任新見，張慶明，劉瑞朝

（1.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.總參工程兵科研三所，河南 洛陽 471023）

成層式結(jié)構(gòu)泡沫空心球分配層抗爆性能試驗(yàn)研究

任新見1，2，張慶明1，劉瑞朝2

（1.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.總參工程兵科研三所，河南 洛陽 471023）

分別采用黃沙和泡沫空心球?yàn)榉峙鋵又谱鞑煌某蓪邮焦こ探Y(jié)構(gòu)模型，通過大比尺集團(tuán)裝藥標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)、對(duì)比試驗(yàn)和二次爆炸試驗(yàn)，考察了采用泡沫空心球作分配層時(shí)成層式結(jié)構(gòu)的抗爆性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的爆炸荷載作用下，分配層采用泡沫空心球時(shí)，成層式結(jié)構(gòu)的防護(hù)層破壞比采用黃沙作分配層時(shí)嚴(yán)重，但分配層下方相同位置的壓力前者遠(yuǎn)小于后者；相比傳統(tǒng)成層式結(jié)構(gòu)，新型成層式結(jié)構(gòu)具有更好的防護(hù)效果。

泡沫空心球；分配層；成層式結(jié)構(gòu)；防護(hù)性能

成層式結(jié)構(gòu)是目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的一種防護(hù)結(jié)構(gòu)形式，見圖1［1］。覆土層、遮彈層和分配層合稱為防護(hù)層。覆土層一般鋪設(shè)自然土，對(duì)下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行偽裝；遮彈層通常由鋼筋混凝土或塊石構(gòu)成，確保不被炮、炸彈等兵器穿透，迫使其在遮彈層內(nèi)爆炸；分配層通常由一層干沙或松散土構(gòu)成，將沖擊和爆炸荷載分散到較大面積上，使彈丸爆炸后支撐結(jié)構(gòu)頂蓋不受局部破壞作用，同時(shí)削弱爆炸引起的震塌，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)起良好的減震作用。

圖1 典型成層式防護(hù)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Sketch of a typical multilayered protective structure

成層式結(jié)構(gòu)比整體式結(jié)構(gòu)在形式上更加合理，更能充分發(fā)揮材料的防護(hù)作用，自20世紀(jì)出現(xiàn)以來，在防護(hù)工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。近20年來，常規(guī)武器向著“深侵徹、大當(dāng)量和高精度”方向發(fā)展，其侵徹能力和爆炸威力不斷提高。為適應(yīng)這種趨勢(shì)，各國(guó)科研人員圍繞常規(guī)武器的破壞效應(yīng)、遮彈層和支撐結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力進(jìn)行了深入研究，并提出了多種計(jì)算和設(shè)計(jì)方法，但研究重點(diǎn)多集中于增強(qiáng)抗常規(guī)武器的侵徹能力，相對(duì)忽視了對(duì)強(qiáng)爆炸波破壞效應(yīng)的研究［2－3］，以至于針對(duì)分配層的研究較少，利用分配層來提高工程防護(hù)能力方面的工作還做得不夠。在大當(dāng)量鉆地武器的打擊下，即使遮彈層能有效攔截來襲彈藥，分配層厚度仍可能會(huì)很大，因此急需采用新的措施，使分配層能在有限厚度內(nèi)迅速衰減沖擊波，并將爆炸荷載轉(zhuǎn)移到更大的面積上去。

為了提高地下防護(hù)結(jié)構(gòu)在核爆和各種常規(guī)武器觸地爆條件下的生存能力，美軍嘗試在分配層中充填多孔、大變形低密度回填材料削弱爆炸引起的應(yīng)力波及地運(yùn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞［4］。美國(guó)陸軍水道試驗(yàn)站研究了采用不同回填材料減緩防護(hù)結(jié)構(gòu)爆炸荷載壓力的效果［5－6］，指出具有明顯屈服點(diǎn)并有較大變形能力的彈塑性材料（聚乙烯骨料混凝土、泡沫玻璃、聚氨酯泡沫等）比沒有明顯屈服點(diǎn)但有一定壓縮性的材料（粘土、煤灰等）能更有效吸收沖擊能量。唐德高研究了泡沫混凝土作為地下坑道回填材料的抗爆吸能效果；趙凱［1］研究了分配層為泡沫混凝土?xí)r成層式結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸波的衰減和彌散作用。泡沫材料高而長(zhǎng)的應(yīng)力屈服平臺(tái)決定了它優(yōu)良的吸能特性，工程防護(hù)是其主要用途之一，現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)集中于泡沫金屬領(lǐng)域［7－8］；但因其自身強(qiáng)度不高，爆炸等強(qiáng)動(dòng)載作用下易發(fā)生斷裂，故不適于單獨(dú)作為抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)［9］。

