软土爆炸效应研究现状及发展趋势

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摘要：软土爆炸成腔及爆炸压密效应的研究在民用和军事领域都有重要的意义。本文从软土爆炸成腔效应和软土压密效应两个方面分别总结了其研究现状，并给出了软土爆炸效应研究的发展趋势。本文的研究对软土爆炸技术的应用具有一定的参考意义。

关键词：软土；爆炸成腔效应；爆炸压密效应；发展趋势

软土通常是指由细粒土组成的孔隙比较大、天然含水量较高、抗剪强度较低、压缩性较高和具有灵敏结构性的土层。随着国内科学技术和社会主义市场经济的迅速发展，软土爆炸技术因其施工速度快、施工质量高和经济效益好而逐渐显示出越来越重要的作用。在民用领域，以炸药为能源爆炸成腔的方法形成可利用的地下空间如桩井、基坑等, 是一种省时、省钱、高效的方法；爆炸压密技术在地基处理等工程中都有很好的应用前景；在军事领域，利用土中装药爆炸可以快速开挖单兵掩体，压缩爆炸可以构筑坑道工事。因此，进行土中爆炸成腔及爆炸压密研究在民用和军事方面都有重要的意义。

1软土爆炸成腔效应研究现状

a）软土外部爆破作用效果b）软土外部爆破效果示意图

图1软土柱状药包外部爆炸作用效果

炸药在土中爆炸时，如果装药深度较小或是装药量较大，将形成外部作用，即上部形成爆炸漏斗坑，下部形成一个与漏斗坑底部贯通的爆腔，如图1所示；相反，如果装药深度足够大或是装药量较小，爆炸作用达不到地表，将产生内部作用，不会形成地表破坏，即不会形成爆破漏斗，柱状药包爆破会形成一个椭球体的爆破腔体，如图2所示。由于土是多孔隙、可压缩介质，内部作用和外部作用都会在药包周围形成压缩空腔，空腔周围一定范围内的土地被压密实。黄承贤[1]根据软土爆炸的力学效应与爆扩痕迹将爆炸作用区域划分为5个区：空腔区、压碎压密区、压密胀裂区、挤密区和完整区（震动区）。可简单地将其划分为爆炸空腔区和压密区，国内外学者对软土爆炸成形（包括爆破漏斗、爆炸空腔及爆炸裂隙）和压密效应进行了大量研究，取得了很多成果。

a）内部作用爆炸后地表情况b）内部作用开挖后的爆腔照片

c） 内部作用爆腔形状

图2软土柱状药包内部爆炸作用效果

1.1爆炸空腔成形研究现状

原苏联KoлoκoB（1967）用电磁探针测得了砂中爆炸空腔发展的后期过程，随后，Aлbтшyлep又用X光透视法研究了砂中爆炸空腔的初始阶段，得到了砂中爆炸空腔发展的全过程，但由于他们所用炸药和砂都不相同，使得两者之间不能完全对应起来；许连坡（1982）[2]用X光透视法研究土中爆炸空腔和腔壁裂缝的发展过程后认为，软土松散度、饱和度以及爆源对爆腔的形成速度及爆腔大小都有很大影响。

陶纪南（1985） [3] 将单个条形药包土中外部作用的爆破成型称为半压缩爆破成型。半压缩爆破成型可分为抛掷漏斗坑和压缩腔体两部分,阐述浅层垂直条形药包土中半压缩爆破成型试验以及在高水位地区基坑开挖的应用情况。在此基础上,建立了计算爆破漏斗坑各主要参数的经验公式,并在实践中初步验证了这些公式的正确性。秦明武[4]通过分析黄土中条形药包空腔爆炸结果发现，条形药包空腔爆破是一种较好的装药结构，空腔比为4-5时爆破效果较好，而以4.5左右为最佳，同时分析了土中条形药包空腔爆破抛掷堆积效应，与密集装药相比，条形药包空腔爆破有利于提高爆炸能量利用率，具有炸药单耗低、抛掷方量多、爆堆集中等优点，条形药包空腔爆破为远抛距、缓山坡、多面临空等不利地形地爆破开创了新局面。龙源等[5]（1988）通过X光观察无限土介质中条形药包爆炸空腔发展的现象，发现空腔发展符合幂函数规律，空腔运动过程受装药的传爆特征、空腔长径比和裂缝出现时间的影响，同时用拉格朗日有限差分法对条形装药土中爆炸的冲击波和空腔参数进行了一维对称数值模拟，得到了冲击波、爆炸空腔参数与X光摄影数据基本一致的结论。

