A review of sacrificial claddings in multilayer protective structure
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摘要: 成层式防护结构通常由伪装层、遮弹层、分散层和主体结构组成，现已被广泛应用于地面、浅埋以及坑道口部的防御工事中。其中分散层作为降低侵彻后爆炸毁伤效应的功能单元，其作用机理主要包括：借助波阻抗失配效应以降低向下部结构传播的能量占比、延长应力波传播路径；利用分层界面产生面波以改善荷载集中状态；通过基体材料不可逆塑性破坏以吸收耗散冲击波能量；增大结构阻尼以减轻主体结构震动效应。开展分散层的相关研究，对提高工程整体防护水平具有重要的现实意义。基于此，从分散层材料与结构型式两个方面较为系统地介绍了国内外成层式防护结构中分散层的研究现状，分析了分散层的结构及物性参数对其防护效能的影响，提出分散层选型及设计需关切的几点问题，并对目前分散层研究中存在的问题进行了探讨与展望，以期为今后分散层的研究发展提供参考。Abstract: The multilayer protective structure has been widely used in fortifications located above-ground, shallow burial, and tunnel entrances. And this type of structure usually consists of four parts: camouflage layer, shelter layer, sacrifice layer and protection structure. Among them, the sacrifice layer is the main functional unit to reduce the damage effect of strong explosion after penetration. Its action mechanism mainly includes: reducing the proportion of energy propagating to the substructure and extending the propagation path of stress wave by means of the wave impedance mismatch effect; using the layered interface to generate surface waves to reduce the load concentration; absorbing and dissipating shock wave energy through irreversible plastic failure of the matrix material; increasing the structural damping to reduce the vibration effect of the protection structure. Thus, it is of great practical significance to carry out relevant research to improve the overall level of engineering protection. Taking the materials and structure of sacrifice layer as clues, the current status of research on sacrifice layer in multilayer protective structure at home and abroad is systematically sorted out. On this basis, the influence of structural parameters such as the density, wave impedance, thickness, unit shapes and sizes, moisture content and other physical parameters of the sacrifice layer on the protective performance is analyzed. Moreover, several issues that need to be considered in the selection and design of the sacrifice layer are proposed. The perfect sacrifice layer should be economical, reliable, and have a low wave impedance, sufficient static compressive strength and a certain yield strength, which be able to undergo a large plastic deformation under the condition that the yield stress remains essentially constant. Finally, the problems existing in the current research on the sacrifice layer are discussed and prospected, in order to provide a reference for the research and development of the sacrifice layer in the future.
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成层式防护结构起源于20世纪初，是随着常规钻地武器的发展而出现的一种防护结构型式[1]。典型的成层式防护结构通常由伪装层、遮弹层、分散层和主体结构四部分组成，如图1所示，其中遮弹层主要使弹体发生屈曲、滞速、偏转和碎裂[2-3]，从而迫使高速侵彻的弹体在遮弹层内爆炸而不至于直接接触或穿透结构。然而，面对现代化常规钻地武器高速度、高精度和高强度的打击，即使遮弹层能够有效拦截侵彻战斗部，迫使其在主体结构表面爆炸，但爆炸产生的强冲击波直接作用于主体结构时仍会产生巨大的安全威胁，此时确保爆炸高压力峰值作用下工程主体不被破坏以及如何把强烈的震动降低到人员和仪器设备的容许值以下是亟待解决的问题。为此，可在遮弹层与主体结构之间铺设分散层[4-5]（亦称回填层/牺牲层/分配层），相比于增加主体结构厚度等防护措施，该方法是实现结构较佳抗爆性能更经济和更有效的技术途径[6-7]。分散层的具体功能体现在：借助各防护层层间存在波阻抗失配效应，层间将发生波的反射和透射，从而改善爆炸波向下层结构传播的能量占比、延长应力波的传播路径；在空间维度上，由于分层界面的存在，除了产生前行的压缩波和剪切波外，还将产生沿分层界面传播的面波，从而将爆炸产生的局部荷载快速分散到更大面积上，改善荷载不均布状态；在时间维度上，通过分散层自身发生不可逆塑性变形从而在有限厚度内快速吸收、消化冲击波，将高峰值的强瞬态冲击波耗散为低峰值、有较长上升沿的弱冲击波，降低传递到被保护结构层表面的冲击波强度；增大结构阻尼，改善结构层内部的震动效应。因此，开展分散层的相关研究始终是防护工程领域重点关切的课题，对提高成层式结构的抗爆性能具有重要的现实意义。