薄壁殼體結(jié)構(gòu)作為緩沖、吸能元件是近年來防護(hù)設(shè)計(jì)的一個(gè)新思路，圓管、圓環(huán)和球殼都是有效的能量吸收元件。宋宏偉等［10－11］將泡沫材料與薄壁殼體結(jié)構(gòu)相結(jié)合，獲得了較好吸能效果。泡沫材料與薄壁結(jié)構(gòu)結(jié)合后，在吸能方面的一個(gè)重要現(xiàn)象是相互作用效應(yīng)，即復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸能效果大于相同加載條件下獨(dú)立的泡沫材料和薄壁結(jié)構(gòu)的吸能效果之和；此外，在承受沖擊波荷載時(shí)，由于殼間空穴對(duì)應(yīng)力波的繞射和隔離效應(yīng)，在進(jìn)一步減輕材料重量的同時(shí)，大大增強(qiáng)了材料對(duì)波的彌散和衰減，而殼體的高韌性也提高了材料的強(qiáng)度。

泡沫與薄殼復(fù)合結(jié)構(gòu)具有泡沫材料和薄殼結(jié)構(gòu)的雙重優(yōu)勢(shì)，在吸能耗能和衰減應(yīng)力波等方面效果突出且具有較高性價(jià)比，有望在工程防護(hù)領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，值得進(jìn)一步深入研究；但目前其主要研究對(duì)象多限于試驗(yàn)室中的試件和構(gòu)件，加載方式多是靜載或穩(wěn)態(tài)的諧波荷載［12－13］，難以將其推廣到爆炸等強(qiáng)動(dòng)載作用下大尺度的防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這里將泡沫空心球材料應(yīng)用于成層式防護(hù)結(jié)構(gòu)的分配層，進(jìn)行大比尺野外化爆相似模擬試驗(yàn)，研究采用泡沫空心球作分配層的成層式結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸波的衰減效果。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了分析、檢驗(yàn)采用泡沫空心球材料作分配層的成層式結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能，并考察泡沫空心球在重復(fù)荷載作用下的吸能特性，設(shè)計(jì)開展三類化爆試驗(yàn)，共計(jì)7炮次。試驗(yàn)的具體設(shè)計(jì)說明見表1。

采用相似模擬試驗(yàn)，縮尺比取1∶4，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭信c原型結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的覆土層、遮彈層、分配層和頂板的厚度依次分別為25、30、30和30 cm。模型平面尺寸按邊長(zhǎng)180 cm的正方形考慮。忽略動(dòng)荷載對(duì)工程主體結(jié)構(gòu)頂部的耦合作用，因此頂板頂面以下按自由場(chǎng)（半無限大土介質(zhì)）考慮。遮彈層采用C40混凝土（鋼纖維摻量1%），內(nèi)設(shè)上下兩層鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑10 mm，網(wǎng)眼20 cm×20 cm，上下兩層配筋間采用Φ6.5箍筋聯(lián)系。標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)采用顆粒級(jí)配屬Ⅱ區(qū)的Ⅱ類天然中沙（細(xì)度模數(shù)2.3～3.0，密度ρ＝2.65 g／cm3）作分配層，對(duì)比試驗(yàn)采用泡沫空心球作分配層。泡沫空心球直徑6 cm，壁厚1.5 cm，基體材料為硬質(zhì)聚氨酯泡沫（密度ρ＝0.23 g／cm3，準(zhǔn)靜態(tài)下屈服應(yīng)力σs＝3.9 MPa），實(shí)物見圖2。

