朱远武，郑荣跃，刘干斌，魏 伟，邓岳保

（宁波大学岩土工程研究所，浙江宁波 315211）

爆炸作用下淤泥质软土的热力响应试验研究

朱远武，郑荣跃，刘干斌，魏 伟，邓岳保

（宁波大学岩土工程研究所，浙江宁波 315211）

针对宁波海相淤泥质软土开展现场模爆试验，获得了不同装药量和埋深条件下软土的孔隙水压力、冲击压力及温度的时程分布和演化规律，揭示了爆炸作用下软土中渗流、应力和温度的耦合现象。试验结果表明：随着药量增大，超静孔隙水压力峰值增大，爆炸后数分钟内孔隙水压力消散较快，随后变慢。爆炸后，软土中冲击波向弹性波转化存在一个分界压力，这个分界压力与介质性质有关系，尤其是含气量。温度在软土介质中具有一定的传导时间和上升时间，且在软土介质中的上升较空气中慢。最后，利用相关理论开展计算，并与实测结果进行了对比分析。研究结果可以为沿海软土地区地下人防工程设计及地基压密处理提供参考。

软土；模爆试验；孔隙水压力；温度

在当今复杂多变的国际国内形势下，各种工程设施如交通隧道、地下车站、地下商场等，都应该考虑极端荷载作用，以避免可能潜在的各种风险。在这些地下工程的建设与使用过程中，除了要考虑常规的变形、强度以及承载力等问题外，还必须从风险、安全与人防的角度考虑地面和地下爆炸冲击波荷载的作用。当爆炸波在软土中传播时，由于爆炸荷载的作用时间极短，水和空气来不及从软土的孔隙中排出，软土各组分之间的相对运动可以忽略不计，土的组分没有变化。因此，软土中的爆炸波传播规律有着鲜明的特点，对软土中爆炸波传播特性的研究具有十分重要的意义。

近年来，对于饱和土爆炸波特性的试验研究以及爆炸作用下土体的应力、变形及对地下结构的影响已进行了大量的研究工作。李孝兰的研究表明［1］，在爆炸冲击波作用范围内，爆炸远场土体产生弹性变形，近场土体有较大的爆炸压缩和塑性变形，并在爆炸后形成空腔。Gohl等［2］、Scott等［3］和周健等［4］研究发现，爆炸后土体中的超静孔隙水压力与有效上覆压力以及土体的结构强度直接相关。穆朝民等［5］、辛凯等［6］通过爆炸波在饱和土自由场中传播试验结果，拟合出压力、动量、上升时间随比例距离变化的公式，并指出饱和土中存在由冲击波向弹性波转化的分界压力，且这个分界压力是与介质性质有关的参数。蔡德钩［7］进行了爆炸荷载处理软土地基的现场试验，对软土地基变形做出了初步分析，并阐述了爆炸荷载作用下软土中孔隙水压力变化特性、固结沉降特性。赵跃堂等［8］在Φ900平面波加载器中进行了饱和土爆炸波传播试验，研究了爆炸波在饱和土自由场中的传播规律及其在刚性边界上的反射问题。

综上可知，目前所开展的试验研究很少联合测定爆温、爆压和孔隙水压力。事实上，爆炸作用下，土体中所表现出来的不仅是应力波的传播，还有温度和渗流。土体所表现出来的物理、力学性质，是土体三相介质在温度场、渗流场和应力场相互作用下的综合反映，这一点在岩土工程领域已成共识。为此，本文拟通过对宁波原状软土进行现场模爆试验，系统测试在爆炸作用下软土中的冲击波压力、超静孔隙水压力和温度分布情况，分析爆炸波在软土中的传播规律和超静孔隙水压力的消散规律。最后还将开展初步的理论研究，以对比理论结果和实测结果，最终实现为沿海软土地区地下人防工程设计及地基压密处理提供参考的目标。

1 试验原理及方案

1.1 试验原理

本文将目前测试技术比较成熟的水中爆炸冲击波测试技术用于软土中爆炸波的测量。实验原理如图1所示。

图1 土中爆炸测试原理Fig.1 Test principle of explosion in soil

整个系统主要由传感器、高频多通道采集仪、起爆器、乳化炸药、雷管等组成。采集设备系统功能上可以测试温度、冲击波压力、孔隙水压力等。同时具备延时触发，手动触发等以及试验数据批量处理功能。为了确定爆源与传感器之间的最小距离ΔL，使传感器位于爆炸的塑性区以外（即位于弹性区内），从而达到较好地接收爆炸波，这里采用下式计算炸药爆炸形成的塑性区半径r［9］：

