周 輝，任輝啟，吳祥云，易 治，黃 魁，穆朝民，王海露

（1. 安徽理工大學(xué)深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001；2. 中國人民解放軍軍事科學(xué)院國防工程研究院，河南 洛陽 471023）

成層式防護結(jié)構(gòu)起源于20 世紀初，是隨著常規(guī)鉆地武器的發(fā)展而出現(xiàn)的一種防護結(jié)構(gòu)型式[1]。典型的成層式防護結(jié)構(gòu)通常由偽裝層、遮彈層、分散層和主體結(jié)構(gòu)四部分組成，如圖1 所示，其中遮彈層主要使彈體發(fā)生屈曲、滯速、偏轉(zhuǎn)和碎裂[2-3]，從而迫使高速侵徹的彈體在遮彈層內(nèi)爆炸而不至于直接接觸或穿透結(jié)構(gòu)。然而，面對現(xiàn)代化常規(guī)鉆地武器高速度、高精度和高強度的打擊，即使遮彈層能夠有效攔截侵徹戰(zhàn)斗部，迫使其在主體結(jié)構(gòu)表面爆炸，但爆炸產(chǎn)生的強沖擊波直接作用于主體結(jié)構(gòu)時仍會產(chǎn)生巨大的安全威脅，此時確保爆炸高壓力峰值作用下工程主體不被破壞以及如何把強烈的震動降低到人員和儀器設(shè)備的容許值以下是亟待解決的問題。為此，可在遮彈層與主體結(jié)構(gòu)之間鋪設(shè)分散層[4-5]（亦稱回填層/犧牲層/分配層），相比于增加主體結(jié)構(gòu)厚度等防護措施，該方法是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)較佳抗爆性能更經(jīng)濟和更有效的技術(shù)途徑[6-7]。分散層的具體功能體現(xiàn)在：借助各防護層層間存在波阻抗失配效應(yīng)，層間將發(fā)生波的反射和透射，從而改善爆炸波向下層結(jié)構(gòu)傳播的能量占比、延長應(yīng)力波的傳播路徑；在空間維度上，由于分層界面的存在，除了產(chǎn)生前行的壓縮波和剪切波外，還將產(chǎn)生沿分層界面?zhèn)鞑サ拿娌ǎ瑥亩鴮⒈óa(chǎn)生的局部荷載快速分散到更大面積上，改善荷載不均布狀態(tài)；在時間維度上，通過分散層自身發(fā)生不可逆塑性變形從而在有限厚度內(nèi)快速吸收、消化沖擊波，將高峰值的強瞬態(tài)沖擊波耗散為低峰值、有較長上升沿的弱沖擊波，降低傳遞到被保護結(jié)構(gòu)層表面的沖擊波強度；增大結(jié)構(gòu)阻尼，改善結(jié)構(gòu)層內(nèi)部的震動效應(yīng)。因此，開展分散層的相關(guān)研究始終是防護工程領(lǐng)域重點關(guān)切的課題，對提高成層式結(jié)構(gòu)的抗爆性能具有重要的現(xiàn)實意義。

圖1 典型的成層式防護結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of typical multilayer protective structure

關(guān)于分散層的研究，前期主要集中在分散層的材料選型上，而后發(fā)展到結(jié)合結(jié)構(gòu)型式的改變以提高分散層的防護效能。本文中以分散層材料和結(jié)構(gòu)型式為線索，對分散層的相關(guān)研究成果進行歸納梳理，分析分散層材料物性參數(shù)、分層介質(zhì)間波阻抗失配程度、分散層厚度、含水率及單元形狀規(guī)格對防護效能的影響，在此基礎(chǔ)上提出分散層的選型及設(shè)計原則，并就分散層研究目前存在的一些問題和未來的發(fā)展趨勢進行探討。

1 不同分散層材料的防護效能

1.1 砂、土分散層

長期以來，防護結(jié)構(gòu)中采用的回填材料主要以砂、土等就便材料為主。國內(nèi)外已開展的大量砂土介質(zhì)中爆炸地沖擊傳播衰減規(guī)律試驗[8-11]表明隨著傳播距離的增加，不同性質(zhì)的砂、土介質(zhì)中應(yīng)力波的能量損耗占比和衰減速率存在較大差別。地沖擊作用下不同類型砂、土的物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示，其中衰減指數(shù)n是表征介質(zhì)衰減應(yīng)力波強度能力大小的重要指標，n越大，表明經(jīng)過該分散層介質(zhì)后到達被保護結(jié)構(gòu)迎爆面上的作用力越小。對于常規(guī)的砂、土材料，其衰減指數(shù)在1.5～3.5 之間，相比之下，含水率低、粒度適中、級配良好的砂、土消波吸能效果更佳。

表1 爆炸地沖擊作用下介質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)[9-10]Table 1 Physical and mechanical parameters of the medium under the ground impact of explosion[9-10]

砂、土具有多孔、松散的特征，其在動荷載下的變形機制[8]主要包括：首先，顆粒骨架以及顆粒間的黏結(jié)力會抵抗變形，表現(xiàn)為彈性階段；然后隨著壓力的增大，顆粒間的固有結(jié)構(gòu)被破壞產(chǎn)生滑移、錯位、甚至顆粒破碎等現(xiàn)象，表現(xiàn)為塑性；隨著擠壓的進一步進行，顆粒間重新組合得更緊密，呈三向壓縮狀態(tài)。在壓縮波作用下，砂、土產(chǎn)生的顆粒不可逆塑性變形所引起的能量損耗以及顆粒間滑移、錯位摩擦耗能使得爆炸波經(jīng)過砂、土介質(zhì)后能得到一定程度上的衰減。常規(guī)的砂、土材料在取材便捷、成本低廉方面表現(xiàn)出突出的優(yōu)勢，且具備一定的消波能力，現(xiàn)階段分散層仍以該類材料為主。但其存在著抗靜載能力低、吸水性強、蠕變值大等缺陷，因此會在很大程度上限制成層式結(jié)構(gòu)的防護效能。

1.2 輕質(zhì)混凝土分散層

1.2.1 多孔混凝土

多孔混凝土主要包括泡沫混凝土和加氣混凝土，以泡沫混凝土為代表，其作為具有一定強度的土木工程材料，抗靜載能力和抗爆性能優(yōu)于砂、土[12-13]。泡沫混凝土抗靜載能力主要受配合比、密度和泡孔結(jié)構(gòu)（類型、大小、壁厚、形狀、分布）等因素影響。關(guān)于其消波耗能特性，表2 中羅列了部分文獻中鋪設(shè)泡沫混凝土后結(jié)構(gòu)層動態(tài)響應(yīng)參數(shù)峰值的衰減情況，由于試驗工況不同，且試驗結(jié)果受材料屬性、裝藥方式及藥量、結(jié)構(gòu)型式等多種因素影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層動態(tài)響應(yīng)參數(shù)峰值衰減率不盡相同，甚至相差較大，但可以看出鋪設(shè)泡沫混凝土夾層使得到達結(jié)構(gòu)表面的壓力、加速度、速度峰值以及結(jié)構(gòu)的形變量均有所降低。

表2 鋪設(shè)泡沫混凝土分散層后結(jié)構(gòu)層動態(tài)響應(yīng)參數(shù)峰值衰減率Table 2 Peak attenuation rate of dynamic response parameters of protection structure with foam concrete

