摘 要  對(duì)爆炸法處理水下淤泥軟基技術(shù)、飽和軟基爆炸排水固結(jié)機(jī)理研究和飽和砂基爆炸密實(shí)機(jī)理研究等三個(gè)方面的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了綜述。扼要地介紹了爆炸處理軟基技術(shù)的研究進(jìn)展、工程應(yīng)用中遇到的問題和進(jìn)一步需要研究開展的工作。

 

軟土地基包括淤泥、淤泥質(zhì)粘土和松散的沙基，在工程中這類地基的特點(diǎn)是含水量大、強(qiáng)度指標(biāo)小，承載力低，需要進(jìn)行處理后才能利用。常規(guī)的處理方法一是置換法，即用挖泥船挖泥清除，置換開山石料；二是采用塑料排水板排水固結(jié)、堆載預(yù)壓或真實(shí)預(yù)壓處理，使軟基就地加固；三是對(duì)飽和松散基礎(chǔ)采用震沖的辦法來處理。這些處理方法施工時(shí)需要大型的施工設(shè)備，施工工藝復(fù)雜，工期長(zhǎng)，處理費(fèi)用高。沿海許多工程建設(shè)中這樣的軟基處理需要有新的施工技術(shù)投入，促進(jìn)軟基加固工程技術(shù)的發(fā)展。

爆炸技術(shù)應(yīng)用于軟基處理自二次大戰(zhàn)時(shí)就有所報(bào)道，在沼澤地帶修路，藥包布置在路面上，利用爆炸產(chǎn)生的高溫高壓，將塊石或土壤等壓入沼澤地軟基中，這就是“爆夯擠淤”的原理。早期的“爆夯擠淤”技術(shù)僅僅是注重實(shí)用性，對(duì)爆炸技術(shù)作用原理以及軟土地基的特性研究較少，限制了這一技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

爆炸作用是炸藥爆炸的巨大能量釋放的過程，爆炸氣體對(duì)周圍介質(zhì)作功，在巖石中爆炸，可以使巖石破碎，在軟土中爆炸，爆炸產(chǎn)生的高壓氣體可以使其周圍的軟土介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，而且軟土介質(zhì)在爆炸動(dòng)載作用下的動(dòng)力特性發(fā)生改變。利用這一特點(diǎn)，將藥包布置在淤泥等軟基中爆炸，開拓了爆炸技術(shù)在軟基處理工程中應(yīng)用的新領(lǐng)域。近年來的研究工作主要有以下三個(gè)方面的內(nèi)容：(1)爆炸法處理水下淤泥軟基技術(shù)。(2)飽和軟基爆炸排水固結(jié)機(jī)理研究。(3)飽和砂基爆炸密實(shí)機(jī)理研究。本文概括介紹上述三個(gè)專業(yè)課題的研究進(jìn)展、工程應(yīng)用中遇到的問題和要進(jìn)一步研究的工作。

 

在港口防波堤工程修建中，以往在遇到淤泥軟基時(shí)多是采用挖泥船清除。這種施工方法需要大型船機(jī)，施工工期長(zhǎng)，清淤效率低，由于回淤還有二次清除的問題。在爆炸開溝技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，提出采用爆炸法置換淤泥軟基，即在拋石堤頭前沿淤泥層內(nèi)布置藥包，利用爆炸產(chǎn)生的高壓氣體，在淤泥內(nèi)形成空腔，空腔氣體膨脹作推動(dòng)周圍的淤泥介質(zhì)

運(yùn)動(dòng)；同時(shí)堆石體在爆炸振動(dòng)荷載作用下，向淤泥空腔內(nèi)下滑，填充空腔，實(shí)現(xiàn)泥石的瞬態(tài)置換。

