（岩土工程专业论文）爆炸荷载作用下土体压密效应研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着高层建筑、地下空间和高速交通的快速发展，常用的地基处理方法在一定程 度上其应用受到限制，而爆炸压密法处理地基以其工期短、造价低、设备简单等优点 日益受到岩土工程界的重视，并在深层地基处理以及远离城市的海底地基处理中有着 广泛的应用前景。然而，由于其压密原理研究不够深入，确定爆炸参数主要依据工程 经验，使得理论滞后于工程实践。因此，目前在实际工程中未得到广泛应用。 本文通过理论分析数值模拟室外试验相结合的方法，探讨爆炸压密原理以及压密 效果。首先运用爆炸动力学和土塑性力学等相关知识，建立爆炸压密模型，从理论上 推导爆炸压密范围、压密程度以及爆炸后不同爆心距处密度值公式。其次通过 a n s y s l s d y n a 软件建立有限元模型，对土体爆炸压密过程进行数值模拟研究，计 算并分析爆炸作用对爆腔尺寸、爆炸应力、振动速度以及压密效果的影响规律。最后 在孔径4 8 m m 的炮孔中进行不耦合系数分别为2 0 0 0 、1 7 4 1 、1 5 0 0 、1 3 3 3 、1 2 0 0 、1 0 9 1 和1 0 0 0 的七组室外试验，每组试验进行两次以对比分析，爆炸后沿炮孔中心呈9 0 。 开挖两个断面，每个断面布置三层对称取样点并测试密度值。对每次试验中呈9 0 。的 对称两组数据算术平均后，共获得4 2 条密度曲线。同时绘制强度参数曲线，综合得到 压密范围和压密程度的试验数值，同时应用室外试验验证理论公式的正确性以及验证 数值模拟分析的可行性。可得到如下主要结论： ( 1 ) 本文给出的土体爆炸压密计算公式的准确性较高，其理论值与试验值很接近， 且计算误差小于6 0 3 ，因此，理论公式可应用于实际，从而沟通压密效果与爆炸参 数之间的联系，确定爆炸参数以指导工程实践。同时也验证了爆炸压密模型的正确性， 即爆炸后土体被分为三个区域：爆腔区、压密区和原状土区，以及运用m o h r - c o u l o m b 屈服准则优于以往使用的m i s e s 屈服准则。 ( 2 ) 数值模拟获得的爆炸现象及变化规律与室外试验结果基本相同，从而验证数 值模拟应用于实际的可行性。数值模拟在一定程度上可以较好地指导工程实践，更重 要的是以其成本较低、可反复调整参数进行模拟的特点以获得现场难以观察到的现象 及其变化规律。 ( 3 ) 土体密度值、强度参数值随爆心距增大呈现先增大后减小的趋势，直至递减 为土体的初始参数值，同时曲线上升段的数值均大于土体初始值。 ( 4 ) 相同试验条件下，炮孔尺寸一定时，试验中压密范围和压密程度均随着不耦 合系数减小呈现先增大后减小的趋势，同时不耦合系数在1 2 0 0 左右，压密效果较好， 此时最大压密范围达到7 3 e r a ，压密程度达到1 0 6 。 ( 5 ) 相同试验条件下，炮孔尺寸一定时，爆腔半径主要取决于峰值压力，而压密 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 效果是峰值压密和作用时间综合作用的结果。 ( 6 ) 密度曲线与强度参数曲线中各个曲线的变化规律基本相同，因此，粘质粉土 中压密效果稳定，试验重复性较好。 关键字：爆炸荷载：土体；压密效应；理论分析；数值模拟；室外试验 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 e ! ! 目e 自目目| | i e ! g 自目! ! ! ! ! ! ! ! , m i i i i e a b s t r a c t w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h eh i g h r i s eb u i l d i n g s ，u n d e r g r o u n ds p a c ea n d h i 曲- s p e e dt r a f f i c ，t h ea p p l i c a t i o no ft h et r a d i t i o n a lm e t h o d so fg r o u n dt r e a t m e n t ，t os o m e e x t e n t ，i sl i m i t e d f o ri t ss h o r t e rd u r a t i o n ，l o w e rc o s ta n ds i m p l e re q u i p m e n t ，t h et r e a t m e n t f o u n d a t i o nb ye x p l o s i v ec o m p a c t i o ni sm o r ea n dm o r ev a l u e di ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g f i e l da n di th a sw i d ea p p l i c a t i o ni nt h ed e e pf o u n d a t i o nt r e a t m e n ta n dt h