张加华1 王峰2 蔡建新2
(1北京中科力爆炸技术工程有限公司北京100080；2连云港建港指挥部，江苏222042)
摘 要 对爆炸法处理水下淤泥软基技术、饱和软基爆炸排水固结机理研究和饱和砂基爆炸
密实机理研究等三个方面的研究内容进行了综述。扼要地介绍了爆炸处理软基技术的研究进
展、工程应用中遇到的问题和进一步需要研究开展的工作。
关键词 爆炸，软基处理
1 引言
软土地基包括淤泥、淤泥质粘土和松散的沙基，在工程中这类地基的特点是含水量大、强度指标小，承载力低，需要进行处理后才能利用。常规的处理方法一是置换法，即用挖泥船挖泥清除，置换开山石料；二是采用塑料排水板排水固结、堆载预压或真实预压处理，使软基就地加固；三是对饱和松散基础采用震冲的办法来处理。这些处理方法施工时需要大型的施工设备，施工工艺复杂，工期长，处理费用高。沿海许多工程建设中这样的软基处理需要有新的施工技术投入，促进软基加固工程技术的发展。
爆炸技术应用于软基处理自二次大战时就有所报道，在沼泽地带修路，药包布置在路面上，利用爆炸产生的高温高压，将块石或土壤等压入沼泽地软基中，这就是“爆夯挤淤”的原理。早期的“爆夯挤淤”技术仅仅是注重实用性，对爆炸技术作用原理以及软土地基的特性研究较少，限制了这一技术的进一步发展。
爆炸作用是炸药爆炸的巨大能量释放的过程，爆炸气体对周围介质作功，在岩石中爆炸，可以使岩石破碎，在软土中爆炸，爆炸产生的高压气体可以使其周围的软土介质运动，而且软土介质在爆炸动载作用下的动力特性发生改变。利用这一特点，将药包布置在淤泥等软基中爆炸，开拓了爆炸技术在软基处理工程中应用的新领域。近年来的研究工作主要有以下三个方面的内容：(1)爆炸法处理水下淤泥软基技术。(2)饱和软基爆炸排水固结机理研究。(3)饱和砂基爆炸密实机理研究。本文概括介绍上述三个专业课题的研究进展、工程应用中遇到的问题和要进一步研究的工作。
2 爆炸法处理水下淤泥软基技术
在港口防波堤工程修建中，以往在遇到淤泥软基时多是采用挖泥船清除。这种施工方法需要大型船机，施工工期长，清淤效率低，由于回淤还有二次清除的问题。在爆炸开沟技术研究的基础上，提出采用爆炸法置换淤泥软基，即在抛石堤头前沿淤泥层内布置药包，利用爆炸产生的高压气体，在淤泥内形成空腔，空腔气体膨胀作推动周围的淤泥介质运动；同时堆石体在爆炸振动荷载作用下，向淤泥空腔内下滑，填充空腔，实现泥石的瞬态置换。
爆炸排淤处理软基技术在工程中的应用需要有在理论分析指导下进行必要的试验研究，同时还要解决一套施工工艺。爆炸排淤处理软基技术需要研究炸药在淤泥中的爆炸特性、冲击波的传播规律、淤泥的动力特性、淤泥中爆炸鼓包运动和空腔回缩后的泥石流运动规律。模型律分析表明，爆炸排淤填石法在初期形成漏斗过程和后期堆石体塌落、“石舌”形成过程均满足几何相似律。在变形功正比于变形体积的条件下，根据能量准则，有药量公式：
 式中：q为线药量，kg/m ；△S为堆石体滑落进尺，m；H为淤泥层的厚度，m。常数K在实验中已经给出，适用范围为淤泥厚度小于lOm，施工工艺研究的主要工作是要研制一套适合水上成孔、布药的装置，既能保证水上作用的简便，同时也能保证装药过程中药包的安全。采用钻孔和物探的方法可以用来检验爆炸处理软基的工程效果，即爆炸处理淤泥软基的落底深度。装药工艺及机具、检测方法这些成果在工程实践中证明是可靠、可行的。
“爆炸法处理水下淤泥软基技术”已经应用于40多条防波堤、护岸和围堰工程施工中。在推广应用中始终以科研成果为支持的。在实验研究的基础上，建立数学模型(杨振声等，1989)，对爆炸排淤填石法的机理进行理论研究，数值模拟主要对不同参数下，爆炸挤淤处理深度和“石舌”的长度进行了规律性的总结，数值计算结果与工程实验相一致，很好地解释了这一技术的力学现象。
