(水运工程施工课件）第四讲土石方开挖与填筑.ppt

基本概念：爆炸、爆破,爆炸：经过化学反应，将炸药的化学能转变为机械能和其它形式的能，产生高温高压气体， 并伴有声光效应的现象。 爆破：利用爆炸产生的能量，改变和破坏周围介质的过程 。,爆破基本原理及药量计算,炸药爆炸属于化学爆炸。炸药在一定的起爆能作用下，在瞬间内发出激烈的化学分解反应，产生强烈的冲击波和大量的高温气体，冲击波作用于周围的介质，使介质产生应力波，若应力波的压应力或拉应力超过介质的抗拉或抗压极限强度，介质就破裂，产生径向裂缝，而高压气体膨胀挤压介质，扩大裂缝，使介质破碎。这就是爆破。,炸药爆炸的条件 爆炸：某一物质系统在发生迅速的物理和化学变化时，其内能高速释放而对周围介质做功的过程。 物理爆炸 核爆炸 化学爆炸：由于炸药获得一定的起爆能量后，迅速发生化学反应，放出大量的热能，并生成高温、高压气体对岩石做功的结果。,炸药爆炸的条件 条件 反应过程释放足够的热能 反应过程迅速 短时间产生大量高温、高压气体 反应过程生成大量的气体 气体压缩产生势能 反应过程自动进行传播,一、无限介质中的爆破,1、两个假设(介质无限、介质均匀) 2、爆破结果：压缩圈、破碎圈、松动圈、震动圈 3、分析,爆炸能量以冲击形式作用于介质，在介质中产生应力波，产生裂缝； 高温高压膨胀气体，使介质挤压，裂缝扩大； a.压缩圈：最靠近药包的介质变为熔融状的塑性状态(30000C高温、510万个大气压），随着冲击波的外移，温度、压力降低，介质向中心运动形成压缩圈或粉碎圈； b.破碎圈（抛掷圈、松动圈）：随冲击波传播，一方面介质回弹，产生径向拉应力，形成环向裂缝。另一方面向外膨胀形成环向拉应力 产生径向裂缝； c.震动圈：冲击波已减弱，仅使其产生震动。,无限介质中的爆破机理,药包,松动圈,压缩圈,抛掷圈,震动圈,二、有限介质中的爆破作用,1、临空面-两种介质分界面。 反射拉力波：弧状裂缝使临空面形成一个弧状板块 新临空面向纵深发展； 聚能作用 a.爆炸偶极子(电偶极子) b.临空面聚能,2、爆破漏斗,定义：在有限介质中埋设集中药包进行爆破，将炸成以药包中心为顶点的倒圆锥形爆破坑，形如漏斗，称为爆破漏斗。 成因分析：a 弧状裂缝依次向纵深发展、径向裂缝、环向裂缝、临空 面上裂缝、非均质无规律裂缝；b 高压高温气体产生抛掷。 爆破作用指数及爆破分类(按n值),爆破漏斗的几何特征,W 最小抵抗线，即药包中心至临空面的最短距离； r 爆破漏斗底半径； R 爆破作用半径； P 可见漏斗深度； L 抛掷距离。,爆 破 作 用 指 数,比值 最能反映爆破漏斗的几何特 征，称之为爆破作用指数。 当 n = 1，即r = W 时，称为标准抛掷爆破； 当 n 1，即r W 时，称为加强抛掷爆破； 当 0.75 n 1 时，称为减弱抛掷爆破； 当 0.33 n 0.75 时，称为松动爆破； 当 n 0.33，即r = W 时，称为隐藏式爆破。 隐藏式爆破：岩石的临空面没有被破坏，仅是药包周围的岩石被炸碎。 抛掷爆破多用于爆破筑坝及开渠; 松动爆破多用于开挖基坑、隧洞、开采石料。,三、 药包种类及药量计算,1. 药包的种类 根据形状的不同，药包分为集中药包和延长药包。 (1)一般爆破 用药包的最长边 L与最短边b的比值来进行划分： L/b： L/b4时，为延长药包 L/b 4时, 为集中药包,（2）大爆破,常用集中系数 来区分药包的类型， 式中，b 药包中心至药包最远点的距离，m； V 药包的体积，m3。 当：0.41时，为集中药包； 0.41时，为延长药包。,2、药量计算,药包药量与爆落体体积成正比： QKV Q药量；V爆落体体积；K系数，隐含了各种因素 （1）集中药包 A、标准抛掷爆破（ n = 1，即r = W ） QKW3 注：V=(1/3)r3W3 ， 式中，K 单位体积耗药量， m3；为标准情况下的K值； W 最小抵抗线长度，m。,B、其它爆破药量计算,（基于标准抛掷爆破药量计算公式，引入n的函数f(n)，计算其它爆破药量） 其它爆破药量计算： QKW3f(n) a、标准抛掷爆破： f(n)=1 b、加强抛掷爆破： f(n)=0.4+0.6n3 c、减弱抛掷爆破： f(n)=(4+3n)/7 )3 d、松动爆破： f(n)=n3,(2)延长药包 （略）,第二节 钻孔机具和爆破器材,一、钻孔机具 浅孔 ：轻型手提式风钻（向下垂直孔）、 支架式重型风钻（向上及倾斜孔） 深孔 ：1）回转式钻机 X300型（钻孔深度300m）；可取岩芯（岩芯钻孔）；装不同钻头；可钻斜孔；直径90-100mm 2） 冲击式钻机 只钻垂直孔；借助偏心的传动，结构完成向下冲击、向上提升；直径130500mm 3） 潜孔钻 既有回转，又有冲击；孔深不超过8m；可钻斜孔；效率高；直径170mm,钻 头 型 式,冲 击 式 钻 机,潜孔钻结构示意图,二、爆破器材,（一） 炸药 1、炸药的性能指标 (1) 威力，以爆力和猛度表示。 爆力又称静力威力，用定量炸药炸开规定尺寸铅柱体内空腔的容积来表示。 猛度又称动力威力，用定量炸药炸塌规定尺寸铅柱体的高度来表示。 (2) 最佳密度，炸药获得最佳爆破效果的密度。 (3）氧平衡，炸药含氧量和氧化反应程度的指标。,炸药的性能指标,零氧平衡：当炸药含氧量正好等于可燃物完全氧化所需的氧量，生成无毒的CO2和H2O，并释 放大量热能。 正氧平衡：含氧量大于需氧量，生成有毒的NO2，释放较少的能量。 负氧平衡：含氧量不足，只生成有毒的CO，释放的热量仅为正氧平衡的1/3左右。 (4)安定性，保持自身性质稳定不变的能力。 (5)敏感性，在外界条件激发下，引起爆炸的难易程度。 (6)殉爆距，相邻的爆炸引起药包爆炸的最大距离。,2、常用的工业炸药,TNT(三硝基甲苯) (威力大，但不敏感，枪弹贯穿亦不爆炸) 特点：难溶于水，爆炸气体中有co，威力大。 适用：水下爆破，不能用于地下爆破。 胶质炸药(硝化甘油炸药) 特点：抗水性强，炸气无有害气体、威力大，冻结温度高(13.2oc) 适用：地下、水下 冻结后敏感性增大，为了安全常加入二硝基乙二醇形成难冻结状态。,硝铵炸药(铵梯炸药) 特点：敏感性小，爆气含毒少，易受潮(运输，保存中注意防潮) 适用：地下 常常加入35号柴油配成铵油炸药。2%(重量比)：敏感度最高；56%：爆力最大，且是零氧平衡 黑火药：硝石（6075%)、硫磺(1015%)、木炭(1520%) 。 适用：导火线、爆破松软岩石。 乳化炸药，用于岩塞爆破。