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

воляют более обоснованно подойти к решению задач длитель­ ной устойчивости подземных и открытых инженерных сооруже­ ний в сжимаемых грунтах без крепления, рассчитать надеж­ ность противофильтранионного экрана с уплотненного взрывом грунта. Наконец, эти исследования дают возможность глубже изучить природу отдельных волн, механизм их возбуждения и точнее рассчитать их параметры.

4. ИЗМЕНЕНИЕ ХАРАКТЕРА ЗАТУХАНИЯ ВОЛН НАПРЯЖЕНИЙ

ВОБЛАСТЯХ ДИСЛОКАЦИЙ ГРУНТОВОГО МАССИВА

ИПОДЗЕМНЫХ ЕСТЕСТВЕННЫХ И ИСКУССТВЕННЫХ ПУСТОТ

При прохождении волн пластических и упругих напряжений, грунтовой массив рассматривается нами как однородная изо­ тропная сжимаемая среда. Реальные сухие грунтовые массивы в большинстве случаев представляют собой неоднородную мас­ су, сжимаемость которой зависит не только от объема пор и пус­ тот, имеющих малые размеры и сохраняющихся в образцах, но и от объема, величины и распределения крупных пор и пустот, а также областей дислокации и трещин. Если импульс напря­ жений имеет линейные размеры, значительно превышающие размеры пор и пустот, его можно рассматривать как квазистатический, пренебрегая волновыми эффектами. По С. С. Григо­ ряну [33—38], критерием такого подхода в упруго-пластической

Рассмотрим случай, когда приведенное соотношение выпол­ няется (что всегда имеет место при взрыве достаточно крупных зарядов) и волна проходит через серию пустот. Считая в пер­ вом приближении распределение пустот в пространстве более или менее равномерным, первоначально рассмотрим прохожде­ ние импульса через один элемент естественной преграды (серии пустот), состоящий из двух соседних пустот радиусами R\ и R2,

где о — сжимающие напряжения в несущем ядре.

62

Нетрудно видеть, что

L

а = <JS при О0 — > 0g,

где as — предельное напряжение несущего ядра (предел теку­ чести грунта), L — общая ширина элемента,

Первый случай (ао— < 0 S) будет иметь место лишь при про­

хождении очень слабых упругих (сейсмических) волн, второй — при прохождении как пластических, так и упругих волн, с доста­ точно высоким максимумом напряжений а. В обоих случаях при прохождении элемента преграды повышается уровень на­ пряжений вследствие концентрации их на меньшей площади. Степень концентрации зависит от отношения l/Ь. За преградой, на достаточно большом расстоянии r(r~^>L) сжимающие напря­ жения рассредотачиваются и снижаются до уровня

Размеры несущего ядра целесообразно определять приближен­ но, осуществив линеаризацию линий скольжения. Это дает не­ большое искажение, увеличивая расчетные напряжения за прег­ радой. При расчете искусственно создаваемых преград оно обеспечивает запас прочности.

Поскольку линии скольжения пересекают направление век­

о0 и после преграды ап* (последнее направлено по нормали к плоскости преграды) :

63

Существует еще третий, промежуточный случай, когда напря­ жения на одних участках ядра превышают величину as, а на других достигают ее. Этот случай рассматриваться не будет. Выше был рассмотрен случай, когда волна напряжения рас­ пространяется по нормали к фронту элемента преграды.

В более общем случае волны сжатия распространяются по направлению, образующему произвольный угол с фронтом эле­ мента преграды. Тогда создаваемую на несущее ядро нагрузку

можно разложить на нормальную и касательную относительно плоскости преграды составляющие.

Сохраним за большим главным напряжением перед прегра­ дой обозначение Оо- В данном случае его направление состав­ ляет с нормалью к плоскости преграды угол а. Выражение (1.129) приобретает вид

Остальные выражения остаются неизменными.