表1 化爆試驗(yàn)設(shè)計(jì)說明Tab.1 Explanation on blast tests

圖2 泡沫空心球?qū)嵨颋ig.2 Photos of hollow foam spheres

試驗(yàn)?zāi)M1 000磅普通爆破航彈的爆炸，由于模型縮尺比CL＝1∶4，裝藥量的相似系數(shù)CQ＝CL3＝1∶64，裝藥的TNT當(dāng)量系數(shù)為1.35，故集團(tuán)裝藥試驗(yàn)的計(jì)算藥量約為4.75 kgTNT。試驗(yàn)幾何尺寸、裝藥及測(cè)點(diǎn)布置見圖3。

圖3 試驗(yàn)幾何尺寸、裝藥及測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Sketch of blast tests

試驗(yàn)時(shí)放大儀器采用總參工程兵科研三所研制的YBF－3型寬帶應(yīng)變放大器，數(shù)據(jù)記錄儀選用四川實(shí)時(shí)信號(hào)研究所生產(chǎn)的TST3406瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，見圖4。

圖4 測(cè)試設(shè)備實(shí)物Fig.4 Measurement devices

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)顯示，以泡沫空心球作分配層的新型成層式結(jié)構(gòu)與以黃沙作分配層的標(biāo)準(zhǔn)成層式結(jié)構(gòu)在宏觀破壞形態(tài)與測(cè)試結(jié)果方面均存在顯著差異。

2.1 破壞形態(tài)

炸藥引爆后，標(biāo)準(zhǔn)成層式結(jié)構(gòu)覆土層形成明顯漏斗坑，直徑約140 cm，坑邊緣距試件表面約30 cm，土體破碎、拋擲嚴(yán)重，見圖5（a）。遮彈層試件正面形成直徑約90 cm漏斗坑，坑深約1 cm，其中漏斗坑中心（即裝藥與混凝土板接觸部位）完全碎裂，坑深約3 cm。沿漏斗坑周圍形成12條徑向主裂紋，最大寬度約5 mm，最小寬度約2 mm，見圖5（b）。在試件翻身起吊過程中，試件中碎裂部分與試件分離，裝藥接觸部分鋼筋完全暴露。試件背面龜裂明顯，密布網(wǎng)狀裂縫，裂縫最大寬度約2 cm，最小寬度約0.5 cm，見圖5（c）。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)覆土層與遮彈層破壞形態(tài)Fig.5 Damage status of samples after the standard test

試驗(yàn)對(duì)象為采用泡沫空心球作分配層的新型成層式結(jié)構(gòu)時(shí)，引爆后覆土層漏斗坑直徑約120 cm，明顯小于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的漏斗坑直徑；坑邊緣距試件表面高度約20 cm，接近覆土層初始高度，小于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)；漏斗坑周圍被夯實(shí)的土體爆炸后完全破碎成塊，完整性差。遮彈層試件正面漏斗坑清晰可見，如圖6（a），坑直徑約110 cm，深度約5 cm，尺寸明顯大于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)?？又行幕炷僚c鋼筋網(wǎng)失去粘接力，在試件翻身起吊過程中自然脫落，試件上下表面貫穿。試件背面混凝土大面積崩落，滿布輻射狀裂縫，寬度在1～3 cm之間，鋼筋網(wǎng)暴露明顯。分配層中泡沫空心球材料部分破碎，坑中心附近（即裝藥正下方）破碎尤為嚴(yán)重，如圖6（b）。

圖6 對(duì)比試驗(yàn)遮彈層與分配層破壞形態(tài)Fig.6 Damage status of samples after the contrast test

在對(duì)比試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)采用泡沫空心球作分配層的新型成層式結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次爆炸試驗(yàn)。二次爆炸作用后，覆土層漏斗坑直徑與深度與一次爆炸時(shí)相比未有明顯增加。遮彈層試件正面形成直徑約130 cm漏斗坑，坑深約5 cm；生成徑向裂縫17道，裂縫寬度為3～5 mm不等，沿厚度方向貫穿混凝土試件，見圖7 （a）?？觾?nèi)混凝土完全粉碎，在試件起吊過程中自然脫落，堆積于坑底，高約20 cm。試件背面被完全貫穿，貫穿面積與正面漏斗坑面積基本相當(dāng)；鋼筋網(wǎng)向外凸出，翹曲變形嚴(yán)重；貫穿孔周圍密布輻射狀徑向裂縫，長(zhǎng)度延伸至試件幾何邊緣，見圖7（b）。分配層中泡沫空心球破壞嚴(yán)重，坑中心附近幾乎完全破碎，見圖7（c）。

