Особенности действия взрывных нагрузок в грунтах

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Применение метода уплотнения водонасыщенных малосвязных грунтов взрывными воздействиями является весьма эффективным средством увеличения прочности оснований сооружений, а также уменьшения их деформируемости при действии статистических и, в особенности, динамических нагрузок. По сравнению с другими динамическими способами уплотнения грунтов, основной особенностью метода взрывов является использование весьма мощного, доступного и сравнительно дешевого источника динамических воздействий.

При взрывах волна детонации, выходя на поверхность заряда, преобразуется в интенсивную волну давления и расходящееся движение среды. График изменения давления или напряжений в среде вблизи места взрыва имеет форму разрыва, за которым следует постепенное затухание давления, т.е. наблюдается скачкообразное возрастание напряжений и, как следствие этому, - возрастание плотности и скорости движения среды. Образующаяся вблизи от заряда взрывная волна с крутым фронтом называется ударной волной. В пределах действия ударной волны наряду с упругими деформациями наблюдаются интенсивное разрушение и значительные необратимые деформации грунта.

По мере распространения ударной волны величина скачка напряжений на ее фронте уменьшается, одновременно происходит расширение профиля волны и уменьшение крутизны фронта, т.е. превращение ее в непрерывную волну сжатия. Постепенно, по мере удаления от места взрыва, волна из ударной переходит в сейсмическую. В зоне действия сейсмических волн большая часть деформаций грунта носит упругий характер. В пределах зоны практически только упругих деформаций среды сейсмические волны становятся звуковыми.

При уплотнении грунтов взрывами основное изменение структуры грунта происходит в зоне действия преимущественно ударных волн. Накоплен значительный экспериментальный материал по исследованию параметров взрывных волн в воде и водонасыщенных грунтах. Результаты исследования параметров ударных волн в воде приведены в работах [1, 2], а в водонасыщенных грунтах - в работе [3].

Наиболее существенными параметрами взрывных волн являются максимальное давление, скорость распространения, время действия и импульс взрывной волны. Величина импульса взрывной волны:

(1)

взрывной волна водонасыщенный

где p(t) - изменяющееся во времени давление взрывной волны.

Зависимости для определения параметров ударных волн, полученные экспериментальным путем [1] при взрыве сосредоточенных зарядов в воде, имеют вид:

(2)

Где Рmах - максимальное давление, МПа;

- масса заряда, кг;

R - расстояние от центра взрыва, м;

J - импульс, МПас.

Скорость распространения ударных волн вблизи заряда превышает скорость звука. По мере удаления от места взрыва скорость ударной волны в воде весьма быстро падает до своего предельного значения, примерно равного скорости звука (порядка 1 500 м/с).

В водонасыщенных грунтах на параметры взрывных волн существенное влияние оказывает содержание газа [4]. В общем случае водонасыщенный грунт представляет собой трехкомпонентную систему - твердые частицы, вода и газ. В водонасыщенных грунтах газ может содержаться в виде адсорбированного минеральной частью, растворенного в воде и свободного. Количество адсорбированного газа в грунтах невелико, вследствие чего он не оказывает заметного влияния на свойства грунта. Содержание растворенного газа сказывается на сжимаемости поровой воды. Основное влияние на физико-механические свойства водонасыщенных грунтов оказывает свободный газ, находящийся в грунте в виде отдельных пузырьков.

В настоящее время характерными типами водонасыщенных грунтов, вовлекаемых в сферу практической деятельности при взрывных работах, являются минеральные высокопористые (лессы, пески, супеси) и органо-минеральные (торфы, сапропели). Исследования параметров взрывных волн напряжений до настоящего времени проведены главным образом в водонасыщенных минеральных грунтах (пески, супеси). Изучались закономерности формирования полей напряжений и деформаций в органоминеральных водонасыщенных грунтах. Основными факторами, влияющими на формирование полей напряжений и деформаций под действием взрывных нагрузок, являются плотность, общая и свободная пористость, степень водонасыщенности и процент содержания газообразной фазы в водонасыщенном грунте.

В момент выхода детонационной волны на поверхность заряда, где окружающая среда находится в покое, на поверхности зарядной полости производится удар, в результате которого в грунтовой среде начинают распространяться волны напряжений. При распространении в грунтовой среде возмущений от взрывных нагрузок в виде волн напряжений образуются области, в которых среда находится в напряженно-деформированном состоянии, а ее частицы - в движении. При этом вначале идет процесс нагрузки, а затем процесс разгрузки, которые, в свою очередь, характеризуются соответствующими параметрами напряжений и деформаций.

Энергия волны излучается в среду за очень короткий промежуток времени, пополнение ее происходит за счет уменьшения энергии продуктов взрыва, связанного с увеличением их объема, что приводит к расширению полости, т.е. деформации массива. Большое влияние на процесс расширения полости оказывают свойства как водонасыщенного массива, так и взрывной нагрузки. Инерция среды, свойства продуктов взрыва и физико-механические характеристики среды приводят к качественно различным процессам расширения полости или деформирования среды. Существенное влияние на прочностные показатели оказывает скорость деформирования. Медленное или быстрое деформирование изменяет соотношение процессов разрушения и восстановления естественной структуры грунтов, а также освобождения или отжатия грунтовых вод.

По результатам многочисленных опытов [4] установлено, что при содержании газа в водонасыщенных песках менее 1 % взрывная волна на всех исследованных расстояниях от места взрыва является ударной. При подходе фронта волны давление скачком возрастает до максимального значения рmax, а затем так же, как и в воде, убывает по закону, близкому к экспоненциальному.

