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2026, 46(4): 041001.
doi: 10.11883/bzycj-2025-0108
摘要:
为研究混凝土靶体损伤对弹体侵彻性能的影响，基于空腔膨胀理论，完善了弹体侵彻预损伤混凝土半经验模型，采用前级射流、后级动能弹体对混凝土靶进行了连续侵彻试验，获得了影响弹体侵彻预损伤混凝土性能的关键因素，结合预损伤混凝土靶体中混凝土材料强度变化关系，分析了弹靶参数对弹体二次侵彻性能的影响规律。结果表明：靶体预损伤对弹体侵彻深度的增益效果由开坑体积差及混凝土损伤共同影响，且混凝土损伤为主要影响因素；当靶体内存在有限长损伤区，靶体开孔直径是弹体直径的0.3~0.5倍时，靶体损伤对弹体侵彻深度增益最为明显；当靶体内存在贯穿损伤区，靶体开孔直径与弹体直径的比值为0.3时，预损伤靶体与预开孔靶体中弹体侵彻深度差异较为明显，且随着比值进一步增大，两者差异逐渐增大；当靶体损伤状态一定时，减小弹体直径或增大尖卵形弹体头部曲径比（caliber radius head, CRH）对增大侵彻深度更为有利。
为研究混凝土靶体损伤对弹体侵彻性能的影响，基于空腔膨胀理论，完善了弹体侵彻预损伤混凝土半经验模型，采用前级射流、后级动能弹体对混凝土靶进行了连续侵彻试验，获得了影响弹体侵彻预损伤混凝土性能的关键因素，结合预损伤混凝土靶体中混凝土材料强度变化关系，分析了弹靶参数对弹体二次侵彻性能的影响规律。结果表明：靶体预损伤对弹体侵彻深度的增益效果由开坑体积差及混凝土损伤共同影响，且混凝土损伤为主要影响因素；当靶体内存在有限长损伤区，靶体开孔直径是弹体直径的0.3~0.5倍时，靶体损伤对弹体侵彻深度增益最为明显；当靶体内存在贯穿损伤区，靶体开孔直径与弹体直径的比值为0.3时，预损伤靶体与预开孔靶体中弹体侵彻深度差异较为明显，且随着比值进一步增大，两者差异逐渐增大；当靶体损伤状态一定时，减小弹体直径或增大尖卵形弹体头部曲径比（caliber radius head, CRH）对增大侵彻深度更为有利。
2026, 46(4): 041101.
doi: 10.11883/bzycj-2025-0040
摘要:
随着全球恐怖主义和工业事故的增加，对基础设施在爆炸冲击下的安全性研究变得尤为迫切。试验作为探究材料和结构在爆炸冲击下动力响应和损伤特性的关键手段，它能安全、高效、准确地模拟爆炸冲击加载技术成为了该领域的研究热点与挑战。综述了模拟远场爆炸荷载的等效加载试验技术的研究进展，包括炸药驱动激波管、高压气体驱动激波管、落锤冲击试验机和液压驱动模拟器等。这些技术在模拟爆炸冲击波方面各有优势和局限，但都致力于提供一个安全、可控的试验环境，以复现爆炸产生的高速气流和冲击波。通过对比分析，揭示了各种技术模拟爆炸载荷的准确性、适用性和操作便利性等，并讨论了它们在实际应用中的潜力和挑战。最后，介绍了一种基于液气相变膨胀的新型模拟爆炸加载试验技术并展望了后续研究方向。
随着全球恐怖主义和工业事故的增加，对基础设施在爆炸冲击下的安全性研究变得尤为迫切。试验作为探究材料和结构在爆炸冲击下动力响应和损伤特性的关键手段，它能安全、高效、准确地模拟爆炸冲击加载技术成为了该领域的研究热点与挑战。综述了模拟远场爆炸荷载的等效加载试验技术的研究进展，包括炸药驱动激波管、高压气体驱动激波管、落锤冲击试验机和液压驱动模拟器等。这些技术在模拟爆炸冲击波方面各有优势和局限，但都致力于提供一个安全、可控的试验环境，以复现爆炸产生的高速气流和冲击波。通过对比分析，揭示了各种技术模拟爆炸载荷的准确性、适用性和操作便利性等，并讨论了它们在实际应用中的潜力和挑战。最后，介绍了一种基于液气相变膨胀的新型模拟爆炸加载试验技术并展望了后续研究方向。
