Файл: Кушнарев Д.М. Использование энергии взрыва в строительстве.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 127
Скачиваний: 0
стоянии |
12—16 |
см |
после |
взрыва, |
при использовании |
битумно- |
|||||||||
парасриновой |
смеси — соответственно |
до 1,97 и 1,64 г/см3 |
|
и |
при |
||||||||||
применении |
жидкого |
битума — соответственно |
до |
|
2,02 |
и |
|||||||||
1,76 |
г/см3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При |
взрыве |
микрозарядов |
в |
различных |
жидкостях |
пори |
|||||||||
стость изменяется |
также по |
синусоидальной |
кривой |
с |
неболь |
||||||||||
шими |
амплитудами |
(рис. 84). После |
взрыва с применением во- |
||||||||||||
доцементного |
состава на |
расстоянии |
16 см от поверхности есте |
||||||||||||
ственная влажность снизилась с 43,1 |
(до взрыва) до 36,1%; при |
||||||||||||||
использовании |
|
битумио-парасрииовой |
смеси — до |
36,1% |
и |
жид |
|||||||||
кого |
битума — до 34,1 % • |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4
f I |
I |
I |
I |
' |
' |
I |
I |
I |
I |
I I |
г - І - |
I i |
1 1 |
О |
|
4 |
|
в |
|
П |
|
18 |
|
20 |
24 |
S, |
см |
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
Упрочнение грунтов при взрыве изучалось по сопротивляе
мости сдвигу исходя из |
условия т = |
(где |
р р а з — прочность |
|
F — площадь |
F |
|
при одноосном сжатии; |
монолита |
грунта цилин |
дрической формы с соотношением диаметра к высоте образца
1:2). |
При взрыве микрозарядов с применением |
смеси |
жидкого |
||||
цемента сопротивление сдвигу на расстоянии |
16 |
см |
от |
грунто |
|||
вой |
поверхности составляло т = 0,92 |
кгс/см2, |
с |
использованием |
|||
битумно-парафиновой смеси т=1,32 |
кгс/см2 |
и |
жидкого |
битума |
|||
(при |
температуре подогрева 80—110° С) т=1,52 |
кгс/см2 |
против |
||||
исходной прочности 18 кг с/см2. При |
использовании |
различных |
сред в качестве заполнителя пространства между стенками сква жины и зарядом существенную роль играет диаметр, заряда. Наибольшая уплотияемость грунтов наблюдается при наполне нии скважины жидким битумом и наименьшая при использова
нии раствора цемента |
(табл. 15). |
Т а б л и ц а 15 |
||||
|
|
|
|
|
||
|
Коэффициент увеличения |
Коэффициент увеличения |
прочности |
|||
|
при взрыве с применением |
|||||
Диаметр |
|
|
|
|
различных сред |
|
заряда |
|
|
|
|
битумно- |
|
в мм |
влажно |
объемно- |
пористо |
цементный |
жидкий |
|
|
сти |
го веса |
сти |
раствор (1:3) |
парафнновая |
битум |
|
|
|
|
|
смесь |
|
7 |
1,05 |
1,1 |
1,14 |
1,58 |
2,4 |
3,44 |
8 |
1,06 |
1,15 |
1,21 |
1,98 |
2,8 |
3,8 |
3. ПЕТРОГРАФИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГРУНТОВ ПОСЛЕ ГИДРОВЗРЫВНОЙ ИНЪЕКЦИИ
Для изучения микроструктурных изменений в грунтах при воздействии гидровзрывной инъекции различными цементирую
щими |
составами проводятся петрографические исследования. |
||
В каждом исследуемом |
образце |
грунта отбирают шлифы до |
|
взрыва |
и после взрыва |
и изучают |
с помощью поляризационно |
го микроскопа МИН-4 от осветителя ОИ-19 с увеличением в про ходящем поляризованном свете до 360 раз.
Были исследованы грунты трех разновидностей: песчаноалевритовая глина, кварцевый песок и суглинки, изъятые на опытном лабораторном полигоне с. Захарино Подольского рай она (рис. 85).