图 1 典型的成层式防护结构示意图Figure 1. Schematic diagram of typical multilayer protective structure关于分散层的研究，前期主要集中在分散层的材料选型上，而后发展到结合结构型式的改变以提高分散层的防护效能。本文中以分散层材料和结构型式为线索，对分散层的相关研究成果进行归纳梳理，分析分散层材料物性参数、分层介质间波阻抗失配程度、分散层厚度、含水率及单元形状规格对防护效能的影响，在此基础上提出分散层的选型及设计原则，并就分散层研究目前存在的一些问题和未来的发展趋势进行探讨。
1. 不同分散层材料的防护效能
1.1 砂、土分散层
长期以来，防护结构中采用的回填材料主要以砂、土等就便材料为主。国内外已开展的大量砂土介质中爆炸地冲击传播衰减规律试验[8-11]表明随着传播距离的增加，不同性质的砂、土介质中应力波的能量损耗占比和衰减速率存在较大差别。地冲击作用下不同类型砂、土的物理力学参数如表1所示，其中衰减指数n是表征介质衰减应力波强度能力大小的重要指标，n越大，表明经过该分散层介质后到达被保护结构迎爆面上的作用力越小。对于常规的砂、土材料，其衰减指数在1.5～3.5之间，相比之下，含水率低、粒度适中、级配良好的砂、土消波吸能效果更佳。
介质 波速c/（m·s−1） 波阻抗ρc /（kg·m-2·s-1） 衰减指数n 低相对密度松散干砂、黄土和砂砾 180 0.26×106 3.00～3.50 密实的不良级配干砂 274～396 0.57×106 2.50～2.75 相对密度接近100%的极密干砂 488 1.00×106 2.50 黏土、松散不良级配湿砂（含自由水） 152～183 0.28×106～0.34×106 3.00 湿的泥质黏土 213～274 0.41×106～0.57×106 2.75～3.00 砂质填土、回填土、潮湿黏土 300 0.50×106 2.75～3.00 密实的不良级配湿砂（含自由水） 305 0.50×106 2.75 潮湿黄土、粉土 300 0.63×106 2.75～3.00 地下水位以上的潮湿粉土 549 1.09×106 2.50 饱和土 550～1500 1.09×106～3.05×106 1.50～2.50 砂、土具有多孔、松散的特征，其在动荷载下的变形机制[8]主要包括：首先，颗粒骨架以及颗粒间的黏结力会抵抗变形，表现为弹性阶段；然后随着压力的增大，颗粒间的固有结构被破坏产生滑移、错位、甚至颗粒破碎等现象，表现为塑性；随着挤压的进一步进行，颗粒间重新组合得更紧密，呈三向压缩状态。在压缩波作用下，砂、土产生的颗粒不可逆塑性变形所引起的能量损耗以及颗粒间滑移、错位摩擦耗能使得爆炸波经过砂、土介质后能得到一定程度上的衰减。常规的砂、土材料在取材便捷、成本低廉方面表现出突出的优势，且具备一定的消波能力，现阶段分散层仍以该类材料为主。但其存在着抗静载能力低、吸水性强、蠕变值大等缺陷，因此会在很大程度上限制成层式结构的防护效能。
1.2 轻质混凝土分散层
1.2.1 多孔混凝土
多孔混凝土主要包括泡沫混凝土和加气混凝土，以泡沫混凝土为代表，其作为具有一定强度的土木工程材料，抗静载能力和抗爆性能优于砂、土[12-13]。泡沫混凝土抗静载能力主要受配合比、密度和泡孔结构（类型、大小、壁厚、形状、分布）等因素影响。关于其消波耗能特性，表2中罗列了部分文献中铺设泡沫混凝土后结构层动态响应参数峰值的衰减情况，由于试验工况不同，且试验结果受材料属性、装药方式及药量、结构型式等多种因素影响，导致结构层动态响应参数峰值衰减率不尽相同，甚至相差较大，但可以看出铺设泡沫混凝土夹层使得到达结构表面的压力、加速度、速度峰值以及结构的形变量均有所降低。
表 2 铺设泡沫混凝土分散层后结构层动态响应参数峰值衰减率Table 2. Peak attenuation rate of dynamic response parameters of protection structure with foam concrete工况 泡沫混凝土分散层 装药量/kg 结构层动态响应参数类型 峰值衰减率/% 数据来源 密度/（kg·m−3） 厚度/cm 1 450 6～10 44 压力峰值 79.1～89.9 文献[14] 2 475 3 0.014 54 文献[15] 3 610 15 0.2 48.9 文献[13] 4 788 20～120 306 23～28.8 文献[16] 5 799 5～15 − 20.1～40.5 文献[17] 6 788 40～120 − 加速度峰值 30.9～40.2 文献[18] 7 450 6～10 44 速度峰值 62.1～73.3 文献[14] 8 799 5～15 − 7.3～13.3 文献[17] 9 400 20 0.025～0.03 形变量峰值 66.7～83.7 文献[19] 10 475 2～4 0.014 11.9～23.9 文献[15] 11 799 15 − 8.3 文献[17] 泡沫混凝土内含大量开孔和闭孔结构，一方面导致其内部分布有无数自由面，应力波会在自由面上发生多次反射、绕射和折射[15]，延长了应力波的传播路径；另一方面，不规则分布的微小气孔类似于许多小弹簧，增强了泡沫混凝土的不可压缩性。泡沫混凝土压缩状态下典型的应力-应变曲线如图2所示，可划分为3个阶段：（1）线弹性阶段，此时胞壁结构只是发生小挠度的弹性弯曲，会将部分冲击能量转化为弹性能，且孔洞被绝热压缩吸收部分能量；（2）塑性屈服（应力平台）段，孔壁逐层发生塑性塌落或脆性破碎；（3）压实段，此时胞壁互相接触出现密实化，应力随着应变快速增加[20]。塑性压缩过程是泡沫混凝土塑性力学行为的主要特征，而在导致应力波衰减的诸多因素中（如基体材料本身的塑性耗散、弹塑性卸载波追赶卸载耗能等），孔隙坍塌压实效应起主导作用[21]。赵凯等[22]建立了一种可以描述泡沫混凝土中孔隙压实过程的本构模型，发现孔隙的存在使得传播的应力波峰值几乎呈指数状衰减。而且该类材料具备应变率效应，在动态压缩过程中实际上耗散的爆炸能量要高于其在准静态压缩过程中消耗的能量[23]。此外泡沫混凝土的耗能能力还与其受力状态相关，随着围压的增强其强度和屈服后残余强度逐渐提高，应力应变曲线由应变软化逐渐向应变硬化转变，吸能效果提升[24]。针对多孔混凝土强度较低、吸水性强等问题可能导致吸能效果减弱，Wang等[25]提出将碳纤维增强树脂复合材料面板外贴于多孔混凝土板以增强其抗爆性能，但面板受到剪切、拉伸破坏或脱黏时可能会失去作用，喷射聚脲涂层则能较好解决这一弊端[26]。现阶段，由于多孔混凝土具备造价低廉、原材料来源广泛、环境友好等优点，且表现出优质的吸能减震特性，已被应用于高抗力防护结构的分散层中。针对其存在强度较低、易吸水等缺陷，研发孔隙率更高且抗静载能力更强、防水抗渗、环境适应能力强的高性能多孔混凝土很有必要。
图 2 准静态压缩下泡沫混凝土典型的应力应变曲线示意图Figure 2. Typical stress-strain curves of foam concrete under quasi-static compression1.2.2 轻骨料混凝土
