孤石爆破对土体扰动规律的试验研究.pdf

第3 2 卷第4 期 2 0 1 5 年1 2 月 爆破 B L A S T D 4 G V 0 1 ．3 2N o ．4 D e c ．2 0 1 5 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 5 ．0 4 ．0 0 3 孤石爆破对土体扰动规律的试验研究木 吴帅峰1 ，余永强2 ，褚怀保2 ，梁曦瑶1 I ．中国矿业大学 北京 力学与建筑工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．河南理工大学土木工程学院，焦作4 5 4 0 0 3 摘要 土层中存在球状风化花岗岩类孤石时，给盾构法地铁施工带来困难。对于探明位置的此类孤石大 多采用爆破进行处理，爆破后会对一定范围的土层产生扰动。采用模型试验的方法，通过检测土体密度、含 水率和抗剪强度在爆破前后的变化规律来揭示爆破扰动的范围。结果表明这些土体物理一力学指标随爆 心距呈现波动，巨变化，压密系数为1 ．0 4 5 一1 ．0 9 0 ，含水率增大量为4 ％一1 2 ％，抗剪强度增大约为6 ％一 1 9 ％；粘性土在含水率为2 1 ％情况下所产生的扰动最大，扰动最大位置在1 倍试件边长处，扰动范围为2 倍 试件边长。 关键词孤石；爆破；土体扰动 中图分类号T D 2 3 5 ．3文献标识码A 文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 5 0 4 0 0 1 2 0 5 E x p e r i m e n t a lS t u d yo nD i s t u r b a n c eu n d e rB o u l d e rB l a s t i n g W US h u a i - f e n 9 1 ，Y UY o n g ．q i a n 9 2 ，C H UH u a i ．b a 0 2 ，H A N GX i y a o 1 1 ．S c h o o lo fM e c h a n i c s C i v i lE n g i n e e r i n g ．C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆ T e c h n o l o g y B e i j i n g ，B e i j i n g10 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n g ，H e n a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ，J i a o z u o4 5 4 0 0 3 ，C h i n a A b s t r a c t W h e nt h eb o u l d e ro fs p h e f i c f lw e a t h e r i n gg r a n i t ei si ns o i l ，g r e a t d i f f i c u l t yi ns h i e l de x c a v a t i o nw i l l p r o d u c e ．T h eb l a s t i n gw a su s e dt od i s p o s eo ft h e s eb o u l d e r sb yp o s i t i o nd e t e c t i o n ，w h i c hw i l lc a u s ed i s t u r b a n c eo nt h e c e r t a i nr a n g es o i l ．T h em o d e lt e s tW a sa l s ou s e dt od e t e c tt h el a wo fc h a n g ei ns o i lu n d e rb l a s t i n g ，i n c l u d i n gd e n s i t y ， m o i s t u r ec o n t e n ta n ds h e a rs t r e n g t h ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a li n d e x e ss h o wf l u c t u a t i n g c h a n g e sw i t hb l a s tc e n t e rd i s t a n c e ，w i t ht h ec o e f f i c i e n to fc o m p a c t i o nr a n g e1 ．