爆破荷载下软土地基动力响应离心模型试验研究

肖先波，李 波，胡 波，曹 杰

（1.湖州职业技术学院，浙江 湖州 313000；2.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北 武汉 430010；3.机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710043）

爆破荷载下软土地基动力响应离心模型试验研究

肖先波1，李 波2，胡 波2，曹 杰3

（1.湖州职业技术学院，浙江 湖州 313000；2.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北 武汉 430010；3.机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710043）

爆破挤淤处理软基技术具有施工工期短、固结沉降快、地基后期沉降小等优点，已广泛应用于淤泥质海岸工程的地基处理，但目前研究远落后于工程实践。随着爆破离心模拟技术的发展，实现了离心场外对场内引爆装置的控制，为爆破荷载下软土地基动力响应特性的研究提供试验手段。开展3组离心场中不同炸药量的爆破挤淤模型试验，研究爆破的影响区域，建立爆破荷载作用下的挤淤效果与炸药量的关系。试验结果表明，药包炸药量与爆破影响区域密切相关，爆破影响区软土含水率降低、密度增大，且爆破瞬间冲击荷载引起土压力和孔隙水压力的突变。研究成果可为爆破挤淤工程的设计和施工提供试验依据。

爆破；离心模型试验；炸药量；动力响应

1 研究背景

软土广泛分布在我国沿海地区，厚度由数米至数十米不等，并且软土地基具有松软、高天然含水率和高压缩性、低强度和低渗透性、结构灵敏等特点，物理力学性质极差。爆破法处理软基技术作为目前淤泥质软土最有效的地基处理方法之一，已成功应用于如江苏连程、深圳盐田港围堰工程等大型工程中［1-2］。但爆破挤淤作用受到的影响因素众多，理论研究落后于工程实践，在试验手段和研究方法上需要改进，工程应用更多的是依赖于工程经验，尚无系统的指导工程实践的理论成果和科学依据［3-4］。离心模拟技术作为一种先进的试验手段，通过离心力来模拟重力，实现与原型条件相同的应力状态，使得模型与原型应力应变相等，变形相似，模拟变形及破坏过程可以达到现场原型试验的效果［6-7］。由于离心模拟场中爆破能量与原型存在1∶n3的比尺关系，在离心场中用较小的爆破能量即可模拟很大能量的原型爆破效果［8］，可开展关键参数的平行对比试验；并且，试验费用相对较低，仅有现场原型试验的百分之一左右；还可以用于验证理论分析与数值计算的合理性和可靠性，论证和优化工程设计方案。因此，采用土工离心模拟技术探索和研究深厚淤泥爆破挤淤作用机理有重要的理论意义和工程实用价值。

但目前爆破离心模拟技术的研究相对较少。最早研究的是爆破成坑问题，确定爆破离心模型比尺［9］，随着试验技术的进步，进一步进行了饱和砂土中的地下结构物爆破离心模型试验，探讨了爆破条件饱和砂的离心模型比尺，分析爆破作用下应力位移场的变化规律［10］。在国内，爆破土工离心模拟技术的研究起步较晚，系统总结了爆破离心模型试验的原理以及国外学者的研究方法和成果［11］；并通过开展探索性试验得到砂中爆破成坑的离心模型试验规律及离心设备的安全性［12］，得到了爆破离心模型试验的几个关键问题，包括模型箱、爆破源、离心模型比尺、数据采集、科氏加速度等［8］。对于爆破荷载作用下结构物的研究，采用离心模型模拟原型应力条件下开展爆破对大坝的影响研究，主要考虑不同重力加速度、不同水深、距坝面不同距离的情况下雷管爆破对于大坝的影响［13］；依托清华大学50 g-t土工离心机，开发了离心模型爆破试验系统，进行浅埋圆形结构物在地表爆破条件下的试验研究，以及黏性土爆破成坑和地冲击传播规律的离心模型试验［14］。但目前爆破离心模型试验主要用于研究砂土地基以及爆破对大坝、等工程的影响，较少应用于研究软土地基处理技术。