,（二）起爆器材,1、雷管 根据点火装置的不同，分为火雷管和电雷管： 火雷管： 导火索正起爆药副起爆药 即时电雷管：电线点火电桥正起爆药 副起爆药 延发电雷管：电线点火电桥缓燃剂 正起爆药副起爆药 安全电雷管：电线安全电路点火电桥 正起爆药副起爆药,各型雷管构造示意图,2、其他起爆器材,导火索 点燃黑火药或起爆火雷管，燃速一般为1m/s。 传爆线 高敏感性炸药卷成，外表涂成红色或红白间色已便与导火索区别。爆速大于 6000m/s。必须用雷管引爆。 导爆管 外径为3mm、内径为1.4mm的塑料管，内壁涂有薄层炸药，爆速 2000m/s，接头有专用连接元件。,（三）起爆方式,起爆方式有同时起爆，延期起爆 1、同时起爆 所有药包爆炸产生的应力迭加，增强爆破效果；但震动半径大，可能会影响周围岩石或建筑物，常常限制一次爆破的药量。 2、延期起爆 控制一次起爆的炸药量，减小震动影响；人为创造临空面。,（四）起 爆方法,1、火花起爆 火花点燃导火索火雷管药包 设备简单，操作方便，用于小规模爆破。 2、传爆线起爆 雷管（火或电雷管）引爆传爆 线（雷管）药包 3、导爆管起爆 雷管（火或电雷管）引爆导爆 管（雷管）药包 传爆线、导爆管起爆网路连接简单，操作安全，但成本比电气起爆昂贵。为了准爆常布置复式网络。 4、电气起爆 通电电雷管药包 适用于远距离、同时或分段起爆大规模药包群。 电爆网络联接方式及设计计算,电 爆 网 路 联 结,常用电爆网路联结有串联法、并联法和混合法。 电爆网路准爆条件 同一串联线路内雷管间的电阻差不得大于0.25W；不同种类的延发雷管不能接在同一串联线路内；并联的各支路电阻应保持平衡。,电爆网路联结示意图,第三节 爆破的基本方法,一、孔眼爆破 二、洞室爆破 三、改善爆破效果的方法和措施,一 、孔眼爆破（炮孔布置原则，布孔的技术参数，药量计算，堵塞长度验算）,根据孔径的大小和孔眼的深度可分为浅孔爆破法和深孔爆破法。 浅孔爆破法：孔径小于等于75mm，孔深小于等于5m。适用于小规模爆破，适应性较强，有利于控制开挖面的形状和规格，使用的钻孔机具简单易操作；但生产效率低。 深孔爆破法：孔径大于75mm，孔深大于5m。适用于大规模、高强度爆破，如料场和基坑的采挖。 上述两种爆破方法可以起到互补的作用。,（一）炮 孔 布 置 原 则,充分利用临空面； 创造更多的临空面； 可能的情况下，形成阶梯式开挖。,阶 梯 爆 破 布 孔 示 意 图,（二）布 孔 的 技 术 参 数 （WP、H、L、a、b）,计算抵抗线长度 WP(m) 浅孔 WP=KW d 深孔 式中，KW岩石性质对抵抗线的影响系数，通常 用 1530，岩性越软弱取值越大； d 炮孔直径，浅孔以m计，深孔以mm计； H 阶梯高度，m； D 岩石硬度影响系数，一般取0.460.56； h 阶梯高度系数，见表 2-2。,阶 梯 高 度,2. 阶梯高度 H(m) 浅孔 H=KH WP 式中，KH 为防止爆破顶面逸出的系数，通常采用1.2-2.0。 深孔爆破的阶梯高度，主要根据总挖深、地层岩石情况以及挖掘机对掌子面的要求等因素综合考虑。,炮 孔 深 度,3. 炮孔深度 L(m) 浅孔（竖直钻孔） L= KL H 深孔 (竖直钻孔) L= H+DH 式中，KL 岩性对孔深的影响系数； 通常，对于坚硬岩石取 KL =1.11.15, 中等坚硬岩石取KL =1.0, 松软硬岩石取KL =0.850.95。 