黄土湿密度对爆炸挤密规律的影响研究.pdf

第35卷 第3期 2018年9月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 3 Sep. 2018 doi10. 3963／ j. issn. 1001 -487X. 2018. 03. 010 黄土湿密度对爆炸挤密规律的影响研究 * 李海超 1，2， 魏连雨1，3， 常春伟2， 张艳萍2 （1.河北工业大学土木与交通学院， 天津300401；2.陆军军事交通学院国防交通系， 天津300161； 3.河北省土木工程技术研究中心， 天津300401） 摘 要 为解决既有高速公路黄土路堤因压实度不足而造成的沉降量过大问题， 以用爆炸挤密技术加固河 北北部某高速公路黄土路堤为工程背景， 研究了黄土湿密度对2号岩石乳化炸药条形药包爆破对高速公路 黄土路堤爆炸挤密规律的影响。首先用ANSYS／ LS-DYNA根据典型沥青路面高速公路的结构组成和几何尺 寸建立有限元模型， 通过数值模拟研究得出爆腔体积、 密度峰值点相对爆心距、 塑性变形水平半径与药包半 径之比与土壤湿密度皆呈二次函数关系， 作用于炮孔壁的初始压应力峰值与土壤湿密度呈线性关系。并将 研究结论成功应用于爆炸挤密高速公路黄土路堤施工技术方案中炮孔平面布局的制定。 关键词 湿密度；爆炸挤密；条形药包；黄土；路堤；影响 中图分类号 O383 ＋ . 1 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X（2018）03 -0060 -08 Influence Research of Moist Density of Loess on Explosive Compaction Laws LI Hai-chao1， 2， WEI Lian-yu1， 3， CHANG Chun-wei2，ZHANG Yan-ping2 （1. School of Civil Engineering and Transportation，Hebei University of Technology，Tianjin 300401， China；2. National Defense Transportation Department，Army Military Transportation University， Tianjin 300161，China；3. Civil Engineering Technology Research Center of Hebei Province，Tianjin 300401，China） Abstract In order to solve the problem of excessive settlement caused by insufficient compaction of loess em- bankment on existing expressway，taking strengthening the loess embankment of an expressway in the north of Hebei province by explosive compaction as an example，the influences of loess moist density to the law of explosion compac- ting loess embankment by linear charge of No. 2 rock emulsion explosive were studied in this paper. Firstly，finite ele- ment models were established by ANSYS／ LS-DYNA based on the structure and geometry sizes of expressway with typical asphalt pavement. The simulation results showed that the relation between the size of the detonation cavity，the peak density to the detonation distance，the ratio of the horizontal radius of plastic deation to