Способ преобразования строительных свойств малосвязанных обводненных грунтов взрывами зарядов взрывчатого вещества

Способ преобразования строительных свойств малосвязанных обводненных грунтов взрывами зарядов взрывчатого вещества

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области инженерной подготовки оснований под строительство различных объектов, в частности к уплотнению и укреплению малосвязанных обводненных слоев грунтов, имеющих невысокую несущую способность и повышенную сжимаемость при строительстве автомобильных дорог.

Преобразование строительных свойств малосвязанных обводненных грунтов (уплотнение) направленно на уменьшение пористости грунта, создание более плотной упаковки минеральных агрегатов в нем. Оно подразделяется на поверхностное уплотнение путем укатки, трамбовки (1, 2), когда уплотняющие воздействия прикладываются на поверхности и проводят преобразование сравнительно небольших толщ грунтов, и глубинные при передаче уплотняющих воздействий на значительную глубину уплотняемого массива грунта, которые осуществляются, как правило, взрывом зарядов взрывчатого вещества.

Взрывное преобразование строительных свойств малосвязанных обводненных грунтов зависит от расположения скважин с зарядами взрывчатых веществ на карте уплотнения, формы и конструкции зарядов взрывчатых веществ.

Известны способы преобразования строительных свойств малосвязанных грунтов взрывами зарядов взрывчатых веществ путем бурения скважин, размещения в них зарядов взрывчатых веществ, с последующим замачиванием грунта до оптимальной влажности и взрывание зарядов взрывчатого вещества (3). Недостатком способа является неравномерность уплотняющего действия взрыва по глубине укрепляемого массива грунта, высокие трудозатраты, длительность процесса уплотнения.

Известен способ уплотнения малосвязанных обводненных грунтов взрывами зарядов взрывчатых веществ, состоящий из создания на поверхности уплотняемого грунта дренирующей подушки из инертного материала, объем которого берут большим, чем объем образующихся взрывных полостей, бурения скважин на глубину, не превышающей мощности укрепляемого массива, в качестве зарядов используются непрерывно расположенные секционные заряды (4). Недостатком способа является неопределенность в образовании сплошных камуфлетных цилиндрических полостей и гарантированность их полноценного заполнения дренирующим материалом при взрыве в водонасыщенных массивах грунтов.

Известен способ уплотнения малосвязанных обводненных грунтов взрывами зарядов взрывчатых веществ, расположенных в плане на карте уплотнения по квадратной сетке на расстоянии друг от друга, равном 2R_эф, где 2R_эф - радиус эффективного действия взрыва, на котором достигается достаточно равномерное уплотнение грунта заданной толщины. Заряды последующей серии взрывания на этой же площадке уплотнения размещаются аналогично вышесказанному, но в промежутках между зарядами предыдущей серии при одновременном взрывании всех зарядов в каждой серии, образующих в плане замкнутый контур (5, 6): при последовательном взрывании зарядов в каждой серии с интервалом времени, рассчитываемому по приведенной в описании формуле (7).

Недостатком указанных способов является отсутствие данных о месте расположения зарядов на квадратной сетке грунта, о расстояниях между скважинами в ряду. Известно, что при квадратной сетке расположения скважин (зарядов) расстояние между зарядами по диагонали превышает расстояние между зарядами по стороне квадрата, что приводит к неравномерности распределения энергии взрыва зарядов в уплотняемом массиве грунта и в первую очередь отсутствие необходимого уплотняющего действия взрыва в центральной части сетки скважин, медленный процесс консолидации под действием статической нагрузки от веса дренажной подушки, значительный разброс уровня плотности по глубине уплотняемого слоя грунта из-за неэффективного расположения скважин на карте уплотнения, и как следствие этого неполной реализации на уплотнение энергии ударной волны при взрыве зарядов взрывчатого вещества.

Наиболее близким техническим решением является способ взрывного преобразования строительных свойств малосвязанных обводненных грунтов, включающий отсыпку на поверхности слабого грунта дренажной подушки, бурение скважин (образование связанных с ней столбчатых дренажных тел) на всю толщу слабого грунта и отжим воды из этого слоя статической нагрузкой от веса дренажной подушки, при этом скважины (дренажные тела) в каждом последующем ряду размещают со смещением относительно скважин (дренажных тел) предыдущего ряда, взрывание зарядов взрывчатого вещества в два приема одновременно через ряд зарядов (8), принятый авторами в качестве прототипа.

