爆炸荷载作用下礁砂地基信号塔位移特性试验研究*

钟冬望，伍 岳，孟庆山，雷学文，司剑峰，杜 泉

(1.武汉科技大学，武汉 430065；2.湖北省智能爆破工程技术研究中心，武汉 430065；3.中国科学院 武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071)

作为海上丝绸之路的中继站，南海岛礁的建设意义重大。目前，我国正在进行“填岛工程”，其上修建码头、机场、楼房等各类民用建筑物及军工设施，而这些吹填岛屿表面的沉积物为礁砂，礁砂主要成分为钙质砂[1,2]。钙质砂是由海洋生物成因的、富含碳酸钙或碳酸镁等物质的特殊岩土介质，具有颗粒多孔隙、形状不规则、易破碎、粒间易胶结等特点，其力学性质与一般陆相、海相沉积物相比有明显的差异[3-5]。为确保岛礁上建筑物的稳定性与安全性，有必要开展吹填礁砂地基上高耸结构物爆炸动力响应模型试验。

对于普通陆源砂在爆炸荷载作下的动力特性，国内外学者已开展了大量研究。前苏联学者梁霍夫对饱和土中爆炸应力波传播问题做了开拓性试验和理论研究[6]，得出了应力波在准饱和土中传播及衰减的基本规律。钱七虎等进行了三相介质饱和土自由场中爆炸实验[7]，计算结果表明:随着爆心距离的增加，波的衰减强度依赖于所含空气的含量。石教往[8]、燕琳等分别进行了深层药包爆炸压实试验和饱和砂地表爆炸沉降的试验[9]，论述了饱和砂爆压过程的基本特性及其压实机制。关于钙质砂的研究，大多基于其基础物理力学性质。秦月等采用室内模型试验[10]，研究了钙质砂地基中单桩在不同受力方向下的承载性状。陈海洋等通过光学拍照和图像处理方法[11]，描述了钙质砂的分形特性。徐学勇等通过控制爆炸参数，测试不同参数作用时钙质砂爆炸前后声波特性和表面沉降规律[12]，揭示了饱和钙质砂爆炸密实动力特性。目前，关于钙质砂爆炸动力学方面的研究尚不多见。

高速摄影技术具有全局化、非接触式、高精度、高帧频等优点，有较强的直观性，已被运用于许多试验研究和工程实际，并得到较好的结果。因此，根据工程现场实际情况，结合相似理论配制不同的礁砂地基形式及信号塔结构模型，进行了礁砂地基爆炸动力响应模型试验，通过高速摄影系统来记录和捕捉礁砂地基上结构物的特征点位移和变形情况，研究不同爆破参数、不同地基形式及含水率对礁砂地基上高耸结构物的爆炸位移特性的影响。

1 爆破试验

1.1 试验地基基础及结构物

本文试验中地基采用测试用礁砂样品，取自南海某岛礁附近海域，包含粗砂、细砂两种不同颗粒大小的钙质砂，组成均匀混合细砂、上部细砂下部粗砂、上部粗砂下部细砂三种地基形式，平铺于长3m、宽1 m、深0.6 m的室外基坑中。基坑底层10 cm以黄沙铺底，其上用双层防水布做隔层，以减少礁砂地基中水分的流失，控制其含水率。地基上下分层高度均为25 cm，每铺10 cm厚时，使用小型夯实机对礁砂夯实。试验现场布置如图1、图2所示。

地基上的高耸结构物为塔形和筒形结构物型式，以模拟礁岛上信号塔、灯塔等结构，本文主要对信号塔结构进行了研究。塔形结构物上部结构采用钢架结构制作，高度约85 cm，基础底板直径17.5 cm，埋深12.5 cm，采用C30混凝土浇灌制作，模型示意图如图3所示，将其底座埋于礁砂地基中。在信号塔上以相同的间距布置摄影专用动态捕捉标示点。

1.2 试验方法及试验参数

试验使用的炸药为2#岩石乳化炸药，手工制成球形药包，插入单发导爆管雷管，采用耦合装药形式，炮孔用钙质砂堵塞，并用三层橡胶皮进行覆盖防护，上压沙袋，防止砂石飞溅。爆破方式为单孔爆破，炮孔布置在两结构物模型连线的中垂线上，药包埋深0.25 m，爆心距(爆源到模型基座连线的垂直距离)分别为0.75 m、1 m、1.5 m，可微调。炸药在砂土介质中爆炸，能量急剧释放，使炮孔周围介质破碎压缩，同时爆炸能量以波动形式向外传播，从而引起介质的质点振动。采用高速摄影机来记录塔模型上部结构的位移和变形情况，可以了解和分析礁砂地基上高耸结构物在爆炸荷载作用下的动力响应特性。高速摄影系统采用日本NAC公司的GX-8超高感光度高速相机，最高拍摄速度为60万幅/s，测试系统由摄影主机与装有HX—Link控制软件的计算机相连，通过手持型遥控器J—Pad3进行手动触发采集数据。拍摄时，要保证清晰拍摄到结构模型上的人工标示点，方便图像的后期处理。炮孔布置及高速摄影拍摄位置可见图2。

试验参数基于以下2个方面：(1)在起爆方式上，通过改变起爆药量Q和爆心距R，得出钙质砂地基中不同药量和爆心距的作用效果。(2)改变钙质砂地基的含水率ρ，模拟岛礁涨潮、落潮时的地基形式，定义干砂、湿砂、全饱和砂(全淹没)三种含水率，得出不同含水率对信号塔结构爆炸动力响应的影响。

