不耦合裝藥爆炸波分離及衰減規(guī)律的試驗研究

趙建平，徐國元，黃戡

(1. 中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083；2. 華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州，510640；3. 湖南省交通規(guī)劃勘察設計院，湖南 長沙，410008；4. 中南大學 土木建筑學院，湖南 長沙，410075)

不耦合裝藥爆炸波分離及衰減規(guī)律的試驗研究

趙建平1，徐國元2，黃戡3，4

(1. 中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083；2. 華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州，510640；3. 湖南省交通規(guī)劃勘察設計院，湖南 長沙，410008；4. 中南大學 土木建筑學院，湖南 長沙，410075)

通過混凝土中爆炸試驗，實測不耦合裝藥系數K為2.0，2.5，3.0和3.5時，距爆源中心距離R在8～16 cm范圍內的爆炸波徑向動應變信號和爆后混凝土損傷變量D分布；將爆炸波分離為爆炸沖擊波區(qū)、應力波區(qū)及爆生氣體膨脹作用區(qū)，并就各分離區(qū)的應力峰值σmax、加卸載應變率峰值˙max、質點運動速度峰值umax與K和R之間的關系進行研究。研究結果表明：爆炸沖擊波σmax為752～1 720 MPa，umax為95.9～184.0 m/s，作用時間約3 μs，加卸載應變率ε˙以(4.85～10.00)×104/s的峰值呈周期變化，σmax，ε˙max和umax隨K和R的增大而減?。粦Σㄗ饔眯问揭詨?、拉應力為主，加卸載應變率ε˙和質點運動速度u在2.6～3.8 μs內近似呈周期變化，max，ε˙max和umax隨K和R變化復雜，且在損傷邊界顯著增大；爆生氣體膨脹作用區(qū)以持續(xù)的拉或壓應力為主，也在損傷邊界顯著增大，ε˙和u近似為0，作用時間約17 μs，σmax隨K的增大基本不變。

空氣不耦合裝藥；爆炸波；分離；損傷；爆破機理

炸藥爆炸在巖體類結構近中區(qū)激起瞬時爆炸沖擊波、應力波及爆生氣體膨脹的作用(總稱為爆炸波)，三者的共同作用直接導致巖體類結構發(fā)生破壞[1?3]。通過實驗方法定量研究瞬時爆炸波及分離各波的作用特征、作用時間、加卸載過程、測點質點運動速度及衰減等基本特征，對爆炸能的精確安全利用、結構的有效防護、巖體在高加載率下(加載應變率˙＞104/s)的本構關系以及爆炸地震波震源特性等進行研究具有非常重要的工程背景和現實意義。目前，在爆炸波測試方面，許多研究者分別采用壓電晶體應力計[4]、錳銅壓阻計[5?6]、光纖探針[7]、電阻應變片[8]、Y?YD?1254型石英傳感器和少量聚偏二氟乙烯(PVDF)壓電薄膜[9]為傳感器，對炸藥爆轟或介質中的爆炸沖擊波波形進行了研究，而對不同裝藥結構爆炸瞬間產生的爆炸沖擊波、應力波、爆生氣體膨脹共同作用過程以及分離各波基本特征的研究較少。在此，本文作者基于空氣不耦合裝藥條件下混凝土介質炮孔近中區(qū)不同測點處爆炸波動應變信號的完整測試和分離，就分離后的爆炸沖擊波、應力波和爆生氣體膨脹作用的基本特征參數與不耦合系數K、測點到爆源中心的距離R之間的關系進行定量研究，以確定不同裝藥結構產生的爆炸波對混凝土破壞的細觀作用過程。

1 試驗研究

1.1 試件制作與測點布置

試件為500 mm×500 mm×350 mm(長×寬×高)的矩形混凝土模型，模型中間預留深為 250 mm、直徑不同的裝藥孔。其抗壓強度fc=42.0 MPa，密度ρ=2 441 kg/m3，泊松比μ=0.19，抗拉強度fts=2.53 MPa，彈性模量E=33.0 GPa，縱波速度νp=4.041 km/s。每塊模型在最小自由面方向、距炮孔中心距離R分別為8.0，12.5和16.0 cm的測點①，②和③處，預埋3個徑向應變片，應變片埋設深度為19 cm。

