爆炸壓密法加固飽和砂土的原理及應(yīng)用設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間：2010-01-14 共1頁
1．引言
飽和砂土地基的處理，在工程中經(jīng)常遇到，多年的工程實(shí)踐，已發(fā)展有置換法、預(yù)壓堆載、強(qiáng)夯法和深層攪拌化學(xué)固結(jié)等方法，均取得了較好效果。但這些方法也同時(shí)存在不足之處，如預(yù)壓堆載法需要量的土石方，施工作業(yè)繁重；真空預(yù)壓法對(duì)密封要求較高，且兩種方法的施工周期都在6～8個(gè)月，難以滿足工期緊迫工程的建設(shè)需要。
由于爆炸和強(qiáng)夯的荷載性質(zhì)相近，利用爆炸壓密法處理飽和砂土地基是完全可行的，國(guó)內(nèi)外都有研究和應(yīng)用，也取得了滿意的效果，在其他方法施行困難時(shí)，應(yīng)該考慮使用爆炸壓密法。爆炸壓密法可分為深層藥包爆振法、水中懸吊藥包爆振法和裸露藥包接觸爆炸法三種。深層藥包爆振法適用于深層壓實(shí)，應(yīng)用較廣。本文主要對(duì)深層藥包爆振法進(jìn)行歸納和論述。
2．爆炸壓密法加固飽和砂土的原理
爆炸壓實(shí)是一種土壤加密技術(shù)，它利用置于松散、飽和、非粘性土壤（以下簡(jiǎn)稱飽和砂土）中的炸藥爆炸產(chǎn)生的能量使土壤顆粒重組、構(gòu)造更為緊密穩(wěn)定，并將空隙水排出，從而達(dá)到土壤的加密。
爆炸法加密飽和砂土，其基本過程可以理解為在強(qiáng)動(dòng)荷載下土體液化和土顆粒重新排列。爆炸荷載與飽和砂土的相互作用主要有四種形式：爆沖力對(duì)砂土的強(qiáng)夯、沖擊波在砂土中的傳播、爆炸氣體與砂土的相互作用以及爆炸荷載產(chǎn)生地震對(duì)砂土的震動(dòng)。爆炸加密飽和砂土的過程首先是爆沖力強(qiáng)夯的作用將砂土擠密，爆源點(diǎn)形成高壓氣囊；然后是高壓氣體擴(kuò)散，氣囊壓力減小，砂土顆粒回落氣囊；同時(shí)，高壓氣體使砂土中自由水壓力升高，形成超空隙水壓力，以及擴(kuò)散的氣體對(duì)砂土顆粒的裹附，削弱了砂土的抗剪強(qiáng)度，加之爆炸沖擊波和地震力的共同作用，使砂土剪切破壞，顆粒離散，呈游浮狀態(tài)，砂土液化；最后，液化砂土隨著氣體壓力逐漸減小到零，超空隙水壓力消失，顆粒在自重作用下呈加速趨勢(shì)沉積，重新排列組合，快速排水固結(jié)，形成更緊密的結(jié)構(gòu)。整個(gè)過程，飽和砂土由固體顆粒和水的二相結(jié)構(gòu)變?yōu)楣腆w顆粒、水和氣體的三相結(jié)構(gòu)，然后再由三相結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嘟Y(jié)構(gòu)。
爆炸荷載的作用改變了土體原有的力學(xué)性質(zhì)，是導(dǎo)致砂體加速固結(jié)的主要原因。炸藥爆炸加密砂土的能量主要靠爆炸產(chǎn)生的高壓氣體和沖擊波的壓縮作用。在砂土中，高壓氣體對(duì)超空隙水壓力的產(chǎn)生和砂土的液化起主導(dǎo)作用。據(jù)國(guó)外資料介紹，在飽和砂土中一個(gè)8kg藥包爆炸后在附近砂土中產(chǎn)生的超壓可達(dá)到1000MPa，正壓作用時(shí)間長(zhǎng)達(dá)60ms。
我國(guó)的有關(guān)試驗(yàn)表明爆炸引起砂土壓實(shí)沉降有兩個(gè)階段。第一階段是由于砂土顆粒向氣囊回落而引起的表面迅速下疊，在這個(gè)短暫的過程中，沉降量的主要部分已經(jīng)完成；第二階段是砂土排水固結(jié)的緩慢過程，它一般持續(xù)好幾分鐘直至砂土中的超空隙水完全消散為止。