2026, 46(4): 042201.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0428
摘要:
为深入研究触地爆下建筑表面冲击波载荷分布规律，首先开展了实验室环境下精细缩比实验，获取了球形炸药触地爆下缩比建筑模型表面测点冲击波压力时间曲线，得到了不同工况下冲击波特征参数分布规律；随后发展了冲击波传播数值模拟方法，并使用缩比实验数据对模拟方法进行校核，通过数值方法重点对建筑背爆面载荷分布及冲击波历程进行了分析；最后发展了基于冲击波时程分析和叠加法则的理论分析方法，得到了建筑背爆面载荷分布的量化分析模型，并利用模拟结果进行了验证。研究结果表明，触地爆下建筑迎爆面最大冲击波载荷位于建筑底部，整体载荷分布较均匀；建筑背爆面载荷主要集中在顶角两侧及中轴线区域，由顶边和侧边绕射冲击波叠加形成，最大超压出现在不同绕射冲击波交汇位置，其位置和大小受建筑尺寸和爆心距影响。
为深入研究触地爆下建筑表面冲击波载荷分布规律，首先开展了实验室环境下精细缩比实验，获取了球形炸药触地爆下缩比建筑模型表面测点冲击波压力时间曲线，得到了不同工况下冲击波特征参数分布规律；随后发展了冲击波传播数值模拟方法，并使用缩比实验数据对模拟方法进行校核，通过数值方法重点对建筑背爆面载荷分布及冲击波历程进行了分析；最后发展了基于冲击波时程分析和叠加法则的理论分析方法，得到了建筑背爆面载荷分布的量化分析模型，并利用模拟结果进行了验证。研究结果表明，触地爆下建筑迎爆面最大冲击波载荷位于建筑底部，整体载荷分布较均匀；建筑背爆面载荷主要集中在顶角两侧及中轴线区域，由顶边和侧边绕射冲击波叠加形成，最大超压出现在不同绕射冲击波交汇位置，其位置和大小受建筑尺寸和爆心距影响。
2026, 46(4): 042301.
doi: 10.11883/bzycj-2025-0190
摘要:
为了提升活性材料的力学和爆轰性能，在短切钛纤维添加到铝-聚四氟乙烯（Al/PTFE）基体中制备出Al/PTFE环状活性材料，并与RDX药柱形成Al/PTFE-RDX组合装药。利用万能材料试验机和分离式霍普金森杆研究了不同钛纤维含量对环状活性材料力学行为的影响；采用自由场爆炸测试系统、球形爆炸容器测试系统并结合比色测温技术，深入研究了短切钛纤维含量对组合装药的准静态压力、冲击波参数和热毁伤效应的影响。力学性能测试结果表明，随着钛纤维质量分数的增加，Al/PTFE环状活性材料在静态压缩条件下的弹性模量、屈服强度、抗压强度等参数以及在高速撞击下的屈服强度和抗压强度均呈现先提高后降低的趋势，并且均在短切钛纤维质量分数为3%时达到最大值。爆炸性能实验结果表明，短切钛纤维能够显著改善Al/PTFE-RDX组合装药的爆炸性能，当短切钛纤维质量分数为3%时，爆炸冲击波超压、正相作用时间和正冲量达到峰值分别为37.68 kPa、695.34 µs和12.34 Pa·s；而当短切钛纤维质量分数为5%时后燃效应最显著，其爆炸准静态压力、火球最高平均温度和火球持续时间达到最大值70.50 kPa、2782 K和1668.90 μs。固体爆炸产物分析表明，短切钛纤维通过改善Al/PTFE基体力学强度、延缓Al/PTFE环状活性材料碎裂时间并促进界面反应并参与高温化学反应，产生的协同作用和正反馈效应可以同时增强Al/PTFE活性材料的力学韧性与能量释放效率。
