土中垂直柱狀藥包的爆破成型試驗研究

李 毅 ，郭學彬，史瑾瑾

（1．重慶華地工程勘察設計院，重慶 400042；2.西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621010）

土中垂直柱狀藥包的爆破成型試驗研究

李 毅1，郭學彬2，史瑾瑾2

（1．重慶華地工程勘察設計院，重慶 400042；2.西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621010）

進行土體中不同直徑垂直柱狀藥包的爆破試驗，探討了外部作用的爆破成型特點，分析了爆腔壁面爆炸裂隙空間展布，并得出爆破漏斗坑、爆腔及爆炸裂隙各尺寸參數與藥包直徑的變化關系。

土；柱狀藥包；爆破成型；藥包直徑

隨著國家對基礎建設投入力度加大，在土中進行工程建設越來越多。爆破技術因具有經濟、高效、快捷等特點而被廣泛應用和發展。在實際工程中，由于鉆孔設備的限制，爆破成型多采用垂直鉆孔，在鉆孔內裝入柱狀藥包，利用土中爆炸成型作用形成各類土工結構［1］，或利用爆炸壓密作用加固軟土地基［2］。

按傳統定義，長徑比η＞4的藥包稱為柱狀藥包；η≤4的藥包稱為集中藥包［3］。當柱狀藥包埋置深度小于臨界深度時或埋深一定，藥量較大時，由于應力波和爆生氣體的共同作用，土體中柱狀藥包爆破將會產生偏向自由面的漏斗坑［4］，藥包周圍壓縮成腔，這種爆破作用稱為外部作用。柱狀藥包在介質中外部作用的爆破成型是其終點效應研究重要內容之一，已有許多學者對爆破漏斗、爆腔以及爆炸裂隙形成作了專門研究［5－7］。但是，柱狀藥包應力波強度分布很不均勻，藥包徑向應力強度最大，端部軸線應力最?。?］，這必然導致爆破成型具備其自身的特征規律。因此，在埋深和孔徑一定的條件下，進行不同直徑垂直柱狀藥包的現場爆破試驗，觀測爆破漏斗坑和爆腔輪廓特征，研究爆炸裂隙的空間展布，并分析爆破成型尺寸隨藥包直徑改變的變化規律，以期為同類爆破工程設計提供參考。

1 土中垂直柱狀藥包外部作用的爆破成型模型

外部作用時，垂直柱狀藥包的爆破范圍可達地表形成爆破漏斗坑，同時下部藥包爆破應力波在土體中傳播，應力波的壓力和波形發生變化，導致在距離爆源不同距離土體的破壞程度有所不同。根據開挖后爆擴痕跡和力學效應可將炮孔周圍介質破壞大致分為如圖1所示的4個區域：空腔區、裂隙區、塑性壓密區、振動區。

圖1 土中柱狀藥包爆炸的破壞分區

2 試驗條件及方案

爆破試驗在含水率W＝21．08%， 密度ρs＝1．708g/cm3，粘聚力c＝39．6kPa， 內摩擦角φ＝23．4°，泊松比μ＝0．3的粘土介質中進行，采用柱狀裝藥，孔深1．0m（除去表層松散覆土），2＃巖石粉狀炸藥，裝藥長度為0．4m，堵塞長度0．6m，細顆粒土堵塞，正向起爆，爆破參數見表1。

表1 爆破參數表

3 試驗結果

3．1 爆破成型觀測結果

爆破后沿通過炮孔中心的兩個相互垂直剖面開挖工作坑，開挖深度1．80m，剖面寬度1．50m。外部作用時的爆破成型對稱于藥包軸，由上部爆破漏斗和下部爆腔兩部分組成。上部漏斗坑并非錐體而是圓臺體；下部爆腔由上部頸口、中部柱狀爆腔和底部半橢球狀爆腔組成。

