爆破荷載下軟土地基動力響應(yīng)離心模型試驗研究

肖先波，李 波，胡 波，曹 杰

（1.湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 湖州 313000；2.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010；3.機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710043）

爆破荷載下軟土地基動力響應(yīng)離心模型試驗研究

肖先波1，李 波2，胡 波2，曹 杰3

（1.湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 湖州 313000；2.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010；3.機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710043）

爆破擠淤處理軟基技術(shù)具有施工工期短、固結(jié)沉降快、地基后期沉降小等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于淤泥質(zhì)海岸工程的地基處理，但目前研究遠落后于工程實踐。隨著爆破離心模擬技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)了離心場外對場內(nèi)引爆裝置的控制，為爆破荷載下軟土地基動力響應(yīng)特性的研究提供試驗手段。開展3組離心場中不同炸藥量的爆破擠淤模型試驗，研究爆破的影響區(qū)域，建立爆破荷載作用下的擠淤效果與炸藥量的關(guān)系。試驗結(jié)果表明，藥包炸藥量與爆破影響區(qū)域密切相關(guān)，爆破影響區(qū)軟土含水率降低、密度增大，且爆破瞬間沖擊荷載引起土壓力和孔隙水壓力的突變。研究成果可為爆破擠淤工程的設(shè)計和施工提供試驗依據(jù)。

爆破；離心模型試驗；炸藥量；動力響應(yīng)

1 研究背景

軟土廣泛分布在我國沿海地區(qū)，厚度由數(shù)米至數(shù)十米不等，并且軟土地基具有松軟、高天然含水率和高壓縮性、低強度和低滲透性、結(jié)構(gòu)靈敏等特點，物理力學(xué)性質(zhì)極差。爆破法處理軟基技術(shù)作為目前淤泥質(zhì)軟土最有效的地基處理方法之一，已成功應(yīng)用于如江蘇連程、深圳鹽田港圍堰工程等大型工程中［1-2］。但爆破擠淤作用受到的影響因素眾多，理論研究落后于工程實踐，在試驗手段和研究方法上需要改進，工程應(yīng)用更多的是依賴于工程經(jīng)驗，尚無系統(tǒng)的指導(dǎo)工程實踐的理論成果和科學(xué)依據(jù)［3-4］。離心模擬技術(shù)作為一種先進的試驗手段，通過離心力來模擬重力，實現(xiàn)與原型條件相同的應(yīng)力狀態(tài)，使得模型與原型應(yīng)力應(yīng)變相等，變形相似，模擬變形及破壞過程可以達到現(xiàn)場原型試驗的效果［6-7］。由于離心模擬場中爆破能量與原型存在1∶n3的比尺關(guān)系，在離心場中用較小的爆破能量即可模擬很大能量的原型爆破效果［8］，可開展關(guān)鍵參數(shù)的平行對比試驗；并且，試驗費用相對較低，僅有現(xiàn)場原型試驗的百分之一左右；還可以用于驗證理論分析與數(shù)值計算的合理性和可靠性，論證和優(yōu)化工程設(shè)計方案。因此，采用土工離心模擬技術(shù)探索和研究深厚淤泥爆破擠淤作用機理有重要的理論意義和工程實用價值。

