同步爆扩成型地下仓及混凝土仓壁特性.pdf

第3 0 卷第1 期 2 0 0 1 年1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC 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 V 0 1 ．3 0N o ．1 J a n ．2 0 0 1 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 1 0 l0 0 6 3 0 4 同步爆扩成型地下仓及混凝土仓壁特性 邵鹏，史天生，王东权，李方元 中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要阐明了同步爆扩成型地下仓及混凝土仓壁的基本原理，通过对比实验分析了同步爆扩成 型地下仓厦混凝土仓壁的特性．结果表明，与普通爆扩方法相比．这一方法在相同条件下具有成 仓体积厦土体压密范围大、土体物理力学性能指标利于仓体稳定以及改善混凝土性能等优点． 关键词同步爆扩；地下仓；混凝土仓壁；触变性 中图分类号O3 8 2 ．2 ；T D2 3 5文献标识码A 地下空间的开发和利用一直是人们非常关心 的课题．近年来，许多国家将地下空间的开发作为 一项基本国策，并相继建造了大量地下燃料、废料 储仓，以满足战略、战备和废料处理的需要．在我 国，耕地减少和环境污染与可持续发展的矛盾日益 突出．适时建造节省耕地、利于环保的地下储仓，无 疑将对我国经济建设起到积极作用． 在粘土等空隙度较大、容易压密的土壤中，可 采用爆扩方法成型地下仓，以达到缩短工期、降低 成本的目的．用普通爆扩方法成型地下仓后，为延 长使用年限尚需进行现浇或喷射混凝土支护，支护 施工不但困难而且危险，从而大大限制了爆扩法在 建造地下仓中的推广和应用．土中同步爆扩成型地 下仓及混凝土仓壁是建造地下仓的一种有效方法， 它是在土体和装药之间加人适量混凝土，可使爆炸 能量在挤压成型地下仓的同时完成混凝土支护，使 成仓和支护同步完成，既提高了施工效率，又有利 于仓体的稳定． 1 基本原理 同步成型地下仓及混凝土仓壁是利用土体的 可压缩性、混凝土在凝固过程中具有触变性及在爆 炸冲击作用下转变为流态的特点，在爆炸成型地下 仓的同时形成混凝土仓壁，从而达到减少二次支 护、提高工效和安全性的目的． 1 ．1 土体的变形性质 粘土类土体是由固相、液相和气相组成的多相 介质，其压缩变形能力主要来源于4 个方面，即外 载作用下气体的压缩量、外载作用下颗粒间的水膜 被挤薄、土粒间发生相对滑动达到密实状态、扁平 薄粒在压力作用下产生挠曲变形． 考虑到粘土变形过程中同时具有弹、塑性和粘 性性质，可将土体变形分为弹性和粘塑性变形2 个 部分．即⋯ e 。一 吃， 1 式中～为总应变率，I ／s ；畸和唱分别为弹性和塑 性变形的应变率，1 ／s ． 弹性变形服从H o o k e 定律，即 岛一面1 ％ 丝E a 。8 j i ， 2 畸一面％十。 ’L z ’ 式中E ，G 分别为粘土的弹性模量和剪切模量， M P a ；∥为泊松比f 邑为静水压力变化率，1 ／s ；丸为 K r o n e c l e r 符号 t J 时，乱一1 ；z ≠，时．屯 o ． 推广到球对称问题，有 每一嘉t 静， ㈤ 西一嘉匆 警蠢， 4 式中葶，西分别为径向和切向弹性变形的应变率， 1 ／s ；蠢．以分别为径向和切向应力率，M P a ／s ． 土体粘塑性变形可用B i n g h a m 模型描述，对 于一维情形，有 P 一言 口一以 ， 5 收疆日期I2 0 0 0 0 1 0 6 基盒璜目，国家自然科学基金赍助项目 5 9 3 7 8 3 8 0 作者筒介；邵M 1 9 6 8 ，男，山东省青岛市人，中国矿业大学讲师，博士研究生．从事岩土工程方面的研究． 万方数据 中国矿业大学学报第2 9 卷 式中_ K ，为塑性粘滞性系数，M P a s ；以为屈服应混凝土可看作是一种高度悬浮的凝胶，其触变性是 力，M P a ； 为开关函数，即 通过外界施加的剪应力使混凝土拌合物絮凝结构 f dd ．1 一』” 【4 仉≤u ， f R 、 发生剪切应变实现的．混凝土触变后的流动性质符 ”一O “ s ∽一吒， ∽’ 合流变学规律，其剪应力与应变率间的关系仍可由 将式 5 推广到球对称问题，有叭2 3 式 5 描述． 一寺 詈． 7 由于爆炸荷载冲击作用产生的剪应力远大于 ，，，⋯ 一 混凝土屈服剪应力，因此混凝土很容易发生触变， ￡{ ；一瑟 、l 瓦J7 瓦， 8 转变为流态并产生变形． 式中F 为屈服函数；F 。