黃土路基中爆炸空腔的填筑技術(shù)

王志鵬，李海超，張艷萍，廖克非，常 健

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊，天津300161;2.軍事交通學(xué)院 國防交通系，天津300161;

3.軍事交通學(xué)院 學(xué)員旅，天津300161)

黃土占據(jù)我國西北、華北等地約64 萬km2的疆土［1］，且分布厚度大，濕陷性嚴(yán)重。隨著在黃土軟基上修筑公路、鐵路的增多，爆炸法［2］作為一種快速處理深厚黃土路基的方法而得到廣泛重視。爆炸法屬于動力擠密壓實法，做法是在地基鉆孔中埋入工業(yè)炸藥，利用其爆炸能量和爆生氣體壓力使地基壓密，并在爆炸空腔中填筑填料，壓實后形成地基。本文在分析黃土中爆炸空腔特性和填筑要求的基礎(chǔ)上，對爆后空腔的填筑材料和填筑工藝進(jìn)行研究。

1 黃土中爆炸空腔特性和填筑要求

1.1 空腔成因及特性

黃土是一種由固體顆粒、水、孔隙氣體組成的三相可壓縮性介質(zhì)，在爆炸荷載作用下容易產(chǎn)生較大變形。炸藥爆炸產(chǎn)生105～106個大氣壓的高溫高壓爆生氣體［3］，由于爆炸氣體產(chǎn)物突然膨脹，當(dāng)爆炸沖擊波波陣面的壓力大于土體強(qiáng)度時，黃土顆粒克服粒間阻力，產(chǎn)生與沖擊波傳播方向相同的位移，土體中的水分被擠出，空氣被壓縮逸出，就會在藥包周圍形成一個較為穩(wěn)定的空腔(如圖1 所示)。爆炸空腔壁特性表現(xiàn)為:短時間內(nèi)干燥無水，腔壁土層硬化，甚至由于爆炸產(chǎn)生的高溫使土體從松散結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢赡娴脑俳Y(jié)晶塊體，土體的凝聚力大幅度提高且短時間內(nèi)不會塌陷。然而，由于黃土特殊的水理特性，決定了炸藥在黃土中爆炸后的空腔壁具有特殊的遇水濕陷性。黃土產(chǎn)生濕陷的原因是黃土內(nèi)部固有的特殊因素和外界適當(dāng)?shù)臈l件共同作用的結(jié)果，內(nèi)部因素主要指它的特殊粒狀架空結(jié)構(gòu)及特殊組成成分，外界條件是指水和外力的作用。

圖1 黃土中爆炸空腔形態(tài)

1.2 填料粒徑要求

以河北承德道路施工為例，對于既有路面下的爆炸擠密施工，路面開孔直徑只有150 mm(如圖2 所示)，填料的尺寸應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格的限制，理論上最大粒徑不應(yīng)超過開孔直徑的1/4，因此需要利用特定尺寸的網(wǎng)篩進(jìn)行篩選，填料的篩選和其他施工步驟可以同步進(jìn)行以縮短工期。

圖2 承德施工時的路面開孔

上述分析是以河北承德高填路基的爆炸擠密加固為背景的，因為考慮到對現(xiàn)有路面的保護(hù)，路面開孔較小。對于一般的黃土中爆炸擠密施工，根據(jù)擠密區(qū)域的大小和布藥方式來確定開孔尺寸，一般為100 ～300 mm。

1.3 填筑時間要求

爆炸作用使得土體中的天然力場發(fā)生變化，破壞了原有的平衡狀態(tài)，黃土顆粒在爆炸發(fā)生后通過自組織和自適應(yīng)，形成了應(yīng)力重新分布和結(jié)構(gòu)的再調(diào)整。此時，若黃土路基的強(qiáng)度大于重新分布的應(yīng)力，則將以“和平”的方式維持空腔狀態(tài)，否則塌孔破壞。而對于黃土腔壁而言，因其特殊的物質(zhì)組成和顆粒構(gòu)造方式，尤其遇水濕陷時，其承載力幾乎喪失。進(jìn)一步分析爆后空腔壁的特性，爆后空腔壁由于暴露在空氣中，又比較干燥，與地層中孔隙壓力形成一定的壓力差，使周圍土體中的空氣及水向空腔壁方向遷移，時間久了必然引起壁面地下水含量增大，造成濕陷塌方。因此，爆炸擠密法的填筑施工具有很強(qiáng)的時效性，即爆炸后要盡快填筑。另外，爆炸擠密法的施工還應(yīng)避免選擇在多雨水的季節(jié)進(jìn)行。

