книги из ГПНТБ / Вовк, А. А. Действие взрыва в грунтах

нации. Рассмотрим противофильтрационное качество уплотнен­ ной зоны

Строгое решение задачи о движении жидких и газообразных сред через поровое пространство переменной плотности практи­ чески невозможно. В то же время инженерную практику, как правило, интересуют вопросы, связанные с возможностью пред­ варительного расчета фильтрационных потерь полезного продук­ та из сооружения, полученного взрывным способом. С этой це­ лью оценим изменение проницаемо­ сти грунтового массива, уплотнен­ ного энергией взрыва.

Грунт представляет собой слож­ ную гетерогенную полидисперсную систему, состоящую из зерен мине­ рального скелета, воды и воздуха. Формы минеральных частиц грунто­ вого скелета весьма разнообразны. В песчаных и супесчаных грунтах преобладают окатанные частицы шаровидной или близкой к ней фор­ мы. В глинистых грунтах преоб­ ладающая форма минеральных

частиц определяется основным породообразующим минералом: пластинчатая — каолинитом, игольчатая — галлуазитом, чешуй­ чатая — монтмориллонитом и т. д. Учесть такое многообразие форм практически не представляется возможным, поэтому в на­ ших расчетах упрощенно будем полагать, что минеральные зер­ на имеют условно шаровидную форму.

При установившемся движении жидкой или газообразной

Для конкретности расчета будем полагать, что в уплотненном взрывом грунте перемещается вода, хотя аналогичные рассуж­ дения справедливы и для других жидкостей и газов.

Рассматривая фильтрационный расход воды через единицу площади поверхности полученного взрывом сооружения, опреде­ лим значения слагаемых в (11.36).

Величина внешнего давления определяется напором Н, уров­ нем воды в полости h и пористостью грунта т:

Грунтовая влага может быть представлена в виде двух час­ тей: связанной воды (в основном в виде адсорбционных пленок) и свободной. При водопоглощении из резервуара объем свобод­

ной воды в грунте увеличивается за счет заполнения свободных пор. Поэтому общий объем воды, перемещающийся в поровом пространстве грунта, оказывается равным общему объему пор, уменьшенному на объем связанной воды. Отсюда

где уа — плотность воды в адсорбционной пленке минеральной частицы; оц — содержание твердой фазы в грунте; б — толщина адсорбционной пленки; d — эффективный диаметр минеральной

частицы.

Вводя I = -j- и учитывая, что, поскольку б <£ d, К3 0 вы­

ражение (11.45) можно преобразовать к виду

F Bec = Увт — 34 « l ( l + х)>

силу вязкого сопротивления движению поровой воды можно определить по (11.38):

где В — постоянная, имеющая размерность м~2 и являющаяся характеристикой геометрии пор; р, — вязкость воды: qB— объем­ ный расход воды через единицу площади.

Подставляя (11.37) — (П.39) в (П.36), получаем после неко­ торых преобразований выражение для определения фильтраци­ онного расхода воды через единицу площади недеформированного грунта

Уплотнение грунта под действием взрыва, происходящее в основном за счет его свободной пористости, сопровождается из­ менением физико-механических показателей грунта. Пористость уплотненного грунта становится

а содержание твердой фазы увеличивается до

Поскольку постоянная В пропорциональна удельной поверх­ ности грунтовых пор 2, изменяющейся при уплотнении по закону

114

для уплотненного грунта

Разделив (11.40) на (11.45) найдем, во сколько раз изменил­ ся фильтрационный расход через деформированный взрывом грунт:

Из этого выражения следует, что снижение проницаемости стенок выработок и других сооружений, полученных в результа­ те уплотнения грунта энергией взрыва, зависит прежде всего от начальной пористости грунтового массива и степени его необра­ тимого деформирования, а также от гранулометрического соста­ ва грунтов, определяющего количество связанной воды, и сум­ марного давления в жидкости или газе. Повышение свободной пористости грунта при постоянной влажности способствует воз­ растанию степени его уплотнения при взрыве, а следовательно, и более значительному снижению фильтрационной способности породного массива. С повышением дисперсности минерального материала эффективность взрывного метода борьбы с фильтра­ цией увеличивается. Существенным преимуществом этого мето-, да является также то, что уплотненная зона, формирующаяся при взрыве, долго сохраняет свои экранирующие свойства без существенного изменения.

Анализируя выражение (11.46), можно сделать несколько вы­ водов, имеющих большое практическое значение.

Если деформирование грунта при взрыве носит обратимый характер (например, в полностью водонасыщенных грунтах), то при взрывной проходке сооружений фильтрационные свойства окружающего массива не изменяются. Действительно, при 0 = 0 q=q%. Это имеет большое значение в мелиоративном строитель­ стве, ибо доказывает возможность эффективного применения взрывного способа сооружения открытых дрен для осушения заболоченных территорий.

