同步爆扩地下空间及混凝土壁模型试验研究.pdf
中国矿业大学学报990 30 5 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG T D 354 Ex p e r i m e n t a l Re s e a r c h o n Sy n c h r o n o u s Fo r m i n g o f U n d e r g r o u n d Sp a c e a n d Co n c r e t e Su p p o r t w i t h Bl a s t -En l a r g e m e n t M e t h o d W a n g D o n g q u a n Sh i T i a n s h e n g Li Fa n g y u a n Cu i H a i t a o Co l l e g e o f A r c h i t e c t u r e a n d Ci v i l En g i n e e r i n g , CU M T , Xu z h o u , Ji a n g s u 2 2 10 0 8 A b s t r a c t A m o d e l t e s t i n g s y s t e m t o f o r m u n d e r g r o u n d s p a c e a n d c o n c r e t e s u p p o r t w i t h s 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 t m e t h o d i s s e t u p . M o d e l t e s t s f o r 3 b l a s t -e n l a r g e m e n t s c h e m e s a n d 5 r a t i o s o f c o n c r e t e a r e c a r r i e d o u t . T h e p r o p e r t i e s o f s o i l i n b l a s t -e n l a r g i n g d e f o r m a t i o n a n d t h e t h i x o t r o p i c c h a r a c t e r i s t i c s o f c o n c r e t e a r e a n a l y z e d . T h e o p t i m u m p a r a m e t e r s a n d t h i x o t r o p i c t i m e t o b u i l d u n d e r g r o u n d s p a c e a n d c o n c r e t e s u p p o r t w i t h s 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 t m e t h o d a r e g i v e n . K e y w o r d s u n d e r g r o u n d s p a c e , m o d e l t e s t , b l a s t -e n l a r g i n g d e f o r m a t i o n 土体中同步爆扩地下空间及混凝土壁成型支护是利用炸药爆炸的能量爆扩形成地 下空间的同时,同步完成地下空间混凝土壁成型支护,是高效、经济地建造地下空间 和加固土体的新方法. 它是由爆扩成腔法发展而来的. 爆扩成腔法是在具有可压缩性的土 壤介质中采用内部作用的集中装药或柱形装药爆破方法,将炸药周围介质压扩固结形 成地下空间,可用于爆扩成桩、爆扩成井和爆扩成仓. 我国于1959年首次使用爆扩桩基 础,以后又在大型厂房基础和动力设备基础上应用. 同步爆扩地下空间及混凝土壁支护 方法原苏联研究较早,并且在粘土层中建成了3个地下储存仓,其容积最大达30 0 m 3 [1]. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 30 5. h t m (第 1/8 页)2 0 10 -3-2 3 15 57 36 中国矿业大学学报990 30 5 同步爆扩地下空间和混凝土壁支护是一个复杂的力学过程,涉及炸药、土体及混 凝土3个方面. 本文采用相似模型试验方法研究炸药爆扩压力作用下混凝土的触变特 性、混凝土与土体共同作用的变形特性、土体的爆扩特性和工艺参数,目的是提出具 有普遍指导意义的理论研究成果,为该方法工业性试验和实际应用提供理论依据和技 术保证. 1 相似模型试验系统的建立 1. 