为了提升活性材料的力学和爆轰性能，在短切钛纤维添加到铝-聚四氟乙烯（Al/PTFE）基体中制备出Al/PTFE环状活性材料，并与RDX药柱形成Al/PTFE-RDX组合装药。利用万能材料试验机和分离式霍普金森杆研究了不同钛纤维含量对环状活性材料力学行为的影响；采用自由场爆炸测试系统、球形爆炸容器测试系统并结合比色测温技术，深入研究了短切钛纤维含量对组合装药的准静态压力、冲击波参数和热毁伤效应的影响。力学性能测试结果表明，随着钛纤维质量分数的增加，Al/PTFE环状活性材料在静态压缩条件下的弹性模量、屈服强度、抗压强度等参数以及在高速撞击下的屈服强度和抗压强度均呈现先提高后降低的趋势，并且均在短切钛纤维质量分数为3%时达到最大值。爆炸性能实验结果表明，短切钛纤维能够显著改善Al/PTFE-RDX组合装药的爆炸性能，当短切钛纤维质量分数为3%时，爆炸冲击波超压、正相作用时间和正冲量达到峰值分别为37.68 kPa、695.34 µs和12.34 Pa·s；而当短切钛纤维质量分数为5%时后燃效应最显著，其爆炸准静态压力、火球最高平均温度和火球持续时间达到最大值70.50 kPa、
2026, 46(4): 043101.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0461
摘要:
为提升装甲的抗冲击防护效能，开展陶瓷与新型TWIP钢复合结构的抗冲击性能研究，通过一级轻气炮实验、微观结构表征与数值模拟，研究了碳化硅陶瓷与TWIP钢复合结构在高速冲击载荷下的层裂强度，变形机制和损伤特性。实验结果表明，复合结构在层裂强度和应变率敏感性相较于纯TWIP钢分别有22.76%和7.09%的提高，复合结构的层裂程度较低，裂纹和微孔洞数量较少，显示出更好的抗冲击性能。微观分析揭示了材料在冲击载荷下的损伤机制，包括微孔洞的形成、聚集和主裂纹的形成。采用LS/DYNA数值模拟对此类复合结构的抗冲击性能开展研究，结合实验结果验证了模型的准确性。基于数值模拟分析了冲击过程中不同时刻的应力分布，计算得到结构产生裂纹的临界冲击速度为225 m/s左右，并进一步分析了钢材性能对复合结构抗冲击性能的影响。
为提升装甲的抗冲击防护效能，开展陶瓷与新型TWIP钢复合结构的抗冲击性能研究，通过一级轻气炮实验、微观结构表征与数值模拟，研究了碳化硅陶瓷与TWIP钢复合结构在高速冲击载荷下的层裂强度，变形机制和损伤特性。实验结果表明，复合结构在层裂强度和应变率敏感性相较于纯TWIP钢分别有22.76%和7.09%的提高，复合结构的层裂程度较低，裂纹和微孔洞数量较少，显示出更好的抗冲击性能。微观分析揭示了材料在冲击载荷下的损伤机制，包括微孔洞的形成、聚集和主裂纹的形成。采用LS/DYNA数值模拟对此类复合结构的抗冲击性能开展研究，结合实验结果验证了模型的准确性。基于数值模拟分析了冲击过程中不同时刻的应力分布，计算得到结构产生裂纹的临界冲击速度为225 m/s左右，并进一步分析了钢材性能对复合结构抗冲击性能的影响。
2026, 46(4): 043301.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0440
摘要:
为研究超高速撞击玄武岩材料光滑粒子流体动力学（smoothed particle hydrodynamics，SPH）仿真中的参数影响，基于现有Riemann-SPH方法对地面超高速撞击玄武岩实验进行了仿真分析与验证，发现SPH仿真结果受算法参数与材料模型参数影响较大，同时材料强度模型与损伤模型的影响存在耦合性。研究结果表明：超高速撞击SPH仿真中，考虑人工应力法可以避免固体冲击仿真中出现的拉伸不稳定性；对于超高速撞击场景，使用Wendland C2核函数并设置光滑长度半径内期望粒子数为2.5，可实现计算精度和效率的兼顾，其计算速度比变分辨率粒子分布方法提升了20倍以上。在地面实验的仿真中，弹丸材料可能发生相变，而玄武岩靶体在不同模型与参数组合下产生了相似的仿真响应结果。建议使用更符合岩石材料力学特性的Lundborg强度模型和Benz-Asphaug概率损伤模型，并考虑相变计算，最终得到参数搜索取值规律，即在反向搜索未知参数时，应以其他参数的合理取值为约束，从而避免较大的参数误差。在保证合理的模型参数情况下，仿真得到的撞击坑尺寸和动量传递因子与实验的误差在10%~20%范围内。相关参数取值方法为开展超高速撞击防御小行星SPH仿真及参数选择提供了依据。
