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摘 要： 摘要：本研究采用顯示動力有限元軟件AUTODYN，對土中爆炸作用下的土顆粒運動時程進行研究。計算結果表明，土的泊松比較高時，傳感器會隨著土一起同步運動;土的泊松比較低時，傳感器與土則不會同步運動。直接將傳感器安裝在低泊松比土中不能準確測量土的速度
摘要：本研究采用顯示動力有限元軟件AUTODYN，對土中爆炸作用下的土顆粒運動時程進行研究。計算結果表明，土的泊松比較高時，傳感器會隨著土一起同步運動;土的泊松比較低時，傳感器與土則不會同步運動。直接將傳感器安裝在低泊松比土中不能準確測量土的速度時程。本研究提出將傳感器安裝在與土具有相同波阻抗的多孔材料如泡沫混凝土中，再安裝在土中測量地沖擊。數值計算表明爆炸波在經過波阻抗相同的低泊松比土與泡沫混凝土界面時，基本不會發生波的反射，在地沖擊作用下傳感器與泡沫混凝土間無相對運動。本研究提出的測量方法提高了地沖擊作用下低泊松比土中速度時程的測量精度。
關鍵詞：地沖擊,速度時程,泡沫混凝土,波阻抗匹配,泊松比
關于地沖擊作用下精確測量土顆粒速度時程的研究，目前報道較少。任保祥，陶鋼等[1]在試驗研究爆炸波引起的黃土土壤爆炸坑洞的形成和振動傳播規律中，直接將三軸速度傳感器放入黃土中進行測量。徐學勇，汪稔等[2]在飽和鈣質砂爆炸響應動力特性試驗研究中，將加速度傳感器直接埋設在固定位置測量加速度時程。劉漢龍，王維國等[3-4]在飽和砂土場地大型爆炸液化現場試驗中將加速度傳感器直接放入沙土中進行測量。龔成明[5]在黃土的強夯試驗中，為避免加速度計受到損壞，將傳感器放入保護盒內測量黃土的加速度時程。然而，Perret和Gentry[6]提出測量土中加速度時程時，必須保證傳感器的密度和周圍土的密度相同。
Sarma，Chua等[7]在現場液化試驗中將傳感器裝入專用保持架中測量土體的加速度時程，其中包含傳感器支架的平均密度與所測土體密度相同。由此可見，現有的地沖擊時程測量方法大致分兩類：一類將傳感器直接埋入被測土體中進行測量;另一類是將傳感器與土的密度調整相同后，進行測量。本文采用AUTODYN顯式非線性數值計算軟件，進行TNT在土中爆炸的數值模擬，提出并研究地沖擊作用下精確測量土的速度時程的方法。
1數值計算模型與分析
1.1基本理論
當應力波從材料1正入射到材料2時，透射和反射的應力波強度為：
根據此原理，將傳感器安裝在泡沫混凝土中，保證傳感器與泡沫混凝土緊密貼合，確保傳感器與泡沫混凝土一起運動。理論上，將泡沫混凝土和土的波阻抗調整一致后，即可準確測量出土顆粒的速度時程。
1.2數值建模及分析
計算土域為3600mm×3600mm的正方形區域，用10mm×10mm的正方形網格進行劃分，邊界設置為transmit。圖1(a)邊界附近為3個10mm×10mm的傳感器，分別在傳感器中心處各設置1個觀測點，在左端無傳感器處設置1個參考點，此四個測點距中心均為1650mm。圖1(b)邊界附近為3塊100mm×100mm的泡沫混凝土，分別在泡沫混凝土中心處各設置1個觀測點，在左端無傳感器處設置1個參考點，此四個測點距中心均為1650mm。中心處為炸藥，如圖1所示。