eu n d e r w a t e r f o u n d a t i o nt r e a t m e n tf a ra w a yf r o mc i t i e s h o w e v e r , a st h er e s e a r c h e so ni t sc o m p a c t i o n p r i n c i p l e sa r en o ti n d e p t ha n dt h ee x p l o s i o np a r a m e t e r sa r em a i n l yb a s e do ne n g i n e e r i n g e x p e r i e n c e ，t h e o r i e so nt h et r e a t m e n tf o u n d a t i o nb ye x p l o s i v ec o m p a c t i o nh a v el a g g e d b e h i n dt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，w i t har e s u l tt h a tt h et r e a t m e n tf o u n d a t i o nb ye x p l o s i v e c o m p a c t i o nh a sn o tb e e nw i d e l yu s e di nt h ea c t u a lp r o j e c t s t h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n df i e l dt e s t ， e x p l o s i v ec o m p a c t i o np r i n c i p l e sa n dc o m p a c t i o ne f f e c t sa r ee x p l o r e di nt h i st h e s i s f i r s t ， b a s e do nt h er e l e v a n tk n o w l e d g eo fe x p l o s i o nd y n a m i c sa n ds o i l p l a s t i c i t y , e x p l o s i v e c o m p a c t i o nm o d e li s e s t a b l i s h e d i na d d i t i o n ，e x p l o s i v ec o m p a c t i o nr a n g e ，c o m p a c t i o n d e g r e ea n dt h ef o r m u l a so fd i f f e r e n tb l a s t i n g - c e n t e rd e n s i t yd i s t a n c ea r ed e r i v e dt h e o r e t i c a l l y s e c o n d ，b yu s i n gs o f t w a r ea n s y s l s d y - n a ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l sa r eb u i l t t h e nt h e c o m p a c t i o np r o c e s so fs o i lb l a s ti sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e da n dt h er e l a t i v ep h e n o m e n aa n d i n f l u e n c i n gl a w so ft h ee f f e c to fb l a s t i n go nt h eb l a s t i n gc a v i t yd i m e n s i o n ，t h eb l a s t i n gs t r e s s ， v i b r a t i o nv e l o c i t ya sw e l la sc o m p a c t i o ne f f e c ta r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d f i n a l l y , s e v e n f i e l dt e s t sw i t hd e c o u p l i n gc o e f f i c i e n to f 2 0 0 0 ，1 7 4 1 ，1 5 0 0 ，1 3 3 3 ，1 2 0 0 ，1 0 9 1a n d1 0 0 0 a r ec o n d u c t e di nt h eb l a s t i n gh o l ew h o s ep o r ed i a m e t e ri s4 8 m ma n dt w oc o n t r a s t i v e a n a l y s e sa r ec a r r i e do