Flexible Protection of Underground Structures With Foam Concrete Subjected to Ground Shocks
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摘要:
与传统的结构加固刚性防护不同，本研究通过试验研究地冲击作用下，泡沫混凝土防护层对地下结构柔性防护的效果.研究表明，防护效果存在不同情况：当泡沫混凝土防护层通过动态土-结构相互作用减少的能量输入与其压缩吸收的能量之和大于因其厚度导致爆距变短引入的能量时，防护有效；反之，防护无效，甚至出现负效果.使用泡沫混凝土防护层对地下结构进行柔性防护时，需综合考虑地冲击的载荷特征、多孔固体防护层的压缩强度和厚度等多种因素，使由于动态土-结构相互作用减少的能量输入与压缩吸能之和大于由保护层厚度引入的入射能量，保证防护有效.
Abstract:Underground structures are widely applied as they are difficult to be located, relatively resistant to airbursts and ground explosions. However, the development of penetrating weapons gives rise to increasing threat to underground structures. Different from conventional rigid protection with structural strengthening, the effectiveness of flexibly protected underground structures with foam concrete as protection layers subjected to ground shocks were experimentally investigated in the present study. It is found that subjected to such loading, there are different situations. If the sum of energy input reduction due to dynamic soil-structure interaction and energy absorption via compression, both by applying foam concrete layer, is greater than that induced by the shortened standoff distance between the structure and explosion, the protection is effective. Otherwise, the protection is ineffective or even negative. For effective flexible protection of underground structures with foam concrete, major aspects such as the characteristics of ground shock, the compression strength and thickness of porous solid layers should be taken into account in design to ensure the sum of reduced energy input with dynamic soil-structure interaction and energy absorption by foam concrete compression being greater than the excessive energy input due to shorter standoff distance.
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地下结构隐蔽性好，抗空爆和抗地面爆炸能力强，较于地上结构在安全性方面具有明显优势，得到广泛应用.钻地武器的发展使地下结构的安全面临日益增长的威胁，地下爆炸与周围介质的强耦合作用会产生较强的地冲击，可能造成一定距离内结构的损伤和结构内的人员伤亡与仪器损坏[1-2]，需对其进行有效防护.与应用厚重结构构件的刚性防护不同，结构外部安装多孔固体的柔性防护逐渐得到关注，通过在结构外安装多孔固体层实现.多孔固体具有大量孔洞，在较大的压缩变形范围内，应力随着应变的增加基本保持恒定，可吸收一定能量，同时将传递到地下结构的载荷控制在一定范围内，可降低被保护结构的损伤程度.
国内外学者对各种多孔固体的制备、性能表征和应用进行系统研究[3-9]，取得一系列成果.研究表明，泡沫金属在动载如侵彻下可有效降低结构的破坏[10].在爆炸荷载作用下，若形式和参数设计合理，泡沫铝作为芯层的三明治夹芯结构[11-14]及其优化形式[15-16]具有显著的防护效果.
由于泡沫金属的成本相对较高，且存在氧化问题，不适合广泛应用于土木结构防护.泡沫混凝土因其价格低廉，材料来源广泛，且不存在氧化问题，在结构防护领域有着广阔的应用前景.
近年来的研究表明泡沫混凝土具有较好的吸能特性[17-18]，揭示其与泡沫金属等韧性基体泡沫不同的吸能机理以及应力波在泡沫混凝土中的衰减规律[19-21].泡沫混凝土在结构防护中的应用主要集中于地下结构抗爆.国内学者[22-23]通过ANSYS/LS-DYNA模拟内爆作用下泡沫混凝土对地下结构的防护效果，表明泡沫混凝土牺牲层显著减轻了爆炸荷载对地下结构造成的损坏.不同于内爆，在结构外部地冲击作用下，数值模拟表明泡沫混凝土防护层可以有效降低地下结构动力响应[24]，此结论与基于动态土-结构相互作用的理论分析[25]一致.
然而，使用多孔固体对地下结构进行柔性防护效果与机理的数值模拟和理论研究结论，未得到试验验证.鉴于此，本研究通过小型场地试验，对地下结构柔性防护的机理和效果进行研究，得到的结果可作为相关理论和数值研究的基础，也可进一步揭示可能的防护机理和效果.