爆炸排淤處理軟基技術(shù)在工程中的應(yīng)用需要有在理論分析指導(dǎo)下進(jìn)行必要的試驗(yàn)研究，同時(shí)還要解決一套施工工藝。爆炸排淤處理軟基技術(shù)需要研究炸藥在淤泥中的爆炸特性、沖擊波的傳播規(guī)律、淤泥的動(dòng)力特性、淤泥中爆炸鼓包運(yùn)動(dòng)和空腔回縮后的泥石流運(yùn)動(dòng)規(guī)律。模型律分析表明，爆炸排淤填石法在初期形成漏斗過程和后期堆石體塌落、“石舌”形成過程均滿足幾何相似律。在變形功正比于變形體積的條件下，根據(jù)能量準(zhǔn)則，有藥量公式：

式中：q為線藥量，kg/m ；△S為堆石體滑落進(jìn)尺，m；H為淤泥層的厚度，m。常數(shù)K在實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)給出，適用范圍為淤泥厚度小于lOm,，

施工工藝研究的主要工作是要研制一套適合水上成孔、布藥的裝置，既能保證水上作用的簡(jiǎn)便，同時(shí)也能保證裝藥過程中藥包的安全。采用鉆孔和物探的方法可以用來檢驗(yàn)爆炸處理軟基的工程效果，即爆炸處理淤泥軟基的落底深度。裝藥工藝及機(jī)具、檢測(cè)方法這些成果在工程實(shí)踐中證明是可靠、可行的。

“爆炸法處理水下淤泥軟基技術(shù)”已經(jīng)應(yīng)用于40多條防波堤、護(hù)岸和圍堰工程施工中。在推廣應(yīng)用中始終以科研成果為支持的。在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，建立數(shù)學(xué)模型(楊振聲等，1989)，對(duì)爆炸排淤填石法的機(jī)理進(jìn)行理論研究，數(shù)值模擬主要對(duì)不同參數(shù)下，爆炸擠淤處理深度和“石舌”的長(zhǎng)度進(jìn)行了規(guī)律性的總結(jié)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)驗(yàn)相一致，很好地解釋了這一技術(shù)的力學(xué)現(xiàn)象。

新的技術(shù)的應(yīng)用，在市場(chǎng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，主要?dú)w于施工工藝的改進(jìn)和多種新的技術(shù)的研究成果。這一技術(shù)初期應(yīng)用時(shí)，裝藥工藝為水上作業(yè)，即在爆炸船上完成布藥工序，受海況影響較大，不能全天候進(jìn)行爆破作業(yè)，這是一直困擾著研究人員的問題。將爆填裝藥機(jī)具由水上作業(yè)改為陸上裝藥作業(yè)，需要研制陸上裝藥機(jī)具，且裝藥工序和拋石工序不能有影響。采用挖掘機(jī)和配套的裝藥器(凌云鵬等，1993)，裝藥深度可以達(dá)到10m，裝藥時(shí)間可以控制在1小時(shí)左右。機(jī)械設(shè)備的改進(jìn)，不僅提高了裝藥作業(yè)速度，而且不受風(fēng)浪的影響，經(jīng)濟(jì)效益得到了提高。

堤下爆炸處理軟基技術(shù)(楊振聲等，1995)，即在拋石體下部淤泥中埋置藥包，可以充分利用爆炸能量使淤泥向兩側(cè)排出，藥量單耗小，q=1～2kg/m的藥量可以使幾米厚的堆石體爆破擠淤落底。樁間爆炸處理淤泥軟基(楊振聲等，1995)是針對(duì)高樁碼頭樁間二次回淤處理而進(jìn)行的，在混凝土預(yù)應(yīng)力樁間幾米的距離內(nèi)爆炸處理軟基，保證樁身安全，在藥包的結(jié)構(gòu)上需要采取有效的降低沖擊波峰值的措施。“包芯”斷面海堤結(jié)構(gòu)(張加華等，1995)的研究，是從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，優(yōu)化設(shè)計(jì)斷面，減小斷面方量，降低工程造價(jià)。多層泥質(zhì)地基爆填施工工藝的改進(jìn)(張建勛，1997)，解決了復(fù)雜地質(zhì)條件下，應(yīng)用爆填技術(shù)施工的問題。這些相關(guān)技術(shù)的研究，豐富了爆炸法處理水下淤泥軟基技術(shù)的研究?jī)?nèi)容，使新技術(shù)在應(yīng)用中得到了很大的發(fā)展。已有的研究成果已經(jīng)能夠解決不同工程條件下軟基爆炸處理的施工，至今這一技術(shù)與其他常規(guī)的方法相比還有很大的優(yōu)越性。