the radius of the cartridge and the soil moisture density is quadratic. And the initial compressive stress peak acting on the borehole wall is linearly related to soil moisture density. The research results were successfully applied to the layout design of the blasting holes in the technical schemes for the explosion compaction of loess embankment of the expressway. Key words moist density；explosive compaction；linear charge；loess；embankment；influence 收稿日期2018 -01 -01 作者简介李海超（1969 -） ， 女， 教授、 在读博士研究生， 主要从事国 防交通工程研究， （E-mail）1729517366＠ qq. com。 通讯作者魏连雨（1957 -） ， 男， 教授， 主要从事土木工程研究， （E- mail）wly57＠126. com。 基金项目河北省交通运输厅科技计划项目（20140629） 由于黄土在我国分布面积广且覆盖深厚， 黄土 路基在黄土地区公路建设中应用广泛， 经常被用作 路堤的填筑材料， 是黄土地区公路建设的主要资源。 黄土在天然含水量时， 往往具有较高的强度和较小 万方数据 的压缩性， 致使在路基施工中不易被压实。未被压 实的黄土在自重和外部荷载共同作用下， 结构易发 生较大变形[ 1，2]。再加上 3／4的黄土具有湿陷 性[ 3]， 在受到雨水侵蚀时， 易发生路基病害。 爆炸挤密技术由于其加固深度不受限制[ 4]， 施 工速度快， 且不会对湿陷性黄土造成进一步的损害， 因而目前正在尝试将其应用于既有公路黄土路堤的 加固[ 5]。相对于以往该技术多应用于饱和砂土及 淤泥等软土地基的处理[ 6-12]， 是一个应用上的有益 尝试。因为用于既有公路， 需要更好地了解爆炸挤 密规律， 如爆腔体积、 水平塑性影响范围等， 以便合 理制定施工技术方案， 做到既不因孔距过小而对路 面造成进一步的损坏， 又不因孔距过大而达不到预 期的加固效果。 由于爆炸挤密土体的理论研究还不够成熟和完 善，这在一定程度上制约了该技术的发展和应 用[ 4]。目前多采用试验、 数值模拟以及二者相结合 的方法进行研究。 文献[13]在试验和数值模拟过程中均发现， 土 体的天然密度（即湿密度）是爆腔体积的主要影响 因素， 含水率在其基础上仅起微调作用。在文献 [13]的研究基础上， 以位于河北北部某高速公路黄 土路堤的爆炸挤密加固为工程背景， 即黄土取自河 北北部该高速公路原取土场， 炸药用目前民用爆破 中应用广泛的2号岩石乳化炸药， 对黄土湿密度对 爆炸挤密规律的影响进行研究， 包括爆腔体积、 作用 于炮孔壁的初始压应力峰值、 塑性变形水平半径等。 由于湿密度是现场最易获取的土壤参数， 研究结论 可为方便快捷地设计条形药包爆炸挤密既有高速公 路黄土路堤技术方案提供参考。 由于很难在既有公路待加固场地进行大规模现 场试验， 因为一旦试验失败， 很可能会影响路面及边 坡安全， 造成更严重的破坏， 因此主要采用数值模拟 的方法进行研究。但所用的建模方法、 材料模型及 主要参数、 边界条件以及用ANSYS／ LD-DYNA数值 模拟爆炸挤密黄土的可行性和可靠性均已经过文献 [13-15] 的验证。 1 有限元模型 据统计沥青路面在我国高速公路中所占比例在 80％以上，根据公路沥青路面设计规范（JTG D502017） 确定了既有典型沥青路面高速公路路 堤的结构组成[ 16]， 根据背景工程 河北北部某高 速公路钻孔取样的结果确定高速公路各路面结构层 的几何参数，用ANSYS／ LD-DYNA建立有限元模 型， 如图1所示。由于条形药包在土石方工程中应 用广泛， 故研究湿密度对条形药包爆炸挤密高速公 路黄土路堤规律的影响。由于乳化炸药的产量约占 我国工业炸药总产量的67％， 且2号岩石乳化炸药 目前应用非常广泛， 故条形药包选用2号岩石乳化 炸药，药量为5 kg，其横截面等效半径为r0＝ 2. 