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

Т а б л и ц а 41

Зависимость интенсивности касательных напряжений в суглинке от среднего гидростатического давления

иых, вначале с возрастанием уровня гидростатического давле­ ния происходит рост интенсивности и касательных напряжений, причем тем больше, чем меньше влажность грунта. При дости­ жении некоторого уровня давления касательные напряжения достигают максимальной величины, а дальнейшее нагружение приводит к уменьшению касательных напряжений в грунте до перехода его в состояние сжимаемой жидкости, когда Т( Р) =0. Увеличение начальной влажности не только приводит к умень­ шению максимальных величин касательных напряжений, но и уменьшает уровень гидростатического давления, при котором функция пластичности становится убывающей переменной. Это указывает на то, что увеличение влажности снижает сопротив­ ление грунта сдвигу и уменьшает пределы применимости при­ веденного выше условия пластичности.

В общем виде нагрузочная ветвь зависимости в условиях эксперимента удовлетворительно записывается выражением:

где а, р, у — эмпирические коэффициенты, зависящие от свойств и влажности грунта.

Однако разгрузочная ветвь функции пластичности не совпа­ дает с ветвью нагружения. Уменьшение уровня давления приво­ дит к монотонному убыванию функции пластичности, что дает возможность в первом приближении аппроксимировать ее ли­

где а', Ь' — эмпирические коэффициенты в деформированном грунте.

Внешне это выражение аналогично закону Кулона для окта­ эдрической площадки, поэтому с точностью до постоянных мно-

195

жителей коэффициенты аг и Ь' можно представить как характе­ ристики угла внутреннего трения и сцепления в грунте, которые последний приобретает в результате динамического воздействия.

Т а б л и ц а 42

Зависимость прочностных показателей, проявляемых при динамической нагрузке, от весовой влажности

В табл. 42 приведены экспериментальные данные о зависи­ мости сцепления и коэффициента внутреннего трения, проявля­ емых при динамическом нагружении, от весовой влажности. Как видно из этих данных, коэффициент внутреннего трения при увеличении начальной влажности неуклонно убывает, при­ ближаясь к значению, которое грунт имеет в состоянии грунто­ вой массы.

Изменение сцепления носит более сложный характер. С уве­ личением влажности до 15—17% его величина растет до опреде­ ленного предела. Дальнейшее повышение влажности приводит к уменьшению сцепления, величина которого при полном влагонасыщении мала. Коэффициент внутреннего трения и сцепление в деформированном грунте определялись как по динамическому условию пластичности, так и на приборах Маслова—Лурье при статическом нагружении.

Характер зависимостей сцепления и угла внутреннего трения от влажности, определенный по различным методикам качествен­ но идентичен. Однако абсолютные величины сцепления, опреде­ ленные по стандартным методикам при одинаковых влажностях, в два раза превышают величины сцепления, определенные по разгрузочной ветви функции пластичности. Расхождение в аб­ солютных величинах угла внутреннего трения становится все более значительным с увеличением начальной влажности.

Наблюдаемое расхождение в абсолютных величинах опреде­ ляемых характеристик объясняется тем, что при испытании грунтов на сдвиг наблюдается явление консолидации. Образцы

196

испытываются в условиях, когда сжимающая нагрузка воспри­ нимается скелетом грунта, а вода отфильтровывается. При ди­ намическом нагружении и деформировании фильтрации не про­ исходит, поэтому нагрузка воспринимается не только твердым, но в значительной степени и жидким компонентом грунта, что сказы­ вается на уменьшении прочностных характеристик. При расшиф­ ровке осциллограмм одноосного деформирования установлено, что максимальные величины объемного деформирования (чис­ ленно равные в условиях эксперимента величине вертикальной деформации образца) происходят при начальной влажности 20%. Другими словами, указанная величина влажности при по­ стоянном уровне импульсного нагружения создает самые бла­ гоприятные условия для максимального увеличения плотности и уменьшения коэффициента пористости.

Как известно из работ по механике грунтов, сцепление и угол внутреннего трения возрастают при уменьшении коэффициента пористости и увеличении влажности. Увеличение начальной влажности до 16%, создавая благоприятные условия для дефор­ мирования, приводит к увеличению абсолютной величины сцеп­ ления в деформированном грунте, в три раза превышающей на­ чальные. Дальнейшее увеличение влажности, несмотря на уменьшение коэффициента пористости, сопровождается умень­ шением сцепления.

Наряду с исследованием изменений прочностных показате­ лей грунтов в образцах производилось исследование изменений прочностных показателей грунтового массива вокруг очага взрыва.

