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爆炸加固軟土地基作用機理的試驗研究

2016-12-01 09:24:19.0 責任編輯:崔瑋娜

孟海利  張志毅  楊年華  薛  里  鄧志勇

(中國鐵道科學研究院,北京,100081)

摘要:爆炸加固軟土地基是一種新型的軟基處理技術,對其進行深入細致的研究具有重要的理論意義和實踐意義。本文采用模型試驗對爆炸加固軟土地基排水固結原理進行了研究,對飽和軟黏土的爆炸效應研究,得出了炸藥在飽和軟黏土中爆炸的不同作用區域,試驗結果可以看出爆炸可以加速飽和軟黏土的排水固結,對深層的軟基作用效果更明顯。另外該技術在兩合線、寧啟鐵路、佛山和順-北滘公路進行了實際應用,取得了良好的效果,其優勢得到了充分的體現。

關鍵詞:爆炸動力固結法;軟土地基;超靜孔隙水壓;沉降

 

1引言

在我沿海地區、內河兩岸以及有湖泊分布的地方廣泛分布著軟土[1]。軟土一般具有高含水量、大孔隙比、低強度、高壓縮性、靈敏性和觸變性等特點,其物理力學性質變化較大,并且各地區的軟土性質也不盡相同[2,3]。在軟土上修建公路、鐵路、高層建筑、機場、碼頭及水庫等建(構)筑物時,會出現豎向變形不均、變形趨于穩定的時間長、工后沉降突出等問題。 因此,在軟土地基上施工時,必須采取一定措施對其進行加固處理。

目前,無論采用何種措施對軟土地基進行處理,如何控制軟土地基的穩定性和變形量,已成為工程界普遍關注的問題。對軟土地基加固處理方法做出正確的選擇,快速有效地提高軟土的承載力,不僅關系到整個建設工程的質量、進度,也是降低工程造價的重要途徑之一。

近年來隨著工程建設的迅猛發展,需要不斷尋求新的、高效的軟基處理方法。爆破專家和土力學專家各自發揮其專業特長,將爆炸和軟土地基處理緊密結合起來,提出了一種新型的軟基處理方法——爆炸動力固結法[4]

爆炸法處理軟土地基的基本思路如圖1所示[5,6]。首先在軟基表面鋪設砂墊層,作為水平排水通道;然后在軟土內部設置豎向排水通道(如塑料排水飯、袋裝砂井、砂樁等),使地基內部構成完整暢通的排水網路;再填土至交工面標高(含預留沉降量),作為爆炸處理的上覆荷載;待由填土產生的沉降基本穩定后,在深層軟基中鉆取深孔,將炸藥置于需加固處理的深度,并選擇爆炸參數,進行一次或數次爆炸,裝藥結構采用導爆索串聯間隔裝藥方式;土體在爆炸荷載作用下產生超靜水壓力,加之上覆荷載的約束,使部分孔隙水利用預先設置的排水通道排除土體,在此過程中,進行地表沉降、軟土強度等土工觀測;待地基達到穩定要求,爆炸處理完成。

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長期以來,中國鐵道科學院一直致力于爆炸加固軟黏土地基的機理研究,通過一系列模型和現場試驗,發現通過改變軟黏土的排水條件,利用炸藥爆炸產生的高能量瞬變動荷載引起軟土擾動,并結合一定的上覆荷載,可降低軟土層的壓縮性,減少在設計荷載作用下的沉降量,同時又能提高軟土層的抗剪強度,達到軟土地基固結的效果,爆炸動力固結是一種有效的軟基處理方法[7,8]

2模型試驗研究

2.1試驗的實現方法

試驗是在鋼筋混凝土爆炸池中進行的,使用的軟土為海相淤泥。爆炸池形狀為圓柱形,內徑2.0m,壁厚30cm,凈高2.4m。剛性爆炸池可以保證土體沉降是體變而不是形變。

