爆炸壓密法加固飽和砂土的原理及應用設計
發布時間：2010-01-14 共1頁
1．引言
飽和砂土地基的處理，在工程中經常遇到，多年的工程實踐，已發展有置換法、預壓堆載、強夯法和深層攪拌化學固結等方法，均取得了較好效果。但這些方法也同時存在不足之處，如預壓堆載法需要量的土石方，施工作業繁重；真空預壓法對密封要求較高，且兩種方法的施工周期都在6～8個月，難以滿足工期緊迫工程的建設需要。
由于爆炸和強夯的荷載性質相近，利用爆炸壓密法處理飽和砂土地基是完全可行的，國內外都有研究和應用，也取得了滿意的效果，在其他方法施行困難時，應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，應用較廣。本文主要對深層藥包爆振法進行歸納和論述。
2．爆炸壓密法加固飽和砂土的原理
爆炸壓實是一種土壤加密技術，它利用置于松散、飽和、非粘性土壤（以下簡稱飽和砂土）中的炸藥爆炸產生的能量使土壤顆粒重組、構造更為緊密穩定，并將空隙水排出，從而達到土壤的加密。
爆炸法加密飽和砂土，其基本過程可以理解為在強動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：爆沖力對砂土的強夯、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生地震對砂土的震動。爆炸加密飽和砂土的過程首先是爆沖力強夯的作用將砂土擠密，爆源點形成高壓氣囊；然后是高壓氣體擴散，氣囊壓力減小，砂土顆粒回落氣囊；同時，高壓氣體使砂土中自由水壓力升高，形成超空隙水壓力，以及擴散的氣體對砂土顆粒的裹附，削弱了砂土的抗剪強度，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，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沉積，重新排列組合，快速排水固結，形成更緊密的結構。整個過程，飽和砂土由固體顆粒和水的二相結構變為固體顆粒、水和氣體的三相結構，然后再由三相結構變為二相結構。
爆炸荷載的作用改變了土體原有的力學性質，是導致砂體加速固結的主要原因。炸藥爆炸加密砂土的能量主要靠爆炸產生的高壓氣體和沖擊波的壓縮作用。在砂土中，高壓氣體對超空隙水壓力的產生和砂土的液化起主導作用。據國外資料介紹，在飽和砂土中一個8kg藥包爆炸后在附近砂土中產生的超壓可達到1000MPa，正壓作用時間長達60ms。
我國的有關試驗表明爆炸引起砂土壓實沉降有兩個階段。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，在這個短暫的過程中，沉降量的主要部分已經完成；第二階段是砂土排水固結的緩慢過程，它一般持續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
3.1爆炸法加固飽和砂土的適用性
國內外爆炸法加固飽和砂土的試驗和工程實踐證明，爆炸法對加固飽和砂土有較好的工程前景。自二十世紀30年代美國和前蘇聯首先獲得應用以來，即使在復雜場地及極端氣候環境下對飽和砂土加密也均有成功應用，我國深圳媽灣電廠和三峽高土石圍堰工程中也取得了實際應用的經驗。由于爆炸加固一般不需要型專用設備，炸藥爆能可以方便地施加與各種介質對象，且加固效果能滿足工程需要，經濟節約，有廣闊的應用前景。
在三峽二期工程的現場試驗，采用單層群藥包深層爆炸法對深水圍堰砂礫料拋填堰體進行加密，經1遍或2遍爆炸壓實后，平均干容重達到1.74～1.90g/cm3，平均相對密度0.73以上，拋填砂均達到了很好的壓實效果，滿足γd≥1.7g/cm3，Dr≥0.7的設計指標。
爆炸法與振沖法比較，具有人員少、設備簡單、效率高和成本低的優點。特別是在生產效率相同的情況下，爆炸法在綜合成本上要比振沖法減少約2/3。與振沖擠密試驗相比，兩種方法在加密質量上達到同等水平，不同之處在于：靠近地表部分振沖法標貫擊數于爆炸法；在靠近砂層底部爆炸法標貫擊數于振沖法，尤其爆炸法能改善下臥淤泥質粘土力學性能，而振沖法由于用高壓水射流在交界面附近使泥漿滾翻導致標貫擊數的降低。
砂土爆炸壓實必須具備三個條件：①砂土為飽和狀態（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（即為可壓實土）；③砂體原有結構必須得到破壞（即產生液化）。
3.2 對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、數量和速度與其它方法不同，具有作用壓力高、時間短的特點，其對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、砂土初始密實度等。
藥包埋置深度對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生不同程度的下移運動，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鍵因素。藥量時爆炸產生的震動就強烈，氣囊壓力也較高，就會得到較的壓密量。比藥量q＝Q1/3/h與砂土相對密度的增量ΔDr有下列關系：
ΔDr=(38.14q 10.93)e-0.057Dr （1）