近年来，随着计算机模拟技术的发展，很多学者将该技术用于土介质爆破的研究，取得了理想的效果。王清洁等[6]（2002）应用Ls-dyan3D有限软件进行土介质爆破模拟发现，该软件模拟爆炸空腔的形成与发展是可行的，空腔最大半径、质点最大速度、介质最大压力、最大密度等计算结果与实验结果吻合较好。任晓亮等[7]（2010）应用该软件模拟大半径装药土中爆炸扩腔过程可知，不耦合装药的扩腔位移相对较小，到达腔壁的压力峰值相对较弱，可以改善爆破能量在传递中的匹配关系，进而可减小对腔壁的破坏作用。韩宝成等[8]（2002）也用该软件进行了土中爆炸成腔的三维模拟，结果表明，数值模拟的爆腔直径与实验所得基本相符。陈亚娟等[9]（2010）通过数值模拟了球形装药在半无限土介质中爆炸产生爆炸波的传播过程，找出了爆炸波在土介质中随时间和空间的传播规律，根据计算结果研究爆炸作用下土介质动力学响应，得到半无限介质中爆炸自由面稀疏作用决定土中应力场分布与变化规律，是空腔形成与发展、鼓包运动规律的主要影响因素，并得到了随着比距离的逐渐增大，最大主应力逐渐衰减的规律。

王海亮等[10]（2001）通过理论计算和实验研究认为，球形药包土中爆炸形成的腔体半径与炸药密度、爆速、药包半径或药包质量呈正比关系，与成腔位置以及土壤天然密度及装药深度呈反比关系；对于同一土介质，不同炸药的比例系数之间存在固定的换算关系。穆朝民等[11]（2010）通过对土中不同比例埋深的爆炸成坑和压力传播规律的试验研究，得到了土中爆腔比例半径、装药下方压实比例半径与装药比例埋深的关系，并给出了爆腔半径经验公式。

在土介质中通过爆炸形成空腔，条形药包爆炸成形可用于桥梁和建筑物桩基和基坑开挖，土介质中集中药包爆炸成腔，可用作地下水窖、油库等。这种成形方法具有效率高、成本低等优点。如果同时与爆炸衬砌技术结合起来，效果会更加明显。

1.2软土爆炸压密效应研究现状

爆炸压密对于饱和砂土和粘性土的作用原理不同，对于饱和砂土是利用埋植于土体中的炸药爆炸急剧释放出的能量破坏砂土颗粒初始结构，使得孔隙水压力升高，砂土液化，砂土颗粒在自重或其他外荷载作用下重新排列到更加紧密的结构，强度大大提高。对于含水量较少的粘性土，土中还有空气、水，在炸药爆炸急剧释放能量的作用下，气体孔隙变小，孔隙水压力增大，水被挤出。

爆炸压密效应的研究最早开始于1932年。随后，挪威学者O.Kulnlneneje等[12]（1961）认为爆炸可以使饱和砂土液化而产生一定的沉降，从而使砂土更加密实，地基稳定性和承载力提高。Byron等[13]（1963）对无粘性砂土爆炸研究认为，砂土的密实是由于爆炸荷载作用下砂土密度增加的过程；完全饱和砂土比不完全饱和砂土更易发生液化；沉降量与距爆源距离的平方成反比，药包放在有待密实砂土其厚度的2/3处时，密实的效果更好。Barendsen and Kok[14]（1983）认为爆炸产生的剪切应力是爆炸密实法的一个重要动力，剪切应力使得砂土体的原状结构破坏，砂土颗粒结构重新排列成紧密的结构，但没有详细描述爆炸应力作用于土体的过程。许连坡等[4]（1985）认为软土爆炸时，波后介质被压密，形成压密层，其厚度随着时间逐渐增大；压密层中的介质则发生变形和流动，到中后期还出现裂缝。