Вторая составляющая нагрузки является перерезающей си­ лой. Ее предельная величина определяется из закона Кулона. Если угол между направлением движения волны и плоскостью преграды не очень острый (не менее 20—25°), ее величина

64

Величина касательных напряжений ха отвечает условию: i

J хА(I) dl — a0L sin 0 при cr0 sin а < т8,

(1.137)

хА — xs при а0 — sin а > т5,

x s = c + ° л * § Ф -

Максимальная величина напряжения сп* за преградой состав­ ляет

и сооружений от сейсмических толчков, производимых волнами напряжений взрывного происхождения. Искусственная преры­ вистая преграда позволяет снижать до безопасного уровня ин­ тенсивность поверхностных волн, а также объемных волн, на­ правление которых образует с вертикальным направлением не очень острый угол (не менее 35—40°), т. е. преграда эффектив­ на, когда источник возмущений не находится непосредственно под подлежащим защите объектом. Преграда конструктивно представляет собой ряд сооруженных в одной плоскости верти­ кальных или наклонных цилиндрических полостей (шурфов шы скважин), образующих экран, прикрывающий фундамент зда­ ния со стороны источника возмущения. Она размещается на не­ котором расстоянии от защищаемого объекта. Линейные раз­ меры преграды должны быть таковы, чтобы фундамент пол­ ностью попадал в создаваемую «тень» (рис. 18).

Полости не крепятся. Допустимо лишь покрытие их тонким слоем набрызгбетона, не передающим более или менее суще­ ственных напряжений, но препятствующим местным вывалам. Целесообразно заполнять полости пористым податливым мате­ риалом, также не передающим напряжений (типа шлаковаты или керамзита).

Уравнения (1.138) позволяют рассчитывать конструктивные элементы создаваемой искусственно прерывистой преграды. Нетрудно видеть, что однорядная преграда пригодна лишь при выполнении трех последних уравнений (1.138), причем она наи­ более эффективна при выполнении последнего. Максимальные напряжения за преградой в этом случае определяются величи­ нами 0« и тв, зависящими от свойств грунта, и величиной р, ко­ торая в основном зависит от соотношения между конструктив­ ными элементами преграды и в меньшей степени — от тех же свойств грунтов. Таким образом, величина максимальных на­ пряжений за преградой не зависит от величины напряжений перед преградой и может быть ограничена какой-либо безопас­ ной для данного объекта величиной а Пред, определяемой соотно­ шениями между конструктивными элементами преграды:

а1 < (1.139)

пред

Как уже отмечалось, преграда снижает напряжения упругой волны за счет концентрации их на узких участках с превраще­ нием в интенсивно затухающую пластическую волну сжатия. Если нагружения повторяются неоднократно и продолжаются достаточно долго, то вследствие уплотнения грунта в несущем ядре и деформации последнего с частичным заполнением полос­ тей произойдет возрастание несущей способности и снижение эффективности преграды. Поэтому для эффективной защиты от многократно повторяемых длительных возмущений полости должны иметь достаточный диаметр (не менее 0,4—0,5 м). При действии одно-двукратных возмущений от искусственных источ­ ников диаметр полостей может быть менее значительным (0,2— 0,4). Для определения достаточности величины L может слу­ жить формула, выведенная из (1.38),

^ + Ts

Определение сцепления и угла внутреннего трения, исполь­ зуемых в расчетах, производится обычным способом. Для на­ хождения величины ов может быть использована методика ди­ намических испытаний на одноосное сжатие при ударном нагру­ жении. Величина as соответствует пределу прочности скелета грунта (точка перегиба на диаграмме а ~ е, после которой отмечается резкое возрастание объемных деформаций). Для суглинков весовой влажностью 11%, по данным эксперименталь­ ных исследований А. В. Михалюка, этот предел составляет 3— 4 дан/см2 и в 2—2,5 раза превышает величину сцепления.

При установлении предельных для данного объекта напря­ жений следует использовать результаты исследования М. А. Са-

66

детского, установившего, что разрушительность действия сей­ смических толчков функционально связана со скоростями коле­ баний частиц грунта. С учетом этого положения С. В. Медведе­ вым разработана переходная шкала от скоростей колебаний к баллам сейсмической шкалы, к которым привязываются кон­ струкции зданий.

Согласно этой шкале, шести баллам соответствуют скорости

1,0—1,82 см/сек, семи баллам — 1,91—3,64 см/сек и т. д. В свою очередь, скорости колебаний связаны с напряжениями известной формулой oi = pvDp, где Dp — скорость распространения упру­ гих продольных волн.