試驗采用的方法和步驟與現場處理軟基的工法基本相同,即在軟土地基上設置排水通道,施加上覆荷載,并使其在此荷載作用下產生固結,然后在軟土中埋設炸藥進行爆炸,使軟土地基進一步排水固結。整個試驗裝置如圖2和圖3所示。

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2.2試驗測試內容

模型試驗共進行以下四個方面的測試。

(1)炸藥在軟土中爆炸后,形成的沖擊荷載對周圍土體產生強烈的擠壓作用,土體將受到嚴重的擾動:為了反映爆炸荷載對飽和軟土的作用強度,在藥包周圍埋設加速度傳感器,對爆炸荷載引起飽和軟土的加速度進行測試。

(2)采用原位測試的方法觀測爆炸前后土體強度的變化情況。原位測試包括十字板剪切和靜力觸探兩種。

(3)觀測爆炸法處理軟土地基過程中孔隙水壓力的變化情況。因爆炸處理過程軟土中孔隙水壓力經歷了高速變化和緩慢消散兩個過程,故選用了動、靜態兩套測試系統。孔隙水壓力的測試采用KY-2型壓阻式孔隙水壓傳感器,動態水壓信號的采集使用UB0X-1型振動記錄儀,靜態的數據采集則使用DTC-20lOA型多通道測試數顯儀。

(4)觀測地甚處理過程中不同時刻的沉降量,沉降量通過觀測預先埋設在土體表面的沉降標得到。

2.3試驗方案

試驗采用普通導爆索作為條形藥包,8號電雷管從頂部引爆。共進行了不同炸藥量。不同上覆荷載、不同爆炸次數以及多孔爆炸等20余組模擬試驗。從分析機理角度上講,每組試驗結果所得結論是相同的,因此,下面只給出了不同炸藥單耗的試驗參數(見表1)

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2.4試驗結果及分析

2.4.1  爆炸荷載下飽和軟土的變化特征

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炸藥在軟土中爆炸后,距藥包不同區域的土體的變化特征不同。炮孔周圍的土體由于受到爆炸沖擊波和爆生氣體的徑向擠壓作用,內部孔隙被壓縮,形成一個爆炸空腔。圖4所示為引爆一根半導爆索在淤泥中形成的空腔,。空腔直徑平均約15cm。

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空腔以外一定區域內的軟土,結構遭到破壞,表現出液態特征。圖5所示為引爆一根半導爆索,距離藥包40cm處測得的加速度波形,這與水中和含水量200﹪的泥漿中爆炸測得的加速度波形圖(如圖6和圖7所示)極為相似,表明軟土在爆炸荷載作用瞬間呈現流體特征。土體產生的加速度與藥量有關,藥量越大,相同位置處土體產生的加速度越大。原位測試結果表明爆后該區域軟土的強度明顯降低,說明該區域軟土的結構性受到較大程度的損傷,但隨著孔隙水的排出,軟土強度得到恢復,最終將超過原來的強度值。我們將該區域定義為觸變損傷區。

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觸變損傷區以外一定范圍的軟土,由于受爆破地震波的影響,強度也有所降低,但也沒有觸變損傷區那么明顯。該區域測得的加速度波形如圖8所示,表明軟土在爆破地震波的作用下做彈性振動。

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根據以上分析,飽和軟土中的爆炸效應可以分為3個區域,如圖9所示,即空腔區、觸變損傷區和振動影響區。空腔區是爆炸產生的高溫高壓的作用結果,空腔的直徑與藥量成正比,約為20倍的藥包直徑,爆炸空腔在后期壓力作用下將回縮;觸變損傷區是受沖擊擾動的主要作用范圍,損傷區半徑與藥量之間的關系為R=0.123 1129145431.jpg  ,這一區域是爆炸加固軟土地基的主要作用區域;振動區則受地震波影響,范圍較大。

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2.4.2  爆炸荷載作用下孔隙水壓的變化規律

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圖10給出了爆炸瞬間動態水壓典型波形圖。可以看出在爆炸荷載作用的瞬間,孔隙水壓力驟然升高,大約是爆前的2~3倍,由于爆炸荷載是一個瞬間的動荷載,當爆炸荷載消失后,孔隙水壓力迅速下降,整個過程所用時間非常短,僅有幾十毫秒。孔隙水壓下降后回落不到爆前的數值,而是比爆前有了較大幅度的提高,并能維持一段時間。