除多孔混凝土外，新型轻骨料混凝土的消波性能也日益受到关注。轻骨料的加入能提高混凝土的韧性和塑性，破碎时耗能效果得到增强[27]。具有代表性的如聚苯乙烯泡沫（expanded polystyrene，EPS）混凝土，EPS材料本身具备优质的缓冲吸能能力[28]，但单纯应用于分散层时会存在强度和刚度过小等问题，难以承受上层结构施加的静荷载。相比之下EPS混凝土具有较高的强度，而强度高低与颗粒级配、粒径尺寸、体积掺量等因素有关，具体表现为：EPS体积掺量越大，混凝土密度越小，抗压强度越低[29-31]；当EPS混凝土密度相同时，EPS颗粒尺寸越大，混凝土的抗压强度越小[32]。为验证EPS混凝土的防护效能，Zhao等[14]对比分析了爆炸荷载下有无EPS混凝土牺牲层时隧道衬砌表面的应力峰值和速度，认为EPS混凝土的缓冲减震作用主要受益于EPS颗粒的柔韧性和水泥基质的损伤。且水泥基体和EPS材料之间的掺量达到一定比例时，其吸能效能才能得到最佳发挥[33-34]。与普通混凝土相比，EPS混凝土失效速度慢，这种逐层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显的应变率相关性[34]。在一定范围内，随着EPS掺量的增加，混凝土阻尼比增大[37]，EPS混凝土破坏过程由准脆性破坏向延性破坏或挤压流动破坏转变，材料失效的终止应变大大延长，减震效果越好；但掺量超过临界值时其塑性变形能力下降，主要原因可能在于掺量过大时离析现象严重，从而导致其内部孔腔结构不均匀性加剧，韧性降低。目前关于EPS混凝土抗爆防护性能研究大都是基于数值模拟得到的，现阶段在分散层中并未得到大范围推广应用，主要原因是EPS混凝土的制作工艺还不是很成熟。首先，EPS材料质轻，搅拌成型时容易产生离析；其次，EPS具有憎水性，导致其与水泥砂浆界面黏结力弱。因此，对EPS混凝土的研究主要还是停留在配合比等设计上[38]，制得的EPS混凝土综合性能不够理想，改性技术及外加剂性能的提升还需进一步发展。
除EPS材料作为轻骨料外，利用其他人造轻骨料（主要为粉煤灰陶粒、页岩陶粒、板岩陶粒、黏土陶粒、橡胶等）、天然轻骨料（主要为浮石、蛭石、珍珠岩、火山渣等）和工业废渣（主要为炉渣、煤矸石等）配制的轻骨料混凝土同样具有波阻抗小、耐久性好、质轻高强的优点，而且轻骨料内均含有大量孔隙，有助于其消波吸能性能的发挥。但尽管如此，轻骨料混凝土作分散层使用时其能量耗散能力还是要逊色于多孔混凝土，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压实应变，因此爆炸波作用于该类分散层时能反射、吸收更多的能量。
1.3 空气夹层类分散层
随着防护工程抗力要求的提高，以空气夹层替代常规实体材料类分散层的设计思想被提出[39]。当结构距离爆心的比例爆距较小时，采用空气夹层时到达结构表面的冲击波强度和结构整体震塌破坏程度较等厚度常规钢筋混凝土层和普通砂土层均有明显的降低[40-42]，且爆炸波在空气分散层中的传播表现为比例爆距越小，消波效果越显著[43]，可有效降低成层式结构的埋深。随着分散层厚度[44]/距爆心比例爆距[43]的增加，虽然经过空气层或砂土分散层后到达结构表面上的应力峰值相当，空气层对下部结构也不能发挥明显的均布荷载作用[45]，但若适当增加空气夹层的高度便可将其作为配套车库使用，大幅提高土地的利用率。
与常规实体工程材料类成层式结构相比，空气夹层成层式结构的防护原理存在较大区别。前者更多地依靠材料自身不可逆塑性变形实现能量的耗散与吸收，而空气夹层一方面为遮弹层变形创造了更加自由的空间，可充分利用遮弹层的变形和破坏来消耗能量；另一方面从应力波的传播机制出发，空气分散层的存在阻隔了大部分向下传播的爆炸能量，且只能发生波的衍射[6]，从而使得波形弥散，延长了爆炸波传播的距离和时间，使得爆炸波在传播过程中得到充分的耗散和削弱。空气夹层成层式结构破坏演化过程示意如图3所示，首先炸药在遮弹层内爆炸形成由爆心压缩损伤区、表面的拉伸层裂区及中间爆炸载荷驱动作用区组成的漏斗坑；随着爆炸压缩波传播至遮弹层底部自由面时将发生反射形成拉伸波，而遮弹层材料抗拉强度一般较低，一旦所受拉应力满足动态断裂准则时会引起遮弹板下部开裂，当裂缝足够大时剥落的裂片便会以一定的动能飞离；最后剩余的压缩波通过空气夹层衰减后直接作用于结构层顶面，可能会导致被保护结构的整体弯曲变形和破坏。遮弹层震塌剥落的混凝土块对结构冲击引起的整体动态响应可以忽略，但仍能造成一定的局部破坏，因此有必要采取在结构层上部铺设一定厚度的砂垫层或在结构下表面黏贴钢板等措施，从而实现对结构的最佳保护。但由于空气夹层成层式结构实际应用时仍存在施工困难、结构稳定性难以保障等问题，导致其目前应用受到限制，仅小范围使用于永备筑城工事等小型防护结构中。
图 3 空气夹层成层式结构破坏演化过程示意图Figure 3. Failure evolution process of the multilayer protection structure with an air distribution layer在实体结构内嵌入一系列孔穴相比于纯粹的空气层是一项更加切实可行的举措，李永池等[46]指出孔穴的绕射与屏蔽效应使得应力波经过孔穴结构后应力波峰值大幅度降低。实际上，爆炸产生后应力波原本会沿着传播路径不受干扰的向下层结构中传播，但当其遇到孔穴时会向波源方向产生有利的反射卸载波，与此同时，向下层结构传播的应力波传播路线也会发生偏移。虽然在孔穴附近会产生应力集中，但爆炸波与孔穴任意一点发生作用时，该点便相当于一个新的爆炸波源，而由该点在任意方向上发射的“绕射波”或“散射波”会互相干涉、叠加[47]，从而使得孔穴后方的应力波强度大幅衰减。试验研究[48]也表明孔穴越大、排列越紧密，消波效果越显著。但含孔穴的分散层具有与硬脆性材料同样的缺点，即结构强度会随着孔穴大小和数量的增加而降低，因此孔穴设计与结构强度之间如何实现最优配置需要权衡。
1.4 泡沫陶瓷分散层
泡沫陶瓷空壳颗粒材料是以多孔泡沫陶瓷作为母体形成的薄壁球壳结构组元，具备低密度、低波阻抗、耐腐蚀、有一定机械强度和良好的缓冲吸能特性。多次野外大比尺集团装药试验结果[49]均表明空壳颗粒材料构成的分散层消波防护效果优于常规的黄沙分散层。相比于黄沙，空壳颗粒材料作分散层时其上部遮弹层变形和破坏更为严重[50]，意味着反射耗散了更多的能量，试验结果也表明使用空壳颗粒材料时到达结构表面的应力峰值可多衰减40%以上。一方面，母体泡沫陶瓷为应变率敏感材料[51]，高应变率加载时极限应变较大，在孔穴压实变形的不可逆过程中耗散大量能量；另一方面，空壳颗粒分散层兼具母体材料微孔隙、壳内空穴和单元壳体间空穴三重隔离绕射消波性能，能充分发挥三维的交替波阻抗梯度效应反射更多的爆炸能量。尽管空壳颗粒分散层具有较好的吸波耗能效果，但其强度较低，不利于防护结构的整体强度和使用年限。为此，孙晓旺等[52]提出了一种内衬聚氯乙烯球壳，外裹泡沫陶瓷壳体的新型空壳颗粒复合材料，其作分散层时相比于黄沙可使应力峰值额外降低约50%，且到达结构表面的应力波上升沿增大，脉宽增加，波形弥散明显。为进一步提高空壳颗粒材料的抗爆性能，张春晓等[53]提出一种高黏弹沥青与泡沫陶瓷球壳复合板材分散层，通过化爆试验得到其地冲击衰减系数n为4.15～4.2，远高于常规砂土。空壳颗粒类材料作分散层具有成本低廉、生产及施工工艺简单、防护效能好等优势，实现工业化生产后可考虑进行大幅推广应用。
1.5 高分子材料分散层
1.5.1 高分子泡沫塑料
