книги из ГПНТБ / Балбачан, И. П. Рыхление мерзлых грунтов взрывом

N .

В ЦНИИОМТП разработан щелевзрывной способ * рыхле­ ния мерзлого грунта [4, 5]. По сравнению с буровзрывным этот способ (рис. 19) позволяет: сократить объем ручных работ по заряжанию и полностью механизировать этот процесс; улуч­ шить качество дробления мерзлого грунта; снизить разлет

мерзлых грунтов на глубину от 0,8 до 2 м при сооружении кот­ лованов под различные здания и сооружения, при проведении мелиоративных каналов и траншей под инженерные коммуни­ кации и магистральные трубопроводы, производстве вскрышных работ и пр.

При щелевзрывном способе рыхления по сравнению со шпу­ ровым способом в 5—б раз сокращается время заряжания. Так,

* Авторское свидетельство № 333259, автор — канд. техн. наук Балба-

•чан И. П.

62

"рыхленный массив в виде параллелепипеда с прямоугольным сечением увеличится примерно в 2 раза.

Вмерзлом грунте — как монолитной среде, основным фак­ тором разрушения при взрыве является ударный сдвиг [42], сущность которого состоит в том, что при распространении по грунту цилиндрической волны сжатия нижние слои грунта

63.

растягиваются быстрее верхних, в результате чего в элементар­ ном объеме грунта возникает деформация, близкая к чистому ударному сдвигу (перекос кубика). При этом по одному диа­

При встрече волны сжатия со свободной поверхностью ки­ нетическая энергия ударного сдвига вследствие удвоения мас­

пенсирующие щели увеличивают объем разрыхленного массива нижней части (на уровне дна компенсирующих щелей). Если при взрыве заряда компенсирующих щелей не будет, то волна сжатия, не встречая свободных поверхностей, уходит в боковые

свободной поверхности, которая возникает при взрыве сосед­ него ряда шпуровых зарядов. Удвоения массовой скорости за чароитом волны сжатия не происходит и качество дробления среды ухудшается.

Из этого видна физическая сущность самого «компенсирую­ щего пространства», создаваемого боковыми щелями. Они дают возможность волне сжатия отражаться от свободной по­ верхности («компенсируют» ее) и использовать запасенную ки­ нетическую энергию. Если щель будет недостаточно широкой, то энергия волны «просачивается» за щель и не полностью рас­ ходуется на дробление мерзлого грунта.

Для разработки технологии рыхления мерзлых грунтов ще-

.левзрывным способом на основе теоретических предпосылок

иэкспериментальным путем были выявлены динамика процесса

ихарактер разрушения твердой среды под действием взрывной нагрузки при наличии дополнительных свободных поверхностей, образуемых компенсирующими щелями, и установлены опти­ мальные параметры для различных условий его применения.

§13. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Впринятой схеме разрушения твердой среды необходимо определить соотношение между радиусом заряда г0, шириной взрываемой зоны и компенсирующей щели. При надлежащим

*64

образом выбранной ширине щели взрыв сферического заряда работает на две свободные поверхности. В силу симметрии можно рассматривать действие заряда в среде с одной свобод­

к заряду, можно считать хрупко разрушающейся. В этом слу­ чае при взрыве можно выделить три зоны (рис. 21).

Огромное давление во взрывной полости способствует

ными сжимающими напряжениями и кривизной фронта, способствуют образованию радиальных трещин. Трещины от заря­ да распространяются до тех пор, пока поперечные (тангенци­ альные) напряжения не станут меньше, чем предельные напря­ жения среды на растяжение ар. Эти напряжения обычно мень­ ше, чем предел прочности при одноосном сжатии асж, поэтому

ипроисходит трещинообразованйе (зона трёищнобЩщзования).

Взоне трещицообразования распространяются квазиупругие

волны, и для нее могут быть применены выводы динамической Теории упругости, вплоть до разрушения. Если имеется свобод­ ная поверхность, то дальнейшее разрушение (отколы) происхо­ дит в результате следующего явления.

При отражении волны напряжений от свободной поверхно­ сти сжимающие напряжения переходят в растягивающие. Вследствие того что акустическая жесткость среды и воздуха различаются на пять-шесть порядков, по величине они практи­ чески равны амплитуде сжимающих напряжений в падающей на свободную поверхность волне. Распространяясь к зарядной камере, максимум этих напряжений затухает по амплитуде

с расстоянием и складывается с затухающими напряжениями сжимающих напряжений в каждой точке среды. Если эта сумма в какой-либо точке превысит предел прочности на растяжение ар, то произойдет откол среды. Таким образом, зона трещинообразования увеличивается. Под действием волны напряжений свободная поверхность смещается на величину, в 2 раза боль­ шую величины смещения среды за фронтом волны напряже­ ний. В дальнейшем остаточное давление продуктов детонации перемещает разрушенную среду. После фазы сжатия возникает фаза растяжения в зарядной полости, которая вызывается об­ ратным движением полости к положению равновесия. Вокруг заряда возникают концентрические трещины. После выхода продуктов детонации ВВ в атмосферу процесс заканчивается. Для определения ширины разрушенной зоны 1\ и ширины щели