式中：Dr為爆前砂土的相對密度。
在藥量、埋深相同時，小藥量多次爆炸壓密總效果較好。中國科學院力學研究所燕琳等的試驗表明在總藥量、埋深相同條件下，爆炸次數n＝6時的總下沉量比n＝2或4時都。
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，當砂土有較小的初始相對密度時，所得到的相對密度增量就越；反之，初始相對密度，所得到的相對密度增量就小。
4．爆炸壓密法加固飽和砂土的應用設計
4.1 爆炸壓密法加固飽和砂土的參數設計
4.1.1 藥包的埋置深度與用藥量
為了使炸藥爆炸產生的能量極地用于壓縮周圍的介質，避免或減少介質拋擲或氣體沖出而造成有效能量耗散，遵循最內部作用藥包原理，將藥包埋置一定深度，爆炸時地表不出現拋擲或鼓包現象，地面只允許出現環狀裂縫或塌陷漏斗。
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k與砂的顆粒小、形狀、級配、緊密度有關，同時也和炸藥種類、埋置深度有關，可通過爆破漏斗試驗確定，一般為0.03～0.036。
實際工程試驗表明，將比藥量q＝控制在0.43以下，即可保證爆炸產生的氣體不會直接沖出砂面。選取適當的比藥量，按式（3）并考慮關系式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半徑（m），hm為最壓實深度（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，取，為炸藥用量（kg），為炸藥能量（J/kg）。
亦可按下列經驗公式計算：
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表示壓實層厚度。
鐵道部科學研究院金驥良等的試驗采用炮孔間距為120倍藥包半徑，相當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、正壓作用時間長的特性，適合于加密周圍介質。金驥良等在媽灣電廠松散厚砂基的壓實試驗表明，應用圓柱狀藥包、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
藥包的起爆應按先周邊后中心的順序。這樣可以使土體受到重復的爆炸作用，增強爆炸壓實效果。1～5s的起爆延時，可產生比同時起爆多15～20％的沉降量。順序起爆也可以減輕爆炸震動對周圍環境的影響。
壓實深度很時需分層裝藥起爆，起爆順序宜從上至下逐層進行，同一層藥包順序起爆，這樣能充分利用壓力的疊加作用。上下層的起爆時差，應以下層起爆時上一層還處在完全液化狀態為原則，這樣能減小上覆壓力對壓實范圍的影響，同時也有可能減小深層藥包重量或擴孔排距。設上一層的厚度為，上下層起爆時差應小于0.2倍的壓實時間。壓實時間按下式計算：
式中：Δt為壓實時間，為水的容重，為砂的浮容重，為土壤滲透系數，、為壓實前后的孔隙率。
根據孔隙水壓力的量實測波形，粗砂或砂礫料維持完全液化的時間比細砂或粉砂短許多，故粗砂或砂礫料的起爆時差宜選在幾秒之內，一般不于3s。
4.2 爆炸次數的確定及地表下沉量的計算
砂層厚度H，距藥包水平距離R處地表的相對下沉量為：
式中：為相對下沉量，，為地表下沉量；其他符號意義同上。
根據下沉量可以致確定需要爆炸的次數。研究表明多次爆炸總下沉量較。但是，隨著爆炸次數增多，砂土密實度增，以后每次爆炸引起的下沉量越來越小，藥量和工量都會幅度增加，總體上也不經濟。一般爆炸次數2～5次為宜。每次爆炸的計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劃下沉量，β取1.0～1.6。
根據總的計劃下沉量即可計算出每次爆炸的計劃下沉量，再根據式（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 對砂土預浸濕
使用爆炸壓密法，當砂土含水量低，達不到飽和狀態時，應采取預浸濕措施，提高土壤的含水量，使其達到一定的飽和度。預浸濕的控制：含水量達到0.9～1.2倍的土壤塑性極限，或飽和度達到85～90％，最小75％。
預浸濕土壤所需要的時間取決于土壤的初始與最終含水量、土壤構造、導水性和所采用的滲水技術，一般需要8～15d。
4.3.2 加速固結的措施
一般固結時間30～90d。如果土壤浸濕后的含水量很高，固結時間會更長。在待固結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”，從而縮短固結時間。實施爆炸壓密，應采取排水措施，在爆炸區周邊開挖排水溝槽，將水引至壓實區外，有利于提高固結速度和效果。
5．結束語
5.1 足夠的技術指導、加固的有效性及對周圍環境的影響是選擇爆炸壓密法加固飽和砂土的制約因素。由于爆炸加固技術工程應用較少，研究尚不全面，為了確定爆炸加固技術的適用性、優化技術設計參數，以期減少工作量和材料消耗，取得理想的壓實效果，工程應用中需要同時進行現場試驗。
5.2 對存在礫石、細粒土或堅硬覆蓋層時其他壓實技術不適用的情況下，爆炸壓實技術均可應用。但是，爆炸壓密法對砂土地表的壓實效果不佳，原因是受到地表反射拉伸和爆炸氣體空腔上升運動的影響，難以達到中密狀態，施工中可與強夯、振沖、堆載預壓等方法配合使用。