但目前爆破離心模擬技術(shù)的研究相對較少。最早研究的是爆破成坑問題，確定爆破離心模型比尺［9］，隨著試驗技術(shù)的進步，進一步進行了飽和砂土中的地下結(jié)構(gòu)物爆破離心模型試驗，探討了爆破條件飽和砂的離心模型比尺，分析爆破作用下應(yīng)力位移場的變化規(guī)律［10］。在國內(nèi)，爆破土工離心模擬技術(shù)的研究起步較晚，系統(tǒng)總結(jié)了爆破離心模型試驗的原理以及國外學(xué)者的研究方法和成果［11］；并通過開展探索性試驗得到砂中爆破成坑的離心模型試驗規(guī)律及離心設(shè)備的安全性［12］，得到了爆破離心模型試驗的幾個關(guān)鍵問題，包括模型箱、爆破源、離心模型比尺、數(shù)據(jù)采集、科氏加速度等［8］。對于爆破荷載作用下結(jié)構(gòu)物的研究，采用離心模型模擬原型應(yīng)力條件下開展爆破對大壩的影響研究，主要考慮不同重力加速度、不同水深、距壩面不同距離的情況下雷管爆破對于大壩的影響［13］；依托清華大學(xué)50 g-t土工離心機，開發(fā)了離心模型爆破試驗系統(tǒng)，進行淺埋圓形結(jié)構(gòu)物在地表爆破條件下的試驗研究，以及黏性土爆破成坑和地沖擊傳播規(guī)律的離心模型試驗［14］。但目前爆破離心模型試驗主要用于研究砂土地基以及爆破對大壩、等工程的影響，較少應(yīng)用于研究軟土地基處理技術(shù)。

本文通過開展3組離心場中不同炸藥量的爆破擠淤模型試驗，通過軟土地基含水率、干密度以及強度等研究爆破的影響區(qū)域，分析地基動力響應(yīng)隨炸藥量增大的關(guān)系；且通過布設(shè)傳感器分析爆破瞬間沖擊荷載引起土壓力和孔隙水壓力的突變以及隨時間的變化規(guī)律。

2 爆破擠淤離心模型試驗

2.1 試驗方案本次試驗共設(shè)置3組爆破擠淤離心模型試驗，T1、T2和T3采用的藥量分別為1、2和3 g。主要目的是研究不同藥量爆破荷載下淤泥質(zhì)軟土地基的動力響應(yīng)，監(jiān)測土體的含水率、密度以及土壓力、孔隙水壓力的變化等；同時，調(diào)試離心場內(nèi)的引爆系統(tǒng)和測量系統(tǒng)。試驗選擇離心機最大加速度設(shè)置為80 g，模型地基厚度為50 cm，相當于原型地基厚度為40 m。模型在埋深5 cm處埋設(shè)單只8號瞬發(fā)電雷管，約1.0 gTNT當量，轉(zhuǎn)換成原型條件相當于512 kgTNT（能量滿足加速度三次方的關(guān)系，1.0 g×80×80×80=512 kg）。圖1所示為T1爆破擠淤離心模型試驗布置圖，地基埋深5cm處預(yù)埋1只雷管，分別在水平距離20 cm和30 cm布設(shè)土壓力和孔隙水壓力傳感器。T2和T3試驗中將雷管藥量分別變?yōu)? g和3 g。

圖1 爆破擠淤離心模型試驗布置

2.2 試驗設(shè)備本次試驗在長江科學(xué)院大型土工離心機CKY-200上進行［15］，該離心機最大容量200 g·t，最大離心加速度為200 g，有效半徑3.7 m，模型箱采用100 cm×100 cm×100 cm。離心機最大加速度設(shè)置為80 g，模型地基厚度為50 cm，相當于原型地基厚度為40 m。

如何實現(xiàn)離心機運行過程中場外控制雷管的起爆是本次試驗的關(guān)鍵。本次試驗對離心機電路系統(tǒng)進行了改造［16］，設(shè)計安裝了起爆裝置，主要是通過場外繼電器的瞬時接通控制離心場內(nèi)雷管引爆。起爆裝置電路與離心機高速測量系統(tǒng)電源相協(xié)調(diào)，實現(xiàn)引爆前后高速測量系統(tǒng)的同步。試驗中為減少爆破荷載對試驗設(shè)備的沖擊作用以及應(yīng)力波反射對試驗結(jié)果的影響，在模型箱底部和四周內(nèi)壁布設(shè)柔性吸波材料。