u ti ne a c hg r o u po ft h et e s t a f t e rb l a s t i n g ，t w os e c t i o n sa r ed u ga tt h e a n g l eo f9 0d e g r e e st ot h ed i r e c t i o no ft h ec e n t e ro ft h eb l a s t i n gh o l e t h r e el a y e r so f s y m m e t r i cs a m p l i n gp o i n t sa r el a i do u ti ne a c hs e c t i o na n dt h ed e n s i t yv a l u ei st e s t e d a f t e r t w og r o u p so fd a t aa tt h ea n g l eo f 9 0d e g r e e si ne a c ht e s ta r ca v e r a g e d ，4 2d e n s i t yc l t v c sa r e d r a w n m e a n w h i l e ，t h ec u r v e so fi n t e n s i t yp a r a m e t e ra r ea l s od r a w n t h e r e f o r e ，n u m e r i c a l v a l u e so fc o m p a c t i o nr a n g ea n dc o m p a c t i o nd e g r e ea r eo b t a i n e d ，a n dt h ec o r r e c t n e s so f t h e o r e t i c a lf o r m u l aa n dt h e f e a s i b i l i t yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ev e r i f i e d t h em a i n c o n c l u s i o n sc a l lb eo b t a i n e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es o i le x p l o s i o nd e n s i t yf o r m u l a sg i v e ni nt h et h e s i sa r em o r ea c c u r a t e ，i nw h i c h t h et h e o r e t i c a lv a l u ei sc l o s et ot h ee x p e r i m e n t a lv a l u e ，a n dt h ec a l c u l a t i o ne r r o ri sl e s st h a n 6 0 3 t h e r e f o r e ，t h e s ef o r m u l a sc a nb ea p p l i e dt oe n g i n e e r i n gp r a c t i c es oa st ob u i l d c o m m u n i c a t i o nb e t w e e n e x p l o s i v ec o m p a c t i o ne f f e c ta n de x p l o s i v ep a r a m e t e r sa n d d e t e r m i n et h eb l a s tp a r a m e t e r st og u i d et h ee n g i n e e r i n g p r a c t i c e m e a n w h i l e ，t h ec o r r e c t n e s s o fe x p l o s i o nc o m p a c t i o nm o d e li sc o n f i r m e d ，t h a ti s ，t h es o i la f t e rb l a s t i n gi sd i v i d e di n t o t h r e er e g i o n s ：e x p l o s i o nc a v i t ya r e a , c o m p a c t i o nz o n e sa n da r e a so fu n d i s t u r b e ds o i l a n dt h e a p p l i c a t i o no fy i e l dc r i t e r i o no fm o h r - c o u l o m bi sb e t t e rt h a nt h a to ft h ef o r m e ry i e l d c r i t e r i o no fm i s e s ( 2 ) t h eb l a s t i n gp h e n o m e n aa n dt h ev a r i a t i o nl a w so b t a i