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圖11所示為爆炸荷載作用后,土體產生的超靜孔隙水壓力的變化情況。從圖1l中可以看出,爆后土體產生了超靜孔隙水壓力,并且距離藥包越近,超靜孔隙水壓力越大。超靜孔隙水壓力隨時間的推移而逐漸消散,最終消散至零。整個消散過程分兩個階段:一是快速消散階段,在超靜孔隙水壓力大于10kPa時,消散速度較快,大約用時為100~120h;二是緩慢消散階段,在超靜孔隙水壓力小于10kPa后,消散逐漸變緩,占整個消散過程的2/3。,爆炸瞬間產生的超靜水壓力與藥量和距離的關系為   1129145432.jpg  

2.4.3  爆炸荷載下沉降量的變化規律

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圖12給出了爆炸前后土體沉降量的變化曲線。可以看出土體在40kPa的上覆荷載作用下達到平衡,然后實施爆炸,土體再一次產生沉降,這表明在相同的上覆荷載作用下,爆炸可使土體產生二次沉降。且沉降量明顯。與超靜孔隙水壓的消散規律相對應,爆后土體的沉降速度也分為兩個階段,前5~8天沉降速度較快,沉降量大,為快速沉降階段,然后沉降速度變慢,沉降量逐漸減小,形成緩慢沉降階段,該階段持續時間較長。單藥包爆炸后,距離藥包越近,軟土的沉降量越大,致使土體斷面沉降呈現鍋底形。

2.4.4爆炸作用下軟土地基強度變化規律

分別在距爆源25cm和75cm處測定爆前及爆后不同時刻的貫入阻力ps,貫入阻力隨時間及土層深度的變化曲線如圖13所示。

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由圖13可知,在爆源近區,爆后瞬間土體的強度急劇降低,表現為靜力觸探貫入阻力幾乎為0,隨著時間的增加,在爆后11天和25天,貫入阻力較爆前都明顯增強;在爆源遠區,爆炸瞬間軟土的強度受影響較小,表現為靜力觸探貫入阻力較爆前變化不大,隨著時間的增加,在爆后11天和25天,貫入阻力較爆前也都有明顯的提升。總之,土體承載力隨著爆后固結時間的增加而逐漸增強。

3現場試驗研究

3.1西(安)一合(肥)鐵路試驗段

西合線DK299+500~DK299+550段爆炸處理深層軟土地基的試驗場地長30m、寬20m、下覆深度為7.5m的含淤泥質土。試驗過程如下:首先在試驗場地預埋沉降板和孔隙水壓力傳感器,地表再覆蓋3m厚填土,爆炸孔和排水砂井呈梅花形布置,炮孔至排水砂井的間距為1.5m,炮孔內間隔不耦合裝藥(總藥量2kg),逐孔分次起爆。爆后進行了孔隙水壓力測量、土樣物理力學試驗、標準貫入試驗、靜力觸探試驗和沉降量觀測,驗證爆炸處理效果(見表2)。

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3.1.1  單孔爆炸的作用效果

三次單孔爆炸試驗顯示,爆后砂井中均有快速排水和冒泡現象,約持續15min。炮孔的平均空腔體積為原孔的8.8倍,半徑為爆前的3.0倍。由此可知,單孔爆炸對周邊軟土具有一定的擠密破壞作用,爆炸產生的沖擊波擾動影響范圍也較大。