在半徑R0=4 mm、長度為 12 cm的孔內裝藥(C5H8O12N4)，藥量m=1.4 g，爆速為6 km/s，起爆采用8號紙質普通瞬發(fā)電雷管。炮孔用摩擦因數大、黏性好的紅泥與細砂混和后堵塞，堵塞長度為70 mm。在施爆時, 混凝土防護板涂上黃油，夾制四周。

1.2 測試系統及傳感器

測試系統由超寬頻帶高頻響應DC激勵型動態(tài)應變儀、數字波形記錄儀器DL750、移動計算機和特制靜磁電屏蔽線路組成。試驗中選用的應變片是電阻為120 ?的箔式環(huán)氧酚醛類電阻應變片，靈敏系數為2.08%。

在試驗中，將應變片首先張貼于應變磚處，并經環(huán)氧樹脂防潮絕緣。應變磚用一定級配的金剛砂、石英粉、重晶石、水泥、環(huán)氧樹脂、己二胺、鄰苯二甲酸二丁酯制作，并與被測試件的彈性模量、波阻抗一致，經防水絕緣處理后，對應變磚進行浸泡抗腐蝕試驗和靜力、沖擊試驗，后澆筑于混凝土中。應變磚導線與超動態(tài)應變儀橋盒相連。測量導線長度為10 m，用銅金屬屏蔽套屏蔽，且兩端接地。儀器的外殼和銅金屬屏蔽套在同一點接地。針對特定的干擾源，采取屏蔽、接地等措施。

1.3 爆炸波及爆后混凝土損傷測試結果

炮孔分別是直徑為16，20，24和28 mm的模型，每組3個。不耦合裝藥爆炸時，其中在不耦合裝藥系數K為2.0，2.5，3.0和3.5時，在測點①，②和③測到的一組時間?動應變波形見圖 1(圖中，負號表示壓應變，正號表示拉應變)。其他組模型也存在類似波形。為了保證測試結果的真實性，所測波形未經濾波等處理。本文僅以該組波形為例進行分析。

為了使問題簡化，應力σ(t)與被測動應變之間的轉換關系近似為：

式中：E為彈性模量，GPa；ε(t)為實測動應變。

爆炸實驗后，不耦合系數K=2的模型表面從炮孔中心沿最小自由面方向產生了 7條斷續(xù)徑向細小裂紋，其他3個模型表面無裂紋出現。

在實際工程中，以爆前、爆后波速變化率等于10%對應的巖體損傷閾值Dcri=0.19作為巖體是否被破壞的判據[10]。圖2所示為K=2時，混凝土受到爆炸作用后，由RSM?SY5聲波儀測到的聲速經計算而得到的損傷變量D在模型高度、長度方向的損傷色譜圖。從圖2可見：D＞0.19的損傷區(qū)沿著炮孔口向下呈花瓶狀；在孔底以上12 cm，存在以炮孔為中心線、損傷半徑為Rdam=12.5 cm的1個損傷區(qū)；其他3個模型的損傷變量D均小于Dcri，未受破壞。

2 試驗結果分析

2.1 混凝土的加卸載應變率及質點運動特征

混凝土隨時間的變形性質表現為應變率的作用，試驗中混凝土標準試件在 Instron電液伺服材料試驗機上測得靜載下的應變率˙=2.7×10?5/s。在不耦合裝藥爆炸動載荷加載下，混凝土的應變率為：

圖1 爆炸波時間t?動應變ε時程曲線Fig.1 Time?strain curves of blast wave

圖2 K=2模型爆后損傷變量D分布色譜圖Fig.2 Distribution of damage after explosion at K=2

測點處的質點位移速度u與應變率˙之間的關系為：

式中：l為試件伸長長度；L為試件原始長度。在試驗中采用應變計的長度與其應變計算。由式(2)和(3)對實測爆炸波信號求導，分別得到爆炸波作用時的應變率、質點運動速度u與時間t的關系。圖3僅列出K為2.0和2.5時，測點①處的結果。

2.2 爆炸波信號的時域定位及分離

根據巖石爆破機理和圖1和圖3所示實測信號的動應變、加卸載應變率、質點運動速度波形變化特征，將整個時間?動應變曲線分離為：(1) 爆炸沖擊波區(qū)；(2) 應力波區(qū)；(3)爆生氣體膨脹作用區(qū)。表1僅列出K=2.5時，測點各區(qū)作用時間、峰值應力等計算結果。