式中：U为单位药量爆炸时分解出的能量（kJ/kg）；E为形变模数（kgm/m2）；H为爆心深度（m）；Q为药量（kg），σ为介质的泊松比。

在本试验中，药量的U＝3 035.876 kJ/kg。场地土的E＝106kgm/m2；σ＝0.4。选取H＝1.5 m；Q＝0.15 kg，则塑性区半径rp≈0.52 m。深度越大，塑性区半径也越大。考虑到实际情况以及计算时参数取值误差等的影响，在试验测试之前，试炸了一次以便观察实际破坏范围，综上这里取ΔL＝0.7 m。

1.2 试验场地和仪器

试验场地位于宁波市北仑大榭岛，三江口79.5°方位直距约37.6 km处。中心地理坐标为东经121°56′21″，北纬29°56′07″。隶属于中铁港航局采矿填海运输项目。试验场地为填海时完全挤压出来的软质淤泥，几乎无任何岩石等杂质，经过一定时间的沉淀，并且每天早晚都有潮水的淹没，试验表明该场地土度饱和度为98%以上，符合试验要求，其他指标如表1所示。

表1 场地土物理力学指标Tab.1Physical and mechanical properties of soil

采集仪系统装备由四川拓普测控科技有限公司提供的双卡高频16通道的PCI－25016E，通道频率最大可达到250 kHz，传感器由西安德科威仪表公司提供CYY29、CYY2等传感器，自主研制的MEMS耐高温压阻力敏芯片，输入电源电压为15 V，输出信号电压为5 V。试验采用乳化炸药，包裹成近似圆柱形。如图2。

图2 测试仪器和爆炸器材Fig.2 Instruments of test and blasting

1.3 试验设计方案

由于场地的土质饱和度较高，含水量很大，所以现场钻孔时，先用一根实心钢管钻入传感器埋置深度，再用空心钢管插入指定深度快速拔出带出一定量的淤泥软土，如此重复几次。待孔洞经过护壁处理后且在放置传感器之前，通过空心钢管在孔洞中放入少许纯净砂，待传感器放入土中后，再在传感器周围填入部分纯净砂，最后上部填上淤泥土至地表。对于爆炸冲击压力传感器周围也尽量先布置一些细砂，这样至少可以使传感器接触面更能够接受到均匀的冲击压力，至于温度传感器的触头安装在细铁丝里面，埋设较为方便，只需准确的插入指定深度即可。为了每次试验结束后传感器能够顺利地拿出，传感器埋设时绑定在细扁的竹片上，插至设计高程就位。这样试验结束后可以慢慢拔出，而不必开挖，以减少工作量。

由于试验炸药直接作用于饱和土体，因而每次试验对饱和土体的扰动较大，所以要求每次回放炮以后都要搁置一段时间让其尽可能的恢复至原状土状态以备再次试验使用。共选取50 g、100 g和150 g的装药量及0.5 m、1 m和1.5 m的炸药埋深，据此设计9次试验，各试验工况如表2所示。

表2 试验工况Tab.2 Test conditions

图3 软土试验测点布置图Fig.3 Layout of test points in soft soil

为了得到爆炸作用下软土沿水平径向和垂直深度两个方向上的土压力、孔隙水压力变化规律，在试验场地分别埋设5个冲击压力和孔隙水压力，同时在各药量下测试一次温度。

以炸药埋深0.5 m为例，传感器的埋设如图3（a）所示，在同一深度处，沿水平径向埋设3个传感器，爆心距近似为0.7 m、1.0 m、1.3 m；在深度方向，距爆源距离依次为0.7 m、1.0 m、1.3 m。图4中1～5号为孔隙水压力传感器编号，爆炸土压力与孔压传感器埋设位置对称；6～8号为温度测试传感器，距离爆源距离依次为0.3 m、0.5 m、0.7 m，现场布设如图3（b）所示。

2 试验结果与分析

2.1 冲击压力试验结果

表3为埋深1.0 m沿径向分布（图3（a）中1、2、3传感器）实验数据，统计了药量、爆心距、上升时间、压力峰值和波速。从图4可以看出，爆心距小的位置出现冲击波，上升时间快，作用时间短，但峰值较高；爆心距大的位置不明显出现冲击波，上升时间较慢，作用时间较长，但峰值较低。