n e df r o mt h en u i n e r i c a l s i m u l a t i o na n dt h er e s u l t so ft h ef i e l dt e s ta r es i m i l a r , w h i c hc o n f i r m st h ef e a s i b i l i t vo f t h e a p p l i c a t i o no fn u m e r i c a la n a l y s i st op r a c t i c a le n g i n e e r i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i s ，t o ac e r t a i ne x t e n t ，p r o v i d e sab e t t e rg u i d i n gp r a c t i c e ，a n dm o r e i m p o r t a n t l y , t h ev a r i a t i o nl a w s a n dp h e n o m e n a h a r d l yo b s e r v e da r eg a i n e dt h r o u g hi t sf e a t u r e so fl o wc o s ta n dt h er e d e a t a b l ea d j u s t m e n to f p a r a m e t e rt os i m u l a t e ( 3 ) s o i ld e n s i t ya n ds t r e n g t hp a r a m e t e rv a l u e sf i r s ti n c r e a s ea n dt h e nd e c r e a s et ot l l e i n i t i a ls o i lp a r a m e t e rw i t ht h ei n c r e a s eo fd i s t a n c et o e x p l o s i v e sc e n t e r i nt h em e a n t i m e c u r v en u m e r i c a lv a l u e so ft h ea s c e n d i n g p o r t i o na r ea l ll a r g e rt h a nt h ei n i t i a ls o i ln u m e r i c a l v a l u e ( 4 ) w h e nt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sa r ei d e n t i c a la n dt h ed i m e n s i o n so ft h eb l a s 咖g h o l ea r ef i x e d ，t h ec o m p a c t i o nr a n g ea n dc o m p a c t i o n d e g r e ef i r s ti n c r e a s ea n dt h e nd e c r e a s e w i t hn o c o u p l i n gc o e f f i c i e n td e c r e a s i n g w h e nd e c o u p l i n gc o e f f i c i e n ti s o fa b o u t1 2 0 0 ， c o m p a c t i o ne f f e c ti se f f e c t i v e m e a n w h i l e ，t h em a x i m u mr a n g em o u n t su pt o7 3a n d c o m p a c t i o nd e g r e eu pt oa b o u t1 0 6 ( 5 ) w h e nt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sa r ei d e n t i c a la n dt h ed i m e n s i o n so ft h eb l a s t i n g h o l ea r ef i x e d ，e x p l o s i o nc h a m b e rr a d i u sm a i n l yd e p e n d so nt h ep e a kp r e s s u r e ，w h i l et h e c o m p a c t i o ne f f e c ti st h ec o m p r e h e n s i v er e s u l to fp e a kp r e s s u r ea n da c t i o nt i m e ( 6 ) t h ev a r i a t i o nl a w so fe a c hd e n s i t yc u r v ea n d i n t e n s i t yp a r a m e t e rc u r v ea r ea i