1. 试验方案
1.1 泡沫混凝土防护层
泡沫混凝土防护层的制备包括胶凝材料浆体的制备，泡沫的制备，泡沫与浆体的混合、搅拌、养护等.制备方法参照《泡沫混凝土用泡沫剂》JCT2199—2013进行，发泡方法采用物理发泡.根据规范中的泡沫混凝土配合比设计方法计算原材料用量，按照所需的密度与制作量确定所需水和水泥的用量.采用150mm×150mm×150mm的标准模具，分别制作密度为400、500、600kg/m3的泡沫混凝土试块，如图 1所示.将泡沫混凝土试块进行切割，切割后的尺寸为150mm×100mm×40mm.
对制备的泡沫混凝土试块进行准静态压缩试验，得到名义应力应变曲线，如图 2所示，其平台应力和密实化应变见表 1.
表 1 泡沫混凝土的压缩性能Table 1. Properties of foam concrete subjected to compression密度/(kg·m-3) 压实应变 平台应力/MPa 400 0.65 0.49 500 0.55 1.10 600 0.45 1.58 1.2 钢盒
钢盒的尺寸为150mm×100mm×100mm，厚度为5mm，采用Q235B钢，共制作4个，其材料性质见表 2.钢盒150m×100mm面中心处安装加速度传感器，并在其两侧粘贴应变片，在钢盒背板处开1个圆形孔，为加速度传感器和应变片的接线预留出口，如图 3所示.
表 2 钢的性质Table 2. Properties of steel钢材
型号密度/
(kg·m-3)杨氏
模量/
GPa屈服
强度/
MPa抗拉
强度/
MPa伸长
率/%Q235B 7830 210 235 375 21 ![]()
图 3 钢盒内部安装的加速度传感器和应变片Figure 3. Accelerometer and strain gauges installed inside the steel box1.3 试验场地和试验设置
炸药采用圆柱形含铝高爆炸药，TNT当量分别为15.3、27.5g，如图 4所示.试验场地为沙袋围成的沙池，内部尺寸为2500mm×1500mm×1000mm，如图 5、6所示.试验进行2次，炸药起爆采用延时雷管.炸药埋置于沙土表面下400mm处，为增强爆炸能量和周围沙土的耦合，将数个沙袋放置于炸药正上方的沙土表面.将钢盒及泡沫混凝土防护层放入沙坑中，密度为400、500、600kg/m3的泡沫混凝土防护层分别紧贴钢盒#2、#3、#4的迎爆面，钢盒#1的迎爆面无泡沫混凝土防护层. 4个钢盒放置在以炸药为圆心，半径为900mm的圆弧上，2次试验的比例距离分别为3.63、2.98m/kg1/3，如图 5、6所示.放置完成后将沙坑填平，拍打沙坑上方沙土，直到其密实程度与周围沙土大致相同.第1次爆炸后翻新沙土，重新埋置钢盒并更换泡沫混凝土防护层. 2次试验前，使用超声波测试仪测量沙子波速，确保波速大致相同(差距小于5%)，因此可认为2次爆炸试验条件基本相同.
沙池底部为装有相同沙子的3m深地下沙坑，沙坑下为纵波阻抗大于沙子的原场土.地冲击为压缩波，其在3m深地下沙坑与土界面处反射后仍为压缩波.由距离可知，地冲击从沙坑底部反射后到达地下结构所需时间显著大于此研究关注的地冲击作用下地下结构的响应时间，因此来自底部的反射地冲击可忽略不计.地上沙坑由装有相同沙子的沙袋围成，沙袋外表面为自由面.地冲击压缩波在自由面反射为拉伸波，但沙子的拉伸强度可以忽略不计，因而从沙池四周反射地冲击的影响也可忽略不计.
2. 试验结果及讨论
表 3、4分别为不同装药质量地冲击作用下，钢盒#1、#2、#3、#4迎爆面中点附近应变峰值、中点处加速度峰值. 图 7、8分别为钢盒迎爆面中心附近应变时程、中心处加速度时程.