Недостатками указанного способа-прототипа является отсутствие информации о схеме размещения скважин на карте уплотняемого массива грунта с указанием расстояния между рядами скважин и между скважинами в ряду, форме заряда, типе взрывчатого вещества, способе подачи заряда взрывчатого вещества в скважину; невозможности образования дрены цилиндрической формы по всей высоте уплотняемого грунта.

Технической задачей изобретения являлось повышение эффективности преобразования строительных свойств малосвязанных обводненных грунтов взрывами зарядов взрывчатого вещества, обеспечивающих более полное разрушение структуры слоя уплотняемого грунта, повышение плотности малосвязанных обводненных грунтов, образование дрен в виде цилиндрических полостей на всю высоту уплотняемого грунта, снижение трудозатрат и стоимости подготовки грунтового основания к возведению объектов.

Техническая задача была решена разработкой способа преобразования строительных свойств малосвязанных обводненных грунтов, состоящего из создания на поверхности уплотняемого массива подушки из дренирующего материала, бурения скважин, размещения в них зарядов взрывчатых веществ, последовательное взрывание скважинных зарядов с образованием взрывных полостей и заполнения их осыпающимся из подушки дренирующим материалом, отличающегося тем, что высота дренажной подушки из инертного материала берется не менее радиуса цилиндрической зоны камуфлетного уплотнения (R_К) скважинного заряда взрывчатого вещества, скважины на карте уплотнения размещаются в вершинах углов правильных многоугольников с расстоянием от центра многоугольника до оси заряда равным радиусу зоны камуфлетного уплотнения грунта (R_К), скважина бурится через слой дренажной подушки, слой малосвязанного обводненного грунта, частично в подстилающем минеральном основании - дно скважин находится в подстилающем слое минерального основания на глубине под слоем малосвязанного обводненного грунта; заряд выполнен в гидроизолирующей оболочке со стопорным механизмом из порошкообразного, гранулированного или патронированного взрывчатого вещества, чувствительного к инициирующему импульсу линейного инициатора, проложенного вдоль всей колонки заряда взрывчатого вещества внутри гидроизолирующей оболочки и установлен в скважине таким образом, что нижний и верхний торцы заряда высотой находятся соответственно в подстилающем слое минерального основания грунта и слое дренажной подушки.

Гидроизолирующая оболочка берется из прочного эластичного гибкого полимерного материала, что позволяет использовать неводоустойчивые аммиачно-селитренные взрывчатые вещества, имеющие низкий критический диаметр детонации и чувствительные к инициирующему импульсу линейного инициатора - детонирующего шнура.

Гидроизолирующая оболочка для порошкообразного и гранулированного взрывчатого вещества берется в виде прочного эластичного гибкого полимерного шланга, а для патронированного - прочной эластичной гибкой полимерной ленты с клеящим слоем, спирально расположенной по поверхности состыкованных патронов. Торцы полимерного шланга после заполнения его взрывчатым веществом изолируются пробками, одна из которых выполнена с прорезью для вывода детонирующего шнура, на другом торце заряда устанавливается стопорный механизм.

В качестве линейного инициатора используется одна или несколько ниток детонирующего шнура или детонирующего шнура с промежуточными детонаторами.

Преобразование строительных свойств малосвязанных обводненных грунтов осуществляется удлиненными зарядами или системой зарядов взрывчатых веществ, составленной из единичных однородных зарядов взрывчатых веществ, находящихся в определенных отношениях и связях друг с другом.

В производственной практике используются преимущественно скважинные сосредоточенные или рассредоточенные заряды взрывчатых веществ из водоустойчивых и неводоустойчивых взрывчатых веществ. В качестве водостойких взрывчатых веществ, применяются, например, тротиловые шашки, не требующие гидроизоляции. Заряды формируются из отдельных шашек, состыкованных по высоте и зафиксированных в скважине различными способами. При использовании зарядов из более дешевых аммиачно-селитренных взрывчатых веществ при заряжании обводненных скважин обычно применяют гидроизолирующие оболочки из различных материалов, придающих заряду необходимую геометрически заданную форму. Заряды в скважинах размещают в один или несколько ярусов по высоте уплотняемого слоя грунта.