2.3 軟土地基模型制作模型地基采用黏土，顆粒含量0.5～0.075 mm顆粒含量為14.1%，0.075～0.005 mm為54.5%，小于0.005 mm為31.4%，液限WL為33.1%，塑限WP為16.2%，通過擊實試驗得到最優(yōu)含水率20.5%，最大干密度為1.67 g/cm3。T1、T2和T3均采用相同的地基制備方法：首先制作成含水率為70%的淤泥，采用靜壓的方法進行固結(jié)排水，上覆荷載壓力設(shè)為20 kPa，相當于地基深度為10 m左右的壓力；待排水完全后，將其置于80 g離心場內(nèi)進一步進行固結(jié)，待變形和孔壓穩(wěn)定后地基制作完成，測試得到平均含水率為29%，平均干密度為1.5 g/cm3。

2.4 加速度設(shè)置本次試驗最大加速度設(shè)置為80 g，分20 g、40 g、60 g、80 g四級逐級增大，每級穩(wěn)定運行10 min。80 g運行至地基穩(wěn)定后進行爆破荷載作用模擬，爆破后即可停止離心機運行。

2.5 試驗結(jié)果及分析試驗結(jié)果得到爆破影響范圍，爆破瞬間的土壓力、孔隙水壓力及其變化規(guī)律，地基含水率、干密度和強度分布規(guī)律，從而定量確定爆破的影響范圍和效果。

（1）爆破影響區(qū)域。圖2所示為爆破后模型變化情況（以T1為例）。由圖可知，起爆后地基土表面形成直徑約30 cm的環(huán)形坑，坑內(nèi)中部出現(xiàn)局部隆起。試驗T2和T3當炸藥量分別為2 g和3 g時，起爆后形成的影響區(qū)直徑約41 cm和50 cm，約為T1影響范圍面積的1.9倍和2.8倍。

圖2 爆破后模型變化情況（以MDB1為例）

（2）孔壓。圖3所示為試驗過程中地基土的孔壓變化隨離心機運行時間的關(guān)系曲線。分析表明，地基土的孔隙水壓力隨加速度的逐級升高而增大，以T1為例，孔隙水壓力增量分別為12.2、14.2、16.5和2 kPa，加速度達到80 g穩(wěn)定后，T1孔壓為60 kPa；爆破后，3組試驗孔壓均產(chǎn)生突變且逐漸趨于穩(wěn)定，T1—T3的孔壓突變量分別為17.6、40.6和62.1 kPa；起爆后超孔隙水壓力迅速消散，但穩(wěn)定后的孔隙水壓力為70.0、76.3和82.1 kPa，均高于起爆前的孔隙水壓力。

圖3 試驗過程中孔壓變化規(guī)律

（3）土壓力。圖4所示為試驗過程中地基土的土壓變化與時間關(guān)系曲線。分析表明，地基土的土壓力隨加速度的逐級升高呈線性增加，以T1為例，加速度逐級增大過程中土壓力增量分別為19.5、25.4和29.3 kPa；爆破后，3組試驗土壓力均產(chǎn)生突變且逐漸趨于穩(wěn)定，T1—T3的孔壓突變量分別為24.2、58.6和89.8 kPa。

圖4 試驗過程中土壓變化變化規(guī)律

圖5 試驗后取樣點分布 （單位：cm）

（4）試驗后土性參數(shù)變化。3組試驗中地基土制備完成時的干密度為1.50 g/cm3，含水率為29%，對應(yīng)的不排水抗剪強度為15.0 kPa。圖5為試驗后進行干密度、含水率和不排水強度的測試點和取樣點的位置圖。圖6分別為水平方向干密度、含水量和不排水抗剪強度隨爆心距的分布圖。由于豎向方向測量得到T1、T2和T3的軟土地基的土性參數(shù)基本一致，所以僅以T1為例，表1和表2給出了水平方向和豎直方向相關(guān)參數(shù)的對比。分析表明：水平方向上WH1—5測點隨著離雷管爆心距離的增加，干密度和不排水抗剪強度逐漸減小而含水率逐漸增大，說明爆破沖擊荷載作用在水平方向上地基土密度略微增大；并且隨著炸藥量的增大，減小和增大更為明顯，且影響范圍逐漸增大。在垂直方向上，隨距離雷管爆心距離的增加，干密度由1.50 g/cm3上升至1.55 g/cm3，而含水量由29.0%下降至26.5%，是自重作用和爆破荷載共同作用產(chǎn)生的，并且以自重應(yīng)力場影響為主。