本文通过开展3组离心场中不同炸药量的爆破挤淤模型试验，通过软土地基含水率、干密度以及强度等研究爆破的影响区域，分析地基动力响应随炸药量增大的关系；且通过布设传感器分析爆破瞬间冲击荷载引起土压力和孔隙水压力的突变以及随时间的变化规律。

2 爆破挤淤离心模型试验

2.1 试验方案本次试验共设置3组爆破挤淤离心模型试验，T1、T2和T3采用的药量分别为1、2和3 g。主要目的是研究不同药量爆破荷载下淤泥质软土地基的动力响应，监测土体的含水率、密度以及土压力、孔隙水压力的变化等；同时，调试离心场内的引爆系统和测量系统。试验选择离心机最大加速度设置为80 g，模型地基厚度为50 cm，相当于原型地基厚度为40 m。模型在埋深5 cm处埋设单只8号瞬发电雷管，约1.0 gTNT当量，转换成原型条件相当于512 kgTNT（能量满足加速度三次方的关系，1.0 g×80×80×80=512 kg）。图1所示为T1爆破挤淤离心模型试验布置图，地基埋深5cm处预埋1只雷管，分别在水平距离20 cm和30 cm布设土压力和孔隙水压力传感器。T2和T3试验中将雷管药量分别变为2 g和3 g。

图1 爆破挤淤离心模型试验布置

2.2 试验设备本次试验在长江科学院大型土工离心机CKY-200上进行［15］，该离心机最大容量200 g·t，最大离心加速度为200 g，有效半径3.7 m，模型箱采用100 cm×100 cm×100 cm。离心机最大加速度设置为80 g，模型地基厚度为50 cm，相当于原型地基厚度为40 m。

如何实现离心机运行过程中场外控制雷管的起爆是本次试验的关键。本次试验对离心机电路系统进行了改造［16］，设计安装了起爆装置，主要是通过场外继电器的瞬时接通控制离心场内雷管引爆。起爆装置电路与离心机高速测量系统电源相协调，实现引爆前后高速测量系统的同步。试验中为减少爆破荷载对试验设备的冲击作用以及应力波反射对试验结果的影响，在模型箱底部和四周内壁布设柔性吸波材料。

2.3 软土地基模型制作模型地基采用黏土，颗粒含量0.5～0.075 mm颗粒含量为14.1%，0.075～0.005 mm为54.5%，小于0.005 mm为31.4%，液限WL为33.1%，塑限WP为16.2%，通过击实试验得到最优含水率20.5%，最大干密度为1.67 g/cm3。T1、T2和T3均采用相同的地基制备方法：首先制作成含水率为70%的淤泥，采用静压的方法进行固结排水，上覆荷载压力设为20 kPa，相当于地基深度为10 m左右的压力；待排水完全后，将其置于80 g离心场内进一步进行固结，待变形和孔压稳定后地基制作完成，测试得到平均含水率为29%，平均干密度为1.5 g/cm3。

2.4 加速度设置本次试验最大加速度设置为80 g，分20 g、40 g、60 g、80 g四级逐级增大，每级稳定运行10 min。80 g运行至地基稳定后进行爆破荷载作用模拟，爆破后即可停止离心机运行。

2.5 试验结果及分析试验结果得到爆破影响范围，爆破瞬间的土压力、孔隙水压力及其变化规律，地基含水率、干密度和强度分布规律，从而定量确定爆破的影响范围和效果。

（1）爆破影响区域。图2所示为爆破后模型变化情况（以T1为例）。由图可知，起爆后地基土表面形成直径约30 cm的环形坑，坑内中部出现局部隆起。试验T2和T3当炸药量分别为2 g和3 g时，起爆后形成的影响区直径约41 cm和50 cm，约为T1影响范围面积的1.9倍和2.8倍。

图2 爆破后模型变化情况（以MDB1为例）

（2）孔压。图3所示为试验过程中地基土的孔压变化随离心机运行时间的关系曲线。分析表明，地基土的孔隙水压力随加速度的逐级升高而增大，以T1为例，孔隙水压力增量分别为12.2、14.2、16.5和2 kPa，加速度达到80 g稳定后，T1孔压为60 kPa；爆破后，3组试验孔压均产生突变且逐渐趋于稳定，T1—T3的孔压突变量分别为17.6、40.6和62.1 kPa；起爆后超孔隙水压力迅速消散，但稳定后的孔隙水压力为70.0、76.3和82.1 kPa，均高于起爆前的孔隙水压力。