0 4 5 ～1 ．0 9 0 ，t h ei n c r e a s ea m o u n to f m o i s t u r ec o n t e n tr a n g e4 ％～1 2 ％a n dt h ei n c r e a s ea m o u n to fs h e a rs t r e n g t hr a n g e6 ％一1 9 ％．C o h e s i v es o i lh a st h e m a x i m u md i s t u r b a n c eu n d e rt h em o i s t u r ec o n t e n t21 ％．T h ep o s i t i o no fm a x i m u md i s t u r b a n c ei sa t1t i m e sl e n g t ho f t e s ts p e c i m e n ，a n dt h er a n g eo fd i s t u r b a n c ei s2t i m e sl e n g t ho ft e s ts p e c i m e n ． K e yw o r d s b o u l d e r ；b l a s t i n g ；s o i ld i s t u r b a n c e 在盾构法地铁施工中，会遇到随机分布的球状 风化花岗岩孤石，这类影响盾构施工的孤石直径一 般为0 ．4 4m ，其单轴抗压强度一般在7 0 一 收稿日期2 0 1 5 0 8 0 1 作者简介吴帅峰 1 9 8 8 一 ，男，河南登封人，中国矿业大学 北京 力学与建筑工程学院博士研究生，主要从事岩土力学和 爆破工程方面的研究， E ．m a i l 5 2 a w u 1 6 3 ．c o r n 。 通讯作者余永强 1 9 7 4 一 ，男，河南商城人，博士、教授，主要从事 岩土及爆破等方面的科研和教学工作， E - m a i l Y Y q h p u ．e d u ．e n 。 基金项目河南省科技厅重点攻关项目 0 9 2 1 0 2 3 1 0 3 1 3 1 3 0M P a 之间，平均值9 0M P a 。在这种地段内刀盘 和刀具磨损严重，易产生卡刀、斜刀、刀具偏磨、偏离 轴线等现象，严重的情况下还会发生地表沉降甚至 坍塌事故⋯。目前基本采用爆破的方式处理此类 孤石，爆破后必须考虑对周围土体的扰动，通过分析 扰动范围确定加固的范围旧J 。 1 孤石爆破室内试验模型 试验采用几何相似理论，试验模型尺寸为 万方数据 第3 2 卷第4 期吴帅峰，余永强，褚怀保，等孤石爆破对土体扰动规律的试验研究 1 3 1m l m 1m 的砖砌结构，如图1 所示。孤石采 用C 6 0 、C 8 0 标准混凝土试块，在制作时预留直径 15m m 的炮孔。试验用土体为粘性土，取土完毕后过 0 ．5m m 筛网，填土时分层填筑，每层1 0c m 左右分 层压实，将试块埋置土体中心处。试验采用的炸药 为黑索金，采用不耦合装药结构，不耦合系数为2 。 不耦合装药结构下应力波峰值衰减慢，爆炸能得到 充分利用口] 。经过试爆] ，在满足块度要求情况下 的用药量为1 ．6g 。爆炸应力波在岩石中传播范围 在1 5 0 倍装药半径内，在土体中衰减更快。此模型 的土体和试块接触面可视为结构面，且结构面两侧 波阻抗相差较大，应力波在此种结构面上大部分发 生反射，透射人土体中应力波强度减弱，并与结构面 能量吸收作用相结合，使传递至边界处仅有地震波 作用哺] ，因此，砌筑结构并不影响土体的边界情况。 土体的物理力学参数如表l 所示。 表1 试验土体物理力学参数 T a b l e1S o i lm e d i u mp h y s i c a l - m e c h a n i c s p a r a m e t e r sO nt h et e s t 图1 试验模型的砌筑结构 F i g ．1 M a s o n r ys t r u c t u r eo ft h et e s tm o d e l 厂P 1 1 a 设计取土点 a S a m p l i n gp o i n to fd e s i g n 为研究不同环境、不同孤石强度情况下爆破对 土体扰动规律的影响，将试验情况分为6 类。