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爆炸加固软土地基作用机理的试验研究

2016-12-01 09:24:19 责任编辑崔玮娜

孟海利  张志毅  杨年华  薛  里  邓志勇

(中国铁道科学研究?#28023;本?00081)

摘要爆炸加固软土地基是一?#20013;?#22411;的软基处理?#38469;?#23545;其进行深入细致的研究具有重要的理论意义和?#23548;?#24847;义本文采用模型试验对爆炸加固软土地基排水固结原理进行?#25628;?#31350;?#21592;?#21644;软黏土的爆炸效应研究得出了炸药在饱和软黏土中爆炸的不同作用区域试验结果可以看出爆炸可以加速饱和软黏土的排水固结对深层的软基作用效果更明显另外该?#38469;?#22312;两合线宁启铁路佛山和顺-北滘公?#26041;?#34892;了?#23548;视?#29992;取得了良好的效果其优?#39057;?#21040;了充分的体现

关键词爆炸动力固结法软土地基超?#37096;?#38553;水压?#20004;?/span>

 

1引言

在我沿海地区内河两岸以及有湖泊分布的地方广泛分布着软土[1]软土一般具有高含水量大孔隙?#21462;?#20302;强?#21462;?#39640;压缩性灵敏?#38498;?#35302;变性等特点其物理力学?#28798;?#21464;化较大并且各地区的软土?#28798;?#20063;不尽相同[2,3]在软土上修建公路铁路高层建筑机场码头及水库等建(构)筑物时会出现竖向变形不均变形趋于稳定的时间长工后?#20004;低?#20986;?#20219;?#39064; 因此在软土地基上施工时必须采取一定措施对其进行加固处理

目前无论采用何种措施对软土地基进行处理如何控制软土地基的稳定?#38498;?#21464;形量已成为工程界普遍关注的问题对软土地基加固处理方法做出正确的选择快速?#34892;?#22320;提高软土的承载力不仅关系到整个建设工程的质量进度也是降低工程造价的重要途径之一

近年?#27492;?#30528;工程建设的?#35813;头?#23637;需要不断寻求新的高效的软基处理方法爆破专家和土力学专家各自发挥其专业特长将爆炸和软土地基处理紧密结合起来提出了一?#20013;?#22411;的软基处理方法爆炸动力固结法[4]

爆炸法处理软土地基的基本思路如图1所示[5,6]首先在软基表面铺设砂垫层作为水平排水通道然后在软土内部设置竖向排水通道(如塑料排水饭袋装砂井砂桩等)使地基内部构成完整畅通的排水网路再填土至交工面标高(含预留?#20004;?#37327;)作为爆炸处理的?#32454;稍أ?#24453;由填土产生的?#20004;?#22522;本稳定后在深层软基中钻取深孔将炸药置于需加固处理的深度并选择爆炸参数进行一次或数次爆炸装药结构采用导爆索串联间隔装药方式土体在爆炸?#31245;?#20316;用下产生超静水压力加之?#32454;稍?#30340;?#38469;?#20351;部分孔隙水利用预先设置的排水通道排除土体在此过程中进行地表?#20004;?#36719;土强度等土工观测待地基达到稳定要求爆炸处理完成

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长期以来中国铁道科学院一直致力于爆炸加固软黏土地基的机理研究通过一系列模型和现场试验发现通过改变软黏土的排水条件利用炸药爆炸产生的高能量瞬变动?#31245;?#24341;起软土扰动并结合一定的?#32454;稍أ?#21487;降低软土层的压缩性减少在设计?#31245;?#20316;用下的?#20004;?#37327;同时又能提高软土层的抗剪强度达到软土地基固结的效果爆炸动力固结是一种?#34892;?#30340;软基处理方法[78]

2模型试验研究

21试验的实现方法

试验是在钢筋混凝土爆炸池中进行?#27169;?#20351;用的软土为海相淤泥爆炸池形状为圆柱?#21361;?#20869;径20m壁厚30cm净高24m?#25307;?#29190;炸池可?#21592;?#35777;土体?#20004;?#26159;体变而不是形变

