爆炸成腔后土體物理力學(xué)性能的變化規(guī)律

王海亮，葉朝良

（1. 山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266510；2. 石家莊鐵道大學(xué)，石家莊 050043）

1 引 言

爆炸成腔是一種具有實(shí)用價值的工程爆破技術(shù)。它在雨水集蓄和農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉[1－3]、爆擴(kuò)成型樁基、營造地下倉儲空間、快速建造軍事工事、工業(yè)廢棄物及核廢料處理、地下核試驗(yàn)的模擬研究等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

巖土中的爆炸成腔具體地可以分為土壤中的爆炸成腔與巖石中的爆炸成腔。土壤中與巖石中的爆炸成腔技術(shù)具有很多相同之處，但在作用機(jī)理、施工方法及應(yīng)用目的方面存在著一些不同的特點(diǎn)。在巖石中，主要依靠炸藥能量粉碎巖石，形成腔體。在土壤中，則依靠炸藥能量壓縮土壤，形成腔體。如需在巖石中多次爆擴(kuò)形成腔體，一般需要預(yù)留通道（炮孔）將巖粉排出腔體。在土中爆炸形成腔體則要求將裝藥通道堵塞，以充分地利用炸藥能量。工程上，在巖石中爆炸形成腔體的主要目的是在更大范圍破碎巖石，而在土中爆炸形成腔體的目的主要是利用爆炸形成的空間。

目前，土中爆炸成腔的研究多集中于數(shù)值模擬和理論計算[4－6]，但大部分的研究成果缺乏實(shí)測數(shù)據(jù)的支持。本文通過現(xiàn)場試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了爆炸成腔后土體物理力學(xué)性能指標(biāo)的變化規(guī)律，對相關(guān)的數(shù)值模擬和理論研究具有參考價值。

2 土中爆炸成腔試驗(yàn)

土中爆炸成腔試驗(yàn)主要包括試驗(yàn)場地選擇、打孔、裝藥、填塞、起爆、開挖、土樣提取和實(shí)驗(yàn)室土工實(shí)驗(yàn)等步驟[7－8]。

現(xiàn)場試驗(yàn)選擇在未擾動過的黏土和粉質(zhì)黏土地。炸藥埋深不超過土層厚度的 50%。本文試驗(yàn)共涉及6塊土質(zhì)不同的場地。打孔的目的是為下放炸藥提供通道。試驗(yàn)采用的炮眼直徑為12 cm，深度在1.20～12.5 m。試驗(yàn)使用2號巖石銨梯炸藥，2發(fā)瞬發(fā)工業(yè)電雷管并聯(lián)起爆。藥包長度與其橫截面直徑的比值小于3.125[9]，可視為集中藥包。藥包與孔壁之間的空隙、裝藥后剩余的炮孔均用成孔時挖出的土壤填塞。爆炸成腔的裝藥量在0.05～51 kg。爆炸形成的腔體在起爆后24 h內(nèi)完成開挖和土樣提取工作。開挖槽的寬度不小于0.8 m，開挖深度高出計劃提取土樣水平 0.2～0.3 m?？拷惑w部分預(yù)留0.4 m保護(hù)層，在提取土樣的時候再開挖。在爆炸形成腔體的最大直徑所在水平剖面上提取土樣。依照距爆炸中心的距離，劃分土樣提取點(diǎn)。在同一取樣點(diǎn)提取多個土樣時，提取的土樣應(yīng)布置在距腔體中心距離相同的圓周上。將距爆炸中心最遠(yuǎn)的土樣布置在基本未受擾動的原狀土體中。為減小環(huán)境因素對土樣性能的影響，土樣所在位置上方0.2～0.3 m范圍內(nèi)的土層在提取土樣前保持原狀，采用邊開挖邊提取的方式謹(jǐn)慎提取土樣。提取的土樣應(yīng)該在24 h內(nèi)完成土工實(shí)驗(yàn)。

3 爆炸成腔的實(shí)測數(shù)據(jù)

共進(jìn)行了 21次爆炸成腔試驗(yàn)。對起爆藥量在0.3～1.2 kg的5個腔體最大水平剖面上的土樣進(jìn)行了土工試驗(yàn)分析。試驗(yàn)場地的土壤類型及性能參數(shù)的實(shí)測數(shù)據(jù)如表1所示。爆炸成腔的實(shí)測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 爆炸成腔的實(shí)測數(shù)據(jù)Table 2 The measured data of explosive formed cavities

