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        對爆炸法處理軟土地基技術(shù)中炸藥作用的幾點(diǎn)認(rèn)識

        2021-04-17 11:52:22李永和韋昌富王吉利于桓飛
        浙江水利科技 2021年2期
        關(guān)鍵詞:炸藥包海堤拋石

        李永和,韋昌富,陳 盼,王吉利,陳 林,于桓飛

        (1.浙江省水利河口研究院(浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院),浙江 杭州 310020;2.巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430071;3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,湖北 武漢 430071;4.浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020)

        1 問題的提出

        隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,可利用的土地資源日趨緊缺,為了有效緩解這一矛盾,社會活動不斷向沿海地帶聚集,各類工程建設(shè)數(shù)量日益增長。而在沿海地區(qū)廣泛存在著厚度不等的淤泥或淤泥質(zhì)軟土層,建設(shè)安全可靠的工程,必須對軟土層進(jìn)行處理,以構(gòu)筑各種圍堤基礎(chǔ)。目前常用技術(shù)為排水板法和爆炸擠淤置換法,相對排水板法,爆炸擠淤置換法處理軟基工后沉降量較小,工期較短,因此,用爆炸擠淤置換法處理軟基的工程日漸增多。爆炸擠淤置換法處理較淺層淤泥(堤身為落底結(jié)構(gòu),即堤身落在持力土層上)軟基的技術(shù)已成熟,早期提出的爆破排淤填石法所能處理的淤泥厚度較淺,一般不超過12 m,并要求軟基上有覆蓋水層[1-2]。如今隨著沿海建設(shè)的發(fā)展,越來越多地遇到深厚淤泥層需處理,如采用落底式結(jié)構(gòu),費(fèi)用相當(dāng)巨大或者難以實(shí)現(xiàn),目前逐步采用的懸浮式結(jié)構(gòu)[3-4](填料部分置換軟基,堤身不落底到持力層),需經(jīng)大規(guī)模工程實(shí)踐驗(yàn)證,其中許多機(jī)理有待進(jìn)一步探索。本文結(jié)合懸浮式海堤工程結(jié)構(gòu)(所依托的海堤長度超過5 000 m,最大置換深度超過30 m)爆炸擠淤置換法施工過程中的爆炸參數(shù)、拋石填量和爆炸前后海堤拋石的沉降變化等實(shí)測數(shù)據(jù),對其中的相關(guān)性進(jìn)行分析探討,研究成果對此領(lǐng)域的實(shí)踐和研究具有參考和指導(dǎo)意義。

        爆炸擠淤置換法的原理是在堤頭預(yù)先拋填混合石料,在拋填堤頭前方6~8 m埋置炸藥包群,埋置深度為涂面下6~8 m;起爆后,產(chǎn)生的爆炸效應(yīng)及石料在軟土地基上或地基中所產(chǎn)生的附加應(yīng)力超過土體的抗剪強(qiáng)度時,土體產(chǎn)生破壞,石料在自重作用下,淤泥被擠出,石料下沉,達(dá)到預(yù)定的落底深度,從而提高深厚軟土層的承載能力。即使使用爆炸擠淤置換法處理淤泥質(zhì)軟基,由于深厚軟土層的特性、施工工藝的限制與節(jié)約成本的考慮,回填海堤的底部并未落在深處、承載力較高的土層上,而是落在承載力并不是很高的上伏深厚軟土層中,成為所謂的懸浮式結(jié)構(gòu)。

        為了解爆炸擠淤置換法在海堤建造過程中的內(nèi)在關(guān)系,在爆炸前后對海堤斷面進(jìn)行測量,爆炸前首先測量拋石體的堤頭橫斷面(垂直于堤軸線)及堤身縱斷面(自堤頭沿堤軸線)外輪廓高程,符合設(shè)計(jì)的拋填參數(shù)后再起爆,爆炸后再次測量堤頭橫斷面及堤身縱斷面外輪廓高程,用于對比爆炸產(chǎn)生的瞬時變化(沉降),以便分析爆炸與海堤施工的機(jī)理內(nèi)涵。