3．爆炸壓密法加固飽和砂土的工程特點(diǎn)
3.1爆炸法加固飽和砂土的適用性
國(guó)內(nèi)外爆炸法加固飽和砂土的試驗(yàn)和工程實(shí)踐證明，爆炸法對(duì)加固飽和砂土有較好的工程前景。自二十世紀(jì)30年代美國(guó)和前蘇聯(lián)首先獲得應(yīng)用以來，即使在復(fù)雜場(chǎng)地及極端氣候環(huán)境下對(duì)飽和砂土加密也均有成功應(yīng)用，我國(guó)深圳媽灣電廠和三峽高土石圍堰工程中也取得了實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。由于爆炸加固一般不需要型專用設(shè)備，炸藥爆能可以方便地施加與各種介質(zhì)對(duì)象，且加固效果能滿足工程需要，經(jīng)濟(jì)節(jié)約，有廣闊的應(yīng)用前景。
在三峽二期工程的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用單層群藥包深層爆炸法對(duì)深水圍堰砂礫料拋填堰體進(jìn)行加密，經(jīng)1遍或2遍爆炸壓實(shí)后，平均干容重達(dá)到1.74～1.90g/cm3，平均相對(duì)密度0.73以上，拋填砂均達(dá)到了很好的壓實(shí)效果，滿足γd≥1.7g/cm3，Dr≥0.7的設(shè)計(jì)指標(biāo)。
爆炸法與振沖法比較，具有人員少、設(shè)備簡(jiǎn)單、效率高和成本低的優(yōu)點(diǎn)。特別是在生產(chǎn)效率相同的情況下，爆炸法在綜合成本上要比振沖法減少約2/3。與振沖擠密試驗(yàn)相比，兩種方法在加密質(zhì)量上達(dá)到同等水平，不同之處在于：靠近地表部分振沖法標(biāo)貫擊數(shù)于爆炸法；在靠近砂層底部爆炸法標(biāo)貫擊數(shù)于振沖法，尤其爆炸法能改善下臥淤泥質(zhì)粘土力學(xué)性能，而振沖法由于用高壓水射流在交界面附近使泥漿滾翻導(dǎo)致標(biāo)貫擊數(shù)的降低。
砂土爆炸壓實(shí)必須具備三個(gè)條件：①砂土為飽和狀態(tài)（最佳壓密效果的飽和度0.8≤Sr≤0.9）；②初始密度小于密度極限（即為可壓實(shí)土）；③砂體原有結(jié)構(gòu)必須得到破壞（即產(chǎn)生液化）。
3.2 對(duì)爆炸壓密法加固效果的影響因素
爆炸壓密法施與砂土能量的方式、數(shù)量和速度與其它方法不同，具有作用壓力高、時(shí)間短的特點(diǎn)，其對(duì)砂土液化作用過程也具有劇烈、短暫的特征。影響加密效果的因素很多，主要有藥量、藥包埋置深度、砂土初始密實(shí)度等。
藥包埋置深度對(duì)爆炸壓密的效果有較影響。藥包埋置深度越，地表下沉量越。這是由于爆炸作用使藥包上部砂土顆粒產(chǎn)生不同程度的下移運(yùn)動(dòng)，藥包埋置越深，影響的砂土厚度越，地表下沉量也就越。
藥量是影響爆炸壓密效果的關(guān)鍵因素。藥量時(shí)爆炸產(chǎn)生的震動(dòng)就強(qiáng)烈，氣囊壓力也較高，就會(huì)得到較的壓密量。比藥量q＝Q1/3/h與砂土相對(duì)密度的增量ΔDr有下列關(guān)系：
ΔDr=(38.14q 10.93)e-0.057Dr （1）
式中：Dr為爆前砂土的相對(duì)密度。
在藥量、埋深相同時(shí)，小藥量多次爆炸壓密總效果較好。中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所燕琳等的試驗(yàn)表明在總藥量、埋深相同條件下，爆炸次數(shù)n＝6時(shí)的總下沉量比n＝2或4時(shí)都。