高分子泡沫塑料作为典型的减震缓冲材料，按柔韧性可分为软质、半硬质和硬质，作分散层使用时硬质泡沫塑料更具可行性。其中硬质聚氨酯泡沫塑料（polyurethane foam，PUF）发展最早，因此得到了广泛的关注。Sevin[54]通过试验验证了硬质PUF和不同密度的干燥无黏性砂回填层可用于减轻爆炸地冲击的影响。徐畅等[55]、Mazek等[56]、De等[57]通过数值模拟验证了硬质PUF能够较好的缓和冲击、减弱震荡和削弱到达结构表面的应力幅值。陈网桦等[58]对比分析了PUF和空气的隔爆缓冲性能，指出上述两种介质在衰减冲击波优越能力方面存在一厚度临界值dc，当介质厚度d<dc时，空气的隔爆能力要优于PUF；当介质厚度d>dc时，随着厚度的增加，PUF的隔爆性能优势越突出。爆炸荷载下高分子泡沫塑料减震缓冲机制与胞元内所包含流体的黏性流动滞后效应和聚合物变形滞后效应等因素有关，而其吸能特性主要通过泡孔破裂和压碎来实现。为增强PUF的强度，Mostafa等[59]通过添加砂粒和表面活性剂以改进PUF材料的配合比，试验结果表明增强PUF板的消波减震能力可得到有效提升；Codina等[60]提出并探究了利用钢筋网增强的PUF复合材料砌块牺牲层对钢筋混凝土柱的防护效果，发现其可使混凝土柱的最大挠度降低20%。其它类型的泡沫塑料在材料力学属性上略有区别，但拥有相似的胞元构造型式和低阻抗特性，因此同样具备优质的吸能减震特性。选用何种泡沫塑料作分散层时，应从材料抗静压强度、消波吸能特性和成本造价等方面综合考虑。
1.5.2 橡胶
美国工程研究协会等单位给陆军工兵部队的一份关于地下爆炸试验项目的报告[61]中曾建议应选用一种低密度材料作分散层，随后这一建议在代号为“Operation plumbbob”的项目[62]中被采纳，综合考虑材料刚度和静承载力方面后选取了砂土和橡胶作为分散层，试验表明上述材料可有效隔离和保护下部结构免受附近剧烈地冲击运动的影响。橡胶类高聚物具备低阻抗、高阻尼和黏弹性等力学性能，表现出良好的吸能、隔震特性，能够降低爆炸应力波峰值、延长应力波的升压时间[63]。橡胶类黏弹性阻尼材料在受到一次外力冲击时的应力-应变曲线如图4所示，其中滞回环（OABD）面积代表所耗散的能量。该类材料本质上是一团不规则的大分子链段聚合物，在压缩（OAB段）与回弹恢复变形（BCD段）过程中，通过克服链段间内摩擦做功将输入的能量部分转化为热能耗散出去，从而实现吸能特性。Chen等[64-67]研究了橡胶保护层的密度、可压缩性、非线性弹性和黏性等因素对结构动态响应的影响：随着橡胶层密度的增大，应力波峰值会在一定程度上增加，但结构整体和局部的动态响应会降低；可压缩性弱和刚度大的橡胶层虽然会降低结构的局部变形，但会使结构的高频响应上升；黏性大的橡胶层可降低结构总体和局部的高频响应。橡胶与硬质泡沫塑料等高聚物类似，具有良好的抗蠕变性能、亲水能力低、加工成型容易等优势，但橡胶类高聚物的综合防护效果弱于多孔的硬质泡沫塑料[68]。在剪切模量相当的情况下，橡胶的减震效果同样弱于多孔混凝土[24]。
与常规砂、土等工程材料构成的分散层相比，高分子材料分散层达到等效的防护效果时铺设厚度小，对于浅埋工事而言工程开挖回填时间成本小，综合经济效益会更高。但另一方面高分子泡沫塑料普遍存在抗静载能力偏低、环境不友好等问题，橡胶也存在耐腐蚀性差易老化导致使用年限短等问题，因此目前高分子材料分散层实际应用相对较少，并未进行推广。
1.6 金属基分散层
1.6.1 薄壁柱壳
利用具备一定强度且厚度较小的钢、铝等金属薄壁柱壳替代孔穴能较大增强分散层的相对强度，且柱壳体的防护效能优于孔穴[70]。图5为轴向铺设的薄壁柱壳分散层示意图，轴向受压时，薄壁柱壳压溃变形模式可分为圆环模式、砖石模式、混合模式和整体欧拉失稳模式[71-72]，如图6所示，具体的失效模式取决于其几何尺寸（壁厚、管径、长度）和材料力学性能，而能量吸收特性与薄壁材料类型、结构尺寸参数、内外边界约束条件等因素密切相关[73]。尽管轴向受压时薄壁柱壳屈曲变形较大，能吸收更多的能量，但易出现荷载的起伏波动和较大的峰值荷载[74]，给被保护的结构层造成严重毁伤。为尽量避免此类现象的产生，一方面可通过在柱壳两端采取某些触发机制（如将柱壳两端削薄或将管壁轻微预弯）、引入初始膨胀、施加边界约束等措施以降低峰值应力水平[75-76]；另一方面，将薄壁柱壳水平放置使其侧向受压也能较好克服这一问题。
薄壁柱壳在侧向受压时变形则主要是通过在柱壳周围产生塑性铰线并产生运动形成，能量耗散主要通过塑性铰转动完成。其变形大致分为弹性变形、塑性变形和柱壳内壁接触三个阶段，变形过程中的压溃力-位移曲线存在较长的平台段，意味着薄壁柱壳体在爆炸荷载作用下能产生较大塑性变形甚至韧性断裂，同时中空柱壳内的孔穴也能很好地发挥屏蔽绕射作用，从而耗散大量能量。在侧向爆炸荷载作用下，柱壳的消波性能与柱壳的直径成正相关，直径越大，变形行程越长；与柱壳间间距和其距离被保护结构的高度成负相关，进一步，柱壳结构相对被保护结构的位置存在一临界最佳高度，当高度降至临界最佳高度以下时，会引起被保护层上方的应力不均匀性增加[77]。柱壳层间堆砌方式对消波防护性能存在一定的影响，防护效果从优至劣依次为：密集排列、错开叉排排列、对齐顺排排列[47, 77]。尽管如此，仍需指出的是，单纯利用薄壁柱壳作分散层时在减震方面表现不佳。
1.6.2 金属泡沫
不同空间尺度下金属泡沫的结构特征如图7所示，其兼具金属和多孔材料的特性，如比强度较高、体密度小、孔隙率高等。金属泡沫根据金属基的不同又可分为泡沫铝、泡沫镍、泡沫铜、泡沫铸铁、泡沫铝合金等，其中泡沫铝成本较低，是最早提出也是目前发展最成熟、最具应用潜力的金属泡沫。泡沫铝用作抗爆材料最初仅在金属泡沫设计指南[78]中被简单提及，Hanssen等[79]通过试验对其防护性能进行了验证，爆炸荷载作用下泡沫铝变形行为的解析解和LS-DYNA计算结果也均表明泡沫铝与结构接触面上的应力水平是恒定的，且等于泡沫铝的破碎应力，远低于近区爆炸荷载压力值，因此泡沫铝可有效地对结构进行局部保护。金属泡沫的准静态压缩应力-应变曲线和其他多胞材料类似，可划分线弹性阶段、应力平台段和压实段，其中应力平台段由胞壁弹性屈曲、塑性坍塌或脆性断裂三种失效方式中的某一种所控制[80]，正是由于这一阶段的存在，材料能以恒定的应力水平吸收较大的能量。泡沫铝衰减爆炸波的作用机理除材料自身的本构黏性效应外，还与卸载波的追赶效应有关[81]。程和法等[82]指出冲击波在泡沫铝中传播时其峰值大小与传播距离呈指数衰减关系，传播速度与传播距离呈线性衰减关系。大量试验和数值模拟研究[83-88]也表明：铺设泡沫铝分散层可有效吸收爆炸能量，使得到达结构表面的荷载峰值大大减小且分布更加均匀，结构层挠度变形也大为降低。当然，金属泡沫对结构层的保护效果不仅仅取决于吸能材料本身的属性，还与施加的爆炸荷载强度和结构层自身物性参数有关[89-90]。相比于薄壁柱壳，金属泡沫材料各向同性、具有较大的压缩应变，且应力平台稳定；相比于高分子聚合物泡沫塑料，其应力-应变曲线表现出更高的应力平台，因此具有更强的耗能消波能力。
图 7 不同空间尺度下金属泡沫的结构特征Figure 7. Structural features of metal foams at different spatial scales金属基分散层作为功能（吸能减震）和结构（具有一定承载力）一体化的新型材料，在工程防护领域具有广阔的应用前景。但另一方面金属材料对使用环境的要求较为苛刻，而地下防护工程长期处于潮湿的环境，金属易发生氧化、腐蚀，因此金属基分散层仅小幅应用在地面场景。此外由于金属泡沫工程造价过于高昂，将其大体量应用于分散层不合实际，目前仅在特殊工事中重要部位的防护才会加以考虑。
