Файл: Вовк, А. А. Действие взрыва в грунтах.pdf

факторов). Вторая, наоборот, не включает обратимой состав­ ляющей, но учитывает деформирование за фронтом волны.

Из сравнения приведенных на рис. 5 кривых видно, что влия­ ние временных факторов в грунтовом массиве в области раз­ грузки соответствует их влиянию, определенному при испыта­ ниях образцов тех же грунтов на одноосное сжатие при динами­ ческом нагружении.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ДЕФОРМИРОВАНИЯ

ГРУНТОВОГО МАССИВА В ДАЛЬНЕЙ ЗОНЕ

Из комплекса проблем, связанных с расчетом действия взры­ ва в сжимаемом неводонасыщенном грунте [1—4, 16—39, 45, 81] и созданием в грунтах инженерных сооружений различного на­ значения [1, 24, 40, 88, 99] наименее изучены вопросы их долго­ временной устойчивости, а также сохранения полезных свойств, сообщенных окружающему грунту в процессе динамического деформирования.

Используемые до настоящего времени методы изучения зон остаточных деформаций грунтового массива, подверженного воздействию взрыва, позволили с достаточной для этих методов точностью определить их размеры и некоторые другие количе­ ственные характеристики. В частности, посредством использо­ вания наиболее точного из применявшихся методов — метода радиоактивного каротажа — удалось установить, что объемная деформация грунта снижается с удалением от заряда по сте­ пенному закону, который характеризует долю энергии продук­ тов взрывчатого разложения ВВ, расходуемую на пластические деформации, причем абсолютные размеры зоны остаточных де­ формаций возрастают с увеличением веса заряда и глубины его заложения. Исходя из разрешающей способности применяемой аппаратуры (нижний предел измеряемых значений объемных деформаций в п=0,01) установлено выражение для радиуса уплотненной зоны, окружающей горизонтальный удлиненный заряд выброса и камуфлетный удлиненный заряд.

Расчеты по приведенным зависимостям показывают, что при взрывании в средних суглинках размеры зоны остаточных де­ формаций составляют 180—200 г3 при камуфлетных взрывах и 100—120 г3 при взрывах на выброс. Известно, однако, что и за пределами этих расстояний происходят полезные изменения противофильтрационных свойств грунтового массива [56]. Эти изменения происходят как в момент взрыва, так и в течение не­ которого времени после него.

При исследовании механизма перераспределения влаги в зоне остаточных деформаций методом нейтронного гамма-ка­ ротажа отмечено, что в течение некоторого времени после взры­ ва влажность грунта в фиксированной точке массива (в преде­

52

лах уплотненной зоны) меняется. Так, непрерывный замер ско­ рости счета нейтронным индикатором влажности НИВ-1 в сква­ жине, пробуренной на расстоянии Го=35 г3 от центра заряда, показал, что, начиная с момента взрыва, в течение 10 мин про­ исходит возрастание интенсивности поглощения окружающим грунтом излучения от источника нейтронов, подтверждаемое снижением во времени интенсивности вторичного у-излучения, зарегистрированного счетчиком (рис. 6). Следовательно, наблю­ дался рост влажности грунта в

вие собственного веса воды. В результате этого развивается пластическая деформация, сопровождающаяся уменьшением напряжений и прогрессирующая до удовлетворения условия предельного равновесия.

Как следствие указанного процесса в непосредственной бли­ зости к полости, а также в зоне, примыкающей к области есте­ ственного сложения грунта, напряжения понижаются, влаж­ ность грунта возрастает. При набухании грунта напряжения в этой зоне вновь растут и пластические деформации возобнов­ ляются. Процесс должен продолжаться до установления окон­ чательного равновесия за счет уменьшения сечения выработки.

На рис. 7 и 8 приведены значения перепада влажности ДИ7= = Ц7о—W, замеренные на трех фиксированных расстояниях от заряда в течение примерно 1 ч после взрыва. Кривые зависи­ мости изменения во времени влажности грунта на различных удалениях от заряда позволяют установить как основной харак­ тер перераспределения влаги в уплотненной зоне, так и дина­ мику процесса фильтрации воды в порах деформированного грунта под действием остаточных напряжений. Рассмотрены

53

Принципиально механизм перераспределения влаги в уплот­ ненной зоне почти один и тот же. В частности, отмечены две зо­ ны повышенной влажности (у стенок выработки и в отдаленных слоях, в зоне малых деформаций) и зона пониженной влажнос­ ти, лежащая между ними. Различие наблюдается в размерах этих зон и их расположении относительно зарядов, что обуслов­ лено весом заряда и характером его действия.