在受到同樣爆炸作用的條件下，砂土初始密度越小，地表下沉量就越。從式（1）可以知道，比藥量q一定，當(dāng)砂土有較小的初始相對(duì)密度時(shí)，所得到的相對(duì)密度增量就越；反之，初始相對(duì)密度，所得到的相對(duì)密度增量就小。
4．爆炸壓密法加固飽和砂土的應(yīng)用設(shè)計(jì)
4.1 爆炸壓密法加固飽和砂土的參數(shù)設(shè)計(jì)
4.1.1 藥包的埋置深度與用藥量
為了使炸藥爆炸產(chǎn)生的能量極地用于壓縮周圍的介質(zhì)，避免或減少介質(zhì)拋擲或氣體沖出而造成有效能量耗散，遵循最內(nèi)部作用藥包原理，將藥包埋置一定深度，爆炸時(shí)地表不出現(xiàn)拋擲或鼓包現(xiàn)象，地面只允許出現(xiàn)環(huán)狀裂縫或塌陷漏斗。
按照利氏爆破漏斗理論，炸藥用量與埋置深度的關(guān)系：
Q＝khw3 （2）
式中：Q為炸藥用量，kg；hw為藥包埋置臨界深度，m；系數(shù)k與砂的顆粒小、形狀、級(jí)配、緊密度有關(guān)，同時(shí)也和炸藥種類、埋置深度有關(guān)，可通過爆破漏斗試驗(yàn)確定，一般為0.03～0.036。
實(shí)際工程試驗(yàn)表明，將比藥量q＝控制在0.43以下，即可保證爆炸產(chǎn)生的氣體不會(huì)直接沖出砂面。選取適當(dāng)?shù)谋人幜浚词剑?）并考慮關(guān)系式h
Rb=hm即可確定藥包的埋置深度h和藥量Q。
Rb=5.8Q1/3/hm0.35≈0.8Ra （3）
式中：Rb為藥包最小作用半徑即藥包正下方的壓實(shí)半徑（m），hm為最壓實(shí)深度（m）。
4.1.2 炮眼布置、藥包形式
炮眼布置一般采用梅花形，也可以按矩形布置。藥包的間距即鉆孔的孔排距一般取為a＝（1.5～2.0）Ra。Ra為藥包的有效作用范圍，按下式計(jì)算：
式中：為氣壓力，為水的密度，為重力加速度，為藥包處水深，為炸藥利用常數(shù)，取，為炸藥用量（kg），為炸藥能量（J/kg）。
亦可按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：
Ra＝5.8Q1/3h-0.35 ≈1.3Rb, （h＜h0） （5）
式中：Ra、Rb及h單位為m，藥量Q單位為kg，h0表示壓實(shí)層厚度。
鐵道部科學(xué)研究院金驥良等的試驗(yàn)采用炮孔間距為120倍藥包半徑，相當(dāng)于藥包埋置臨界深度的0.8倍。
在藥包的形式上，可以采用集中藥包，也可以采用條形藥包。條形藥包具有能量利用率高、作用均勻、正壓作用時(shí)間長(zhǎng)的特性，適合于加密周圍介質(zhì)。金驥良等在媽灣電廠松散厚砂基的壓實(shí)試驗(yàn)表明，應(yīng)用圓柱狀藥包、間隔裝藥、瞬間起爆的施工工藝，比上下層集中藥包、間隔毫秒起爆的方法，壓密效果有顯著提高，尤其在壓密均勻性上有很改善，而且使鉆爆工程量為減少，幅度降低了工程成本。
4.1.3 爆炸壓密的起爆順序
藥包的起爆應(yīng)按先周邊后中心的順序。這樣可以使土體受到重復(fù)的爆炸作用，增強(qiáng)爆炸壓實(shí)效果。1～5s的起爆延時(shí)，可產(chǎn)生比同時(shí)起爆多15～20％的沉降量。順序起爆也可以減輕爆炸震動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境的影響。
壓實(shí)深度很時(shí)需分層裝藥起爆，起爆順序宜從上至下逐層進(jìn)行，同一層藥包順序起爆，這樣能充分利用壓力的疊加作用。上下層的起爆時(shí)差，應(yīng)以下層起爆時(shí)上一層還處在完全液化狀態(tài)為原則，這樣能減小上覆壓力對(duì)壓實(shí)范圍的影響，同時(shí)也有可能減小深層藥包重量或擴(kuò)孔排距。設(shè)上一層的厚度為，上下層起爆時(shí)差應(yīng)小于0.2倍的壓實(shí)時(shí)間。壓實(shí)時(shí)間按下式計(jì)算：