В предлагаемом способе заряды взрывчатого вещества опускаются в обводненную скважину или в буровой став на всю глубину скважины с выводом незаполненной взрывчатым веществом верхней части полимерной оболочки на поверхность дренажной подушки на величину забойки. Заряжание скважин производится в обводненную скважину или через буровые штанги с последующим их извлечением после заряжания. В качестве забойки может использоваться жидкость (вода) в верхней части скважины.

Сущность предлагаемого способа преобразования строительных свойств малосвязанных обводненных грунтов зарядами взрывчатого вещества поясняется фиг. 1, 2.

Фиг. 1 - схема размещения скважин (зарядов взрывчатого вещества) на карте уплотняемого грунта.

Фиг. 2 - вид скважинного заряда взрывчатого вещества (в разрезе).

Обозначения:

1 - удлиненный линейно-детонирующий заряд взрывчатого вещества;

2 - скважина:

3 - стороны квадратной сетки размещаемых скважин;

4 - верхняя пробка;

5 - прорезь для вывода детонирующего шнура;

6 - нижняя пробка;

7 - дренирующая песчаная подушка;

8 - малосвязанный обводненный слой грунта, подлежащий уплотнению;

9 - минеральное основание,

10 - полимерная оболочка;

11 - вода или жидкий буровой раствор;

12 - забойка;

13 - стопорное устройство;

14 - нижний торец заряда взрывчатого вещества в минеральном слое грунта;

15 - верхний торец заряда взрывчатого вещества в дренажной подушке;

16 - линейный инициатор (детонирующий шнур);

17 - незаполненная взрывчатым веществом оболочка;

Основные преимущества заявляемого способа преобразования строительных свойств малосвязанных обводненных грунтов:

- дно скважин находится в подстилающем слое минерального основания на глубине под слоем малосвязанного обводненного грунта;

- образование цилиндрической камуфлетной полости для формирования цилиндрической песчаной дрены на всю высоту уплотняемого массива грунта;

- вид сетки и место расположения скважины (заряда взрывчатого вещества) на сетке бурения - правильный многоугольник; место расположения - в углах правильного многоугольника;

- конструкция заряда - удлиненный линейно-детонирующий заряд в гибкой прочной эластичной полимерной оболочке;

- месторасположение торцов заряда - верхний и нижний торцы заряда высотой находятся соответственно в дренирующей подушке выше слоя малосвязанного обводненного грунта и подстилающем минеральном слое ниже слоя малосвязанного обводненного грунта

- тип взрывчатого вещества - на основе гранулированной или порошкообразной аммиачной селитры.

Скважинные заряды взрывчатого вещества 1 (скважины 2) на карте уплотнения располагаются в углах правильного многоугольника - например, квадрата 3 (фиг. 1) или равностороннего треугольника. Расстояние от центра многоугольника, образующего на карте уплотнения грунта сетку скважин, до оси скважинного заряда взрывчатого вещества равно радиусу зоны камуфлетного уплотнения грунта - R_К. В этом случае энергия взрыва, за счет которой производится уплотнение грунта, передается в уплотняемом массиве равномерно, так как расстояние от углов многоугольника, в вершинах которых расположены скважинные заряды взрывчатого вещества, до центра этих многоугольников равны радиусу зоны камуфлетного уплотнения грунта. При этом имеет место наиболее плотное и равномерное размещение в массиве грунта цилиндрических зон камуфлетного уплотнения (песчаных дрен), образующихся при взрыве линейно-детонирующих скважинных зарядов взрывчатых веществ.

Скважина 2 бурится не только в малосвязанном обводненном слое уплотняемого грунта, но и входит в подстилающий слой минерального основания 9 на глубину равную (дно скважины размещается в подстилающем слое минерального основания 9).