为使开关函数转化为无量 2爆扩成型地下仓及混凝土仓壁特性分析 纲量而采用的任意F 值；母，曲分别为径向和切向粘 模型实验以土体、装药和混凝土3 因素共同作 塑性变形的应变率，1 ／s ；啡，嘞分别为径向和切向应 用为依据，在以装药决定实验规模而建立的模型实 九验系统“1 上进行．在相同土体条件下分别进行了2 1 ．2 混凝土的触变性能次普通爆扩和3 次同步爆扩实验 参数见表1 ，取 混凝土的触变性是指在机械剪力作用下及机 两种实验各自结果的平均值作为分析依据．实验选 械剪力撤除后，混凝土发生的凝胶一溶胶一凝胶的 用2 4 岩石硝铵炸药，药量5 0g ，混凝土配比为水 等温可逆转换现象．从混凝土内部结构分析，新拌 水泥砂石子一0 ．5 5 ；1 ．0 1 ．5t0 ． 裹1 蕾通爆扩及同步爆扩实验参数 T a b l e1 E x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r so fs y n c h r o n o u sa n dn o r m a lb l a s t - e n l a r g e m e n t 土体炸药混凝土 奄堡型尘塑 宣查皇竺 堑塾堕主型墅堕墨塑墨 生茎垫堑 竺董塑堕堡 竺薹堕圭堡 竺薹苎壹壅 竺 1 ．8 72 6 ．7 0 ．7 8 6 4 1 ．0 1 ．6 5 ．0 8 ．01 6 ．0 2 ．1 爆破作用分区特征 在爆炸应力波作用下，周围土体的物理力学性 质发生明显变化．爆炸应力波首先从药包传出稳定 的冲击波，冲击波造成土体破坏，随传播距离的增 加而不断衰减，随后压力降低转化为弹塑性波，使 土体压密，并在距药包较远处衰减为弹性波． 图2 a 为普通爆扩方法形成的爆破作用分区， 根据爆扩痕迹，白药包中心向外依次形成空腔、裂 隙区、压密区和完整区．图2 b 为同步爆扩时的爆破 作用分区，白药包中心依次为空腔、混凝土层、混凝 土与土体混合区、压密区和完整区．通过观察和测 量发现，普通爆扩实验中由于土体与装药密切接 触，在径向压缩波作用下土体中出现切向拉应力， 使仓壁周围产生径向裂纹．同时，爆生气体的气楔 作用促使裂纹扩展。随后卸荷波的作用造成土体环 向破坏，在仓壁周围出现鱼鳞状裂纹，裂纹深度达 2m i l l ．而在同步爆扩实验中，由于爆炸应力波首先 作用于混凝土并使其产生塑性流动．应力衰减后传 人土体，使作用于土体的初始应力值降低，同时内 侧混凝土有效阻止了爆生气体的涌人．实验表明， 若混凝土的装填量适合，可避免产生裂隙区．此外， 由于混凝土中颗粒大小不一，在爆炸冲击作用下颗 粒以不同速度运动，部分颗粒嵌入土体，形成混凝 土与土体混合区．显然，从爆扩特征来看，由于同步 爆扩可避免裂隙区的形成，并可使混凝土颗粒与土 体紧密结合。因此更有利于仓体的稳定． j ② a 普通爆扩f b 同步爆扩 圈1 爆破作用分区特征 F i g ．1 C h a r a c t e r i s t i c so fz o n i n gb a s e d0 1 “ 1 b l a s t i n ge f f e c t s 1 ．空腔 2 ．裂豫区；3 ．压密区| 4 ．完整区} 5 ．混凝土层l6 ．混凝土与土体混合区 实验条件下，普通爆扩形成的空腔体积平均为 0 ．0 2 8m 3 ，而同步爆扩为0 ．0 3 15m 3 ，后者比前者 提高约1 2 ．5 ％，表明在相同土体和装药条件下同 步爆扩可获得更大的有效体积．就土体压密区半径 而言，普通爆扩平均为0 ．5 7 ～0 ．6 2m ，同步爆扩为 0 ．6 5 ～o ．7 0m ，再次说明同步爆扩有利于提高仓 体的稳定性． 从动力学角度看，同步爆扩中装药与土体间混 凝土的存在不仅起到了类似于偶合剂的作用，有利 于爆炸应力波的传播，而且可以增强装药周围的密 封性，使入射于土体中的应力波强度较普通爆扩有 万方数据 第l 期 邵鹏等同步爆扩成型地下仓及混凝土仓壁特性 一定提高，从而获得较高的弹性变形应力率和静水 压力变化率，并提高剪切应力水平．这样，由式 3 ， 4 可以看出．对弹性变形而言，单位时间内的相对 变形量将随应力率的提高而相应增加．同样。由式 7 ， 8 也可看出，单位时间内的塑性相对变形量 随剪切应力的增大而增大．说明在土体性质和装药 条件相同的情况下，在距装药中心径向距离相同处 同步爆扩在单位时间内的变形量大于普通爆扩，这 正是同步爆扩时土体压密区范围大、有效空腔体积 大的根本原因． 。 a 土体密度随r 的变化 2 ．2 土体物理力学性能指标分析 图3 a ～3 d 分别为土体平均密度、粘聚力、含水 量和空隙率随距爆心距离变化的情况．可见，虽然 两种爆扩中土体各项物理力学指标随距爆心距离 的增大具有相同的变化趋势，但相同距离处同步爆 扩的土体密度和粘聚力均高于普通爆扩，而含水量 和空隙率均低于普通爆扩。表明同步爆扩能够有效 提高仓体周围土体的密度和粘聚力，同时降低含水 率和空隙率．