Narin Van Court[15]（1997）对爆炸密实法进行详细分析认为，炸药爆炸以冲击波压力和气体压力两种形式向土体释放能量，将整个密实过程用爆炸冲击波压力、爆炸气体压力、体积应变、超孔隙水压力和液化、剪切波分别作用的过程进行了描述。王仲琦等[16]（2001）对采用不可压缩介质作垫层、利用炸药爆炸作用挤压粘土形成地下空间进行数值计算，建立了爆炸挤压垫层和粘土的力学模型，得到了爆炸作用下粘土密度变化的分布规律；同时发现，爆炸挤压后粘土密度最大可以提高到原来的1.11倍，密度变化区域的半径约是装药半径的34.6倍，与爆炸挤压实验的土体密度测试得到的变化规律相似。Stephen A A（2001）[17]通过砂土试验研究指出，饱和砂土中骨架的体积应力应变关系可以分3阶段进行描述：分别为弹性阶段，孔隙闭合阶段和完全密实阶段。B.Grigori Muravskiiy（2001）[18]从理论上研究了爆炸冲击荷载作用下横观各向同性弹性介质的振动控制方程。

张志毅（2002）等[19]分析了爆炸处理地基试验过程中孔隙水压力变化过程、地表沉降量、触探试验值、土样物理力学性质指标和压缩空腔的变化。国胜兵（2004）等[20]通过数值模拟表明，准饱和土中含有的气体对爆炸压缩波传播以及砂土动力特性具有重要影响。赵跃堂（2007）等[21]应用数值模拟，分析了三相饱和土介质中的爆炸波传播及其与结构的相互作用问题。V.R.Feldgun（2008）[22]考虑内部炸药爆轰、冲击波在巴扎气体中的传播及相互作用、土结构的动力响应等要素，提出模拟地下爆炸成腔的一种全面方法，对土中爆炸过程、气体动力问题、弹塑性土壤的迷失、剪切特性和土结构相互作用都做了详细分析。

潘强等[23]（2011）通过实验发现粘质粉土爆炸压密的可重复性强，压密效果较稳定；炮孔直径为48mm时，最大压密范围为70cm，最大压缩比为1.055；不耦合装药内部爆炸时，压密范围、最大压缩比和平均密度的理论值随不耦合系数呈递增变化，不耦合系数为1.2时，压密范围和压密程度达到最佳；给出了准确性较高的土介质爆炸压密计算公式。同时通过数值模拟发现[24]，爆腔半径随着药卷尺寸的增大呈线性增大的规律，随着药卷尺寸增大压密范围和压密程度呈现先增后减的趋势。

2土介质爆炸研究存在的问题及发展趋势

综上所述，目前，国内外关于土介质爆炸特性的研究主要集中在以下方面：土是多孔介质，土中的气体含量、含水量、密度等对其爆炸特性都有重要影响。炸药在土中爆炸后，爆炸气体迅速膨胀并形成爆炸冲击波和爆生气体，在爆炸冲击波和爆生气体的共同作用下，土骨架被挤压成腔的过程中水分排出、气体压缩而形成空腔，并在腔壁产生裂隙，同时引起土体原有力学性质的改变。然而，长期以来，有关土体爆炸问题的研究都是在力学的理论推导、模型和现场实验基础上获得的经验公式，但由于被爆炸的土介质本身的差异性，使得不同地区甚至相同地区的土介质上获得的爆炸理论没有普遍应用价值。

为从,要从理论上解决软土爆炸变形机制问题，有必要从软土质爆炸变形机制及化学和矿物特性变化规律等方面进行深入地专门研究，包括：（1）土体特性对爆炸变形效应的影响规律及爆炸对土体的自身特性的影响规律。（2）土体爆炸变形效应与土体的化学和矿物特性变化之间的协同关系。（3）爆炸作用下土介质宏微观变形规律及其相互关系。

参考文献：

[1] 黄承贤.土中爆扩及其挤密效应的研究[J].爆炸与冲击，1996，16（4）：354-360.

