книги из ГПНТБ / Кушнарев Д.М. Использование энергии взрыва в строительстве

Величина &(z) представляет собой среднегармоннческое значение проницаемости, которое и определяет поток жидкости.

( ' - і / ' - т Ѵ " і '

Так как коэффициент проницаемости пористой среды изме­ няется на расстоянии от нуля до 2L, приближенно получим:

Эта зависимость показывает, во сколько раз снизилась ин­ тенсивность потока в кольматационной пористой среде по срав­ нению с первоначальным до кольматации. Так как концентра­ ция взвешенных твердых частиц пористой среды ô o C I , а пори­ стость вновь образованного слоя может быть близка к единице, показатель фильтрации может быть достаточно мал:

\80

4. ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ДЛЯ БОЛЕЕ СЛОЖНЫХ СЛУЧАЕВ

Рассмотрим возможность обобщения результатов для более

тами (0, у) будут меньше, чем в точке с координатами (0, 0), и время между приходом прямой и отраженной волн будет со­ ставлять:

,2 (Я 4- Л)

мере удаления от источника взрыва. По мере удаления точки от

181

прямая ударная волна и отраженная от свободной поверхности.

±J-XXJ-JUl

Рис. 74. Периоды статической и взрывной колычатацни

1—период, предшествующий взрыву подвесного мпкрозаряда, в течение которого уста­ навливается концентрация взвешенных частиц в слое обратноупавшего и нарушенного грунта (статическая кольматация) ; // — период, характеризующий действие взрыва при создании упроченных и антнфнльтрацнонных слоев грунта (взрывная кольматация); 41 — период, соответствующий последующему после взрыва этапу, в течение которого

устанавливается равновесный поток жидкости, отличающийся от первоначального

полости и волны будут отражаться от стенок. Идеальным яв­ ляется случай взрыва микрозаряда, расположенного в замкну­ той сферической полости (рис. 73,а).

Очевидно, что при определенном радиусе этой сферы, когда H=faKA(l—е) > 1 (где t"aK= — —время между приходом пря-

мой волны и отраженной от стенки полости), будет протекать активный процесс взрывного кольматажа. Указанные парамет­ ры будут изменяться со временем, согласно формулам (VII.36) (рис. 69 и 70). При произвольном профиле полости будут изме­

Таким образом, области активного процесса взрывной кольматации, очевидно, определяются в основном геометрией стенок

!82

1)период, предшествующий взрыву микрозаряда, в течение которого устанавливается некоторая объемная концентрация взвешенных частиц по толщине пористой среды;

2)период действия самого процесса взрывной кольматации;

Распределение объемной концентрации взвешенных частиц оп­ ределяется формулой (VII.16).

Второй период начинается с момента прихода ударной вол­ ны в данную точку и продолжается до тех пор, пока изменяется давление в этой точке. Изменение давления характеризуется постоянной времени Ѳ (при отсутствии свободной поверхности) и временем taK между приходом прямой и отраженной волн (при наличии свободной поверхности). В этом периоде под дей­

ристость не изменяется), а в узких капиллярных трубках, соеди­ няющих эти полости, вследствие чего капиллярные каналы заку­ пориваются, следовательно, уменьшается коэффициент прони­ цаемости пористой среды.

В третьем периоде устанавливается равновесный поток жид­ кости q в отличие от первоначального qo. Отношение этих пото­ ков будет характеризовать, во сколько раз уменьшится филь­ трация жидкости через пористую среду, подвергшуюся процессу взрывного кольматажа.

ИССЛЕДОВАНИЕ НА МОДЕЛЯХ ПРОЦЕССА РАЗВИТИЯ ВЗРЫВА

ВДИСПЕРСНЫХ И ЖИДКИХ СРЕДАХ

1.МЕХАНИЗМ ВЗРЫВА В ПЛАСТИЧНЫХ ГРУНТАХ

Как известно, при взрыве заряда ВВ, расположенного на опре­ деленной глубине в грунтовом массиве, образуется ударная волна сжатия, скорость распространения которой зависит от давления газов (мощности ВВ) и плотности взрываемой среды. Непосредственно вблизи заряда напряжение сжатия превышает прочность грунта, вследствие чего грунт сжимается и сдвигается по радиусу действия взрыва в противоположную сторону от центра заряда ВВ. Таким образом, вокруг заряда образуется

183

замкнутая полость круглого или эллиптического сечения в зави­ симости от конфигурации самого заряда и наличия вблизи сво­ бодной поверхности. Радиус полости может превышать первич­ ный радиус заряда ВВ в 6—10 раз и более, что определяется структурой, пористостью и влажностью исходного грунта. Вследствие сжатия грунта при взрыве стенки образовавшейся полости уплотняются, приобретают устойчивость, кроме того, снижаются потери на фильтрацию.

