影響靶板變形的主要因素之一，這主要是因?yàn)橥寥赖目紫斗植技斑B通情況不同，對爆炸產(chǎn)物的限制作用也不同。對于無黏性的土壤，孔隙越小意味著可壓縮性越小，對爆炸產(chǎn)物的限制就越大，荷載也就更加集中。由于本文試驗(yàn)條件的限制，其詳細(xì)影響機(jī)理將在后續(xù)研究工作中討論。

圖17 試驗(yàn)1 和試驗(yàn)2 中爆炸產(chǎn)物和砂土的噴射軌跡對比Fig. 17 Comparison of ejection trajectories of explosive products and sands between test 1 and test 2

3.3 砂土對靶板的侵徹

試驗(yàn)1 中的靶板在迎爆面產(chǎn)生了諸多大小不一的凹坑，如圖18 所示，這是因?yàn)楸ㄟ^程中高速噴射的砂土直接撞擊靶板，在靶板上形成了侵徹的效果。但是，在試驗(yàn)2 靶板的迎爆面未發(fā)現(xiàn)明顯的凹坑，這是因?yàn)? 次試驗(yàn)采用的砂土類型不同。試驗(yàn)1 采用按北約標(biāo)準(zhǔn)AEP-55 配做的砂土，大直徑的砂粒占比較多，而試驗(yàn)2 采用普通河砂，小直徑的砂粒占比較多。在砂粒噴射過程中，大直徑砂粒攜帶的動能更大，因而在靶板上產(chǎn)生侵徹效果并形成凹坑，而小直徑砂粒的動能小，無法在靶板上形成凹坑。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)1 靶板迎爆面上不同直徑凹坑的數(shù)量分布結(jié)果如圖19(a)所示，由于直徑小于1 mm 的凹坑過于密集，不易統(tǒng)計(jì)，因此圖中僅統(tǒng)計(jì)了直徑在1～17 mm 之間凹坑的數(shù)量分布?？梢?，3～5 mm 直徑的凹坑數(shù)量最多，而直徑大于11 mm 的凹坑僅占很小比例。圖19(b)給出了試驗(yàn)1 中每個靶板的迎爆面上不同直徑凹坑的數(shù)量分布，可見靶板1～6 擁有最多的1～5 mm 直徑的凹坑，靶板7～9 則擁有最多的5～9 mm 直徑的凹坑。此外，靶板6 擁有的9～13 mm 和13～17 mm 直徑的凹坑數(shù)量明顯多于其他靶板，說明其受到更多的含有較大動能的大直徑砂粒的撞擊，這也解釋了圖14(a)中靶板6 的最終撓度大于其他靶板的原因。

圖18 砂土對靶板的侵徹作用Fig. 18 Penetrations of sand particles into target plates

圖19 試驗(yàn)1 靶板上凹坑數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig. 19 Statistics of pits formed on target plates after shallow-buried explosion

基于圖19(a)中的數(shù)據(jù)，取每個直徑范圍內(nèi)的中點(diǎn)直徑作為代表，得到不同直徑凹坑所占的比例。同時，從圖5 中計(jì)算得到不同直徑的砂子所占的比例，將2 組數(shù)據(jù)繪制到圖20 中。可見，兩者的分布趨勢基本一致，即中等直徑的砂子和凹坑占比較大，小直徑與大直徑的砂子和凹坑占比較小。但兩者也有一定區(qū)別：靶板上占比最大的凹坑直徑為4 mm，而占比最大的砂子粒徑為7 mm，即相對于砂子粒徑，靶板上的凹坑直徑偏小。造成該現(xiàn)象的原因?yàn)椋荷傲Ｗ矒舭邪鍟r會產(chǎn)生碎裂，且因?yàn)樯白硬⑽创┩赴邪?，故砂子粒徑略大于靶板上凹坑的直徑。因此?～9 mm 粒徑的砂子可能僅產(chǎn)生4～5 mm 直徑的凹坑，導(dǎo)致凹坑的直徑占比曲線向左偏移（見圖20 黑色曲線）。

圖20 不同直徑凹坑與砂子所占比例Fig. 20 Proportion of holes and sand particles having different diameters

4 結(jié) 論

依托新型試驗(yàn)裝置，通過2 次淺埋砂爆試驗(yàn)，研究了淺埋爆炸時沖擊波的傳播、爆炸產(chǎn)物與砂土的噴射軌跡、靶板的變形形貌以及淺埋爆炸產(chǎn)生的沖量在空間中的分布情況，得到以下結(jié)論。

（1）淺埋爆炸在空氣中產(chǎn)生沖擊波，其傳播速度大于爆炸產(chǎn)物與砂土的噴射速度。

（2）淺埋炸藥起爆后，高溫高壓的爆炸產(chǎn)物及其周圍的砂土向外噴射，接觸靶板后受到靶板和工裝的阻礙，迅速向四周擴(kuò)散；爆炸后在地面形成倒錐形炸坑，部分拋射而出的爆炸產(chǎn)物及砂土回落地面，聚集在炸坑口。

（3）炸藥埋深影響爆炸產(chǎn)物和砂土噴射時的相對位置：埋深較小時，爆炸產(chǎn)物沖破覆蓋的砂層，直接作用于靶板；埋深較大時，爆炸產(chǎn)物基本被砂層包覆，隨砂土一起作用于靶板，且炸藥埋深較大時會延緩爆炸產(chǎn)物與砂土的噴射時間。

（4）砂土類型影響靶板的變形形貌：采用北約標(biāo)準(zhǔn)配制的砂土，不僅使靶板產(chǎn)生整體彎曲變形，還在靶板上形成大量凹坑，產(chǎn)生侵徹的效果（即砂土與爆炸產(chǎn)物形成一種聯(lián)合載荷），采用普通河砂，僅使靶板產(chǎn)生整體的彎曲變形，未產(chǎn)生明顯的侵徹效果。

（5）通過特殊設(shè)計(jì)的試驗(yàn)工裝與靶板，定性得出淺埋砂爆載荷產(chǎn)生的沖量在空間中呈非均勻分布，在靶板中央?yún)^(qū)域最大，向四周逐漸減小。