泡沫混凝土內(nèi)含大量開孔和閉孔結(jié)構(gòu)，一方面導(dǎo)致其內(nèi)部分布有無數(shù)自由面，應(yīng)力波會在自由面上發(fā)生多次反射、繞射和折射[15]，延長了應(yīng)力波的傳播路徑；另一方面，不規(guī)則分布的微小氣孔類似于許多小彈簧，增強了泡沫混凝土的不可壓縮性。泡沫混凝土壓縮狀態(tài)下典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2 所示，可劃分為3 個階段：（1）線彈性階段，此時胞壁結(jié)構(gòu)只是發(fā)生小撓度的彈性彎曲，會將部分沖擊能量轉(zhuǎn)化為彈性能，且孔洞被絕熱壓縮吸收部分能量；（2）塑性屈服（應(yīng)力平臺）段，孔壁逐層發(fā)生塑性塌落或脆性破碎；（3）壓實段，此時胞壁互相接觸出現(xiàn)密實化，應(yīng)力隨著應(yīng)變快速增加[20]。塑性壓縮過程是泡沫混凝土塑性力學(xué)行為的主要特征，而在導(dǎo)致應(yīng)力波衰減的諸多因素中（如基體材料本身的塑性耗散、彈塑性卸載波追趕卸載耗能等），孔隙坍塌壓實效應(yīng)起主導(dǎo)作用[21]。趙凱等[22]建立了一種可以描述泡沫混凝土中孔隙壓實過程的本構(gòu)模型，發(fā)現(xiàn)孔隙的存在使得傳播的應(yīng)力波峰值幾乎呈指數(shù)狀衰減。而且該類材料具備應(yīng)變率效應(yīng)，在動態(tài)壓縮過程中實際上耗散的爆炸能量要高于其在準靜態(tài)壓縮過程中消耗的能量[23]。此外泡沫混凝土的耗能能力還與其受力狀態(tài)相關(guān)，隨著圍壓的增強其強度和屈服后殘余強度逐漸提高，應(yīng)力應(yīng)變曲線由應(yīng)變軟化逐漸向應(yīng)變硬化轉(zhuǎn)變，吸能效果提升[24]。針對多孔混凝土強度較低、吸水性強等問題可能導(dǎo)致吸能效果減弱，Wang 等[25]提出將碳纖維增強樹脂復(fù)合材料面板外貼于多孔混凝土板以增強其抗爆性能，但面板受到剪切、拉伸破壞或脫黏時可能會失去作用，噴射聚脲涂層則能較好解決這一弊端[26]?，F(xiàn)階段，由于多孔混凝土具備造價低廉、原材料來源廣泛、環(huán)境友好等優(yōu)點，且表現(xiàn)出優(yōu)質(zhì)的吸能減震特性，已被應(yīng)用于高抗力防護結(jié)構(gòu)的分散層中。針對其存在強度較低、易吸水等缺陷，研發(fā)孔隙率更高且抗靜載能力更強、防水抗?jié)B、環(huán)境適應(yīng)能力強的高性能多孔混凝土很有必要。

圖2 準靜態(tài)壓縮下泡沫混凝土典型的應(yīng)力應(yīng)變曲線示意圖Fig. 2 Typical stress-strain curves of foam concrete under quasi-static compression

1.2.2 輕骨料混凝土

除多孔混凝土外，新型輕骨料混凝土的消波性能也日益受到關(guān)注。輕骨料的加入能提高混凝土的韌性和塑性，破碎時耗能效果得到增強[27]。具有代表性的如聚苯乙烯泡沫（expanded polystyrene，EPS）混凝土，EPS 材料本身具備優(yōu)質(zhì)的緩沖吸能能力[28]，但單純應(yīng)用于分散層時會存在強度和剛度過小等問題，難以承受上層結(jié)構(gòu)施加的靜荷載。相比之下EPS 混凝土具有較高的強度，而強度高低與顆粒級配、粒徑尺寸、體積摻量等因素有關(guān)，具體表現(xiàn)為：EPS 體積摻量越大，混凝土密度越小，抗壓強度越低[29-31]；當EPS 混凝土密度相同時，EPS 顆粒尺寸越大，混凝土的抗壓強度越小[32]。為驗證EPS 混凝土的防護效能，Zhao 等[14]對比分析了爆炸荷載下有無EPS 混凝土犧牲層時隧道襯砌表面的應(yīng)力峰值和速度，認為EPS 混凝土的緩沖減震作用主要受益于EPS 顆粒的柔韌性和水泥基質(zhì)的損傷。且水泥基體和EPS 材料之間的摻量達到一定比例時，其吸能效能才能得到最佳發(fā)揮[33-34]。與普通混凝土相比，EPS 混凝土失效速度慢，這種逐層失效的模式可有效提高混凝土材料的消波吸能能力[35-36]，且其吸能特性具有明顯的應(yīng)變率相關(guān)性[34]。在一定范圍內(nèi)，隨著EPS 摻量的增加，混凝土阻尼比增大[37]，EPS 混凝土破壞過程由準脆性破壞向延性破壞或擠壓流動破壞轉(zhuǎn)變，材料失效的終止應(yīng)變大大延長，減震效果越好；但摻量超過臨界值時其塑性變形能力下降，主要原因可能在于摻量過大時離析現(xiàn)象嚴重，從而導(dǎo)致其內(nèi)部孔腔結(jié)構(gòu)不均勻性加劇，韌性降低。目前關(guān)于EPS 混凝土抗爆防護性能研究大都是基于數(shù)值模擬得到的，現(xiàn)階段在分散層中并未得到大范圍推廣應(yīng)用，主要原因是EPS 混凝土的制作工藝還不是很成熟。首先，EPS 材料質(zhì)輕，攪拌成型時容易產(chǎn)生離析；其次，EPS 具有憎水性，導(dǎo)致其與水泥砂漿界面黏結(jié)力弱。因此，對EPS 混凝土的研究主要還是停留在配合比等設(shè)計上[38]，制得的EPS 混凝土綜合性能不夠理想，改性技術(shù)及外加劑性能的提升還需進一步發(fā)展。

除EPS 材料作為輕骨料外，利用其他人造輕骨料（主要為粉煤灰陶粒、頁巖陶粒、板巖陶粒、黏土陶粒、橡膠等）、天然輕骨料（主要為浮石、蛭石、珍珠巖、火山渣等）和工業(yè)廢渣（主要為爐渣、煤矸石等）配制的輕骨料混凝土同樣具有波阻抗小、耐久性好、質(zhì)輕高強的優(yōu)點，而且輕骨料內(nèi)均含有大量孔隙，有助于其消波吸能性能的發(fā)揮。但盡管如此，輕骨料混凝土作分散層使用時其能量耗散能力還是要遜色于多孔混凝土，相比之下多孔混凝土具有更高的孔隙率、更小的波阻抗和更大的壓實應(yīng)變，因此爆炸波作用于該類分散層時能反射、吸收更多的能量。

1.3 空氣夾層類分散層

隨著防護工程抗力要求的提高，以空氣夾層替代常規(guī)實體材料類分散層的設(shè)計思想被提出[39]。當結(jié)構(gòu)距離爆心的比例爆距較小時，采用空氣夾層時到達結(jié)構(gòu)表面的沖擊波強度和結(jié)構(gòu)整體震塌破壞程度較等厚度常規(guī)鋼筋混凝土層和普通砂土層均有明顯的降低[40-42]，且爆炸波在空氣分散層中的傳播表現(xiàn)為比例爆距越小，消波效果越顯著[43]，可有效降低成層式結(jié)構(gòu)的埋深。隨著分散層厚度[44]/距爆心比例爆距[43]的增加，雖然經(jīng)過空氣層或砂土分散層后到達結(jié)構(gòu)表面上的應(yīng)力峰值相當，空氣層對下部結(jié)構(gòu)也不能發(fā)揮明顯的均布荷載作用[45]，但若適當增加空氣夾層的高度便可將其作為配套車庫使用，大幅提高土地的利用率。

與常規(guī)實體工程材料類成層式結(jié)構(gòu)相比，空氣夾層成層式結(jié)構(gòu)的防護原理存在較大區(qū)別。前者更多地依靠材料自身不可逆塑性變形實現(xiàn)能量的耗散與吸收，而空氣夾層一方面為遮彈層變形創(chuàng)造了更加自由的空間，可充分利用遮彈層的變形和破壞來消耗能量；另一方面從應(yīng)力波的傳播機制出發(fā)，空氣分散層的存在阻隔了大部分向下傳播的爆炸能量，且只能發(fā)生波的衍射[6]，從而使得波形彌散，延長了爆炸波傳播的距離和時間，使得爆炸波在傳播過程中得到充分的耗散和削弱?？諝鈯A層成層式結(jié)構(gòu)破壞演化過程示意如圖3 所示，首先炸藥在遮彈層內(nèi)爆炸形成由爆心壓縮損傷區(qū)、表面的拉伸層裂區(qū)及中間爆炸載荷驅(qū)動作用區(qū)組成的漏斗坑；隨著爆炸壓縮波傳播至遮彈層底部自由面時將發(fā)生反射形成拉伸波，而遮彈層材料抗拉強度一般較低，一旦所受拉應(yīng)力滿足動態(tài)斷裂準則時會引起遮彈板下部開裂，當裂縫足夠大時剝落的裂片便會以一定的動能飛離；最后剩余的壓縮波通過空氣夾層衰減后直接作用于結(jié)構(gòu)層頂面，可能會導(dǎo)致被保護結(jié)構(gòu)的整體彎曲變形和破壞。遮彈層震塌剝落的混凝土塊對結(jié)構(gòu)沖擊引起的整體動態(tài)響應(yīng)可以忽略，但仍能造成一定的局部破壞，因此有必要采取在結(jié)構(gòu)層上部鋪設(shè)一定厚度的砂墊層或在結(jié)構(gòu)下表面黏貼鋼板等措施，從而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的最佳保護。但由于空氣夾層成層式結(jié)構(gòu)實際應(yīng)用時仍存在施工困難、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性難以保障等問題，導(dǎo)致其目前應(yīng)用受到限制，僅小范圍使用于永備筑城工事等小型防護結(jié)構(gòu)中。