式中：Δt為壓實(shí)時(shí)間，為水的容重，為砂的浮容重，為土壤滲透系數(shù)，、為壓實(shí)前后的孔隙率。
根據(jù)孔隙水壓力的量實(shí)測(cè)波形，粗砂或砂礫料維持完全液化的時(shí)間比細(xì)砂或粉砂短許多，故粗砂或砂礫料的起爆時(shí)差宜選在幾秒之內(nèi)，一般不于3s。
4.2 爆炸次數(shù)的確定及地表下沉量的計(jì)算
砂層厚度H，距藥包水平距離R處地表的相對(duì)下沉量為：
式中：為相對(duì)下沉量，，為地表下沉量；其他符號(hào)意義同上。
根據(jù)下沉量可以致確定需要爆炸的次數(shù)。研究表明多次爆炸總下沉量較。但是，隨著爆炸次數(shù)增多，砂土密實(shí)度增，以后每次爆炸引起的下沉量越來越小，藥量和工量都會(huì)幅度增加，總體上也不經(jīng)濟(jì)。一般爆炸次數(shù)2～5次為宜。每次爆炸的計(jì)劃下沉量按下式估算：
δj=βδi1/2
式中：δj、δi分別為本次和前次爆炸的計(jì)劃下沉量，β取1.0～1.6。
根據(jù)總的計(jì)劃下沉量即可計(jì)算出每次爆炸的計(jì)劃下沉量，再根據(jù)式（7）可以確定每次爆炸所需要的藥量。
4.3 爆炸壓密的輔助措施
4.3.1 對(duì)砂土預(yù)浸濕
使用爆炸壓密法，當(dāng)砂土含水量低，達(dá)不到飽和狀態(tài)時(shí)，應(yīng)采取預(yù)浸濕措施，提高土壤的含水量，使其達(dá)到一定的飽和度。預(yù)浸濕的控制：含水量達(dá)到0.9～1.2倍的土壤塑性極限，或飽和度達(dá)到85～90％，最小75％。
預(yù)浸濕土壤所需要的時(shí)間取決于土壤的初始與最終含水量、土壤構(gòu)造、導(dǎo)水性和所采用的滲水技術(shù)，一般需要8～15d。
4.3.2 加速固結(jié)的措施
一般固結(jié)時(shí)間30～90d。如果土壤浸濕后的含水量很高，固結(jié)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。在待固結(jié)土壤之上覆蓋一層滲水材料，由于覆蓋層的附加荷載有助于土壤空隙水的“擠出”，從而縮短固結(jié)時(shí)間。實(shí)施爆炸壓密，應(yīng)采取排水措施，在爆炸區(qū)周邊開挖排水溝槽，將水引至壓實(shí)區(qū)外，有利于提高固結(jié)速度和效果。
5．結(jié)束語
5.1 足夠的技術(shù)指導(dǎo)、加固的有效性及對(duì)周圍環(huán)境的影響是選擇爆炸壓密法加固飽和砂土的制約因素。由于爆炸加固技術(shù)工程應(yīng)用較少，研究尚不全面，為了確定爆炸加固技術(shù)的適用性、優(yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)，以期減少工作量和材料消耗，取得理想的壓實(shí)效果，工程應(yīng)用中需要同時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。
5.2 對(duì)存在礫石、細(xì)粒土或堅(jiān)硬覆蓋層時(shí)其他壓實(shí)技術(shù)不適用的情況下，爆炸壓實(shí)技術(shù)均可應(yīng)用。但是，爆炸壓密法對(duì)砂土地表的壓實(shí)效果不佳，原因是受到地表反射拉伸和爆炸氣體空腔上升運(yùn)動(dòng)的影響，難以達(dá)到中密狀態(tài)，施工中可與強(qiáng)夯、振沖、堆載預(yù)壓等方法配合使用。