这说明同步爆扩后土体各项指标都优 于普通爆扩，即同步爆扩后经挤压的土体更有利于 自身的承载和维持仓体的稳定性． b 士体内聚力艏，的变化 心 土悻含木量随r 的变化 d 土体空隙率随r 的峦化 图2 同步爆扩与普通爆扩土体物理力学指标比较 F i g ．2C o m p a r i s o no ft h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fs o i lf o rs y n c h r o n o u sa n dn o r m a lb l a s t ‘e n l a r g e m e n t 2 ．3 混凝土成型效果及力学性质 实验表明，同步爆扩形成的地下仓形体匀称， 腔体平整，混凝土仓壁结构致密，无裂隙，厚度均 匀，土体与混凝土层相互咬合，无分层现象 图3 ． 说明混凝土在爆炸荷载作用下发生触变后具有良 好的成型性能，成型效果较好． f a 爆扩成型实验结果 ／b 仓壁结构 图3 同步爆扩地下仓及混凝土仓壁效果 F ig ．3 F o r m i o gr e u I t so fu n d e r g r o u n dw a r e h o u s ea n dc o n c r e t ew a l lu s i n gs y n c h r o n o l l sb l a s t e n l a r g e m e n t ∞帕如∞蛐砷驰如 哪㈣mⅢ㈣州㈣㈣ 础；耄M妣剐瑚娜m抛 万方数据 中国矿业大学学报第2 9 卷 通过对成型后混凝土仓壁强度进行实验发现， 同步爆扩成型混凝土的抗压和抗折强度均高于相 同配比的现浇混凝土的相应强度，约提高2 0 ％，见 表2 ．通过扫描电镜的观察0 1 及对爆扩过程的分析 发现，同步爆扩混凝土强度提高的原因是 1 同步爆扩成型混凝土内部空隙明显少于现 浇混凝土试块．一方面新拌混凝土在静置时，由于 各成分的容重不同，颗粒间很难保证其相对稳定 性．从而易发生不同程度的内分层和外分层现象． 同时易在粗骨料下方形成积水区，造成不均匀性并 形成较多裂隙．由式 9 可以看出，爆炸荷载的强剪 切作用必然使混凝土发生较大的剪切变形和运动， 可有效地改善其不均匀性，消除骨料下部的积水 区，使骨料四周填满水泥浆，空隙减少，粘结强度增 大．另一方面．在高温高压爆炸荷载作用下，混凝土 内部水分蒸发，而挤压作用又使骨料与水泥浆水化 生成的c s H 凝胶紧密接触，从而减少了空隙， 增大了粘聚力． 2 在高倍放大率下”] ，同步爆扩后混凝土中的 水泥化合物呈蠕虫丝状，其间隔内基本被固结状水 化物充填，而现浇混凝土中的水化物则呈片状分 布，结构相对松散．同时，前者受高温高压影响，c s H 凝胶形态多以1 1 型或Ⅳ型的形式存在，使 得混凝土内部结合紧密，空隙少，利于混凝土强度 的发展；在现浇混凝土中则存在大量不利于强度发 展的c a O H 2 晶体． 3 爆炸冲击触变过程使混凝土拌合物中各种 颗粒以不同的加速度发生液化，破坏了初始颗粒间 的不稳定平衡，固体颗粒依靠冲击力达到稳定位 置。即势能最低状态．因此，经冲击触变成型后，混 凝土达到密实的填充状态，提高了其硬化后的强度 指标． 衰2 同步爆扩与现浇混凝土的力学性能比较 T a b l e2C o m p a r i s o no fs t r e n g t ho fc o n c r e t ew a l If o r m e db y s y n c h r o n o u sb l a s t - - e n l a r g e m e n ta n dc a s t - - I n - - s l t nc o n c r e t em e t h o d s 3 结论 同步爆扩成型地下仓及混凝土仓壁是利用土 体的可压缩性、混凝土在凝固过程中具有触变性以 及在爆炸冲击作用下转变为流态的特点．在爆炸成 型地下仓的同时形成混凝土仓壁．实验表明，与普 通爆扩后浇注混凝土的方法相比，同步爆扩具有以 下特点 1 同步爆扩方法爆破作用分区自装药中心向 外依次为空腔、混凝土层、混凝土与土体咬合区、压 密区和完整区，可避免出现普通爆扩形成的裂隙 区，而且界面处土体与混凝土紧密咬合．并且其有 效空腔体积和土体压密范围均大于普通爆扩，从而 更有利于土体发挥自承能力和维持仓体的稳定性． 2 实验结果表明，在相同的土体和装药条件 下，同步爆扩后土体各项物理力学性能指标都优于 普通爆扩，更有利于仓体的稳定性． 3 同步爆扩法可获得均匀、致密、可靠的混凝 土支护效果．通过对混凝土力学性能的实验及分析 表明，同步爆扩可有效地提高混凝土强度，实验条 件下抗压和抗折强度均高于现浇混凝土2 0 ％左 右． 