圖3 空氣夾層成層式結(jié)構(gòu)破壞演化過程示意圖Fig. 3 Failure evolution process of the multilayer protection structure with an air distribution layer

在實體結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌入一系列孔穴相比于純粹的空氣層是一項更加切實可行的舉措，李永池等[46]指出孔穴的繞射與屏蔽效應(yīng)使得應(yīng)力波經(jīng)過孔穴結(jié)構(gòu)后應(yīng)力波峰值大幅度降低。實際上，爆炸產(chǎn)生后應(yīng)力波原本會沿著傳播路徑不受干擾的向下層結(jié)構(gòu)中傳播，但當其遇到孔穴時會向波源方向產(chǎn)生有利的反射卸載波，與此同時，向下層結(jié)構(gòu)傳播的應(yīng)力波傳播路線也會發(fā)生偏移。雖然在孔穴附近會產(chǎn)生應(yīng)力集中，但爆炸波與孔穴任意一點發(fā)生作用時，該點便相當于一個新的爆炸波源，而由該點在任意方向上發(fā)射的“繞射波”或“散射波”會互相干涉、疊加[47]，從而使得孔穴后方的應(yīng)力波強度大幅衰減。試驗研究[48]也表明孔穴越大、排列越緊密，消波效果越顯著。但含孔穴的分散層具有與硬脆性材料同樣的缺點，即結(jié)構(gòu)強度會隨著孔穴大小和數(shù)量的增加而降低，因此孔穴設(shè)計與結(jié)構(gòu)強度之間如何實現(xiàn)最優(yōu)配置需要權(quán)衡。

1.4 泡沫陶瓷分散層

泡沫陶瓷空殼顆粒材料是以多孔泡沫陶瓷作為母體形成的薄壁球殼結(jié)構(gòu)組元，具備低密度、低波阻抗、耐腐蝕、有一定機械強度和良好的緩沖吸能特性。多次野外大比尺集團裝藥試驗結(jié)果[49]均表明空殼顆粒材料構(gòu)成的分散層消波防護效果優(yōu)于常規(guī)的黃沙分散層。相比于黃沙，空殼顆粒材料作分散層時其上部遮彈層變形和破壞更為嚴重[50]，意味著反射耗散了更多的能量，試驗結(jié)果也表明使用空殼顆粒材料時到達結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)力峰值可多衰減40%以上。一方面，母體泡沫陶瓷為應(yīng)變率敏感材料[51]，高應(yīng)變率加載時極限應(yīng)變較大，在孔穴壓實變形的不可逆過程中耗散大量能量；另一方面，空殼顆粒分散層兼具母體材料微孔隙、殼內(nèi)空穴和單元殼體間空穴三重隔離繞射消波性能，能充分發(fā)揮三維的交替波阻抗梯度效應(yīng)反射更多的爆炸能量。盡管空殼顆粒分散層具有較好的吸波耗能效果，但其強度較低，不利于防護結(jié)構(gòu)的整體強度和使用年限。為此，孫曉旺等[52]提出了一種內(nèi)襯聚氯乙烯球殼，外裹泡沫陶瓷殼體的新型空殼顆粒復(fù)合材料，其作分散層時相比于黃沙可使應(yīng)力峰值額外降低約50%，且到達結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)力波上升沿增大，脈寬增加，波形彌散明顯。為進一步提高空殼顆粒材料的抗爆性能，張春曉等[53]提出一種高黏彈瀝青與泡沫陶瓷球殼復(fù)合板材分散層，通過化爆試驗得到其地沖擊衰減系數(shù)n為4.15～4.2，遠高于常規(guī)砂土。空殼顆粒類材料作分散層具有成本低廉、生產(chǎn)及施工工藝簡單、防護效能好等優(yōu)勢，實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)后可考慮進行大幅推廣應(yīng)用。

1.5 高分子材料分散層

1.5.1 高分子泡沫塑料

高分子泡沫塑料作為典型的減震緩沖材料，按柔韌性可分為軟質(zhì)、半硬質(zhì)和硬質(zhì)，作分散層使用時硬質(zhì)泡沫塑料更具可行性。其中硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料（polyurethane foam，PUF）發(fā)展最早，因此得到了廣泛的關(guān)注。Sevin[54]通過試驗驗證了硬質(zhì)PUF 和不同密度的干燥無黏性砂回填層可用于減輕爆炸地沖擊的影響。徐暢等[55]、Mazek 等[56]、De 等[57]通過數(shù)值模擬驗證了硬質(zhì)PUF 能夠較好的緩和沖擊、減弱震蕩和削弱到達結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)力幅值。陳網(wǎng)樺等[58]對比分析了PUF 和空氣的隔爆緩沖性能，指出上述兩種介質(zhì)在衰減沖擊波優(yōu)越能力方面存在一厚度臨界值dc，當介質(zhì)厚度d＜dc時，空氣的隔爆能力要優(yōu)于PUF；當介質(zhì)厚度d＞dc時，隨著厚度的增加，PUF 的隔爆性能優(yōu)勢越突出。爆炸荷載下高分子泡沫塑料減震緩沖機制與胞元內(nèi)所包含流體的黏性流動滯后效應(yīng)和聚合物變形滯后效應(yīng)等因素有關(guān)，而其吸能特性主要通過泡孔破裂和壓碎來實現(xiàn)。為增強PUF 的強度，Mostafa 等[59]通過添加砂粒和表面活性劑以改進PUF 材料的配合比，試驗結(jié)果表明增強PUF 板的消波減震能力可得到有效提升；Codina 等[60]提出并探究了利用鋼筋網(wǎng)增強的PUF 復(fù)合材料砌塊犧牲層對鋼筋混凝土柱的防護效果，發(fā)現(xiàn)其可使混凝土柱的最大撓度降低20%。其它類型的泡沫塑料在材料力學(xué)屬性上略有區(qū)別，但擁有相似的胞元構(gòu)造型式和低阻抗特性，因此同樣具備優(yōu)質(zhì)的吸能減震特性。選用何種泡沫塑料作分散層時，應(yīng)從材料抗靜壓強度、消波吸能特性和成本造價等方面綜合考慮。

1.5.2 橡膠

美國工程研究協(xié)會等單位給陸軍工兵部隊的一份關(guān)于地下爆炸試驗項目的報告[61]中曾建議應(yīng)選用一種低密度材料作分散層，隨后這一建議在代號為“Operation plumbbob”的項目[62]中被采納，綜合考慮材料剛度和靜承載力方面后選取了砂土和橡膠作為分散層，試驗表明上述材料可有效隔離和保護下部結(jié)構(gòu)免受附近劇烈地沖擊運動的影響。橡膠類高聚物具備低阻抗、高阻尼和黏彈性等力學(xué)性能，表現(xiàn)出良好的吸能、隔震特性，能夠降低爆炸應(yīng)力波峰值、延長應(yīng)力波的升壓時間[63]。橡膠類黏彈性阻尼材料在受到一次外力沖擊時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4 所示，其中滯回環(huán)（OABD）面積代表所耗散的能量。該類材料本質(zhì)上是一團不規(guī)則的大分子鏈段聚合物，在壓縮（OAB段）與回彈恢復(fù)變形（BCD段）過程中，通過克服鏈段間內(nèi)摩擦做功將輸入的能量部分轉(zhuǎn)化為熱能耗散出去，從而實現(xiàn)吸能特性。Chen 等[64-67]研究了橡膠保護層的密度、可壓縮性、非線性彈性和黏性等因素對結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的影響：隨著橡膠層密度的增大，應(yīng)力波峰值會在一定程度上增加，但結(jié)構(gòu)整體和局部的動態(tài)響應(yīng)會降低；可壓縮性弱和剛度大的橡膠層雖然會降低結(jié)構(gòu)的局部變形，但會使結(jié)構(gòu)的高頻響應(yīng)上升；黏性大的橡膠層可降低結(jié)構(gòu)總體和局部的高頻響應(yīng)。橡膠與硬質(zhì)泡沫塑料等高聚物類似，具有良好的抗蠕變性能、親水能力低、加工成型容易等優(yōu)勢，但橡膠類高聚物的綜合防護效果弱于多孔的硬質(zhì)泡沫塑料[68]。在剪切模量相當?shù)那闆r下，橡膠的減震效果同樣弱于多孔混凝土[24]。