圖7 重復(fù)爆炸試驗(yàn)遮彈層與分配層破壞形態(tài)Fig.7 Damage status of samples after the repeated blast test

比較標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)和對(duì)比試驗(yàn)試件的破壞形態(tài)可知，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)中覆土層漏斗坑直徑、深度均大于對(duì)比試驗(yàn)，但遮彈層試件表層漏斗坑直徑、深度均小于后者。對(duì)比試驗(yàn)中，試件表層夯實(shí)土體與試驗(yàn)坑周邊土體試驗(yàn)前為一整體，但試驗(yàn)后二者發(fā)生明顯錯(cuò)層，試件整體發(fā)生豎直向下位移。

標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)中遮彈層試件背面破壞以破裂為主，混凝土仍附著于鋼筋網(wǎng)，試件仍具一定整體性；而對(duì)比試驗(yàn)、重復(fù)爆炸試驗(yàn)中試件裝藥正下方均被貫穿，試件背面發(fā)生大面積崩落，裂縫的寬度和深度普遍大于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，即對(duì)比試驗(yàn)、重復(fù)爆炸試驗(yàn)中遮彈層試件的變形和破壞程度均大于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)。

在受到二次爆炸作用后，覆土層漏斗坑直徑與深度并未在對(duì)比試驗(yàn)的基礎(chǔ)上明顯增加，但試件和泡沫空心球材料的破壞程度均比對(duì)比試驗(yàn)要嚴(yán)重。

2.2 壓力衰減

作用在結(jié)構(gòu)上的沖擊波峰值壓力是結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)的主要參考指標(biāo)。因此，這里主要對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果中各測(cè)點(diǎn)的峰值壓力，從而推定采用泡沫空心球作分配層是否比黃沙具有更好的防護(hù)性能。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)第1炮測(cè)點(diǎn)S6波形Fig.8Waveform at Gauge 6 in the No.1 standard test

標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)第1炮由于采集設(shè)備的問題測(cè)試結(jié)果不理想（所測(cè)典型波形如圖8所示），后續(xù)試驗(yàn)中更換了瞬態(tài)采集儀予以彌補(bǔ)；但由于各類試驗(yàn)總共進(jìn)行7次，每次試驗(yàn)中又有少數(shù)傳感器未能采集到有效信號(hào)，因此試驗(yàn)得到的有效數(shù)據(jù)偏少，不能進(jìn)行工程經(jīng)驗(yàn)公式的擬合，但仍能定性看出不同形式成層結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸荷載衰減效果的優(yōu)劣。以測(cè)點(diǎn)S2為例，不同試驗(yàn)條件下該測(cè)點(diǎn)的土壓力波形見圖9。

由表2可知，相同位置處對(duì)比試驗(yàn)的峰值壓力遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)（僅為后者的25%～50%，且衰減程度隨著爆心距的增加而增加）；即便是在二次爆炸的情況下，對(duì)比試驗(yàn)的壓力值仍明顯小于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)（約為后者的60%～70%）。泡沫空心球?qū)Ρǚ逯祽?yīng)力的衰減效果明顯優(yōu)于黃沙。

圖9 測(cè)點(diǎn)S2土壓力波形對(duì)比Fig.9 Waveform comparison at Gauge 2

表2 主要測(cè)點(diǎn)峰值土壓力對(duì)比Tab.2 Peak pressure value comparison amongmain gauges in the soil

3 夾芯防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆效能模擬

圖10是與試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值計(jì)算模型（根據(jù)對(duì)稱性，僅制作四分之一模型）。4.8 kgTNT炸藥埋設(shè)于覆土層中，在遮彈層頂面中心爆炸。分配層下方是90 cm厚黃土層，通過在其底部施加透射邊界來模擬半無限大土場(chǎng)。劃分八面體網(wǎng)格，模型側(cè)面施加透射邊界。炸藥采用歐拉網(wǎng)格，通過流固耦合算法與結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用。