3.1.2爆后孔隙水壓力變化情況

在爆炸場地中心距離炮孔 1.5m、埋深7.5m處布設了鋼鉉式孔隙水壓力傳感器,實際測得爆炸后孔隙水壓力變化曲線如圖14所示。圖14中兩個峰值為兩次爆炸產生,由圖可知孔隙水壓力在4Oh內有明顯衰減,但在很長一段時間內仍保持較高超靜孔隙水壓力,能產生持久排水固結沉降。在爆后12h之內,孔隙水大量涌出地表或流向袋裝砂井,其孔隙水壓衰減很快;隨后進入孔隙水緩慢排除階段,孔隙水壓也緩慢降低。孔隙水壓力的變化過程從原理上充分證明爆炸作用可促進、加快固結沉降。

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3.1.3爆炸后沉降觀測

根據試驗場地分區,本次試驗共埋設了10個沉降板,中間的4號點沉降時程曲線如圖15所示,爆炸引起的沉降十分顯著,爆炸后仍有3~5天的明顯沉降期,第一天的沉降最為顯著,這一過程與超靜孔隙水壓力消散過程相對應。另外爆炸次數對沉降量的影響尤為重要。

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3.1.4標準貫入試驗和靜力觸探試驗

在爆前和爆后45天進行了輕型標貫試驗對比,N10擊數比爆前提高了1.8倍(見表3)。爆后靜力觸探試驗指標見表4,由此可知爆炸加固處理后,含淤泥質軟弱土層的強度指標有所提高,承載力提高20%,壓縮模量提高了20%。

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3.2寧啟鐵路試驗段

2003年在寧啟鐵路DK172+000~DK172+100里程段進行的爆炸加固軟土地基試驗,地質條件為:表層硬殼厚度2~3m;下覆淤泥質軟土,厚度6~7m。為對比不同上覆荷載對爆炸加固軟土地基效果的影響,試驗區段被分為四段:第一段為無上覆堆載試驗段;第二段表層堆載50cm厚土;第三段表層堆載100cm厚土;第四段表層堆載150cm厚土(如圖16所示)。根據試驗要求,鋪設覆蓋土前預先設置袋裝砂井,砂井間距1.5m,深9m。

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第一段做小規模爆炸試驗,每孔裝藥量1.5kg,第二段到第四段爆炸孔間距3m,深度9m,每孔裝藥量2.0~2.4kg,第三、四段按隔孔方式分成兩次爆炸,爆炸間隔時間為l天。

3.2.1  爆炸產生地表沉降

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由圖17可見,四段試驗地表沉降具有明顯的共同特征:5天內地表沉降較顯著,其后為緩慢持續沉降,沉降量相對較小。但各試驗段爆炸后沉降效果仍有不同:第四段3天內共沉降140mm,地表沉降量最大;第一、二、三段3天內各沉降80mm、83mill、103mm,說明上覆堆載量越大,爆炸后地表沉降量也越大。

3.2.2室內試驗結果

本次試驗分別在爆前、爆后一周、爆后兩個月、爆后九個月取土樣四次,并對56個試樣進行剪切試驗和壓縮實驗,結果見表5。對此表明,土樣的壓縮系數在爆炸16天后變化非常明顯,,已經從高壓縮性土轉化為中壓縮性土,壓縮模量和壓縮系數都有同樣的變化情況,說明爆炸對促進土體固結作用較顯著。

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3.3佛山和順一北滘公路試驗段

2004年5月在佛山和順一北滘公路干線公路K3+550~K3+720段再次進行爆炸加固軟土地基試驗。根據勘查報告,其軟弱地層發育,主要是上覆2~4m的粉土或粉砂層,下臥中粗砂層,中間為沖積形成的淤泥和淤泥質士,整體呈“夾心餅”狀。

爆炸試驗段設計選取了170m長一段路基進行對比試驗。以中間隔離帶為分界,其中半幅45m寬、170m長路基進行爆炸動力固結試驗,相鄰半幅路基采用堆載預壓處理。實驗段各分區平面圖如圖18所示。

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試驗地段路基設計填土總高度3.0m,其中砂墊層厚度0.8m,填土1.7m,預留沉降量填土0.5m。6-2號區段爆炸處理時共埋設90個炮孔,其中36個炮孔間距為3.6m,單孔裝藥量3.4kg,炸藥單耗0.02kg/m3;54個炮孔間距為5.4m,單孔實際裝藥量為7.6kg,炸藥單耗0.022kg/m3;8-2號區段爆炸處理時共埋設48個炮孔,炮孔間距為4.m,單孔實際裝藥量為6.2kg,炸藥單耗0.03kg/m3。爆炸動力固結典型斷面如圖19所示。