4 同步爆扩成型地下仓及混凝土仓壁的方法 可实现爆扩与支护同步，有利于提高工作效率，减 少施工设备，降低成本，取得良好的经济效益，是在 土体中建造各种用途储存仓的一种新方法． 参考文献 [ 1 ] 张守中．爆炸与冲击动力学E M ] ．北京t 兵器工业出版 社．1 9 9 3 ．3 1 8 3 3 3 ． [ 2 3 邵鹏，崔海涛，王东权，等．集中装药同步成型地下 仓及混凝土仓壁实验研究[ J ] ．岩土力学，1 9 9 9 ，2 0 1 t 5 7 6 0 ． [ 3 ]李方元．爆炸冲击作用下混凝土触变性能的研究 [ D ] ．徐州t 中国矿业大学建筑工程学院，1 9 9 8 ． 下转7 2 页 万方数据 7 Z 中国矿业大学学报第2 9 卷 O r g a n i cF a c i e sa n dT h e i rG a s G e n e r a t i n gP o t e n t i a l s o ft h eJ u r a s s i cC o a lM e a s u r e s i nT u r p a n H a m ia n dJ u n g g a rB a s i n s Y A N GJ i a n y e l ，R E ND e y i 。，D A IS h i f e n 9 2 ， Z H A N GW e i b i a 0 2 ，M UG u o d o n 9 1 ．L IX i a o - c h i l 1 ．X i ’a nI n s t i t u t eo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，X i ’f i n ，S h a n x i7 1 0 0 5 4 ，C h i n a { 2 ．D e p a r t m e n to fR e s o u r c eE x p l o i t a t i o nE n g i n e e r i n g ．C U M T ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ．C h i n a A b s t r a c t T h eo r g a n i cf a c i e so ft h eJ u r a s s i cc o a ln r e a s u r e ai nt h eT u r p a a - H a m ia n dJ u n g g a rB a s i n sw e r ec l a s s i f t e di nd e t a i l ．T h em u d s t o n eo r g a n i cf a c i e sa n dt h ec o a lf a c i e sw e r ei n d i v i d u a l l yc l a s s i f i e di n t o4t y p e s ．B a s e d o nt h eP y G Ce x p e r i m e n to fg a s g e n e r a t i n gp o t e n t i a l so ft h es a m p l e s ，s o m ei m p o r t a n ti n d e x e s ，s u c ha sC m ， G 2 ．C ⋯C ⅢD na n dD 2 zw e r ep u tf o r w a r dt or e f l e c tt h eg a s g e n e r a t i n gp o t e n t i a l so fs o u r c er o c k s ．A c c o r d i n g t Ot h ef l u o r e s c e n c em a t e r s [ i n d e x F M I ，t h ec l a ya n dc o a l ．s o u r c er o c k sw e r ec l a s s i f i e di n t o3t y p e s ，i m p r o v i n ga n dp e r f e c t i n gt h eo r g a n i cp e t r o l o g y o r g a n i cg e o c h e m i s t r ye v a l u a t i n gs y s t e mf o rg a ss o u r c er o c k s ．