试验采用的方法和步骤与现场处理软基的工法基本相同即在软土地基上设?#38376;?#27700;通道施加?#32454;稍أ?#24182;使其在此?#31245;?#20316;用下产生固结然后在软土中埋设炸药进行爆炸使软土地基进一步排水固结整个试验装置如图2和图3所示

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22试验测试内容

模型试验共进行以下四个方面的测试

(1)炸药在软土中爆炸后形成的冲击?#31245;ض灾?#22260;土体产生强?#19994;?#25380;压作用土体将受到严重的扰动为了反映爆炸?#31245;ض员?#21644;软土的作用强度在药包周围埋设加速度传感器对爆炸?#31245;?#24341;起饱和软土的加速度进行测试

(2)采用原位测试的方法观测爆炸前后土体强度的变化情况原位测?#22253;?#25324;十字板剪切和静力触探两种

(3)观测爆炸法处理软土地基过程中孔隙水压力的变化情况因爆炸处理过程软土中孔隙水压力经历了高速变化和缓慢消散两个过程故选用了动静态两套测试系统孔隙水压力的测试采用KY-2型压阻式孔隙水压传感器动态水压信号的采集使用UB0X-1型振动记录仪静态的数据采集则使用DTC-20lOA型多通道测试数显仪

(4)观测地甚处理过程中不同时刻的?#20004;?#37327;?#20004;?#37327;通过观测预先埋设在土体表面的?#20004;?#26631;得到

23试验方案

试验采用普通导爆索作为条形药包8号电雷管从顶部引爆共进行了不同炸药量不同?#32454;稍ء?#19981;同爆炸次数以?#23736;?#23380;爆炸等20余组模拟试验从分析机理角度上讲?#23380;?#35797;验结果所得结论是相同?#27169;?#22240;此下面只给出了不同炸药单耗的试验参数(见表1)

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24试验结果及分析

241  爆炸?#31245;?#19979;饱和软土的变化特征

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炸药在软土中爆炸后距药包不同区域的土体的变化特征不同炮?#23383;?#22260;的土体由于受到爆炸冲击波和爆生气体的径向挤压作用内部孔隙被压缩形成一个爆炸空腔图4所示为引爆一根半导爆索在淤泥?#34892;?#25104;的空腔空腔?#26412;?#24179;均约15cm

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空腔以外一定区域内的软土结构遭到破坏表现出液态特征图5所示为引爆一根半导爆索距离药包40cm处测得的加速度波?#21361;?#36825;与水中和含水量200的泥浆中爆炸测得的加速度波形图(如图6和图7所示)极为相似表明软土在爆炸?#31245;?#20316;用瞬间呈现流体特征土体产生的加速度与药量有关药量越大相同位置处土体产生的加速度越大原位测试结果表明爆后该区域软土的强度明显降低?#24471;?#35813;区域软土的结构性受到较大程度的损伤但随着孔隙水的排出软土强度得?#20132;?#22797;最终将超过原来的强度值我们将该区域定义为触变损伤区

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触变损伤区以外一定范围的软土由于受爆破地震波的影响强度也有所降低但也没有触变损伤区那么明显该区域测得的加速度波形如图8所示表明软土在爆破地震波的作用下做弹性振动

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根据以上分析饱和软土中的爆炸效应可以分为3个区域如图9所示即空腔区触变损伤区和振动影响区空腔区是爆炸产生的高温高压的作用结果空腔的?#26412;?#19982;药量成正比约为20倍的药包?#26412;?#29190;炸空腔在后期压力作用下将回缩触变损伤区是受冲击扰动的主要作用范围损伤区半径与药量之间的关系为R=0123 1129145431.jpg  这一区域是爆炸加固软土地基的主要作用区域振动区则受地震波影响范围较大

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242  爆炸?#31245;?#20316;用下孔隙水压的变化规律

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图10给出了爆炸瞬间动态水压典型波形图可以看出在爆炸?#31245;?#20316;用的瞬间孔隙水压力骤然升高大?#38469;?#29190;前的23倍由于爆炸?#31245;?#26159;一个瞬间的动?#31245;أ?#24403;爆炸?#31245;?#28040;失后孔隙水压力迅速下降整个过程所用时间非常短仅有几十毫秒孔隙水压下降后回落不到爆前的数值而是比爆前有了较大幅度的提高并能维持一段时间

