Page 185 - 《爆炸与冲击》2026年第4期

第 46 卷 王海生，等： 砂砾土中爆炸模型试验相似材料性能测试及配制方法 第 4 期

equal quantity replacement method, similar gradation method, and hybrid method. Through void ratio tests and bender element
testing under effective confining pressure, quantitative relationships were revealed between the extreme void ratios of sandy
gravel and its fines content and mean particle size. Based on this, an empirical predictive model for the small strain elastic
modulus was established. Comparison of the model-predicted wave velocities with in-situ measured data indicates that the
coefficient of uniformity, fines content, and mean particle size are the key controlling indices for achieving dynamic similarity
in sandy gravel under explosion loading. Among these, the simulant prepared by the equal quantity replacement method, with a
maximum particle size of 10 mm, demonstrated the closest equivalence to the in-situ soil in terms of the aforementioned
indices. Hypergravity centrifuge explosion tests using this equivalent simulant further verified that the attenuation law of
normalized peak accelerations within the source plane corresponds highly consistently with the in-situ data. This research
confirms that by controlling key gradation indices and employing the equal quantity replacement method, it is possible to
successfully prepare simulants that are equivalent to in-situ sandy gravel in their dynamic response to explosions. This provides
a practical and effective technical pathway for centrifuge model testing in related fields.
Keywords: gravel soil; explosion effect; wave impedance; analogue soil material; void ratio; elastic modulus; elastic wave
velocity; centrifuge model test

国家重要基础设施建设正向西部复杂地质区及深部地下空间拓展，作为国家总体安全的重要组成
部分，此类工程常面临外来武器打击或偶然爆炸的威胁。地下爆炸效应按其作用机制可分为爆炸成坑
效应和地冲击效应：前者由冲击波反射、空腔膨胀与土体抛掷共同作用形成，可对地表建筑及人员构成
[1]
直接毁伤；后者表现为应力波在土体中的传播，是导致地下结构破坏的主要荷载源 。因此，开展土中爆
炸效应研究，对提升国防安全和重大工程防护能力具有重要的现实意义。
土体作为固-液-气三相组成的非均质介质，其爆炸动力响应具有显著的非线性、应变率敏感性和路
径依赖性，理论建模和数值预测均存在较大的不确定性。尽管现场全尺度爆炸试验能够真实反映爆炸
效应，但其成本高昂、可重复性差，且受土体空间变异性的强烈影响。在此背景下，室内缩尺模型试验成
为经济可行的替代研究手段。与常重力模型试验相比，土工离心模型试验通过高 g 值加速度场复现原
型应力水平 [2-5] ，在满足几何相似的同时实现力学响应相似，具有独特优势。
通常情况下，离心模型试验采用原型土料制样，无需使用替代材料 ，从而减少模型与原型之间的本
[5]
构差异。然而，当模型土体为砂砾土等粗粒料时，模型最小尺寸（B min ）与土粒最大粒径（d max ）之比有限，
导致模型中土颗粒总数或结构-土接触颗粒数远少于原型，土体的不均匀性和离散性凸显，进而影响应
[6]
力-应变响应，该现象称为“粒径效应” 。徐光明等 [7] 指出，为维持土体连续均匀的特性，B /d x 应大
min ma
[9]
[8]
于 23；Craig 与 Ovesen 通过桩基试验发现，当模型结构尺寸为土体平均粒径（d ）的 30～40 倍时，可忽
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略粒径效应的影响；杨俊杰等 [10] 在地基承载力试验中进一步提出，当基础宽度与平均粒径之比大于
233 时，粒径效应的影响不足 1%；杜延龄等 [11] 认为，在离心模型设计时，B /d ma x 大于 20～30 才能基本消
min
除粒径效应的影响。
综上，粒径效应对试验结果的影响程度取决于模型尺寸与土粒粒径的相对比例，该问题在爆炸离心
试验中尤为突出。除模型几何缩尺外，炸药与其他结构物尺寸亦同步缩小，且爆炸应力波在离心场中的
波长缩短为原型的 1/N。在此条件下，大粒径颗粒易形成波阻抗界面，引起应力波反射、折射和能量耗
散，破坏波传播相似性，导致传感器无法准确捕捉真实土体响应。因此，在砂砾土爆炸离心试验中，需对
土料进行级配缩尺；然而，如何定量确定缩尺比例，使得在保留原型力学特性与抑制粒径效应之间取得
平衡，目前仍缺乏共识：缩尺过度将导致模型土与原状土性质差异增大，缩尺不足则无法有效避免粒径
效应干扰。谢述春等 [12] 研究发现，在适当缩尺比例下，原型与模型的爆炸毁伤形态一致，比例过小则导
致显著偏差；徐小辉等 [13] 则指出，相似材料配制中需严格控制粒径与模型尺寸之比。
合理选择缩尺方法是实现定量控制的关键。GB/T 50123–2019《土工试验方法标准》 [14] 推荐的常用

级配缩尺方法有剔除法、等量替代法、相似级配法和混合法。Menq [15] 指出，剔除法会降低不均匀系数

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