爆破成型示意圖如圖2，3所示。

圖2 爆破成型照片

圖3 土中柱狀藥包外部作用爆破的爆破成型及其參數

上部爆破漏斗參數實測值見表2，下部爆腔參數實測值見表3。

表2 上部漏斗坑參數值表

表3 下部爆腔參數值表 單位：cm

3．2 爆炸裂隙統計結果

爆腔壁上產生縱橫交錯的爆破裂隙，裂隙將腔壁土體割裂成眾多小塊，形成獨立完整土塊之間的裂隙稱之為主裂隙。為在同等條件下統計壓縮腔壁面不同位置的裂隙特征，在近似柱狀腔和下半橢球腔壁面各取20cm×20cm的爆炸裂隙面，統計主裂隙數目及各條主裂隙的深度和寬度的最大值。試驗的爆腔壁上裂隙參數統計結果見表4。

表4 爆炸裂隙參數統計結果

4 結果分析

4．1 爆破成型特征及爆炸裂隙的展布

根據表2，3爆破成型參數的測量數據，繪出各次試驗的爆破成型特征，如圖4所示。

圖4為爆炸裂隙區（裂隙分布和范圍）示意圖。爆腔上部頸口受到上部自由面反射波拉伸作用，縱、橫向裂隙的寬度最大，深度最深，被裂隙分割的塊體主要呈較大的方塊狀。柱狀腔壁上的縱向裂隙較寬、較深，橫向裂隙較少、且較淺、較窄，被裂隙割裂的土塊呈條形；藥柱底端與土體耦合，沖擊壓力大，爆炸裂隙增多，縱向裂隙在柱狀腔和半橢球腔結合處分叉，縱向、橫向裂隙交錯，使被裂隙分割成的塊體呈小而密的近似方形塊體；爆腔底部是無限土體，受自由面影響小，導致底部半球腔壁上裂隙深度較淺，寬度不大。由表4數據不難得出，柱狀腔壁面裂隙深度是半橢球腔壁面的2．9～5．9倍；柱狀腔壁面的寬度值是半橢球腔壁面的3．0～5．8倍。

圖4 各次土中柱狀藥包爆破外部作用時爆破成型的特征

圖5 外部作用爆腔壁面裂隙分布

4．2 爆破漏斗坑參數與藥包直徑的關系

爆破漏斗坑半徑和深度隨著藥包直徑增大而增大。藥包直徑增大，松動爆破轉變為拋擲爆破，非裝藥段土體破壞范圍增大。但是，爆破漏斗坑深度始終都小于非裝藥段長度，這表明爆破漏斗不是從藥包頂端開始形成的，而藥包頂端一定高度還屬于爆腔范圍，之后才屬于爆破漏斗范圍。

圖6 爆破漏斗坑大小與藥包直徑的關系

由圖6為爆破漏斗坑大小與藥包直徑之間的關系曲線得知，藥包直徑36mm，爆破漏斗坑底圓半徑、漏斗頸半徑和漏斗坑深度增大速率不同，用破裂角變化來準確表示爆破漏斗坑這一特征的改變，破裂角度正切值與藥包直徑的關系曲線如圖7所示。破裂傾角正切值隨藥包直徑增大而先增后減，藥徑為36mm時，破裂傾角正切值達到最大值3．93（破裂角度約75°）。

圖7 破裂傾角正切值tgφ與藥包直徑的關系

4．3 下部爆腔參數與藥包直徑的關系

柱狀空腔半徑自上而下橫向比較發現各部位空腔半徑略有不同，但都隨著藥包直徑的增大而增大，見圖7（a）。取各部位空腔半徑平均值為柱狀空腔半徑，得到柱狀空腔半徑約為15～17倍藥包半徑。由圖3可知，整個爆破成型的高度取決于藥包下端部的壓縮效應。圖7（b）為半橢球腔高度與藥包直徑的變化關系。半橢球腔高度隨藥包直徑增大而先減小后增大，在藥包直徑為36mm時，半橢球腔高度達到最小值18cm。

圖8 爆腔大小與藥包直徑的關系

4．4 爆炸裂隙與藥包直徑的關系

橫向爆炸裂隙的條數隨藥包直徑的變化而變化不大，縱向裂隙條數隨著藥包直徑的增加呈似直線增加的關系，對表4的縱向裂隙統計數據線性回歸，相關系數分別為0．8229和0．9613，擬合效果好?；貧w直線見圖9。