m o s tt h e s a m e ，t h e r e f o r e ，t h ec o m p a c t i o ne f f e c ti ns i l t yc l a yi ss t a b l ea n dt e s tr e p e t i t i v e n e s si sa l s o b e t t e r k e yw o r d s - b l a s tl o a d i n g ；s o i l ：c o m p a c t i o ne f f e c t ；t h e o r e t i c a la n a l y s i s ：n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；f i e l dt e s t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不傈密衫使用本授权书。 ( 请在以上方框内打”) 学位论文作者签名： r f 鸳，罨 i 指导老师签 日g q a o ，口t f 日期 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： ( 1 ) 运用爆炸动力学中的应力波衰减规律与土塑性力学中的圆筒扩张理论、 m o b r - c o u l o m b 屈服准则等相关理论知识，建立爆炸压密模型，并推导压密效果( 压密 范围和压密程度) 参数公式，以沟通压密效果与爆炸参数之间的联系。实际工程中应 用理论公式可以确定爆炸参数，如炮孔参数等。 ( 2 ) 通过a n s y s l s d y n a 非线性动力学数值分析软件建立七组有限元模型，对 土体爆炸压密过程进行数值模拟分析。观察实际试验中难以观察到的爆炸现象以及动 态作用过程，并获得爆腔尺寸、爆炸应力、振动速度及压密效应等变化规律，以对室 外试验予以参考及补充。 ( 3 ) 在孔径为4 8 m m 的炮孔中进行不耦合系数分别为2 0 0 0 、1 7 4 1 、1 5 0 0 、1 3 3 3 、 1 2 0 0 、1 0 9 1 和1 0 0 0 的七组室外试验，每组试验进行两次以对比分析，爆炸后沿炮孔 中心呈9 0 。开挖两个断面，每个断面布置三层对称取样点并使用环刀测试其密度值。 对每次试验中每层呈9 0 。的对称两组数据算术平均后，共获得4 2 条密度曲线。同时使 用直剪仪绘制强度参数曲线，综合得到压密范围和压密程度的试验数值，以研究粘质 粉土中爆炸压密效果，同时验证理论推导的正确性以及数值分析应用于实际的可行性。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： ( 偿 乏 日期：扣，口j ；1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 目前，软土地基作为持力层的建( 构) 筑物日益增多，为了达到地基承载力和变 形的要求，保证建( 构) 筑物的安全，需要进行地基处理。现有的地基处理方法很多， 如换土垫层法、强夯法、排水固结法、振密挤密法( 表层) 、加筋法、热学法和胶结法 等。这些方法有各自的特点和适用范围，但是它们的共同点是处理地基的深度较浅， 而且工期长、经济性较差。为了克服上述方法的不足，爆炸压密法应用于地基处理日 益受到工程界的重视。 1 1 地基处理的研究现状 若天然地基比较软弱，不能满足地基承载力和变形的要求，则事先要经过人工处 理再建造基础。这种地基加固称为地基处理。其目的是用来改善地基土的剪切性、压 缩性、渗透性、振动性和特殊地基土的特性【1 1 。目前地基处理的方法很多，主要有：换 土垫层法、强夯法、排水固结法、振密挤密法( 表层) 、加筋法、热学法、胶结法等【2 】【3 】。 换土垫层法分为机械碾压法、平板振动法和重锤夯实法，该法的原理是挖除浅层 软弱土和不良土，分层碾压或者夯实，回填砂石、矿渣、粉煤灰和灰土等垫层材料。 它的作用是提高持力层的承载力，减小沉降量，消除或部分消除黄土的湿陷性和胀缩 性，防止土的冻胀作用以及改善土的抗液化性。这种方法的特点是简单易行，但是仅 限于浅层地基的处理，一般不大于3 m ，而且开挖土方量较大，在含水量大的工程中要 进行降水处理。机械碾压法主要适用于无粘性土、杂填土、非饱和粘性土及湿陷性黄 土；平板振动法主要适用于松散砂性土、杂填土、含少量粘性土的建筑垃圾土、工业 废料和炉灰填土；重锤夯实法主要适用于无粘性土、杂填土、非饱和粘性土及湿陷性 黄土。 深层密实法分为强夯法和挤密法。强夯法是利用强大的夯击能，迫使土体液化和 动力固结而密实，以提高地基土的强度，降低土的压缩性，改善砂土的抗液化条件和 消除黄土的湿陷性等。同时，夯击能还可以提高土层的均匀程度，减少将来可能出现 的差异沉降。强夯法施工速度较快，施工质量易于保证，造价经济，可以大面积处理 地基，但是施工对周围环境的扰动大，处理深度也较小，不宜在闹市里施工。该方法 适用于碎石土、砂土、低饱和粉土与粘性土、湿陷性黄土和填土等。但是对于饱和度 较高的粘土不宜使用。挤密法是通过挤密或振动使深层土密实，并且在振动挤密过程 中，回填砂、碎石、灰土、石灰等以形成砂桩、碎石桩、灰土桩、石灰桩等，桩与土 一起组成复合地基，从而提高地基承载力，减小沉降，消除湿陷性和液化性。