表 3 钢盒迎爆面中点附近应变峰值Table 3. Peak strain near steel box front panel center工况 15.3g TNT当量 27.5g TNT当量 应变/
10-6应变增
量比/%应变/
10-6应变增
量比/%钢盒#1 2.54 0 5.41 0 钢盒#2 0.98 -61.4 2.59 -52.1 钢盒#3 3.11 22.4 5.86 8.3 钢盒#4 4.05 59.5 6.36 17.6 表 4 钢盒迎爆面中点加速度峰值Table 4. Peak acceleration of steel box front panel center工况 15.3g TNT当量 27.5g TNT当量 加速度/
(m·s-2)加速度
增量比/%加速度/
(m·s-2)加速度
增量比/%钢盒#1 23.13 0 129.69 0 钢盒#2 15.74 -32.0 117.06 -9.7 钢盒#3 37.91 63.9 137.03 5.7 钢盒#4 60.59 161.5 154.45 19.1 ![]()
图 8 钢盒迎爆面中心加速度时程Figure 8. Acceleration time histories of steel box front panel center由表 3、4可知，当装药质量为15.3g TNT当量时，相较于钢盒#1，钢盒#3和钢盒#4的应变峰值分别增加22.4%和59.5%，加速度峰值分别增加63.9%和161.5%.当装药质量为27.5g时，相较于钢盒#1，钢盒#3和钢盒#4的应变峰值分别增加8.3%和17.6%，加速度峰值分别增加5.7%和19.1%.结果表明，泡沫混凝土防护层的使用导致负的防护效果，且对于不同的装药质量，其防护效果有显著差异.在装药质量大的工况下，泡沫混凝土防护层导致的负效果明显低于装药质量小的工况下的负效果，其原因是在装药质量大的工况下，泡沫混凝土防护层压缩量高于其在装药质量小的工况下的压缩量.虽然泡沫混凝土防护层产生压缩吸收一些能量，但其对钢盒#2和钢盒#3的防护却是负效果，因此泡沫混凝土防护层压缩吸能并非影响地下结构防护效果的唯一因素.
不同于地上结构的柔性防护，作为一种典型的多孔固体，泡沫混凝土在地下结构防护时，防护机理除了其压缩吸能外，还与动态土-结构相互作用有关，只有当地冲击引起的土颗粒速度大于被加载结构的速度时，地冲击载荷才能有效加载，否则地冲击载荷无法传递到结构上.基于此，本研究引入相较地下结构(钢盒)更加容易变形的多孔固体(泡沫混凝土)置于结构外，在地冲击作用下可在一定程度上阻断地冲击对钢盒的载荷传递路径，降低对由泡沫混凝土和钢盒组成系统的能量输入.另一方面，由于引入泡沫混凝土，减小了爆距，因此增加了由泡沫混凝土和钢盒组成系统的能量输入.此正负2种因素共同作用的合效果为观测到的实际防护效果.
如图 7(a)所示，钢盒#2上升段的应变时程斜率最小，钢盒#3和钢盒#4斜率最大，钢盒#1的斜率居中. 图 7(b)的应变时程趋势类似，且钢盒#2的应变和加速度在4个钢盒中均为最小，其峰值均低于钢盒#1的峰值，而钢盒#3和钢盒#4的应变峰值及加速度峰值均高于钢盒#1.上述现象与泡沫混凝土的性质密切相关，在装药质量为15.3g TNT当量的工况下，密度为400kg/m3的泡沫混凝土防护层压缩强度低于地冲击强度，泡沫混凝土防护层阻断地冲击对钢盒的载荷传递路径而减少摄入的能量与其压缩吸收的能量之和大于因其厚度导致的爆距变短引入的能量，因此，其应变及加速度的曲线斜率上升最缓，且峰值最小，防护有效.与此相反，使用密度为500、600kg/m3泡沫混凝土层进行防护的效果为负.
钢盒#4在装药质量为15.3g TNT当量工况下的应变峰值及加速度峰值均大于钢盒#1，且未发现密度600kg/m3泡沫混凝土防护层有明显压缩痕迹，存在2种可能：1)密度为600kg/m3的泡沫混凝土防护层基本未被压缩，由于减小了钢盒与爆源的距离，因此产生负效果；2)泡沫混凝土防护层产生压缩，但其阻断地冲击对钢盒的载荷传递路径而减少的能量输入与其压缩吸收的能量之和小于因其厚度导致的爆距变短引入的能量，产生负效果.对比装药质量为27.5g TNT当量的工况可知，密度为600kg/m3的泡沫混凝土防护层在装药质量为27.5g TNT当量工况下产生压缩，由表 3、4可知，密度为600kg/m3的泡沫混凝土防护层在装药质量为15.3、27.5g TNT当量2种工况下，应变防护效果分别为-59.5%和-17.6%，加速度防护效果分别为-161.5%和-19.1%.此数据表明，虽然均产生负效果，但泡沫混凝土防护层在较小装药质量时的防护效果更不理想.
值得注意的是，密度为500kg/m3泡沫混凝土防护层对钢盒#3的应变及加速度防护效果分别为-8.3%和-5.7%.此时，钢盒#3与钢盒#1的应变峰值和加速度峰值相差很小，可知使用500kg/m3泡沫混凝土防护层与否对钢盒的效果相同.