1.7 超材料
近年来，关于超材料的研究蓬勃发展，其中具有代表性可作为分散层材料使用的气凝胶被称为21世纪可改变世界的多功能超轻材料，具有高度互连的纳米多孔网状结构，密度变化范围为1～500 kg/m3，其内部充斥大量空气，孔隙率高达80%～99.8%[91]。冲击波在气凝胶中的传播速度极低，最小波阻抗可达103 kg/(m2·s)。Katti等[92]探究了气凝胶的静态力学性能，其在应变达到40%时才开始进入应变硬化阶段，具备缓冲吸能的潜质；Luo等[93]指出气凝胶存在明显的应变率强化效应。气凝胶的黏性耗散效应使得爆炸波传播时出现衰减和弥散现象，据英报道，6 mm厚气凝胶覆盖层便可使金属板在1 kg炸药爆炸作用下免受冲击毁伤，杨杰等[94-95]也对其消波防护效果进行了验证，并指出冲击波在气凝胶中传播时随着传播距离的增加呈指数衰减。相比于泡沫铝，冲击波在二氧化硅气凝胶中的衰减速率更高，这主要得益于气凝胶内部独特的纳米多孔网状结构[95]，其次卸载波在气凝胶中的追赶卸载效应也更为明显[96]。气凝胶及其制品于2018年被国家统计局纳入战略性新兴产业之一，拥有广阔的应用发展前景。但是常规气凝胶内部骨架是由弱连接的纳米颗粒组成，因此存在强度低、脆性大等缺陷，而作为分散层材料需具备一定的抗静载能力。为解决这一问题，可采取添加适量的纤维、颗粒等增强体或进行适当的老化和热处理等措施[97]。关于将气凝胶作为成层式防护结构中的分散层进行应用现目前还处在初步的可行性论证阶段，主要原因在于气凝胶存在生产程序复杂、加工时间长、成本高昂等问题，因此制约了其在成层式防护结构分散层中的实际应用。
2. 不同结构型式分散层的防护效能
2.1 不同材料多层叠加结构
遮弹层与分散层界面之间的波阻抗不匹配会导致能量与动量分配比发生改变，同样，当分散层采取不同材料进行多层设计时，分散层自身界面间将发生波的透、反射，使得传播至结构层的能量占比降低。此外，透反射次数的增加还可大幅延长应力波的传播路径，在该行程中爆炸能量得到大幅衰减。试验研究[77, 98]也表明，分散层分层设计时到达支撑结构表面的应力峰值、爆炸冲量均小于分散层单层设计的工况。且当分层材料和各材料的厚度不变时，采用周期循环布置对波的弥散衰减效果更为显著。王超申等[99]进一步指出，每一周期内材料按波阻抗递增顺序排列消波性能优于按波阻抗递减排列。需要说明的是，在分散层总厚度不变的情况下，并非分层层数越多越好[100]。实际上当分散层中单层厚度过小时，无论各层介质间波阻抗如何失配，多层介质界面对应力波传播造成的影响微乎其微[101]，此时不仅起不到消波作用，反而使得结构整体的吸能性能受到影响。
2.2 吸能材料填充薄壁柱壳
薄壁柱壳作为传统的吸能构件，堆砌成分散层后虽然能在一定程度上降低到达结构表面的应力峰值，但存在着吸能效率低、减震效果不佳等问题。相比之下双柱壳、嵌套管等均能在一定程度上优化结构的吸能特性，此外在薄壁结构内填充吸能材料（主要包括金属泡沫、高分子泡沫塑料、多孔混凝土等）可有效改善结构的坍塌模式和破碎稳定性，表现出良好的吸能减震效果[102-103]。薄壁结构与吸能材料两者之间的相互作用包括：薄壁柱壳对内部吸能材料的坍塌起到限制作用，延缓吸能材料的失稳；吸能材料对外部的薄壁结构起到支撑作用，抵抗柱壳的局部屈曲；吸能材料与薄壁结构变形不同步产生摩擦耗能。研究表明两者在吸能减震方面具有协同作用[104]，即薄壁结构内填充吸能材料产生的吸能减震总收益大于吸能材料和薄壁结构单独作用时的收益之和。Elahi等[105]进一步指出在该组合结构中吸能材料产生的防护效果占比更大，且能量吸收效率高度依赖于填充物的密度，在一定范围内，介质密度越大吸能效果越佳[106-107]。吸能材料填充薄壁复合结构既能弥补多胞吸能材料强度低、易失稳坍塌的缺陷，又能缓解薄壁结构侧向冲击下承载能力差的问题，而且比吸能高、稳定性强，因此将该类结构应用于分散层具备巨大的应用潜力。
2.3 三明治夹芯结构
为满足吸能材料日益增长的多功能需求，轻质夹芯三明治结构被提出并被应用于防护结构中的牺牲层，其一般由上面板、芯体层、下面板三部分组成，夹芯板芯体种类包括泡沫材料、蜂窝材料、波纹板、点阵材料等[108]。图8所示为三明治夹芯板复合结构示意图，它的优势在于既具备一定的比强度和比刚度，可承受来自上部结构如遮弹层施加的静荷载；又能充分发挥夹芯材料的缓冲吸能特性，防护效果优于纯夹芯材料。三明治夹芯板作牺牲层时在爆炸荷载作用下的动力响应主要分为面板变形失效、夹芯层的压缩破碎和结构整体动态响应三个阶段[109-110]。而能量吸收主要发生在芯层微观结构的渐进式局部破碎过程中[111]，此外，面板在爆炸荷载作用下与芯层分离，伴随弯曲、拉伸、穿孔、撕裂等复杂动态失效行为也会耗散部分能量。大量试验研究[112-115]也表明三明治夹芯牺牲层可快速衰减应力峰值、延长应力波脉宽和升时，从而实现对下部结构的防护。而其防护效能主要与芯层材料、芯材相对密度、空间拓扑结构、单元形状、尺寸规格以及面板厚度等因素有关。三明治夹芯结构具备比强高、比刚大、耐腐蚀性好、可设计性强、减震吸能效果明显等优势，但现阶段仍有一些问题限制了其在工程上的大规模应用，包括夹芯层与面板之间联结性差，原材料价格高，总体造价昂贵，大尺寸构件及批量化制备较难等。
2.4 同种材料构成的梯度结构
为进一步增强传统单层分散层材料的耗能能力，对其动态响应的研究已经从单层均匀结构扩展到试图找到最优设计的梯度结构。具有梯度特性的能量吸收结构主要包括可变直径/壁厚/强度的薄壁结构和可变密度的多胞结构[117]。
薄壁锥形管是最简单和最常见的变直径梯度结构，对于圆管（或方形管）而言，直径的减小将导致初始应力峰值的降低，因此将锥形管作吸能结构时一般将直径较小的一端放置在远离被保护结构的一侧，此外其在斜向冲击下相比于定直径薄壁结构具备更强的能量吸收能力[118]。关于渐变壁厚和渐变强度薄壁管，其比能量吸收率较原始管也均有一定程度的提高[119]。
分级梯度多胞结构相比于传统的均质密度单级结构有时具有更高的抗压强度[120]，由于单级泡沫层的消波吸能能力受泡沫层厚度、平台应力和密实化应变的限制，Ma等[121]建议采用双级泡沫层来提高分散层的吸能效能，并基于理想刚塑性锁变模型推导出了双级泡沫分散层吸收爆炸能量的解析解。张鹏飞等[122]指出具有正、负密度梯度特性的泡沫芯层其比吸能均高于密度均匀的泡沫芯层，然而正/负密度梯度方向的最佳设计建议存在不同看法。高海莹等[88]、Codina等[60]、Zhou等[123]认为将高密度泡沫层放置于靠近爆源的一端（即负梯度铺设）时可提高泡沫层的抗贯穿阻力，且降低了向被保护层一端所传递的应力水平，因此，泡沫层能更好地发挥防护效能。Wang等[124]认为排列组合方式为先低密度后高密度的泡沫层其抗爆性能更优。Liang等[125]通过对爆炸载荷下不同密度梯度分布多胞材料中应力波的传播机理进行分析，发现正密度梯度下致密化最初仅发生在爆炸端，并沿冲击波传播方向压实；而负密度梯度下致密化在两端同时产生。实际上，密度梯度结构分散层的防护能力主要由能量吸收能力和传递到被保护结构层表面的冲量这两个参数进行评估，能量吸收能力越强、所传递的爆炸冲量越小，防护效果愈佳。不同密度梯度分布时多胞材料的防护效能如图9所示，在四种梯度分布结构中，正密度梯度下材料的能量吸收能力和传递的冲量均呈现出最大值，而负密度梯度下两者均最小。Lan等[126]也得到相同的结论，因此评判的指标不一样导致了防护效果结论的差异性。由于铺设密度梯度分散层的主要目的是对下部结构层进行防护，因此传递到被结构层表面的冲量应更为关切，建议采用负密度梯度设计，且密度梯度越大防护效果越佳[127]，所需分散层厚度越小。
