爆炸固結(jié)法處理軟土地基的探討

任亮平

(國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局材料工程發(fā)明審查部，北京 100088)

軟土地基處理存在多種處理方法，爆炸固結(jié)法實(shí)際上是爆炸結(jié)合堆載預(yù)壓來處理軟土地基的方法，即:軟土內(nèi)設(shè)置排水通道，在軟土地基上進(jìn)行堆載預(yù)壓，在上覆荷載下先進(jìn)行固結(jié)沉降，待產(chǎn)生的沉降穩(wěn)定后，即達(dá)到首次固結(jié)平衡，再在軟基中設(shè)置裝藥并進(jìn)行爆炸，利用爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)擾動，軟土強(qiáng)度因此降低，擾動破壞軟土地基的固結(jié)平衡，再在上覆荷載下產(chǎn)生附加壓縮沉降，最終達(dá)到超載預(yù)壓的效果。中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所針對爆炸固結(jié)法分別作了現(xiàn)場試驗(yàn)和模型試驗(yàn)［2-5］，對爆炸固結(jié)法處理軟土地基的沉降規(guī)律、強(qiáng)度變化規(guī)律等做了試驗(yàn)性的研究。本文根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析爆炸固結(jié)法處理軟土地基的特點(diǎn)，并結(jié)合這些特點(diǎn)探討與其他軟土地基處理方法結(jié)合的可行性。

1 試驗(yàn)情況

1.1 現(xiàn)場試驗(yàn)

2001 年5 月，鐵道科學(xué)研究院在西南線中鐵十六局施工DK299+500～DK299 +550 段，對深層軟土地基進(jìn)行爆炸結(jié)合堆載預(yù)壓處理的現(xiàn)場試驗(yàn)［2，3］，試驗(yàn)場地長30 m、寬20 m，淤泥質(zhì)土體深度1 m～7.5 m。試驗(yàn)情況:堆載預(yù)壓采用在淤泥質(zhì)土體上堆填3 m 厚填土，淤泥質(zhì)土體中布置排水砂井，先進(jìn)行預(yù)壓沉降，再進(jìn)行爆炸處理。爆炸后進(jìn)行沉降觀測，并對土體物理、力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行測量，如表1 所示，圖1 為典型沉降曲線。

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)

試驗(yàn)結(jié)果表明，爆炸對土體的物理力學(xué)指標(biāo)產(chǎn)生了較大影響，在爆炸前期，在7 d～15 d 內(nèi)物理力學(xué)指標(biāo)便發(fā)生了較大變化，其含水量、孔隙比降低，剪切強(qiáng)度有所增強(qiáng)，壓縮性能得到提高。但在后期，土體指標(biāo)雖繼續(xù)得到改善，但改善速度較慢。同時，試驗(yàn)在沉降觀測時，還觀測到爆炸導(dǎo)致土體產(chǎn)生較大側(cè)向位移，說明，豎向固結(jié)沉降僅僅是總沉降的一部分。

圖1 典型沉降曲線

為了更加明確爆炸對土體物理力學(xué)指標(biāo)在不同階段的影響，還進(jìn)行了爆炸后短時間內(nèi)測量，在爆炸后1 h 內(nèi)進(jìn)行了現(xiàn)場標(biāo)貫試驗(yàn)對比，標(biāo)貫試驗(yàn)情況見表2。由表2 可知，爆炸作用在短時間內(nèi)土體的強(qiáng)度未見升高，反而有下降趨勢，這說明爆炸作用使得已經(jīng)固結(jié)平衡的土體結(jié)構(gòu)受到擾動，土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，重新產(chǎn)生固結(jié)沉降，土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在爆炸后一定時間內(nèi)是要小于堆載預(yù)處理后的強(qiáng)度的;在爆炸后45 d 進(jìn)行了輕型標(biāo)貫試驗(yàn)對比，N10擊數(shù)提高了1.8 倍，說明土體強(qiáng)度因固結(jié)沉降而重新恢復(fù)、提高。

表2 爆炸前后標(biāo)貫試驗(yàn)對比表

1.2 模型試驗(yàn)

為進(jìn)一步探究爆炸固結(jié)法處理軟土地基的機(jī)理，鐵道科學(xué)研究院又進(jìn)行了模型試驗(yàn)［4，5］，修建圓形鋼筋混凝土容器作為爆炸裝置，裝置結(jié)構(gòu)如圖2 所示，圓形容器的內(nèi)徑2.0 m，凈高2.4 m，在圓形容器內(nèi)放置飽和淤泥質(zhì)軟土，圖3 為裝藥和砂井布置示意圖。試驗(yàn)流程如下:1)配制飽和淤泥質(zhì)軟土，同時設(shè)置排水體;2)氣囊加載(模擬上覆荷載堆載預(yù)處理)進(jìn)行預(yù)處理軟土，待沉降穩(wěn)定時，達(dá)到首次固結(jié)平衡，爆炸處理土體，使其再次產(chǎn)生固結(jié)沉降;3)在不同階段進(jìn)行強(qiáng)度檢測，同時進(jìn)行沉降觀測。