26 cm； 由该炸药的产品说明书得到炸药的密度为 1. 31 g／ cm3，计算得到条形药包的长度H ＝ 238. 0 cm。 根据多次建模计算的经验， 确定模型中能 够涵盖半径为2. 26 cm的2号岩石乳化炸药条形药 包爆炸挤密黄土水平影响范围的土体水平半径R ＝ 400 cm； 能够涵盖该药包爆炸挤密垂向影响范围的 药包上方和下方的土体高度分别为h1＝ h2＝ 300 cm， 见图1（b） 。考虑到整个模型的对称性， 为 节省计算时间只取模型的1／4进行分析， 具体见图 1（a） 。划分网格后的有限元模型如图1（c） 所示。 图1 模型的结构组成和几何尺寸（ 单位cm） Fig. 1 The structure and geometry sizes of numerical model（unitcm） 16第35卷 第3期 李海超， 魏连雨， 常春伟， 等 黄土湿密度对爆炸挤密规律的影响研究 万方数据 空气采用空物质材料模型MAT_NULL， 并用线 性多项式的状态方程描述空气的响应行为。其状态 方程为[ 17，18] P ＝ C0＋ C1μ ＋ C2μ2＋ C3μ3＋（C4＋ C5μ ＋ C6μ2）E （1） 式中P为压强，Pa；C0、C1、C2、C3、C4、C5和C6为 状态方程参数； μ ＝ 1 V -1， 为与相对体积相关的变量； V为相对体积；E为内能密度。相关的材料模型参数 值见表1， 其中ρa为空气密度，E0为初始内能密度。 表1 空气的主要材料参数 Table 1 The key parameters of air ρa／（10 -3 gcm -3） C0／（10 -6） C1C2C3C4C5C6E0／（Jcm -3） 1. 293-1. 00. 00. 00. 00. 40. 40. 00. 25 路面、 基层和底基层均选用MAT_JOHNSON_ HOLMQUIST _ CONCRETE模型 （简称JHC模 型） [17，18]。在钻孔取样、 试验的基础上，结合文献 [19，20] 给出了高速公路沥青混凝土路面结构材料 的主要参数， 见表2。 表2 高速公路沥青混凝土路面结构材料JHC模型主要参数表 Table 2 The key parameters of asphalt concrete pavement structure material on expressway for model JHC 项目 面层 细粒式沥 青混凝土 中粒式沥 青混凝土 粗粒式沥 青混凝土 基层 6％水泥 稳定碎石 底基层 4％水泥 稳定碎石 密度 ρ／ （gcm -3） 2. 52. 42. 22. 112 剪切模量G／ GPa2. 952. 111. 514. 93. 08 粘性强度标准值A0. 280. 270. 260. 380. 3 压强硬化标准值B1. 61. 61. 61. 651. 65 应变率参数C0. 0070. 0070. 0070. 0070. 007 压强硬化指数N0. 80. 80. 80. 760. 76 准静态单轴抗压强度FC／ MPa4. 34. 13. 84. 94 最大静水压强T／ MPa1. 210. 80. 60. 4 炸药采用高能炸药燃烧材料模型HIGH_EX- PLOSIVE_BURN和JWL状态方程模拟[ 17] P ＝ A 1 - ω R1 V e-R1V＋ B 1 - ω R2 V e-R2V＋ ωE V （2） 式中p为爆轰产物压力，E为单位体积炸药的 内能，V为爆轰产物体积与未爆炸的炸药体积之比； A、B、R1、R2和ω为试验确定的相关参数[ 21]。 有限元模型所用的炸药材料参数见表3， 其中ρ 和D分别为炸药的密度和爆速。参数值均来自试 验所用的2号岩石乳化炸药的产品说明和厂家试验 数据。 表3 炸药材料参数[ 18] Table 3 Parameters of explosive ρ／ （gcm -3） D／（ms -1） p／ GPaA／ GPaB／ GPaR1R2ωE／（Jcm -3） 1. 3132009. 9214. 40. 1824. 20. 900. 1504192 需要说明的是， 如同样选用2号岩石乳化炸药， 可参考表3的炸药参数， 但考虑到厂家和产品批次 差异， 炸药参数最好由厂家提供。 土壤采用MAT_SOIL_AND_FOAM材料模型。 研究湿密度不同的8种黄土， 即8个工况。为了研 究条形药包爆炸挤密黄土路堤的规律与湿密度的关 系， 各工况的含水量不变， 在此取18％。