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3.3.1  爆后表面效應觀測

兩次爆炸后均出現了涌水現象,部分孔的出水量很大,集水井水量也有較大的增加,平時7min左右抽一次水,現在2min左右就達到需進行抽水的水位。集水井內涌水現象一直持續了5天左右。

3.3.2  沉降量

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由圖20和圖21可見,6-2號區段爆炸后連續觀測了兩個月,在此期間沉降量不斷增加,沉降速率每天在5mm之內,但到第40天后,沉降量增加值逐漸變小,60天時,沉降基本穩定,最小值為162mm,最大值為200mm,平均沉降量180.2mm。8-2號區段在爆后持續觀測顯示,到第55天后,沉降量基本穩定,最大值維持在256mm。

3.3.3  孔隙水壓力

在6-2號區段埋設了3個孔隙水壓力傳感器(如圖22所示),埋設位置分別為原軟土層下6m、9m及12m。1號和3號孔壓觀測傳感器的超靜孔壓變化曲線如圖23所示。

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在爆炸后的極短時間內(2h),超靜孔隙水壓力峰值上升很快,達到一個最高點(73.27kPa),然后開始急劇下降(5~10天內)超靜孔壓值下降幅度很大,之后緩慢回落。

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圖24所示為8-2號區段爆炸后超靜孔隙水壓力變化曲線。1號、3號曲線正常,均在爆炸后的極短時間內(約1h)超靜孔隙水壓力達到一個最高點,然后開始急劇下降,5天后超靜孔壓值下降到1kPa以下。

上述實驗數據表明,爆炸后超靜孔隙水壓力峰值上升很快,1~4h基本達到最高點,之后開始急劇下降,5~10天后超靜孔壓值下降幅度很大,之后緩慢回落。這與地表沉降的發展曲線進本一致,超靜孔隙水壓力急劇消散的過程,即為地表發生急劇沉降的過程。

3.3.4爆炸區與堆載預壓區工程效果對比分析

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對比圖25和圖26可見,6-1號區段實測沉降量355mm,6-2號區段平均沉降量為453mm。由此可得出如下結論:

(1)爆炸段的總沉降量大于堆載預壓段,說明因爆炸產生的地基沉降并不完全等效于堆載預壓。

(2)經過爆炸后再堆載,在此荷載作用下,經爆炸后地基產生的沉降要明顯小于未經爆炸處理地段,說明爆炸對消除沉降有明顯的作用。

4機理分析

由模型和現場試驗結果可以看出,炸藥在軟土地基中爆炸,形成的沖擊波和爆轟氣體對周圍土體產生強大的擠壓作用,土體受到擠壓而產生塑性變形,根據有效應力原理,爆炸產生的壓應力主要由土體中的孔隙水承擔,由于土體中孔隙水的壓縮性很小,且爆炸壓力又具有瞬時性,孔隙水來不及向外流出,故瞬間產生較高的超靜孔隙水壓力。同時爆炸對土體擾動后,軟土結構遭到破壞,強度明顯降低,有效應力減小,上覆荷載又重新作用到孔隙水上,這是超靜孔隙水壓力升高的另一個重要原因。在爆炸沖擊波的傳播過程中,由于土體中的水和土顆粒的兩種介質引起不同的振動效應,兩者的動應力差大于土顆粒的吸附能時,土顆粒周圍的弱結合水從顆粒間析出,產生動力水聚集。由于土體結構遭到破壞,土黏粒之間的相對位置與離子及水分子的定向排列被打亂,粒間的吸引作用也被削弱,近似于形成裂隙,這就使得滲透系數驟增,形成良好的排水通道。在超靜孔隙水壓力作用下,土體中的孔隙水向豎向排水砂井處流動、聚集,并通過砂井排出地表,超靜孔隙水壓力不斷消散,在上覆荷裁作用下,土體也逐漸沉降固結,形成新的結構,土體的強度得到恢復和提高,從而達到加固軟土地基的目的。