DH超钻深度, m, DH =(0.120.3) WP,炮 孔 间 距,4. 炮孔间距 a (m) 浅孔 a = Ka WP 深孔 a =(0.71.4) WP 式中， Ka 起爆方式对孔距的影响， 对火花起爆，取Ka =1.01.5； 对电气起爆，取Ka =1.22.0。,炮 孔 排 距,5. 炮孔排距 b (m) 孔眼爆破，无论浅孔、深孔，双排布孔呈等边三角形，多排呈梅花形。 b=a sin60o=0.87a,(三)药 量 计 算,孔眼爆破的药量计算（群孔松动爆破 ） Q=0.33KV=0.33KHWP a 根据孔径及最小堵塞长度，进行复核，是否满足允许最大装药长度的要求，否则应调整参数。,（四）堵塞长度验算,炮孔的最小堵塞长度 Lmin(m) 浅孔 深孔,二、洞 室 爆 破 （导洞与药室、参数计算、洞室爆破施工要点）,进行大规模的采料，则要开凿洞室，在洞室中装药进行爆破，该洞室即为药室，药室用平洞或竖井相连。在药室中装药后，将平洞或竖井堵塞。,洞室爆破洞室布置示意图,（一）导 洞 与 药 室,导洞与药室 在同样条件下，尽量用平洞； 平洞或竖井皆不宜太长； 有明显可利用的自由面时，则采用平行 自由面的平洞进行条形布药。 集中装药的药室以立方体为好。,（二）洞室参数计算,1、洞室体积的计算： 式中：V药室体积，m3； C炸药的装填系数； 它与药室支护及装药方式有关；有支护，取1.51.8, 无支护，取1.11.25；散装炸药取小值,袋装炸药取大值； Q装药量，t； D炸药密实度。,2、药室间距与排距,药室间距 a(m) a=(1.1-1.2) WP 药室排距 b(m) b=(1.3-1.4) WP 式中，WP相邻药室的平均最小抵抗线长度，m。 WP =(0.6-0.8)H,（三）洞室爆破施工要点,1. 装药 2. 堵塞 3. 起爆系统,三、改 善 爆 破 效 果的方法和措施,1. 合理利用或创造自由面； 2. 利用毫秒微差挤压爆破； 3. 分段装药爆破； 4. 采用不耦合装药； 5. 保证堵塞长度和堵塞质量。,土方的填筑与压实,影响填土压实因素 填土压实质量与许多因素有关，其中主要影响因素 为：压实功、土的含水量以及每层铺土厚度。 填土压实的质量控制。 选择好填土的材料。控制适宜的含水量。 填土的压实要达到一定的密实度的要求. 填土的压实度用压实系数来表示： 填土的压实方法有碾压、夯实和振动压实等几种。,影响填土压实因素 填土压实质量与许多因素有关，其中主要影响因素为：土的类别、压实功、土的含水量以及每层铺土厚度。 1、土的类别的影响 根据颗粒级配或塑性指数上可分为黏性土和非黏性土（砂土和碎石类土）。黏性土由于其颗粒小（0.005），孔隙比和压缩性大，颗粒间的间隙又小，透气排水困难，所以压实过程慢，较难压实。而砂上由于其颗粒粗（20005mm），孔隙比和压缩性小，颗粒间的间隙大，透气排水性好，所以较容易压实。对这两类土施加相同的压实功后，砂上所获得的干密度大于初性土所获得的干密度。,2含水量的影响：填土中的含水量是影响压实效果的重要因素。土粒间含有适量的自由水，可在压实过程中起润滑作用，减小土粒间相对移动的阻力，因而易于压实；若土粒间含水量很小，在压实过程中不足以产生润滑作用，需要较大的压实功才能克服土粒间的阻力，所以难压实；,如果土粒间含水量过大，土体处于饱和状态，而水又是不可压缩的，施加的压实功的一部分为水所承受，则土体不可能压实。