这种方 法的特点是形成复合地基，产生的径向挤压力较小，以至于挤密作用较小，而且灰土 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 桩主要适用于地下水位以上的土层。 排水固结法包括堆载预压法、真空预压法、降水预压法和电渗排水法。其作用原 理是通过布置垂直排水井，改善地基的排水条件及采取加压、抽气、抽水和电渗等措 施，以使土体中孔隙慢慢排出，孔隙比减小，加快地基土的固结和有效强度增长，提 高地基土的稳定性，并使沉降提前完成。排水固结法常用于解决软粘土地基的沉降和 不稳定问题，可使结构物在使用期间不产生过大的沉降量和沉降差。这种方法适用于 处理厚度较大的饱和软土和冲填土地基，但此方法需要有预压荷载和时间条件。 加筋法处理包括加筋土、土钉、土锚和土工合成材料等。其作用原理是在人工填 土的路堤和挡墙内铺设土工合成材料、钢带、钢条和尼龙绳等作为拉筋，或在软弱土 层上设置树根桩或碎石桩等，使这种人工复合土体，可承受抗拉、抗压、抗剪和抗弯 作用，借以提高地基承载力、增加地基稳定性和减少沉降。这种方法主要用于人工填 土、粘性土、砂土地基，但造价较高。 热化学法有热加固法和冻结法。热加固法是通过渗入压缩的热空气或者燃烧物， 并依靠热传导，而将细颗粒土加热到适当的温度，则土的强度就会增加，压缩性随之 降低。该方法适用于非饱和粘性土、粉土和湿陷性黄土。热加固法在含水量较大的土 中并不理想。冻结法是采用液体氮或二氧化碳膨胀的方法，或采用普通的机械制冷设 备与一个封闭式液压系统相连，使冷却液在里面流动，从而使软弱而潮湿的土进行冻 结，以提高土的强度和降低土的压缩性。适用于各类土，特别在开挖深度大于7 m ，以 及低于地下水位的情况下采用。冻结法工期较长，冻结机器噪音大，工程费用较高。 胶结法包括注浆法、高压旋喷法和水泥土搅拌法。它们的作用原理是利用化学浆 液或者水泥浆液注入土中，使土颗粒胶结，以提高地基承载力、减小沉降和防止渗漏。 该方法适用于岩基、砂土、粉土和一般人工填土。胶结法可以快速提高地基的承载力， 但是需要大量的浆液，在某些区域会发生浆液大量流失的现象。 迄今为止，使用上述方法处理浅层地基效果比较好，对于处理深层地基，上述方 法并不太理想。同时上述方法处理地基的工期长、费用高、设备复杂以及对水下地基 处理困难，而爆破压密法处理地基是一种比较有效的方法。爆炸压密是一种动力挤密 土体的方法，是用炸药在土体中引爆，产生横波和纵波。爆炸首先产生纵波，在离爆 炸点较远的地方，当纵波到达地面时也引起剪切波( 以频率小于1 0 h z 的瑞利波) ，后 者以交变的剪应力，在上覆土层自重作用下，使土体密度增大。如果由爆炸引起的超 孔隙水压力很快消失，则动剪应力的压密效果更好【4 】。爆破压实方法与其他方法相比较 经济，特别是想把大范围的软弱砂质土，大规模地进行压实时更为有利。最近土木工 程的规模逐渐变大，并且又在离开村庄的海岸建造工业地基，深海底的利用也兴盛起 来。根据这样的条件，爆破压实方法正在成为有利的方法，其适用性日益扩大，可以 说是具有前途的方法【5 】。爆炸是引起液化的一种作用，在地表附近不产生较大的密度， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 爆炸对于无粘性土的深部加密是一种有用的方法【6 】。爆炸压密法以前多用于土壤压缩成 井【7 】。目前由于理论和设计方法研究的不足，未得到广泛地应用，但是这种方法有很大 的发展空间和应用前景。这种地基处理方法的特点是施工工艺简单，施工周期短，费 用较低，处理深度较深，能广泛应用于陆地和水下地基处理。如果能够深入研究，大 力推广应用，那么它会大大促进地基处理技术的发展，缩短工程工期，降低工程造价， 带来巨大的经济和社会效益。 1 2 爆炸压密的研究现状 爆炸压密处理地基对于饱和砂土和粘性土的作用原理不同，对于饱和砂土是利用 埋置于土体中的炸药爆炸急剧释放出的能量破坏砂土颗粒初始结构，使得孔隙水压力 升高，砂土液化，砂土颗粒在自重或其他外荷载作用下重新排列到更加紧密的结构， 强度大大提高。而对于含水量较少的粘性土，土中还有空气、水，在炸药爆炸急剧释 放能量的作用下，气体孔隙变小，孔隙水压力增大，水被挤出。在炸药强大的能量下， 土体颗粒压缩使其结构变得紧密，强度提高。爆炸压密土体应用于地基处理已有7 0 多 年的历史【8 】，最早于2 0 世纪3 0 年代成功地应用于美国新罕布什尔州的f r a n k l i nf a l l s d a m 的地基处理阻】，以后就开始试验性地应用于一些工程实际中。爆炸压密土体这种 方法以其快速、经济、简单及处理深度深( 可达4 0 5 0 m ) 等优点为人们所认可和推崇， 但由于对该方法不熟悉，其设计方法不完善，多数都是基于工程经验，缺乏相应的设 计理论指导，在我国地基处理中应用不多，也不常见，相应的理论研究和设计方法研 究远远落后于工程实践的要求。 爆炸压密法最早于1 9 3 6 年用于前苏联的s v i r s k 水电站工程中铁轨路基的处理，但 没有取得成功。第一个被公认为成功使用爆炸压密方法处理地基的实例是2 0 世纪3 0 年代美国新罕布什尔州的f r a n k l i nf a l l sd a m 的地基处理 9 】。