1 模型试验的相似准则 1. 1. 1 模型试验影响因素 同步爆扩地下空间及混凝土壁支护相似模型试验的影响因素包括炸药、土体和混 凝土3个方面. 炸药方面的因素及量纲装药量Q ,M ;爆扩压力p m ,M L-1T -2;装药半 径r 1, L. 混凝土方面的因素及量纲混凝土强度Rc ,M L-1T -2;密度ρc ,M L-3;料室半 径r 2,L;支架厚度δ,L. 土体因素及量纲土体密度ρs ,M L-3;孔隙率e s ,无量纲; 含水量W ,无量纲;土体应力σ,M L-1T -2;土体爆扩性指标k ,L3M-1;土体应力波波 速v ,LT -1;土体变形量Δ,L;土体粘聚力c s ,M L-1T -2;土体摩擦角φ,无量纲;地 下空间半径r 3 ,L. 其它因素及量纲模型几何量L,L. 模型试验相关因素关系式为 f p m, r1, ρc , r 2, δ, ρs , e s , W , σ, k , v , Δ, c s , φ, r 3, L, Rc , Q 0 . 1 1. 1. 2 相似准则推导 用π矩阵推导出的相似准则为 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 30 5. h t m (第 2 /8 页)2 0 10 -3-2 3 15 57 36 中国矿业大学学报990 30 5 2 1. 1. 3 模型试验条件 相似模型试验应满足的条件 3 式 3 中,CL是模型试验最重要的参数. 为简化试验条件,模型试验采用与原型相同 的炸药、土体和混凝土,故Cρc 1, Cρs 1, CR c 1, Cc s 1, Ce s 1, CW 1, Cφ 1. 考虑到试验的 规模,经过方案比较和试验最后确定几何缩比CL 10 . 1. 2 模型试验系统 相似模型试验系统由土体三维模型试验台、土体动应力(土体变形)量测系统和 试验数据处理系统组成. 土体三维模型试验台为槽钢框架和可拆卸木壁板组成的1. 5 m 1. 5 m 1. 5 m 立方体结构,见图1. 根据计算和试验,试验台可满足10 0 g 2 岩 石炸药爆扩试验的要求. 土体动应力量测系统由D Y-1压电式土应力传感器、YE58 53电荷 放大器和T EA C M R-30 磁带记录仪组成. 土体动应力测点距爆源的距离按指数规律布置, 两测点间距L′≥ 1-3 D [2 ] (D 为传感器直径), 5个测点布置在一条螺旋线上;土体 动应力测点也兼作土体变形测点. 模型试验数据由计算机处理. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 30 5. h t m (第 3/8 页)2 0 10 -3-2 3 15 57 36 中国矿业大学学报990 30 5 图1 土体三维相似模型试验台 Fi g . 1 3-d i m e n s i o n a l m o d e l t e s t b e d 1. 钢框架; 2 . 木壁板; 3. 土体;4. 测点; 5. 混凝土室; 6 . 炸药 2 模型试验及试验结果分析 2 . 1 试验内容 试验土体选用普通粘土,通过凉晒、洒水和人工夯实使试验土体的主要物理力学 性能指标 ρs 1. 8 4~1. 90 g / c m 3, W 2 7 . 6 ~30 . 0 , e s 0 . 7 8 6 ~0 . 8 96 , c s 57 . 3~57 . 7 k Pa 接近天然状态的普通粘土. 炸药选用2 岩石炸药,进行了集中装药(r 1 16 m m , Q 50 g ) 和柱形装药(r 1 10 m m , Q 50 g )爆扩试验. 采用普通硅酸盐混凝土(小骨料),进行了5 种配比混凝土爆扩成型试验,通过改变起爆时间实现混凝土不同的触变时间. 试验结果 见图2 和表1. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 30 5. h t m (第 4/8 页)2 0 10 -3-2 3 15 57 36 中国矿业大学学报990 30 5 图2 土体内σm和c s 的变化 Fi g . 2 Ch a n g e s o f σm a n d c s i n s o i l ○ 试验a ; 试验b ;□ 试验c ; △ 试验a , b ; 试验c 表1 模型试验结果 T a b l e 1 Re s u l t s o f m o d e l t e s t 试验土 体混凝土炸 药试验结果 试验现象 描 述 方 案 次 数 ρs/ g . c m -3 e s配比 Rc r/ M Pa 时间/ h Q / g r 1 / c m r 2 / r 1 r 3 / c m δ/ m m k / m 3. k g -1 Rc b/ M Pa a 1. 