При строительстве ирригационных каналов в неводонасы­ щенных грунтах нужно применять конструкции зарядов, обеспе­ чивающие максимальное уплотнение массива (например, заряды с воздушными оболочками), а также использовать взрывчатые вещества с пониженной скоростью детонации, генерирующие в массиве взрывные волны, временные параметры которых спо­

собствуют развитию объемных деформаций (уплотнению) в грунте. Совместно с этими методами можно использовать на­ правленное изменение начальной влажности грунтового массива.

Справедливость проведенного теоретического анализа под­ тверждается описанными в [25, 27] экспериментальными данны­ ми замера удельного водопоглощения в выемках, пройденных

нению удельного поглощения после взрыва. Вторая серия экс­ периментов, как видно из приведенных данных, подтвердила ка­ чественные выводы, касающиеся значительного снижения коэф­ фициента удельного поглощения после подводных взрывов: в 12 раз в неводонасыщенных грунтах со значительной первона­ чальной пористостью и в 6 — 7 раз в водонасыщенных грунтах с меньшей пористостью. Однако абсолютные значения удельного поглощения воды после взрыва в грунтах с меньшей пористос­ тью и большим содержанием глинистых частиц были ниже, чем в грунтах со значительной пористостью. Так, удельное поглоще­ ние воды в выемках 3,4 и 5 составило 45—39 л/м2-сутки, а в вы­ емках 1 и 2 — 60—52 л/м2-сутки. Результаты проведенных экс­ периментальных исследований находят практическое примене­

116

ние при выборе величины заряда для создания противофильтрационных экранов вокруг ирригационных каналов, пройденных в различных грунтовых условиях.

Как показали радиометрические исследования, уплотненная зона грунтов, образованная при взрывной проходке каналов или полученная в результате подводных взрывов в существующих каналах, распределяется вокруг канала неравномерно (рис. 38). Максимальную мощность она имеет под дном канала, уменыпа-

ясь по мере приближения к дневной поверхности. Следователь­ но, фильтрационные свойства уплотненной зоны в дне и стенках канала должны быть различными.

Для определения изменения фильтрационных свойств грун­ тов, уплотненных взрывом; по периметру канала были проведены опыты в двух выемках — пройденной взрывом и полученной ме­ ханическим способом с последующим уплотнением подводным взрывом. Принятая методика исследований заключалась в сле­ дующем: по периметру выемки устанавливались металлические трубы диаметром 50 мм с заглублением 15 см (рис. 39). Трубы заполнялись водой, и уровень воды в них постоянно контролиро­ вался. Напор воды в трубах сохранялся постоянным путем регу­ лярного доливания в них воды до первоначального уровня. На основании данных о падении уровня воды в трубах определялось поглощение воды в данных точках по периметру выемки. Иссле­ дования проводились в течение месяца. Среднесуточные расходы воды в каждой трубе представлены в табл. 26.

На рис. 40, а построена зависимость среднего расхода воды в стенках выемки, полученной взрывным способом, от глубины. Минимальный расход воды наблюдается в дне выемки, т. е. там, где мощность уплотненной зоны грунтов максимальна. В стен­ ках выемки расход воды увеличивается, причем в нижней части откосов это увеличение незначительно (в 1,5—2 раза)-, а в верх­ ней части откосов увеличивается от 0,032 до 0,184 л/сутки. За­ висимость среднего расхода воды в стенках выемки, полученной механическим способом с последующим уплотнением подводным

117

взрывом (рис. 40, б) от глубины, показывает, что, как и в первом случае, минимальный расход наблюдается в дне выемки и в ниж­ ней части откосов. Поглощение воды в верхней части откосов увеличивается, достигая 0,092 м/сутки.

Из рис. 40 видно, что характер изменения поглощения воды по периметру выемок, пройденной взрывом и уплотненной под­ водным взрывом, различен. Так, в дне выемки, пройденной взры­ вом, поглощение воды несколько меньше, чем в уплотненной подводным взрывом. Но во втором случае происходит более рав-

Рис. 40. Расход воды по периметру выемки, образованной взрывом (а) и ме­ ханическим способом с последующим уплотнением взрывом в воде (б).

номерное водопоглощение, и в верхней части откосов оно значи­ тельно меньше, чем в первом случае. Если в одной выемке погло­ щение воды увеличивается от 0,013 м/сутки (в дне выемки) до 0,184 м/сутки (в верхней части откосов), при промежуточных значениях, начиная с нижней части откосов, 0,015 и 0,032 м/сутки, то во втором случае перепад водопоглощения значительно мень­ ший— от 0,016 до 0,092 м/сутки, при промежуточных значениях 0,019 и 0,027 м/сутки. Следовательно, при подводном взрывании происходит большее уплотнение верхней части откосов, чем при взрывах на выброс. Это объясняется тем, что присутствие в вы­ емке воды обусловливает более равномерное давление энергии взрыва по периметру выемки.

