книги из ГПНТБ / Вовк, А. А. Действие взрыва в грунтах
.pdf
АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР
ИНСТИТУТ ГЕОТЕХНИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ
А. А. ВОВК, Г. И. ЧЕРНЫЙ, В. Г. КРАВЕЦ
ДЕЙСТВИЕ
ВЗРЫВА В ГРУНТАХ
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКОВА ДУМКА» КИЕВ — 1974
6П1.1 В61
УДК 624.1+622.258+626.131
В монографии изложены результаты теоретических и экспе риментальных исследований вопросов прикладной динамики связных неводонасыщенных и водонасыщенных грунтов. Рас смотрено действие горизонтальных и вертикальных цилиндри ческих зарядов, а также сосредоточенных зарядов при управ ляемом обрушении уступов и зарядов сложной конфигурации.
Рассчитана на научных и инженерно-технических работни ков, аспирантов и студентов вузов соответствующих специаль ностей.
О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р
академик АН УССР Н. С. Поляков
Р е ц е н з е н т ы
кандидаты технических наук
В. А. Кривцов, А. В. Михалюк
Редакция технической литературы
0373—034 |
50—74 |
М 221(04)—74 |
© Издательство «Наукова думка», 1974 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В создании экономической базы построения коммунизма ведущая роль принадлежит тяжелой промышленности, опирающейся на высоко развитую горнодобывающую промышленность—основной источник сырь евых и топливных ресурсов. Главное направление в развитии горнодо бывающей промышленности нашей страны — это максимальное увели чение удельного веса открытых горных работ. Поэтому наряду с совер шенствованием отдельных производственных процессов существующих технологий решающим условием обеспечения требуемых темпов техни ческого прогрессу горнодобывающей промышленности является изыска ние новых методов ведения открытых горных работ, в том числе и при разработке полезных ископаемых с мягкими покрывающими породами. Дальнейшее совершенствование технологии и техники для разработки нескальной вскрыши должно осуществляться в направлении внедрения погрузочно-транспортных средств непрерывного действия при макси мально возможном увеличении высоты уступа. Однако последнее влечет за собой резкое увеличение рабочего веса и установленной мощности электродвигателей экскаватора до предела роста его рабочих парамет ров и производительности. Аналогичное положение имеет место и при разработке конструкций машин циклического действия, с той лишь разницей, что технико-экономический предел роста параметров в этом случае наступает значительно раньше.
Таким образом, необходимо создавать новые и совершенствовать существующие технологии ведения работ, исключающие жесткую за висимость линейных параметров горных машин от параметров разраба тываемого уступа. Одним из наиболее перспективных в этом отношении методов разработки месторождений с мягкой вскрышей является созда ние технологий, основанных на использовании собственного веса породы для отделения ее от массива, рыхления и частичной транспортировки к пункту погрузки. Сущность этих технологий заключается в создании ис кусственными приемами условий нарушения естественного равновесия массива пород в уступе путем увеличения высоты и угла откоса под работкой подошвы уступа, снижения коэффициента сцепления пород путем повышения влажности массива, создания дополнительных обна жений в кровле и подошве уступа различными способами, воздействия на массив специальными обрушающими машинами или комбинациями названных выше приемов. Естественно, что в первую очередь разраба тывались технологические схемы, не требующие для своего воплощения сложных машин и оборудования при достижении необходимого эффекта: увеличения высоты уступа без изменения линейных параметров суще
ствующего оборудования на действующих карьерах и вовлечения в эк сплуатацию месторождений полезных ископаемых с мощной вскрышей, которые нерентабельно разрабатывались путем экскавации по всей вы соте уступов. К таким технологическим схемам прежде всего следует отнести разработку высокими уступами. Обрушение последних регули руется с помощью энергии взрыва серии зарядов, размещаемых в кров ле, подошве или и в кровле, и в подошве уступа с одновременной про ходкой по контуру обрушаемого блока пород щели на глубину предель ного вертикального обнажения.
Технологические схемы, основанные на управляемом обрушении, мо гут быть использованы также при разработке вскрышных пород неболь шой мощности (до 20 м) на карьерах по добыче строительных материа лов, где применение выемочно-погрузочного оборудования непрерывного действия неэффективно ввиду малых объемов работ. Предварительное обрушение вскрышного уступа позволяет вести разработку «сдвоенными уступами», т. е. на один горизонт с использованием широко распростра ненных на таких карьерах строительных экскаваторов с малой емкостью ковша и высотой черпания до 10 м.