各工况的 主要土壤参数见表4， 其中a0、a1、a2为动力屈服函 数常数。表4中各参数值由土工试验得到。 2 爆腔体积 模拟得到的不同湿密度各工况1／4爆腔体积- 时间历程曲线如图2所示。从图2可以看出， 土体 的湿密度越大， 爆腔体积达到稳定状态所需的时间 26爆 破 2018年9月 万方数据 越长。 各工况1／4爆腔体积、 达到稳定所需的时间见 表5。从该表可以看出， 土体的湿密度越小， 爆腔体 积越大。 表4 湿密度不同的黄土各工况主要参数 Table 4 The key parameters of loess with different moist density 工况 湿密度ρ0／ （gcm -3） 剪切模量 G／ MPa 体积模量 K／ MPa a0／ Pa2a1／ Paa2 11. 6514. 621. 901. 33E ＋076. 63E ＋020. 0083 21. 7017. 926. 889. 21E ＋067. 34E ＋020. 0146 31. 7521. 231. 733. 22E ＋051. 71E ＋020. 0227 41. 8024. 336. 455. 03E ＋072. 56E ＋030. 0325 51. 8527. 341. 022. 71E ＋086. 89E ＋030. 0438 61. 9030. 345. 468. 16E ＋081. 36E ＋040. 0567 71. 9533. 249. 771. 87E ＋092. 31E ＋040. 0711 82. 0036. 053. 943. 66E ＋093. 56E ＋040. 0867 表5 各工况1／4爆腔体积及其稳定时间 Table 5 1／4 volume of explosion cavity and its stabilization time of every cases 工况12345678 1／4爆腔体积／ cm3257280256961256697256558256323256061255329254642 爆腔稳定所需时间／ μs88009000930095009800102001040010500 图2 各工况1／4爆腔体积-时间历程曲线 Fig. 2 1／4 volume of explosion cavity-time changing curve 将爆腔体积与土壤湿密度按95％置信度用 MATLAB进行拟合， 得到二者的关系式， 见式（3） 。 V ＝（- 6. 605ρ2 0 ＋ 21. 37ρ0＋ 85. 58） 10 4 （R2＝ 0. 9774）（3） 式中ρ0为爆前黄土湿密度，g／ cm3；V为爆腔体 积，cm3；R2为拟合优度。 式（3） 可用于估算爆腔填充材料的土石方量， 以便预先准备， 节省施工时间。 3 作用于炮孔壁的初始压应力峰值及 压应力峰值分布 通常认为， 条形药包爆炸挤密土体的作用效果 符合平面应变问题。根据边界应力连续性条件， 弹 性区内边界和塑性区外边界处的应力相等。根据 Mohr-Coulomb屈服准则 σr - σ θ ＝（σr ＋ σ θ）sin φ ＋ 2c cos φ （4） 式中σr为径向应力；σθ为切向应力；c为土体 黏聚力；φ为土体内摩擦角。 得到土体的塑性区半径 r2＝ r0 σm c cos φ 1 α （5） 式中r0为条形药包半径；σm为作用于炮孔壁 处初始压应力峰值；α为应力波衰减指数。 σm对爆炸挤密土体的范围和程度起着至关重 要的作用， 却很难测得。模拟得到的各工况条形药 包作用于炮孔壁的初始压应力峰值如图3所示。 图3 各工况压应力峰值分布图 Fig. 3 The distribution of peak pressure of every case 36第35卷 第3期 李海超， 魏连雨， 常春伟， 等 黄土湿密度对爆炸挤密规律的影响研究 万方数据 从图3及其局部放大图可以看出， 湿密度大的 黄土其初始压应力峰值σm较大， 但其压应力的衰 减速度却比在湿密度低的黄土中大， 因此从距离爆 心一定距离处开始， 湿密度低的黄土中各爆心距处 的压应力峰值σmi要大于湿密度高的黄土， 故其曲 线位于局部放大图的上层。 提取图3中各工况条形药包作用于炮孔壁的初 始压应力峰值， 列入表6。 表6 各工况作用于炮孔壁的初始压应力峰值σm Table 6 Initial peak pressure on the wall of blast holes of very case 工况12345678 σm／ MPa80. 