По шлифовым отпечаткам песчано-алевритовой глины до взрыва установлено, что она включает агрегаты из элементар ных частиц глин и крупнообломочного материала неправильной формы. Глинистая часть грунта представлена неориентирован ными частицами бурого цвета, среди которых выделяются че шуи и волокна оптически ориентированных глин. Оптически ори ентированные глины образуют тонкие каемки вокруг обло-
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
ства под действием высоких |
градиентов давления закупоривают |
||
узкие капиллярные |
каналы, |
соединяющие поровые |
полости. |
Таким образом, |
данная |
задача разделяется на |
две: первая |
по своему характеру относится к динамическим задачам теории
упругости, |
а вторая, по существу, |
является |
задачей |
взрывного |
||
кольматажа |
и эквивалентна |
задаче |
о фильтрации мелкодиспер |
|||
сной среды |
через пористую |
среду, |
граница |
которой |
находится |
|
в движении. При этом основную |
трудность представляет первая |
|||||
задача, связанная с выбором |
той |
или иной |
модели грунта. |
2. ВЫБОР МОДЕЛИ ГРУНТА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕЙСТВИЯ ВЗРЫВА
Выбор той или иной модели грунта, необходимой для теорети
ческого |
рассмотрения |
действия взрыва на грунт, осложняется |
тем, что |
его свойства |
зависят от многих факторов, в частности |
от степени дисперсности и неоднородности, влажности, пористо
сти |
и пр. Поэтому |
каждая модель грунта отражает лишь неко |
|||||||||
|
|
Za0 |
|
торые |
характерные |
особенно |
|||||
|
|
|
сти и не может учитывать всех |
||||||||
|
|
|
|
С Е О Й С Т В , |
в |
связи |
с чем |
невоз |
|||
|
|
|
|
можно |
ввести |
единое |
уравне |
||||
|
|
а_зар |
ние состояния |
для |
всех грун |
||||||
|
|
|
I — I |
тов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рассмотрим |
|
бесконечный |
|||||
|
|
|
|
цилиндрический |
заряд |
радиу |
|||||
|
|
|
Ш |
сом го, расположенный на оси |
|||||||
Р |
|
|
бесконечной |
|
цилиндрической |
||||||
|
|
скважины радиусом а0, причем |
|||||||||
|
|
между |
зарядом |
и |
стенками |
||||||
|
|
ж |
скважины |
имеется |
воздушная |
||||||
|
|
2ак |
прослойка (рис. 86). |
В |
резуль |
||||||
|
|
|
|
тате взрыва |
полость |
расширя |
|||||
Рис. |
86. |
Модель грунта при • взрыве |
ется и первоначальный |
радиус |
|||||||
скважины а0 увеличивается до |
|||||||||||
заряда |
в скважине с воздушной про |
||||||||||
|
|
слойкой |
|
значения ак. Требуется опреде |
|||||||
|
|
|
|
лить конечный |
диаметр поло |
||||||
|
|
|
|
сти в зависимости |
от |
величины |
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
da |
~ |
мок полости |
равна нулю. Такое предположение, конечно, |
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
полнения камеры взрывчатым |
веществом: |
|
|
' О |
|
Р о ~ ^ Р |
= і - - - ^ , |
(XI. 1) |
где pa—начальная плотность ВВ; D — скорость |
детонации. |
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
взрыва от объема камеры |
может быть описана |
адиабатой ': |
|
рѴу = const, |
(XI.2) |
где показатель адиабаты |
7 = 3 при больших |
плотностях и у = |
= 1,2-4-1,3 при расширении продуктов взрыва примерно в 10 раз.
При достаточном |
объеме |
воздушной полости, |
когда начальный |
|
£ |
где Е0 — начальная |
|
объем камеры У 0 |
> — г ( |
энергия взрывча- |
|
|
Ро |
|
|
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
нение адиабаты (XI.2) то |
значение давления р*, которое в со |
стоянии удержать стенки |
полости от дальнейшего расширения, |
т. е. |
(ХІ.З) |
|
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:
|
р ; р = сф0 ; а « 0,3 ^ 0 , 4 ; |
Ркр= ( Р к р ) 3 - |
уравнение адиабаты при у = 3. |
(Ро)
Тогда формула (XI.3) примет следующий вид:
ѵ = ^ ( ^ у и 2 5 .
а \ р*
(ХІ.4)
(XI.5)
(хі.6)
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