Объектом исследования были выбраны суглинки эксперимен­ тального взрывного полигона АН УССР со следующими физико­ механическими свойствами: объемный вес у = 1,96-=-1,99 г/см3', объемный вес скелета уск= 1,70-4-1,74 г/см3; пористость 35,3—

В толще суглинков производились взрывы камуфлетных со­ средоточенных и вертикальных цилиндрических зарядов, после чего проводился комплекс исследований, в задачи которого вхо­ дило: определение прочностных параметров и характера их из­ менения в уплотненной взрывом зоне; изучение влияния симмет­ рии зарядов на формирование параметров прочности и разме­ ры зоны их изменения; установление наличия тиксотропных из­ менений в грунтах при воздействии взрывных нагрузок.

Искомые параметры с и ф определялись с помощью методов пенетрации и вращательного среза. Для этой цели использовал­ ся полевой плотномер-крыльчатка конструкции Л. П. Загоруйко.

197

Методика исследований заключалась в следующем. На раз­ личных удалениях от будущего центра заряда на горизонте его размещения (для сосредоточенных зарядов) и на 1—1,2 м ниже отметки верхнего торца (для цилиндрических зарядов) опреде­ лялись величины R и т (соответственно удельное сопротивление пенетрации и сопротивление вращательному срезу) в массиве неуплотненного грунта в пределах предполагаемой зоны уплот­ нения, размеры которой рассчитывались по рекомендациям [25]. После замеров скважины заполнялись грунтом с послойным трамбованием, чтобы исключить искажение волновой и дефор­ мационной картины в момент взрыва. После производства экс­ периментальных взрывов в непосредственной близости (15— 20 см) от ранее использованных бурились новые скважины, из забоя которых определялись те же характеристики, но уже в де­ формированном грунте. Предусматривалось три серии испыта­ ний: первая непосредственно после взрыва (в течение 2—3 ч), следующая через 5—7 дней и третья через 30—35 дней.

Обработка результатов экспериментов позволила установить следующее. Величина сцепления в непосредственной близости от стенок образуемых полостей и далее в глубь массива после взрывов сосредоточенных зарядов возрастает по сравнению с той, которую грунт имел в естественном недеформированном состоянии, в 2—2,3 раза; при взрывах зарядов с осевой симмет­ рией величина возрастания несколько больше: в 2,3—2,5 раза

(табл. 43).

При изменении параметров зарядов (увеличении веса сосре­ доточенных или погонного расхода цилиндрических) величина прироста сцепления не изменяется и остается примерно постоян­ ной, увеличиваются линейные размеры области, в которой сцепление достигает максимальных величин.

Установлено, что если выразить расстояние от центра заря­ да до экспериментальных точек в относительных величинах (в радиусах заряда), то характер изменения величины сцепления в пределах от 8—10 до периферийной зоны, где изменения ис­ следуемых параметров не наблюдается, для зарядов с одинако­ вой симметрией независимо от веса графически выражается близкими кривыми.

Анализируя приведенные данные, видим, что по мере удале­ ния от центра заряда величина сцепления грунта резко убывает и на расстояниях 23—25 г3 для сосредоточенных и 50—55 г3 для цилиндрических зарядов становится равной той, которую грунт имел в естественном недеформированном состоянии. Далее в глубь массива происходит уменьшение сцепления до величин в 1,5—2 раза меньше начальных, а с приближением к границам зоны деформаций и, как правило, выходя за ее пределы на 8— 10 г3 для сосредоточенных и 18—22 г3 для цилиндрических заря­ дов, сцепление снова возрастает до начальных величин.

198

Т а б л и ц а 43

Изменение сцепления и угла внутреннего трения деформированного взрывом грунтового массива

Сосредоточенные заряды

Угол внутреннего трения грунтов в уплотненной зоне так­ же изменяется. У контура полости его величина возрастает на 3—4° (для сосредоточенных зарядов) и на 3,5—5° (для цилин­ дрических зарядов) по сравнению с первоначальной до взрыва.

сцепления.

Таким образом, изменение прочностных характеристик су­ глинков в уплотненной взрывом зоне знакопеременно: грунт не только приобретает дополнительную прочность, но в определен­ ных зонах теряет ее по сравнению с первоначальной, разупрочняется.

Установлено, что линейные размеры зоны изменения проч­ ностных характеристик при взрывах зарядов с осевой симмет­ рией превышают размеры зон при взрывах равновеликих заря­ дов с центральной симметрией.