由圖1和圖3可知：實測的12個測點爆炸波持續(xù)作用時間相當，均約22 μs。據式(1)～(3)，各分離區(qū)作用特點如下。

(1) 爆炸沖擊波為短時、高強的非周期壓力脈沖，作用時間約 3 μs，加卸載應變率、質點運動速度u近似按1個周期T的正弦規(guī)律變化，存在最大加卸載應變率峰值和質點運動速度峰值umax。在 12個測點中，峰值應力σmax為?756～ ?1 720 MPa，加載時和分別為(?4.8～?8.2)×104/s 和?97～?164 m/s，卸載時和umax分別為(4.6～9.9)×104/s 和92～199 m/s。沖擊波上升時間大于下降時間 1/nμs(n為 1，2，…，10)，卸載時的和大多比加載時的大。

圖3 測點①爆炸波加卸載應變率和質點運動速度與時間的關系Fig.3 Strain rate-time and velocity of particle-time curves for point ①

表1 K=2.5時爆炸波作用時間及各分區(qū)峰值結果Table 1 Test results of imposing time and peak value at K=2.5

(2) 應力波作用時間約 3 μs，強度遠低于爆炸沖擊波，作用形式為壓拉應力、拉應力或壓應力，變化復雜；在12個測點中，K=2.5的測點②只有拉應力，而其余測點受到拉壓應力近似呈周期性作用，拉應力峰值σmax為 12.3～309.0 MPa，壓應力峰值σmax為?113.0～?508.0 MPa；存在應變率正負峰值±和質點運動速度正負峰值±umax。當k=2時，±和±umax顯著比其他3種裝藥條件下距爆源相同距離處的大。例如，K=2時，測點①，②和③處的依次為(+3.685～?5.056)×104， (+4.375～?6.605)×104和(+1.710～?3.239)×104/s，umax依次為+73.7～?101.0，+87.5～?132.0 和+34.2～?64.8 m/s；而當K為 2.5，3.0和 3.5 時，+為(0.678～1.147)×104/s，?為(?0.175～?1.695)×104/s，umax為 13.66～28.5 m/s，?umax為?3.5～?33.9 m/s。

(3) 爆生氣體的膨脹作用產生的應力波持續(xù)時間相對最長，約 16 μs，占整個爆炸波作用時間的 71%以上，作用形式主要表現為持續(xù)的拉應力或壓應力。例如，在12個測點中，K=2.5時的測點②峰值σmax為?37 MPa的壓應力，其余全為拉應力，峰值σmax為61.9～227 MPa。爆生氣體膨脹應變率˙隨時間增大近似呈水平直線。當爆生氣體膨脹準靜態(tài)作用即將作用完畢時，有的測點存在1～2 μs近似為正弦變化的1個周期的應變率振蕩衰減。

2.3 爆炸波測試信號的討論

目前，以錳銅傳感器、石英壓電傳感器、壓電傳感器、電阻傳感器和PVDF傳感器等為主的試驗方法，只實現了爆炸沖擊波壓應力脈沖的測量，對于巖體類介質近中區(qū)實測的爆炸沖擊波波形只有少數文獻給出了實測波形[4?9]，而對試驗中各分離波基本特征的深入研究還未見文獻報道。在此，本文作者就試驗中實測的爆炸沖擊波的作用時間、應力峰值、加卸載應變率等特征進行討論。

(1) 鈕強等[1?2,10?11]認為：在爆炸載荷動態(tài)加載下，加載應變率˙＞104/s。這與文中實測爆炸沖擊的加卸載應變率極其一致，證明了試驗結果的正確性。例如，在圖 3(a)所示按正弦曲線變化的˙max=?7.85×104/s的爆炸沖擊波加載應變率下，加載時間為1～2 μs，動應變峰值為?5.21×104με，但爆炸沖擊波持續(xù)時間極短。可由式(1)求得沖擊波峰值壓應力為1.72 GPa。陶俊林等[12]在西北工業(yè)大學SHPB系統上獲得了應變率為104/s鋼材料和WMo合金峰值應力在1.20 GPa以上、持續(xù)時間在幾微秒到幾十微秒的應力?應變曲線。王禮立等[13?14]認為，強沖擊載荷在短時間尺度上應變率高，材料的力學性能與應變率相關；材料本身在高應變率下的力學性能與靜態(tài)力學性能不同。在高應變加載下，對于理想彈性變形可看作瞬態(tài)響應外，各種類型材料的非彈性變形和斷裂都是以有限速率發(fā)展、進行的非瞬態(tài)響應(如位錯的運動過程、應力引起的擴散、損傷的演化、裂紋的擴展和傳播等)。試驗中，當K=2.0時，材料損傷；其余3種模型(K為2.5，3.0和3.5)無損傷。