При взрыве вертикального удлиненного камуфлетного заря­ да Сп= 1 кг/пог.м измерения влажности начались спустя 4 мин после взрыва. В течение последующих измерений наблюдалось постепенное снижение влажности в первой скважине, располо­ женной на расстоянии 57 га от стенки полости, повышение влаж­ ности во второй скважине на расстоянии 100 га от полости и по­ нижение влажности в третьей скважине и далее в зоне малых деформаций. Максимальное изменение влажности во времени при этом составляет около 2,3% вблизи выработки (см. рис. 7). Судя по данным рисунка, по истечении примерно 1 ч после взры­ ва процесс перераспределения влаги в основном должен при­ остановиться и напряженное состояние грунта стабилизиро­ ваться.

Аналогичные явления наблюдались и при взрыве удлиненно­ го заряда на выброс — в зоне пониженной влажности в диапа­ зоне времени 18—28 мин рост влажности (на 1—1,5%), в зоне повышенной влажности (на расстоянии 63 га) — заметное сни­ жение влажности (см. рис. 8). Таким образом, можно предпо­ лагать, что между названными соседними зонами происходит обмен влагой, а это является свидетельством перераспределения напряжений в грунтовом массиве, уплотненном взрывом. Отме­ тим, что при проходке выработки взрывным способом вслед­

54

ствие уплотнения грунта в значительной степени снижается коэффициент фильтрации грунтов, прилегающих к выработке, и затрудняется перемещение влаги к контуру выработки. Одно­ временно облегчается ее перемещение в зону большей свободной пористости (на больших эпицентральных расстояниях). Из рис. 9 и 10 видно, что процессы перераспределения влаги на­ блюдаются на расстояниях, превышающих размеры зоны оста­ точных деформаций, полученные по данным радиоактивного каротажа.

Действительно, в литературе [27, 56] имеются упоминания об этой области (так называемой зоне кольматации), в которой

приборы практически не регистрируют объемных деформаций, однако фильтрационные свойства грунтов в ее пределах замет­ но меняются по сравнению с естественными условиями.

С целью проверки этого положения был поставлен следую­ щий эксперимент. Перпендикулярно к оси выемки, полученной взрывом горизонтального удлиненного заряда, пробуривался ряд скважин малого диаметра глубиной 1,5 м до уровня зало­ жения заряда на различных расстояниях от выемки (табл. 9). Скважины одновременно заливались водой, и производились наблюдения за скоростью водопоглощения в каждой. Таким способом трудно количественно оценить коэффициент фильтра­ ции грунта в каждой фиксированной точке массива, поскольку скважина пересекает слои с различными физико-механическими характеристиками, однако этот способ позволяет, во-первых, установить роль зоны кольматации в обеспечении противофильтрационной защиты выемки и, во-вторых, определить ее размеры. На рис. 11 приведены результаты обработки данных по замеру водопоглощения из скважин 1—7. Резкий рост водопоглощения в пределах зоны остаточных деформаций Rrna, отмеченный в скважине № 1 (кривая 1), объясняется тем, что эта скважина

55

пробурена на контуре выемки и потери воды в ней происходили преимущественно в верхней части, где грунт находился в раз­ рыхленном состоянии. Поэтому дополнительно была пробурена неглубокая скважина в дне выемки. Поскольку она проходила в основном по весьма уплотненному грунту, величина водопоглощения в ней мала и хорошо вписывается в общую картину распределения значений AVy с расстоянием (кривая 2). За пре­ делами ЯгпЛ и на расстоянии до 6 м водопоглощение вначале сохраняется достаточно малым, далее растет и на расстоянии

/?= 15-=-16 м (430—470 г3) от оси выемки достигает значения АУу в естественном залегании. Если учесть, что при осевой сим­ метрии объем грунта, находящегося в кольце толщиной R—Rrn, значительно превосходит объем грунта в кольце толщиной Rrп—Гпол, становится ясным, что при определении эффективнос­ ти противофильтрационного экрана, образованного взрывом за­ ряда ВВ, следует учитывать зону кольматации. Несмотря на то что напряжения на фронте взрывной волны и объемные дефор­ мации грунта в этой зоне весьма малы, они могут оказаться достаточными, чтобы нарушить связи между минеральными частицами и переориентировать их без заметного (обычными способами) изменения плотности. Так же как в зоне остаточных деформаций, составляющей 200 г3 при камуфлетном взрыве и 90—120 га при взрыве на выброс и ограниченной значением объемной деформации @пл= 0,01, в зоне кольматации происхо­ дит дальнейшее постепенное снижение значений © и, следова­ тельно, нарушений структуры грунта, определяющих его филь­ трационную способность. В подтверждение этому приведем дан­ ные радиометрических измерений полей влажности во времени вокруг скважины диаметром 130 мм, пробуренной за предела­ ми уплотненной зоны и заполненной водой (зона создавалась взрывом удлиненного заряда выброса Сп= 1 кг/пог.м). Уровень воды в скважине поддерживался во время эксперимента по­

56