当压实功一定时，变化含水量至某一值，可使填土压实后获得某一最大于密度，该含水量称为最佳含水量 。,3压实功的影响：在同类土中施加不同的压实功，可得到若干条相应的含水量与干密度的关系曲线。可以看出：（1）当填土中的含水量较小时，若要求压实效果相同，含水量不同，需要施加的压实功不同，即当要求压实效果相同时，干土要比湿土多消耗压实功；（2）当填土中的含水量增大至某一限度时，压实功的增加也不能改善压实效果；（3）当填上的含水量在某一适当值时，开始压实，土的干密度会急剧增加；待到接近土的最大干密度时，压实功虽增加许多，而土的干密度则没有多大变化。,由此可以看出，盲目增大压实功不仅不能增加压实效果，反而降低了压实功效。此外，大面积松土不宜用重型碾压机械直接滚压，否则土层有强烈起伏现象，压不实。如果先用轻型碾压实，再用重型碾压实，就会取得较好效果。,4铺土厚度的影响：土层在压实功的作用下，其压应力随深度增加而逐渐减小，因而土层经压实后，表层的密实度增加最大，超过一定深度后，则增加较小或没有增加。其影响深度与压实机械、,土的性质和含水量等有关。铺土厚度应小于压实机械的影响深度，铺得过厚，需要的压实功则大，铺得过薄，则需增加总压实遍数。最优铺土厚度既能使土层压实又能使压实功耗费最少的铺土厚度。,粘性土料的压实控制指标采用： 设计干表观密度、施工含水量或压实度； 施工时主要控制填筑含水率，选在最优含水量 附近。 粘性土料试验压实含水量可取以下三种进行试验。 为土料的塑限。,土石料的压实标准,非粘性土料（反滤料、过渡料、砂砾料）的控制指标采用干密度或相对密度 Dr ； 要求砂砾石Dr不低于0.75，砂的Dr不低于0.70。若为地震区，要求浸润线以上不小于0.7，浸润线以下选用0.750.85。 在现场用相对密度来控制施工质量不大方便，通常将其换算为干容重来控制。 石渣或堆石体用孔隙率作为压实指标。,土石料的压实标准（续）,分别为土料极松散和极密实时的干容重。,压实参数的确定,压实参数： 机械参数：压实设备型号（碾重等） 施工参数：铺土厚度、碾压遍数、行车速度、土料含水率、加水量等，振动碾还应包括振动频率。 施工压实参数的确定： 初选几种施工机械和几组压实参数进行碾压试验； 对试验成果进行整理，得出经济压实参数： 结合施工情况，适当修改经济压实参数作为施工的压实参数。,碾压试验设备及碾压参数组合,试验取用压实遍数和铺土厚度的参考取值,根据设计干容重，从曲线上分别查出不同铺土厚度所对应的压实遍数和对应的最优含水量。 分别计算单位压实遍数的压实厚度。 取单位压实遍数的压实厚度最大者为经济压实参数。,粘性土试验成果整理,非粘性土试验成果整理,得到不同铺土厚度对应的压实遍数。 以在满足设计干容重的条件下，单位压实遍数的压实厚度最大者为经济压实参数.,二、填土压实的质量控制 1选择好填土的土料 2控制适宜的含水量 3确定适宜的铺土厚度与压实遍数 4填土压实的质量要求和检验,三、填土的压实方法 （一）碾压 碾压的机械有平碾和羊足碾，它们都是利用滚轮的压力压实土壤的,羊脚碾,适用于粘土和粘性土的压实。,羊脚对土料的作用,气 胎 碾,