Нижний торец заряда взрывчатого вещества высотой входит в подстилающий минеральный слой грунта, ниже слоя малосвязанного обводненного грунта 8, а верхний торец удлиненного заряда взрывчатого вещества высотой размещается в слое дренажной подушки 7 выше слоя уплотняемого грунта 8.

При бурении скважины в подстилающем слое минерального основания высотой менее (нижний торец заряда взрывчатого вещества размещается в подстилающем слое минерального основания меньшей высоты). В этом случае при взрыве удлиненного линейно-детонирующего заряда взрывчатого вещества цилиндрическая песчаная дрена формируется не на всю толщу уплотняемого грунта: нижний уровень образующейся цилиндрической камуфлетной полости для формирования песчаной песчаной дрены будет находиться в малосвязанном обводненном слое выше подстилающего слоя минерального основания. При глубине скважины в слое минерального основания более потребуется повышенный расход взрывчатого вещества.

При установке заряда взрывчатого вещества в скважине, когда в дренирующей подушке верхний торец имеет высоту менее , то цилиндрическая камуфлетная полость для формирования цилиндрической песчаной дрены будет размещаться ниже - ее верхний уровень будет находиться в малосвязанном обводненном слое грунта 8, а при высоте более потребуется повышенный расход взрывчатого вещества на образование камуфлетной полости.

Верхняя часть 17 оболочки заряда взрывчатого вещества не заполняется взрывчатым веществом на величину длины забойки. Верхняя часть скважины 2, не занятая оболочкой заряда взрывчатого вещества, заполняется забойкой 12 из инертного материала. Нижний торец заряда взрывчатого вещества скреплен со стопорным механизмом 13.

Заряд взрывчатого вещества (фиг. 2) является удлиненным линейно-детонирующим. Он выполнен из порошкообразного или гранулированного аммиачно-селитренного взрывчатого вещества в гидроизолирующей прочной эластичной гибкой полимерной оболочке (шланге) 10, торцы которой изолированы пробками 4 и 6. Заряд взрывчатого вещества может формироваться из патронов аммиачно-селитренного вещества в полимерной оболочке в виде ленты спирально расположенной по поверхности установленных встык друг к другу патронов. Линейный инициатор 16 введен по всей колонке заряда 1 взрывчатого вещества внутри полимерной оболочки 10. Верхняя пробка 4 имеет прорезь 5 для вывода линейного инициатора (детонирующего шнура) 16, нижний торец заряда взрывчатого вещества прочно связан со стопорным механизмом 13 для фиксации и удержания заряда взрывчатого вещества в скважине 2. При использовании порошкообразного или гранулированного взрывчатого вещества в качестве гидроизолирующей полимерной оболочки применяются прочные эластичные гибкие полимерные шланги из поливинилхлорида, полиэтилена высокого давления др. подобных материалов. При использовании патронированных взрывчатых веществ используются как прочные эластичные гибкие полимерные шланги, так и прочные эластичные гибкие полимерные ленты с клеящим слоем («скотч» и др. подобные материалы), спирально расположенные по поверхности установленных встык друг к другу патронов.

Преобразование строительных свойств малосвязанных обводненных грунтов взрывами зарядов взрывчатых веществ осуществляется следующим образом.

Линейно-детонирующие заряды взрывчатых веществ изготавливаются вблизи места проведения работ по уплотнению грунта. Нижний конец полимерной оболочки герметизируется вставкой пробки 6; на всю длину полимерной оболочки 10 вводится линейный инициатор 16 - детонирующий шнур или детонирующий шнур с промежуточными детонаторами, закрепленными на нем, после чего в полимерную оболочку подается взрывчатое вещество любым известным способом. В верхний торец шланга устанавливается пробка 4 с прорезью 5, через которую выводится детонирующий шнур 16. Нижний торец заряда взрывчатого вещества скрепляется со стопорным устройством 13 в виде упругих элементов, диаметр описанной окружности которых больше диаметра скважины. Стопорное устройство 13 скрепляется с нижним торцом заряда взрывчатого вещества перед подачей его в скважину.