        2 爆炸對海堤沉降的影響程度分析

        浙江省玉環(huán)市漩門三期圍墾工程,是至今省內(nèi)一次性圍涂面積最大的圍墾工程,總圍涂面積4 530 hm2(6.795萬畝)。漩門三期圍墾工程位于玉環(huán)市(2017年4月玉環(huán)撤縣設(shè)市)東北的漩門灣,東瀕東海,南接玉城、坎門街道,西鄰蘆浦鎮(zhèn),北靠龍溪、干江2鎮(zhèn)。海堤總長5 352 m,由南向北分為坎門海堤(325 m)、珠港海堤(4 077 m)、干江海堤(950 m)3段。海堤基礎(chǔ)軟基設(shè)計(jì)置換深度27 m,基礎(chǔ)底寬28 m,最大腰寬超過70 m。珠港海堤段軟基最深,超過40 m,涂面高程-4.40~-3.00 m。其中,干江海堤、珠港海堤基礎(chǔ)處理采用爆炸擠淤置換法,珠港海堤南段1 520 m(涂面高程較低)為Ⅰ標(biāo)海堤,珠港海堤北段2 557 m(涂面高程次于Ⅰ標(biāo))為Ⅱ標(biāo)海堤。海堤地基土層主要由Ⅰ層淤泥夾粉土、Ⅱ?qū)佑倌?、Ⅲ淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、Ⅳ層黏土夾粉細(xì)砂等組成。

        用爆炸擠淤置換法處理淤泥(質(zhì))軟基,拋石體置換淤泥(質(zhì))軟基的深度為16~30 m,最大置換軟基深度30.8 m。炸藥包一般埋設(shè)在泥面以下8 m左右,單包炸藥量最大為40~50 kg,僅利用炸藥包的爆炸作用將淤泥排除(形成空腔使拋石下落充填)至30 m的深度,是不可能實(shí)現(xiàn)的。爆炸擠淤置換法主要是利用多次“炸藥爆炸——拋石下沉”的疊加效應(yīng),再加上拋石體的自沉累計(jì)深度,最終擠淤達(dá)到拋石體的置換深度。經(jīng)分析現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù),得出以下規(guī)律:

        (1)Ⅰ標(biāo)海堤堤頭爆炸沿海堤水平方向影響范圍超過51 m,按每次起爆堤頭拋石進(jìn)尺5 m計(jì),對堤身同一斷面的瞬時沉降影響可達(dá)9個炮次,逐次堤頭炮爆前和爆后瞬時沉降量對比疊加深度為16.29 m(見表1),約為海堤鉆探檢測落底深度(拋石置換軟基,下同)的57%,其余43%的深度由自沉累計(jì)沉降產(chǎn)生。與炸藥包距離不同,拋石沉降差異明顯。一次堤頭炮爆炸產(chǎn)生的拋石瞬時沉降數(shù)據(jù)中,距炸藥包8 m處,一次沉降420 cm的頻次最高;距炸藥包21 m處,一次沉降217 cm的頻次最高;距炸藥包36 m處,一次沉降116 cm的頻次最高;距炸藥包51 m處,一次沉降67 cm的頻次最高。沉降值的分布情況見圖1。

        表1 Ⅰ標(biāo)海堤逐次堤頭炮沉降量疊加統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表 cm

        圖1 Ⅰ標(biāo)海堤沉降量直方圖

        (2)Ⅱ標(biāo)海堤堤頭爆炸沿海堤水平方向影響范圍約39.8 m,按每炮堤頭拋石進(jìn)尺5 m計(jì),對堤身同一斷面的瞬時沉降影響可達(dá)7個炮次,逐次堤頭炮爆前和爆后瞬時沉降量對比疊加深度為11.27 m(見表2),約為海堤鉆探檢測落底深度的44%,其余56%的深度由自沉累計(jì)沉降產(chǎn)生。與炸藥包距離不同,拋石沉降差異明顯。一次堤頭炮爆炸產(chǎn)生的拋石瞬時沉降數(shù)據(jù)中,距炸藥包8 m處,一次沉降375~406 cm的頻次最高;距炸藥包18 m處,一次沉降189 cm的頻次最高;距炸藥包28 m處,一次沉降55~86 cm的頻次最高;距炸藥包38 m處,一次沉降26 cm的頻次最高。其沉降值的分布情況見圖2。

        圖2 Ⅱ標(biāo)海堤沉降量直方圖

        表2 Ⅱ標(biāo)海堤逐次堤頭炮沉降量疊加統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表 cm