Результаты обработки экспериментов последующих серий приведены в табл. 43, из которой видно, что величина сцепления грунта с течением времени увеличивается, причем основной ее прирост наблюдается за время, прошедшее между первой и вто­ рой сериями экспериментов. По абсолютной величине прирост сцепления составляет примерно 25—30% от замеренной в первой серии, причем наиболее интенсивно сцепление возрастает в зоне максимальных деформаций, меньше — в периферийных облас­ тях. В последней серии экспериментов отмечено некоторое воз­ растание величины с, однако скорость этого изменения невелика,

ипроцесс тиксотропии можно считать завершенным.

Стечением времени величины углов внутреннего трения уп­ лотненной взрывом зоны увеличиваются, причем это изменение

зарегистрировано только в период времени между первой и вто­ рой сериями наблюдений (до 5 дней) в последующей серии из­ мерений изменения ф практически не наблюдается.

Анализ результатов исследований показывает, что в уплот­ ненных взрывом суглинистых грунтах происходят тиксотропные изменения, подтверждением чего является изменение во време­ ни величины сцепления на участках уплотненной зоны с незна­ чительными объемными деформациями и за ее пределами, где изменения плотности (объемного веса) не отмечается. Еще бо­ лее наглядно описанные особенности поведения грунтов прояв­ ляются при взрывах зарядов в глинистых грунтах.

Небольшое число экспериментов не позволяет сделать на­ дежные количественные обобщения, однако дает возможность качественно подтвердить описанные выше результаты, а также отметить, что указанные особенности в глинах прослеживаются более ощутимо. По абсолютным значениям прирост сцепления в ближних к стенке полости областях несколько меньше. В то же

200

время зоны с пониженными величинами сцепления как по абсо­ лютной величине, так и по размерам зон разупрочнения больше, чем в суглинках.

4.СОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ СЕРИИ ГЛУБОКИХ ВЗРЫВОВ

ВПЛАСТИЧНЫХ ПОРОДАХ1

При одновременном взрыве двух вертикальных цилиндриче­ ских зарядов, расположенных на значительном удалении друг от друга, образуются две отдельно стоящие полости, вокруг которых области напряженно-деформированного состояния грунта не пе­ ресекаются, и процессы, происходящие в них, должны рассмат­ риваться как при взрыве одиночного заряда.

Если расстояние между зарядами l ^ d n (dn — диаметр поло­ сти, образуемой одиночным зарядом), при взрыве появляется сплошная выработка, а породы междускважинного целика вы­ тесняются в стенки полости.

С последующим увеличением расстояния между зарядами наступает момент, когда межполостной целик сохраняет общую устойчивость (наблюдаются отдельные вывалы кусков пород), но в то же время в нем прослеживаются встречные трещины, со­ единяющиеся между собой.

Особенности взаимодействия сближенных зарядов не изме­ нятся при одновременном взрывании трех и более скважин про­ извольной глубины, расположенных цепочкой вдоль некоторой линии в плане. Получаемая таким образом выработка представ­ ляет собой щель определенной ширины, частично заполненную обрушившимся грунтом, длины свободных сплошных участков между перемычками зависят от глубины щели и соответствую­ щего обеспечения устойчивости вертикального обнажения.

Создавая такую щель на пути следования сейсмических или взрывных волн и заполняя ее рыхлым наполнителем, можно обес­ печить сохранность зданий и сооружений за счет гашения этих волн.

Располагая щель на пути миграции подземных вод и запол­ няя ее устойчивым глинистым раствором, можно достичь зна­ чительного снижения притока воды в карьеры и инженерные со­ оружения в грунтах за счет создания устойчивого водозащитно­ го экрана. Эффект взрывного уплотнения стенок щели способ­ ствует дополнительному снижению коэффициента фильтрации пород.

Основываясь на изложенном, совместно с институтом ВИОГЕМ в условиях Никополь-Марганецкого бассейна в 1972 г. были произведены комплесные исследования по опытно-про­ мышленной проверке создания с использованием энергии взры­ ва вертикальных скважинных зарядов глубокой щели — компен­ сатора вокруг породного блока с последующей подработкой пос-

' Написан совместно с К- А. Гундаревым.

201

Ли т е р а т у р а

1.А к у т и н Г. К. Проведение выработок в мягких сжимаемых грунтах уплотнением их энергией взрыва. Изд-во АН УССР, К., I960.

