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

факторов). Вторая, наоборот, не включает обратимой состав­ ляющей, но учитывает деформирование за фронтом волны.

Из сравнения приведенных на рис. 5 кривых видно, что влия­ ние временных факторов в грунтовом массиве в области раз­ грузки соответствует их влиянию, определенному при испыта­ ниях образцов тех же грунтов на одноосное сжатие при динами­ ческом нагружении.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ДЕФОРМИРОВАНИЯ

ГРУНТОВОГО МАССИВА В ДАЛЬНЕЙ ЗОНЕ

Из комплекса проблем, связанных с расчетом действия взры­ ва в сжимаемом неводонасыщенном грунте [1—4, 16—39, 45, 81] и созданием в грунтах инженерных сооружений различного на­ значения [1, 24, 40, 88, 99] наименее изучены вопросы их долго­ временной устойчивости, а также сохранения полезных свойств, сообщенных окружающему грунту в процессе динамического деформирования.

Используемые до настоящего времени методы изучения зон остаточных деформаций грунтового массива, подверженного воздействию взрыва, позволили с достаточной для этих методов точностью определить их размеры и некоторые другие количе­ ственные характеристики. В частности, посредством использо­ вания наиболее точного из применявшихся методов — метода радиоактивного каротажа — удалось установить, что объемная деформация грунта снижается с удалением от заряда по сте­ пенному закону, который характеризует долю энергии продук­ тов взрывчатого разложения ВВ, расходуемую на пластические деформации, причем абсолютные размеры зоны остаточных де­ формаций возрастают с увеличением веса заряда и глубины его заложения. Исходя из разрешающей способности применяемой аппаратуры (нижний предел измеряемых значений объемных деформаций в п=0,01) установлено выражение для радиуса уплотненной зоны, окружающей горизонтальный удлиненный заряд выброса и камуфлетный удлиненный заряд.

Расчеты по приведенным зависимостям показывают, что при взрывании в средних суглинках размеры зоны остаточных де­ формаций составляют 180—200 г3 при камуфлетных взрывах и 100—120 г3 при взрывах на выброс. Известно, однако, что и за пределами этих расстояний происходят полезные изменения противофильтрационных свойств грунтового массива [56]. Эти изменения происходят как в момент взрыва, так и в течение не­ которого времени после него.

При исследовании механизма перераспределения влаги в зоне остаточных деформаций методом нейтронного гамма-ка­ ротажа отмечено, что в течение некоторого времени после взры­ ва влажность грунта в фиксированной точке массива (в преде­

52

лах уплотненной зоны) меняется. Так, непрерывный замер ско­ рости счета нейтронным индикатором влажности НИВ-1 в сква­ жине, пробуренной на расстоянии Го=35 г3 от центра заряда, показал, что, начиная с момента взрыва, в течение 10 мин про­ исходит возрастание интенсивности поглощения окружающим грунтом излучения от источника нейтронов, подтверждаемое снижением во времени интенсивности вторичного у-излучения, зарегистрированного счетчиком (рис. 6). Следовательно, наблю­ дался рост влажности грунта в

вие собственного веса воды. В результате этого развивается пластическая деформация, сопровождающаяся уменьшением напряжений и прогрессирующая до удовлетворения условия предельного равновесия.

Как следствие указанного процесса в непосредственной бли­ зости к полости, а также в зоне, примыкающей к области есте­ ственного сложения грунта, напряжения понижаются, влаж­ ность грунта возрастает. При набухании грунта напряжения в этой зоне вновь растут и пластические деформации возобнов­ ляются. Процесс должен продолжаться до установления окон­ чательного равновесия за счет уменьшения сечения выработки.

На рис. 7 и 8 приведены значения перепада влажности ДИ7= = Ц7о—W, замеренные на трех фиксированных расстояниях от заряда в течение примерно 1 ч после взрыва. Кривые зависи­ мости изменения во времени влажности грунта на различных удалениях от заряда позволяют установить как основной харак­ тер перераспределения влаги в уплотненной зоне, так и дина­ мику процесса фильтрации воды в порах деформированного грунта под действием остаточных напряжений. Рассмотрены

53

Принципиально механизм перераспределения влаги в уплот­ ненной зоне почти один и тот же. В частности, отмечены две зо­ ны повышенной влажности (у стенок выработки и в отдаленных слоях, в зоне малых деформаций) и зона пониженной влажнос­ ти, лежащая между ними. Различие наблюдается в размерах этих зон и их расположении относительно зарядов, что обуслов­ лено весом заряда и характером его действия.