新的技术的应用，在市场中占据优势，主要归于施工工艺的改进和多种新的技术的研究成果。这一技术初期应用时，装药工艺为水上作业，即在爆炸船上完成布药工序，受海况影响较大，不能全天候进行爆破作业，这是一直困扰着研究人员的问题。将爆填装药机具由水上作业改为陆上装药作业，需要研制陆上装药机具，且装药工序和抛石工序不能有影响。采用挖掘机和配套的装药器(凌云鹏等，1993)，装药深度可以达到10m，装药时间可以控制在1小时左右。机械设备的改进，不仅提高了装药作业速度，而且不受风浪的影响，经济效益得到了提高。
堤下爆炸处理软基技术(杨振声等，1995)，即在抛石体下部淤泥中埋置药包，可以充分利用爆炸能量使淤泥向两侧排出，药量单耗小，q=1～2kg/m的药量可以使几米厚的堆石体爆破挤淤落底。桩间爆炸处理淤泥软基(杨振声等，1995)是针对高桩码头桩间二次回淤处理而进行的，在混凝土预应力桩间几米的距离内爆炸处理软基，保证桩身安全，在药包的结构上需要采取有效的降低冲击波峰值的措施。“包芯”断面海堤结构(张加华等，1995)的研究，是从设计角度出发，优化设计断面，减小断面方量，降低工程造价。多层泥质地基爆填施工工艺的改进(张建勋，1997)，解决了复杂地质条件下，应用爆填技术施工的问题。这些相关技术的研究，丰富了爆炸法处理水下淤泥软基技术的研究内容，使新技术在应用中得到了很大的发展。已有的研究成果已经能够解决不同工程条件下软基爆炸处理的施工，至今这一技术与其他常规的方法相比还有很大的优越性。
淤泥软基爆炸置换处理技术近年来主要遇到的问题是大厚度的淤泥软基爆炸处理，即需要爆炸处理的淤泥厚度大干10m，有时达到20多米。在工程实践中已经积累了比较多的经验，但经验参数要进一步的推广还需要开展理论性的研究。建立在强度相似理论基础上的定向滑移筑堤技术研究(张建华教授，1998)认为，对大厚度淤泥的爆炸处理主要是定向滑动，爆炸将淤泥向四周压缩成坑，在爆炸负压与震动作用下，邻近的抛石体定向滑至爆坑。强大的爆炸压力将深层淤泥扰动，使其强度大大降低，造成了深层淤泥沿轴线定向滑移的条件。爆后抛填时，随抛填自重荷载的增加，当被爆炸强扰动的深层淤泥内的剪应力超过其抗剪强度时，抛石体沿滑移线朝轴线方向定向滑移下沉，实现深层淤泥的泥石置换。这一机理与浅淤泥软基的爆炸瞬态转换的原理是不一样的，需要开展机理研究和现场实测数据来解释工程中现象。
爆炸法处理水下淤泥软基工程施工中遇到的另一问题是爆炸振动安全问题。尽管爆炸处理软基时，炸药是在水中或是在堤头淤泥中爆炸，炸药爆炸的能量将有一部分激起邻近地层的振动，由于岸边水饱和介质的存在，爆炸引起的振动传播规律比较复杂。有的工程遇到距离工点较远的地方民房损害的诉讼事件，排除非技术性因素，开展多层介质、多区域不同介质中爆破振动传播规律及特点的研究，对工程解决问题是有益的。
3 饱和软基爆炸排水固结研究
淤泥软基传统的加固方法就是堆载预压或真空预压，即在软土层表面堆土、石料或施加真实荷载，为了加速土中的水的排出，淤泥中设置砂井或塑料排水纸板，预压固结的时间一般要3～4个月才能使土层平均固结度达到工程要求指标的80％。预压固结方法的固?结作用原理一是靠土层上部荷载在土体内产生超孔隙水压力；二是土层中设置排水通道使水体能够尽快排出。
用爆炸的方法使淤泥软基快速排水固结就是在不均匀的介质中，通过爆炸载荷作用，使土体中产生超孔隙水压力，使土体中的水排出，降低含水量，提高承载力，达到加固软基的目的。
爆炸处理淤泥软基快速排水固结的试验研究中，我们观测到爆炸后在淤泥的表面有“集中”通道排水，水如泉涌。延续时间达几十分钟，出水量很大。这说明动力固结排水不同于常规渗流排水规律。为了解释实验中观测到的快速排水现象，需要进行淤泥软基在爆炸动荷载作用的动力响应、土体中超孔隙水压力产生的机理、动载作用后土体中排水规律、集中排水通道的形成机理和动力固结过程等问题的研究。