4184. 0787. 5190. 9994. 5397. 77100. 93104. 01 从表6可以看出， 相同的条形药包在湿密度不 同的土壤中作用于炮孔壁的初始压应力峰值σm不 同， 湿密度ρ0越大，σm越大， 这是由于越是密度高 的土壤， 爆炸冲击波的能量越难以释放， 故σm就会 因此而增强。 将σm与ρ0之间的关系按95％的置信度用 MATLAB进行拟合， 得到二者呈线性关系， 关系表 达式 σm＝ 67. 57ρ0- 30. 78 （R2＝ 0. 9993）（6） 式中ρ0为黄土湿密度，g／ cm3；σm为半径为 2. 26 cm的条形药包作用于炮孔壁的初始压应力峰 值，MPa。 4 爆炸挤密黄土路堤塑性变形范围及 程度 模拟得到爆腔周围黄土的密度分布，如图4 所示。 从图4可以看出， 当药包相同时， 初始湿密度ρ0 低的黄土爆炸挤密范围要大于初始湿密度高的黄 土， 这是由于挤密后者需要比前者消耗更多的能量。 此外， 还可以看出， 初始湿密度越高， 密度峰值点的 爆心距越小。 图4 爆炸挤密后各工况黄土密度分布 Fig. 4 The density distribution of loess after explosion compaction 将各工况的密度峰值ρmax及其位置rρ max、 黄土 最大压缩比ηmax ＝ ρ max ／ ρ 0以及塑性变形水平半径r2 等作为爆炸挤密后的特征值列入表7， 上述规律更 加明显。 表7 不同湿密度黄土爆炸挤密后密度特征值 Table 7 Density characteristic values of loess with different initial moist density after explosive compaction 工况12345678 初始湿密度ρ0／（gcm -3） 1. 651. 701. 751. 801. 851. 901. 952. 00 密度峰值ρmax／（gcm -3） 1. 8551. 9081. 9572. 0052. 0522. 1042. 1812. 253 最大压缩比ηmax1. 1241. 1221. 1191. 1141. 1091. 1081. 1191. 127 密度峰值点爆心距rρ max／ cm53. 7453. 7448. 9448. 9448. 9444. 6844. 6844. 68 rρ max／ r023. 7823. 7821. 6621. 6621. 6619. 7719. 7719. 77 塑性变形水平半径r2／ cm297. 52286. 81277. 80270. 53265. 90258. 11253. 51249. 51 r2／ r0*131. 64126. 91122. 92119. 70117. 65114. 21112. 17110. 40 注 *r 0为药包半径， cm。 从表7可以看出， 半径为2. 26 cm的条形药包 爆炸挤密后， 黄土的最大压缩比在1. 108 ～1. 127范 围内； 从该表还可以看出， 密度峰值点的爆心距以及 塑性变形水平半径皆与初始密度成反比； 密度峰值 点相对爆心距rρ max／ r0介于19. 77 ～23. 78 cm之间； 塑性变形水平半径介于249. 51 ～297. 52 cm之间， 其 与药包半径之比r2／ r0介于110.40 ～131.64之间。 下面以95％的置信度用MATLAB分别拟合各 工况rρ max／ r0、r2／ r0与黄土湿密度的关系 rρ max／ r0＝ 17. 88ρ2 0 - 78. 07ρ0＋ 104. 17 46爆 破 2018年9月 万方数据 （R2＝ 0. 8639）（7） r2／ r0＝ 83. 87ρ2 0 - 365. 8ρ0＋ 506. 6 （R2＝ 0. 9977）（8） 式中ρ0为黄土湿密度，g／ cm3；r2为塑性变形 水平半径，cm；r0为条形药包半径，cm。 式（7）～式（8）可以用于爆炸挤密施工技术方 案中炮孔平面布局的设计。 5 工程应用 河北北部某高速公路部分路段， 路段长12 m， 路堤均为黄土填筑， 高5. 7 m。半幅路面宽11 m； 路 面为沥青路面，路面结构层厚0. 78 m，包括面层 18 cm、 基层40 cm和底基层20 cm； 其中面层包括细 粒式沥青混凝土4 cm， 中粒式沥青混凝土6 cm和 粗粒式沥青混凝土8 cm； 基层为6％的水泥稳定碎 石， 底基层为4％的水泥稳定碎石。