梯度的引入给分散层结构的设计带来了更大的灵活性和更理想的防护效能，尽管具有梯度特性的薄壁结构和逐层分级梯度的多胞结构制作工艺已相对成熟，但制造具有连续密度梯度的多胞结构仍是一项具有挑战性的工作。
2.5 负泊松比结构
近十年来负泊松比结构一直是研究的热点，在爆炸荷载作用下，一方面，材料内部单元发生塑性大变形吸收能量；另一方面，由于负泊松比效应，四周材料单元会向爆炸荷载中心作用区流动聚集，从而进一步增强能量吸收能力。虽然轻量化多功能负泊松比结构具备优异的抗冲击、减震特性，但也存在着刚度和稳定性较低等问题。一种常用的方法是在负泊松比框架中填充软材料形成负泊松比两相复合结构，其中负泊松比框架为增强相，软材料为基体相。周宏元等[128]进一步指出随着软质填充材料密度的增大，吸能效率不断提升，但当密度超过一定值后能量吸收能力达到极限值。尽管填充软材料在一定程度上降低了结构的拉胀性，但可显著提高整体的刚度和比吸能能力。此外，还可采用结合几何设计的方法以增强负泊松比结构抗爆性能[129]。Qi等[130]将负泊松比结构作为分散层开展试验验证了其具备良好的吸能减震效果，但由于该结构生产工艺复杂、成本高，真正大体量应用于工程结构防护还有较远的距离。
3. 影响分散层防护效能的主要因素
3.1 分散层材料物性参数
密度对于某一选定的材料是否合适作为分散层发挥着至关重要的作用。首先，较为直观的表现在密度/孔隙率的变化通常会引起介质抗静载强度的改变。以多孔混凝土为例，经典的预测多孔混凝土孔隙率与抗压强度关系模型[131]有Balshin模型、Ryshkevitch模型、Schiller模型和Hasselmann模型，相应的关系式分别为：
fc=fc,0(1−p)n (1) fc=fc,0e−krp (2) fc=fc,0−khp (3) fc=ksln(pcrp) (4) 式中：fc为抗压强度，fc,0为零孔隙率时的理论抗压强度，p为孔隙率，pcr为强度等于零时对应的临界孔隙率，n、kr、kh、ks均为经验常数。不同密度多孔混凝土的抗压强度如图10所示，随着密度/孔隙率的增大，介质的抗压强度相应增大，越能满足分散层抗静载能力的要求。但另一方面，密度的微小变化都会对应力波在介质中的传播速度和衰减程度造成影响。如砂、土介质中，随着密度的降低，爆炸应力波的传播速度明显减缓，传递到结构上的压力峰值大幅降低[132]。对轻质多孔混凝土而言，高密度、高强度状态下的破坏模式趋向于脆性开裂，吸能减震效果差，随着密度的降低，其破坏模式开始向塑性压实转变，在此过程中可耗散大量爆炸能量。密度对其他多胞材料（如泡沫塑料、泡沫金属）应力-应变曲线的影响如图11所示，塑性屈服平台段和致密压实段受其影响较为显著，同样，随着密度的减小，其压缩变形机制由整体塑性破坏向逐层塑性坍塌变形过渡[22]，冲击波在介质中的传播速度明显下降，能量吸收效率显著提高。但并非密度越小对下部结构的防护效果越佳，Ichino等[133]指出对于EPS泡沫而言便存在最佳防护密度。
图 10 不同密度多孔混凝土的抗压强度Figure 10. Compressive strength of cellular concrete with different density
图 11 不同密度多胞材料的典型应力-应变曲线示意图Figure 11. Typical stress-strain curves of cellular materials with different densities分散层的力学物性参数对结构层的防护效果也存在较大的影响，分散层的弹性模量越低，其减震效果越好。但若综合考虑结构层动态响应，则分散层与遮弹层的弹性模量比存在一最佳防护效果临界值[17]。分散层泊松比反映了其压缩性能，材料泊松比越大，则其不可压缩性越高，相应的破碎吸能也会越少，从而致使防护效果不佳。分散层屈服强度则反映了材料的弹塑性性能，其对结构层加速度响应影响较大，而结构塑性应变峰值受其影响较小。随着屈服强度的降低，分散层隔震效率越发明显[141]。
3.2 分层介质间波阻抗失配程度
波阻抗表征使介质产生单位质点速度增量所需要施加的扰动应力增量大小，其对分层介质中波的透反射发挥着至关重要的作用。爆炸波在成层式结构内传播时，因层间波阻抗失配会在分界面处经过多次的反射和透射才能得以平衡。一方面，反射产生了有利的卸载波，使得传递到分散层中的爆炸波强度降低；另一方面，界面阻尼的存在延长了爆炸波在介质中的传播路径，使得爆炸能量在介质中得到充分吸收和转化。波阻抗失配程度对应力波传播的影响表现如下（为简化分析过程，假设遮弹层与结构层的波阻抗相同）。
（1）对于单层分散层，在遮弹层、分散层和结构层的相邻分层界面处，一维线弹性波传播满足连续条件、牛顿第三定律以及固体波阵面上的动力学相容条件[142]：
vI+vR=vT (5) σI+σR=σT (6) σ++ρ+ν+(ν+−c)=σ−+ρ−ν−(ν−−c) (7) 式中：v为质点速度，σ为应力，下标I、R、T、+、−分别表示入射波、反射波、透射波、波前、波后的介质状态。联立上式可求得入射波经过遮弹层后第一次到达分散层时的透射波强度σT和反射波强度σR：
σT=TσI，σR=FσI (8) 式中：T=2/(1+λ)为遮弹层与分散层之间的透射系数，F=(1-λ)/(1+λ)为遮弹层与分散层之间的反射系数。其中λ=ρ0c0/ρ1c1为遮弹层与分散层之间波阻抗的比值，下标0、1分别表示遮弹层和分散层。考虑到应力波会在界面处发生多次透反射，假设反射的次数为m，则分散层内部将有m+1个新的入射波到达被保护的结构层，且相应的第i个波的强度为：
σi=σT(FF′)i−1i=1,2,⋯,m+1 (9) 式中：F'=(λ−1)/(λ+1)为分散层与结构层间的反射系数，令α=FF'，则分散层内m+1个应力波相互作用后的合应力为：
σf=1−αm+11−ασT (10) 随着反射次数m不断增加，当m→∞时，经过分散层到达结构层的合应力达到稳定值：
σsum=4λ(1−α)(1+λ)2σI=2σIλ+1/λ (11) 令Ф=(λ+1/λ)/2，该因子只与介质间波阻抗的比值有关，表征了单层分散层工况下分层介质间的波阻抗失配程度，可定义为单层分散层成层式结构的波阻抗梯度，当分层介质波阻抗比值λ→∞或λ→0时，有Ф→∞，此时波阻抗梯度越大，到达结构层的应力波达到稳定的速度也越慢，且强度的衰减也越显著。
（2）当嵌含分散层的层数为x（x≥2）时，定义第x−1层与第x层分散层间的波阻抗比值、反射系数和透射系数分别如下：
λx−1,x=ρx−1cx−1ρxcx，Fx−1,x=1−λx−1,x1+λx−1,x，Tx−1,x=21+λx−1,x (12) 类似单层分散层中应力波传播推导，可得到经过x层分散层后到达结构层的透射应力波强度：
σ′sum=σIΦ′Φ′=[x∏i=11−Fi−1,iFi,i+1Ti−1,i]1Tx,x+1 (13) 式中：当i=x时，Fx,x+1和Tx,x+1分别为第x层分散层与结构层之间的反射系数和透射系数。Ф'表征了铺设多层分散层时成层式结构整体波阻抗分布的失配程度，同样，Ф'越大，到达结构层表面的应力波强度越小，越有利于结构层的防护。