Заряжание скважин может производиться как через трубы бурового става, так и после их извлечения из скважины. Скважина заполнена водой или жидким буровым раствором, например бентонитовым глинистым раствором. В скважину вводится линейно-детонирующий заряд взрывчатого вещества. При достижении нижним торцом заряда дна скважины стопорное устройство фиксирует заряд взрывчатого вещества в скважине от всплытия. Конец детонирующего шнура выводится из устья скважины. После подсоединения средства инициирования, например электродетонаторов к концам детонирующего шнура и подсоединения взрывной сети к взрывной машинке производится в определенной последовательности, установленной проектом, подрыв скважинных зарядов взрывчатого вещества по карте уплотнения грунта.

Образующаяся в момент взрыва камуфлетная полость состоит из цилиндрической части в слое уплотняемого грунта и полусферических в слое дренирующей подушки и подстилающем минеральном основании. Камуфлетная полость заполняется сыпучим материалом дренирующей подушки - образуется вертикальная песчаная дрена. Через образовавшуюся вертикальную песчаную дрену фильтруется отжимная межпоровая вода, ускоряя процесс уплотнения обводненного малосвязанного грунта, что дополнительно уплотняет и укрепляет малосвязанный слой грунта.

При взрыве удлиненного заряда взрывчатого вещества ударные волны распространяются в скважине во всех направлениях. При инициировании удлиненного скважинного заряда взрывчатого вещества линейным инициатором, размещенным по всей его длине, вдоль ее оси распространяется под острым углом фронт детонационной волны конической формы, угол наклона которой зависит от соотношения скоростей детонации инициированного взрывчатого вещества и линейного инициатора. Опытные данные и теоретические расчеты показывают, что с уменьшением угла наклона фронта детонационной волны давление при взрыве возрастает более чем в два раза, а массовая скорость среды в 1,8-1,9 раза, при этом доля потенциальной энергии, перешедшей в уплотняемую среду, возрастает на 40%. Камуфлетные вертикальные полости позволяют создавать сплошные вертикальные песчаные дрены при осыпании сыпучего материала дренирующей подушки, например песка, на всю глубину уплотняемого слоя грунта, части дренажной подушки и подстилающего минерального слоя.

Ударная волна, действующая в радиальном направлении, мгновенно сжимает кольцевой жидкостной зазор в скважине с одновременным повышением плотности и температуры воды, в результате чего она переходит в парообразное состояние (парогаз) и расширяясь действует на стенки скважины по всей высоте малосвязанного обводненного слоя грунта, части дренажной подушки подстилающего минерального слоя, образуя камуфлетную полость большей длины, заполненную газообразными продуктами взрыва и зону уплотнения грунта вокруг нее радиусом R_К.

Благодаря жидкостному зазору между гидроизолирующей оболочкой заряда взрывчатого вещества и стенками скважины снижается температура продуктов взрыва, что предотвращает возгорание отдельных горючих минеральных фрагментов (торфяных составляющих) слоя уплотняемого грунта. Жидкостной зазор образует дополнительную оболочку и способствует снижению величины критического диаметра детонации взрывчатого вещества основного заряда, повышая полноту его взрывчатого превращения и эффект уплотнения грунта. Для обеспечения камуфлетного действия вертикального скважинного заряда взрывчатого вещества в направлении свободной земной поверхности необходимо, чтобы высота слоя дренажной подушки была не менее радиуса цилиндрической зоны камуфлетного уплотнения R_К вертикального скважинного заряда. При этом длины торцевых участков (Н_Т) скважинного заряда взрывчатого вещества, расположенные в слое дренажной подушки и заглубленные в подстилающее минеральное основание равны . Происходит более полное и ускоренное заполнение цилиндрической полости в малосвязанном слое грунта сыпучим материалом дренажной подушки с проникновением его в минеральный подстилающий слой. После образования вертикальных цилиндрических песчаных дрен начинается отжатие поровой воды из слабого грунта, что сопровождается осадкой части поверхности грунтового массива за счет схлопывания пор уплотняемого массива грунта и веса дренажной подушки. Достигается форсирование процесса консолидации малосвязанного грунта под действием статической (веса дренажной подушки) и динамических (ударных волн взрыва) нагрузок.