118

6. РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫХ РАБОТ ПО ПОЛУЧЕНИЮ ВЫЕМОК ИРРИГАЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ

ВЗРЫВНЫМ СПОСОБОМ

Взрывной способ проходки выемок в грунтах под профиль­ ные сооружения получает все более широкое применение. Основ­ ной причиной служит то, что вместо традиционных схем взры­ вания с применением сосредоточенных камерных или котловых зарядов, требующих большого количества работ с применением ручного труда, используется разработанная за последние годы технология, основанная на применении удлиненных горизон­ тальных траншейных зарядов. Устройство зарядных траншей и укладка зарядов в этом случае могут производиться механизи­ рованно, поточным способом, с минимальной затратой ручного труда. Это позволяет в наиболее полной мере использовать ос­ новное преимущество взрывного способа — высокую скорость строительства, при сравнительно небольшой стоимости земля­ ных работ. Как показали предварительные эксперименты, про­ веденные в районе Каховской оросительной системы и СевероКрымского канала, после взрывов горизонтальных траншейных зарядов получаются выемки каналов, почти не требующие дора­ ботки по сечению. Весьма существенным является также то, что взрывные выемки окружены уплотненной зоной, играющей роль противофильтрационного экрана, вследствие чего фильтрация из каналов, полученных взрывным способом, снижается по срав­ нению с фильтрацией из каналов, выкопанных землеройными машинами, в 12—14 раз [24, 27].

Значительное снижение фильтрации из полученных взрывом выемок позволяет при применении взрывной технологии строи­ тельства ирригационных каналов почти полностью устранить потери воды и не допускать заболачивания и засоления окружа­ ющих земель, а в ряде случаев отказаться от дорогостоящего противофильтрационного покрытия каналов.

С учетом этих преимуществ были осуществлены опытно-про­ мышленные работы по получению взрывным способом участков 4-й очереди Каракумского канала (вблизи г. Геок-Тепе), участ­ ков холостых ветвей Главного Мургабского коллектора (вблизи г. Мары) в Туркменской ССР, а также котлованов водоемов в Крыму. Всего было построено более 3 км каналов сечением 30— 180 м2 и около 0,5 км котлованов водоемов.

Строительство участков 4-й очереди Каракумского канала.

Взрывные работы по получению открытых выемок производи­ лись на трассе пионерного канала в районе ПК 8530—8613. Ли­ тология грунтов на этом участке представлена в верхней части тяжелыми пересушенными глинами, ниже — тяжелыми суглин­ ками с прослойками и линзами супесей. По трудности разработ­ ки механизмами эти грунты относятся к IV, III и частично ко II категориям. На участке от ПК 8531 до ПК 8572 в пределах сече­

119

ния канала на глубине 4,5 м выклиниваются грунтовые воды, что создает определенные трудности при разработке глубинной вы­ емки канала сухопутными механизмами.

Как показал опыт строительства 3-й очереди Каракумского канала, при разработке плотных глин и суглинков работа скре­ перов оказывается малоэффективной, а производительность экскаваторов резко падает, что вызывает увеличение стоимости и сроков строительства канала. С целью освобождения механиз­ мов для использования их на других объектах строительства, сокращения сроков строительства и получения определенного экономического эффекта решено было осуществить проходку части канала взрывным способом.

На основании экспериментальных взрывов (см. параграф 4 этой главы) для получения выемки пионерного канала при про­ изводстве опытно-промышленных работ применялось наиболее экономичное однорядное расположение траншейных зарядов выброса, закладываемых по оси канала на расчетной глубине. Взрывная выемка проходилась на полную глубину канала без устройства берм и пологих откосов. Так как техническими усло­ виями предусматривалась механическая зачистка разрыхленной зоны грунта, то взрывная выемка имела меньшее поперечное се­ чение по сравнению с проектным.

Механизированная технология работ состояла из цепочки применяемых машин: экскаватора, зарядоукладчика, смонтиро­ ванного на автомашине, и бульдозера. Проходка траншей по оси канала осуществлялась экскаватором-драглайном с емко­ стью ковша 1 ж3. Глубина траншеи на разных участках состав­ ляла 5,5—7,0 ж.

Ввиду отсутствия грунтовых вод на глубине закладки тран­ шейных зарядов, а также с учетом безопасности в обращении и относительно низкой стоимости в качестве основного ВВ при первых опытно-промышленных взрывах использовался игданит, по техническим характеристикам наиболее соответствующий ха­ рактеру проводимых работ.

При заряжании игданитом скважинных и камерных зарядов

около склада ВВ. В последнем случае аммиачная селитра кон­ вейером подавалась от склада к дробилке, где интенсивно из­ мельчалась. Затем селитра через бункер поступала в смеситель­ ную камеру, где посредством насоса опрыскивалась дизельным топливом и загружалась в кузов автосамосвала или транспорт­ но-зарядной машины. При засыпке в зарядную скважину или камеру изготовленного ВВ неизбежно происходит частичное пе­ ремешивание ВВ с породой и снижение содержания жидкого компонента, которое главным образом зависит от общего време­ ни заряжания. Установлено [41], что с изменением содержания

120