泡沫空心球根據(jù)實(shí)際尺寸構(gòu)建直徑6 cm，壁厚1.5 cm的空心球殼，基體使用低密度泡沫材料模型；TNT采用高爆炸藥燃燒模型和JWL狀態(tài)方程，沙采用帽蓋模型，遮彈層采用HJC修正模型并設(shè)定單元侵蝕準(zhǔn)則，覆土層和自由土場(chǎng)中土體采用Drucker-Prager強(qiáng)度準(zhǔn)則。

圖10 分配層抗爆性能數(shù)值分析模型Fig.10 Numerical analysismodel on anti-detonation property of distribution layer

圖11～圖12為峰值應(yīng)力衰減規(guī)律的數(shù)值模擬結(jié)果。由圖可知，采用泡沫空心球作分配層時(shí)，數(shù)值模擬得到的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力峰值比試驗(yàn)實(shí)測(cè)值偏?。ǖ`差小于30%）。這主要是由于試驗(yàn)時(shí)分配層中空心球自然堆砌而成，而數(shù)值模擬中難以實(shí)現(xiàn)自然堆砌的建模，是按照?qǐng)D10（b）所示按球切點(diǎn)為立方體順序堆砌的，所以造成堆砌孔隙比試驗(yàn)時(shí)要大。而從整體的衰減趨勢(shì)上，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符合，驗(yàn)證了泡沫空心球材料的強(qiáng)消波吸能特性，同時(shí)也驗(yàn)證了泡沫材料孔隙率越高吸能效果越顯著的特征?？紤]到數(shù)值計(jì)算本身的難度，如涉及爆轟產(chǎn)物與多種介質(zhì)間的耦合作用、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的復(fù)雜性及測(cè)試結(jié)果自身的誤差和分散性等，這樣的計(jì)算結(jié)果應(yīng)該說達(dá)到了數(shù)值模擬的要求。

圖11 峰值應(yīng)力隨埋深衰減規(guī)律數(shù)值結(jié)果Fig.11 Numerical resultsof peak stress versus embedded depth

圖12 峰值應(yīng)力水平衰減規(guī)律數(shù)值結(jié)果Fig.12 Numerical results of peak stress versushorizontal distance

4 結(jié) 論

通過集團(tuán)裝藥爆炸加載條件下的大比尺相似模擬試驗(yàn)研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）成層式工程防護(hù)結(jié)構(gòu)采用泡沫空心球作分配層后，相同藥量條件下遮彈層變形與破壞程度大于使用黃沙作分配層的結(jié)構(gòu)。

（2）泡沫空心球作分配層時(shí)，結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸波峰值壓力的衰減效果明顯優(yōu)于黃沙作分配層的結(jié)構(gòu)；對(duì)于相同位置，前者所測(cè)壓力數(shù)據(jù)均遠(yuǎn)小于后者。采用泡沫空心球作分配層的新型成層式結(jié)構(gòu)防護(hù)性能比傳統(tǒng)成層式結(jié)構(gòu)優(yōu)越。

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Tests for anti-blast performance of layered structures
w ith hollow foam spheres as distribution layers

REN Xin-jian1，2，ZHANGQing-ming1，LIU Rui-chao2

（1.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.The Third Engineer Scientific Research Institute，the Headquarter of the General Staff，Luoyang 471023，China）

Different layered model structures of protective engineering were constructed，their distribution layers weremade with sand or hollow foam spheres，respectively.The anti-blast performance of the layered structurewith hollow foam spheres as distribution layerswas studied using standard tests，contrast tests and repeated anti-blast testswith a big scale and group charge.The results showed that the protective layer is damagedmore seriouslywith hollow foam spheres as distribution layers than it does with sand as distribution layers，but the former's pressure at the same position under distribution layer is far less than the latter's；compared with the latter which is the traditional structure，the new style layered structure with hollow foam spheres as distribution layers has a better protective property.

hollow foam sphere；distribution layer；layered structure；protective property

O383

A

10.13465／j.cnki.jvs.2015.21.018

國(guó)家自然科學(xué)基金（U1404107）

2014－01－20 修改稿收到日期：2014－11－11

任新見男，博士生，助理研究員，1979年生

張慶明男，博士，教授，1965年生