傳感器材料為鈦，選用材料庫中的模型。炸藥選用材料庫中的TNT。土以材料庫中的Sand模型為基礎，修改部分參數。泡沫混凝土以Concrete-L為基礎，修改部分參數。AUTODYN中采用為2D面對稱計算模型，單位制為mm-mg-ms，采用Lagrange算法，計算時長為15ms。如圖2(a)所示，傳感器直接放入泊松比為0.499的土中，傳感器所測得的速度時程曲線與參考點基本吻合，精確度很高。如圖2(b)所示，傳感器直接放入泊松比為0.2的土中，測得的峰值結果與參考點誤差為12.7%。圖2(c)所示，泡沫混凝土放入泊松比為0.2的土中，所測得的結果誤差為4.2%。
因此，土的泊松比較高時，傳感器會隨著土一起同步運動;土的泊松比較低時，傳感器與土運動不同步。地沖擊在低泊松比土和泡沫混凝土界面處的反射率要低于低泊松比土與傳感器界面處的反射率，使用波阻抗與低泊松比土相同的泡沫混凝土所測得的結果，比將傳感器直接放入低泊松比土中測得的結果更加精確。
1.3驗證傳感器和泡沫混凝土同步運動
將傳感器安裝在泡沫混凝土中，保證傳感器與泡沫混凝土緊密接觸，傳感器在泡沫混凝土的正中心位置。數值計算中，泡沫混凝土與傳感器連接方式為join，泡沫混凝土尺寸為100mm×100mm，傳感器尺寸為10mm×10mm，如圖3所示。泡沫混凝土和傳感器中心分別放置1個觀測點。圖4給出了泡沫混凝土和傳感器的速度時程曲線圖，兩條速度時程曲線完全重合，證明傳感器與泡沫混凝土同步運動。綜上，數值模擬表明本研究提出的方法可有效測量低泊松比土中的速度時程。
2結論
本研究通過數值軟件AUTODYN對地沖擊作用下精確測量土中顆粒速度時程進行研究，得到以下結論：
(1)將傳感器直接放入泊松比為0.499的土中測得的速度時程比較準確，但將傳感器放入泊松比為0.2的土中測得的速度時程峰值顯著低于精確值。
(2)泡沫混凝土與低泊松比土的波阻抗相同時，應力波在其界面處基本不發生反射，確保泡沫混凝土與土基本達到同步運動。
(3)將傳感器安裝在泡沫混凝土中，保證傳感器與泡沫混凝土緊密貼合，可確保傳感器隨著泡沫混凝土一起同步運動。
(4)本研究提出的使用泡沫混凝土作為傳感器外加介質的地沖擊測量方法，在測量低泊松比土中顆粒運動時，比傳統測量方法更精確。
參考文獻：
[1]任保祥，陶鋼，徐利娜等.黃土土壤中爆炸成坑作用的力學參數分析[J].兵器裝備工程學報，2016(10)：164-168.
[2]徐學勇，汪稔,王新志，李煒.飽和鈣質砂爆炸響應動力特性試驗研究[J].巖土力學,2012(10)：2953-2959.
[3]劉漢龍，王維國，劉軍等.飽和砂土場地大型爆炸液化現場試驗研究[J].巖土工程學報,2017(4):601-608.
[4]王維國，陳育民，張意江等.飽和砂土中淺埋單藥包爆炸液化特性分析[J].巖土工程學報,2016(2):355-361.
[5]龔成明.黃土工程邊坡在施工荷載作用下的動力特性研究[D].西南交通大學，2010.
[6]PerretW.R.,GentryV.L.Free-FieldMeasurementsofEarthStress,Stress,Strain,andGroundMotion[R].Albuquerque,NewMexico:SandiaCorporation,1955:33-34.
[7]AnandSarma,HiongSuanChua,HengEuChangLeonard.ObservationsfromBlast-InducedLiquefactionTestsinSingapore[C].Singapore:DefenceScienceandTechnologyAgency,2015.
推薦期刊：《巖土力學雜志》創刊于1979年，本刊為月刊，主編：白世偉。國內統一刊號：CN42-1199/O3，國際刊號：ISSN1000-7598。