8 40 . 7 8 6 50 1. 6 19. 8 0 . 58 爆腔为球 形, 表面有 明显的 鱼鳞状裂 隙, 深1~2 c m b ① ② ③ 1. 8 40 . 7 8 6 1 2 3 14. 4 2 2 . 9 19. 7 6 . 3 3. 0 0 . 8 50 1. 652 0 . 8 6 8 8 0 . 6 3 2 8 . 6 2 4. 5 爆腔为球 形, 腔表面 混凝土 支架层①③ 致密,②裂 隙多, ③效果完美 c ④ ⑤ ⑥ ⑦ 1. 8 40 . 8 96 4 4 4 5 2 8 . 7 2 8 . 7 2 8 . 7 19. 7 2 . 6 8 . 3 3. 3 3. 0 50 1. 0819. 0 8 10 10 10 0 . 49 爆腔为圆柱 形, 腔表面 混凝土 支架层④粗 糙致密、效 果良 好,⑤裂隙 多,⑥成流 淌状 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 30 5. h t m (第 5/8 页)2 0 10 -3-2 3 15 57 36 中国矿业大学学报990 30 5 注 a . 无混凝土集中装药爆扩试验;b . 有混凝土集中装药爆扩试验; c . 有混凝土柱形 装药爆扩试验;Rc r. 人工成型混凝土的抗压强度;Rc b. 爆扩成型混凝土的抗压强度. 2 . 2 试验结果分析 2 . 2 . 1 土体爆扩变形分析 炸药爆炸瞬间在土体内产生应力波, 5个测点的应力波峰值σm呈负指数分布 试验a 为σa m 8 2 . 52 e -0 . 14r / r 1,试验b 为σb m 8 6 . 51e -0 . 13r / r 1,试验c 为σc m 2 8 . 19e -0 . 0 7 r / r 1;下脚 a , b , c 分别代表试验a , b , c , 见图2 . 在σm作用下,土体内产生很大的超孔隙水压力,它破 坏土体的结构,使其强度降低. 在爆扩压力p m作用下, 强度降低区土体发生压缩固结变 形和塑性流动变形,形成爆扩地下空间和3个区域. 1 土体爆扩性指标k k 是衡量土体在炸药爆扩压力作用下变形的综合性指标. 试验a 和b 相比,两者的p m 几乎相等,经过6 . 4 c m r / r 1 5 的土体或混凝土后,σa m 40 . 98 M Pa , σb m 45. 16 M Pa ,可见土体内σm的衰减幅度更大,结果k b 1. 12 5k a . 试验b 和c 相比,两 者的p m相差很大,p b m 7 5. 96 M Pa ,p c m 2 6 . 2 7 M Pa ,结果kb 1. 2 8 6 k c . 显然,p m愈大k 也 愈大,σm衰减则k 大. 因此,提高炸药爆扩压力、减小应力波衰减是增大地下空间爆扩 体积最有效的方法. 2 土体爆扩变形分析 p m作用形成的3个区为试验a 形成裂隙区、固结压实区和扰动区;试验b 和c 形成 支护区、固结压实区和扰动区. 本质区别在于裂隙区和支护区. 在压缩固结变形和塑性流动变形过程中,随地下空间扩大、p m减小,土体压实度 增大,强度得到恢复和提高. 地下空间表面的土体压实度首先达到最大,强度也达到极 限并随压缩固结变形和塑性流动变形过程向土体内发展. p m直接作用于土体,地下空间 表面产生的拉应力超过土体极限强度时使土体破坏,形成裂隙区,裂隙区半径RL r 3 2 ~3 r 1[1] . 试验a 爆扩地下空间表面呈鳞状裂隙,裂隙深度10 ~2 0 m m . 裂隙区的存 在是地下空间不能长期稳定的根本原因,必须进行二次支护. p m作用于混凝土,使其发 生触变并和土体同步变形,形成支护区. 支护区包括混凝土支架厚度和2 ~5m m 支架与 土体结合带. 支护区不产生裂隙是衡量支护效果的重要指标之一,由混凝土触变条件和 爆扩参数r 2/r1决定. 应力波在混凝土和土体界面产生的拉应力随r2/r1增大而减小,因 此r 2/r1决定结合带是否产生裂隙. 试验表明,当r2/r1≥5时,σm衰减6 0 以上, 结合带 不产生裂隙. 触变条件决定支架是否产生裂隙,当混凝土处于最佳触变时间起爆时,支 架不产生裂隙. 因此,最佳触变时间起爆且r 2/r1≥5是支护区不产生裂隙的条件. 土体压缩固结变形和塑性流动变形在支护区(裂隙区)外形成固结压实区. 固结压 实范围与p m的大小、土性和含水量等因素相关. pm大, 固结压实范围亦大. 