1.4 承載能力要求

黃土表現(xiàn)為非均質(zhì)且多孔的骨架式結(jié)構(gòu)，又由于形成過程中的原生層理構(gòu)造，導(dǎo)致了黃土的各向異性以及物理力學(xué)性質(zhì)的不均勻性。特殊的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)決定了黃土的承載能力偏弱，是一種病害多發(fā)的路基材料。因此，爆炸擠密法的作用就是依靠爆炸的能量擠走原來的軟弱介質(zhì)，填充入新的承載力強(qiáng)的介質(zhì)。這種置換作用和擠密碎石樁、擠密混凝土樁［4］的原理類似，只不過擠密樁靠的是施加外力作用，爆炸擠密法利用的是爆炸能量。爆后空腔的填筑盡量選用本身強(qiáng)度大、不易壓縮的填料，如級配碎石、砂等，而不宜選用需要進(jìn)一步壓實的承載力較弱的填料。

2 黃土中爆炸空腔填筑材料選擇

2.1 一般級配粒料

河北承德爆破施工中采用的填料是級配碎石。級配碎石由于其破碎率適當(dāng)，大小粒徑搭配，既有大粒徑石料形成空間骨架，又有小粒徑石料填充骨架的空隙，容易形成密實結(jié)構(gòu)。級配碎石由于自重大，形狀較規(guī)則，直接用小桶傾倒的施工方法是可行的，另外砂也可以采取這種直接傾倒方法。這兩種填料強(qiáng)度大、密實度高、透水性強(qiáng)、原料易得，并且填筑方式操作簡單、迅速，且不容易引起塌孔，是較理想的填筑材料。

施工中采用體積為0.007 065 m3的統(tǒng)一規(guī)格量筒盛裝碎石，對空腔進(jìn)行填筑。記錄碎石體積(見表1)，得到空腔的體積，繪制散點圖及線性擬合結(jié)果如圖3 所示。

表1 填筑碎石體積

擬合得到的爆炸空腔體積與炸藥量的關(guān)系為

式中:V為爆炸空腔體積，m3;x為炸藥用量，kg。

從上述分析可以看出，炸藥在黃土路基中爆炸，其空腔體積與炸藥量之間存在一定的線性關(guān)系，該結(jié)論可以為爆后空腔的填筑施工提供一定的參考。

圖3 爆炸空腔體積與炸藥量關(guān)系

2.2 粉煤灰等粉料

粉煤灰是煤炭燃燒之后所排放的煙氣細(xì)灰，它是煤電廠排出的主要固體廢料。粉煤灰具有多孔結(jié)構(gòu)和球形粒徑的特點，質(zhì)量較輕、孔隙多且顆粒均勻，具有相當(dāng)高的水穩(wěn)性和無黏結(jié)性，在松散的狀態(tài)下具有較好的滲透性，是一種較為良好的路基填筑材料。由于自重較輕，粉煤灰應(yīng)用在軟土路堤地段，可以減輕軟土地基的附加應(yīng)力，從而減少總沉降并能提高路堤穩(wěn)定性。而且粉煤灰在路基填筑時是可以以混合料的形式存在的，多為二灰土、二灰碎石等拌合物，具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、滲透性好的特點。需要注意的是，粉煤灰在外力的荷載作用下，可以產(chǎn)生一定的壓縮，比相同黏度的土的壓縮變形小，但比起級配碎石和砂石，其壓縮性較大。又因為粉煤灰顆粒自重較輕，不能直接采用傾倒法填筑爆炸空腔，可以配合小型振搗設(shè)備進(jìn)行施工。

2.3 生石灰、水泥等化學(xué)固化劑

對于需要加固的軟土地基，根據(jù)原土的物理和化學(xué)性質(zhì)，選用合適的固化劑，經(jīng)拌勻、壓實處理往往可以達(dá)到所需要的性能指標(biāo)。常用的無機(jī)固化劑有生石灰、水泥、水玻璃等，有機(jī)固化劑包括有機(jī)高分子固化劑和生物酶類固化劑。

生石灰作為固化劑用于土體加固，是利用生石灰的吸水、膨脹、放熱作用以及石灰與土的物理化學(xué)作用，改善填料與周圍土體的物理力學(xué)性質(zhì)，達(dá)到路基加固的目的。摻入的石灰最好選用已經(jīng)充分磨細(xì)的生石灰粉，且石灰質(zhì)量需滿足三級以上質(zhì)量要求。

水泥用于軟土地基加固一般采用水泥土攪拌法，可以用于處理正常固結(jié)的淤泥與淤泥質(zhì)土、粉土、飽和黃土、素填土、黏性土以及無流動地下水的飽和松散砂土等地基。用水泥加固軟土?xí)r，水泥顆粒表面的礦物很快與填料中的水分發(fā)生水解和水化反應(yīng)，生成氫氧化鈣、含水硅酸鈣、含水鋁酸鈣及含水鐵酸鈣等化合物。當(dāng)水泥的各種水化物生成后，有的自身繼續(xù)硬化，形成水泥石骨架，有的與周圍具有一定活性的黏土顆粒發(fā)生離子交換和團(tuán)?；饔?，雙重作用使土體強(qiáng)度提高。