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图11所示为爆炸?#31245;?#20316;用后土体产生的超?#37096;?#38553;水压力的变化情况从图1l中可以看出爆后土体产生了超?#37096;?#38553;水压力并且距离药包越近超?#37096;?#38553;水压力越大超?#37096;?#38553;水压力随时间的推移而逐渐消散最终消散至零整个消散过程分两个阶?#21361;?#19968;是快速消散阶?#21361;?#22312;超?#37096;?#38553;水压力大于10kPa时消散速度较快大约用时为100120h二是缓慢消散阶?#21361;?#22312;超?#37096;?#38553;水压力小于10kPa后消散逐渐变?#28023;?#21344;整个消散过程的23爆炸瞬间产生的超静水压力与药量和距离的关系为   1129145432.jpg  

243  爆炸?#31245;?#19979;?#20004;?#37327;的变化规律

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图12给出了爆炸前后土体?#20004;?#37327;的变化曲线可以看出土体在40kPa的?#32454;稍?#20316;用下达到平衡然后实施爆炸土体再一次产生?#20004;担?#36825;表明在相同的?#32454;稍?#20316;用下爆炸可使土体产生二次?#20004;页两?#37327;明显与超?#37096;?#38553;水压的消散规律相对应爆后土体的?#20004;邓?#24230;也分为两个阶?#21361;?#21069;58天?#20004;邓?#24230;较快?#20004;?#37327;大为快速?#20004;到F危?#28982;后?#20004;邓?#24230;变慢?#20004;?#37327;逐渐减小形成缓慢?#20004;到F危?#35813;阶段?#20013;?#26102;间较长单药包爆炸后距离药包越近软土的?#20004;?#37327;越大致使土体断面?#20004;?#21576;?#27490;?#24213;形

244爆炸作用下软土地基强度变化规律

分别在距爆源25cm和75cm处测定爆前及爆后不同时刻的贯入阻力ps贯入阻力随时间及土层深度的变化曲线如图13所示

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由图13可知在爆源近区爆后瞬间土体的强度急剧降低表现为静力触探贯入阻力几乎为0随着时间的增加在爆后11天和25天贯入阻力较爆前都明显增强在爆源远区爆炸瞬间软土的强度受影响较小表现为静力触探贯入阻力较爆前变化不大随着时间的增加在爆后11天和25天贯入阻力较爆前也?#21152;?#26126;显的提升总之土体承载力随着爆后固结时间的增加而逐渐增强

3现场试验研究

31西(安)一合(肥)铁路试验段

西合线DK299+500DK299+550段爆炸处理深层软土地基的试验场地长30m宽20m下覆深度为75m的含淤泥质土试验过程如下首先在试验场地预埋?#20004;?#26495;和孔隙水压力传感器地表再覆盖3m厚填土爆炸孔和排水砂井呈梅花形布置炮?#23383;?#25490;水砂井的间距为15m炮孔内间隔不耦合装药(总药量2kg)逐孔分次起爆爆后进行了孔隙水压力测量土样物理力学试验标准贯入试验静力触探试验?#32479;两?#37327;观测验证爆炸处理效果(见表2)

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311  单孔爆炸的作用效果

三次单孔爆炸试验显示爆后砂井中均有快速排水和冒泡现象约?#20013;?5min炮孔的平均空腔体积为原孔的88倍半径为爆前的30倍由此可知单孔爆炸?#28798;?#36793;软土具有一定的挤密破坏作用爆炸产生的冲击波扰动影响范围也较大

312爆后孔隙水压力变化情况

在爆炸场地?#34892;?#36317;离炮孔 15m埋深75m处布设了钢铉式孔隙水压力传感器?#23548;?#27979;得爆炸后孔隙水压力变化曲线如图14所示图14中两个峰值为两次爆炸产生由图可知孔隙水压力在4Oh内有明显衰减但在很长一段时间内?#21592;?#25345;较高超?#37096;?#38553;水压力能产生持?#38376;?#27700;固结?#20004;?#22312;爆后12h之内孔隙水大量涌出地表或流向袋装砂井其孔隙水压衰减很快随后进入孔隙水缓慢排除阶?#21361;?#23380;隙水压?#19981;?#24930;降低孔隙水压力的变化过程从原理上充?#31181;?#26126;爆炸作用可促进加快固结?#20004;?/span>