6.А с к а р о в X. А., Я д г а р о в З . Я-— В кн.: Тезисы докладов XXXI науч­ но-технической конференции Института ж. д. транспорта. Изд. НТО Сред,- Аз. ж. д., Ташкент, 1967.

13.Б е л я е в А. Ф.— В кн.: Проблемы химической кинетики горения и взры­ вов, 1. Изд-во АН СССР, М.— Л., 1947.

14.Б о й ч е н к о Д. К., Ю р к о в Ю. В.— В кн.: Методы и приборы тензомет­ рии, 6. Изд. ГосИНТИ, М., 1964.

19.В о в к О. О. та ш.— ДАН УРСР, 1972, сер. А., 2.

20.В о в к А . А. Справочник взрывника. Гостехиздат УССР, К-, 1963.

21. В о в к О. О., Л у ч к о I. А., П о с т н о в В. В.— ДАН УРСР, 1971, 7.

22.В о в к А. А., Ч е р н ы й Г. И. Разработка месторождений комбинирован­ ным способом. «Наукова думка», К-, 1965.

25.В о в к А. А. и др. Основы динамики грунтов и ее практические приложе­ ния. «Наукова думка», К., 1968.

26.В о в к О. О. та ш,— ДАН УРСР, 1970, 5.

27. В о в к А. А., Ч е р н ы й Г. И., С м и р н о в А. Г. Деформирование сжи­ маемых сред при динамических нагрузках. «Наукова думка», К., 1971.

28.В о в к А . А.— Прикладная механика, 1970, 6.

29.В о в к А. А., К р а в е ц В. Г.— Прикладная механика, 1966.

30.В о в к О. О., П л а к с i й В. О.— ДАН УРСР, 1966, 2.

31.В о в к О. О. та ш,— ДАН УРСР, 1967, 10.

32.В о в к О. О. та ш.— Вшник АН УРСР, 1971, 2.

203

33.Г р и г о р я н С. С,— ПММ, 1955, 19, 6.

34.Г р и г о р я н С . С,— ПММ, 1957, 21, 2.

35.Г р и г о р я н С . С.— ПММ, 1960, 24, 6.

36.Г р и г о р я н С . С.— ПМТФ, 1962, 2.

37.Г р и г о р я н С . С.— ПММ, 1963, 27, 2.

38.Г р и г о р я н С . С.— Изв. АН УССР, Механика и машиностроение. 1964, 6.

39.Г р и г о р я н С . С.— ПММ, 1961, 26, 5.

40.Д а н и л е н к о И. И.— Прикладная механика, 1962, 8.

47.Е р ж а н о в Ж- С. Теория ползучести горных пород и ее приложения. «Наука», Алма-Ата, 1964.

48.З у б Н. И. и др. Новые способы буровзрывных работ на карьерах. Опыт СУ-77 треста «Трансвзрывпром». Изд. Дома техники ЮЗЖД, Дорожное

53.К о ш а р н о в М. Ф.— В кн.: Сб. научных трудов. Магнитогорский горнометаллургический институт, 51, Свердловск, 1969.

57.К р а в е ц В. Г.— В кн.: Использование взрыва в народном хозяйстве. Тру­ ды VIII сессии по народнохозяйственному использованию взрыва, ч. 3. «Наукова думка», К., 1970.

58.К у з н е ц о в В. М.— ПМТФ, 1960, 3.

59. К у з н е ц о в В. М.— В кн.: Ученый совет по народнохозяйственному ис­ пользованию взрыва, 15. Изд-во СО АН СССР, Новосибирск, 1960.

60.К р у т о в В. И.— В кн.: Материалы к VI Всесоюзному совещанию по за­ креплению и уплотнению грунтов. Изд-во МГУ, М., 1968.

61.К у ш н а р е в Д. М. Новая технология буровзрывных работ в мелиоратив­ ном и водохозяйственном строительстве. Обзорная информация ЦБНТИ, 3. М„ 1971.

62.Л а в р е н т ь е в М. А.— УМЖ, 12, вып. 4, 1957.

63.Л е о н т о в и ч К. М. Разработка россыпей гидравлическим способом. М., 1955.

64. Л и т в и н о в И. М. Основания, фундаменты и механика грунтов, 1968, 6. 65. Л а в р и к В. И., С а в е н к о в В. И. Справочник по конформным отобра­

жениям. «Наукова думка», К., 1970.

66. Л а в р е н т ь е в М. А., К у з н е ц о в В. М., Ш е р Е. Н.— В кн.: Совет по народнохозяйственному использованию взрыва, 17. Изд-во СО АН СССР, Новосибирск, 1961.

204