表3 埋深1.0m试验数据表Tab.3 Buried depth of 1.0 m test data tables

图4 爆炸波土中传播图Fig.4 Propagation of blastwave in soft soil

由表3和图4可知药量150 g且埋深1.5 m的压力峰值逐渐减小，图5（c）为图4中爆心距1.3 m图的放大图，图中可以看出，此时已经具有弹性波的征兆，且峰值为2.94 MPa，再对比图5（b）中药量50 g爆心距1.3 m处的波形，可知此时波形与前面波形截然不同，因此，可以推断冲击波向弹性波转化的条件为一个临界压力，结合表3与图4、5可以粗略拟定该压力值为1～3 MPa之间。且这个分界压力是与介质性质有关的参数，尤其是土壤中的含气量［10］，由于气体的压缩性比其他两相大很多，土壤中气态组分含量较高情形中最大压力减弱的程度随距离增加而明显增大，气态含量α＝0.04比α＝0处在爆心距足够远处的压力约低了两个量级，随着含气量增大，压缩波作用时间上升；关于分界压力不同的土中产生的条件不同，本文直接从应力时程曲线来判读只能是粗略拟定，事实上分界压力的定义是根据饱和土应力应变本构关系图的拐点而得出的，当小于分界应力点时，此时饱和土具有粘塑性特点，大于分界应力点时，具有流体特性（液化），剪应力和剪切应变为0，而且分界应力点后段曲线的弹性模量大于前段曲线，即递增硬化流体弹塑性本构关系［5］。

从图6、7可以看出，随着药量的增加，压力峰值是单调上升的。而随着爆心距的增大，压力峰值逐渐减小的。在图6中，随着炸药埋深的增大，压力峰值也显著增大，在埋深最浅的0.5 m处5.41 MPa到埋深1.0 m处的6.06 MPa再至埋深1.5 m处的7.41 MPa。当药量和爆心距保持不变的情况下，随着埋深的增加，炸药在土中封闭性越大，向空气中泄露的能量也越少。

图8中，随着埋深增大，压力峰值不会在逐渐增大，特别是埋深从1.0m至1.5m处，压力峰值增大较为明显，此处可以理解为埋深越大，且其他条件不变的情况下，压力峰值越大，也就是说炸药释放的能量更多地封闭在土中。使得传感器接收点测试结果变大。

图5 不同爆心距的实测波形Fig.5 Waveforms for different distance to blast piont

图6 不同药量下压力峰值Fig.6 Pressure peak for different explosive quantity

图7 不同爆心距离下压力峰值Fig.7 Pressure peak for different distances

图8 变埋深条件下压力峰值Fig.8 Pressure peak for variable depths

图9 软中爆炸成坑现象（150 g）Fig.9 Effects of crater formed by explosion in soft soil

炸药埋深对试验结果影响很大，亦即上覆土压力对测试结果的影响，变埋深对爆炸成坑现象。结合图8、9知，埋深1.5 m时，无抛散土无弹坑、覆表土只出现裂纹，埋深1.0 m处，无明显的弹坑，也没有明显的抛散，埋深0.5 m处，有明显的半球形弹坑，而且土体抛散距离较远较高。由此可以得出，随着埋深的增大、上覆土压力的增大，压力峰值也随着埋深的增加而增加，也可以理解为爆源与空气更为封闭。埋深1.5 m处，上覆土表面爆后基本变化不大，可以推断在埋深（H）大于1.5m的时候，保持药量150 g，压力峰值将不会继续增大，埋深（H）处完全可以把炸药释放的能量全部封闭在土中。

2.2 超静孔隙水压力试验结果

根据实验实测工况结果，可以得出表4的试验数据，以及不同药量与不同爆心距位置的超静孔隙水压力随时间变化如图10、11。

表4 爆心距离0.7m埋深1.5m药量150 g数据表Tab.4 Pore pressure data table

从表4数据可以看出，淤泥质软粘土中的总孔隙水压力从爆炸前几千帕突变到爆炸后的一百多千帕，在表4中，总孔隙水压力由爆炸前的8.1 kPa瞬间变为爆炸后的131.6 kPa，为原来的16.2倍，孔隙水压力的消散随时间而趋缓，尤其是爆炸后2 h后孔隙水压力消散几乎成水平线，从表4可知，爆炸后2 h之内，土中孔隙水压力平均每10min降低7.74 kPa，爆炸第3 h内，土中超静孔隙水压力由30.6 kPa变为28.1 kPa，平均每10min孔隙水压力降低0.42 kPa。

图12中随着爆心距的增大，土中孔隙水压力的峰值明显逐渐降低，接近直线；图13中随着药量逐步增加，在50 g到100 g的时候土中孔隙水压力峰值增大不是很明显，从50 g时候的47.1 kPa增至66.5 kPa，当药量增至150 g时，孔隙水压力峰值由66.5 kPa突变为123.5 kPa。总体来说，随着药量的增大，孔隙水压力峰值单调增大。