3.3 分散层厚度
当分散层材料及结构型式选定后，厚度的设计对成层式结构的防护效果至关重要。当分散层厚度过小时消波效果不明显[55]，甚至可能会造成旨在削弱爆炸强度的分散层起到适得其反的作用，即爆炸波经过该分散层后会使传递的应力幅值增强，并且超过入射峰值应力，此外到达被保护结构表面的内能也会相应增加，如图12（a）所示。而这种“负面衰减效应”主要与分散层压实后形成的压实波阵面在分层界面间的反射叠加有关，且其大小取决于入射应力波的幅值、分散层基体材料的物性参数（屈服强度、密度）和被压实的程度等[15]。其次，由于多胞材料具有应变率效应，强冲击波作用下材料传递力的能力也会得到增强[143]。因此，有必要限制分散层的最小厚度。Nian等[23]通过试验指出泡沫混凝土能否消减到达结构表面的爆炸应力波实际上存在一临界厚度。Ma等[90]认为由多胞材料构成的分散层，其厚度满足的理想状态为在支撑结构达到允许最大挠度的瞬间分散层被完全压实。
对于分散层厚度的设计需满足两点要求：（1）能吸收上部结构中应力波传递的能量；（2）能隔离上部结构产生的破碎岩石，使之不与被保护结构相接触。最终达到的防护效果应根据防护等级要求，满足结构的关键动力响应指标不超过其允许的最大阈值。分散层最小厚度（H）的设计计算方法主要包括：（1）按分散层所吸收的应变能至少等于形成岩洞时所挖掉的相同厚度岩体所吸收的应变能进行计算，如下式所示[144]：
H⩾R0[1−√1+σry(2εr−εrp)2σdyεdu] (14) 式中：R0为未变形前岩洞半径，σdy为分散层材料的屈服应力，εdu为分散层材料达到硬化点时的极限应变，σry为岩体的屈服应力，εrp为围岩洞周塑性形变，εr为触地爆地冲击自由场应变峰值。该计算方法仅考虑了分散层材料的不可逆塑性变形耗能，而并未考虑其它冲击动能衰减机制，导致计算结果较为保守。（2）利用设计系数来控制防护结构的安全度，但计算时所需的参数较多，而各参数的选取直接影响到结果的准确性，对应的公式为[1]：
H=K[aKz3√C−(H1−Hq)KzKz1−dKzKzj−e] (15) 式中：K为结构可靠度设计系数，Kz为分散层震塌传递系数，Kz1为遮弹层震塌系数，Kzj为结构层震塌系数，a为填塞系数，C为常规武器等效装药量，H1为遮弹层厚度，Hq为弹体在遮弹层中的侵彻深度，d为支撑结构顶盖厚度，e为装药中心高度。
在满足最小分散层防护厚度的前提下，增大分散层厚度可进一步减弱支撑结构的动态响应，使得结构表面荷载分布更加均匀。然而并非厚度越厚综合效益越佳，Zhao等[14]、Wang等[15]、Wang等[17]、Ding等[145]均指出强应力波在常规分散层中传播时，应力峰值随传播距离的增加而衰减，但衰减速度呈减小趋势，即分散层厚度到达一定值后吸能效能达到饱和状态，如图12（b）所示，此时消波防护的增益效果不再明显。另一方面，大幅增加分散层厚度会造成整体结构不稳定、对浅埋工事不友好等工程问题，此外同样受到施工时间和成本的控制。
3.4 分散层含水率
大部分浅埋工事长期处于地下潮湿环境中，而含水率对于分散层的抗静载能力和消波效果存在一定的影响。对于常规砂、土、轻质混凝土等工程材料而言，侵入的水分子使砂土颗粒、粗细骨料间的黏结力和摩擦力降低，从而导致整体抗压强度下降，且随着含水率增加，在初期下降明显而后趋于稳定。但与密度相比，含水率对分散层材料强度的影响相对较小。而介质中应力波的传播与含水率密切相关，分散层多为松散、多孔结构，从变形吸能角度是极为有利的，但易从周围环境吸收水分。当孔隙内填充满水体时，爆炸波通过分散层后波速仍然很高，高频部分很容易传播，减震作用明显降低，应力波能量损耗小、衰减慢[146]。因此，有必要采取一定的防渗漏措施控制分散层的含水率。
3.5 分散层单元形状及规格
纯粹依靠增加分散层厚度以提高防护效果在技术及经济上并不可行，为此不少学者开展了分散层单元形状、规格对增强其防护效能的相关研究。Wang等[147]探讨了混凝土中嵌含矩形孔穴的尺寸、位置对爆炸波传播演化机理的影响，发现矩形孔穴消波性能对孔穴宽度的变化并不敏感，随着孔穴长度的增加其后方的静水压力峰值显著降低。对于多边形管，其能量吸收能力随着边数的增加而提高，但能量吸收特性的提高存在饱和状态。而Nia等[148]对比了轴向冲击下不同截面形状（圆形、矩形、六角形、三角形、金字塔形和圆锥形）薄壁管的变形及能量吸收特性，发现圆形管具备更强的比吸能。对于多胞材料，王展光等[149]指出球形泡孔较多边形泡孔结构吸能效果更为显著。
事实上，常规分散层采用的是传统水平界面，根据波动理论可知，此时透射与反射角度较为固定，对于平面正入射波弥散效果有限。带有一定曲率界面形状的分散层消波效果更佳。试验研究[114, 150]也验证了球型、波纹型耗能层防护效能明显优于平板型，且波纹周期越小效果越明显[151]。这主要得益于带有一定角度的分界面可使透射到分散层内的应力峰值降低，另一方面还可额外延长爆炸波传播的行程路径，使分散层的均布荷载和消波耗能作用充分发挥。
4. 分散层选型及设计原则
合适的分散层一定是由耗能减震能力较为优质的材料构成，但并不是所有的高效吸能缓冲材料都适合用作分散层。分散层的选型和设计应注意以下几点。
（1）应具备较低的波阻抗、有一定的屈服强度和足够的抗静载能力。分散层与遮弹层之间的波阻抗失配程度越高，防护效果越好，由于要求分散层具备一定的减震性能，因此一般选取波阻抗较低、弹性模量较小的柔性材料。对于选定的材料类型，较低的波阻抗通常采取降低介质的密度来实现，而密度又会进一步影响材料的抗静载能力和屈服强度。首先，分散层需要足够的抗静载能力以承受来自上部遮弹层、伪装层以及其他临时设施施加的重力。其次，作为爆炸能量的传递介质，分散层的屈服强度既不能太大，以至于在强爆炸荷载下不屈服失去吸能减震功能，或屈服后传递到结构表面的荷载仍超过安全容许值；也不能过小，以至于被保护结构在弱爆炸作用下而无需防护时分散层材料发生失效，或导致所需分散层厚度过大。分散层密度、弹性模量、屈服强度等具体参数的选取应根据防护结构型式、结构层防护等级要求、可能遇袭的武器威力和预期的动态响应等多种因素综合考虑。
（2）基体材料对应变率敏感、且在屈服应力基本保持不变的情况下能发生较大塑性变形。从变形耗能的角度出发，材料若在塑性屈服阶段存在较大的压实应变可吸收大量爆炸能量，且对于应变率敏感型材料冲击波在其中传播衰减的速率更快、吸能效果越佳。
（3）环境适应能力强，材料性能稳定。分散层可能长期面临着潮湿、侵蚀等严苛环境的挑战，因此对材料在防水抗渗、抗侵蚀等方面存在一定的要求，从而保证其在成层式工事服役年限内发挥出应有的防护效能。其次，分散层材料必须性能稳定，其防护效能在爆炸荷载作用下具备一定程度的可预测性。此外还需注意的是，低密度柔性材料构成的分散层在长期静荷载作用下产生的蠕变可能比瞬时弹性变形大得多，因此在分散层设计时需考虑材料蠕变的影响。
（4）在材料选型确定的基础上应结合结构型式的设计和优化以提高分散层防护效能。如使用分层结构、带有一定曲率界面的结构、复合结构等，使得透射应力波的强度尽可能低、应力波在分散层内的传播路径尽可能长，从而使爆炸能量在分散层内得到更加充分的吸收和消化。
（5）原材料价廉、铺设施工工艺简单。最基本也是最重要的一点在于需考虑实际工程应用问题，由于国内地上及浅埋工事、人防工程等体量大，建设资金在分散层方面的投入终究有限，因此要求分散层原材料来源广泛且价廉，能够工业化批量生产；分散层结构铺筑工艺简单，施工便捷，易被施工和设计单位接受采纳。