對大量爆后腔體的開挖觀察發(fā)現(xiàn)，爆后腔體周圍土體的物理性質(zhì)，一方面與土體自身的物理性質(zhì)有關(guān)；另一方面還與起爆藥量有很大關(guān)系。

當(dāng)一次起爆藥量在18.9～51 kg時[10]，靠近腔體的土體呈烘干狀態(tài)。腔體內(nèi)壁壁面土體光滑、致密、堅硬，形成一個具有承載和自穩(wěn)能力的土質(zhì)砌體。砌體局部有可見裂隙，裂隙寬度約 5～10 mm，不很發(fā)育。這種砌體在無水浸泡的狀態(tài)下，可以長期穩(wěn)定承載而不垮塌。

當(dāng)一次起爆藥量在0.225～3.6 kg時，靠近腔體的土體中存在明顯的氣楔作用痕跡，龜裂裂隙發(fā)育，土體被壓縮擠密，但未見被烘干的現(xiàn)象。土體性質(zhì)不同，裂隙的寬度也有所不同。粉質(zhì)黏土中形成的腔壁光滑，裂紋較小，且周圍的土體黏結(jié)好，無掉落現(xiàn)象。圖1是在粉質(zhì)黏土中爆炸形成的腔體壁面的垂直開挖剖面。但粉土中形成的腔體壁面比較粗糙，裂隙寬度明顯大于粉質(zhì)黏土，開挖后腔體頂部土體有掉落現(xiàn)象。

圖1 在粉質(zhì)黏土中爆炸形成的腔體壁面Fig.1 The cavity wall formed by explosive in silty clay

4 爆后土體天然密度的變化規(guī)律

圖2是爆后腔體最大水平剖面上土體實(shí)測天然密度ρ與土樣距腔壁距離L之間的關(guān)系。

從圖2可以看出，土體的天然密度ρ隨土樣距藥包中心距離的增大而減小。以 29C、35C腔體為例，土層的原狀土天然密度分別為1.73 g/cm3和1.79 g/cm3。爆炸成腔后土體的最大天然密度分別為2.02 g/cm3和1.99 g/cm3，都出現(xiàn)在距腔壁0～2 cm范圍內(nèi)，天然密度分別提高16.8%和11.2%，可見爆炸作用對土體的擠密效果還是很明顯的。

圖2 爆炸成腔后土體天然密度ρ 與水平距離L之間的關(guān)系Fig.1 Relationships between natural density ρ and horizontal distance L of surrounding soil of explosively formed cavities

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在距腔壁110～150 cm之外土體的天然密度已趨于穩(wěn)定。說明當(dāng)起爆藥量在0.3～1.2 kg時，爆炸作用對土體的影響范圍在R/r =4～6的范圍內(nèi)。其中，R為土樣距爆炸中心的距離，r為爆炸成腔的半徑。因此，本文把距腔壁150 cm之外的土體視為原狀土體，做為對比分析的依據(jù)。

國內(nèi)的一些學(xué)者在數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)上認(rèn)為，腔壁附近存在一個低密度區(qū)[4－6]。本文的土工試驗(yàn)結(jié)果表明，對于爆炸成腔，腔壁附近土體的密度均明顯大于原狀土體的初始密度。未發(fā)現(xiàn)密度低于原狀土的所謂低密度區(qū)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，對于爆炸成腔試驗(yàn)，土體干密度與水平距離的關(guān)系與天然密度具有相同的變化規(guī)律。未在腔壁附近發(fā)現(xiàn)實(shí)測干密度低于原狀土干密度的低密度區(qū)。

5 爆后土體孔隙比的變化規(guī)律

圖3是爆后腔體最大水平剖面上土體實(shí)測孔隙比e與土樣距腔壁距離L之間的關(guān)系。

圖3 爆后腔體周圍土體孔隙比e與水平距離L之間的關(guān)系Fig.3 Relationships between pore-solids ratio e and horizontal distance L of surrounding soil of explosively formed cavities

從圖3可以看出，對于爆炸成腔試驗(yàn)，土體的孔隙比 e隨土樣距藥包中心距離的增大而增大?？紫侗仍诰嗲槐?10～150 cm左右趨于穩(wěn)定，接近土體的天然孔隙比。以23C、24C腔體為例，二者腔體周圍土體距腔壁 200 cm處土樣比距腔壁5 cm處土樣的孔隙比分別大20.40%和33.44%。這說明越靠近爆炸中心土壤越密實(shí)，也就是說越接近爆炸中心爆炸作用對土體的擠密效果越明顯。