Принцип управляемого обрушения с одновременным рыхлением грунта в уступе действием взрыва может быть применен при разра ботке мягких пород способом гидромеханизации, особенно в условиях разработки тяжелых глинистых грунтов, размыв или механическое ры хление которых затруднены в связи с использованием дополнительного оборудования, усложнением конструкции земснарядов. Местное наруше ние сплошности пород гидромонитором либо фрезой в таких породах весьма энергоемко и малоэффективно, в то же время обрушение пород ного массива взрывом в большом объеме, ведущее к резкому нарушению его прочности, будет благоприятствовать быстрому размыву грунта.
В практике ведения горных работ, а также в дорожном ирригаци онном строительстве, при проведении геологоразведочных и специальных работ энергия взрывчатых веществ давно находит широкое применение. При этом известные достоинства технологических процессов, основанных на использовании взрывчатых веществ (малая трудоемкость, высокая производительность, возможность концентрированного и направленного приложения больших энергий сравнительно простыми средствами) яви лись причиной значительного расширения сферы их приложения. Так, если сравнительно недавно традиционными считались только взрывные технологии дробления или выброса скальных массивов, а взрывы с це лью выброса мягких грунтов носили единичный характер, то в настоя щее время большое значение приобретают взрывные методы производ ства работ именно в нескальных грунтах. Характерная особенность таких работ — использование для инженерных целей в первую очередь свой ства сжимаемости грунта под действием энергии взрыва с образованием вокруг зарядной камеры камуфлетной полости и уплотненной зоны грун та с измененными физико-механическими показателями. Взрыв на вы брос связных грунтов сопровождается также образованием уплотненной зоны, приобретающей полезные противофильтрационные свойства, кото рые сохраняются длительное время. Последнее обстоятельство в ряде
4
случаев имеет гораздо большее значение, чем факт выброса грунта, и служит основной причиной повышенного интереса соответствующих спе циалистов к возможности применения энергии взрыва при строительстве оросительных систем. Благодаря возможности регулирования величины и характера прилагаемой к массиву нагрузки (путем изменения веса и конструкции заряда), а также многообразию управляемых факторов воздействия взрывного импульса на массив взрывные технологии управ ления обрушением обладают практически неограниченными возможно стями учета реальных горногеологических и горнотехнических условий. Взрыв заряда в массиве связных грунтов вызывает динамическое воз действие и нарушение сплошности среды на фронте взрывной волны, изменение прочностных свойств, влажности, плотности, пористости и дру гих характеристик грунта вокруг очага взрыва, что приводит к измене нию устойчивости уступа, ослабленного плоскостями обнажения в его подошве и кровле. При этом ввиду применения ВВ с требуемыми харак теристиками, различных вида и формы зарядов, изменения взаимного их расположения и характера действия, параметры взрывного импульса, степень воздействия его на массив и характер изменения деформаций грунта в зависимости от конкретных требований могут изменяться в желаемом направлении.
Повышенные технологические требования к методам ведения взрыв ных работ в мягких грунтах, вызванные как условиями их производ ства, так и назначением получаемых сооружений, существенно измени ли параметры заряда, а в ряде случаев привели к необходимости раз работки принципиально новых расчетных схем и технологий.
Таким образом, практика горного дела и инженерного строительства выдвигает ряд принципиально новых задач, и в их числе получение равномерного взрывного импульса большой протяженности, способного произвести работу по уплотнению грунта в боковых стенках полости или по выбросу строго определенного объема грунта с одновременным соз данием равномерно уплотненной зоны грунта в дне и боковых стенках выемки.
Для решения этой задачи необходимы серьезные теоретические и экспериментальные исследования в области динамики грунтов, в том числе по изучению параметров взрывных волн в грунте, закономерно стей их распространения, характера деформации среды под действием взрывных импульсов и ряд других. Лишь после всестороннего изучения этих вопросов могут быть поставлены технологические задачи по выра ботке инженерных решений, обеспечивающих необходимую для практи ки точность расчетов, экономичность и технологичность производства работ. Развитие динамики грунтов требует широкого внедрения прежде всего результатов фундаментальных исследований механики сплошной среды, являющейся ее естественной теоретической основой. Однако в настоящее время эти вопросы в теоретическом плане еще недостаточно изучены.