对天然沉积的砂土采用爆 炸法密实的研究却开始于1 9 4 0 年。这种方法主要是在苏联发展起来，同时在美国也对 此方法进行研究并得到了应用。其后，波兰、荷兰、罗马尼亚等国也进行了地基处理 方面的应用。我国在1 9 5 9 年分别在安徽花凉亭水库、横排水库、河南鸭河口水库和内 蒙红山水库等土坝地基处理中采用过这种爆破密实法。然而，以上都是小规模的试验 性工程。直到2 0 世纪6 0 年代末期，随着前苏联、美国等应用爆炸压密方法处理大坝、 输电线路塔基及大型建筑物等实例的成功，这种方法逐渐引起人们的关注，对其研究 才迈上了新的台阶l l o 】【3 6 1 。 1 2 1 国外现状 国外研究比较系统的是从挪威学者o k u l n l n e n e j e 和o e i d e ( 1 9 6 1 ) 研究开始1 。研 究认为爆炸可以使饱和砂土液化而产生一定的沉降，从而使砂土更加密实，地基稳定 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 性和承载力提高。爆炸方法处理地基是一种比较经济有效的方法。其研究是在海底 5 1 0 m 的范围内进行现场试验，爆炸所采用的药量为0 0 7 2 4 k g 的单药包。试验中主要 是对孔隙水压力和孔隙水压力消散后产生的沉降进行测量观察。认为孔隙水压力与有 效上覆压力和砂土的结构强度直接相关，可通过测量超孔隙水压力来研究砂土强度的 变化。试验中在不同水平距离和垂直距离上布置测点，得到孔隙水压力随药包埋深和 爆源距离的变化规律。同时还进行孔隙水压力消散后每次沉降的测量。该研究认为试 验条件相同时，每次爆炸产生的沉降相同。砂土地基的沉降主要是由于振动引起的饱 和砂土液化，破坏砂土的结构，重新固结使砂土更加密实。 b y r o n ，j p m 曲1 2 1 ( 1 9 6 3 ) 对无粘性砂土进行研究，认为砂土的压密是由于爆炸荷载作 用下砂土密度增加的过程。更加重要的是其研究指出“相对密度”是无粘性砂土区别 于粘性土密实的一个重要判断因子。在砂土的液化方面，指出完全饱和砂土比不完全 饱和砂土更易发生液化，因为随着饱和度的减小，砂粒间表面毛细张力增加，砂土的 抗液化能力增强，而对细砂来说，这种毛细张力的作用更明显。通过试验对爆炸后的 沉降进行研究，认为随着爆炸次数的增加，总的沉降量会增加，但每次引起的沉降量 却减小，直至没有明显的变化。这一观点比0 k u l n m e n e j e 和0 e i d e ( 1 9 6 1 ) 的结论更接 近于实际。同时其研究还得出沉降量与距爆源距离的平方成反比，药包放在有待密实 的砂土其厚度的2 3 处时，密实的效果会更好，在有分层的地基中( 如砂土、粘性土、 淤泥等) ，砂层中单独放置药包是必要的，不管是天然形成还是人工建造而成的砂基， 都会随位置不同而呈现密度和粒径分布的不同，也就是说不是完全均匀的，爆炸可使 砂土结构中砂粒的分布趋于更加均匀化，因此会产生不同的沉降，越是松散的砂土就 越易密实。 前苏联学者i v a n o v t ”】( 1 9 6 7 ) 对爆炸密实法的机理进行详细的描述，首先，埋设于 土体中的炸药爆炸产生的冲击波作用于埋设炸药周边的土体，所产生的作用力克服了 砂土颗粒之间的作用力，使得砂土颗粒之间发生相对位移，从而破坏砂土颗粒的初始 结构。作用于土体颗粒的作用力部分或全部地转化为孔隙水压力，使得砂土发生液化， 随着超孔隙水压力的消散与排出，由于自重和其他外荷载的作用，砂土颗粒重新排列 到更紧密的状态。同时在这方面也进行大量试验，研究认为土中的气体含量是影响爆 炸冲击波衰减的重要因素，爆炸冲击波的作用时间在较大程度上随着饱和土气体含量 的增加而延长，压力变化曲线较平缓，而冲击波波速随着饱和土气体含量的增加而下 降，爆炸冲击波的参数变化取决于介质的压缩性，冲击波在压缩性小的介质中衰减较 慢，在压缩性大的介质中衰减较快。i v a n o v 进行室内试验发现，当连续爆炸时，总沉 降量大部分与最初3 4 次爆炸的沉降相同，残余孔隙水压力分布特性和压力变化规律 与冲击作用下实测资料所记录的一致。在透水性较大的碎石和砾石中爆炸时，孔隙水 压力没有明显上升的现象。同时进行现场试验发现，爆炸以后很短时间内( 几秒) ，爆 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 炸产生的气体冲出地面，同时伴随有小规模的喷水和液化喷砂现象，砂土沉陷与孔隙 水被挤出同时发生，喷水持续时间为1 0 2 0 分钟，大部分地表沉陷持续4 5 分钟，离孔 口越近，表面沉陷越大。每次沉陷量随爆破次数增加而减小，爆炸后砂土压实较均匀， 砂土孔隙率减小。经过多次试验，发现压实效率是随着初始密实度的增大而减小。当 结构密实度大于o 7 时，压实效果很小。 美国的w a c h a r l i e t l 4 】( 1 9 7 5 1 9 9 2 ) 进行很多现场试验，由此分析了地震波与爆炸冲 击波对饱和砂土作用的不同，即地震作用主要是在砂土地基中自下而上传播的剪切波， 运动是水平方向，加速度时间历程具有明显的循环特征，振动周期为秒的量级，加速 度峰值一般小于0 5 9 m s 2 ，而爆炸引起的地面运动要比地震复杂得多，剪切波和压缩波 都极为重要。