Приведенная формула позволяет перейти от предельного для данного объекта балла сейсмической шкалы к предельным на­ пряжениям. Так, если для данного объекта признаны опасными колебания более семи баллов, то, приняв соответствующее зна­ чение скорости 3,5 см/сек, получим нужное напряжение. В грун­ те с исходными характеристиками £>25= 1000 м/сек-, р= 1,75 г/см2;

В этом случае L=2,85 R. Приведенный ориентировочный расчет показывает, что в благоприятных грунтовых условиях преры­ вистая преграда дает возможность снижать интенсивность сей­ смических возмущений до уровня шести-семи баллов.

Выше было рассмотрено затухание интенсивности продоль­ ных объемных сейсмических волн при прохождении сквозь пре­ граду. Поверхностная поперечная волна обусловливает сдвиго­ вую нагрузку на межполостные промежутки. Действие ее сле­ дует рассматривать вне зависимости от действия объемной вол­ ны, так как их скорости распространения различны и действие на преграду смещено во времени. Касательная (относительно плоскости преграды) и нормальная составляющие, обусловлен­ ные действием этой волны, отвечают выражениям (1.136) и (1.138), напряжения Та и о а определяются из формул

Не останавливаясь на различных соотношениях напряжения за преградой, отметим, что в наиболее неблагоприятном для за­

щищаемого объекта случае т* = рт« соотношения между напря­ жениями и баллами сейсмической шкалы определяются анало­ гично предыдущему случаю. Таким же образом рассчитывается снижение интенсивности волн напряжений, проходящих сквозь многорядную прерывистую преграду. Соответствующие громозд­ кие формулы приводиться не будут. Отметим лишь, что расчет­ ная эффективность двухрядной преграды не в два, а в пять — восемь раз выше, чем однорядной. Это объясняется тем, что в двухрядной преграде при шахматном расположении полостей (скважин) породный массив работает не на сжатие, а только на срез. При таких условиях несущая способность преграды незна­ чительна, а эффективность весьма велика.

5.ПОЛУЧЕНИЕ ВЗРЫВНЫМ СПОСОБОМ СОПРЯЖЕНИЙ

ИСЛОЖНЫХ ИНЖЕНЕРНЫХ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

ВСВЯЗНЫХ ГРУНТАХ

Впоследние годы в нашей стране разработан прогрессивный метод образования выработок в сжимаемых грунтах за счет уплотнения их энергией взрыва. Сущность метода заключается

втом, что в пробуренную на заданную глубину скважину поме­ щают заряд ВВ, после взрыва которого образуется камуфлетная полость — готовая выработка сферической или цилиндриче­ ской формы в зависимости от первоначальной формы заряда. Размеры полостей могут изменяться в широких пределах.

Используя в различных сочетаниях вертикальные, горизон­

тальные и сферические выработки, образованные энергией взры­ ва, можно создать целые комплексы инженерных сооружений, пригодные для применения в различных областях народного хо­ зяйства.

В 1969 г. была поставлена серия экспериментов в натурных условиях с целью проверки возможности получения выработок переменного сечения, устойчивых сопряжений выработок раз­ ных конфигураций, комплексных сооружений по отдельным ста­ диям и одновременно проверки устойчивости всего инженерного комплекса в целом.

Работы проводились в районе Булганакского карьера Крым­ ской области (район г. Керчи). Геологический разрез экспери­ ментальной площадки представлен растительным слоем 0,5 м, глиной серой 2,0 м и далее мощным слоем керченской зеленой глины, которая характеризуется следующими данными: плот­ ность материала скелета 2700 кг/м3, плотность и объемный вес скелета соответственно 1850 и 1498 кг/м3, весовая влажность 23,5%, пористость 44,5%. Предварительные взрывы зарядов на данной площадке дали показатели, которые сведены в табл. 13.

В качестве взрывчатого вещества во всех случаях использо­ вался тротил в шашках. Бурение вертикальных скважин диа­ метром 127 мм осуществлялось станком УРБ-2А с промывкой

68

водой, которая по окончании бурения из скважин не откачива­ лась, а заполняла их до устья. Горизонтальные скважины диа­ метром 60 мм бурились станком ГП-1. Скважины под верти­ кальные заряды бурились с перебуром относительно проектной отметки так, чтобы нижняя часть полости, образовавшаяся за

Т а б л и ц а 13

Параметры опытных полостей и уплотненной зоны при взрыве зарядов различной конструкции

счет перебура, была в состоянии вместить весь объем грунта с учетом его рыхления из предполагаемой воронки выброса. Ус­ редненные значения объема воронки выброса и перебура по

тавлял 4,5—5 м, а объем нижней части полости, образовавшейся за счет перебура, был равен 3,5—4,0 м3) показали, что принято­ го перебура было достаточно, так как в этих грунтовых услови­ ях воронка выброса почти не образуется в случае зарядки сква­ жины от устья на полную глубину.