數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果表明，孔隙比與距腔壁的距離成正比，二者呈冪指數(shù)關(guān)系。

6 爆后土體飽和度的變化規(guī)律

飽和度 Sr是土中水的體積 Vw與孔隙體積 Vv之比，其計算公式為

式中：W為含水率；Gs為土粒相對密度；e為孔隙比。

圖4是爆后腔體最大水平剖面上土體實(shí)測飽和度Sr與土樣距腔壁距離L之間的關(guān)系。

圖4 爆后腔體周圍土體實(shí)測飽和度Sr與水平距離L之間的關(guān)系Fig.4 Relationships between measured saturation Sr and horizontal distance L of surrounding soil of explosively formed cavities

由圖可以看出，對于爆炸成腔，腔體周圍土體的飽和度隨著土樣距爆炸中心距離的增大，有一個明顯的下降趨勢，在R/r= 4～6時趨于原狀土體的飽和度。以23C、24C腔體為例，距腔體5 cm處土樣比距腔體 200 cm處土樣的飽和度分別大24.40%和 29.5%。飽和度在距腔壁 110～150 cm或R/r= 4～6時左右趨于穩(wěn)定，接近原狀土體的飽和度。

相同土層的土壤，土粒相對密度Gs為定值，所以由（1）式可以看出，飽和度 Sr與含水率 W成正比關(guān)系，與孔隙比 e成反比關(guān)系。試驗(yàn)研究表明[7]，爆炸作用對腔體周圍土體含水率的的影響規(guī)律是比較復(fù)雜的，但圖4并沒有體現(xiàn)出含水率的變化規(guī)律對飽和度的影響特征，僅僅反映出飽和度與孔隙比e成反比這樣一種關(guān)系。這說明，炸藥爆炸作用對土體孔隙比數(shù)值的影響遠(yuǎn)大于對土體含水率數(shù)值的影響。換句話說，炸藥的爆炸作用對土體密實(shí)程度的影響是非常直觀的，但對土體含水率的影響則不是特別的明顯。這與現(xiàn)場試驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象是吻合的。

7 爆后土體壓縮系數(shù)的變化規(guī)律

圖5是爆后腔體最大水平剖面上土體實(shí)測壓縮系數(shù)av與土樣距腔壁距離L之間的關(guān)系。

從圖5可以看到，爆后腔體周圍土壤的壓縮系數(shù)av隨距腔壁的距離L之間的變化規(guī)律存在著一個逐漸增大的趨勢，這表明爆炸擠密作用越靠近腔體效果越好，逐漸達(dá)到土體未擾動狀態(tài)。

圖5 爆后腔體周圍土體壓縮系數(shù)av與水平距離L之間的關(guān)系Fig.5 Relationships between compressibility av and horizontal distance L of surrounding soil of explosively formed cavities

8 爆后土體壓縮模量的變化規(guī)律

圖6是爆后腔體最大水平剖面上土體實(shí)測壓縮模量Es與土樣距腔壁距離L之間的關(guān)系。

由圖可以看出，土體壓縮模量的變化趨勢正好與壓縮系數(shù)的變化趨勢相反，這與它們之間的相互關(guān)系是一致的。從圖6反映出來的關(guān)系曲線來看，隨距離爆炸中心距離的增大，壓縮模量呈減小趨勢，并在R/r =4～6時（L= 110～150 cm）趨于原狀土體的壓縮模量，土體狀態(tài)逐漸趨于原狀土體。

圖6 爆后腔體周圍土體壓縮模量Es與水平距離L之間的關(guān)系Fig.6 Relationships between compression modulus Es and horizontal distance L of surrounding soil of explosively formed cavities

9 爆后土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化規(guī)律

9.1 爆后土體內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律

圖7是爆后腔體最大水平剖面上土體實(shí)測內(nèi)摩擦角?與土樣距腔壁距離L之間的關(guān)系。

從圖7可以看出，腔體周圍土壤的內(nèi)摩擦角?隨距離L的變化規(guī)律不明顯，也就是說爆炸作用對土體內(nèi)摩擦角的影響不大或沒有影響。內(nèi)摩擦角?的來源主要有接觸顆粒間的滑動、體積變化的阻力（膨脹）、顆粒的重新排列和顆粒破裂等，而這幾個因素所起的作用大小取決于粒徑大小、顆粒形狀、孔隙比、飽和度、周圍應(yīng)力狀態(tài)和含水率的多少。正因?yàn)橛绊懲寥纼?nèi)摩擦角的因素很多，各因素之間產(chǎn)生的作用也就很復(fù)雜，例如擠密作用增加了土顆粒之間的咬合力，使內(nèi)摩擦角增大；但孔隙比減小，含水率變化不大，則飽和度增加明顯，土顆粒之間潤滑作用就提高了，又減小了土體的內(nèi)摩擦角。這些相互制約作用，對內(nèi)摩擦角的影響也就不明顯了。

