李 毅 ，郭学彬，史瑾瑾

（1．重庆华地工程勘察设计院，重庆 400042；2.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010）

土中垂直柱状药包的爆破成型试验研究

李 毅1，郭学彬2，史瑾瑾2

（1．重庆华地工程勘察设计院，重庆 400042；2.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010）

进行土体中不同直径垂直柱状药包的爆破试验，探讨了外部作用的爆破成型特点，分析了爆腔壁面爆炸裂隙空间展布，并得出爆破漏斗坑、爆腔及爆炸裂隙各尺寸参数与药包直径的变化关系。

土；柱状药包；爆破成型；药包直径

随着国家对基础建设投入力度加大，在土中进行工程建设越来越多。爆破技术因具有经济、高效、快捷等特点而被广泛应用和发展。在实际工程中，由于钻孔设备的限制，爆破成型多采用垂直钻孔，在钻孔内装入柱状药包，利用土中爆炸成型作用形成各类土工结构［1］，或利用爆炸压密作用加固软土地基［2］。

按传统定义，长径比η＞4的药包称为柱状药包；η≤4的药包称为集中药包［3］。当柱状药包埋置深度小于临界深度时或埋深一定，药量较大时，由于应力波和爆生气体的共同作用，土体中柱状药包爆破将会产生偏向自由面的漏斗坑［4］，药包周围压缩成腔，这种爆破作用称为外部作用。柱状药包在介质中外部作用的爆破成型是其终点效应研究重要内容之一，已有许多学者对爆破漏斗、爆腔以及爆炸裂隙形成作了专门研究［5－7］。但是，柱状药包应力波强度分布很不均匀，药包径向应力强度最大，端部轴线应力最小［8］，这必然导致爆破成型具备其自身的特征规律。因此，在埋深和孔径一定的条件下，进行不同直径垂直柱状药包的现场爆破试验，观测爆破漏斗坑和爆腔轮廓特征，研究爆炸裂隙的空间展布，并分析爆破成型尺寸随药包直径改变的变化规律，以期为同类爆破工程设计提供参考。

1 土中垂直柱状药包外部作用的爆破成型模型

外部作用时，垂直柱状药包的爆破范围可达地表形成爆破漏斗坑，同时下部药包爆破应力波在土体中传播，应力波的压力和波形发生变化，导致在距离爆源不同距离土体的破坏程度有所不同。根据开挖后爆扩痕迹和力学效应可将炮孔周围介质破坏大致分为如图1所示的4个区域：空腔区、裂隙区、塑性压密区、振动区。

图1 土中柱状药包爆炸的破坏分区

2 试验条件及方案

爆破试验在含水率W＝21．08%， 密度ρs＝1．708g/cm3，粘聚力c＝39．6kPa， 内摩擦角φ＝23．4°，泊松比μ＝0．3的粘土介质中进行，采用柱状装药，孔深1．0m（除去表层松散覆土），2＃岩石粉状炸药，装药长度为0．4m，堵塞长度0．6m，细颗粒土堵塞，正向起爆，爆破参数见表1。

表1 爆破参数表

3 试验结果

3．1 爆破成型观测结果

爆破后沿通过炮孔中心的两个相互垂直剖面开挖工作坑，开挖深度1．80m，剖面宽度1．50m。外部作用时的爆破成型对称于药包轴，由上部爆破漏斗和下部爆腔两部分组成。上部漏斗坑并非锥体而是圆台体；下部爆腔由上部颈口、中部柱状爆腔和底部半椭球状爆腔组成。

爆破成型示意图如图2，3所示。

图2 爆破成型照片

图3 土中柱状药包外部作用爆破的爆破成型及其参数

上部爆破漏斗参数实测值见表2，下部爆腔参数实测值见表3。

表2 上部漏斗坑参数值表

表3 下部爆腔参数值表 单位：cm

3．2 爆炸裂隙统计结果

爆腔壁上产生纵横交错的爆破裂隙，裂隙将腔壁土体割裂成众多小块，形成独立完整土块之间的裂隙称之为主裂隙。为在同等条件下统计压缩腔壁面不同位置的裂隙特征，在近似柱状腔和下半椭球腔壁面各取20cm×20cm的爆炸裂隙面，统计主裂隙数目及各条主裂隙的深度和宽度的最大值。试验的爆腔壁上裂隙参数统计结果见表4。

表4 爆炸裂隙参数统计结果

4 结果分析

4．1 爆破成型特征及爆炸裂隙的展布

根据表2，3爆破成型参数的测量数据，绘出各次试验的爆破成型特征，如图4所示。

图4为爆炸裂隙区（裂隙分布和范围）示意图。爆腔上部颈口受到上部自由面反射波拉伸作用，纵、横向裂隙的宽度最大，深度最深，被裂隙分割的块体主要呈较大的方块状。柱状腔壁上的纵向裂隙较宽、较深，横向裂隙较少、且较浅、较窄，被裂隙割裂的土块呈条形；药柱底端与土体耦合，冲击压力大，爆炸裂隙增多，纵向裂隙在柱状腔和半椭球腔结合处分叉，纵向、横向裂隙交错，使被裂隙分割成的块体呈小而密的近似方形块体；爆腔底部是无限土体，受自由面影响小，导致底部半球腔壁上裂隙深度较浅，宽度不大。由表4数据不难得出，柱状腔壁面裂隙深度是半椭球腔壁面的2．9～5．9倍；柱状腔壁面的宽度值是半椭球腔壁面的3．0～5．8倍。