Специфика задач в области динамики грунтов в настоящее время заключается в необходимости изучения процессов деформирования и движения грунтов под действием очень высоких нагрузок, возникающих
при взрыве. При таком воздействии преобладающим видом деформаций грунтового массива будут необратимые объемные и пластические дефор мации, в то время как линейно-упругая составляющая в общей харак теристике напряженно-деформированного состояния не играет существен ной роли. Теоретические и экспериментальные исследования в этой об ласти позволят установить закономерности затухания взрывных волн в грунте и деформирования последнего. Эти данные в свою очередь по служат надежной основой для научного обоснования параметров тех нологических схем получения в связных грунтах открытых выемок и под земных камуфлетных сооружений в условиях действующих и строящих ся карьеров и в других отраслях народного хозяйства.
В проведении исследований и создании настоящей монографии при нимали также участие сотрудники Киевского отделения ИГТМ АН УССР, являющиеся соавторами отдельных параграфов: В. А. Плаксий (пара граф 2 гл. I), И. А. Лучко (параграф 1, глII), Л. И. Демещук (пара
графы 5 гл. II и I гл. III), Ю. П. Андреев |
(параграфы 4 и 6 гл. II), |
|||
В. В. Постнов (параграфы 1 и 2 гл. IV), А. А. Кузьменко (параграф 3 |
||||
гл. I), |
В. |
В. Гнутов (параграфы 2 |
и 7 гл. И), |
Гундарев К- А. (параграф |
3 гл |
IV), |
а также канд. эконом, |
наук О. А. |
Чернышенко (параграф 8 |
гл. II), которым авторы считают своим долгом выразить благодарность. Авторы признательны академикам АН УССР Г. С. Писаренко и Н. С. По лякову, высказавшим ряд ценных замечаний по содержанию моно графии.
Г л а в а I
КАМУФЛЕТНЫЕ ВЗРЫВЫ
1. ДИССИПАЦИЯ ЭНЕРГИИ ПРИ ВЗРЫВАХ РАЗЛИЧНОЙ СИММЕТРИИ
Известно, что взрыв в сжимаемой среде представляет собой быстро протекающий процесс, в результате которого потенци альная энергия, заключенная в заряде взрывчатого вещества, превращается первоначально в кинетическую энергию движу щихся в направлении от заряда частиц окружающей среды, а затем затрачивается на объемную деформацию (уплотнение),
деформацию формоизменения |
(чистый |
сдвиг) и разрушение |
(с образованием поверхностей |
разрыва) |
окружающей среды. |
Г. И. Покровский и И. С. Федоров рассматривают взрыв как всякий достаточно быстрый процесс преобразования потенциаль ной энергии в кинетическую энергию элементарных частиц. При технологических взрывах для создания подземных выработок или уплотнения грунтов, всю энергию, затрачиваемую на пере мещение, деформирование и разрушение окружающей среды, в результате чего возникает камуфлетная полость, окруженная зоной уплотнения, следует считать полезно затраченной энер гией. Небольшая часть энергии уносится с сейсмической волной, не производящей полезной работы, а часть остается в имеющих высокую температуру сжатых в камуфлетной полости (или про рывающихся в атмосферу) газообразных продуктах взрыва.
При взрывах иного назначения полезной может быть другая часть затраченной энергии. Например, при взрывах с целью сейсморазведки полезную работу совершает только сейсмичес кая волна, при взрывах на выброс полезной следует считать ра боту по поднятию и перемещению пород и т. д. Будем условно принимать первое определение полезной работы взрыва и при дальнейшем рассмотрении считать полезной работу подземного камуфлетного взрыва по созданию’полости с соответствующим уплотнением, перемещением и пластическим деформированием части грунтового массива, окружающего очаг взрыва. Как отме чалось, часть работы взрыва затрачивается на создание новых поверхностей разрушения. В скальных породах эта часть весьма значительна. Однако в связных грунтах при подземном камуфлетном взрыве образуется относительно небольшое количество новых поверхностей разрушения. В основном это поверхности радиальных трещин разрыва. В связи с изложенным, а также главным образом в связи с незначительностью сопротивления связных грунтов действию разрывающих усилий работа, совер
7
шающаяся при образовании поверхностей разрыва, невелика и затрачиваемая на это энергия учитываться не будет.