Вызванные взрывной волной напряжения па некотором рас­ стоянии от центра заряда становятся меньше сопротивления грунта сжатию, и энергия взрыва за пределами зоны пластиче­ ской деформации распространяется по породе в виде двух упру­ гих волн — продольной и поперечной. В этом случае скорость взрывных волн определяется упругими свойствами и плотностью грунта и на относительно большом расстоянии от центра заряда не зависит от его величины. Наибольшее сжимающее напряже­ ние в грунтах вызывается, как известно, продольной волной, ско­ рость распространения которой значительно больше поперечной.

Теория действия и распространения ударной волны сжатия в плотных деформируемых средах довольно подробно рассмот­ рена в специальной литературе на основании важнейших зако­ нов термодинамики (сохранение массы, количества движения и энергии). Изменение физико-механических и фильтрационных свойств грунтовых масс в зависимости от параметров взрывных волн изучено недостаточно из-за сложности динамических про­ цессов. Применение существующих эмпирических зависимостей при решении подобных задач для вязких горных пород не всег­ да дает правильную величину глубины проникания частиц грун­ та в поры под действием ударных волн сжатия. В этом случае применение методов моделирования для изучения явления в сложных условиях взрываемой пористой среды, доведенной до состояния грунтовой массы, позволяет лучше оценить столь сложный процесс.

2. МЕТОДИКА ЛАБОРАТОРНЫХ ВЗРЫВОВ В ГРУНТОВЫХ МОДЕЛЯХ

Явления, происходящие при взрыве, настолько сложны, что до сих пор нет достаточно удовлетворительной теории, объясняю­ щей физический процесс взрыва в грунтах. Различные структу­ ры скелета грунта, водонасыщенность, состав грунта и многие другие факторы затрудняют составление и решение соответ­ ствующих уравнений. Для математического описания процессов

исследования, которые позволяют создавать упрощенные моде­ ли и получать полуэмпирические зависимости.

Проведению цикла исследовательских работ по взрывной

184

кольматации грунтов в полевых условиях предшествовала серия лабораторных опытов на моделях в аналогичных грунтовых средах. Выполнение экспериментальных работ в полевых усло­ виях без предварительной оценки параметров взрыва и воднофизических свойств грунтов связано с большими трудностями. Кроме того, непосредственно на месте производства работ мож­

поперечному сечению выемки в зависимости от параметров рас­ положения зарядов. Таким образом, действие взрыва в грунтах можно оценить лишь путем исследований на моделях при усло­

ды установлена математическая закономерность подобия дина­ мических процессов удара и взрыва в лабораторных условиях на моделях. Используя основные законы подобия и методы мо­ делирования, изучены, например, распределение напряжений и действие ударных волн, состав грунта до и после взрыва в за­ висимости от диаметра, величины и типа зарядов ВВ. При вы­ полнении опытных работ в лабораторных условиях в первую очередь был выработай масштаб модели.

Для геометрического подобия и подобия напряженного со­ стояния в образцах следует выполнить ряд условий. Рассмотрим их с точки зрения разных авторов, которые исходили из различ­ ных концепций. Так, Г. И. Покровский и И. С. Федоров рассмат­ ривают моделирование взрыва с точки зрения термодинамичес­ кого критерия подобия и размерности. Для установления подо­ бия таких процессов они использовали первый и второй законы термодинамики.

Известно, что при взрыве заряда ВВ не вся энергия расходу­ ется на полезную работу, так как часть ее идет на нагревание, а часть теряется в порах и трещинах окружающей среды. При­ нимая, что при постоянной температуре внутренняя энергия не зависит от объема, Г. И. Покровский и И. С. Федоров вывели условие подобия системы:

185

где T — абсолютная температура; 5 — энтропия; U — энергия; V — объем, занимаемый газом; t — время; F — свободная энер­ гия; р — плотность; Q — подведенное тепло.

где UB — внутренняя энергия газа ВВ; £/м — внутренняя энергия материала.

Для идеальных газов их внутренняя энергия не зависит от объема и тогда

= 0, а при адиабатическом процессе изменение внут­ ренней энергии должно быть равно работе деформации:

авторы теории центробежного моделирования взрыва рассмат­ ривают два условия подобия:

в данный момент времени модели и натуры; ц м и Цп — масса мо­ ля газа модели и натуры; WM и Wn — скорости на модели и в на­ туре; gu и gn — ускорение силы тяжести модели и натуры; X — масштаб моделирования.

следований необходимо соблюдать условия постоянного соотно­ шения линейных размеров блока и натуры:

186

В соответствии с поставленной задачей моделированию под­ лежали удлиненные горизонтальные и вертикальные цилиндри­ ческие заряды. Чтобы установить закономерность изменения напряженного состояния массива в зависимости от диаметра и величины удлиненного цилиндрического заряда ВВ, можно ис­ пользовать формулу

скважины (патрона ВВ); р— расчетное устойчивое давление га­ зов для данного ВВ; as — предел прочности породы на растя­ жение.