圖6 水平方向上干密度、含水率和不排水強度隨爆心距的分布

表1 T1試驗后干密度和含水率

表2 T1試驗后不排水強度

4 結(jié)論

開展3組離心場中不同炸藥量的爆破擠淤模型試驗，通過實時監(jiān)測爆破荷載作用時的孔壓和土壓力，以及試驗后開展軟土地基基本土性參數(shù)，得到了爆破荷載作用下土性基本參數(shù)的變化規(guī)律。

（1）隨著藥量逐漸增大，起爆后影響的范圍逐漸增大。模型中藥量分別為1、2和3 g，相當于原型藥量的512、1024和1536 kg，起爆后影響范圍分別為30、41和50 cm，轉(zhuǎn)化為原型為24、32.8和40 m。（2）起爆均引起孔壓和土壓力產(chǎn)生突變，孔壓隨時間逐漸消散，而土壓變化較小。模型中藥量分別為1、2和3 g，起爆后引起的孔壓增量分別為17.6、40.6和62.1 kPa，引起的土壓力增量分別為19.5、25.4和29.3 kPa。（3）爆破沖擊荷載作用下爆破周邊區(qū)域的含水率降低、密度和不排水抗剪強度增大，且炸藥量越大效果越明顯。干密度由試驗前的1.50 g/cm3增大為1.53、1.55和1.56 g/cm3，不排水抗剪強度由15 kPa增大為21.5、27.0和32.0 kPa，為采用爆破擠淤加固軟土地基設(shè)計和分析的土性參數(shù)選擇提供試驗依據(jù)。

本次爆破擠淤離心模型試驗主要考慮了不同炸藥量的影響，進一步研究可進行藥包埋置深度以及不同加速度條件的影響。

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Abstract：With the advantages of short construction period，quick consolidation and small post-construction settlement，blasting compaction technology has been widely used in foundation treatment of silt coastal engi?neering，but the research is far behind engineering practice.With the development of blasting centrifugal simulation technology，the control of the detonation device outside the centrifugal field is realized，which provides the experimental method for the dynamic response characteristics of the soft soil foundation under the blasting load.The amount of explosives in the explosive area is closely related to the area affected by the explosion.The water content of the soft soil in the affected area is reduced and the density increases，and the sudden load of the explosion causes the abrupt change of earth pressure and pore water pressure.The research results can provide experimental basis for the design and construction of blasting compaction engineering.

Keywords：blasting compaction；centrifuge model test；explosives amount；dynamic response

（責任編輯：李 琳）

Centrifugal model test on dynamic response of soft soil foundation with blasting compaction technology

XIAO Xianbo1，LI Bo2，HU Bo2，CAO Jie3（1.Huzhou Vocational and Technical College，Huzhou 313000，China；2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；3.China JIKAN Research Institute of Engineering Investigations and Design，Co， Ltd， Xi’an 710043，China）

TU443

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.04.013

1672-3031（2017）04-0319-05

2017-06-15

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費項目（CKSF2017012/YT）；國家自然科學(xué)基金項目（51308067）；國家科技支撐計劃項目（2013BAJ06B00）；國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFD0800501）；湖州市科技公益性應(yīng)用研究項目（2016GY19）；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項目（2016KTZDSF03-02）

肖先波（1977-），男，湖北宜昌人，碩士，副教授，主要從事地基基礎(chǔ)工程研究。E-mail：xiaoxianbo@163.com

李波（1982-），男，山東泰安人，博士，高級工程師，主要從事巖土工程和離心模型試驗技術(shù)研究。E-mail：libo_auliso@126.com