为研究超高速撞击玄武岩材料光滑粒子流体动力学（smoothed particle hydrodynamics，SPH）仿真中的参数影响，基于现有Riemann-SPH方法对地面超高速撞击玄武岩实验进行了仿真分析与验证，发现SPH仿真结果受算法参数与材料模型参数影响较大，同时材料强度模型与损伤模型的影响存在耦合性。研究结果表明：超高速撞击SPH仿真中，考虑人工应力法可以避免固体冲击仿真中出现的拉伸不稳定性；对于超高速撞击场景，使用Wendland C2核函数并设置光滑长度半径内期望粒子数为2.5，可实现计算精度和效率的兼顾，其计算速度比变分辨率粒子分布方法提升了20倍以上。在地面实验的仿真中，弹丸材料可能发生相变，而玄武岩靶体在不同模型与参数组合下产生了相似的仿真响应结果。建议使用更符合岩石材料力学特性的Lundborg强度模型和Benz-Asphaug概率损伤模型，并考虑相变计算，最终得到参数搜索取值规律，即在反向搜索未知参数时，应以其他参数的合理取值为约束，从而避免较大的参数误差。在保证合理的模型参数情况下，仿真得到的撞击坑尺寸和动量传递因子与实验的误差在10%~20%范围内。相关参数取值方法为开展超高速撞击防御小行星SPH仿真及参数选择提供了依据。
2026, 46(4): 044201.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0503
摘要:
为了满足对爆炸产生的压力荷载进行准确快速预测的需求，提出了一项基于图神经网络（graph neural network, GNN）的爆炸压力时空分布预测人工智能模型：利用开源软件blastFoam进行计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）仿真，并通过网格重映射技术，以空间六面体网格划分为基础，将物理状态信息编写到节点特征中，以此将计算结果转化为标准的图格式数据，并由此建立了一个TNT自由场爆炸数据集和一个TNT密闭空间内爆炸数据集；将GNN模型分别在两个数据集的训练集上进行训练，监测模型在测试集上的均方根误差（σ）和决定系数（R2），并将预测结果与CFD的计算结果进行对比。结果表明，针对自由场爆炸和密闭空间爆炸工况，本文提出的人工智能模型均得到了良好的预测效果。该人工智能模型具有在小样本上提取特征能力强、预测速度快、预测效果好、应用场景多样的优势，并且能够实现在三维空间内对爆炸压力场进行时间和空间维度的预测。
为了满足对爆炸产生的压力荷载进行准确快速预测的需求，提出了一项基于图神经网络（graph neural network, GNN）的爆炸压力时空分布预测人工智能模型：利用开源软件blastFoam进行计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）仿真，并通过网格重映射技术，以空间六面体网格划分为基础，将物理状态信息编写到节点特征中，以此将计算结果转化为标准的图格式数据，并由此建立了一个TNT自由场爆炸数据集和一个TNT密闭空间内爆炸数据集；将GNN模型分别在两个数据集的训练集上进行训练，监测模型在测试集上的均方根误差（σ）和决定系数（R2），并将预测结果与CFD的计算结果进行对比。结果表明，针对自由场爆炸和密闭空间爆炸工况，本文提出的人工智能模型均得到了良好的预测效果。该人工智能模型具有在小样本上提取特征能力强、预测速度快、预测效果好、应用场景多样的优势，并且能够实现在三维空间内对爆炸压力场进行时间和空间维度的预测。
2026, 46(4): 045101.