爆炸法加固軟土地基的過程實質上是爆炸動力排水固結的過程。這一過程可分為如下兩個階段:

(1)爆炸荷載作用階段。在爆炸瞬間,強大的沖擊波和爆生氣體對周圍土體產生作用,在離藥包較近的波動影響范圍內,瞬間產生超靜孔隙水壓力,離藥包越近,產生的超靜孔隙水壓力越大。由于爆炸作用破壞了土體結構,使軟土中的部分弱結合水轉化為自由水,同時也使土體的滲透系數增大,這為土體快速排水固結提供了條件。此作用過程極為短暫。

(2)動力排水固結階段。爆炸過后,土體中保持一定的超靜孔隙水壓力,在此壓力作用下,土體中的孔隙水迅速匯集并排出地表。在這一階段中,初期的排水速度快,排水量大,超靜孔隙水壓力消散也快,后期排水速度和排水量逐漸變小,孔隙水壓力消散緩慢。與此相對應,在上覆荷載的作用下,土體沉降固結,先期沉降量大,后期逐漸減小。在此過程中,土顆粒之間的位置逐漸靠近,形成新的結合水膜和結構連接,土體的滲透系數逐漸變小,由于黏性土具有觸變特性,土體的強度得到恢復與提高。軟土的動力排水固結階段大約持續30天左右。

5應用前景

目前,軟土地基加固處理方法很多,從原理上基本可分為兩大類:一類是置換法,即將軟弱土全部或部分移開,然后回填更高強度的材料,使地基承載力提高,例如爆炸擠淤法、置換拌入法等就是充分利用了這一原理;另一類是壓實法,即使軟弱土原地固結密實,以提高承載力,此類方法包括排水固結法、強夯法等。對于淺層軟土而言,置換回填成本較低,常規的作用力也能使淺層軟土固結密實。但當軟土厚度達到一定深度時,置換法處理成本會顯著增高;強夯法因其作用力難以達到深部,固結效果較差,而堆載預壓又存在處理周期長,大量堆載成本高,后期還需外運超載體等問題。

爆炸排水固結法是在爆炸荷載作用下,并結合一定的上覆荷載和豎向排水砂井,使軟土地基動力排水固結的方法。由于需要一定的上覆荷載,這與堆載預壓法相近,同時它又是在爆炸荷載下使軟土動力固結,這又與強夯法的作用原理相似。堆載預壓法加固軟土地基的時間長,一般都在6個月以上,且需要大量的堆載物,軟基處理完畢后還需將超載體運走,成本高。強夯法的加固深度一般在5m以內,對厚度大的軟土加固效果較差。與堆載預壓和強夯法相比,爆炸法處理軟土地基具有以下三個顯著特點:

(1)炸藥在設置有排水通道的軟土地基中爆炸產生高能量瞬變荷載使土體結構發生變化,軟土中超靜孔隙水壓力急劇上升、緩慢消散,并與上覆荷載的作用使土體快速排水固結,從而縮短軟基的處理周期。

(2)藥包布置成條形,并分布在整個軟土處理深度范圍,炸藥爆炸后的動載能量均勻分布在處理深度的土體內部,不受加固深度的影響,因此從理論上推斷,爆炸動力固結法的加固深度是不受限制的。

(3)在相同上覆荷載下,采用爆炸法處理的軟土地基比堆載預壓法處理的地基的沉降量大。如果在處理后的地基上再堆同樣的荷載,經爆炸處理后的地基產生的沉降要明顯小于未經爆炸處理的地基,這表明爆炸可以代替一定的超載。

基于以上三個優點,爆炸法必將在軟土地基處理工程中得到廣泛的應用,且能產生巨大的經濟效益和社會效益。

參考文獻

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摘自《中國爆破新進展》



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