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313爆炸后?#20004;?#35266;测

根据试验场地分区本次试验共埋设了10个?#20004;?#26495;中间的4号点?#20004;?#26102;程曲线如图15所示爆炸引起的?#20004;?#21313;分?#28798;?#29190;炸后仍有35天的明显?#20004;?#26399;第一天的?#20004;?#26368;为?#28798;?#36825;一过程与超?#37096;?#38553;水压力消散过程相对应另外爆炸次数对?#20004;?#37327;的影响尤为重要

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314标准贯入试验和静力触探试验

在爆前和爆后45天进行了轻型标贯试验?#21592;xN10击数比爆前提高了18倍(见表3)爆后静力触探试验指标见表4由此可知爆炸加固处理后含淤泥质软弱土层的强度指标有所提高承载力提高20压缩模量提高了20

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32宁启铁路试验段

2003年在宁启铁路DK172+000DK172+100里程段进行的爆炸加固软土地基试验地质条件为表层?#37096;?#21402;度23m下覆淤泥质软土厚度67m为?#21592;?#19981;同?#32454;稍?#23545;爆炸加固软土地基效果的影响试验区段被分为四?#21361;?#31532;一段为无?#32454;?#22534;载试验?#21361;?#31532;二段表层堆载50cm厚土第三段表层堆载100cm厚土第四段表层堆载150cm厚土(如图16所示)根据试验要求铺设覆盖土前预先设置袋装砂井砂井间距15m深9m

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第一段做小规模爆炸试验每孔装药量15kg第二段到第四段爆炸孔间距3m深度9m每孔装药量2024kg第三四段按隔孔方式分成两次爆炸爆炸间隔时间为l天

321  爆炸产生地表?#20004;?/span>

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由图17可见四段试验地表?#20004;?#20855;有明显的共同特征5天内地表?#20004;到灾?#20854;后为缓慢?#20013;两担两?#37327;相对较小但各试验段爆炸后?#20004;?#25928;果仍有不同第四段3天内共?#20004;?40mm地表?#20004;?#37327;最大第一二三段3天内各?#20004;?0mm83mill103mm?#24471;细?#22534;载量越大爆炸后地表?#20004;?#37327;也越大

322室内试验结果

本次试验分别在爆前爆后一周爆后两个月爆后九个月取土样四?#21361;?#24182;对56个试样进行剪切试验和压缩实验结果见表5对此表明土样的压缩系数在爆炸16天后变化非常明显已经从高压缩性土转化为中压缩性土压缩模量和压缩系数?#21152;型?#26679;的变化情况?#24471;?#29190;炸对促进土体固结作用较?#28798;?/span>

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33佛山和顺一北滘公路试验段

2004年5月在佛山和顺一北滘公路干线公路K3+550K3+720段再次进行爆炸加固软土地基试验根据勘查报告其软弱地层发育主要是?#32454;?4m的粉土或粉?#23433;?#19979;卧中粗?#23433;?#20013;间为冲积形成的淤泥和淤泥质士整体呈?#34892;?#39292;?#30784;?/span>

爆炸试验段设计选取了170m长一段路基进行?#21592;?#35797;验以中间隔离带为分界?#28210;?#21322;幅45m宽170m长路基进行爆炸动力固结试验相邻半幅路基采用堆载预压处理实验段各分区平面图如图18所示

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试验地段路基设?#38138;?#22303;总高度30m?#28210;?#30722;垫层厚度08m填土17m预留?#20004;?#37327;填土05m6-2号区段爆炸处理时共埋设90个炮孔?#28210;?6个炮孔间距为36m单孔装药量34kg炸药单耗002kgm354个炮孔间距为54m单?#36164;导首?#33647;量为76kg炸药单耗0022kgm38-2号区段爆炸处理时共埋设48个炮孔炮孔间距为4m单?#36164;导首?#33647;量为62kg炸药单耗003kgm3爆炸动力固结典型断面如图19所示