doi: 10.11883/bzycj-2025-0072
摘要:
为提升防爆墙的抗爆性能，将负泊松比结构与超高韧性水泥基复合材料（ultra-high toughness cementitious composites, UHTCC）结合，并通过爆炸试验与数值模拟相结合的方法，分析负泊松比靶板的抗爆性能，证明UHTCC负泊松比靶板的抗爆优越性。首先，利用混凝土3D打印技术实现负泊松比结构建造，并通过靶板接触爆炸试验结果验证有限元模型的可靠性。在此基础上，利用该有限元模型模拟分析了靶板材料、结构、胞元内凹角及实心层厚度占比等因素对接触爆炸下结构破坏形态与能量消耗的影响。结果表明：(1) 具有高韧性的UHTCC靶板抗爆性能显著优于混凝土靶板；(2) 3种结构中，负泊松比结构板吸能能力最强，实心板更能保持结构的完整性；(3) 当负泊松比胞元内凹角为61°时抗爆性能最优，过小或过大均降低结构抗爆性；(4) 负泊松比结构厚度占靶板总厚度过大时抗爆性能弱，结构破坏严重，可上下层同时或仅背爆面增加实心层厚度，在有效削弱爆炸冲击波、吸收能量的同时，提高结构完整性。研究验证了负泊松比UHTCC板抗爆性能优越性，并为基于负泊松比结构的防爆墙设计提供了理论依据。
为提升防爆墙的抗爆性能，将负泊松比结构与超高韧性水泥基复合材料（ultra-high toughness cementitious composites, UHTCC）结合，并通过爆炸试验与数值模拟相结合的方法，分析负泊松比靶板的抗爆性能，证明UHTCC负泊松比靶板的抗爆优越性。首先，利用混凝土3D打印技术实现负泊松比结构建造，并通过靶板接触爆炸试验结果验证有限元模型的可靠性。在此基础上，利用该有限元模型模拟分析了靶板材料、结构、胞元内凹角及实心层厚度占比等因素对接触爆炸下结构破坏形态与能量消耗的影响。结果表明：(1) 具有高韧性的UHTCC靶板抗爆性能显著优于混凝土靶板；(2) 3种结构中，负泊松比结构板吸能能力最强，实心板更能保持结构的完整性；(3) 当负泊松比胞元内凹角为61°时抗爆性能最优，过小或过大均降低结构抗爆性；(4) 负泊松比结构厚度占靶板总厚度过大时抗爆性能弱，结构破坏严重，可上下层同时或仅背爆面增加实心层厚度，在有效削弱爆炸冲击波、吸收能量的同时，提高结构完整性。研究验证了负泊松比UHTCC板抗爆性能优越性，并为基于负泊松比结构的防爆墙设计提供了理论依据。
2026, 46(4): 045102.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0441
摘要:
为了研究钢筋混凝土（reinforced concrete, RC）墩柱在侧向冲击荷载作用下的动力响应、评估其损伤程度，采用显式动力分析软件LS-DYNA建立RC墩柱侧向冲击的精细化有限元模型；基于RC墩柱侧向冲击试验，验证了有限元模型的有效性；探讨了冲击速度、冲击质量、冲击位置和墩柱轴压比对RC墩柱的动力响应和损伤演变的影响规律；基于剩余承载力和残余位移，提出了相对残余位移和相对剩余承载力指标，确定了RC墩柱发生轻度损伤、中度损伤、重度损伤和倒塌对应的相对剩余承载力值，并建立了不同冲击位置和墩柱轴压比下相对残余位移和相对剩余承载力的映射关系，进而建立RC墩柱损伤评估方法。研究结果表明：RC墩柱在柱中位置遭受冲击的主要表现为弯剪破坏，而柱底位置遭受冲击的主要表现为局部剪切破坏；随着冲击速度和冲击质量的增加，残余位移显著增大，剩余承载力显著下降；轴压比在0.2~0.4范围内对于冲击力和位移峰值的影响有限，但对柱中冲击时的残余位移产生显著影响；柱中位置和柱底位置受侧向冲击时，相对残余位移与相对剩余承载力之间存在着近似线性的关系，相对残余位移越大，相对剩余承载力越小；在相对残余位移相等的情况下，柱底冲击比柱中冲击的相对剩余承载力更低，承载性能下降幅度更大。
