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

4

Рис. 84. Изменение пористости (а) и удельного сопротивления грунта (б) в зависимости от расстояния от скважины 5 при взрыве заряда в различных цементирующих средах

/ — до взрыва; 2 — в бнтумно-парафнновой смеси; 3— в цементирующей жидкости; 4 — в жидком битуме

200

После взрыва сильно выделились волокна глин, имеющие одинаковую ориентировку и представляющие собой в поляри­ зованном свете единый кристалл. Вокруг обломочных зерен кварца образовались тонкие пленки зацементированного гидро­ взрывом материала, глубина проникания которого в толщу мас­ сива достигла 1,4—2 мм. Редкие рыхлые скопления в поле зре­ ния микроскопа после взрыва уже не наблюдались. Размер пор уменьшился на 0,8—1% вследствие заполнения их цементирую­ щим мелкодисперсным материалом. В некоторых очень мелких порах (0,05 мм) обволакивающих цементирующих пленок не об­ наружено [33].

Подобная картина наблюдается при гидровзрывной инъек­ ции цементирующих составов в песках и суглинках: разрушение на мельчайшие частицы обломочного материала и связывание их инъекционным цементирующим составом. Исследованиями установлено, что размер нор после взрыва уменьшается не всег­ да, хотя поры при этом принимают более правильное очертание.

ОБРАЗОВАНИЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ПОЛОСТИ

ВГРУНТАХ ПРИ ВЗРЫВЕ ЗАРЯДА

ВЖИДКИХ ЦЕМЕНТИРУЮЩИХ СРЕДАХ

1.ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Устройство вертикальных полостей и глубоких колодцев взры­ вом цилиндрических зарядов ВВ в скважинах, заполненных жидкими и цементирующими средами, является наиболее эф­ фективным, так как значительно повышаются антифильтраци­ онные и прочностные свойства грунта стенок колодцев. При этом энергия взрыва расходуется не только на расширение полости, но и на взрывной кольматаж, протекающий под действием высоких градиентов давления. Поэтому требуется не только получить необходимые геометрические параметры образующихся поло­ стей, но и специально подобрать физико-механические свойства среды, окружающей заряд. Если грунт при взрыве сопротивля­ ется действию взрывных газов и подвергается необратимым пла­ стическим деформациям (уплотнению), то роль промежуточной среды в этом смысле пассивна, так как она только передает через себя давление взрывных газов, а сама практически не деформируется, потому что ее свойства близки к свойствам иде­ альной несжимаемой жидкости. Основная роль промежуточной среды в такой постановке заключается в том, что находящиеся

203

в ней во взвешенном состоянии мелкие частицы твердого веще­

по своему характеру относится к динамическим задачам теории

2. ВЫБОР МОДЕЛИ ГРУНТА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕЙСТВИЯ ВЗРЫВА

Выбор той или иной модели грунта, необходимой для теорети­

от степени дисперсности и неоднородности, влажности, пористо­

заряда и различных физико-механических, прочностных и пла­ стических свойств грунта на основе выбранной модели грунта.

Обсудим постановку рассматриваемой задачи. Прежде все­ го данная задача имеет цилиндрическую симметрию, при кото­ рой несущественна зависимость от вертикальной координаты, так как мы исключаем наличие свободной границы. Поскольку можно принять, что скорость разлета продуктов намного больше скорости расширения полости, то в первом приближении можно считать, что в каждый данный момент скорость расширения сте-

204

dt

является упрощенным.

Динамическое рассмотрение потребовало бы применения уравнений движения грунта и строгой постановки граничных условий на фронте ударной волны и стенках полости, что явля­ ется сложной задачей. Однако в первом приближении, достаточ­ ном для сравнения теоретических данных с экспериментальны­ ми, указанный подход вполне приемлем, который, кроме того, вскрывает некоторые прочностные и пластические свойства грунтов, придавая им наглядный физический смысл, и широко использует энергетические и термодинамические соображения. Основные положения рассматриваемого здесь явления в стати­ ческой постановке сводятся к следующему.