[2] 许连坡，金辉，章培德.土中爆炸空腔的发展过程[J].力学学报，1982，5：500-504.

[3] 陶纪南.条形药包爆破成型土工结构的研究[J].爆破，1985（3）：13-16.

[4] 秦明武.条形药包空腔爆破的应用及其机理分析[J].爆炸与冲击，1990，10（1）：34-40.

[5] 龙源，林学圣，许连坡.条形装药土中爆炸空腔发展过程的实验研究[J].爆炸与冲击，1988，8（3）：227-235.

[6] 王清洁，顾文彬，茼茂辉等.半无限土介质中集团装药爆炸空腔的数值模拟[J].爆破，2002，19（3）：17-19.

[7] 任晓亮，杜志明，丛晓民.大半径装药土中爆炸的数值模拟[J]. 矿业研究与开发，2010，30（1）：100-103.

[8] 韩宝成，王丽琼，冯长根.集中药包土中爆炸成腔的三维数值模拟[J]. 计算机仿真，2002，19（4）：86-88.

[9] 陈亚娟，王利.土介质中TNT炸药爆炸波传播特性的数值模拟[J].河南理工大学学报（自然科学版），2010，29（1）：88-91.

[10] 王海亮，冯长根，王丽琼. 土中爆炸成腔的现场试验研究[J].火炸药学报，2001，2：12-15.

[11] 穆朝民，任辉启，辛凯等.变埋深条件下土中爆炸成坑效应[J].解放军理工大学学报（自然科学版），2010，11（2）：112-116.

[12] O.Kummeneje and O.Eide. Investigaiton of loose sand deposits by blasting, proeedings of the 5th international conference on soil mechancs and foundation engineering. Paris, July,1961:491-497

[13] Byron, J.Prugh. Densification of soil by explosive vibration,Journal of the construetion division, ASCE,1963,89（3）:79-101

[14] Barendsen D A，Kok I. Prevention and epair of flow-slides by explosive densificaiton [C].Proc. 8th European Conf.on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Helsinki,1983,205-208

[15] Narin Van Court. Investigation of the densification mechanisms and predictive methologies for explosive compaction[D]. University of california at berkeley,1997.

[16]王仲琦，张奇，白春华.爆炸挤压粘土密度变化过程的数值模拟[J]，土工程学报，2001， 23（3）: 351-352.

[17] Stephen A A. Two-dimensional finite element analysis of porous geomaterials at multikilobar stress levels[D]. Blacksburg,Virginia:Virginia Polytechnic Institute,2001.

[18] B．Grigori Muravskii. Mechancis of Non-Homogenous and Anisotiropic Foundations, Berlin, Springer-Verlag,2001.

[19] 张志毅，杨年华，杨兵等.爆炸法处理深层软弱地基试验研究.中国铁道科学，2002，23（4）：34-37.

[20] 国胜兵，高培正，潘越峰等. 爆炸波在准饱和砂土中的传播规律[J].岩土力学，2004，25（12）：1897-1902.

[21] 赵跃堂，梁晖，范斌.饱和土中爆炸波传播问题的数值模拟[J].爆炸与冲击，2007，27（4）：352-357

[22]V.R. Feldgun，A.V. Kochetkov. Internal blast loading in a buried lined tunnel[J]. International Journal of Impact Engineering 2008,35（3）:172-183.

[23] 潘强，张继春，郭学彬.土体爆炸压密的原理及试验研究[J].爆炸与冲击，2011，31（2）：165-172.

[24] 潘强，张继春，郭学彬.土体爆炸压密的数值模拟研究[J].矿业研究与开发，2011，31（2）：101-104.