研究的技术路线以实验数据分析为基础，建立力学模型。解释实验中的力学现象，再进行工程性试验，达到工程应用的目的。
爆炸后淤泥介质的动力响应特性不同于一般土岩爆炸或水中爆炸。淤泥是一种宾汉流体，不可压缩，其爆炸后淤泥中的冲击波压力传播规律是：
其波速为1500m/s，与水中接近。
爆炸后加速度场的分布特点是：爆源附近加速度大，其幅值可以达到100g量级，作用时间只有几十毫秒；加速度随爆源距离(水平和垂直)增大而衰减，近区主要是冲击波作用产生的体波。
爆炸荷载作用可以在淤泥软基内产生超孔隙水压力。超孔隙水压力变化是一波动曲线，最大幅值可以达到几十KPa，幅值随距离的增加而减小。同时，我们还发现淤泥中爆炸有负超孔隙水压力的现象。
通过对爆炸后淤泥表现沉降量、表面出水量和孔隙水压力的耗散规律的测定，分析得出爆炸后土体内的渗流规律为非线性达西渗流，渗流系数增大了几倍。
如何解释实验现象的实验测量结果?在实验测量结果的基础上，我们采用两相流的模型建立了土颗粒和水动载下的一维运动方程，即：
其中：n、p、g为土体孔隙率、孔隙水压力和重量加速度；ρ、ρs、Vw、Vs为水相和颗粒相的密度、速度；HI为相间作用力。上述方程的数值解关键是淤泥的动本构关系及相间作用力HI的确定。
两相流模型将水和土颗粒做为不可压缩介质处理，土体的变形通过孔隙率n的变化来反映，与Biot方程及混合物理论的方程是不同的。数值计算结果表明，在强动载荷作用下，土层中两相介质由于运动惯性不同，两者间会出现分离运动，两者的速度相差造成了土休中有“进、排”水的现象，解释了实验中爆后出现有正有负的超孔隙水压力的现象。
爆炸可以在淤泥软基中产生超孔隙水压力，但超孔隙水压力必须耗散，排出水体，软基固结。现场实验结果和初步理论研究均表明，淤泥软基后期固结效果不明显。因此浅滩淤泥爆炸排水固结的工程性试验，三种实验方案(插塑料板法、插塑料板加爆炸法、插塑料板加部分堆载再爆炸法)的对比实验结果表明，插塑料板加部分堆载再爆炸法的工程性指标比其他两种方法提高了一倍多。
淤泥软基爆炸排水固结的机理研究涉及到爆炸力学的土力学的研究内容，是一个比较难研究领域。几年来的研究困难主要有：此类实验的重复性比较差，同一实验的区域多次炸后，土体的指标变化较大，相邻区域土体的原始参数变化又较大，需要有大量的实测据才能分析出土体动力响应的规律。再就是理论研究，饱和淤泥的动本构关系、爆炸载荷在力学模型中描述、二维或三维模型的建立及数值计算等，需要考虑爆炸动力排水和后期的排水过程。
4 饱和砂基爆炸密实机理研究
饱和砂基的特点为结构松学，没有粘性。常规的处理方法是震冲挤密法，通过振冲器产生的能量，一方面依靠振冲器的强力振动使饱和砂层发生液化，砂颗粒重新排列，孔隙减少，另一方面依靠振冲器的水平振动力，在加回填料情况下还通过填料使砂层挤压加密。
爆炸密实饱和砂基技术，在工程中主要应用于爆炸密实抛砂基床和爆炸加密大面积回填的饱和砂陆域。爆炸密实的原理是利用爆炸荷载的作用，使砂粒和水之间发生相对运动，破坏砂粒间原来的排列结构，使之承载能力降低或丧失，砂粒处于悬浮或半悬浮状态，产生较高的超孔隙水压力。此后超孔隙水压力耗散，部分水体排出，砂粒重新排列使砂层得到密实。爆炸密实抛砂基床是将集中药包放置在砂层面一定高度，爆炸能量通过水介质，作用到砂层表面，挤压和振密抛砂基床。爆炸加密大面积回填的饱和砂陆域是先在砂层中成孔，采用条形药包爆炸，爆炸激波和产生的振动作用使砂颗粒液化，达到密实的效果。
爆炸密实饱和砂基技术已经应用于工程实践，对不同的工程条件，要通过试验来确定选取必要的经验参数。为了能使这项技术能推广使用，需要进行爆炸密实饱和砂基的机番研究。