本研究使用的泡沫混凝土的应力应变关系如图 2所示，400kg/m3泡沫混凝土具有最低的平台应力和最大的密实化应变，600kg/m3泡沫混凝土具有最高的平台应力和最小的密实化应变，500kg/m3泡沫混凝土具有居中的平台应力和密实化应变.在15.3g或27.5g TNT当量炸药爆炸产生的地冲击作用下，400kg/m3泡沫混凝土的压缩量最大，且对地冲击载荷截断作用最显著.而在相同地冲击载荷作用下，500、600kg/m3泡沫混凝土的压缩量逐渐变小.特别是试验后对防护层的检查表明，600kg/m3泡沫混凝土未见明显压缩，在较弱的载荷作用下相当于刚体，其变形吸收的能量和动态土-结构相互作用减少的能量输入基本可忽略不计，而因其厚度导致的爆距变短引入了更多的能量，2种效应的叠加决定了防护效果为负.泡沫混凝土的密度越高，平台应力越高，其防护效果越趋于负.若地下结构柔性防护设计不合理，泡沫混凝土具有过高的压缩强度，在地冲击作用下泡沫混凝土防护层基本不发生压缩，则其自身压缩吸收的能量可忽略不计.同时，由防护层压缩引入的动态土-结构相互作用引起的地冲击阻断基本不起作用，从而因动态土-结构相互作用减少的能量输入也忽略不计.而由于防护层本身厚度导致较短的爆距引入了一些能量.综合以上因素，此情况下防护效果为负.
因此，在工程实际中，使用泡沫混凝土等多孔固体进行地冲击防护时，需综合考虑地冲击的载荷特征、多孔固体防护层的压缩强度和厚度等多种因素，使由于土-结构动态相互作用减少的能量输入与压缩吸能之和大于由于其自身厚度而引入的能量输入，保证防护有效.
3. 结论
1) 使用泡沫混凝土进行地下结构柔性防护的有利因素为：一方面，泡沫混凝土的快速压缩通过动态土-结构相互作用降低了传递到由地下结构和泡沫混凝土组成系统的能量；另一方面，泡沫混凝土的压缩吸收一定能量.
2) 使用泡沫混凝土进行地下结构柔性防护的不利因素为由于其自身的厚度导致爆距减小，从而增加入射到地下结构和防护层组成系统的能量.
3) 柔性防护的有效性由有利因素和不利因素的合效应决定：当泡沫混凝土防护层通过动态土-结构相互作用减小的入射能量与其压缩吸收的能量之和大于因其厚度而引入的入射能量时，防护有效.否则防护无效，甚至出现防护负效果.
4) 在使用泡沫混凝土防护层对地下结构进行柔性防护时，需综合考虑地冲击的载荷特征、多孔固体防护层的压缩强度和厚度等多种因素，保证有效防护.
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图 3 钢盒内部安装的加速度传感器和应变片
Figure 3. Accelerometer and strain gauges installed inside the steel box
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图 8 钢盒迎爆面中心加速度时程
Figure 8. Acceleration time histories of steel box front panel center
表 1 泡沫混凝土的压缩性能
Table 1 Properties of foam concrete subjected to compression
密度/(kg·m-3) 压实应变 平台应力/MPa 400 0.65 0.49 500 0.55 1.10 600 0.45 1.58 
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表 2 钢的性质
Table 2 Properties of steel
钢材
型号密度/
(kg·m-3)杨氏
模量/
GPa屈服
强度/
MPa抗拉
强度/
MPa伸长
率/%Q235B 7830 210 235 375 21
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表 3 钢盒迎爆面中点附近应变峰值
Table 3 Peak strain near steel box front panel center
工况 15.3g TNT当量 27.5g TNT当量 应变/
10-6应变增
量比/%应变/
10-6应变增
量比/%钢盒#1 2.54 0 5.41 0 钢盒#2 0.98 -61.4 2.59 -52.1 钢盒#3 3.11 22.4 5.86 8.3 钢盒#4 4.05 59.5 6.36 17.6
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表 4 钢盒迎爆面中点加速度峰值
Table 4 Peak acceleration of steel box front panel center
工况 15.3g TNT当量 27.5g TNT当量 加速度/
(m·s-2)加速度
增量比/%加速度/
(m·s-2)加速度
增量比/%钢盒#1 23.13 0 129.69 0 钢盒#2 15.74 -32.0 117.06 -9.7 钢盒#3 37.91 63.9 137.03 5.7 钢盒#4 60.59 161.5 154.45 19.1
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