在爆炸空腔的填筑過程中，可以適當(dāng)應(yīng)用無機(jī)固化劑配合其他填料一并使用。但化學(xué)固化劑發(fā)生作用的時間周期較長，且都是涉及含水的地下施工，操作難度較大，容易引起塌孔，不適用于時效性要求很高的軟基加固。

3 黃土中爆炸空腔填筑工藝

3.1 級配碎石直接傾倒法

級配良好的碎石，混合均勻后，利用其自身重力直接傾倒的方法，實際的施工效果證明可以達(dá)到有效的密實。在填筑級配碎石的過程中，可以間斷性地用軟尺測量孔深，以把握施工進(jìn)度，當(dāng)填筑快結(jié)束時，視情進(jìn)行一定程度的搗實，以加強(qiáng)擠密效果(如圖4 所示)。但在使用過程中，一定要注意操作的范圍和強(qiáng)度，避免引起爆腔塌陷。

圖4 直接傾倒法填筑級配碎石

3.2 小型振搗設(shè)備配合填筑法

對于一般意義上的地下深層爆破，因為土體受動力壓縮的響應(yīng)時間較炸藥爆轟時間長得多，可以認(rèn)為柱形藥包全長同時起爆［5］。然而，由于地下介質(zhì)的不均勻性，爆炸產(chǎn)生的空腔往往會呈現(xiàn)“串珠狀腔體”，這種腔體形狀采取直接傾倒法往往效果不佳。借鑒混凝土施工中的小型振搗設(shè)備(如圖5 所示)，提出孔內(nèi)深層小直徑振搗設(shè)備配合填筑法。這種填筑工藝采用高能量的振搗設(shè)備進(jìn)行振密，不僅使得填料十分密實，而且受到振搗之后的填料對腔壁周土施加側(cè)向擠壓力，增大了側(cè)壁摩擦阻力，使得腔壁與填料產(chǎn)生很大側(cè)向約束的“抱緊”作用。配合填筑灰土、粉煤灰等粉料，邊填筑邊振實，或者填筑一層填料，振實一層，直到填料填滿空腔。這種方式科學(xué)有效地解決了直接填筑粉料不易密實的缺點，但涉及施工器械多，振搗器需要專業(yè)人員進(jìn)行操作，所需施工時間較長。該工藝在操作過程中，同樣要注意振動的范圍和強(qiáng)度，避免塌孔。

圖5 插入式振搗設(shè)備

3.3 部分注漿法

河北承德爆炸擠密法施工時，在爆腔內(nèi)填筑了級配碎石之后，對部分爆腔進(jìn)行了注漿操作。其作用原理是先填筑級配碎石，再灌注水泥漿，碎石水泥漿成樁后，與路基土體共同承擔(dān)荷載，成為剛性樁復(fù)合地基，大大提高原地基的密實度和承載能力。

但是作為道路工程上的路基處理，成樁后會造成路基剛度不勻，成樁部分是剛性的，而未成樁部分是柔性的，使得行程顛簸，一段時間后還會出現(xiàn)路面下沉量不一，引發(fā)次生災(zāi)害，影響行車。因此，本文提出部分注漿法，即采用分步填筑:第一步，先向深層爆破空腔內(nèi)填筑級配良好的碎石，然后注入水泥漿液，讓其固結(jié)成剛性墩;第二步再向孔徑內(nèi)注滿碎石、砂或粉煤灰等輕質(zhì)填料，從路面開孔進(jìn)行有效夯實，形成散料樁。這樣既保證了爆腔密實，又避免了近路面路基剛度不勻，是一種較為理想的填筑工藝。不足之處是由于分步施工，而且填料種類不一，使得工期延長、時間成本較高。

4 結(jié) 語

黃土路基中爆炸空腔的填筑技術(shù)，作為黃土中爆炸施工的重要步驟，直接決定了施工效率和加固效果。參考河北承德的爆炸擠密施工，從黃土中爆炸空腔的成因和特性分析入手，對爆后空腔的填料提出了粒徑、填筑時間、承載能力3 方面要求，對可以作為空腔填料的材料進(jìn)行了分類研究，并提出了與不同填料相適應(yīng)的級配碎石直接傾倒法、小型振搗設(shè)備配合填筑法和部分注漿法填筑工藝，研究成果可以對黃土中爆炸空腔的填筑施工提供一定的指導(dǎo)和借鑒作用。

［1］ 邵生俊，王婷. 一種深厚濕陷性黃土地基的處理方法:ZL200610041776.3［P］.2008.

［2］ 孫連軍，馮勇. 地基處理方法綜述［J］. 山西建筑，2007，33(4):141-142.

［3］ 林大能，王小林，員永峰，等.爆炸擠壓成井藥量估算的理論與實踐［J］.湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報，2003，18(3):21-24.

［4］ 朱明，范建華.淺談軟土地基處理方法及施工工藝［J］.山西建筑，2009(1):26-28.

［5］ 林大能，胡偉.爆炸擠壓成腔中的不耦合效應(yīng)研究［J］.煤炭學(xué)報，2002，27(2):144-147.