5. 目前存在的问题及展望
目前，结合材料选择、工程设计和功能集成等学科领域，国内外关于分散层的研究已取得了不少研究成果与进展，但仍存在一些问题亟待解决。
（1）虽然各类耗能减震分散层材料和结构层出不穷，但工程实用价值有待提升。现阶段分散层组成还是以常规砂、土等就便材料为主，以轻质混凝土等工程材料为辅，分散层构成开始由“就便材料/单层铺筑结构型式”向“专用材料/多类型结构型式”转变，但部分分散层材料或结构型式存在着抗静载能力低、稳定性差、制备工艺复杂、工程造价高等缺陷，无法大规模应用于工程防护领域。此外伴随着服役环境的多变性及复杂性，对分散层材料的环境适应性要求也越来越高，如高原高寒地区砂土耐冻融能力差，此时砂土分散层的消波性能被弱化；沿海岛礁地区则需考虑轻质混凝土分散层的抗侵蚀和耐久性等；高水位地区需考虑分散层材料的抗渗性，或采取相应的防渗漏水措施（如使用防水涂层）。因此，现目前工程实际应用时需因地制宜，先根据防护工事所处的地质环境、所采用的施工工法等选择更为适宜的分散层材料，待选型完成后应更多的结合结构型式的改变以提高防护性能。随着材料科学、工艺制造水平以及3D打印大型结构件等高新技术的快速发展、材料及工程造价的逐步降低，未来分散层组成会向功能更加完整、性能更加稳定的超材料和超结构渐进发展。
（2）分散层材料及结构型式确定后，如何确定分散层的最佳防护厚度亟待解决。武器爆炸威力越来越大，所需分散层厚度呈现不断增长的趋势，然而现行分散层厚度计算方法考虑并不全面，适用的介质范围有限，且计算方法中考虑到的消波机制基本上也只计及了材料在爆炸荷载下的塑性屈服耗能，或考虑柔性材料的地冲击衰减系数，而并未考虑其它冲击动能衰减机制，如波阻抗失配导致的能量对冲、爆炸波非平面运动造成的能量空间弥散（几何衰减）、应变率效应引起的变形滞后所造成的能量损耗等。实际上，爆炸荷载具有很强的非线性，且分层介质间不仅需要考虑爆炸波的反射、透射、绕射、流固耦合相互作用，还需考虑应变率效应、惯性效应以及材料的初始缺陷等因素对爆炸波传播的影响，因此目前通过纯理论计算分散层的最佳防护厚度较为困难。此外现有分散层设计基本上是以小缩尺比试验为基础，而缩尺比较小时难以支撑原型结构设计。为此，建议针对某一选定分散层材料，可通过有限次原型爆炸试验校验数值模型，然后通过数值计算不同装药量、不同比例埋深爆炸下分散层的最佳防护厚度，并结合深度学习算法构建相应的最优分散层厚度数据库以供设计人员使用。
（3）现阶段分散层基本上仅能承受一次爆炸的冲击，在面对二次打击时防护能力不足。开发具备抵抗多次爆炸冲击能力（现阶段常用分散层多为延塑性材料，在其发生塑性变形后将失去吸能能力，相比之下黏弹性材料具备阻尼特性，可实现二次吸能）、可快速恢复吸能减震特性（如采用具备形状记忆功能的合金/聚合物材料）、组装迅速便捷的分散层会是亟需攻克的方向。
（4）需指出的是，目前单纯依靠分散层以实现爆炸荷载下结构内部的完全减震功能并不现实，还需辅以整体隔震系统和隔震地板设计，从而使工程内部的震动降低到人体耐震能力和仪器设备的震动容许值以下。
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图 1 典型的成层式防护结构示意图
Figure 1. Schematic diagram of typical multilayer protective structure
图 2 准静态压缩下泡沫混凝土典型的应力应变曲线示意图
Figure 2. Typical stress-strain curves of foam concrete under quasi-static compression
图 3 空气夹层成层式结构破坏演化过程示意图
Figure 3. Failure evolution process of the multilayer protection structure with an air distribution layer
图 7 不同空间尺度下金属泡沫的结构特征
Figure 7. Structural features of metal foams at different spatial scales
图 10 不同密度多孔混凝土的抗压强度
Figure 10. Compressive strength of cellular concrete with different density
图 11 不同密度多胞材料的典型应力-应变曲线示意图
Figure 11. Typical stress-strain curves of cellular materials with different densities
Table 1. Physical and mechanical parameters of the medium under the ground impact of explosion[9-10]
介质 波速c/（m·s−1） 波阻抗ρc /（kg·m-2·s-1） 衰减指数n 低相对密度松散干砂、黄土和砂砾 180 0.26×106 3.00～3.50 密实的不良级配干砂 274～396 0.57×106 2.50～2.75 相对密度接近100%的极密干砂 488 1.00×106 2.50 黏土、松散不良级配湿砂（含自由水） 152～183 0.28×106～0.34×106 3.00 湿的泥质黏土 213～274 0.41×106～0.57×106 2.75～3.00 砂质填土、回填土、潮湿黏土 300 0.50×106 2.75～3.00 密实的不良级配湿砂（含自由水） 305 0.50×106 2.75 潮湿黄土、粉土 300 0.63×106 2.75～3.00 地下水位以上的潮湿粉土 549 1.09×106 2.50 饱和土 550～1500 1.09×106～3.05×106 1.50～2.50 
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表 2 铺设泡沫混凝土分散层后结构层动态响应参数峰值衰减率
Table 2. Peak attenuation rate of dynamic response parameters of protection structure with foam concrete
工况 泡沫混凝土分散层 装药量/kg 结构层动态响应参数类型 峰值衰减率/% 数据来源 密度/（kg·m−3） 厚度/cm 1 450 6～10 44 压力峰值 79.1～89.9 文献[14] 2 475 3 0.014 54 文献[15] 3 610 15 0.2 48.9 文献[13] 4 788 20～120 306 23～28.8 文献[16] 5 799 5～15 − 20.1～40.5 文献[17] 6 788 40～120 − 加速度峰值 30.9～40.2 文献[18] 7 450 6～10 44 速度峰值 62.1～73.3 文献[14] 8 799 5～15 − 7.3～13.3 文献[17] 9 400 20 0.025～0.03 形变量峰值 66.7～83.7 文献[19] 10 475 2～4 0.014 11.9～23.9 文献[15] 11 799 15 − 8.3 文献[17]
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