защелевое пространство передалась лишь незначительная энер­ гия. Для обеспечения оптимального дробления среды расчет удобнее выполнить, приняв за независимую переменную радиус

Подставив значения К' и Рдет в формулу (19), получим

66

сжатия среды), определим величину гп — расстояние, на кото­ ром кончается зона пластической деформации и переизмельче-

где а„ — напряжения на границе зон пластических деформаций и трещинообразования. Величина коэффициента п может быть принята в данном случае равной 1,4-М,6.

При условии ан^ог2(г) <сгр, где сгр — предельное напряжение разрушения (при растяжении), можно определить радиус зоны трещинообразования гт при гп= гт<!гу, где гу— начало упругой

зоны.

Существуют четыре гипотезы прочности, различающиеся между собой видом функции, связывающей прочность материа­ ла с главными напряжениями, определяющими его напряжен­ ное состояние. Гипотеза наибольших нормальных напряжений:

или

где oi и аз — наибольшие нормальные напряжения растяжения

где Си 02, о3 — главные напряжения.

Эти две гипотезы описывают разрушение хрупких горных пород. Гипотеза максимальных касательных напряжений и ги­ потеза потенциальной энергии формоизменения описывают раз­

главные напряжения для сферического заряда будут: ai = or — радиальное напряжение; о2=(Ув — тангенциальное напряжение; а3 = 0. Тогда условие для нахождения радиуса зоны трещинооб­ разования выразится следующим образом:

3* 67

Приняв л = 1,5 и v = 0,35 (поскольку ог = —ае = огн (г'0 /г) ь5) по­ лучим формулу

рушения в упругой зоне при наличии свободной поверхности определим напряжение на границе упругой зоны

Это напряжение будет затухать при дальнейшем прохождении волны по закону

При подходе к свободной поверхности, т. е. при r = U волна напряжений отражается и далее к зарядной полости будет распространяться волна разрежения с амплитудой растягиваю­ щего напряжения, затухающей по зависимости

где ri отсчитывается от свободной поверхности, а г — от грани­ цы зоны трещинообразования.

Напряжение растяжения суммируется со сжимающим на­ пряжением в каждой точке, которое после прохождения фронта волны затухает по закону

Таким образом, суммарное напряжение в точке, находя­ щейся на расстоянии г\ от свободной поверхности или на рас­ стоянии г от границы трещинообразования, будет

сг2 = or2 (гJ r ) 1’ H~at — a2r'/2/i — г =

Коэффициент затухания выражается формулой

где коэффициент

68

и показатель экспоненты

циальная энергия ВВ; ув — объемная масса ВВ.

Определив по вышеприведенным формулам ширину зон пла­ стических деформаций, трещийообразования и упругой зоны и суммируя их, получим общую' ширину разрушаемой зоны.

Рассмотрим зависимость влияния ширины щели на передачу энергии в неограниченную среду. Энергия взрыва заряда ВВ может передаваться за щель следующим образом. При весьма малой ширине щели возможно ее закрытие при выходе волны напряжения на стенку щели в результате смещения среды за фронтом волны напряжений. В этом случае за щель уходит энергия волны напряжений, что связано со значительными' по­ терями энергии заряда ВВ.

При большой ширине щели волны напряжений, выходя' на ее поверхность, отражаются от стенки, как от свободной поверх­ ности. Но так как разрушение массива происходит с меньшей - скоростью, чем распространение волн напряжений, то вслед­ ствие квазистатического давления продуктов детонации (меняю­ щегося гораздо медленнее, чем длительность волй* напряже­ ний) свободная поверхность будет продолжать смещаться. При недостаточной ширине щели возможна передача энергии за щель в связи с продолжающимся квазистатическим давлением

му дальнейшая передача энергии взрыва заряда ВВ массиву может происходить через щелевое пространство в виде кине­ тической энергии кусков разрушенного массива при соударении с противоположной стенкой. Вследствие этого произойдет до­ полнительное дробление разрушенного массива и незначительная деформация стенки щели со стороны неограниченного массива. При дальнейшем увеличении ширины щели кинетическая энер­ гия, передаваемая стенке кусками разрушаемого взрывом мас­ сива, будет уменьшаться вследствие их предварительного со­ ударения. Ширина щели должна обеспечить взрывание следую­ щего ряда зарядов ВВ на вновь образованную свободную по­ верхность и с минимальной передачей энергии во взорванный массив. Следовательно, приняв необходимую ширину компен­ сирующей щели, можно обеспечить оптимальный режим работы заряда ВВ.

69