淤泥軟基爆炸置換處理技術(shù)近年來主要遇到的問題是大厚度的淤泥軟基爆炸處理，即需要爆炸處理的淤泥厚度大干10m，有時(shí)達(dá)到20多米。在工程實(shí)踐中已經(jīng)積累了比較多的經(jīng)驗(yàn)，但經(jīng)驗(yàn)參數(shù)要進(jìn)一步的推廣還需要開展理論性的研究。建立在強(qiáng)度相似理論基礎(chǔ)上的定向滑移筑堤技術(shù)研究(張建華教授，1998)認(rèn)為，對(duì)大厚度淤泥的爆炸處理主要是定向滑動(dòng)，爆炸將淤泥向四周壓縮成坑，在爆炸負(fù)壓與震動(dòng)作用下，鄰近的拋石體定向滑至爆坑。強(qiáng)大的爆炸壓力將深層淤泥擾動(dòng)，使其強(qiáng)度大大降低，造成了深層淤泥沿軸線定向滑移的條件。爆后拋填時(shí)，隨拋填自重荷載的增加，當(dāng)被爆炸強(qiáng)擾動(dòng)的深層淤泥內(nèi)的剪應(yīng)力超過其抗剪強(qiáng)度時(shí)，拋石體沿滑移線朝軸線方向定向滑移下沉，實(shí)現(xiàn)深層淤泥的泥石置換。這一機(jī)理與淺淤泥軟基的爆炸瞬態(tài)轉(zhuǎn)換的原理是不一樣的，需要開展機(jī)理研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來解釋工程中現(xiàn)象。

爆炸法處理水下淤泥軟基工程施工中遇到的另一問題是爆炸振動(dòng)安全問題。盡管爆炸處理軟基時(shí)，炸藥是在水中或是在堤頭淤泥中爆炸，炸藥爆炸的能量將有一部分激起鄰近地層的振動(dòng)，由于岸邊水飽和介質(zhì)的存在，爆炸引起的振動(dòng)傳播規(guī)律比較復(fù)雜。有的工程遇到距離工點(diǎn)較遠(yuǎn)的地方民房損害的訴訟事件，排除非技術(shù)性因素，開展多層介質(zhì)、多區(qū)域不同介質(zhì)中爆破振動(dòng)傳播規(guī)律及特點(diǎn)的研究，對(duì)工程解決問題是有益的。

 

淤泥軟基傳統(tǒng)的加固方法就是堆載預(yù)壓或真空預(yù)壓，即在軟土層表面堆土、石料或施加真實(shí)荷載，為了加速土中的水的排出，淤泥中設(shè)置砂井或塑料排水紙板，預(yù)壓固結(jié)的時(shí)間一般要3～4個(gè)月才能使土層平均固結(jié)度達(dá)到工程要求指標(biāo)的80％。預(yù)壓固結(jié)方法的固?結(jié)作用原理一是靠土層上部荷載在土體內(nèi)產(chǎn)生超孔隙水壓力；二是土層中設(shè)置排水通道使水體能夠盡快排出。

用爆炸的方法使淤泥軟基快速排水固結(jié)就是在不均勻的介質(zhì)中，通過爆炸載荷作用，使土體中產(chǎn)生超孔隙水壓力，使土體中的水排出，降低含水量，提高承載力，達(dá)到加固軟基的目的。