В результате взрыва цилиндрического заряда, помещенного в скважину с воздушной прослойкой, возникают высокие дав­ ления— около 5-Ю4 —5-105 кгс/см2. Эти давления внезапно на­ чинают воздействовать па стенки зарядной камеры, которые испытывают при этом внезапную нагрузку, равную в начальный момент давлению детонации взрывчатого вещества. Максималь­ ное давление в полости внутри безграничной среды не может превышать некоторого значения ps, которое обусловливается прочностью и сжимаемостью данной среды. Поэтому, если дав­ ление в начальный момент превышает ps, то полость будет рас­ ширяться до тех пор, пока давление не снизится до этого значе­ ния. Движение среды в заключительной стадии расширения га­ зовой камеры прекращается в тот момент, когда давление газов па стенку равно напряжениям на границе полости. В этот мо­ мент напряжения соответствуют статическому полю напряже­ ния в среде. Постоянное значение ps есть константа, которая описывает прочностные свойства грунтов. Физический смысл ее заключается в том, что она характеризует то значение напря­ жения, при котором происходит упрочнение грунта. Известно, что в начальный момент давление рп приблизительно равно поло­ вине давления в детонационной волне при условии плотного за­

Здесь предполагается, что давление выровнено по объему камеры. Это предположение допустимо при сосредоточенных зарядах, поскольку скорость звука в продуктах взрыва всегда намного, больше скорости расширения газовой камеры. При ис­ пользовании удлиненных зарядов давление в момент детонации не успевает выровняться по длине заряда. Тем не менее в при­ нятой нами идеализированной схеме будем считать, что взрыв различных частей заряда происходит одновременно и мгновен-

205

но, что соответствует бесконечной скорости распространения де­ тонационной волны. Начальное давление будем по-прежнему определять по формуле (XI.1), причем ошибка в начальных данных, возникающая неизбежно при такой постановке, не по­ влияет на результат, так как нас интересует решение задачи в асимптотическом смысле, т. е. при ^->-оо.

Обычно принимают, что зависимость давления в продуктах

= 1,2-4-1,3 при расширении продуктов взрыва примерно в 10 раз.

того вещества, рассчитанная на единицу длины в продольном направлении), можно считать 7=1,25.

Чтобы определить размеры камуфлетной полости, образуе­ мой при взрыве заряда в грунте, достаточно подставить в урав­

Если начальный объем воздушной полости был недостаточ­ ным, в формулу (ХІ.2) необходимо подставлять значения про­ межуточной точки адиабаты ркр и Ук р , при которых показатель адиабаты у станет равным 1,25. При этом для определенности можно считать, что рир и р к р составляют известную долю соответ­ ственно начального давления и плотности заряда. Обычно при­ нимают:

Можно предложить также несколько видоизмененную формулу для расчета объема камуфлетной полости (XI.3), если пренебречь упругой частью энергии продуктов взрыва и считать их идеальным газом. Тогда начальное давление в камере выра-

1 Более точный вывод уравнения состояния продуктов взрыва дан в ра­ боте Я. Б. Зельдовича и А. С. Компанейца «Теория детонации», ГИТТЛ, 1955.

206

жается непосредственно через внутреннюю энергию в идеаль­ ном газе:

где у*— некоторый эффективный показатель адиабаты (можно считать у*=1,25). Подставляя выражение (XI.7) в (XI.3), по­ лучим:

описывают количественным образом явление расширения по­ лости газовой камеры под действием взрыва. Существенным не­

ся не объемными силами, а силами, приложенными к поверх­ ности,

где а — коэффициент Пуассона.

Введем цилиндрические координаты с осью z по оси цилинд­ ра. При однородных вдоль оси условиях деформация представ­

207

и из уравнения (XI.10) с учетом (XI.11) получим окончательное уравнение равновесия в упругой области:

Интегрируя последнее соотношение, получим:

r

Известно, что в цилиндрических координатах r, ср, z компо­ ненты тензора деформаций выражаются через смещение сле­ дующим образом:

208

ФФß

Зная тензор деформаций, легко вычислить перемещение гра­ ниц упругой зоны:

Продольные напряжения в данном случае, очевидно, равны пулю:

а = (а 4- er ) а = О

Во второй зоне главные напряжения связаны условием пла­ стичности:

Чтобы записать последнее уравнение в цилиндрических пе­ ременных, следует воспользоваться формулами перехода от де­ картовых переменных к полярным:

в интересующей нас криволинейной ортогональной системе ко­ ординат.

Тензор напряжений и тензор деформаций для плоской зада­ чи в полярной системе координат могут быть записаны в виде:

,<т„ 0

0 a

ФФ

На рис. 87 представлены система напряжений для элементар­ ного объема, выделенного в полярных координатах, и картина его смещения.