        (3)干江海堤堤頭爆炸沿海堤水平方向影響范圍約33.6 m,按每炮堤頭拋石進(jìn)尺5 m計(jì),對堤身同一斷面的瞬時沉降影響可達(dá)6個炮次,逐次堤頭炮爆前和爆后瞬時沉降量對比疊加深度為6.35 m(見表3),約為海堤鉆探檢測落底深度的38%,其余62%的深度由自沉累計(jì)沉降產(chǎn)生。與炸藥包距離不同,拋石沉降差異明顯。一次堤頭炮爆炸產(chǎn)生的拋石瞬時沉降數(shù)據(jù)中,距炸藥包8 m處,一次沉降271 cm的頻次最高;距炸藥包15 m處,一次沉降142 cm的頻次最高;距炸藥包20 m處,一次沉降69 cm的頻次最高;距炸藥包30 m處,一次沉降31 cm的頻次最高。其沉降值的分布情況見圖3。

        表3 干江海堤逐次堤頭炮沉降量疊加統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表 cm

        圖3 干江海堤沉降量直方圖

        續(xù)表3

        通過現(xiàn)場情況分析,瞬時沉降量越大,由瞬時沉降量所占累計(jì)沉降量的比例越大,自沉量越小,工后沉降量越小,沉降期越短;反之,瞬時沉降量越小,瞬時沉降量占累計(jì)沉降量的比例越小,自沉量越大,工后沉降量越大,沉降期越長。

        3 海堤拋石數(shù)量與炸藥數(shù)量的關(guān)系

        根據(jù)1999年5月1日實(shí)施的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTJ/T 258——98《爆炸法處理水下地基和基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》[2],其中“4.1.1爆破排淤填石是在拋石體外緣一定距離和深度的淤泥質(zhì)軟基中埋放藥包群,起爆瞬間在淤泥中形成空腔,拋石體隨即坍塌充填空腔形成‘石舌’,達(dá)到置換淤泥的目的……”。從中可以得出,炸藥數(shù)量決定拋石體所填充的空腔大小,規(guī)范推薦的炸藥用量,是當(dāng)HS(泥面以上填石厚度,m)與Hm(置換淤泥厚度,m)的比值為0.8~1.2時,爆破排淤填石炸藥單耗q0(爆除單位體積淤泥所需的炸藥量,kg/m3)為0.6~0.8 kg/m3?,F(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTS 204——2008《水運(yùn)工程爆破技術(shù)規(guī)范》中,有關(guān)“爆破排淤填石”的內(nèi)容大體沿用原規(guī)程[2]的核心內(nèi)容。

        在采用懸浮式海堤工程結(jié)構(gòu)的施工建造過程中,發(fā)現(xiàn)利用爆炸法置換淤泥的機(jī)理及炸藥用量和上述規(guī)范內(nèi)容差異甚大,實(shí)踐中炸藥用量(炸藥單耗量)與拋石體落底的深度及置換淤泥的體積并非成正比。炸藥只是一個觸發(fā)因素,炸藥爆炸的作用使淤泥和拋石體之間的臨界平衡狀態(tài)被打破(產(chǎn)生淤泥結(jié)構(gòu)強(qiáng)度瞬間弱化的跡象,目前尚無法給出定量的解釋,下同),拋石體在自重荷載作用下將淤泥擠開達(dá)到置換淤泥的目的。爆炸前拋石體積越大、質(zhì)量越大,爆后拋石體沉降深度、置換淤泥的體積就越大。漩門三期圍墾工程的海堤分為Ⅰ標(biāo)海堤、Ⅱ標(biāo)海堤、干江海堤,其具體分段和地質(zhì)條件情況見參考文獻(xiàn)5,根據(jù)各堤頭炸藥單耗量X(每次堤頭起爆炸藥量/每次堤頭起爆拋石體總量,kg/m3;炸藥量含海堤側(cè)爆的藥量,未包含爆夯的藥量)和海堤堤頭拋石量(每次堤頭起爆拋石體總量/拋石進(jìn)尺,m3/m)的數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析,兩者關(guān)系十分密切,函數(shù)關(guān)系及相關(guān)性見表4。