圖4 黏彈性阻尼材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及分子鏈的變化[69]Fig. 4 Stress-strain curve of viscoelastic damping material and the change of corresponding molecular chains[69]

與常規(guī)砂、土等工程材料構(gòu)成的分散層相比，高分子材料分散層達到等效的防護效果時鋪設(shè)厚度小，對于淺埋工事而言工程開挖回填時間成本小，綜合經(jīng)濟效益會更高。但另一方面高分子泡沫塑料普遍存在抗靜載能力偏低、環(huán)境不友好等問題，橡膠也存在耐腐蝕性差易老化導(dǎo)致使用年限短等問題，因此目前高分子材料分散層實際應(yīng)用相對較少，并未進行推廣。

1.6 金屬基分散層

1.6.1 薄壁柱殼

利用具備一定強度且厚度較小的鋼、鋁等金屬薄壁柱殼替代孔穴能較大增強分散層的相對強度，且柱殼體的防護效能優(yōu)于孔穴[70]。圖5 為軸向鋪設(shè)的薄壁柱殼分散層示意圖，軸向受壓時，薄壁柱殼壓潰變形模式可分為圓環(huán)模式、磚石模式、混合模式和整體歐拉失穩(wěn)模式[71-72]，如圖6 所示，具體的失效模式取決于其幾何尺寸（壁厚、管徑、長度）和材料力學(xué)性能，而能量吸收特性與薄壁材料類型、結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、內(nèi)外邊界約束條件等因素密切相關(guān)[73]。盡管軸向受壓時薄壁柱殼屈曲變形較大，能吸收更多的能量，但易出現(xiàn)荷載的起伏波動和較大的峰值荷載[74]，給被保護的結(jié)構(gòu)層造成嚴重毀傷。為盡量避免此類現(xiàn)象的產(chǎn)生，一方面可通過在柱殼兩端采取某些觸發(fā)機制（如將柱殼兩端削薄或?qū)⒐鼙谳p微預(yù)彎）、引入初始膨脹、施加邊界約束等措施以降低峰值應(yīng)力水平[75-76]；另一方面，將薄壁柱殼水平放置使其側(cè)向受壓也能較好克服這一問題。

圖5 薄壁柱殼分散層示意圖Fig. 5 The distribution layer consisting of thin-walled tubes

薄壁柱殼在側(cè)向受壓時變形則主要是通過在柱殼周圍產(chǎn)生塑性鉸線并產(chǎn)生運動形成，能量耗散主要通過塑性鉸轉(zhuǎn)動完成。其變形大致分為彈性變形、塑性變形和柱殼內(nèi)壁接觸三個階段，變形過程中的壓潰力-位移曲線存在較長的平臺段，意味著薄壁柱殼體在爆炸荷載作用下能產(chǎn)生較大塑性變形甚至韌性斷裂，同時中空柱殼內(nèi)的孔穴也能很好地發(fā)揮屏蔽繞射作用，從而耗散大量能量。在側(cè)向爆炸荷載作用下，柱殼的消波性能與柱殼的直徑成正相關(guān)，直徑越大，變形行程越長；與柱殼間間距和其距離被保護結(jié)構(gòu)的高度成負相關(guān)，進一步，柱殼結(jié)構(gòu)相對被保護結(jié)構(gòu)的位置存在一臨界最佳高度，當高度降至臨界最佳高度以下時，會引起被保護層上方的應(yīng)力不均勻性增加[77]。柱殼層間堆砌方式對消波防護性能存在一定的影響，防護效果從優(yōu)至劣依次為：密集排列、錯開叉排排列、對齊順排排列[47,77]。盡管如此，仍需指出的是，單純利用薄壁柱殼作分散層時在減震方面表現(xiàn)不佳。

1.6.2 金屬泡沫

不同空間尺度下金屬泡沫的結(jié)構(gòu)特征如圖7 所示，其兼具金屬和多孔材料的特性，如比強度較高、體密度小、孔隙率高等。金屬泡沫根據(jù)金屬基的不同又可分為泡沫鋁、泡沫鎳、泡沫銅、泡沫鑄鐵、泡沫鋁合金等，其中泡沫鋁成本較低，是最早提出也是目前發(fā)展最成熟、最具應(yīng)用潛力的金屬泡沫。泡沫鋁用作抗爆材料最初僅在金屬泡沫設(shè)計指南[78]中被簡單提及，Hanssen 等[79]通過試驗對其防護性能進行了驗證，爆炸荷載作用下泡沫鋁變形行為的解析解和LS-DYNA 計算結(jié)果也均表明泡沫鋁與結(jié)構(gòu)接觸面上的應(yīng)力水平是恒定的，且等于泡沫鋁的破碎應(yīng)力，遠低于近區(qū)爆炸荷載壓力值，因此泡沫鋁可有效地對結(jié)構(gòu)進行局部保護。金屬泡沫的準靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線和其他多胞材料類似，可劃分線彈性階段、應(yīng)力平臺段和壓實段，其中應(yīng)力平臺段由胞壁彈性屈曲、塑性坍塌或脆性斷裂三種失效方式中的某一種所控制[80]，正是由于這一階段的存在，材料能以恒定的應(yīng)力水平吸收較大的能量。泡沫鋁衰減爆炸波的作用機理除材料自身的本構(gòu)黏性效應(yīng)外，還與卸載波的追趕效應(yīng)有關(guān)[81]。程和法等[82]指出沖擊波在泡沫鋁中傳播時其峰值大小與傳播距離呈指數(shù)衰減關(guān)系，傳播速度與傳播距離呈線性衰減關(guān)系。大量試驗和數(shù)值模擬研究[83-88]也表明：鋪設(shè)泡沫鋁分散層可有效吸收爆炸能量，使得到達結(jié)構(gòu)表面的荷載峰值大大減小且分布更加均勻，結(jié)構(gòu)層撓度變形也大為降低。當然，金屬泡沫對結(jié)構(gòu)層的保護效果不僅僅取決于吸能材料本身的屬性，還與施加的爆炸荷載強度和結(jié)構(gòu)層自身物性參數(shù)有關(guān)[89-90]。相比于薄壁柱殼，金屬泡沫材料各向同性、具有較大的壓縮應(yīng)變，且應(yīng)力平臺穩(wěn)定；相比于高分子聚合物泡沫塑料，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出更高的應(yīng)力平臺，因此具有更強的耗能消波能力。

圖7 不同空間尺度下金屬泡沫的結(jié)構(gòu)特征Fig. 7 Structural features of metal foams at different spatial scales

金屬基分散層作為功能（吸能減震）和結(jié)構(gòu)（具有一定承載力）一體化的新型材料，在工程防護領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但另一方面金屬材料對使用環(huán)境的要求較為苛刻，而地下防護工程長期處于潮濕的環(huán)境，金屬易發(fā)生氧化、腐蝕，因此金屬基分散層僅小幅應(yīng)用在地面場景。此外由于金屬泡沫工程造價過于高昂，將其大體量應(yīng)用于分散層不合實際，目前僅在特殊工事中重要部位的防護才會加以考慮。

1.7 超材料

近年來，關(guān)于超材料的研究蓬勃發(fā)展，其中具有代表性可作為分散層材料使用的氣凝膠被稱為21 世紀可改變世界的多功能超輕材料，具有高度互連的納米多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，密度變化范圍為1～500 kg/m3，其內(nèi)部充斥大量空氣，孔隙率高達80%～99.8%[91]。沖擊波在氣凝膠中的傳播速度極低，最小波阻抗可達103kg/(m2·s)。Katti 等[92]探究了氣凝膠的靜態(tài)力學(xué)性能，其在應(yīng)變達到40%時才開始進入應(yīng)變硬化階段，具備緩沖吸能的潛質(zhì)；Luo 等[93]指出氣凝膠存在明顯的應(yīng)變率強化效應(yīng)。氣凝膠的黏性耗散效應(yīng)使得爆炸波傳播時出現(xiàn)衰減和彌散現(xiàn)象，據(jù)英報道，6 mm 厚氣凝膠覆蓋層便可使金屬板在1 kg 炸藥爆炸作用下免受沖擊毀傷，楊杰等[94-95]也對其消波防護效果進行了驗證，并指出沖擊波在氣凝膠中傳播時隨著傳播距離的增加呈指數(shù)衰減。相比于泡沫鋁，沖擊波在二氧化硅氣凝膠中的衰減速率更高，這主要得益于氣凝膠內(nèi)部獨特的納米多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[95]，其次卸載波在氣凝膠中的追趕卸載效應(yīng)也更為明顯[96]。氣凝膠及其制品于2018 年被國家統(tǒng)計局納入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，擁有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。但是常規(guī)氣凝膠內(nèi)部骨架是由弱連接的納米顆粒組成，因此存在強度低、脆性大等缺陷，而作為分散層材料需具備一定的抗靜載能力。為解決這一問題，可采取添加適量的纖維、顆粒等增強體或進行適當?shù)睦匣蜔崽幚淼却胧97]。關(guān)于將氣凝膠作為成層式防護結(jié)構(gòu)中的分散層進行應(yīng)用現(xiàn)目前還處在初步的可行性論證階段，主要原因在于氣凝膠存在生產(chǎn)程序復(fù)雜、加工時間長、成本高昂等問題，因此制約了其在成層式防護結(jié)構(gòu)分散層中的實際應(yīng)用。