При взрыве вертикального удлиненного камуфлетного заря­ да Сп= 1 кг/пог.м измерения влажности начались спустя 4 мин после взрыва. В течение последующих измерений наблюдалось постепенное снижение влажности в первой скважине, располо­ женной на расстоянии 57 га от стенки полости, повышение влаж­ ности во второй скважине на расстоянии 100 га от полости и по­ нижение влажности в третьей скважине и далее в зоне малых деформаций. Максимальное изменение влажности во времени при этом составляет около 2,3% вблизи выработки (см. рис. 7). Судя по данным рисунка, по истечении примерно 1 ч после взры­ ва процесс перераспределения влаги в основном должен при­ остановиться и напряженное состояние грунта стабилизиро­ ваться.

Аналогичные явления наблюдались и при взрыве удлиненно­ го заряда на выброс — в зоне пониженной влажности в диапа­ зоне времени 18—28 мин рост влажности (на 1—1,5%), в зоне повышенной влажности (на расстоянии 63 га) — заметное сни­ жение влажности (см. рис. 8). Таким образом, можно предпо­ лагать, что между названными соседними зонами происходит обмен влагой, а это является свидетельством перераспределения напряжений в грунтовом массиве, уплотненном взрывом. Отме­ тим, что при проходке выработки взрывным способом вслед­

54

ствие уплотнения грунта в значительной степени снижается коэффициент фильтрации грунтов, прилегающих к выработке, и затрудняется перемещение влаги к контуру выработки. Одно­ временно облегчается ее перемещение в зону большей свободной пористости (на больших эпицентральных расстояниях). Из рис. 9 и 10 видно, что процессы перераспределения влаги на­ блюдаются на расстояниях, превышающих размеры зоны оста­ точных деформаций, полученные по данным радиоактивного каротажа.

Действительно, в литературе [27, 56] имеются упоминания об этой области (так называемой зоне кольматации), в которой

приборы практически не регистрируют объемных деформаций, однако фильтрационные свойства грунтов в ее пределах замет­ но меняются по сравнению с естественными условиями.

С целью проверки этого положения был поставлен следую­ щий эксперимент. Перпендикулярно к оси выемки, полученной взрывом горизонтального удлиненного заряда, пробуривался ряд скважин малого диаметра глубиной 1,5 м до уровня зало­ жения заряда на различных расстояниях от выемки (табл. 9). Скважины одновременно заливались водой, и производились наблюдения за скоростью водопоглощения в каждой. Таким способом трудно количественно оценить коэффициент фильтра­ ции грунта в каждой фиксированной точке массива, поскольку скважина пересекает слои с различными физико-механическими характеристиками, однако этот способ позволяет, во-первых, установить роль зоны кольматации в обеспечении противофильтрационной защиты выемки и, во-вторых, определить ее размеры. На рис. 11 приведены результаты обработки данных по замеру водопоглощения из скважин 1—7. Резкий рост водопоглощения в пределах зоны остаточных деформаций Rrna, отмеченный в скважине № 1 (кривая 1), объясняется тем, что эта скважина

55

пробурена на контуре выемки и потери воды в ней происходили преимущественно в верхней части, где грунт находился в раз­ рыхленном состоянии. Поэтому дополнительно была пробурена неглубокая скважина в дне выемки. Поскольку она проходила в основном по весьма уплотненному грунту, величина водопоглощения в ней мала и хорошо вписывается в общую картину распределения значений AVy с расстоянием (кривая 2). За пре­ делами ЯгпЛ и на расстоянии до 6 м водопоглощение вначале сохраняется достаточно малым, далее растет и на расстоянии