分别 在塑限含水率、天然含水率和液限含水率下对两种 强度试块进行爆破㈨，研究爆破对土体的扰动规 律。试验情况如表2 所示。 表2 试验分类情况 T a b l e2T 姻tc l a s s i f i c a t i o n 2 孤石爆破对周围土体扰动规律试验 研究 土体扰动规律试验中心思想是对比爆破前后土 体的各项物理力学指标，绘制各项指标随爆心距的 变化规律，从而确定爆破扰动影响范围。具体测试 项目有土的密度试验、土的含水率试验、土的直接剪 切试验以评价土体扰动情况。 取土点布置爆破后将模型土体在对称的两个 内部剖面的1 ／4 平面进行剖解，以试块中心为平面 采用标准环刀取土，水平间隔为7 0l n m ，竖直间隔为 1 0 0a m ，如图2 所示。 2 ．1 土体密度变化测定试验 密度作为土体最直观的物理性质，对比爆破前 后土体密度变化，确定其随爆心距的变化规律能直 接反映出土体被应力波拉伸破裂而密度降低的情 况，以及爆破做功的压密情况，从而反映土体被扰动 范围。 b 试验取土点 h S a m p l i n gp o i n to fe x p e r i m e n t 图2 剖面取土示意 F i g ．2 S c h e m a t i co fC R O S S - s e c t i o n a ls a m p l e 万方数据 1 4 爆破 2 0 1 5 年1 2 月 用标准环刀在每一待测定点平行取土样2 个， 密封并进行编号，立即进入土工实验室按照标准土 力学实验进行测定。 在6 类试验情况下，取得供密度测试的土样6 0 个。其密度试验的结果如表3 所示。 表3 土体密度试验纪录 T a b l e3S o i ld e n s i t yt e s tr e c o r d 根据土体密度试验测得的数据，将密度与爆心 距关联绘制密度与距离的典型图示如图3 所示。 { 1 ．6 7 芒 嚣4 图3土体密度随爆心距的变化规律 F i g ．3 R e l a t i o n s h i pb e t w e e ns o i ld e n s i t ya n dr a d i a ld i s t a n c e 在经爆炸作用后，土的密度呈现出近疏远密随后 又有所降低的分布规律，土体密度最大位置基本处于 距爆源处1 5c m 左右。此区域为压密区，最大压密系 数在1 ．0 4 5 ～1 ．0 9 0 之间，含水率为2 1 ％左右的情况 下压密效果最明显，这符合粘性土的塑形区间。 在最I 临近爆源中心处的土体是相对密度最低 的，该处土体作为与试块耦合的交界面，应力波在此 处发生反射拉伸，在应力波背波面一侧破坏加剧，迎 波面一侧破坏减弱；随后，爆生气体开始作用于土 体，在与应力波综合作用下土体密度增大，出现峰 值；峰值过后土体密度随之下降，其应力波作用影响 很小，仅有震动作用。 在试块强度为C 6 0 情况下，纵向土样中最接近 爆源处的土体出现了密度降低的情况，这是由于试 块被破碎完成后炸药能量仍有剩余，释放在了堵塞 处，形成爆破空腔。 2 ．2 土体含水率变化测定试验 含水率是影响土体结构的最主要因素，它与粘 性土的强度和压缩具有密切的关系，是计算其它物 理性质指标的最基本数据。测定爆破前后含水率变 化，从土体结构上揭示土体被扰动规律。 本试验的取土测定点在密度试验基础上适当加 密，横向、纵向取土点分别为等距的9 个，每个取土 点平行取土样两个。取样后密封，立即通过烘干法 进行测定。在天然含水率试验下的数据列表如表4 所示。 表4 土体含水率试验纪录 T a b l e4S o i lw a t e rc o n t e n tt e s tr e c o r d 万方数据 第3 2 卷第4 期吴帅峰，余永强，褚怀保，等孤石爆破对土体扰动规律的试验研究 1 5 将各测点的含水率与爆心距关联，绘制含水率 与距离的分布规律典型示意图，如图4 所示。 含水率 初始含水率八 ／1径爿羼 刺一增强区一恢复区一l 离 图4 爆破后含水率的分布规律 F i g ．4 T h em o i s t u r ec o n t e n to fd i s t r i b u t i o na f t e rb l a s t i n g 爆破后含水率沿径向距离呈波动性变化，将这 种变化规律分为三个区域分别为⋯弱化区、增强 区、恢复区。