图10 不同药量下孔隙水压力随时间变化图Fig.10 History of pore water pressure under different explosive quantity

图11 不同爆心距下孔隙水压力随时间变化图Fig.11 History of pore water pressure under different distance

图12 不同爆心距下压力峰值Fig.12 Peak pressure under different distance from blasting piont

图13 不同药量下压力峰值Fig.13 Peak pressure under different explosive quantity

在没有其他外荷载作用的时候，孔隙水压力是由于水的自重所引起，其大小与水位高度有关，水位越高，孔隙水压力值越大。分析可知，爆炸荷载作用下软土的孔隙水压力的变化具有鲜明的特点，瞬态超静孔隙水压力的峰值在几毫秒乃至几百毫秒急剧上升，而且只有一个明显的峰值。一般来说，软土近似看成两相饱和土，软土承受的总应力由两部分组成，一种是土颗粒形成的骨架上的有效应力，主要在颗粒之间起相互传递作用，另一种就是孔隙水中的孔隙水压力，且水中的密闭气体和固态颗粒也能够将孔隙水压力压力向不同的方向传递。

爆炸后往往会出现类似液化现象，这是因为土骨架颗粒在瞬间爆炸高压作用下，土孔隙中的水来不及排出所导致。导致土骨架破坏，孔隙水压力骤然上升，有效应力减小，一部分的土颗粒与四周脱离接触，处于悬浮状态，孔隙水上涌，这样就导致土骨架有效应力在总应力中的比重降低，此时，总应力主要是由孔隙水压力承担。爆炸后，爆点周围土体处在强烈的非线性响应区，该区冲击波压力呈指数型急速衰减并向外传播，经很短距离的传播就演变为弹塑性（非线性）区，而当冲击波压力降低到向远区辐射地震波的弹性波源时即进入线弹性响应区，相应的土体在爆炸近区将会产生很大的塑性变形，产生很大的不可恢复的压缩，特别是淤泥质软土中，土的压缩性很低，这也是超静孔隙水压力消散缓慢的一个重要的原因。

2.3 温度测试结果

本次试验采用接触式测温，将温度传感器直接埋置与爆源接触的土壤中，具体示意图如图3，由于对爆炸燃烧空间无法准确计算，故无法合理布置测试点，一定程度上存在误差，图14中（a）、（b）为150 g药量下温度实测曲线，在爆炸前后温度都是20℃～30℃左右，爆炸瞬间，温度并没有瞬间上升，而是经过一定传递时间才突然上升，这和软土介质的导热系数以及爆源和传感器的测试距离有关，从图14（b）可以看出，在600 s时温度突然上升至210℃左右。之后经历了接近1500 s才慢慢降低至初始温度。

图14 不同药量下实测温度曲线Fig.14 Curve of temperature under different explosive dosage

综合温度随药量的变化图曲线可以看出：爆炸瞬间会引起局部的高温冲击。随着药量增大，温度逐渐升高，从图14（b）中，药量150 g温度虽然上升到210℃，但是下降得也快，随着时间的增长，下降幅度又开始减小，之后再慢慢回降至初始温度。虽然，土体中热传导是一个“慢过程”，但高温冲击下的热应力波是介质响应的一个重要的因素。此外温度对孔隙水压力的影响也不容忽视，由于温度的改变，孔隙水压力会随着温度的升高而增大，随着温度的降低而减小。温度诱致的孔隙水压力的变化机理是极其复杂的，已有研究表明：由于温度的改变使土中颗粒和土中水的膨胀与收缩，从而导致孔隙水压力的产生与消散［12］。

由于岩土中温度的导热传播是个极其复杂的多场问题，并与爆源和测试点的距离、传感器误差等有关，故本次试验所测温度结果只能在一定程度上说明随着药量的增大，温度峰值明显升高，更多的结论有待于进一步的试验和理论研究来验证。