爆炸處理淤泥軟基快速排水固結(jié)的試驗(yàn)研究中，我們觀測(cè)到爆炸后在淤泥的表面有“集中”通道排水，水如泉涌。延續(xù)時(shí)間達(dá)幾十分鐘，出水量很大。這說明動(dòng)力固結(jié)排水不同于常規(guī)滲流排水規(guī)律。為了解釋實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的快速排水現(xiàn)象，需要進(jìn)行淤泥軟基在爆炸動(dòng)荷載作用的動(dòng)力響應(yīng)、土體中超孔隙水壓力產(chǎn)生的機(jī)理、動(dòng)載作用后土體中排水規(guī)律、集中排水通道的形成機(jī)理和動(dòng)力固結(jié)過程等問題的研究。

研究的技術(shù)路線以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)，建立力學(xué)模型。解釋實(shí)驗(yàn)中的力學(xué)現(xiàn)象，再進(jìn)行工程性試驗(yàn)，達(dá)到工程應(yīng)用的目的。

爆炸后淤泥介質(zhì)的動(dòng)力響應(yīng)特性不同于一般土巖爆炸或水中爆炸。淤泥是一種賓漢流體，不可壓縮，其爆炸后淤泥中的沖擊波壓力傳播規(guī)律是：

其波速為1500m/s，與水中接近。

爆炸后加速度場(chǎng)的分布特點(diǎn)是：爆源附近加速度大，其幅值可以達(dá)到100g量級(jí)，作用時(shí)間只有幾十毫秒；加速度隨爆源距離(水平和垂直)增大而衰減，近區(qū)主要是沖擊波作用產(chǎn)生的體波。

爆炸荷載作用可以在淤泥軟基內(nèi)產(chǎn)生超孔隙水壓力。超孔隙水壓力變化是一波動(dòng)曲線，最大幅值可以達(dá)到幾十KPa，幅值隨距離的增加而減小。同時(shí)，我們還發(fā)現(xiàn)淤泥中爆炸有負(fù)超孔隙水壓力的現(xiàn)象。

通過對(duì)爆炸后淤泥表現(xiàn)沉降量、表面出水量和孔隙水壓力的耗散規(guī)律的測(cè)定，分析得出爆炸后土體內(nèi)的滲流規(guī)律為非線性達(dá)西滲流，滲流系數(shù)增大了幾倍。

如何解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果?在實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的基礎(chǔ)上，我們采用兩相流的模型建立了土顆粒和水動(dòng)載下的一維運(yùn)動(dòng)方程，即：

其中：n、p、g為土體孔隙率、孔隙水壓力和重量加速度；ρ、ρ_s、V_w、V_s為水相和顆粒相的密度、速度；H_I為相間作用力。上述方程的數(shù)值解關(guān)鍵是淤泥的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系及相間作用力H_I的確定。

兩相流模型將水和土顆粒做為不可壓縮介質(zhì)處理，土體的變形通過孔隙率n的變化來反映，與Biot方程及混合物理論的方程是不同的。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，在強(qiáng)動(dòng)載荷作用下，土層中兩相介質(zhì)由于運(yùn)動(dòng)慣性不同，兩者間會(huì)出現(xiàn)分離運(yùn)動(dòng)，兩者的速度相差造成了土休中有“進(jìn)、排”水的現(xiàn)象，解釋了實(shí)驗(yàn)中爆后出現(xiàn)有正有負(fù)的超孔隙水壓力的現(xiàn)象。

爆炸可以在淤泥軟基中產(chǎn)生超孔隙水壓力，但超孔隙水壓力必須耗散，排出水體，軟基固結(jié)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和初步理論研究均表明，淤泥軟基后期固結(jié)效果不明顯。因此淺灘淤泥爆炸排水固結(jié)的工程性試驗(yàn)，三種實(shí)驗(yàn)方案(插塑料板法、插塑料板加爆炸法、插塑料板加部分堆載再爆炸法)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，插塑料板加部分堆載再爆炸法的工程性指標(biāo)比其他兩種方法提高了一倍多。