/?= 15-=-16 м (430—470 г3) от оси выемки достигает значения АУу в естественном залегании. Если учесть, что при осевой сим­ метрии объем грунта, находящегося в кольце толщиной R—Rrn, значительно превосходит объем грунта в кольце толщиной Rrп—Гпол, становится ясным, что при определении эффективнос­ ти противофильтрационного экрана, образованного взрывом за­ ряда ВВ, следует учитывать зону кольматации. Несмотря на то что напряжения на фронте взрывной волны и объемные дефор­ мации грунта в этой зоне весьма малы, они могут оказаться достаточными, чтобы нарушить связи между минеральными частицами и переориентировать их без заметного (обычными способами) изменения плотности. Так же как в зоне остаточных деформаций, составляющей 200 г3 при камуфлетном взрыве и 90—120 га при взрыве на выброс и ограниченной значением объемной деформации @пл= 0,01, в зоне кольматации происхо­ дит дальнейшее постепенное снижение значений © и, следова­ тельно, нарушений структуры грунта, определяющих его филь­ трационную способность. В подтверждение этому приведем дан­ ные радиометрических измерений полей влажности во времени вокруг скважины диаметром 130 мм, пробуренной за предела­ ми уплотненной зоны и заполненной водой (зона создавалась взрывом удлиненного заряда выброса Сп= 1 кг/пог.м). Уровень воды в скважине поддерживался во время эксперимента по­

56

стоянным: вокруг нее на расстоянии 0,4 и 0,8 м были пробуре­ ны каротажные скважины, предназначенные для замера изме­ нения влажности в двух направлениях, параллельно оси полу­ ченной выемки и перпендикулярно к ней, с удалением от оси. Опытная скважина и скважина № 1 бурились на расстоянии 3,2 м, а скважина № 3 — на расстоянии 4 м от оси выемки. Та­ ким образом, опыты проводились заведомо за пределами уплот­ ненной зоны, радиус которой составил 1,4 м, т. е. в зоне кольматации. На рис. 12 соответственно этим скважинам нанесены

зависимости, иллюстрирующие нарастание влажности в объе­ ме грунта, окружающем каротажную скважину, во времени. Скорость нарастания влажности в стенках каротажных сква­ жин имеет два направления: параллельно линиям равных де­ формаций, т. е. параллельно оси заряда (№ 1), и с удалением от заряда, т. е. перпендикулярно к его оси (№ 2). В результате измерений установлено, что скорость нарастания перепада ве­ совой влажности в радиальном направлении была примерно в два раза больше, чем в осевом направлении (соответственно 5,88 и 2,46%/ч). Следовательно, и в зоне кольматации измене­ ния, происходящие под действием волны напряжений в момент взрыва, более ярко выражены ближе к заряду и постепенно уга­ сают с приближением к границе зоны кольматации.

С целью расширения пределов приборного измерения раз­ меров деформированной взрывом зоны, и некоторых количе-

57

ственных характеристик состояния среды в ее пределах были поставлены эксперименты. Они основывались на принципе, сог­ ласно которому взрывные волны, проходя через неоднородности грунтового массива, к которым может быть отнесена и зона необратимых деформаций, изменяют свои кинематические пара-

(/) и сейсмометрической аппарату-

ры (2).

В табл. 11 приведены количественные параметры прямой продольной волны Р, зафиксированные датчиками ВБП-Ш, а на рис. 14-— осциллограмма смещений грунта на свободной по­ верхности при основном взрыве по г-составляющей.

После основного взрыва без перестановки сейсмоприемников были проведены прострелочные взрывы № 15 и 16 (см. рис. 13, а), волны которых проходили по деформированному основным взрывом грунту. Смещения и массовые скорости частиц грунта

58

вволне при контрольных и прострелочных взрывах приведены

втабл. 11, а на рис. 13, б даны зависимости смещений этих же взрывов от расстояний по вертикальной составляющей. Как вид­ но из рис. 13, б и табл. 9, в диапазоне расстояний 0—400 г3 сме­ щения грунта при прострелочных взрывах в 1,8—2,3 раза боль­ ше, чем при контрольных на тех же расстояниях, что свидетель­ ствует о наличии в указанной области остаточных деформаций грунтов, вызванных основным взрывом. Смещения грунта в

продольных волнах прострелочных взрывов убывают с увели­ чением расстояния от места заложения основного заряда в на­ правлении упругой зоны, т. е. наблюдается процесс, качественно подобный тому, который установлен стандартными методами по изучению уплотненной зоны грунта, подверженного воздействию взрыва.