2 不同結(jié)構(gòu)型式分散層的防護效能

2.1 不同材料多層疊加結(jié)構(gòu)

遮彈層與分散層界面之間的波阻抗不匹配會導(dǎo)致能量與動量分配比發(fā)生改變，同樣，當分散層采取不同材料進行多層設(shè)計時，分散層自身界面間將發(fā)生波的透、反射，使得傳播至結(jié)構(gòu)層的能量占比降低。此外，透反射次數(shù)的增加還可大幅延長應(yīng)力波的傳播路徑，在該行程中爆炸能量得到大幅衰減。試驗研究[77,98]也表明，分散層分層設(shè)計時到達支撐結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)力峰值、爆炸沖量均小于分散層單層設(shè)計的工況。且當分層材料和各材料的厚度不變時，采用周期循環(huán)布置對波的彌散衰減效果更為顯著。王超申等[99]進一步指出，每一周期內(nèi)材料按波阻抗遞增順序排列消波性能優(yōu)于按波阻抗遞減排列。需要說明的是，在分散層總厚度不變的情況下，并非分層層數(shù)越多越好[100]。實際上當分散層中單層厚度過小時，無論各層介質(zhì)間波阻抗如何失配，多層介質(zhì)界面對應(yīng)力波傳播造成的影響微乎其微[101]，此時不僅起不到消波作用，反而使得結(jié)構(gòu)整體的吸能性能受到影響。

2.2 吸能材料填充薄壁柱殼

薄壁柱殼作為傳統(tǒng)的吸能構(gòu)件，堆砌成分散層后雖然能在一定程度上降低到達結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)力峰值，但存在著吸能效率低、減震效果不佳等問題。相比之下雙柱殼、嵌套管等均能在一定程度上優(yōu)化結(jié)構(gòu)的吸能特性，此外在薄壁結(jié)構(gòu)內(nèi)填充吸能材料（主要包括金屬泡沫、高分子泡沫塑料、多孔混凝土等）可有效改善結(jié)構(gòu)的坍塌模式和破碎穩(wěn)定性，表現(xiàn)出良好的吸能減震效果[102-103]。薄壁結(jié)構(gòu)與吸能材料兩者之間的相互作用包括：薄壁柱殼對內(nèi)部吸能材料的坍塌起到限制作用，延緩吸能材料的失穩(wěn)；吸能材料對外部的薄壁結(jié)構(gòu)起到支撐作用，抵抗柱殼的局部屈曲；吸能材料與薄壁結(jié)構(gòu)變形不同步產(chǎn)生摩擦耗能。研究表明兩者在吸能減震方面具有協(xié)同作用[104]，即薄壁結(jié)構(gòu)內(nèi)填充吸能材料產(chǎn)生的吸能減震總收益大于吸能材料和薄壁結(jié)構(gòu)單獨作用時的收益之和。Elahi 等[105]進一步指出在該組合結(jié)構(gòu)中吸能材料產(chǎn)生的防護效果占比更大，且能量吸收效率高度依賴于填充物的密度，在一定范圍內(nèi)，介質(zhì)密度越大吸能效果越佳[106-107]。吸能材料填充薄壁復(fù)合結(jié)構(gòu)既能彌補多胞吸能材料強度低、易失穩(wěn)坍塌的缺陷，又能緩解薄壁結(jié)構(gòu)側(cè)向沖擊下承載能力差的問題，而且比吸能高、穩(wěn)定性強，因此將該類結(jié)構(gòu)應(yīng)用于分散層具備巨大的應(yīng)用潛力。

2.3 三明治夾芯結(jié)構(gòu)

為滿足吸能材料日益增長的多功能需求，輕質(zhì)夾芯三明治結(jié)構(gòu)被提出并被應(yīng)用于防護結(jié)構(gòu)中的犧牲層，其一般由上面板、芯體層、下面板三部分組成，夾芯板芯體種類包括泡沫材料、蜂窩材料、波紋板、點陣材料等[108]。圖8 所示為三明治夾芯板復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖，它的優(yōu)勢在于既具備一定的比強度和比剛度，可承受來自上部結(jié)構(gòu)如遮彈層施加的靜荷載；又能充分發(fā)揮夾芯材料的緩沖吸能特性，防護效果優(yōu)于純夾芯材料。三明治夾芯板作犧牲層時在爆炸荷載作用下的動力響應(yīng)主要分為面板變形失效、夾芯層的壓縮破碎和結(jié)構(gòu)整體動態(tài)響應(yīng)三個階段[109-110]。而能量吸收主要發(fā)生在芯層微觀結(jié)構(gòu)的漸進式局部破碎過程中[111]，此外，面板在爆炸荷載作用下與芯層分離，伴隨彎曲、拉伸、穿孔、撕裂等復(fù)雜動態(tài)失效行為也會耗散部分能量。大量試驗研究[112-115]也表明三明治夾芯犧牲層可快速衰減應(yīng)力峰值、延長應(yīng)力波脈寬和升時，從而實現(xiàn)對下部結(jié)構(gòu)的防護。而其防護效能主要與芯層材料、芯材相對密度、空間拓撲結(jié)構(gòu)、單元形狀、尺寸規(guī)格以及面板厚度等因素有關(guān)。三明治夾芯結(jié)構(gòu)具備比強高、比剛大、耐腐蝕性好、可設(shè)計性強、減震吸能效果明顯等優(yōu)勢，但現(xiàn)階段仍有一些問題限制了其在工程上的大規(guī)模應(yīng)用，包括夾芯層與面板之間聯(lián)結(jié)性差，原材料價格高，總體造價昂貴，大尺寸構(gòu)件及批量化制備較難等。

圖8 三明治夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)[116]Fig. 8 Sandwich composite structure[116]

2.4 同種材料構(gòu)成的梯度結(jié)構(gòu)

為進一步增強傳統(tǒng)單層分散層材料的耗能能力，對其動態(tài)響應(yīng)的研究已經(jīng)從單層均勻結(jié)構(gòu)擴展到試圖找到最優(yōu)設(shè)計的梯度結(jié)構(gòu)。具有梯度特性的能量吸收結(jié)構(gòu)主要包括可變直徑/壁厚/強度的薄壁結(jié)構(gòu)和可變密度的多胞結(jié)構(gòu)[117]。

薄壁錐形管是最簡單和最常見的變直徑梯度結(jié)構(gòu)，對于圓管（或方形管）而言，直徑的減小將導(dǎo)致初始應(yīng)力峰值的降低，因此將錐形管作吸能結(jié)構(gòu)時一般將直徑較小的一端放置在遠離被保護結(jié)構(gòu)的一側(cè)，此外其在斜向沖擊下相比于定直徑薄壁結(jié)構(gòu)具備更強的能量吸收能力[118]。關(guān)于漸變壁厚和漸變強度薄壁管，其比能量吸收率較原始管也均有一定程度的提高[119]。