图4 各次土中柱状药包爆破外部作用时爆破成型的特征

图5 外部作用爆腔壁面裂隙分布

4．2 爆破漏斗坑参数与药包直径的关系

爆破漏斗坑半径和深度随着药包直径增大而增大。药包直径增大，松动爆破转变为抛掷爆破，非装药段土体破坏范围增大。但是，爆破漏斗坑深度始终都小于非装药段长度，这表明爆破漏斗不是从药包顶端开始形成的，而药包顶端一定高度还属于爆腔范围，之后才属于爆破漏斗范围。

图6 爆破漏斗坑大小与药包直径的关系

由图6为爆破漏斗坑大小与药包直径之间的关系曲线得知，药包直径36mm，爆破漏斗坑底圆半径、漏斗颈半径和漏斗坑深度增大速率不同，用破裂角变化来准确表示爆破漏斗坑这一特征的改变，破裂角度正切值与药包直径的关系曲线如图7所示。破裂倾角正切值随药包直径增大而先增后减，药径为36mm时，破裂倾角正切值达到最大值3．93（破裂角度约75°）。

图7 破裂倾角正切值tgφ与药包直径的关系

4．3 下部爆腔参数与药包直径的关系

柱状空腔半径自上而下横向比较发现各部位空腔半径略有不同，但都随着药包直径的增大而增大，见图7（a）。取各部位空腔半径平均值为柱状空腔半径，得到柱状空腔半径约为15～17倍药包半径。由图3可知，整个爆破成型的高度取决于药包下端部的压缩效应。图7（b）为半椭球腔高度与药包直径的变化关系。半椭球腔高度随药包直径增大而先减小后增大，在药包直径为36mm时，半椭球腔高度达到最小值18cm。

图8 爆腔大小与药包直径的关系

4．4 爆炸裂隙与药包直径的关系

横向爆炸裂隙的条数随药包直径的变化而变化不大，纵向裂隙条数随着药包直径的增加呈似直线增加的关系，对表4的纵向裂隙统计数据线性回归，相关系数分别为0．8229和0．9613，拟合效果好。回归直线见图9。

图9 回归直线

图9给出了爆腔不同位置爆炸裂隙深度、开口宽度与药包直径的关系。半椭球腔壁的裂隙深度和宽度随药包直径增大而增大；柱状腔壁裂隙深度、宽度随药包直径增大，呈现先增后减的趋势。由于药包周围空气间隙改变了爆炸荷载动、静能量比例［9］，d≈40mm时，裂隙宽度和深度出现最大值（分别为9．24cm和2．50cm）。

图10 爆炸裂隙深度、开口宽度与药包直径的关系

5 结语

通过对土中不同药包直径的垂直柱状药包进行爆破试验及分析，得出外部作用爆破成型的特征和规律：

（1）柱状药包外部作用时的爆破成型对称于药包轴，由上部爆破漏斗坑和下部爆腔两部分组成，漏斗坑形如是圆台体；爆腔由上部颈口、中部柱状爆腔和底部半椭球状爆腔组成。

（2）试验条件下，漏斗坑随着药包直径增大而增大，爆破漏斗坑破裂角的正切值随药包直径增大而先增后减，药包直径为36mm时，达到最大值3．93（破裂角度约75°）。柱状空腔半径约为15～17倍药包直径，并随药包直径增大而增大，半椭球腔高度随药包直径增大而先减小后增大，在药包直径为36mm时，半椭球腔高度达到最小值18cm。

（3）爆腔不同位置的爆炸裂隙的分布状态和参数值都有较大区别，柱状腔壁上的爆炸裂隙较宽、较深；底部半椭球腔壁上裂隙细密，且较浅，较窄。柱状腔壁裂隙深度、宽度随药包直径增大而先增后减；半椭球腔壁的裂隙深度和宽度随药包直径增大而增大。40mm时，裂隙宽度和深度出现最大值,分别为9．24cm和2．50cm。

［1］陶纪南．条形药包爆炸成型土工结构的研究［J］．爆破，1985（3）：13-16．

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［3］郭学彬，张继春．爆破工程［M］，北京：人民交通出版社，2007．

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Experimental investigation on blasting molding of vertical column charge blasting in soil

LI Yi1，GUO Xue－bin2，SHI Jin－jin2
（1．Hua di Engineering Survey and Design Institute in Chongqin，Chongqing 400042，China；2．Institute of Environment and Resource，Southwest University of Science and Technology，Mianyang621010，China）

The blasting tests of vertical columns of different diameter cartridge in soil were carried out，the blasting molding characteristics of external action was discussed，the distribution of explosion crack in blasting cavity wall was analyzed， and the relationships between charge diameter and size parameters of blasting crater、blasting cavity ＆ explosion crack were obtained．

soil；column charge； blasting molding；charge diameter

P64

A

1672-9900（2010）05-0057-03

2010－08－16

西南科技大学青年基金项目（08zx3112）；西南科技大学大学生创新基金项目（09013）

李毅（1982－），男（汉族），四川资阳人，硕士，主要从事岩土爆破及安全工程技术专业，（Tel）18788673369。