淤泥軟基爆炸排水固結(jié)的機(jī)理研究涉及到爆炸力學(xué)的土力學(xué)的研究?jī)?nèi)容，是一個(gè)比較難研究領(lǐng)域。幾年來的研究困難主要有：此類實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性比較差，同一實(shí)驗(yàn)的區(qū)域多次炸后，土體的指標(biāo)變化較大，相鄰區(qū)域土體的原始參數(shù)變化又較大，需要有大量的實(shí)測(cè)據(jù)才能分析出土體動(dòng)力響應(yīng)的規(guī)律。再就是理論研究，飽和淤泥的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系、爆炸載荷在力學(xué)模型中描述、二維或三維模型的建立及數(shù)值計(jì)算等，需要考慮爆炸動(dòng)力排水和后期的排水過程。

 

飽和砂基的特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)松學(xué)，沒有粘性。常規(guī)的處理方法是震沖擠密法，通過振沖器產(chǎn)生的能量，一方面依靠振沖器的強(qiáng)力振動(dòng)使飽和砂層發(fā)生液化，砂顆粒重新排列，孔隙減少，另一方面依靠振沖器的水平振動(dòng)力，在加回填料情況下還通過填料使砂層擠壓加密。

爆炸密實(shí)飽和砂基技術(shù)，在工程中主要應(yīng)用于爆炸密實(shí)拋砂基床和爆炸加密大面積回填的飽和砂陸域。爆炸密實(shí)的原理是利用爆炸荷載的作用，使砂粒和水之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，破壞砂粒間原來的排列結(jié)構(gòu)，使之承載能力降低或喪失，砂粒處于懸浮或半懸浮狀態(tài)，產(chǎn)生較高的超孔隙水壓力。此后超孔隙水壓力耗散，部分水體排出，砂粒重新排列使砂層得到密實(shí)。爆炸密實(shí)拋砂基床是將集中藥包放置在砂層面一定高度，爆炸能量通過水介質(zhì)，作用到砂層表面，擠壓和振密拋砂基床。爆炸加密大面積回填的飽和砂陸域是先在砂層中成孔，采用條形藥包爆炸，爆炸激波和產(chǎn)生的振動(dòng)作用使砂顆粒液化，達(dá)到密實(shí)的效果。

爆炸密實(shí)飽和砂基技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于工程實(shí)踐，對(duì)不同的工程條件，要通過試驗(yàn)來確定選取必要的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。為了能使這項(xiàng)技術(shù)能推廣使用，需要進(jìn)行爆炸密實(shí)飽和砂基的機(jī)番研究。

在爆炸荷載作用下，飽和砂顆粒是如何“液化”的，“液化”的發(fā)展過程、超孔隙水壓力的產(chǎn)生和發(fā)展及耗散過程，砂基密實(shí)的工程指標(biāo)與爆炸參數(shù)間的關(guān)系等，都需要實(shí)驗(yàn)和理論分析的研究成果來闡述。