3 乳化炸药爆轰参数理论计算

根据国家标准GB18095－2000《乳化炸药》的基本参数为表5。

表5 《乳化炸药》参数Tab.5 Parameters of emulsion explosive

3.1 爆压计算

由于爆炸的复杂性，很多研究者总结了一些实践经验公式，其中都是围绕着最经典的经验公式（2）演推而来。

其中：A0，A1，A2，A3可由实验直接确定，但是由于各种因素的影响，不同研究者所得出的系数也各不相同。W1/3/R为药量的三次方根比装药中心的距离。ΔPf为冲击波峰值超压单位kg/cm2，土壤中的爆炸经验公式经验值［10］，A0＝0，A1＝1.02，A2＝3.99，A3＝12.6。本次试验选取R＝0.7 m，W＝0.15 kg。相关数据代入式（4）求得ΔPf＝8.406 12 kg/cm2＝0.841 MPa。试验中在药量150 g，埋深1.5m时超压峰值为2.9 MPa；药量50 g情况下，爆心距1.3 m处压力峰值1 MPa左右。式（2）是基于炸药在土壤外侧接触的基础上推导的理论公式，根据前面所得结论，埋深越浅，炸药释放的能量封闭在土壤中就越少，流向土壤外的能量就越多，因此该理论值仅供于参考。此外试验仪器方法等各种原因，试验所得结果也不一定准确。由于爆炸是个复杂的问题，理论与实践往往是无法完全吻合的。

3.2 爆温计算

要计算爆温，必须先计算出爆热，目前计算爆热基本上统一采用盖斯定律，主要有以下两个个步骤。第一步根据B－W法写出爆炸化学反应方程式，第二步由盖斯定律计算出Qp，其中Qp＝Q1－Q2，Q1为各爆炸产物生成热之和，Q2为炸药生成热。

上式中各产物的生成热查阅相关规范得出，为了和本次试验作比较，以0.1 kg药量换算所得Qp＝303.59 kJ/mol。根据爆热和爆炸产物的热容来计算爆温。在以上假设条件下，利用下式来计算爆温。

Qp＝CV（T1－T2）（4）

式中：T1为爆炸后初始温度，T2为爆炸产物的最终温度（20℃～30℃），亦即环境温度。在计算爆炸时我们把平均热容量Cv与温度时间间隔t看成是线性关系，一般来说只取前两项。

由式（7）计算得出t＝321.458℃，爆温T1＝T2＋t＝346.458℃，试验中，药量为150 g时所测爆温峰值为210℃，温度测试的结果和理论计算值相差不是非常大。由于爆炸的特殊性，在爆炸过程中温度变化极快极高，而且传感器与爆源的距离布置也存在一定问题，此外，炸药在土中传播涉及到土质的导热系数等各方面原因。不言而喻，在如此变化极快、温度极高复杂的条件下，用实验方法直接测定爆温是极为困难的，目前一般采用理论计算。因此，这种差异性也是在预料之中，某种程度上也可以说是相对比较接近的。

4 结 论

本文通过现场试验，针对软土地基中爆炸冲击波、孔隙水压力和温度进行了一系列测试。通过对测试数据的分析，主要结论如下：

（1）根据试验数据绘制了冲击波压力随时间和药量变化图，得到了爆炸波在淤泥质软土中的衰减形式及其传播规律，结果表明，软土中存在冲击波向弹性波转化分界压力，且这个分界压力是与介质性质有关的参数，不同的土中产生的条件不同。根据本次试验，宁波淤泥质软土分界压力粗略估计在1～3 MPa之间。

（2）随着药量增大，超静孔隙水压力峰值增大。爆炸后初期数分钟内，孔隙水压力消散较为明显，随着时间的增长，消散速率越来越小。

（3）爆炸瞬间，温度在软土介质中上升较空气中慢，在软土介质中具有一定的传导时间和上升时间。随着药量的增大，温度峰值明显升高。

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Tests for tem perature and pressure response of silt soft soil under blasting load

ZHU Yuan-wu，ZHENGRong-yue，LIU Gan-bin，WEIWei，DENG Yue-bao
（Institute of Geotechnical Engineering，Ningbo University，Ningbo 315211，China）

An in-situ simulated explosion testwas carried out at a site with Ningbo marine silt soft soil.The time history distribution and evolution laws of pore water pressure，shock pressure and temperature under the conditions of different explosive quantities and buried depth were obtained.The test results revealed that there exist coupling phenomena of seepage，stress and temperature；the peak of super-static pore water pressure increases with increase in explosive quantity and the dissipation of pore water pressure is relatively quick within early minutes after explosion and then it decreases；there is a dividing line pressurewhich means a pressure for shock wave to be converted into elastic wave and it is related to soil's character，especially，its air content；the explosion temperature has a certain conduction time and rise time in soft soil，and it risesmore slowly in soft soil than it does in the air.Finally，relevant theories were used to compute the pressure and temperature.The calculated results were compared with the measured ones.The study results provided a reference for underground people air-defense engineering design and base compaction treatment in coastal soft soil area.

soft soil；simulated explosion test；pore water pressure；temperature

O382＋.2

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.24.011

国家自然科学基金项目资助（51178227，51278256）

2013－08－08 修改稿收到日期：2014－01－02

朱远武男，硕士生，1987年生

郑荣跃男，硕士，1964年11月生