分級梯度多胞結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)的均質(zhì)密度單級結(jié)構(gòu)有時具有更高的抗壓強度[120]，由于單級泡沫層的消波吸能能力受泡沫層厚度、平臺應(yīng)力和密實化應(yīng)變的限制，Ma 等[121]建議采用雙級泡沫層來提高分散層的吸能效能，并基于理想剛塑性鎖變模型推導(dǎo)出了雙級泡沫分散層吸收爆炸能量的解析解。張鵬飛等[122]指出具有正、負密度梯度特性的泡沫芯層其比吸能均高于密度均勻的泡沫芯層，然而正/負密度梯度方向的最佳設(shè)計建議存在不同看法。高?，摰萚88]、Codina 等[60]、Zhou 等[123]認為將高密度泡沫層放置于靠近爆源的一端（即負梯度鋪設(shè)）時可提高泡沫層的抗貫穿阻力，且降低了向被保護層一端所傳遞的應(yīng)力水平，因此，泡沫層能更好地發(fā)揮防護效能。Wang 等[124]認為排列組合方式為先低密度后高密度的泡沫層其抗爆性能更優(yōu)。Liang 等[125]通過對爆炸載荷下不同密度梯度分布多胞材料中應(yīng)力波的傳播機理進行分析，發(fā)現(xiàn)正密度梯度下致密化最初僅發(fā)生在爆炸端，并沿沖擊波傳播方向壓實；而負密度梯度下致密化在兩端同時產(chǎn)生。實際上，密度梯度結(jié)構(gòu)分散層的防護能力主要由能量吸收能力和傳遞到被保護結(jié)構(gòu)層表面的沖量這兩個參數(shù)進行評估，能量吸收能力越強、所傳遞的爆炸沖量越小，防護效果愈佳。不同密度梯度分布時多胞材料的防護效能如圖9 所示，在四種梯度分布結(jié)構(gòu)中，正密度梯度下材料的能量吸收能力和傳遞的沖量均呈現(xiàn)出最大值，而負密度梯度下兩者均最小。Lan 等[126]也得到相同的結(jié)論，因此評判的指標不一樣導(dǎo)致了防護效果結(jié)論的差異性。由于鋪設(shè)密度梯度分散層的主要目的是對下部結(jié)構(gòu)層進行防護，因此傳遞到被結(jié)構(gòu)層表面的沖量應(yīng)更為關(guān)切，建議采用負密度梯度設(shè)計，且密度梯度越大防護效果越佳[127]，所需分散層厚度越小。

圖9 不同密度梯度分布時多胞材料的防護效能[125]Fig. 9 Protective effect of cellular materials with different continuous-density graded[125]

梯度的引入給分散層結(jié)構(gòu)的設(shè)計帶來了更大的靈活性和更理想的防護效能，盡管具有梯度特性的薄壁結(jié)構(gòu)和逐層分級梯度的多胞結(jié)構(gòu)制作工藝已相對成熟，但制造具有連續(xù)密度梯度的多胞結(jié)構(gòu)仍是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。

2.5 負泊松比結(jié)構(gòu)

近十年來負泊松比結(jié)構(gòu)一直是研究的熱點，在爆炸荷載作用下，一方面，材料內(nèi)部單元發(fā)生塑性大變形吸收能量；另一方面，由于負泊松比效應(yīng)，四周材料單元會向爆炸荷載中心作用區(qū)流動聚集，從而進一步增強能量吸收能力。雖然輕量化多功能負泊松比結(jié)構(gòu)具備優(yōu)異的抗沖擊、減震特性，但也存在著剛度和穩(wěn)定性較低等問題。一種常用的方法是在負泊松比框架中填充軟材料形成負泊松比兩相復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中負泊松比框架為增強相，軟材料為基體相。周宏元等[128]進一步指出隨著軟質(zhì)填充材料密度的增大，吸能效率不斷提升，但當密度超過一定值后能量吸收能力達到極限值。盡管填充軟材料在一定程度上降低了結(jié)構(gòu)的拉脹性，但可顯著提高整體的剛度和比吸能能力。此外，還可采用結(jié)合幾何設(shè)計的方法以增強負泊松比結(jié)構(gòu)抗爆性能[129]。Qi 等[130]將負泊松比結(jié)構(gòu)作為分散層開展試驗驗證了其具備良好的吸能減震效果，但由于該結(jié)構(gòu)生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高，真正大體量應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)防護還有較遠的距離。

3 影響分散層防護效能的主要因素

3.1 分散層材料物性參數(shù)

密度對于某一選定的材料是否合適作為分散層發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。首先，較為直觀的表現(xiàn)在密度/孔隙率的變化通常會引起介質(zhì)抗靜載強度的改變。以多孔混凝土為例，經(jīng)典的預(yù)測多孔混凝土孔隙率與抗壓強度關(guān)系模型[131]有Balshin 模型、Ryshkevitch 模型、Schiller 模型和Hasselmann 模型，相應(yīng)的關(guān)系式分別為：

式中：fc為抗壓強度，fc,0為零孔隙率時的理論抗壓強度，p為孔隙率，pcr為強度等于零時對應(yīng)的臨界孔隙率，n、kr、kh、ks均為經(jīng)驗常數(shù)。不同密度多孔混凝土的抗壓強度如圖10 所示，隨著密度/孔隙率的增大，介質(zhì)的抗壓強度相應(yīng)增大，越能滿足分散層抗靜載能力的要求。但另一方面，密度的微小變化都會對應(yīng)力波在介質(zhì)中的傳播速度和衰減程度造成影響。如砂、土介質(zhì)中，隨著密度的降低，爆炸應(yīng)力波的傳播速度明顯減緩，傳遞到結(jié)構(gòu)上的壓力峰值大幅降低[132]。對輕質(zhì)多孔混凝土而言，高密度、高強度狀態(tài)下的破壞模式趨向于脆性開裂，吸能減震效果差，隨著密度的降低，其破壞模式開始向塑性壓實轉(zhuǎn)變，在此過程中可耗散大量爆炸能量。密度對其他多胞材料（如泡沫塑料、泡沫金屬）應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響如圖11 所示，塑性屈服平臺段和致密壓實段受其影響較為顯著，同樣，隨著密度的減小，其壓縮變形機制由整體塑性破壞向逐層塑性坍塌變形過渡[22]，沖擊波在介質(zhì)中的傳播速度明顯下降，能量吸收效率顯著提高。但并非密度越小對下部結(jié)構(gòu)的防護效果越佳，Ichino 等[133]指出對于EPS 泡沫而言便存在最佳防護密度。

圖10 不同密度多孔混凝土的抗壓強度Fig. 10 Compressive strength of cellular concrete with different density

圖11 不同密度多胞材料的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖Fig. 11 Typical stress-strain curves of cellular materials with different densities

分散層的力學(xué)物性參數(shù)對結(jié)構(gòu)層的防護效果也存在較大的影響，分散層的彈性模量越低，其減震效果越好。但若綜合考慮結(jié)構(gòu)層動態(tài)響應(yīng)，則分散層與遮彈層的彈性模量比存在一最佳防護效果臨界值[17]。分散層泊松比反映了其壓縮性能，材料泊松比越大，則其不可壓縮性越高，相應(yīng)的破碎吸能也會越少，從而致使防護效果不佳。分散層屈服強度則反映了材料的彈塑性性能，其對結(jié)構(gòu)層加速度響應(yīng)影響較大，而結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變峰值受其影響較小。隨著屈服強度的降低，分散層隔震效率越發(fā)明顯[141]。

3.2 分層介質(zhì)間波阻抗失配程度

波阻抗表征使介質(zhì)產(chǎn)生單位質(zhì)點速度增量所需要施加的擾動應(yīng)力增量大小，其對分層介質(zhì)中波的透反射發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。爆炸波在成層式結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播時，因?qū)娱g波阻抗失配會在分界面處經(jīng)過多次的反射和透射才能得以平衡。一方面，反射產(chǎn)生了有利的卸載波，使得傳遞到分散層中的爆炸波強度降低；另一方面，界面阻尼的存在延長了爆炸波在介質(zhì)中的傳播路徑，使得爆炸能量在介質(zhì)中得到充分吸收和轉(zhuǎn)化。波阻抗失配程度對應(yīng)力波傳播的影響表現(xiàn)如下（為簡化分析過程，假設(shè)遮彈層與結(jié)構(gòu)層的波阻抗相同）。

（1）對于單層分散層，在遮彈層、分散層和結(jié)構(gòu)層的相鄰分層界面處，一維線彈性波傳播滿足連續(xù)條件、牛頓第三定律以及固體波陣面上的動力學(xué)相容條件[142]：

式中：v為質(zhì)點速度，σ 為應(yīng)力，下標I、R、T、+、-分別表示入射波、反射波、透射波、波前、波后的介質(zhì)狀態(tài)。聯(lián)立上式可求得入射波經(jīng)過遮彈層后第一次到達分散層時的透射波強度σT和反射波強度σR：

式中：T=2/(1+λ)為遮彈層與分散層之間的透射系數(shù)，F(xiàn)=(1-λ)/(1+λ)為遮彈層與分散層之間的反射系數(shù)。其中λ=ρ0c0/ρ1c1為遮彈層與分散層之間波阻抗的比值，下標0、1 分別表示遮彈層和分散層?？紤]到應(yīng)力波會在界面處發(fā)生多次透反射，假設(shè)反射的次數(shù)為m，則分散層內(nèi)部將有m+1 個新的入射波到達被保護的結(jié)構(gòu)層，且相應(yīng)的第i個波的強度為：

