文｜國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局 材料工程發(fā)明審查部 任亮平

軟土地基處理存在多種處理方法，爆炸固結(jié)法實(shí)際上是爆炸結(jié)合堆載預(yù)壓來處理軟土地基的方法，即：先軟土內(nèi)設(shè)置排水通道，在軟土地基表面實(shí)施堆載預(yù)壓，在上覆荷載下實(shí)施固結(jié)沉降，等到固結(jié)后的沉降完全穩(wěn)定下來，然后在軟基中裝置適量炸藥引爆，借助炸藥爆炸造成的劇烈震動，進(jìn)一步降低軟土的強(qiáng)度，從而破壞軟土地基的固結(jié)平衡，再在上覆荷載下產(chǎn)生附加壓縮沉降, 最終達(dá)到超載預(yù)壓的效果。中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所針對爆炸固結(jié)法分別作了現(xiàn)場試驗(yàn)和模型試驗(yàn)[2,3,4,5]，對爆炸固結(jié)法處理軟土地基的沉降規(guī)律、強(qiáng)度變化規(guī)律等做了試驗(yàn)性的研究。

本文根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析爆炸固結(jié)法處理軟土地基的特點(diǎn)，并結(jié)合這些特點(diǎn)探討與其他軟土地基處理方法結(jié)合的可行性。

1 試驗(yàn)情況介紹

1.1 現(xiàn)場試驗(yàn)

2001年5月, 鐵道科學(xué)研究院在西南線中鐵十六局施工DK299 +500 ～ DK299+550 段，對深層軟土地基進(jìn)行爆炸結(jié)合堆載預(yù)壓處理的現(xiàn)場試驗(yàn)[2,3], 試驗(yàn)場地長30 m 、寬20m , 淤泥質(zhì)土體深度為1m-7.5 m。試驗(yàn)情況: 堆載預(yù)壓采用在淤泥質(zhì)土體上堆填3 m厚填土,淤泥質(zhì)土體中布置排水砂井,先進(jìn)性預(yù)壓沉降，再進(jìn)行爆炸處理。爆后進(jìn)行沉降觀測，并對土體物理、力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行測量。表1為物理指標(biāo)、剪切和壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖1為典型沉降曲線。

表1 爆炸前后土體物理、力學(xué)指標(biāo)對比

圖1 典型沉降曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，爆炸對土體的物理力學(xué)指標(biāo)產(chǎn)生了較大影響，在爆炸前期，通常是在1-2周內(nèi)土體的物理力學(xué)便會逐漸得到一定程度是改善，土體中的含水量以及孔間隙都會相對降低，而土體剪切強(qiáng)度則會進(jìn)一步增強(qiáng)，其壓縮性能也會得到提升。但在后期，土體指標(biāo)雖繼續(xù)得到改善，但改善速度較慢。同時，試驗(yàn)在沉降觀測時，還觀測到爆炸導(dǎo)致土體產(chǎn)生較大側(cè)向位移，說明，豎向固結(jié)沉降僅僅是總沉降的一部分。

為了更加明確爆炸對土體物理力學(xué)指標(biāo)在不同階段的影響，還進(jìn)行了爆炸后短時間內(nèi)測量，在爆后1 h 內(nèi)進(jìn)行了現(xiàn)場標(biāo)貫試驗(yàn)對比, 標(biāo)貫試驗(yàn)情況見表2 。由表2 可知,爆炸作用在短時間內(nèi)土體的強(qiáng)度未見升高,反而有下降趨勢, 這說明爆炸作用使得已經(jīng)固結(jié)平衡的土體結(jié)構(gòu)受到擾動, 土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，重新產(chǎn)生固結(jié)沉降，土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在爆后一點(diǎn)時間內(nèi)是要小于堆載預(yù)處理后的強(qiáng)度的；在爆后45 d 進(jìn)行了輕型標(biāo)貫試驗(yàn)對比, N10擊數(shù)提高了1.8 倍，說明土體強(qiáng)度因固結(jié)沉降而重新恢復(fù)、提高。

表2 爆炸前后標(biāo)貫試驗(yàn)對比表

1.2 模型試驗(yàn)

為進(jìn)一步探究爆炸固結(jié)法處理軟土地基的機(jī)理，鐵道科學(xué)研究院又進(jìn)行了模型試驗(yàn)[4,5]，針對爆炸裝置設(shè)置上，可以利用鋼筋混凝土修建一座內(nèi)徑為2m，高為2.4m的圓形土池子，（見如圖2）。在圓形池子內(nèi)放置飽和淤泥質(zhì)軟土，圖3為裝藥和砂井布置示意圖。具體試驗(yàn)操作過程：（1）使用飽和狀態(tài)含水量為100%淤泥質(zhì)軟土，并裝置有排水體，如袋裝砂井；（2）氣囊加載（模擬上覆荷載堆載預(yù)處理）進(jìn)行預(yù)處理，待沉降穩(wěn)定時，爆炸處理土體；（3）在不同階段進(jìn)行強(qiáng)度檢測，同時進(jìn)行沉降觀測。