        表4 海堤炸藥量與拋石量相關(guān)關(guān)系分析表

        實(shí)施中首先在干江海堤進(jìn)行爆炸擠淤試驗(yàn),最初上堤拋石體的數(shù)量為每斷面方(m3/m)按1.8 t計(jì)拋,爆后經(jīng)鉆孔探摸,懸浮式海堤拋石體落底深度未達(dá)到設(shè)計(jì)深度,而堤頭起爆炸藥量最大為540 kg,最大單耗藥量為0.24 kg/m3。經(jīng)分析認(rèn)為所選用的上堤拋石體數(shù)量不足,在隨后Ⅰ標(biāo)海堤、Ⅱ標(biāo)海堤施工中,上堤拋石體的數(shù)量調(diào)整后為每斷面方按2.1 t計(jì)拋。調(diào)整方案施工后,鉆孔探摸表明懸浮式海堤拋石體落底深度均達(dá)到設(shè)計(jì)深度。干江海堤設(shè)計(jì)平均斷面方為806 m3/m,Ⅰ標(biāo)海堤和Ⅱ標(biāo)海堤是同一條海堤,Ⅰ標(biāo)海堤設(shè)計(jì)平均斷面方為1 592 m3/m,Ⅱ標(biāo)海堤設(shè)計(jì)平均斷面方為1 347 m3/m,將3段海堤堤頭爆炸藥量和拋石量的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行比較,其擬合趨勢見圖4。拋石量在600 m3以下時,爆炸擠淤堤頭炸藥單耗量干江海堤最大,Ⅱ標(biāo)海堤次之,Ⅰ標(biāo)海堤最小,變化趨勢和海堤平均斷面方量成反比;拋石量在600~1 300 m3/m時,Ⅱ標(biāo)海堤炸藥單耗量高于Ⅰ標(biāo)海堤。由此表明,在相同環(huán)境條件下,爆炸擠淤置換體量的主要因素是拋石荷載,而非單純依靠炸藥用量。

        圖4 海堤拋石量與炸藥量關(guān)系圖

        4 爆炸對海堤沉降的影響范圍分析

        堤頭起爆后,爆炸的綜合作用使淤泥和拋石體之間的臨界平衡被打破(產(chǎn)生淤泥結(jié)構(gòu)瞬間弱化,強(qiáng)度降低),拋石體在震動及自重荷載的作用下迅速下沉,沉降深度靠近炸藥包最大,隨著與炸藥包的距離增大而逐漸減小。根據(jù)起爆前后堤頭拋石體高程的測量數(shù)據(jù),經(jīng)計(jì)算分析,堤身沉降量與炸藥包的距離呈負(fù)相關(guān),其數(shù)理統(tǒng)計(jì)關(guān)系十分密切(見表5)。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),Ⅰ標(biāo)海堤(平均斷面方為1 592 m3/m)爆炸沉降影響距離約為51.0 m,Ⅱ標(biāo)海堤(平均斷面方為1 347 m3/m)爆炸沉降影響距離約為39.8 m,干江海堤(平均斷面方為806 m3/m)爆炸沉降影響距離約為33.6 m,反映出堤頭爆炸沉降影響距離與拋石體的荷載大小成正比。與炸藥包距離不同,對應(yīng)沉降量見圖5。從中可以得出,沉降范圍大小與拋石體的體積(荷載)大小成正比,炸藥量(單耗)大小不是唯一的影響因素。

        圖5 海堤距炸藥包不同距離沉降關(guān)系圖

        表5 海堤距炸藥包不同距離沉降相關(guān)關(guān)系分析表

        5 結(jié) 語

        (1)海堤拋石數(shù)量與炸藥數(shù)量的關(guān)系,并非如規(guī)范(程)所表述,拋石置換量越大,炸藥單耗用量越大,而是在爆前(一次起爆)拋石的數(shù)量(荷載)越大,炸藥的單耗量(即單位置換量所需炸藥量)越小。反映出在相同環(huán)境條件下,爆炸擠淤置換體量的主要因素是拋石荷載,強(qiáng)調(diào)拋石的自重?cái)D淤作用[6],而非單純依靠炸藥用量。

        (2)爆炸對海堤沉降的影響范圍,堤頭起爆后,爆炸的綜合作用使拋石體在震動及自重荷載的作用下迅速下沉,沉降深度靠近炸藥包最大,隨著與炸藥包的距離增大而逐漸減小,堤體沉降量與炸藥包的距離呈負(fù)相關(guān)性。

        (3)爆炸對海堤沉降的影響程度,是利用多次“炸藥起爆——拋石下沉”的疊加效應(yīng),加上拋石體的自沉累計(jì)深度,最終擠淤形成拋石體達(dá)到的置換深度,表明沉降大小和拋石體的荷載大小成正比。

        (4)通過現(xiàn)場情況分析,瞬時沉降量越大,由瞬時沉降量所占累計(jì)沉降量的比例越大,自沉量越小,工后沉降量越小,沉降期越短;反之,瞬時沉降量越小,瞬時沉降量占累計(jì)沉降量的比例越小,自沉量越大,工后沉降量越大,沉降期越長。

        因此,提高爆炸擠淤置換淤泥的效果,減少工后沉降,縮短沉降周期,應(yīng)設(shè)法增大瞬時沉降量,也就是適當(dāng)增大爆前拋石體的數(shù)量。

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