В водонасыщенном грунте с большим содержанием газа на близких расстояниях от центра взрыва волна является также ударной, но на некотором расстоянии давление уменьшается постепенно. После достижения максимального значения давления спад его происходит значительно медленнее, чем в грунте с малым содержанием газа. Таким образом, с увеличением содержания газа в водонасыщенном грунте время действия волны значительно возрастает, и кривая изменения давления имеет более плавный, неударный характер. Особенно четко это проявляется в неводонасыщенных грунтах.

Увеличение содержания газа в водонасыщенных грунтах оказывает влияние на скорость распространения фронта волны и величину давления на фронте. С увеличением содержания газа в водонасыщенных грунтах до 4 % наблюдалось уменьшение скорости фронта волны (до 200 м/с). В полностью водонасыщенных песках скорость фронта волны, достигавшая 1600 м/с, близка к скорости распространения ударной волны в воде.

Сравнительно небольшое увеличение содержания газа в грунте вызывает значительное уменьшение максимальных давлений взрывной волны. При содержании газа в водонасыщенном песке около 4 % максимальное давление на одинаковых относительных расстояниях от места взрыва в 50-70 раз меньше, чем в полностью водонасыщенном песке. Еще более резкое снижение давлений наблюдается в неводонасыщенных песчаных грунтах.

При прохождении взрывных волн наблюдается сжатие среды, зависящее от параметров взрывных волн, которые, в свою очередь, в значительной мере зависят от сжимаемости среды. Такое взаимное влияние определяет сложный характер воздействия взрывных волн на окружающую среду.

Сжимаемость воды относительно невелика, при обычных температурах (0-20 °С) и давлении до нескольких сот атмосфер ее модуль объемной сжимаемости составляет 2000 МПа. Взрывные волны в воде имеют ударный характер и вследствие ее малой сжимаемости слабо затухают с изменением расстояния. Благодаря большой однородности масс воды и незначительному изменению ее свойств при обычных температурах и давлениях параметры взрывных волн в воде не меняются при одинаковых относительных расстояниях от заряда. Они легко воспроизводимы в экспериментах и производственных условиях.

В отличие от воды грунтовая среда весьма неоднородна и разнообразна. Сжимаемость грунтов меняется в весьма широких пределах, поэтому характер взрывных воздействий в них также многообразен. Основной особенностью грунтов является их многокомпонентность. Все это обусловливает значительные трудности при экспериментальных исследованиях и, в особенности, при попытке оценить действие взрыва расчетным путем.

Приведенные выше сведения о действии взрыва в воде и почти полностью водонасыщенных несвязных грунтах показывают, что характер взрывных волн в этих средах практически совпадает, а параметры волн близки по величине. Действие взрыва в неводонасыщенных грунтах качественно отличается от действия в воде и водонасыщенных несвязных грунтах, а интенсивность динамических воздействий взрыва в воде и водонасыщенных грунтах значительно больше, чем в неводонасыщенных. Все это приводит к тому, что характер разрушения структуры и уплотнения водонасыщенных несвязных грунтов отличается от аналогичных процессов в неводонасыщенных грунтах. С увеличением содержания в водонасыщенных грунтах газовой составляющей это различие несколько уменьшается.

На интенсивность взрывных волн и напряженное состояние среды влияют свойства граничных поверхностей. Так, например, при взрыве в воде или грунте подход взрывной волны к границе с воздухом, имеющим малое сопротивление, обусловливает возрастание скорости движения грунта и воды. В случае близкого расположения заряда к поверхности возможно преодоление сил тяжести и сил взаимодействия между частицами среды, что приводит к выбросу воды или грунта и созданию воронки в грунтах. Если прорыв газов взрыва в атмосферу при выбросе происходит до максимального развития давлений в газовой полости, взрывная волна в грунте или воде не успевает полностью сформироваться. Поэтому уменьшение глубины заложения заряда и образование интенсивного выброса обусловливают уменьшение параметров взрывных волн. Так, например, камуфлетный взрыв в водонасыщенном грунте или воде приводит к тому, что около 75 % энергии взрыва выделяется в виде полезной механической энергии ударной волны и газового пузыря [5].

При встрече распространяющейся в воде или грунте взрывной волны с границей более плотной и менее сжимаемой среды, например, с дном водоема или подстилающим, более плотным, в частности скальным, грунтом, взрывная волна отражается в виде волны сжатия, причем в результате сложения падающей и отраженной волн давление увеличивается.

Таким образом, действие взрыва на грунт весьма многообразно и характеризуется сложным комплексом действующих одновременно или с некоторой последовательностью динамических силовых факторов. Эти факторы могут в определенных условиях вызывать разрушение структуры, которое сопровождается уплотнением грунтов, либо обусловливает разрыхление и даже нарушение их сплошности. Для оценки области и условий применимости взрывов при производственном качественном уплотнении связных и несвязных грунтов в первую очередь необходимо рассмотреть особенности их структуры, деформативность и прочность грунтов, процессы их разрушения и уплотнения от действия динамических нагрузок.

Список литературы

1. Коул Р. Подводные взрывы. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1990. 243 с.

2. Яковлев Ю.С. Гидродинамика взрыва. М.: Судромгиз, 1961. 156 с.

3. Иванов П.Л. Уплотнение малосвязных грунтов взрывами. М.: Недра, 1983. 230 с.

4. Кругов В.И. Основания и фундаменты на лессовых и глинистых грунтах. Киев: Будивельник, 1986. 132 с.

5. Ляхов Г.М. Основы динамики взрыва в грунтах и жидких средах. М.: Наука, 1964. 216 с.

Размещено на Allbest.ru