圖9 回歸直線

圖9給出了爆腔不同位置爆炸裂隙深度、開口寬度與藥包直徑的關系。半橢球腔壁的裂隙深度和寬度隨藥包直徑增大而增大；柱狀腔壁裂隙深度、寬度隨藥包直徑增大，呈現先增后減的趨勢。由于藥包周圍空氣間隙改變了爆炸荷載動、靜能量比例［9］，d≈40mm時，裂隙寬度和深度出現最大值（分別為9．24cm和2．50cm）。

圖10 爆炸裂隙深度、開口寬度與藥包直徑的關系

5 結語

通過對土中不同藥包直徑的垂直柱狀藥包進行爆破試驗及分析，得出外部作用爆破成型的特征和規律：

（1）柱狀藥包外部作用時的爆破成型對稱于藥包軸，由上部爆破漏斗坑和下部爆腔兩部分組成，漏斗坑形如是圓臺體；爆腔由上部頸口、中部柱狀爆腔和底部半橢球狀爆腔組成。

（2）試驗條件下，漏斗坑隨著藥包直徑增大而增大，爆破漏斗坑破裂角的正切值隨藥包直徑增大而先增后減，藥包直徑為36mm時，達到最大值3．93（破裂角度約75°）。柱狀空腔半徑約為15～17倍藥包直徑，并隨藥包直徑增大而增大，半橢球腔高度隨藥包直徑增大而先減小后增大，在藥包直徑為36mm時，半橢球腔高度達到最小值18cm。

（3）爆腔不同位置的爆炸裂隙的分布狀態和參數值都有較大區別，柱狀腔壁上的爆炸裂隙較寬、較深；底部半橢球腔壁上裂隙細密，且較淺，較窄。柱狀腔壁裂隙深度、寬度隨藥包直徑增大而先增后減；半橢球腔壁的裂隙深度和寬度隨藥包直徑增大而增大。40mm時，裂隙寬度和深度出現最大值,分別為9．24cm和2．50cm。

［1］陶紀南．條形藥包爆炸成型土工結構的研究［J］．爆破，1985（3）：13-16．

［2］舒陽，楊兵，劉潤，等．爆炸法處理軟土地基的回彈模量研究［J］．巖土力學，2007，28（10）：2115－2117．

［3］郭學彬，張繼春．爆破工程［M］，北京：人民交通出版社，2007．

［4］金旭浩，盧文波．爆破漏斗理論探討［J］．巖土力學，2002（23）：205－208．

［5］張奇，楊永琦．槽腔頂部爆破漏斗形成及作用［J］．工程爆破，2000．6（1）：21－24．

［6］林大能．條形裝藥爆破成腔半徑的彈塑性估算［J］．巖土工程學報，2003，25（1）：84-86．

［7］許連坡．土中爆炸空腔周圍裂隙的形成機理［J］．土巖爆破文集（第三輯），1988（1）：76-87．

［8］傅洪賢．條形藥包在隧道爆破中產生的應力場的實測析［J］．土力學，2009，30（2）：483-486．

［9］徐穎，孟益平，程玉生．裝藥不耦合系數對爆破裂紋控制的試驗研究［J］．巖石力學與工程學報，2002（12）：1843-1847．

Experimental investigation on blasting molding of vertical column charge blasting in soil

LI Yi1，GUO Xue－bin2，SHI Jin－jin2
（1．Hua di Engineering Survey and Design Institute in Chongqin，Chongqing 400042，China；2．Institute of Environment and Resource，Southwest University of Science and Technology，Mianyang621010，China）

The blasting tests of vertical columns of different diameter cartridge in soil were carried out，the blasting molding characteristics of external action was discussed，the distribution of explosion crack in blasting cavity wall was analyzed， and the relationships between charge diameter and size parameters of blasting crater、blasting cavity ＆ explosion crack were obtained．

soil；column charge； blasting molding；charge diameter

P64

A

1672-9900（2010）05-0057-03

2010－08－16

西南科技大學青年基金項目（08zx3112）；西南科技大學大學生創新基金項目（09013）

李毅（1982－），男（漢族），四川資陽人，碩士，主要從事巖土爆破及安全工程技術專業，（Tel）18788673369。