A c c o r d i n gt Ot h ee v a l u a t i o no fg a s g e n e r a t i o np o t e n t i a lo fe a c ho r g a n i cf a c i e s ，b o t ha tp r e s e n ta n di nt h ef u t u r e ， t h ef a v o r a b l eg a s g e n e r a t i n gb e l t sw e r el i n e dO U t ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei sac o i n c i d e n tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef a v o r a b l eg a s g e n e r a t i n gb e l t sa n dt h eg a s - a c c u m u l a t i n gb e k s ． K e yw o r d s o r g a n i cf a c i e s ；P y G Ce x p e r i m e n t ；g a ss o u r c er o c k ；g a s g e n e r a t i n gb e l t ；g a s a c c u m u l a t i n gb e l t 上接6 6 页 C h a r a c t e r i s t i c so fU n d e r g r o u n dW a r e h o u s ea n d C o n c r e t eW a l lF o r m e db yS y n c h r o n o u s B l a s t E n l a r g e m e n tM e t h o d S H A OP e n g ，S H IT i a n s h e n g ，W A N GD o n g q u a n L IF a n g y u a n C o l l e g eo fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g C U M T X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 C h i n a A b s t r a c t T h eu l t i m a t ep r i n c i p l eo ff o r m i n gu n d e r g r o u n dw a r e h o u s ea n dc o n c r e t ew a l lb yt h em e t h o do fs y n c h r o n o u sb l a s t e n l a r g e m e n tw a se x p o u n d e d ，a n di t sc h a r a c t e r i s t i c sw a sa n a l y z e do nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t s ． T h er e s u l t ss h o wt h a tl a r g e rw a r e h o u s eb u l ka n dc o n d e n s e dr a n g ei ns o i l ，b e t t e rp h y s i c a la n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s0 fs o i l ，a n db e t t e rm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fc o n c r e t ec a nb eo b t a i n e db yt h i sm e t h o du n d e rt h e s a m ec o n d i t i o n s ．c o m p a r e dw i t ht h en o r m a lb l a s t e n l a r g e m e n tm a t h o d ．M e a n w h i l e ，t h i sm e t h o ds y n c h r o - n i z e sb l a s t e n l a r g e m e n tw i t hs u p p o r ts u c c e s s f u l l y ． K e yw o r d s s y n c h r o n o u sb l a s t e n l a r g e m e n t t u n d e r g r o u n dw a r e h o u s e t c o n c r e t ew a l l ；t h i x o t r o p y 万方数据