Техническим результатом предлагаемого способа преобразования строительных свойств малосвязанных обводненных грунтов взрывами зарядов взрывчатого вещества является

- повышение полноты уплотнения малосвязанных обводненных грунтов - образование сплошной цилиндрической песчаной дрены большего объема - за счет размещения скважин (зарядов взрывчатых веществ) в углах правильных многоугольников и торцов заряда высотой в слое дренажной подушки и подстилающем минеральном слое;

- снижение стоимости за счет за счет использование сравнительно дешевых аммиачно-селитренных взрывчатых веществ, надежно детонирующих от линейных инициаторов (детонирующего шнура);

- обеспечение надежного удерживания заряда взрывчатого вещества в обводненной скважине за счет применения стопорного механизм на нижнем торце заряда взрывчатого вещества.

Ведение работ по преобразованию строительных свойств малосвязанных обводненных грунтов взрывами зарядов взрывчатого вещества по предлагаемому способу позволило улучшить уплотнение малосвязанных обводненных грунтов и создать основание под строительство автомобильных дорог.

Предлагаемые сетка размещения скважин, месторасположение зарядов на карте уплотнения и конструкция линейно-детонирующего скважинного заряда взрывчатого вещества со стопорным механизмом были проверены при строительстве участка автомобильной дороги с положительными результатами.

Источники информации

1. Патент РФ №2289655.

2. Патент РФ №2149238.

3. АС СССР №483490.

4. АС СССР №1760014.

5. Б.Н. Кутузов, В.А. Белин «Проектирование и организация взрывных работ». М.: «Горная книга», 2012.

6. П.Л. Иванов «Уплотнение малосвязанных грунтов взрывами», М.: «Недра», 1983.

7. Патент РФ №2060320.

8. Патент РФ №2079603.

1. Способ преобразования строительных свойств малосвязанных обводненных грунтов, состоящий из создания на поверхности уплотняемого массива подушки из дренирующего материала, бурения скважин, размещения в них зарядов взрывчатых веществ, взрывание скважинных зарядов с образованием взрывных полостей и заполнения их осыпающимся из подушки дренирующим материалом, отличающийся тем, что высота дренажной подушки из инертного материала берется не менее радиуса цилиндрической зоны камуфлетного уплотнения (R_K) скважинного заряда взрывчатого вещества, скважины на карте уплотнения размещаются в вершинах углов правильных многоугольников с расстоянием от центра многоугольника до оси заряда, равным радиусу зоны камуфлетного уплотнения грунта (R_K), скважина бурится через слой дренажной подушки, слой малосвязанного обводненного грунта, частично в подстилающем минеральном основании - дно скважин находится в подстилающем слое минерального основания на глубине под слоем малосвязанного обводненного грунта; заряд выполнен в гидроизолирующей оболочке со стопорным механизмом из порошкообразного, гранулированного или патронированного взрывчатого вещества, чувствительного к инициирующему импульсу линейного инициатора, проложенного вдоль всей колонки заряда взрывчатого вещества внутри гидроизолирующей оболочки, и установлен в скважине таким образом, что нижний и верхний торцы заряда высотой находятся соответственно в подстилающем слое минерального основания грунта и слое дренажной подушки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что гидроизолирующая оболочка выполнена из прочного эластичного гибкого полимерного материала.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что гидроизолирующая полимерная оболочка для рассыпного порошкообразного и гранулированного взрывчатого вещества берется в виде прочного эластичного гибкого шланга.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что торцы полимерного шланга после заполнения его россыпным взрывчатым веществом изолируются пробками, одна из которых выполнена с прорезью для вывода детонирующего шнура.

5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что гидроизолирующая полимерная оболочка заряда для патронированных взрывчатых веществ берется в виде прочного

эластичного гибкого шланга или прочной эластичной гибкой ленты с клеящим слоем, спирально расположенной по поверхности состыкованных торцами друг с другом патронов.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве линейного инициатора используется одна или несколько ниток детонирующего шнура.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве линейного инициатора используется детонирующий шнур с промежуточными детонаторами.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стопорный механизм устанавливается на нижнем торце заряда.