爆破后，在高温高压气体综合作用下， 高压气体将水分挤压至邻近的空隙率大的土体中， 使该部分土体水分推移，造成此处土体含水率降低； 与下降段相邻的是含水率增强区，爆源附近推向此 区域的水分与此处原有水分叠加，形成含水率上升； 随着应力波和爆生气体作用的迅速减弱，土体中的 水分的迁移力也相应减弱直至不能造成影响，形成 含水率的恢复区。 2 ．3 土体剪切强度试验 抗剪强度是土体基本的力学指标，抗剪强度直 接影响土体的强度，对工程施工有指导性作用。盾 构法施工属于快速掘进法，应采用不固结不排水抗 剪试验，在本次试验中采用快剪试验。按设计取土 点取样后进行密封，立即在土工实验室进行快剪试 验。将在天然含水率下测得的抗剪数据列表如表5 所示。 表5 土体剪切强度试验记录表 T a b l e5S o i ls h e a rs t r e n g t ht e s tr e c o r ds h e e t 粘性土抗剪强度由粘聚力和与内摩擦角有关的 量组成，将试验3 、试验4 的抗剪强度与粘聚力和内 摩擦角回归，得到代表性试验中的C 、西值，如表6 所示。 表6 土样的C 、西值 T a b l e6S o i ls a m p l eC 、西v a l u e 爆心距／堕塑～堕坠一 横向纵向 横向纵向 C m 垡k 堕世f 旦k 旦型f 2型k 旦世 垡k ＆世 原土样 1 0 ．7 5 23 0 ．7 6 41 0 ．7 5 23 0 ．6 6 9 1 0 ．7 5 23 0 ．9 5 41 0 ．7 5 23 0 ．9 5 4 7 1 1 ．6 9 53 2 ．5 6 81 1 ．3 8 13 3 ．5 1 81 0 ．4 3 73 1 ．9 6 41 0 ．8 5 73 1 ．9 0 3 1 5l I ．4 7 93 7 ．3 2 81 1 ．4 7 93 7 ．5 1 81 2 ．8 3 73 2 ．2 8 3 1 3 ．0 4 43 1 ．5 2 3 2 29 ．5 2 23 5 ．4 8 l 9 ．6 2 83 4 ．9 1 19 ．6 9 93 4 ．5 6 29 ．8 0 43 4 ．1 8 2 3 01 0 ．7 5 23 0 ．7 6 41 0 ．7 5 23 0 ．6 6 91 0 ．7 5 23 0 ．9 5 41 0 ．7 5 23 0 ．9 5 4 3 81 0 ．7 5 23 0 ．7 6 41 0 ．7 5 23 0 ．6 6 91 0 ．7 5 23 0 ．9 5 4 1 0 ．7 5 23 0 ．9 5 4 万方数据 1 6爆破 2 0 1 5 年1 2 月 将土体抗剪强度与爆心距相关联，分析变化规 律可知，抗剪强度随爆心距增加呈现波动性变化，典 型样式如图5 所示，并且粘聚力和内摩擦角也随这 种趋势变化。最大抗剪强度增大约为6 ％～1 9 ％， 从最大抗剪强度的径向距离可以看出，其位置基本 在密度最大值处，处于一倍试件边长处，这说明爆破 对土体的压密的同时，其抗剪强度也随之提高。 言 乱 邑 、 越 鹱 密 援 图5 抗剪强度随爆心距的变化规律 F i g ．5 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns h e a rs t r e n g t h a n dr a d i a ld i s t a n c e 3结论 在室内进行模型试验进行孤石爆破对土体扰动 规律研究，得到结论如下 1 在经过爆炸作用后，土体的密度随爆心距 呈波动性变化。土体密度最大位置处于距爆源的一 倍试件边长处，压密系数为1 ．0 4 5 ～1 ．0 9 0 。 2 含水率的变化与密度变化规律类似，含水 率增大量约为4 ％～1 2 ％。将含水率的变化与爆心 距相关联分为弱化区、增强区、恢复区。增强区的最 大点位于试件的一倍边长处。 3 抗剪强度的特征曲线与密度和含水率趋势 一致，最大抗剪强度增大约为6 ％～1 9 ％，位置基本 在密度最大处，固结作用使此部分土体的抗剪强度 有略微的提高。 4 在土体含水率2 1 ％情况下，孤石爆破对土 体的扰动最大，较大幅度的改变土体物理一力学性 质。扰动在距离孤石附近处是不利的，削弱了土体 的强度，并在孤石一倍边长处扰动达到最大。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]王鹏华．不同地质条件下盾构工程孤石处理工艺及实 例[ J ] ．隧道建设，2 0 1 2 ，3 2 4 5 7 1 - 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