式中：F'=(λ-1)/(λ+1)為分散層與結(jié)構(gòu)層間的反射系數(shù)，令α=FF'，則分散層內(nèi)m+1 個應(yīng)力波相互作用后的合應(yīng)力為：

隨著反射次數(shù)m不斷增加，當m→∞時，經(jīng)過分散層到達結(jié)構(gòu)層的合應(yīng)力達到穩(wěn)定值：

令Ф=(λ+1/λ)/2，該因子只與介質(zhì)間波阻抗的比值有關(guān)，表征了單層分散層工況下分層介質(zhì)間的波阻抗失配程度，可定義為單層分散層成層式結(jié)構(gòu)的波阻抗梯度，當分層介質(zhì)波阻抗比值λ→∞或λ→0 時，有Ф→∞，此時波阻抗梯度越大，到達結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力波達到穩(wěn)定的速度也越慢，且強度的衰減也越顯著。

（2）當嵌含分散層的層數(shù)為x（x≥2）時，定義第x-1 層與第x層分散層間的波阻抗比值、反射系數(shù)和透射系數(shù)分別如下：

類似單層分散層中應(yīng)力波傳播推導(dǎo)，可得到經(jīng)過x層分散層后到達結(jié)構(gòu)層的透射應(yīng)力波強度：

式中：當i=x時，F(xiàn)x,x+1和Tx,x+1分別為第x層分散層與結(jié)構(gòu)層之間的反射系數(shù)和透射系數(shù)。Ф'表征了鋪設(shè)多層分散層時成層式結(jié)構(gòu)整體波阻抗分布的失配程度，同樣，Ф'越大，到達結(jié)構(gòu)層表面的應(yīng)力波強度越小，越有利于結(jié)構(gòu)層的防護。

3.3 分散層厚度

當分散層材料及結(jié)構(gòu)型式選定后，厚度的設(shè)計對成層式結(jié)構(gòu)的防護效果至關(guān)重要。當分散層厚度過小時消波效果不明顯[55]，甚至可能會造成旨在削弱爆炸強度的分散層起到適得其反的作用，即爆炸波經(jīng)過該分散層后會使傳遞的應(yīng)力幅值增強，并且超過入射峰值應(yīng)力，此外到達被保護結(jié)構(gòu)表面的內(nèi)能也會相應(yīng)增加，如圖12（a）所示。而這種“負面衰減效應(yīng)”主要與分散層壓實后形成的壓實波陣面在分層界面間的反射疊加有關(guān)，且其大小取決于入射應(yīng)力波的幅值、分散層基體材料的物性參數(shù)（屈服強度、密度）和被壓實的程度等[15]。其次，由于多胞材料具有應(yīng)變率效應(yīng)，強沖擊波作用下材料傳遞力的能力也會得到增強[143]。因此，有必要限制分散層的最小厚度。Nian 等[23]通過試驗指出泡沫混凝土能否消減到達結(jié)構(gòu)表面的爆炸應(yīng)力波實際上存在一臨界厚度。Ma 等[90]認為由多胞材料構(gòu)成的分散層，其厚度滿足的理想狀態(tài)為在支撐結(jié)構(gòu)達到允許最大撓度的瞬間分散層被完全壓實。

對于分散層厚度的設(shè)計需滿足兩點要求：（1）能吸收上部結(jié)構(gòu)中應(yīng)力波傳遞的能量；（2）能隔離上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破碎巖石，使之不與被保護結(jié)構(gòu)相接觸。最終達到的防護效果應(yīng)根據(jù)防護等級要求，滿足結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵動力響應(yīng)指標不超過其允許的最大閾值。分散層最小厚度（H）的設(shè)計計算方法主要包括：（1）按分散層所吸收的應(yīng)變能至少等于形成巖洞時所挖掉的相同厚度巖體所吸收的應(yīng)變能進行計算，如下式所示[144]：

式中：R0為未變形前巖洞半徑，σdy為分散層材料的屈服應(yīng)力，εdu為分散層材料達到硬化點時的極限應(yīng)變，σry為巖體的屈服應(yīng)力，εrp為圍巖洞周塑性形變，εr為觸地爆地沖擊自由場應(yīng)變峰值。該計算方法僅考慮了分散層材料的不可逆塑性變形耗能，而并未考慮其它沖擊動能衰減機制，導(dǎo)致計算結(jié)果較為保守。（2）利用設(shè)計系數(shù)來控制防護結(jié)構(gòu)的安全度，但計算時所需的參數(shù)較多，而各參數(shù)的選取直接影響到結(jié)果的準確性，對應(yīng)的公式為[1]：

式中：K為結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計系數(shù)，Kz為分散層震塌傳遞系數(shù)，Kz1為遮彈層震塌系數(shù)，Kzj為結(jié)構(gòu)層震塌系數(shù)，a為填塞系數(shù)，C為常規(guī)武器等效裝藥量，H1為遮彈層厚度，Hq為彈體在遮彈層中的侵徹深度，d為支撐結(jié)構(gòu)頂蓋厚度，e為裝藥中心高度。

在滿足最小分散層防護厚度的前提下，增大分散層厚度可進一步減弱支撐結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)，使得結(jié)構(gòu)表面荷載分布更加均勻。然而并非厚度越厚綜合效益越佳，Zhao 等[14]、Wang 等[15]、Wang 等[17]、Ding 等[145]均指出強應(yīng)力波在常規(guī)分散層中傳播時，應(yīng)力峰值隨傳播距離的增加而衰減，但衰減速度呈減小趨勢，即分散層厚度到達一定值后吸能效能達到飽和狀態(tài)，如圖12（b）所示，此時消波防護的增益效果不再明顯。另一方面，大幅增加分散層厚度會造成整體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、對淺埋工事不友好等工程問題，此外同樣受到施工時間和成本的控制。

圖12 不同泡沫混凝土分散層厚度下各層結(jié)構(gòu)內(nèi)能時程曲線[15]Fig. 12 Time history curves of internal energy of each layer under different thickness of foamed concrete layer[15]

3.4 分散層含水率

大部分淺埋工事長期處于地下潮濕環(huán)境中，而含水率對于分散層的抗靜載能力和消波效果存在一定的影響。對于常規(guī)砂、土、輕質(zhì)混凝土等工程材料而言，侵入的水分子使砂土顆粒、粗細骨料間的黏結(jié)力和摩擦力降低，從而導(dǎo)致整體抗壓強度下降，且隨著含水率增加，在初期下降明顯而后趨于穩(wěn)定。但與密度相比，含水率對分散層材料強度的影響相對較小。而介質(zhì)中應(yīng)力波的傳播與含水率密切相關(guān)，分散層多為松散、多孔結(jié)構(gòu)，從變形吸能角度是極為有利的，但易從周圍環(huán)境吸收水分。當孔隙內(nèi)填充滿水體時，爆炸波通過分散層后波速仍然很高，高頻部分很容易傳播，減震作用明顯降低，應(yīng)力波能量損耗小、衰減慢[146]。因此，有必要采取一定的防滲漏措施控制分散層的含水率。

3.5 分散層單元形狀及規(guī)格

純粹依靠增加分散層厚度以提高防護效果在技術(shù)及經(jīng)濟上并不可行，為此不少學(xué)者開展了分散層單元形狀、規(guī)格對增強其防護效能的相關(guān)研究。Wang 等[147]探討了混凝土中嵌含矩形孔穴的尺寸、位置對爆炸波傳播演化機理的影響，發(fā)現(xiàn)矩形孔穴消波性能對孔穴寬度的變化并不敏感，隨著孔穴長度的增加其后方的靜水壓力峰值顯著降低。對于多邊形管，其能量吸收能力隨著邊數(shù)的增加而提高，但能量吸收特性的提高存在飽和狀態(tài)。而Nia 等[148]對比了軸向沖擊下不同截面形狀（圓形、矩形、六角形、三角形、金字塔形和圓錐形）薄壁管的變形及能量吸收特性，發(fā)現(xiàn)圓形管具備更強的比吸能。對于多胞材料，王展光等[149]指出球形泡孔較多邊形泡孔結(jié)構(gòu)吸能效果更為顯著。

事實上，常規(guī)分散層采用的是傳統(tǒng)水平界面，根據(jù)波動理論可知，此時透射與反射角度較為固定，對于平面正入射波彌散效果有限。帶有一定曲率界面形狀的分散層消波效果更佳。試驗研究[114,150]也驗證了球型、波紋型耗能層防護效能明顯優(yōu)于平板型，且波紋周期越小效果越明顯[151]。這主要得益于帶有一定角度的分界面可使透射到分散層內(nèi)的應(yīng)力峰值降低，另一方面還可額外延長爆炸波傳播的行程路徑，使分散層的均布荷載和消波耗能作用充分發(fā)揮。