沉降—時間曲線如圖4 所示，靜力觸探貫入阻力隨時間變化如圖5 所示。試驗(yàn)結(jié)果觀測到了土體強(qiáng)度在爆炸后短時間內(nèi)明顯降低，隨著時間變化土體強(qiáng)度逐漸恢復(fù)并增強(qiáng)。結(jié)合沉降觀測，由于本試驗(yàn)爆炸容器采用了剛性側(cè)壁，土體即便受到爆炸沖擊也不會發(fā)生擠出效應(yīng)，即:不能發(fā)生側(cè)向位移，所以觀測到的沉降完全是由排水固結(jié)產(chǎn)生的豎向沉降，而不會有橫向變形沉降。當(dāng)然，采用剛性側(cè)壁，會有可能造成爆炸引力波的反射，從而有可能增強(qiáng)對軟土的擾動效應(yīng)。由此來驗(yàn)證爆炸固結(jié)法的機(jī)理，即:爆炸擾動破壞土體結(jié)構(gòu)，并形成類似裂隙，在上覆荷載下，土體重新排水固結(jié)形成的結(jié)構(gòu)，土體強(qiáng)度也得到恢復(fù)、提高，達(dá)到加固軟土地基的目的。

圖2 模型試驗(yàn)裝置

圖3 裝藥及砂井布置圖

圖4 沉降—時間曲線

圖5 貫入阻力在不同時刻變化圖

1.3 試驗(yàn)總結(jié)

綜合現(xiàn)場試驗(yàn)和模型試驗(yàn)看出，爆炸固結(jié)法處理軟土地基，在爆后短時間內(nèi)可以破壞土體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生大量排水，但在處理后期，土體的沉降以及物理、力學(xué)指標(biāo)的變化趨近于常規(guī)的堆載預(yù)壓或超載預(yù)壓，但在土體強(qiáng)度的恢復(fù)、提高上，其效果還有待確定。

2 與其他方法結(jié)合的探討

對于軟土地基，應(yīng)注意其兩個特性，其一是觸變性:軟土未受破壞時常具一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但一經(jīng)擾動，結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度迅速降低甚至變成稀釋狀態(tài)。軟土的這一性質(zhì)稱觸變性。這在現(xiàn)場和模型試驗(yàn)中，也得到了進(jìn)一步的證實(shí)，并且，爆炸固結(jié)法也是利用軟土這種特性。其二是流變性:指在持續(xù)荷載作用下，土的變形隨時間而增長的特性，結(jié)合爆炸固結(jié)法，爆炸后土體在上覆荷載下重新排水固結(jié)沉降，達(dá)到平衡后，理應(yīng)可以進(jìn)行施工，但由于其流變性的特點(diǎn)，會有可能繼續(xù)產(chǎn)生變形沉降。試驗(yàn)中觀測到土體強(qiáng)度在后期反而略有下降的情況也驗(yàn)證了該特性。因此，采用爆炸固結(jié)法處理軟土地基，一是在爆炸后仍要較長時間來進(jìn)行堆載處理，二是處理效果上，尤其是土體強(qiáng)度的變化情況仍有待確定。常規(guī)的軟土地基的處理方法中有采用灌入固化物處理的方法，如深層攪拌法，通過特制的深層攪拌機(jī)械，在軟土地基中就地將軟粘土(一般指含水量超過液限)和水泥系固化劑強(qiáng)制拌和，形成具有整體性、水穩(wěn)性和足夠強(qiáng)度的水泥加固土，從而提高地基承載力以達(dá)到加固軟土地基效果。針對爆炸固結(jié)法的特點(diǎn)，其在爆炸初期土體強(qiáng)度會急劇下降，同時產(chǎn)生大量排水，可以考慮兩者的結(jié)合:在爆炸后，立即進(jìn)行深層攪拌法的施工，一是可以大大減小深層攪拌機(jī)的攪拌阻力，二是固化劑可以很好的與地基大量排水發(fā)生水化反應(yīng);同時，土體的排水可通過固化劑吸收拌和為水泥土，而無需再排水，可以考慮減少甚至取消排水體，如:砂井的布置。采用爆炸固結(jié)法結(jié)合深層攪拌法，充分利用了兩者的特點(diǎn)，相對于單獨(dú)采用各個方法，可以減少施工量、縮短施工周期，由于處理后形成水泥加固土，既徹底改變了土體性質(zhì)，也會克服常規(guī)軟土地基流變性的缺點(diǎn)，提高處理效果，這種結(jié)合方法針對飽和軟粘土尤為適用。

3 結(jié)語

采用爆炸固結(jié)法結(jié)合灌入固化物處理的方法，如深層攪拌法，是根據(jù)爆炸固結(jié)法的現(xiàn)場試驗(yàn)和模型試驗(yàn)的結(jié)果，針對飽和軟土的特點(diǎn)，提出的結(jié)合軟土地基的處理方法，其具體處理步驟以及實(shí)際效果還需通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

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