На рис. 19 представлен комплекс инженерных сооружений, полученных взрыванием зарядов в две стадии. Вначале была пробурена, заряжена и взорвана вертикальная скважина, по­

69

том — горизонтальная. По рассматриваемой технологии верти­ кальная скважина заряжалась на полную глубину — 10,8 м, расход ВВ на 1 пог.м скважины составлял 2 кг, а радиус заря­ да — 2 см. В требуемом месте образования сферической полости (в данном случае на глубине 4 м) закладывался сосредоточен­ ный заряд из тротиловых шашек С = 2 кг. Вес всего заряда С = = 23,2 кг. Инициирование осуществлялось со стороны устья сква­ жины электродетонатором.

В результате взрыва образовалась выработка без разрушен­ ного устья диаметром 1,5 м в верхней части, 1,0 м в месте сопря-

Рис. 19. Комплекс подземных выработок, пройденных взрывом в две стадии.

жения со сферической полостью и 0,9 л в нижней. Сферическая полость по своей конфигурации приближается к шару с диа­ метром 1,75 м. Сопряжение вертикальной и сферической выра­ боток имело не плавный, а довольно резкий переход. Дно выра­ ботки оказалось подсыпанным на 4,5 м.

Следующим этапом разработанная технология предусматри­ вала сопряжение полученной сферической выработки с горизон­ тальной с выходом последней на свободную поверхность борта уступа.

Со стороны уступа была пробурена скважина длиной 7,3 м до пересечения со сферической полостью на отметке 3,2 м. Сква­ жина заряжалась на длину 6,3 м с расходом ВВ 1 кг/пог.м, радиус заряда составлял 1,4 см. Отрезки скважины со стороны сферической полости и со стороны устья длиной по 0,5 м оста­ вались незаряженными. Указанные величины недозарядки сква­ жины относятся к конкретно описываемому эксперименту. В об­ щем случае она определяется как диаметром сферической вы-

70

работки в случае, если сопряжение горизонтальной полости с вертикальной происходит через сферическое уширение, так и расходом ВВ на 1 пог.м в горизонтальной выработке. Иниции­ рование описанного выше горизонтального заряда осуществля­ лось со стороны устья скважины (уступа).

В результате взрыва образовалась горизонтальная выработ­ ка длиной 6,8 м, диаметром 0,77 м в устьевой части и 0,9 л — со стороны сферической полости. Сопряжение горизонтальной

<=э CSJ

Рис. 20. Комплекс подземных выработок, пройденных взрывом в одну стадию.

выработки со сферической представляло собой участок выра­ ботки длиной 0,8 м, подобный гиперболоиду вращения с плав­ ными переходами в сферу и цилиндр. Стенки вертикальной и сферической выработок после взрыва горизонтального заряда нарушений не претерпели.

Таким образом, была проверена возможность получения ин­ женерного комплекса сооружений, состоящего из вертикальной, сферической и горизонтальной выработок, образуемого в две стадии.

Одновременным взрыванием вертикального заряда с раз­ мещенным на нем сосредоточенным зарядом и горизонтального,

'размещенного в скважине, пройденной вкрест вертикальной скважины, была проверена возможность получения инженерно­ го комплекса сооружений, состоящего из вертикальной, сфери­ ческой и горизонтальной выработок в одну стадию (рис. 20). Бурились скважины: вертикальная до отметки 12 м и горизон­ тальная длиной 7,1 м. Заряды по конструктивным и количествен­ ным показателям применялись такие же, как и при описанном выше взрыве (рис. 20, а) . Отрезок горизонтальной скважины со стороны предполагаемой сферической полости длиной 0,6 м ос­ тавался незаряженным. Инициировались одновременно два за­ ряда от устьевой части скважин.

Врезультате взрыва образовались выработки, размеры которых почти совпадают с размерами предыдущих, однако сопряжение горизонтальной и сферической выработок оказалось разбитым, неплавным (рис. 20,6). Это произошло, по-видимому, из-за неодновременного прихода в точку сопряжения ударных волн от взрывов разных зарядов, что таит в себе опасность на-

71