为了研究钢筋混凝土（reinforced concrete, RC）墩柱在侧向冲击荷载作用下的动力响应、评估其损伤程度，采用显式动力分析软件LS-DYNA建立RC墩柱侧向冲击的精细化有限元模型；基于RC墩柱侧向冲击试验，验证了有限元模型的有效性；探讨了冲击速度、冲击质量、冲击位置和墩柱轴压比对RC墩柱的动力响应和损伤演变的影响规律；基于剩余承载力和残余位移，提出了相对残余位移和相对剩余承载力指标，确定了RC墩柱发生轻度损伤、中度损伤、重度损伤和倒塌对应的相对剩余承载力值，并建立了不同冲击位置和墩柱轴压比下相对残余位移和相对剩余承载力的映射关系，进而建立RC墩柱损伤评估方法。研究结果表明：RC墩柱在柱中位置遭受冲击的主要表现为弯剪破坏，而柱底位置遭受冲击的主要表现为局部剪切破坏；随着冲击速度和冲击质量的增加，残余位移显著增大，剩余承载力显著下降；轴压比在0.2~0.4范围内对于冲击力和位移峰值的影响有限，但对柱中冲击时的残余位移产生显著影响；柱中位置和柱底位置受侧向冲击时，相对残余位移与相对剩余承载力之间存在着近似线性的关系，相对残余位移越大，相对剩余承载力越小；在相对残余位移相等的情况下，柱底冲击比柱中冲击的相对剩余承载力更低，承载性能下降幅度更大。
2026, 46(4): 045103.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0474
摘要:
为探究地面混凝土垫层对于用于输水的埋地管道的防护机制，通过全尺寸企口式混凝土管道落石冲击现场试验（埋深2 m）结合DH8302动态应变系统与LS-DYNA数值模拟精细化建模，揭示了管道动应变分布规律及垫层参数的影响机制。研究结果表明：在埋深2 m的工况下，受落石冲击时，管身裂缝失稳扩展更易导致企口式混凝土管道发生泄漏；管身峰值拉应变随垫层厚度与强度的增大呈非线性减小，垫层厚度需超过临界值（15 cm）方可显著耗能，且存在强度最优区间（C30~C35），过度提高强度反而会降低防护效能；垫层厚度的防护效能贡献占比达74%，防护设计应遵循“几何优先于材料”原则，建议采用C30~C35强度、厚度不低于0.2 m的混凝土垫层，可大幅降低管道冲击破坏风险。
为探究地面混凝土垫层对于用于输水的埋地管道的防护机制，通过全尺寸企口式混凝土管道落石冲击现场试验（埋深2 m）结合DH8302动态应变系统与LS-DYNA数值模拟精细化建模，揭示了管道动应变分布规律及垫层参数的影响机制。研究结果表明：在埋深2 m的工况下，受落石冲击时，管身裂缝失稳扩展更易导致企口式混凝土管道发生泄漏；管身峰值拉应变随垫层厚度与强度的增大呈非线性减小，垫层厚度需超过临界值（15 cm）方可显著耗能，且存在强度最优区间（C30~C35），过度提高强度反而会降低防护效能；垫层厚度的防护效能贡献占比达74%，防护设计应遵循“几何优先于材料”原则，建议采用C30~C35强度、厚度不低于0.2 m的混凝土垫层，可大幅降低管道冲击破坏风险。
2026, 46(4): 045104.
doi: 10.11883/bzycj-2025-0060
摘要:
钢筋混凝土（reinforced concrete, RC）棚洞是山区公路和铁路设施抗落石冲击的有效原位防护手段，利用LS-DYNA商用有限元软件开展落石冲击无垫层、铺设厚砂垫层以及厚砂-发泡聚乙烯泡沫（expandable polyethylene, EPE）复合缓冲垫层的原型框架T梁式RC棚洞损伤破坏评估的精细化数值模拟分析。首先，建立落石冲击沪昆铁路某原型框架T梁式RC棚洞的精细化有限元模型。其次，通过与落锤（石）冲击无垫层、带砂和EPE垫层RC板试验结果对比，充分验证了数值模拟方法的适用性和可靠性。进一步，对比分析了落石冲击下无垫层、铺设砂和砂-EPE复合垫层棚洞的损伤破坏和动态响应。最后，以落石最大侵入深度达到棚洞顶板与垫层总厚度作为棚洞失效破坏阈值，给出了棚洞失效破坏对应的落石质量与临界冲击速度关系式，实现棚洞防护性能的快速评估。结果表明：(1) 无垫层棚洞的损伤破坏集中于顶板冲击区域，铺设砂垫层以及砂-EPE复合垫层可平均分别降低落石冲击力峰值92.8%和91.6%；(2) 落石冲击速度较小时，砂-EPE复合垫层的缓冲耗能效果优于砂垫层，冲击速度增大后，复合垫层的防护效果不及砂垫层，顶板承受的冲击力和冲击能量较铺设砂垫层分别增大了89.3%和37.8%；(3) 棚洞失效破坏对应的落石临界冲击速度随落石质量增大呈幂函数衰减规律，铺设垫层可使临界冲击速度提高52%~155%，显著提升棚洞的防护性能。