在爆炸荷载作用下，饱和砂颗粒是如何“液化”的，“液化”的发展过程、超孔隙水压力的产生和发展及耗散过程，砂基密实的工程指标与爆炸参数间的关系等，都需要实验和理论分析的研究成果来阐述。
实验研究中，伊万若夫(1961)对亚粘土和砂土的爆炸液化及密实的条件、过程、测试方法、药包布置、爆破程序、药包埋深、有水条件等问题进行详细的研究，给出了工程应用上可以借鉴的实验结果；查理(Char-lie，1978，1985，1986，1992)等从室内实验到500吨的室外实验，测定了饱和砂基中孔隙水压力随时间的变化过程及不同药量时的密实效果。在国内，实验研究的方案基本与国外学者一致，测定了爆炸引起的地面加速度、饱和砂基孔隙水压力上升及液化后砂土沉降的规律(常亚屏1987，陆暇龄1989，石教柱1992)。由于爆源附近的压力很大，近距离的加速度达到几十个g或几百个g的量级。爆炸过程中的超孔隙水压力很难测量，一般以冲击波的压力表示动态水压力，残余孔隙压力可以达到几十KPa的最级；不同的起爆方式和爆炸参数对饱和砂基的密实效果有影响(李世海、金冀良等1990)，对中厚层砂基，需要进行多次爆炸后才能实。不同粒径的饱和砂，在爆炸荷载作用下均能得到密实(李世海，张加华等，1993)。大量的实验研究成果为理论研究提供了有价值的分析数据。
爆炸荷载的特点是高冲击力、高速率，但作用时间短。爆炸不仅可以产生剪切荷载作用，而且可以产生同量级的垂向荷载作用，因此爆炸荷载下饱和砂基的液化响应比循环振动荷载下的响应复杂得多。
砂层内爆炸，首先是冲击波荷载对颗粒和水的作用。张均峰(1998)对冲击载荷作用，而且可以产生同量级的垂向载荷作用，因此爆炸载荷下饱和砂基的液化响应比循环振动载荷下的响应复杂得多。
砂层内爆炸，首先是冲击波载荷对颗粒和水的作用。张均峰（1998）对冲击载荷下饱和砂土的渗流强化及结构破坏、土层超孔隙水压力的产生、发展和耗散过程、压力波形与砂土结构的抗拉强度和强化渗流与排水固结等问题进行了研究。冲击荷载作用下，砂层内部出现纵向排水通道、横断裂纹等非均匀现象。爆炸过程，既产生水平相的荷载，同时也产生垂直相的荷载作用，水平荷载即为通常研究的剪切荷载下饱和砂基液化问题。而垂直荷载数值，实验测量结果是和水平荷载同一数量级的，在研究“液化”和密实效果时是不能忽视的。对垂直荷载的作用过程、液化区的产生和发展等问题。数值模拟结果，“液化”总是先从局部开始逐渐向远处扩展，饱和砂基的液化是骨架和孔隙水相互作用的结果，骨架为了抵抗外部扰动将产生压缩趋势，从而挤压孔隙水，力图使孔隙水排出，如果孔隙水难以排出，两种介质的变形就出现不协调，导致骨架结构的破坏、失去承载能力，产生液化。
在饱和砂基爆炸密实机理研究中，涉及到冲击和循环荷载的共同作用，在外力作用下，砂层的结构破坏、液化的产生和发展、非线性渗流、以及密实固结过程是相互偶合、十分复杂的。需要开展的相应的工作，如：砂土的动本构关系、力学模型(包括二维和三维)、骨架结构的破坏及液化机理等问题的进一步研究。
参考文献
1 郑哲敏．杨振声．爆炸处理水下海淤软基．《海洋工程》．1989
2 张建华．爆炸处理水下软基筑堤法．《工程爆破文集》．深圳．1997
3 杨振声．爆炸排水固结的试验研究．《工程爆炸文集》．深圳．1997
4 张加华．饱和软基爆炸排水机理的初步研究．《海洋工程》．1997
5 张加华．饱和淤泥爆炸后渗流规律探讨．《岩土工程学报》．2000
6 鲁小兵．垂向振动荷载下饱和砂土的液化分析．博士论文．1999
7 张均锋．冲击载荷下饱和砂土渗流强化与结构破坏的实验研究．博士论
文．1998
（来源：中国爆破网）
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