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331  爆后表面效应观测

两次爆炸后均出现了涌水现象部分孔的出水量很大集水井水量也有较大的增加平时7min左?#39029;?#19968;次水现在2min左右就达到需进行抽水的水位集水井内涌水现象一直?#20013;?#20102;5天左右

332  ?#20004;?#37327;

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由图20和图21可见6-2号区段爆炸后连续观测了两个月在此期间?#20004;?#37327;不?#26174;?#21152;?#20004;邓?#29575;每天在5mm之内但到第40天后?#20004;?#37327;增加值逐渐变小60天时?#20004;?#22522;本稳定最小值为162mm最大值为200mm平均?#20004;?#37327;1802mm8-2号区段在爆后?#20013;?#35266;测显示到第55天后?#20004;?#37327;基本稳定最大值维持在256mm

333  孔隙水压力

在6-2号区段埋设了3个孔隙水压力传感器(如图22所示)埋设位置分别为原软土层下6m9m及12m1号和3号孔压观测传感器的超?#37096;?#21387;变化曲线如图23所示

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在爆炸后的极短时间内(2h)超?#37096;?#38553;水压力峰值上升很快达到一个最高点(7327kPa)然后开?#25216;?#21095;下降(510天内)超?#37096;?#21387;值下降幅度很大之后缓慢回落

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图24所示为8-2号区段爆炸后超?#37096;?#38553;水压力变化曲线1号3号曲线正常均在爆炸后的极短时间内(约1h)超?#37096;?#38553;水压力达到一个最高点然后开?#25216;?#21095;下降5天后超?#37096;?#21387;值下降到1kPa以下

上述实验数据表明爆炸后超?#37096;?#38553;水压力峰值上升很快14h基本达到最高点之后开?#25216;?#21095;下降510天后超?#37096;?#21387;值下降幅度很大之后缓慢回落这与地表?#20004;?#30340;发展曲线进本一致超?#37096;?#38553;水压力急剧消散的过程即为地表发生急剧?#20004;?#30340;过程

334爆炸区与堆载预压区工程效果?#21592;确?#26512;

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?#21592;?#22270;25和图26可见6-1号区段实测?#20004;?#37327;355mm6-2号区段平均?#20004;?#37327;为453mm由此可得出如下结论

(1)爆炸段的总?#20004;?#37327;大于堆载预压?#21361;得?#22240;爆炸产生的地基?#20004;?#24182;不完全等效于堆载预压

(2)经过爆炸后再堆载在此?#31245;?#20316;用下经爆炸后地基产生的?#20004;?#35201;明显小于未经爆炸处理地?#21361;得?#29190;炸对消除?#20004;?#26377;明显的作用

4机理分析

由模型和现场试验结果可以看出炸药在软土地基中爆炸形成的冲击波和爆轰气体?#28798;?#22260;土体产生强大的挤压作用土体受到挤压而产生塑性变?#21361;?#26681;据?#34892;?#24212;力原理爆炸产生的压应力主要由土体中的孔隙水承担由于土体中孔隙水的压缩?#38498;?#23567;且爆炸压力?#24535;?#26377;瞬时性孔隙水来不及向外流出故瞬间产生较高的超?#37096;?#38553;水压力同时爆炸对土体扰动后软土结构遭到破坏强度明显降低?#34892;?#24212;力减小?#32454;稍ّ种?#26032;作用到孔隙水上这是超?#37096;?#38553;水压力升高的另一个重要原因在爆炸冲击波的传播过程中由于土体中的水和土颗粒的两种介质引起不同的振动效应两者的动应力差大于土颗粒的吸附能时土颗粒周围的弱结合水从颗粒间析出产生动力水聚集由于土体结构遭到破坏土黏粒之间的相对位置与离子及水分子的定向排列被打乱粒间的吸引作用也被削弱近似于形成裂隙这就使得渗透系数骤增形成良好的排水通道在超?#37096;?#38553;水压力作用下土体中的孔隙水向竖向排水砂井处流动聚集并通过砂井排出地表超?#37096;?#38553;水压力不断消散在?#32454;?#33655;裁作用下土体也逐渐?#20004;?#22266;结形成新的结构土体的强度得?#20132;?#22797;和提高从而达到加固软土地基的目的