圖7 爆后腔體周圍土體摩擦角? 與水平距離L之間的關(guān)系Fig.7 Relationships between friction angle ? and horizontal distance L of surrounding soil of explosively formed cavities

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理發(fā)現(xiàn)，如果將試驗(yàn)數(shù)據(jù)強(qiáng)行擬合，相關(guān)性很差，23C、24C腔體試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合后的相關(guān)系數(shù)分別為0.25合0.17，遠(yuǎn)低于85%，也說明爆炸沖擊作用對土體內(nèi)摩擦角的影響不明顯。這也與已有的研究結(jié)論一致[11]。

9.2 爆后土體黏聚力的變化規(guī)律

同內(nèi)摩擦角一樣，影響土體黏聚力的因素也很多，但爆炸沖擊作用對黏聚力的影響卻是明顯的。

圖8是爆后腔體最大水平剖面上土體實(shí)測黏聚力c與土樣距腔壁距離L之間的關(guān)系。

圖8 爆后腔體周圍土體黏聚力c與水平距離L之間的關(guān)系Fig.8 Relationships between cohesive strength c and horizontal distance L of surrounding soil of explosively formed cavities

如圖8所示，雖然數(shù)據(jù)波動較大，但仍可看出腔體周圍土體的黏聚力c隨著距爆炸中心距離的增大有一個總體下降的趨勢。爆炸作用影響半徑范圍內(nèi)的黏聚力平均值較影響范圍以外土體的黏聚力大，爆炸作用影響半徑為110～150 cm，L/r =3～5。以23C、24C腔體為例，爆炸作用影響半徑以黏聚力的平均值分別為42.9、56.3 kPa；爆炸作用影響半徑以外黏聚力的平均值分別為26.2、32.7 kPa。爆炸作用影響半徑以內(nèi)土體的黏聚力分別比爆炸作用影響半徑以外黏聚力提高 63.74%和 72.17%。這也說明腔體周圍土體，越接近腔壁擠密效果也也就越好。

10 結(jié)論與討論

（1）爆后腔體附近土體的密實(shí)度較初始狀態(tài)有所提高。土體的天然密度、干密度、飽和度、壓縮模量和黏聚力等性能指標(biāo)隨土體距爆炸中心距離的增大而降低,并逐漸接近原狀土體的性能指標(biāo)。土體的孔隙比、壓縮系數(shù)和滲透系數(shù)等性能指標(biāo)隨土體距爆炸中心距離的增大而提高，并逐漸接近原狀土體的性能指標(biāo)。

（2）當(dāng)起爆藥量在0.3～1.2 kg時，爆炸沖擊作用對土體內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律不明顯。

（3）對于 2號巖石銨梯炸藥，當(dāng)起爆藥量在0.3～1.2 kg時，爆炸作用對土體的影響半徑是爆炸成腔半徑的4～6倍，在距腔壁110～150 cm的范圍內(nèi)。

從試驗(yàn)結(jié)果來看，爆后腔體附近土體的密度明顯大于土體的初始密度，未在腔體附近發(fā)現(xiàn)密度低于原狀土的低密度區(qū)。爆炸作用對土體含水率W、天然密度ρ、孔隙比e和飽和度Sr等物理性能指標(biāo)的影響規(guī)律明顯，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性??；而爆炸作用對土體壓縮系數(shù)av、壓縮模量Es、滲透系數(shù)k、內(nèi)摩擦角?和黏聚力c等力學(xué)性能指標(biāo)的影響規(guī)律相對而言不很明顯，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性較大。出現(xiàn)這一現(xiàn)象，與這些試驗(yàn)指標(biāo)所反映的物理或力學(xué)性能本身的復(fù)雜程度有很大關(guān)系。土體的物理性能指標(biāo)含義明確、單一，試驗(yàn)測試方法簡單、試驗(yàn)過程的控制因素少；所以試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性小，反映出的規(guī)律性比較明顯。相反，土體的力學(xué)性能指標(biāo)含義較為復(fù)雜、影響因素較多，試驗(yàn)測試方法相對復(fù)雜、試驗(yàn)過程的控制因素較多，必然導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性較大，反映出的規(guī)律性相對差一些。

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