(2) 沖擊波峰值壓力和作用時間測試結果與焦楚杰等[6]實測到的距爆點0～15 cm的爆炸沖擊波峰值為1.19～2.56 GPa、作用時間為幾微秒具有很好的一致性，驗證了本文試驗結果的正確性；楊軍等[3]在口徑為37 mm 的一級輕氣炮(˙＞104/s)上對大理巖做沖擊損傷試驗時，用錳銅壓阻計得到0.756～1.720 GPa的峰值壓力，需要130～230 m/s的碰撞速度；王禮立[13]認為：子彈以0.1～1.0 km/s的速度射擊到靶板上，接觸面壓力可達1～10 GPa。假如碰撞時，質點也能獲得這樣的速度，則碰撞速度和能達到的峰值壓力與本文試驗中所得到的相應結果具有一定的可驗證性。

3 爆炸波與R和K的關系

3.1 分離區(qū)應力峰值與R和K的關系

對圖1中實測的12個爆炸波信號按2.2節(jié)及式(1)～(3)方式進行定位及分離，分別得到爆炸沖擊波、應力波和爆生氣體膨脹作用區(qū)的σ，˙和u。圖4所示分別為爆炸沖擊波區(qū)、應力波區(qū)、爆生氣體膨脹區(qū)應力峰值σmax與到爆源中心距離R、不耦合系數K之間的關系。由圖4可知爆炸波各分區(qū)應力峰值σmax的衰減規(guī)律為：

(1) 沖擊波區(qū)壓應力峰值σmax以(2.0，8.0)為中心，由?1.72 GPa呈規(guī)律性向四周衰減，在(3.5，16.0)處衰減為?756 MPa。

(2) 應力波區(qū)拉應力峰值中心位于(2.0，12.5)，由309 MPa向四周衰減；K=2時的+σmax明顯比K為2.5、3.0、3.5時距離爆源相同距離處的σmax大，且變化規(guī)律復雜。

(3) 應力波區(qū)壓應力峰值中心位于(2.0，12.5)，由?508 MPa向四周衰減，衰減復雜；在(2.5，12.5)處未測到壓應力；K=2時的σmax明顯比K為2.5，3.0和3.5時距爆點相同距離處的σmax大；

(4) 爆生氣體膨脹區(qū)以持續(xù)的拉應力為主，σmax峰值中心位于(2.0，12.5)處，與應力波區(qū)拉壓應力峰值中心相同，σmax為227 MPa；K=2時的σmax明顯比K為2.5，3.0和3.5時距爆點相同距離處的σmax大；當K為2.5，3.0和3.5時，距爆點近的測點拉應力峰值一般大于遠處測點的拉應力峰值，例如，當K=3時，測點①，②和③處的拉應力依次為 128.0，88.1和61.7 MPa。

3.2 分離區(qū)和umax與R和K的關系

圖4 爆炸波分區(qū)應力峰值σmax與R和K關系Fig.4 Relationship among σmax of every zone and R and K

圖5 爆炸波分區(qū)應變率峰值與R和K的關系Fig.5 Relationship among of every zone and R and K

分離各區(qū)質點運動速度峰值umax與R和K的衰減規(guī)律同˙max與R和K之間的衰減規(guī)律一致。

4 爆炸波作用形式與模型損傷的關系

由圖 2可知：當K=2時，存在損傷半徑Rdam為12.5 cm的損傷區(qū)，這與圖4、圖5中應力波拉壓應力峰值max、應力波 ˙max、爆生氣體膨脹拉應力峰值

max出現的中心位置一致，即在損傷邊界出現了應力波、爆生氣體作用應力峰值集中區(qū)；當K為2.5，3.0和3.5時，混凝土沒有損傷，在圖4和圖5中也沒有出現應力波、爆生氣體膨脹應力峰值集中區(qū)。