对于地面爆炸，引起的砂土运动应变历程与单轴载荷作用下竖直向下传 播波的作用很相近，深埋药包的爆炸会导致更复杂的应变状态，即竖向和径向为压应 变，而环向为拉应变。爆炸冲击波随着在土体中的传播又会逐渐衰减，在离爆源较远 的地方其作用与地震波有些类似。故而分析爆炸引起的砂土液化时，应视具体的地面 运动形式而分别加以讨论。同时还根据r i s c h b je t e r ( 1 9 7 7 ) 提出的液化过程中砂土颗粒 结构分析，论述了从超孔隙水压力变化砂土液化砂土结构重新固结这一过程 中土颗粒重新排列的变化情况，进而解释说明爆炸压缩波造成液化的原因，使用一维 粘弹塑性模型定性地解释在三角形压缩冲击载荷和不排水条件下，饱和砂土中孔压的 升高是由于孔隙水的不可压缩性，同时由于砂土结构的不可恢复变形而导致残余孔隙 水压力产生及颗粒间有效应力降低，最终导致砂土液化。 b a r e n d s e na n dk o k t ”】( 1 9 8 3 ) 认为爆炸产生的剪切应力是爆炸密实法的一个重要机 理。剪切应力使得砂土体的原状结构破坏，砂土颗粒结构重新排列成紧密的结构，但 没有详细描述爆炸应力作用于土体的过程。 v a ni m p e t l 6 】( 1 9 8 9 ) 等根据采用集中装药形式( 装药的长度与直径之比 6 ) ，认为炸药爆炸对 土体作用的效果是条形装药形式每米埋设药包重量( k g m ) 的平方根与水平径向距离足 ( m ) 的函数，可表示为形2 ( r l 2 ) ( k g “2 m 纰) 。但多数的爆炸密实法处理地基采用 的是分层间隔装药形式，即药包在沿处理土层深度方向间隔一定的距离，分层埋设于 土体中的装药形式，对此种装药形式还未有相应的应用指导和初步设计方法。 n a r i nv a nc o u r t t l 8 】( 1 9 9 7 ) 对爆炸密实法的过程进行详细的分析，认为炸药爆炸以 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 爆炸冲击波压力和爆炸气体压力两种形式向被处理的土体释放能量，将整个密实的过 程用爆炸冲击波压力、爆炸气体压力、体积应变、超孔隙水压力和液化、剪切波、振 动分别作用的过程进行分析描述。 1 2 2 国内现状 我国最早于1 9 5 9 年在安徽花凉亭水库、横排水库、河南鸭河口水库和内蒙红山水 库等土坝地基处理中采用过这种爆破密实法，以防止地震时饱和砂土地基发生液化。 当时爆炸压密方法刚刚起步，这些工程只是一些小规模的尝试。但是它为我国开展爆 炸压密处理地基打开了先河。 合肥工业大学井巷教研室【1 9 】( 1 9 6 0 年) 对爆炸压实土壤凿井法进行初步地探讨。 总结扩孔比受土的压缩性、炸药性质和炮孔直径影响较大。运用苏联学者总结的公式 和克拉贝隆方程得到扩孔比公式。同时对爆破压实后土壤分析，爆炸压力作用于土壤 的情况与一般机械力一样，被压缩的土壤仅容重、含水率和内摩擦角发生变化，而比 重和化学成分保持不变。从试验得知，压缩后的土壤，除强度有所增加外，内摩擦角 增加，同时，渗透性大大减小。它的改变不仅是由于孔隙率减小或含水率减小的结果， 主要是由于孔隙在土壤中重新均匀分布所致。因而，虽然有时孔隙率减小不多，渗透 系数却变化较大。 俞儒一等【2 0 】( 1 9 8 2 ) 研究压缩波在饱和软粘土中的传播规律，发现饱和软土中压 缩波波速与含气量有着密切关系。当含气量稍高时，波速比水中声速小很多，但在一 定距离后可能形成冲击波。 许连坡等【2 】( 1 9 8 2 1 9 8 5 ) 用x 光透视法对粘土中爆炸空腔的形成过程和压密层进 行实验研究，提出空腔发展规律的表达式：a r o = d r o r ，式中口为空腔半径，r o 为装 药半径，彳和口为常数，t 为时间。同时通过质量守恒定律研究压密层的传播规律以及 压密层中介质的密度。 葛顺群( 1 9 8 5 ) 研究爆破压密法的机理以及应用实例。对深层爆破、浅层爆破 和水下爆破进行设计计算，提出一些经验公式。研究结论：爆破压密的有效深度一般 沿深度增大而增大，地表沉降一般随药包重量、爆破次数的增加而增大，爆破次数越 多，每次的沉降越小，由坑底向上逐渐增密，趋于稳定。这时若再次爆破，将会使已 经压密的砂层发生膨胀，密度变小。欲获得最佳的压密效果，还应对炸药用量、埋置 深度以及爆破孔的平面布置选择最佳参数。 龙源【2 3 】( 1 9 8 8 ) 通过x 光摄影观察无限介质( 土) 中条形装药爆炸空腔发展的高 速现象。总结试验条件下的空腔发展规律，分析空腔发展过程中的一些重要现象。实 验表明：空腔发展规律符合幂函数规律，空腔运动过程受装药的传爆特征、空腔长径 比和裂缝出现时间的影响，空腔最终形状与起爆端位置无关。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 金冀良 2 4 】( 1 9 9 1 ) 在深圳妈湾成功地应用爆炸法进行砂基处理的工程实践。试验 采用炮孔间距为1 2 0 倍药包半径，相当于药包埋置临界深度的o 8 倍。压密试验表明， 应用柱状药包、间隔装药和瞬间起爆的施工工艺，比上下层集中药包、间隔毫秒起爆