根据在该路段 不同位置取得的土样，得到其湿密度平均值为 1. 71 g／ cm3， 含水量平均值为15. 53％， 计算得到的 压实度为78. 73％，远低于公路路基设计规范 （JTG D302015） 对路堤压实度的要求[ 22] 高速公 路上路堤压实度要大等于94％、 下路堤要大于等于 93％。故路堤处于欠压实状态， 因而在通车两年中， 沉降严重。由于路堤下没有其它设施， 且需要中断 交通时间短， 对路面破坏小， 故决定采用爆炸挤密技 术加固该路段的黄土路堤。下面说明如何应用上述 研究结果， 进行施工方案中钻孔的平面布局设计。 本文研究的是单孔爆破， 而实际使用中是多孔 爆破共同作用。文献[23]对两点起爆加固黄土路 基的规律进行了探究， 但仅研究了半径为1. 5 cm， 重量为185 g的药包两点起爆的影响， 其一半土体 模型（ 考虑到对称性） 的尺寸为14 m 3 m 9 m， 耗 时极长。若采用5 kg的条形药包， 土体模型将会更 大， 很难模拟计算出两孔以上爆炸挤密的共同作用。 如果按照r2布置炮孔间距， 尽管没有塌孔风 险， 但相邻两炮孔的中间地带， 由于压实度提高幅度 有限， 达不到预期的加固效果， 容易在两炮孔之间形 成新的塌陷地带， 致使路面形成“波浪”路面。可是 目前文献尚未能给出相邻炮孔的合理间距， 桩基础 的桩距在爆炸挤密施工中， 没有可借鉴性。经将上 述研究结论反复计算、 比较， 建议取密度峰值点至塑 性变形半径边缘的中点作为相邻炮孔中心距r， 从 而有由式（ 7） 得密度峰值点爆心距rρ max＝（17. 88 1. 712-78. 07 1. 71 ＋104. 17）2. 26 ＝51. 87 cm 由式（8）得塑形变形水平半径r2＝（83. 87 1. 712-365. 8 1. 71 ＋506. 6）2. 26 ＝284. 50 cm 则r ＝ rρ max＋（r2- rρ max）／2 ＝168. 19 cm 根据r设计炮孔的平面布局， 如图5所示。 图5 待加固路段钻孔平面布置图（ 单位m） Fig. 5 The plan layout of drilling holes on the road to be strengthened（unitm） 图5中， 相邻炮孔的最小间距为2. 52＋2 2 ＝ 3. 2 m， 均稍小于2r ＝2 168. 19 ＝3. 36 m。施工中， 为避免13个孔同时爆破造成既有路面因震动过大 而破坏， 故分两次爆破。首先钻1 ～9＃孔， 钻孔直径 为15 cm， 方便放置条形药包（见图6） ， 并将9个孔 同时引爆（ 见图7） ， 然后向爆腔中填充碎石和水泥 砂浆； 其次， 钻10 ～13＃孔， 放炸药， 爆破， 填充。 图6 放置条形药包 Fig. 6 Placing linear explosive bar 在整个爆炸挤密施工过程中， 没有发生塌孔、 路 面塌陷、 隆起或震裂现象； 预备的碎石和水泥砂浆等 爆腔填料也没有不足或过剩的情况； 施工后监测，2 年中路面累积沉降不足3 cm， 说明路堤沉降得到了 有效控制。 56第35卷 第3期 李海超， 魏连雨， 常春伟， 等 黄土湿密度对爆炸挤密规律的影响研究 万方数据 图7 爆破 Fig. 7 Blasting 6 结论 研究了黄土湿密度对条形药包爆炸挤密黄土路 堤规律的影响， 得出 （1） 黄土的湿密度ρ0越小， 爆腔体积越大， 达到 稳定的时间越短；并拟合出爆腔体积与ρ0的关 系式。 （2） 黄土的湿密度ρ0越大， 作用于炮孔壁的初 始压应力峰值σm越大， 但应力波衰减速度要高于 ρ0小的黄土； 并拟合出σm和ρ0的关系式。 （3） 相同横截面半径的条形药包在初始湿密度 ρ0低的黄土中爆炸挤密范围、 密度峰值点爆心距要 大于初始湿密度高的黄土， 并拟合出塑性变形水平 半径与条形药包半径之比r2／ r0与ρ0的关系式， 以 及密度峰值点爆心距与条形药包半径之比rρ max／ r0 与ρ0的关系式。 （4） 将研究结论应用于了爆炸挤密高速公路黄 土路堤施工炮孔平面布局设计， 在一定程度上减小了 靠经验施工的风险。实践证明， 研究结论可行、 可靠。 参考文献（References） [1] 韩 毅， 李隽蓬.铁路工程地质[M].北京 中国铁道 出版社，19881-10. 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