Page 189 - 《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

中，试样 D-20 和 D-10 将粒径大于 5 mm 的土粒分别按比例等质量替换 20 和 10 mm 以上的超径粒径颗
粒，试样 D-5 将粒径为 1～5 mm 的土粒按比例等质量替换 5 mm 以上的超径粒径颗粒，该方法对细粒部
分的含量改变较小，由图 2(c) 可以看出，1 mm 以下的各粒径含量与原状土相同；(4) 混合法（H），即先采
用相似级配法按一定比例缩小所有颗粒粒径，再用等量替代法替换超粒径颗粒，因 d =20 mm 的试样，
max
超径含量不足 40%，而粒径 d≥5 mm 的颗粒含量超 30%，不适宜混合法，故未配制试样 H-20；试样 H2-5
采用剔除法、等量替代法和相似级配法 3 种缩尺方法组合得到，如图 2(d) 所示。本文中参照规范 [32] 的粒
组划分：将 d=2 mm 设为土石阈值，粒径在 2 mm 以上的颗粒称为砾石，2 mm 以下称为土，对于砂-砾混合
料，通常将粒径在 2 mm 以下的颗粒的含量称之为细粒含量 [33] 。表 1 中列明了各土样的参数，所有试样
不均匀系数 C ≥5，且曲率系数 C =1～3，均属于级配良好的土。
c
u
需要说明的是，本文中所有试验均在干燥状态下进行，鉴于原状土含水率极低（不足 1%），在试验中
予以忽略。所有相似土样均以筛分后的原状土为原料进行配制，确保了模型与原状土在矿物组分上的
一致性，从而将研究焦点集中于级配缩尺效应本身。

2 孔隙比试验及结果分析

砂砾土由不同粒径的散粒体天然沉积而成，在颗粒形状和构成基本相似的情况下，密度主要受土的
相对密实度 D 支配。相对密实度 D 是影响颗粒土爆炸效应最重要的特性之一，密实度高低会影响爆炸
r
r
空腔的大小和爆炸波的衰减速率。控制缩尺土样与原状土样的相对密实度 D 相同，能够更有效地减小
r
缩尺后土的强度变形特性指标、物理性指标与原状土之间的差异。评价颗粒土的密实度主要根据孔隙
比 e 的大小，但在同一密实度下，不同矿物成分、不同级配和不同粒度成分的颗粒土，其最大孔隙比
e max 、最小孔隙比 e mi n 和孔隙比 e 不尽相同。要量化确定影响土中爆炸效应的参数指标，应当首先掌握影
响颗粒土孔隙比的具体因素。
依据 GB/T 50123–2019《土工试验方法标准》 [14] ，采用锤击振动法测试原状土及缩尺土的最大密度
3
ρ ，采用松填法测得最小密度 ρ ，取天然平均密度 ρ=2.05 g/cm ，计算出原状土的相对密实度 D =0.83，
max min r
根据原状土 D 及各缩尺土样的 ρ max 、ρ mi n 可计算出各缩尺土样制样密度。经室内试验实测，原状土试样
r
比重 G =2.77，含水率不足 1%，因此，忽略含水率对试验结果的影响，取 ρ =0，ρ max =ρ d,max ，ρ =ρ d,min ，分别计
w
s
min
算出各试样的最大孔隙比 e max 、最小孔隙比 e 、初始孔隙比 e ，计算结果见表 1。
min
0
通过对比表 1 中 e max 、e min 、e 与细粒含量 w 的关系，发现当细粒含量在 40%～60% 时，孔隙比参
0
数（e max 、e min 、e ）达到最小值。这一现象表明：在此范围内，粗颗粒与细颗粒的含量达到最优配比，形
0
成紧密的二元组构体系。具体表现为，粗颗粒构成刚性骨架，而细颗粒则充分填充其孔隙空间，两者通
过几何咬合作用形成稳定的密实结构。因此，可将该细粒含量范围的下限（40%）定义为临界阈值 w th [33] ；
当 w＜w 时，细颗粒仅作为孔隙填充相存在于粗颗粒骨架的孔隙中，对整体结构的力学性能贡献有限；
h
t
当 w＞w 时，体系出现明显的相态转变—粗颗粒逐渐失去骨架作用而悬浮于细颗粒基质中，导致孔
h
t
隙体积增大，此时细颗粒成为承担应力的主要骨架相。从图 3(a)～(c) 所示的 e -w、e -w 和 e -w 关
max min 0
系曲线可见，三者均呈现典型的上凹变化趋势，Chang 等 [34] 、杭天柱等 [35] 针对颗粒材料组构演化规律
的研究结果也表现出了类似的规律。这种非线性关系进一步验证了粗细颗粒相互作用存在明显的阈值
效应。
进一步研究表明，试验土样的孔隙比变化不仅受细粒含量控制，还与颗粒平均粒径（d ）存在显著相
50
关性。如图 3(d)～(f) 所示：当 d ＜1.75 mm 时，孔隙比随 d 增大呈单调递减趋势；当 d =1.75 mm 时，孔
0
5
50
50
隙比出现极小值；此后，随着 d 继续增大，孔隙比转而呈递增规律。最小二乘法拟合结果表明，孔隙比
0
5
2
参数与 w 和 d 均存在良好的二次函数关系（R ≥0.94），说明砂砾土的极孔隙比形成机制较传统的砂-粉
0
5
混合土及砂性土更复杂。前人研究 [34-35] 中仅考虑细粒含量单因素影响的简化模型，难以准确描述此类
宽级配土体的孔隙结构演化特征，需建立多参数耦合作用模型才能完整表征其组构特性。
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