4 分散層選型及設(shè)計原則

合適的分散層一定是由耗能減震能力較為優(yōu)質(zhì)的材料構(gòu)成，但并不是所有的高效吸能緩沖材料都適合用作分散層。分散層的選型和設(shè)計應(yīng)注意以下幾點。

（1）應(yīng)具備較低的波阻抗、有一定的屈服強度和足夠的抗靜載能力。分散層與遮彈層之間的波阻抗失配程度越高，防護效果越好，由于要求分散層具備一定的減震性能，因此一般選取波阻抗較低、彈性模量較小的柔性材料。對于選定的材料類型，較低的波阻抗通常采取降低介質(zhì)的密度來實現(xiàn)，而密度又會進一步影響材料的抗靜載能力和屈服強度。首先，分散層需要足夠的抗靜載能力以承受來自上部遮彈層、偽裝層以及其他臨時設(shè)施施加的重力。其次，作為爆炸能量的傳遞介質(zhì)，分散層的屈服強度既不能太大，以至于在強爆炸荷載下不屈服失去吸能減震功能，或屈服后傳遞到結(jié)構(gòu)表面的荷載仍超過安全容許值；也不能過小，以至于被保護結(jié)構(gòu)在弱爆炸作用下而無需防護時分散層材料發(fā)生失效，或?qū)е滤璺稚雍穸冗^大。分散層密度、彈性模量、屈服強度等具體參數(shù)的選取應(yīng)根據(jù)防護結(jié)構(gòu)型式、結(jié)構(gòu)層防護等級要求、可能遇襲的武器威力和預(yù)期的動態(tài)響應(yīng)等多種因素綜合考慮。

（2）基體材料對應(yīng)變率敏感、且在屈服應(yīng)力基本保持不變的情況下能發(fā)生較大塑性變形。從變形耗能的角度出發(fā)，材料若在塑性屈服階段存在較大的壓實應(yīng)變可吸收大量爆炸能量，且對于應(yīng)變率敏感型材料沖擊波在其中傳播衰減的速率更快、吸能效果越佳。

（3）環(huán)境適應(yīng)能力強，材料性能穩(wěn)定。分散層可能長期面臨著潮濕、侵蝕等嚴苛環(huán)境的挑戰(zhàn)，因此對材料在防水抗?jié)B、抗侵蝕等方面存在一定的要求，從而保證其在成層式工事服役年限內(nèi)發(fā)揮出應(yīng)有的防護效能。其次，分散層材料必須性能穩(wěn)定，其防護效能在爆炸荷載作用下具備一定程度的可預(yù)測性。此外還需注意的是，低密度柔性材料構(gòu)成的分散層在長期靜荷載作用下產(chǎn)生的蠕變可能比瞬時彈性變形大得多，因此在分散層設(shè)計時需考慮材料蠕變的影響。

（4）在材料選型確定的基礎(chǔ)上應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計和優(yōu)化以提高分散層防護效能。如使用分層結(jié)構(gòu)、帶有一定曲率界面的結(jié)構(gòu)、復(fù)合結(jié)構(gòu)等，使得透射應(yīng)力波的強度盡可能低、應(yīng)力波在分散層內(nèi)的傳播路徑盡可能長，從而使爆炸能量在分散層內(nèi)得到更加充分的吸收和消化。

（5）原材料價廉、鋪設(shè)施工工藝簡單。最基本也是最重要的一點在于需考慮實際工程應(yīng)用問題，由于國內(nèi)地上及淺埋工事、人防工程等體量大，建設(shè)資金在分散層方面的投入終究有限，因此要求分散層原材料來源廣泛且價廉，能夠工業(yè)化批量生產(chǎn)；分散層結(jié)構(gòu)鋪筑工藝簡單，施工便捷，易被施工和設(shè)計單位接受采納。

5 目前存在的問題及展望

目前，結(jié)合材料選擇、工程設(shè)計和功能集成等學(xué)科領(lǐng)域，國內(nèi)外關(guān)于分散層的研究已取得了不少研究成果與進展，但仍存在一些問題亟待解決。

（1）雖然各類耗能減震分散層材料和結(jié)構(gòu)層出不窮，但工程實用價值有待提升?，F(xiàn)階段分散層組成還是以常規(guī)砂、土等就便材料為主，以輕質(zhì)混凝土等工程材料為輔，分散層構(gòu)成開始由“就便材料/單層鋪筑結(jié)構(gòu)型式”向“專用材料/多類型結(jié)構(gòu)型式”轉(zhuǎn)變，但部分分散層材料或結(jié)構(gòu)型式存在著抗靜載能力低、穩(wěn)定性差、制備工藝復(fù)雜、工程造價高等缺陷，無法大規(guī)模應(yīng)用于工程防護領(lǐng)域。此外伴隨著服役環(huán)境的多變性及復(fù)雜性，對分散層材料的環(huán)境適應(yīng)性要求也越來越高，如高原高寒地區(qū)砂土耐凍融能力差，此時砂土分散層的消波性能被弱化；沿海島礁地區(qū)則需考慮輕質(zhì)混凝土分散層的抗侵蝕和耐久性等；高水位地區(qū)需考慮分散層材料的抗?jié)B性，或采取相應(yīng)的防滲漏水措施（如使用防水涂層）。因此，現(xiàn)目前工程實際應(yīng)用時需因地制宜，先根據(jù)防護工事所處的地質(zhì)環(huán)境、所采用的施工工法等選擇更為適宜的分散層材料，待選型完成后應(yīng)更多的結(jié)合結(jié)構(gòu)型式的改變以提高防護性能。隨著材料科學(xué)、工藝制造水平以及3D 打印大型結(jié)構(gòu)件等高新技術(shù)的快速發(fā)展、材料及工程造價的逐步降低，未來分散層組成會向功能更加完整、性能更加穩(wěn)定的超材料和超結(jié)構(gòu)漸進發(fā)展。

（2）分散層材料及結(jié)構(gòu)型式確定后，如何確定分散層的最佳防護厚度亟待解決。武器爆炸威力越來越大，所需分散層厚度呈現(xiàn)不斷增長的趨勢，然而現(xiàn)行分散層厚度計算方法考慮并不全面，適用的介質(zhì)范圍有限，且計算方法中考慮到的消波機制基本上也只計及了材料在爆炸荷載下的塑性屈服耗能，或考慮柔性材料的地沖擊衰減系數(shù)，而并未考慮其它沖擊動能衰減機制，如波阻抗失配導(dǎo)致的能量對沖、爆炸波非平面運動造成的能量空間彌散（幾何衰減）、應(yīng)變率效應(yīng)引起的變形滯后所造成的能量損耗等。實際上，爆炸荷載具有很強的非線性，且分層介質(zhì)間不僅需要考慮爆炸波的反射、透射、繞射、流固耦合相互作用，還需考慮應(yīng)變率效應(yīng)、慣性效應(yīng)以及材料的初始缺陷等因素對爆炸波傳播的影響，因此目前通過純理論計算分散層的最佳防護厚度較為困難。此外現(xiàn)有分散層設(shè)計基本上是以小縮尺比試驗為基礎(chǔ)，而縮尺比較小時難以支撐原型結(jié)構(gòu)設(shè)計。為此，建議針對某一選定分散層材料，可通過有限次原型爆炸試驗校驗數(shù)值模型，然后通過數(shù)值計算不同裝藥量、不同比例埋深爆炸下分散層的最佳防護厚度，并結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法構(gòu)建相應(yīng)的最優(yōu)分散層厚度數(shù)據(jù)庫以供設(shè)計人員使用。

（3）現(xiàn)階段分散層基本上僅能承受一次爆炸的沖擊，在面對二次打擊時防護能力不足。開發(fā)具備抵抗多次爆炸沖擊能力（現(xiàn)階段常用分散層多為延塑性材料，在其發(fā)生塑性變形后將失去吸能能力，相比之下黏彈性材料具備阻尼特性，可實現(xiàn)二次吸能）、可快速恢復(fù)吸能減震特性（如采用具備形狀記憶功能的合金/聚合物材料）、組裝迅速便捷的分散層會是亟需攻克的方向。

（4）需指出的是，目前單純依靠分散層以實現(xiàn)爆炸荷載下結(jié)構(gòu)內(nèi)部的完全減震功能并不現(xiàn)實，還需輔以整體隔震系統(tǒng)和隔震地板設(shè)計，從而使工程內(nèi)部的震動降低到人體耐震能力和儀器設(shè)備的震動容許值以下。