圖2 模型試驗(yàn)裝置

圖3 裝藥及砂井布置圖

沉降-時間曲線如圖4所示，靜力觸探貫入阻力隨時間變化如圖5、6所示。試驗(yàn)結(jié)果觀測到了土體強(qiáng)度在爆后短時間內(nèi)明顯降低，隨著時間變化土體強(qiáng)度逐漸恢復(fù)并增強(qiáng)。結(jié)合沉降觀測，因此次試驗(yàn)過程中，爆炸池是使用的剛性側(cè)壁，土體難以在水平方向上發(fā)生移動，因而觀測結(jié)果顯示的沉降則完全是由排水固結(jié)產(chǎn)生的豎向沉降，而不會有橫向變形沉降。從而驗(yàn)證爆炸固結(jié)法的機(jī)理，爆炸擾動破壞土體結(jié)構(gòu)，并形成類似裂隙，在上覆荷載下，土體重新排水固結(jié)，形成的結(jié)構(gòu)，土體強(qiáng)度也得到恢復(fù)、提高，達(dá)到加固軟土地基的目的。

圖4 沉降-時間曲線

圖5 貫入阻力在不同時刻變化圖

1.3 試驗(yàn)總結(jié)

綜合現(xiàn)場試驗(yàn)和模型試驗(yàn)，可以看出，爆炸固結(jié)法處理軟土地基，在爆后短時間內(nèi)可以破壞土體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生大量排水，但在處理后期，土體的沉降以及物理、力學(xué)指標(biāo)的變化趨近于常規(guī)的堆載預(yù)壓或超載預(yù)壓，但在土體強(qiáng)度的恢復(fù)、提高上，其效果還有待確定。

2 與其他方法結(jié)合的探討

對于軟土地基，應(yīng)注意其兩個特性，其一是觸變性：軟土未受破壞時常具一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但一經(jīng)擾動，結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度迅速降低甚至變成稀釋狀態(tài)。軟土的這一性質(zhì)稱觸變性。這在現(xiàn)場和模型試驗(yàn)中，也得到了進(jìn)一步地證實(shí)，并且，爆炸固結(jié)法也是利用軟土這種特性。其二是流變性：是指在持續(xù)荷載作用下，土的變形隨時間而增長的特性，結(jié)合爆炸固結(jié)法，爆炸后土體在上覆荷載下重新排水固結(jié)沉降，達(dá)到平衡后，理應(yīng)可以進(jìn)行施工，但由于其流變性的特點(diǎn)，會有可能繼續(xù)產(chǎn)生變形沉降。試驗(yàn)中觀測到土體強(qiáng)度在后期反而略有下降的情況也印證了該特性。因此，采用爆炸固結(jié)法處理軟土地基，一是在爆炸后仍要較長時間來進(jìn)行堆載處理，二是處理效果上，尤其是土體強(qiáng)度的變化情況仍有待確定。

常規(guī)的軟土地基的處理方法中有采用灌入固化物處理的方法，比如常見的深層攪拌法，該方法在固化劑使用上采用的水泥系，然后在地基深處借助深層攪拌機(jī)把軟粘土和水泥漿強(qiáng)行攪拌在一起，產(chǎn)生水泥加固土，使得地基土物理力學(xué)性能發(fā)生改變，以便于能夠進(jìn)一步加強(qiáng)地基承載力，實(shí)現(xiàn)加固軟土地基的目的。針對爆炸固結(jié)法的特點(diǎn)，其在爆炸初期土體強(qiáng)度會急劇下降，同時產(chǎn)生大量排水，可以考慮兩者的結(jié)合：在爆炸后，立即進(jìn)行深層攪拌法的施工，一是可以大大減小深層攪拌機(jī)的攪拌阻力，二是固化劑可以很好的與地基大量排水發(fā)生水化反應(yīng)；同時，土體的排水可通過固化劑吸收拌和為水泥土，而無需再排水，可以考慮減少甚至取消排水體，如：砂井的布置。采用爆炸固結(jié)法結(jié)合深層攪拌法，充分利用了兩者的特點(diǎn)，相對于單獨(dú)采用各個方法，可以減少施工量、縮短施工周期，由于處理后形成水泥加固土，即徹底改變了土體性質(zhì)，也會克服常規(guī)軟土地基流變性的缺點(diǎn)，提高處理效果，這種結(jié)合方法針對飽和軟粘土尤為適用。

3 小結(jié)

采用爆炸固結(jié)法結(jié)合灌入固化物處理的方法，如深層攪拌法，是根據(jù)爆炸固結(jié)法的現(xiàn)場試驗(yàn)和模型試驗(yàn)的結(jié)果，結(jié)合各方法的特點(diǎn)，針對飽和軟土的特點(diǎn)，針對性提出的相結(jié)合的軟土地基的處理方法，其具體處理步驟以及實(shí)際效果，還需通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。