1.3 图像处理

试验中，高速摄影统一采用3000 fps拍摄帧率，像幅852×384像素，将高速摄影拍摄得到的原始文件保存为AVI视频格式，采用配套的视频分析软件，动态捕捉模型塔上的标记点，得到不同捕捉点在拍摄平面X、Y方向上的位移时程曲线，对应导出EXCEL表，得出各测点位移峰值。其中，X为拍摄平面的水平方向，Y为竖直方向，如图4所示。图5为试验流程图。

2 试验结果与分析

2.1 不同药量、爆心距对信号塔结构位移的影响

试验中有50 g、100 g、150 g三种炸药量，图6为均混干砂地基，爆心距1.5 m，埋深0.25 m时，三种药量下信号塔测点1在X方向的位移时程曲线，其位移峰值分别为0.19 cm、0.25 cm和0.51 cm。可看出，药量Q从50 g增大到150 g，信号塔位移峰值增大了168%。如图7所示为均混干砂地基，三种药量下信号塔结构上不同测点在X、Y方向的位移峰值趋势图。从图中可以看出，随着药量的增加，信号塔上三个捕捉点在X、Y方向上的位移峰值均呈增大趋势。且药量越大，位移峰值的增量越大。整体上，各捕捉点在Y方向上的位移峰值大于X方向上的位移峰值。

如图8所示为上细下粗湿砂地基，药量100 g，埋深0.25 m，爆心距分别为0.75 m、1 m、1.5 m时，信号塔测点1在X方向的位移时程曲线，其位移峰值分别为0.99 cm、0.53 cm和0.4 cm。可发现，爆心距R从0.75 m增大到1.5 m，其位移峰值减小了59.6%。图9为上细下粗湿砂地基，不同爆心距下信号塔三个捕捉点在X、Y方向上位移峰值趋势图。测试结果显示，随着爆心距的增加，信号塔各捕捉点在X、Y方向上的位移峰值呈减小趋势。且爆心距越小，位移峰值的差值越大，说明钙质砂中爆炸应力波衰减速度在一定近的距离内相对较快，而随着爆心距增大，衰减速度逐渐趋缓。整体上，Y方向的位移峰值大于X方向的位移峰值。

综合对比其他地基形式下各测点数据，分析表明：(1)随着药量增加，钙质砂地基上信号塔结构的位移峰值呈增大趋势；药量Q从50 g增大到150 g，信号塔的位移峰值增大了150%～170%。(2)随着爆心距增大，信号塔的位移峰值呈减小趋势，且钙质砂中爆炸应力波的衰减速度逐渐趋缓；爆心距R从0.75 m增大到1.5 m，信号塔的位移峰值减小了50%～65%。(3)信号塔竖直方向的位移峰值均大于水平方向的位移峰值。

2.2 不同高程下信号塔的位移特性

图10为上粗下细湿砂地基，药量100 g，埋深0.25 m，爆心距1.1 m时，信号塔不同高程位移峰值的变化趋势。结合多次试验数据表明，随着信号塔的测点高度H的增加，位移峰值呈增大趋势，最高测点位移峰值较最低测点的位移峰值增大了27%～50%。整体上，各测点在Y方向的位移峰值大于X方向的位移峰值。

2.3 不同含水率地基下结构位移特性

图11为均匀混合砂地基，分别在干砂、湿砂和全饱和砂的情况下，药量、埋深一定，信号塔位移峰值随爆心距变化的情况。从图中可以看出，在X、Y方向上均有，全饱和砂地基上的位移峰值>湿砂地基上的位移峰值>干砂上的位移峰值。表明在有一定含水率时，礁砂地基介质内孔隙变小，同时，爆炸冲击波在水介质中的传播速度较砂土介质要快，能量衰减小，所以地基的含水率越大，信号塔的动力响应越大。在爆心距为0.75 m时，三种地基上信号塔在X方向的位移峰值分别为0.43 cm、0.57 cm、1.01 cm，全饱和砂和湿砂地基较相对干砂地基分别增大了32.5%和134.8%。综合对比其他测点数据分析，全饱和砂较干砂地基上信号塔的位移峰值增大了105%～135%。

3 结论

采用高速摄影系统，测量得出礁砂地基上信号塔结构物在爆炸载荷作用下的位移时程曲线，分析其爆炸动力响应规律，得出以下结论：

(1)在不同礁砂地基形式下均有，随着炸药药量Q、礁砂地基含水率ρ和测点高度H的增加，信号塔的位移峰值呈增大趋势；随着爆心距R的增加，信号塔的位移峰值呈减小趋势，且地基中爆炸应力波的衰减速度逐渐趋缓。

(2)相比几个影响因素，礁砂地基含水率和炸药量对信号塔结构位移影响较大，药量从50 g增加到150 g，信号塔位移峰值增大量为150%～170%，全饱和砂较干砂地基上信号塔位移峰值增大了105%～135%。其次，礁砂地基中的爆炸地震波在信号塔上传播有一定的高程放大效应。

(3)信号塔在竖直方向的位移峰值均大于水平方向的位移峰值，说明礁砂地基对信号塔结构基座的竖向约束力较弱，应加强结构物与礁砂地基竖向连接形式方面的研究。