實(shí)驗(yàn)研究中，伊萬若夫(1961)對(duì)亞粘土和砂土的爆炸液化及密實(shí)的條件、過程、測(cè)試方法、藥包布置、爆破程序、藥包埋深、有水條件等問題進(jìn)行詳細(xì)的研究，給出了工程應(yīng)用上可以借鑒的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；查理(Char-lie，1978，1985，1986，1992)等從室內(nèi)實(shí)驗(yàn)到500噸的室外實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了飽和砂基中孔隙水壓力隨時(shí)間的變化過程及不同藥量時(shí)的密實(shí)效果。在國(guó)內(nèi)，實(shí)驗(yàn)研究的方案基本與國(guó)外學(xué)者一致，測(cè)定了爆炸引起的地面加速度、飽和砂基孔隙水壓力上升及液化后砂土沉降的規(guī)律(常亞屏1987，陸暇齡1989，石教柱1992)。由于爆源附近的壓力很大，近距離的加速度達(dá)到幾十個(gè)g或幾百個(gè)g的量級(jí)。爆炸過程中的超孔隙水壓力很難測(cè)量，一般以沖擊波的壓力表示動(dòng)態(tài)水壓力，殘余孔隙壓力可以達(dá)到幾十KPa的最級(jí)；不同的起爆方式和爆炸參數(shù)對(duì)飽和砂基的密實(shí)效果有影響(李世海、金冀良等1990)，對(duì)中厚層砂基，需要進(jìn)行多次爆炸后才能實(shí)。不同粒徑的飽和砂，在爆炸荷載作用下均能得到密實(shí)(李世海，張加華等，1993)。大量的實(shí)驗(yàn)研究成果為理論研究提供了有價(jià)值的分析數(shù)據(jù)。

爆炸荷載的特點(diǎn)是高沖擊力、高速率，但作用時(shí)間短。爆炸不僅可以產(chǎn)生剪切荷載作用，而且可以產(chǎn)生同量級(jí)的垂向荷載作用，因此爆炸荷載下飽和砂基的液化響應(yīng)比循環(huán)振動(dòng)荷載下的響應(yīng)復(fù)雜得多。

砂層內(nèi)爆炸，首先是沖擊波荷載對(duì)顆粒和水的作用。張均峰(1998)對(duì)沖擊載荷作用，而且可以產(chǎn)生同量級(jí)的垂向載荷作用，因此爆炸載荷下飽和砂基的液化響應(yīng)比循環(huán)振動(dòng)載荷下的響應(yīng)復(fù)雜得多。

砂層內(nèi)爆炸，首先是沖擊波載荷對(duì)顆粒和水的作用。張均峰（1998）對(duì)沖擊載荷下飽和砂土的滲流強(qiáng)化及結(jié)構(gòu)破壞、土層超孔隙水壓力的產(chǎn)生、發(fā)展和耗散過程、壓力波形與砂土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度和強(qiáng)化滲流與排水固結(jié)等問題進(jìn)行了研究。沖擊荷載作用下，砂層內(nèi)部出現(xiàn)縱向排水通道、橫斷裂紋等非均勻現(xiàn)象。爆炸過程，既產(chǎn)生水平相的荷載，同時(shí)也產(chǎn)生垂直相的荷載作用，水平荷載即為通常研究的剪切荷載下飽和砂基液化問題。而垂直荷載數(shù)值，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果是和水平荷載同一數(shù)量級(jí)的，在研究“液化”和密實(shí)效果時(shí)是不能忽視的。對(duì)垂直荷載的作用過程、液化區(qū)的產(chǎn)生和發(fā)展等問題。數(shù)值模擬結(jié)果，“液化”總是先從局部開始逐漸向遠(yuǎn)處擴(kuò)展，飽和砂基的液化是骨架和孔隙水相互作用的結(jié)果，骨架為了抵抗外部擾動(dòng)將產(chǎn)生壓縮趨勢(shì)，從而擠壓孔隙水，力圖使孔隙水排出，如果孔隙水難以排出，兩種介質(zhì)的變形就出現(xiàn)不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致骨架結(jié)構(gòu)的破壞、失去承載能力，產(chǎn)生液化。

在飽和砂基爆炸密實(shí)機(jī)理研究中，涉及到?jīng)_擊和循環(huán)荷載的共同作用，在外力作用下，砂層的結(jié)構(gòu)破壞、液化的產(chǎn)生和發(fā)展、非線性滲流、以及密實(shí)固結(jié)過程是相互偶合、十分復(fù)雜的。需要開展的相應(yīng)的工作，如：砂土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系、力學(xué)模型(包括二維和三維)、骨架結(jié)構(gòu)的破壞及液化機(jī)理等問題的進(jìn)一步研究。