钢筋混凝土（reinforced concrete, RC）棚洞是山区公路和铁路设施抗落石冲击的有效原位防护手段，利用LS-DYNA商用有限元软件开展落石冲击无垫层、铺设厚砂垫层以及厚砂-发泡聚乙烯泡沫（expandable polyethylene, EPE）复合缓冲垫层的原型框架T梁式RC棚洞损伤破坏评估的精细化数值模拟分析。首先，建立落石冲击沪昆铁路某原型框架T梁式RC棚洞的精细化有限元模型。其次，通过与落锤（石）冲击无垫层、带砂和EPE垫层RC板试验结果对比，充分验证了数值模拟方法的适用性和可靠性。进一步，对比分析了落石冲击下无垫层、铺设砂和砂-EPE复合垫层棚洞的损伤破坏和动态响应。最后，以落石最大侵入深度达到棚洞顶板与垫层总厚度作为棚洞失效破坏阈值，给出了棚洞失效破坏对应的落石质量与临界冲击速度关系式，实现棚洞防护性能的快速评估。结果表明：(1) 无垫层棚洞的损伤破坏集中于顶板冲击区域，铺设砂垫层以及砂-EPE复合垫层可平均分别降低落石冲击力峰值92.8%和91.6%；(2) 落石冲击速度较小时，砂-EPE复合垫层的缓冲耗能效果优于砂垫层，冲击速度增大后，复合垫层的防护效果不及砂垫层，顶板承受的冲击力和冲击能量较铺设砂垫层分别增大了89.3%和37.8%；(3) 棚洞失效破坏对应的落石临界冲击速度随落石质量增大呈幂函数衰减规律，铺设垫层可使临界冲击速度提高52%~155%，显著提升棚洞的防护性能。
2026, 46(4): 045201.
doi: 10.11883/bzycj-2025-0290
摘要:
超重力离心模型试验是模拟原型爆炸效应的有效手段，其成功应用依赖于能够复现原状土动力响应的相似土样。针对砂砾土爆炸离心模拟中存在的粒径效应和材料相似性难题，建立了一套系统的相似土样配制与验证方法。通过理论分析，将影响爆炸地冲击效应的关键土性参数聚焦于密度和波速（波阻抗），而控制这些参数的核心是土体的级配特征。采用剔除法、等量替代法、相似级配法和混合法4种缩尺方法制备了12种不同最大粒径的相似土样，通过孔隙比试验和有效围压下的弯曲元测试，揭示了砂砾土极孔隙比与细粒含量、平均粒径的量化关系，进而建立了小应变弹性模量的经验预测模型。通过对比模型预测的波速与原位实测数据，结果表明：不均匀系数、细粒含量和平均粒径是实现砂砾土爆炸动力相似的关键控制指标；采用等量替代法配制的最大粒径为10 mm的相似土样，在上述指标上与原状土最等效。基于此相似土样的超重力离心爆炸试验进一步证实，爆源平面内的归一化峰值加速度衰减规律与原位数据高度一致。通过控制关键级配指标并采用等量替代法，可成功配制出在爆炸动力响应上与原状砂砾土等效的相似材料，从而为相关领域的离心机模型试验提供切实可行的技术途径。
超重力离心模型试验是模拟原型爆炸效应的有效手段，其成功应用依赖于能够复现原状土动力响应的相似土样。针对砂砾土爆炸离心模拟中存在的粒径效应和材料相似性难题，建立了一套系统的相似土样配制与验证方法。通过理论分析，将影响爆炸地冲击效应的关键土性参数聚焦于密度和波速（波阻抗），而控制这些参数的核心是土体的级配特征。采用剔除法、等量替代法、相似级配法和混合法4种缩尺方法制备了12种不同最大粒径的相似土样，通过孔隙比试验和有效围压下的弯曲元测试，揭示了砂砾土极孔隙比与细粒含量、平均粒径的量化关系，进而建立了小应变弹性模量的经验预测模型。通过对比模型预测的波速与原位实测数据，结果表明：不均匀系数、细粒含量和平均粒径是实现砂砾土爆炸动力相似的关键控制指标；采用等量替代法配制的最大粒径为10 mm的相似土样，在上述指标上与原状土最等效。基于此相似土样的超重力离心爆炸试验进一步证实，爆源平面内的归一化峰值加速度衰减规律与原位数据高度一致。通过控制关键级配指标并采用等量替代法，可成功配制出在爆炸动力响应上与原状砂砾土等效的相似材料，从而为相关领域的离心机模型试验提供切实可行的技术途径。
