摘要：本研究采用显示动力有限元软件AUTODYN，对土中爆炸作用下的土颗粒运动时程进行研究。计算结果表明，土的泊松比较高时，传感器会随着土一起同步运动;土的泊松比较低时，传感器与土则不会同步运动。直接将传感器安装在低泊松比土中不能准确测量土的速度时程。本研究提出将传感器安装在与土具有相同波阻抗的多孔材料如泡沫混凝土中，再安装在土中测量地冲击。数值计算表明爆炸波在经过波阻抗相同的低泊松比土与泡沫混凝土界面时，基本不会发生波的反射，在地冲击作用下传感器与泡沫混凝土间无相对运动。本研究提出的测量方法提高了地冲击作用下低泊松比土中速度时程的测量精度。
关键词：地冲击,速度时程,泡沫混凝土,波阻抗匹配,泊松比
关于地冲击作用下精确测量土颗粒速度时程的研究，目前报道较少。任保祥，陶钢等[1]在试验研究爆炸波引起的黄土土壤爆炸坑洞的形成和振动传播规律中，直接将三轴速度传感器放入黄土中进行测量。徐学勇，汪稔等[2]在饱和钙质砂爆炸响应动力特性试验研究中，将加速度传感器直接埋设在固定位置测量加速度时程。刘汉龙，王维国等[3-4]在饱和砂土场地大型爆炸液化现场试验中将加速度传感器直接放入沙土中进行测量。龚成明[5]在黄土的强夯试验中，为避免加速度计受到损坏，将传感器放入保护盒内测量黄土的加速度时程。然而，Perret和Gentry[6]提出测量土中加速度时程时，必须保证传感器的密度和周围土的密度相同。
Sarma，Chua等[7]在现场液化试验中将传感器装入专用保持架中测量土体的加速度时程，其中包含传感器支架的平均密度与所测土体密度相同。由此可见，现有的地冲击时程测量方法大致分两类：一类将传感器直接埋入被测土体中进行测量;另一类是将传感器与土的密度调整相同后，进行测量。本文采用AUTODYN显式非线性数值计算软件，进行TNT在土中爆炸的数值模拟，提出并研究地冲击作用下精确测量土的速度时程的方法。
1数值计算模型与分析
1.1基本理论
当应力波从材料1正入射到材料2时，透射和反射的应力波强度为：
根据此原理，将传感器安装在泡沫混凝土中，保证传感器与泡沫混凝土紧密贴合，确保传感器与泡沫混凝土一起运动。理论上，将泡沫混凝土和土的波阻抗调整一致后，即可准确测量出土颗粒的速度时程。
1.2数值建模及分析
计算土域为3600mm×3600mm的正方形区域，用10mm×10mm的正方形网格进行划分，边界设置为transmit。图1(a)边界附近为3个10mm×10mm的传感器，分别在传感器中心处各设置1个观测点，在左端无传感器处设置1个参考点，此四个测点距中心均为1650mm。图1(b)边界附近为3块100mm×100mm的泡沫混凝土，分别在泡沫混凝土中心处各设置1个观测点，在左端无传感器处设置1个参考点，此四个测点距中心均为1650mm。中心处为炸药，如图1所示。
传感器材料为钛，选用材料库中的模型。炸药选用材料库中的TNT。土以材料库中的Sand模型为基础，修改部分参数。泡沫混凝土以Concrete-L为基础，修改部分参数。AUTODYN中采用为2D面对称计算模型，单位制为mm-mg-ms，采用Lagrange算法，计算时长为15ms。如图2(a)所示，传感器直接放入泊松比为0.499的土中，传感器所测得的速度时程曲线与参考点基本吻合，精确度很高。如图2(b)所示，传感器直接放入泊松比为0.2的土中，测得的峰值结果与参考点误差为12.7%。图2(c)所示，泡沫混凝土放入泊松比为0.2的土中，所测得的结果误差为4.2%。
因此，土的泊松比较高时，传感器会随着土一起同步运动;土的泊松比较低时，传感器与土运动不同步。地冲击在低泊松比土和泡沫混凝土界面处的反射率要低于低泊松比土与传感器界面处的反射率，使用波阻抗与低泊松比土相同的泡沫混凝土所测得的结果，比将传感器直接放入低泊松比土中测得的结果更加精确。
1.3验证传感器和泡沫混凝土同步运动
将传感器安装在泡沫混凝土中，保证传感器与泡沫混凝土紧密接触，传感器在泡沫混凝土的正中心位置。数值计算中，泡沫混凝土与传感器连接方式为join，泡沫混凝土尺寸为100mm×100mm，传感器尺寸为10mm×10mm，如图3所示。泡沫混凝土和传感器中心分别放置1个观测点。图4给出了泡沫混凝土和传感器的速度时程曲线图，两条速度时程曲线完全重合，证明传感器与泡沫混凝土同步运动。综上，数值模拟表明本研究提出的方法可有效测量低泊松比土中的速度时程。
2结论
本研究通过数值软件AUTODYN对地冲击作用下精确测量土中颗粒速度时程进行研究，得到以下结论：
(1)将传感器直接放入泊松比为0.499的土中测得的速度时程比较准确，但将传感器放入泊松比为0.2的土中测得的速度时程峰值显著低于精确值。
(2)泡沫混凝土与低泊松比土的波阻抗相同时，应力波在其界面处基本不发生反射，确保泡沫混凝土与土基本达到同步运动。
(3)将传感器安装在泡沫混凝土中，保证传感器与泡沫混凝土紧密贴合，可确保传感器随着泡沫混凝土一起同步运动。
(4)本研究提出的使用泡沫混凝土作为传感器外加介质的地冲击测量方法，在测量低泊松比土中颗粒运动时，比传统测量方法更精确。
参考文献：
[1]任保祥，陶钢，徐利娜等.黄土土壤中爆炸成坑作用的力学参数分析[J].兵器装备工程学报，2016(10)：164-168.
[2]徐学勇，汪稔,王新志，李炜.饱和钙质砂爆炸响应动力特性试验研究[J].岩土力学,2012(10)：2953-2959.
[3]刘汉龙，王维国，刘军等.饱和砂土场地大型爆炸液化现场试验研究[J].岩土工程学报,2017(4):601-608.
[4]王维国，陈育民，张意江等.饱和砂土中浅埋单药包爆炸液化特性分析[J].岩土工程学报,2016(2):355-361.
[5]龚成明.黄土工程边坡在施工荷载作用下的动力特性研究[D].西南交通大学，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.
推荐期刊：《岩土力学杂志》创刊于1979年，本刊为月刊，主编：白世伟。国内统一刊号：CN42-1199/O3，国际刊号：ISSN1000-7598。