Следует оговорить, что сухие лессовые грунты, в которых отсутствуют эластичные, а имеются лишь хрупкие скелетные связи, могут разрушаться, в результате чего лессы превращают ся в несвязную грунтовую массу более высокой плотности, чем первоначальная. Такое разрушение существенно отличается от разрушения с образованием поверхностей разрыва. Поскольку
Г
Рис. 1. Обобщенный паспорт прочности связного грунта:
1 — область объемной деформации при динамических |
нагружениях; 2 — об |
|
ласть деформации формоизменения; |
3 — область упругого |
состояния; 4 — область |
объемных деформаций |
и деформаций формоизменений. |
|
оно неизбежно при уплотнении сухих лессов, затраченную энер гию следует отнести на работу по их уплотнению. В литературе приводились данные, полученные различными исследователями по определению затрат энергии взрыва. Однако в известных нам работах определялась кинетическая энергия движущихся час тиц, т. е. промежуточная форма преобразования энергии взры ва. Как правило, не учитывалась работа по сдвиговой деформа ции грунтового массива вокруг очага взрыва против сил сцеп ления и трения, в то время как она составляет существенную и неотъемлемую часть полезной работы взрыва, поскольку, кро ме случая плоского заряда, взрывное уплотнение грунтов невоз^ можно без сопутствующей ему сдвиговой деформации.fB~ дан~ ной монографии будет рассматриваться конечный результат затрат энергии взрыва — работа уплотнения и деформирования формоизменения как в области пластических деформаций (ближней зоне), так и в области, которую принято считать об ластью упругих деформаций (дальней зоне). Ниже будет пока зано, что деформирование в последней также в значительной мере является необратимым.
Следует сказать несколько слов о принимаемой модели грун тового массива. Обобщенный паспорт прочности связных грун тов (рис. 1) представляет собой графическое изображение сис темы уравнений, образующих математическую модель связных
8
неводонасыщенных грунтов. При построении использовано удоб ное для графического изображения условие пластичности Прандтля — Мора. Для аналитического исследования простран ственной задачи более удобно условие Мизеса — Шлейхера, используемое в дальнейшем (модель С. С. Григоряна) [33—38]. Однако с некоторыми усложнениями идентичнные результаты могут быть получены также из обобщенного паспорта прочнос ти, учитывающего и объемную деформацию. При этом в каче стве дополнительного условия необходимо использовать ги потезу о полноте напряженно го состояния.
На рис. 2 приведена схема деформирования грунта во круг очага взрыва, а также кривые изменения давления Р, необратимых объемных де формаций 0 с расстоянием от центра симметрии /0, выражен ным в радиусах заряда |г0=
г I
= ----- при камуфлетных взры-
гз I
вах. Границы соответствую щих зон отмечены цифрами,
отражающими средние значения г0 в типичных грунтовых условиях для объемной (при взрыве сосредоточенного заряда),
ив скобках для плоской (при взрыве удлиненного цилиндриче ского заряда) задач по экспериментальным данным [3].
Следует кратко охарактеризовать упомянутые зоны. В зоне 1 максимальные давления при прохождении волны напряжений достигают величин, при которых по данным лабораторных ис пытаний образцов отмечаются заметные объемные деформации. Внутреннюю часть зоны 1 составляет область, где грунты дости гают предельного уплотнения, т. е. имеет место полное закры тие свободных пор (на рис. 2 не показана). Размеры этой об ласти в достаточно влажных грунтах могут быть значительными
икорка в данном случае составит заметную часть зоны 1. В су хих грунтах область предельного уплотнения вырождается в тонкую корку у границы полости. Напряженное состояние, кото рое имеет место в зоне 2, отвечает необратимому пластическо му деформированию. Во время испытаний образцов при таком напряженном состоянии не отмечается заметного изменения плотности. В зоне 3 напряженное состояние отвечает обрати мому (упругому) деформированию. На рис. 1 соответствующие
круги напряжений отмечены теми же цифрами, однако в масси ве разгрузка не происходит, как это имеет место при испыта ниях образцов. Полная разгрузка бывает лишь в пределах внут ренней, рассеченной трещинами части зоны 1. Необратимое
9