爆炸法加固软土地基的过程实质上是爆炸动力排水固结的过程这一过程可分为如下两个阶?#21361;?/span>

(1)爆炸?#31245;?#20316;用阶段在爆炸瞬间强大的冲击波和爆生气体?#28798;?#22260;土体产生作用在离药包较近的波动影响范围内瞬间产生超?#37096;?#38553;水压力离药包越近产生的超?#37096;?#38553;水压力越大由于爆炸作用破坏了土体结构使软土中的部分弱结合水转化为自由水同时也使土体的渗透系数增大这为土体快速排水固结提供了条件此作用过程极为短暂

(2)动力排水固结阶段爆炸过后土体中保持一定的超?#37096;?#38553;水压力在?#25628;?#21147;作用下土体中的孔隙水迅速汇集并排出地表在这一阶段中初期的排水速度快排水量大超?#37096;?#38553;水压力消散?#37096;e?#21518;期排水速度和排水量逐渐变小孔隙水压力消散缓慢与此相对应在?#32454;稍?#30340;作用下土体?#20004;?#22266;结先期?#20004;?#37327;大后期逐渐减小在此过程中土颗粒之间的位置逐渐?#25335;?#24418;成新的结合水膜和结构连接土体的渗透系数逐渐变小由于黏性土具有触变特性土体的强度得?#20132;?#22797;与提高软土的动力排水固结阶段大约?#20013;?0天左右

5应用前景

目前软土地基加固处理方法很多从原理上基?#31350;?#20998;为两大类一类是置换法即将软弱土全部或部分移开然后回填更高强度的材料使地基承载力提高例如爆炸挤淤法置换拌入法?#26579;?#26159;充分利用了这一原理另一类是?#25925;?#27861;即使软弱土原地固结密实以提高承载力此类方法包括排水固结法强夯法?#21462;?#23545;于浅层软土而言置换回填成本?#31995;ͣ?#24120;规的作用力?#26448;?#20351;浅层软土固结密实但当软土厚度达到一定深度时置换法处理成本会?#28798;?#22686;高强夯法因其作用力?#23721;?#36798;到深部固结效果较差而堆载预压又存在处理周期长大量堆载成本高后期还需外?#39034;?#36733;体?#20219;?#39064;

爆炸排水固结法是在爆炸?#31245;?#20316;用下并结合一定的?#32454;稍?#21644;竖向排水砂井使软土地基动力排水固结的方法由于需要一定的?#32454;稍أ?#36825;与堆载预压法相近同时它又是在爆炸?#31245;?#19979;使软土动力固结这又与强夯法的作用原理相似堆载预压法加固软土地基的时间长一般都在6个月以上且需要大量的堆载物软基处理完毕后还需将超载体运走成本高强夯法的加固深度一般在5m以内对厚度大的软土加固效果较差与堆载预压和强夯法相比爆炸法处理软土地基具有以下三个?#28798;?#29305;点

(1)炸药在设置?#20449;?#27700;通道的软土地基中爆炸产生高能量瞬变?#31245;?#20351;土体结构发生变化软土中超?#37096;?#38553;水压力急剧上升缓慢消散并与?#32454;稍?#30340;作用使土体快速排水固结从而缩短软基的处理周期

(2)药包布置成条?#21361;?#24182;分布在整个软土处理深?#30830;?#22260;炸药爆炸后的动载能量均?#30830;?#24067;在处理深度的土体内部不受加固深度的影响因此从理论上推断爆炸动力固结法的加固深度是不受限?#39057;ġ?/span>

(3)在相同?#32454;稍?#19979;采用爆炸法处理的软土地基比堆载预压法处理的地基的?#20004;?#37327;大如果在处理后的地基上再堆同样的?#31245;أ?#32463;爆炸处理后的地基产生的?#20004;?#35201;明显小于未经爆炸处理的地基这表明爆炸可以代替一定的超载

基于以上三个优点爆炸法必将在软土地基处理工程中得到广泛的应用且能产生巨大的经济效益和社会效益

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