含水量直接影 响土体的粘聚力、内摩擦角和超孔隙水压力的大小,从而影响土体固结变形和塑性流 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 30 5. h t m (第 6 /8 页)2 0 10 -3-2 3 15 57 36 中国矿业大学学报990 30 5 动变形所需爆扩能量. 土性和含水量对土体爆扩固结变形和塑性流动变形的影响尚需进 一步研究. 依据试验结果,固结压实区半径Ry 3~4 r 3. 固结压实区内,土体压实度大、 强度高,粘聚力c s 的分布如图2 所示 . 固结压实区外的土体只发生扰动, 形成扰动区,扰 动区土体的压实度和强度不发生变化. 2 . 2 . 2 混凝土爆扩触变特性分析 1 触变时间 混凝土爆扩触变是指混凝土在凝结过程中由于炸药爆扩作用破坏其絮凝结构,转 变为流态的现象. 模型试验采用改变配比(水灰比,砂灰比)和掺外加剂的办法改变混 凝土的凝结过程,实现不同触变时间 0 . 7 5~8 . 3 h ). 试验表明,触变时间对混凝土爆扩 触变形成支护区至关重要. 触变时间过早,触变混凝土的粘稠度及塑性强度低,支护区 混凝土易发生流淌现象或脱落,如表1中试验⑥支护区发生流淌现象,支护失败. 触变 时间过晚,混凝土触变消耗爆扩能量多,触变混凝土的粘稠度及塑性强度高,在与土 体同步变形过程中易开裂,如表1中试验⑤支护区形成大量裂隙. 混凝土爆扩触变存在 一个最佳触变时间,本质上是指混凝土爆扩触变过程与混凝土爆扩变形过程完全同步 进行,触变后混凝土支架区表面致密、无裂隙、支架强度最高. 最佳触变时间的混凝土 凝结状态的力学参数量测十分困难,试验结果证实混凝土在凝结过程中锥入度差的最 大值对应的时间,通过修正可作为爆扩混凝土的最佳触变时间[3]. 表1中试验③混凝 土 质量比水∶水泥∶砂∶外加剂 0 . 55∶1∶1. 5∶0 . 1 锥入度差的最大值 10 4m m 对应 的时间为0 . 7 5h ,最佳触变时间也为0 . 7 5 h ;试验④混凝土 质量比水∶水泥∶砂∶ 石子∶外加剂 0 . 55∶1∶1∶0 . 5∶0 . 1 锥入度差的最大值 6 2 m m 对应的时间为2 . 6 h ,最 佳触变时间也为2 . 6 h . 2 触变混凝土的强度特性[3] 爆扩触变成型混凝土与人工成型混凝土有较大区别,主要表现在宏观强度和微观 结构不同. 最佳触变时间爆扩成型混凝土支架在微观结构上更加致密,在宏观上强度有 较大提高,混凝土抗压强度提高2 0 左右. 最佳触变时间之外爆扩成型混凝土支架要么 流淌或脱落,要么裂隙多,其强度低于人工成型混凝土. r 2/r1也是影响混凝土支架厚 度的因素,r 2/r1小,混凝土支架厚度亦小,支架区易形成裂隙,造成支架强度降低. 试验结果表明,当r 2/r1 ≥5 时,最佳触变时间爆扩触变成型混凝土支护才能取得最佳 效果. 3 结 论 1 土体中同步爆扩地下空间及混凝土壁支护相似模型试验由土体、炸药和混凝土3 方面因素共同作用所决定,依据相似理论建立的三维模型试验系统,可供10 0 g 2 岩石 炸药爆扩模型试验. 2 土体爆扩性指标由土体特性和炸药特性所决定,提高炸药爆扩压力和减小应力 波衰减是增大地下空间爆扩体积最有效的方法. 3 同步爆扩地下空间及混凝土壁支护在形成地下空间的同时形成3个区域,即支护 区、固结压实区和扰动区,控制支护区裂隙的形成是支架成功的关键. 在最佳触变时间 和r 2 /r1≥5的条件下爆扩混凝土,支护区混凝土结构致密无裂隙,强度可提高2 0 %左 右,固结压实区范围Ry 3~4 r 3 ;最佳触变时间由混凝土锥入度差的最大值对应的时 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 30 5. h t m (第 7 /8 页)2 0 10 -3-2 3 15 57 36 中国矿业大学学报990 30 5 间决定. *国家自然科学基金资助项目(5937 8 38 0 ) 作者简介 王东权,男,196 2 年生,工学硕士,副教授 作者单位中国矿业大学建筑工程学院 江苏徐州 2 2 10 0 8 参考文献 1 史天生,程玉生,王东权等. 土层中同步爆炸成型地下仓及混凝土仓壁的分析. 山西 矿业学院学报, 1996 , 14 建井专辑 196 ~2 0 0 2 曾 辉. 岩土传感器设计和使用原则. 岩土工程学报, 1994, 16 1 93~98 3 李方元, 史天生, 王东权等. 爆压成型混凝土支架材料的试验研究. 中国矿业大学学 报,1998 , 2 7 1 9~12 收稿日期 1998 -0 9-0 3 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 30 5. h t m (第 8 /8 页)2 0 10 -3-2 3 15 57 36