Если считать, что работы ведутся в зоне остаточных дефор­ маций грунтов и фиксируются параметры прямой продольной

Таблица 11

Параметры продольной волны и деформационные характеристики массива грунта при основном взрыве

59

волны, то можно количественно определить деформационные характеристики массива (табл. 12), воспользовавшись известны­ ми соотношениями

(р0 — начальная плотность грунта).

Для выяснения деформационных характеристик грунтового массива при основном взрыве кроме сейсмометрической исполь­ зовалась радиометрическая аппаратура (ГГП-1), причем сейс­ мометрический профиль являлся продолжением радиометриче­ ского в направлении зоны малых деформаций. На рис. 13, в приведены кривые, характеризующие изменение объемных де­ формаций с расстоянием при основном взрыве, из которых сле­ дует удовлетворительное согласование результатов радиомет­ рических и сейсмометрических измерений.

Т а б л и ц а 12

Сравнительные данные параметров продольных волн контрольных и простре­ ленных взрывов, по z-составляющей

Имея количественные данные о параметрах взрывной волны и используя приведенные соотношения, можно определить на­ пряжения, испытываемые грунтами в ближней зоне взрыва. Так, на расстоянии 380 г3 от эпицентра основного взрыва радиаль­ ные напряжения на фронте продольной волны аг=0,461 дан/см2, а предел прочности киевских суглинков при объемном сжатии os= 0,4—0,5 дан/см2, т. е. можно сказать, что расстояние, при­ мерно равное 400 г3, является границей зоны неупругих колеба­ ний грунта для данного взрыва.

Как видно из рис. 14, поверхностная волна формируется с расстояний около 400 г3. До этого она фиксируется в виде от­ дельных ее фаз R\, которые возникают в диапазоне расстояний 0—400 г3 в один и тот же момент времени. Это свидетельствует,

60

во-первых, об участии в формировании поверхностной волны ку­ полообразного поднятия грунта над эпицентром взрыва и, вовторых, о том, что максимальная амплитуда в фазе Ri поверх­ ностной волны является одним из признаков границы упругой зоны действия взрыва на этих расстояниях. Размеры и форму зоны остаточных деформаций грунта при взрыве сосредоточен-

ного заряда определяли посредством установки сейсмоприемни­ ков ВБП-Ш в специальных скважинах на разных глубинах

(рис. 15).

Контрольные и прострелочные заряды весом 3 кг взрывались на одном и том же расстоянии (20 м) от места заложения ос­ новного заряда и на одной и той же глубине (h = 5 м). Основной заряд весом 1 кг закладывался на глубине 1 м от свободной поверхности.

На рис. 16 равные значения отношений смещений по х-сос- тавляющей грунта при взрыве прострелочных зарядов к смеще­ ниям при взрывах контрольных зарядов соединены изолиниями. Последние представляют собой эллипсы, центрами которых является место заложения и взрыва основного сосредоточенного заряда выброса, а большая ось расположена параллельно сво­ бодной поверхности. Большие значения этих отношений связаны с большими значениями объемных деформаций в данных точках массива, поэтому можно говорить о форме зоны остаточных деформаций грунтов вокруг сосредоточенного заряда выброса в форме эллипса. Таким образом, изучение ближней зоны дей­ ствия взрыва сейсмометрическими методами позволяет зафик­ сировать остаточные деформации грунтового массива во всем их диапазоне.

Описанные результаты исследований свидетельствуют о том, что полезные изменения физико-механических свойств в мас­ сиве грунта под действием взрыва происходят в весьма широкой области, поэтому не следует ограничиваться лишь изучением свойств грунтов в зоне остаточных деформаций, где действуют сравнительно высокие давления и более явственны нарушения, сообщенные ими грунтовому массиву. Полученные данные поз­

61