Как видно из приведенных зависимостей, несоблюдение гео­ метрического подобия в расположении зарядов в образцах мо­ жет привести к нарушению подобия напряженного состояния массива.

Максимальное напряжение в модели грунта при взрыве мож­ но рассчитать по формуле

(VIII.8)

где с — акустическая жесткость (pa) в г/см2-сек; g— ускорение

силы тяжести в см/сек2; и — массовая скорость смещения частиц

в см/сек.

Скорость смещения частиц определяется экспериментально путем замера с помощью приборов.

Для определения основных параметров взрывных работ с по­ следующим перенесением полученных результатов (на основа­ нии принципов подобия) в натурные условия в качестве образ­ цов использовали породы исследуемого массива — суглинки, глины, пески и торфяники.

Вместо использования громоздких взрывных камер исследо­ вания взрыва проводились на призматических образцах породы, помещаемых в малогабаритную стендовую установку (80Х80Х Х80 см). В лабораторных работах стендовая установка исполь­ зовалась как модель микрокамеры для обработки основных по­ казателей взрыва и физических характеристик породы: скорости ударных воли, массовой скорости движения .частиц породы, фи­ зико-механических изменений и фильтрационных свойств грунта, напряжения внутри и иа поверхности образца и т.д.

Стендовая установка (рис. 75) представляет собой разбор­ ный каркас из прозрачного материала (оргстекла, пластмассы и т.д.), стенки которого скреплены между собой двумя металли­ ческими обручами; верхняя часть каркаса остается открытой.

После того как исследуемый образец массива помещен в кар­ кас и закреплен, размещают датчики в специально приготовлен-

187

пых отверстиях в стенках каркаса и производят микровзрыв в блоках.

Данные, полученные в результате экспериментальной про­ верки выдвинутой нами теории кольматации дисперсных сред в условиях естественного залегания грунта, позволили точнее

Рис. 75. Лабораторная стендовая установка для определения изменения пара­

метров взрывных волн и физико-механических свойств грунтов под действием микрозаряда

в крайних точках и непосредственно вблизи заряда в вертикаль­ ных и горизонтальных имитированных скважинах. Данные изме­ рения импульсов указывают в таблице.

В зависимости от диаметров цилиндрических зарядов, воднофизических и упругих свойств грунта до и после взрыва состав­ ляют осциллограммы скоростей смещения пород. По результа­ там исследований вычерчивают графики изменения массовой скорости, плотности, напряжения и влажности грунта в зависи­ мости от диаметра скважин, структуры грунта и радиуса дей­ ствия взрыва.

Наряду с основными показателями взрыва на тех же моде­ лях исследуют физико-механические и фильтрационные свой­ ства образцов грунтов по известным в гидротехнике методам.

188

3. ОБРАЗОВАНИЕ ПОЛОСТИ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН НАПРЯЖЕНИЯ В ГРУНТАХ ПРИ ВЗРЫВЕ ЗАРЯДА

ВЖИДКИХ ЦЕМЕНТИРУЮЩИХ СРЕДАХ

Влабораторных условиях было выполнено моделирование про­ цесса образования открытой полости путем взрыва удлиненных микрозарядов в различных цементирующих жидкостях и грун­ тах (рис. 76).

жены пьезоэлектрические датчики Р0 и Р\. Пьезоэлектрический керамический датчик был изготовлен из цирконататитаната свинца ЦТС-19.

Микрозаряд, запрессованный в полиэтиленовую трубку высо­ кого давления, или отрезок ДШ помещали в скважину, запол­ ненную соответствующим цементирующим составом. След взрывной волны в момент взрыва фотографировали фотоаппа­ ратом «Зенит», установленным па фотоприставке осцилло­ графа. Диафрагма фотоаппарата срабатывала синхронно с на1 жимом на кнопку конденсаторной взрывной машинки ВМК-3/50. Инициирование микрозаряда осуществлялось от капсюля дето­ натора № 8.

Результаты взрыва записывали в специальный журнал. Были зафиксированы основные параметры до и после взрыва по каж­ дой скважине в отдельности с указанием номера пленки сфото­ графированной взрывной волны, а также данные некоторых по­ вторных взрывов в той же скважине. На основании полученных результатов построены графики (рис. 77) изменения диаметра полости в зависимости от типов грунта, различных наполните­ лей и диаметров зарядов. В качестве жидкого наполнителя при­ меняли воду, цементный раствор, жидкий битум и парафино-би- тумную смесь.

Как видно из рис. 77, а, в глинистом грунте диаметр полости линейно зависит от диаметра заряда. Первоначально были при-

189