根據以上分析認為：在混凝土中距炮孔中心8～16 cm范圍內，爆炸波作用過程在時間上分為3個階段：(1) 爆炸沖擊波首先在2～3 μs內，在應變率峰值 ˙max為(4.85～10)×104/s時完成動態(tài)壓應力達1 GPa以上的加卸載過程；(2) 應力波在2.6～3.8 μs內，在約104/s加卸載應變率下動態(tài)壓拉應力高速加卸載過程；(3) 在15～18 μs內爆生產物膨脹產生的持續(xù)拉應力或壓應力準靜態(tài)作用過程。在空間上，實驗中的測點位置分別位于8.0，12.5和16.0 cm處，屬于爆炸近中區(qū)。實驗結果表明：爆炸沖擊波、應力波和爆生氣體膨脹共同作用于這一區(qū)域，巖石的損傷與破裂是三者共同作用的結果。在高加載率下(˙＜103/s)，Zhou等[15?16]用壓縮動強度增強因子或拉伸動強度增強因子表示的應變率對混凝土材料動態(tài)抗壓和抗拉強度的影響進行了研究。目前，人們對應變率在˙＞104/s以上、含沖擊壓縮或拉伸的復雜作用下的混凝土損傷與破裂研究較少，還有待于進一步研究。

5 結論

(1) 通過混凝土模型中不耦合裝藥爆炸波測試試驗，測到了距爆點8.0～16.0 cm范圍內爆炸波作用過程的全動應變信號，表明混凝土的損傷與破壞是在加卸載應變率為104/s以上的爆炸沖擊波、應力波的沖擊壓縮、再次拉伸壓縮和爆生氣體膨脹準靜態(tài)作用下的復雜作用過程。

(2) 爆炸沖擊波作用時間為 2～3 μs，峰值壓應力為752～1 720 MPa。加卸載應變率、質點運動速度近似呈周期的正弦規(guī)律變化，加卸載應變率為(4.6～9.9)×104/s，質點運動速度為 92～199 m/s；應力波作用時間為2.6～3.8 μs，作用形式以壓拉應力為主，加卸載應變率以 104/s的數量級近似呈正弦規(guī)律變化，σmax，max和umax明顯比沖擊波峰值的小，變化復雜；爆生氣體作用時間約17 μs，加卸載應變率近似為0，表現為持續(xù)的壓或拉應力。

(3) 應力波及爆生氣體膨脹作用在損傷邊界存在應力、加卸應變率及質點運動速度顯著增大現象，這一區(qū)域的max，˙max和umax顯著比未損傷或已損傷處的大。爆炸沖擊波壓應力峰值隨K和R的增大呈規(guī)律性減?。粦Σ▔簯Ψ逯惦SK和R的增大趨于減小，拉應力峰值隨K和R的增大變化復雜；爆生氣體膨脹拉應力隨K增大而基本不變，隨R增大而減小。

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(編輯 陳燦華)

Experimental study on separation and attenuation of blast wave with air decoupling charge

ZHAO Jian-ping1, XU Guo-yuan2, HUANG Kan3,4

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China;3. Hunan Provincial Communication Planning Survey and Design Institute, Changsha 410008, China;4. School of Civil Engineering and Architecture, Central South University, Changsha 410075, China)

Dynamic strain signals of blast wave action and damage variableDdistribution were tested in the range of 8?16 cm from central blast when air decoupling charge coefficientKis 2.0, 2.5, 3.0 and 3.5, and blast waves were recognized and divided into three subareas, i.e., shock wave area, stress wave area and detonation gas action area. The relationships among the peak value stressσmax, the peak value strain rate ˙maxand the peak value particle velocityumaxof every zone withKand the distanceRfrom borehole to measuring point were studied. The results show thatσmax, ˙maxandumaxof the shock wave are 752?1 720 MPa, (4.85?10.00)×104/s and 95.9?184.0 m/s, respectively. The lasting time of the shock wave is about 3 μs andσmax,ε˙maxandumaxdecrease with the increase ofKandR. The stress of stress wave shows the form of tensile and compressive stress and the lasting time is 2.6?3.8 μs.max,ε˙maxandumaxof stress wave vary complicatedly withKandRand increase notably in the damage border. The detonation gas shows the form of lasting tensile stress or compressive stress and also increases notably in the damage border. The lasting time is about 17 μs, andε˙ anduare approximately 0.σmaxvaries with the increase ofKwhose magnitude is very small.

air decoupling charge; blast wave; separating; damage; blasting mechanism

TU435

A

1672?7207(2011)02?0482?08

2009?11?07；

2010?03?12

教育部博士點新教師基金資助項目(200805331148)；中南大學前沿研究計劃項目(2010QZZD001)；博士后科學基金資助項目(20090461021)；西部交通建設科技項目(20033179802)

趙建平(1977?)，男，甘肅宕昌人，博士，講師，從事爆炸、巖土工程的研究；電話：13170478654；E-mail：jpzcsu@126.com