图3 试验过程中孔压变化规律

（3）土压力。图4所示为试验过程中地基土的土压变化与时间关系曲线。分析表明，地基土的土压力随加速度的逐级升高呈线性增加，以T1为例，加速度逐级增大过程中土压力增量分别为19.5、25.4和29.3 kPa；爆破后，3组试验土压力均产生突变且逐渐趋于稳定，T1—T3的孔压突变量分别为24.2、58.6和89.8 kPa。

图4 试验过程中土压变化变化规律

图5 试验后取样点分布 （单位：cm）

（4）试验后土性参数变化。3组试验中地基土制备完成时的干密度为1.50 g/cm3，含水率为29%，对应的不排水抗剪强度为15.0 kPa。图5为试验后进行干密度、含水率和不排水强度的测试点和取样点的位置图。图6分别为水平方向干密度、含水量和不排水抗剪强度随爆心距的分布图。由于竖向方向测量得到T1、T2和T3的软土地基的土性参数基本一致，所以仅以T1为例，表1和表2给出了水平方向和竖直方向相关参数的对比。分析表明：水平方向上WH1—5测点随着离雷管爆心距离的增加，干密度和不排水抗剪强度逐渐减小而含水率逐渐增大，说明爆破冲击荷载作用在水平方向上地基土密度略微增大；并且随着炸药量的增大，减小和增大更为明显，且影响范围逐渐增大。在垂直方向上，随距离雷管爆心距离的增加，干密度由1.50 g/cm3上升至1.55 g/cm3，而含水量由29.0%下降至26.5%，是自重作用和爆破荷载共同作用产生的，并且以自重应力场影响为主。

图6 水平方向上干密度、含水率和不排水强度随爆心距的分布

表1 T1试验后干密度和含水率

表2 T1试验后不排水强度

4 结论

开展3组离心场中不同炸药量的爆破挤淤模型试验，通过实时监测爆破荷载作用时的孔压和土压力，以及试验后开展软土地基基本土性参数，得到了爆破荷载作用下土性基本参数的变化规律。

（1）随着药量逐渐增大，起爆后影响的范围逐渐增大。模型中药量分别为1、2和3 g，相当于原型药量的512、1024和1536 kg，起爆后影响范围分别为30、41和50 cm，转化为原型为24、32.8和40 m。（2）起爆均引起孔压和土压力产生突变，孔压随时间逐渐消散，而土压变化较小。模型中药量分别为1、2和3 g，起爆后引起的孔压增量分别为17.6、40.6和62.1 kPa，引起的土压力增量分别为19.5、25.4和29.3 kPa。（3）爆破冲击荷载作用下爆破周边区域的含水率降低、密度和不排水抗剪强度增大，且炸药量越大效果越明显。干密度由试验前的1.50 g/cm3增大为1.53、1.55和1.56 g/cm3，不排水抗剪强度由15 kPa增大为21.5、27.0和32.0 kPa，为采用爆破挤淤加固软土地基设计和分析的土性参数选择提供试验依据。

本次爆破挤淤离心模型试验主要考虑了不同炸药量的影响，进一步研究可进行药包埋置深度以及不同加速度条件的影响。

［1］ 张翠兵.厚层淤泥中采用爆破定向滑移法修筑防波堤机理研究［D］.北京：铁道部科学研究院，2001.

［2］ 赵简英，王健，吴京平.控制加载爆破挤淤置换法在工程中的应用［J］.岩土力学，2006，27（2）：332-335.

［3］ 王卫东，宋兵.偏心爆破挤淤技术应用研究［J］.中国港湾建设，2010，10（5）：54-57.

［4］ 杨振声，许连坡.爆破处理海淤软基机理实验研究［R］.连云港：连云港爆破处理水下海淤软基鉴定委员会，1989.

［5］ 王文杰，赵微人，郭加根.海涂围垦工程中悬挂式爆破挤淤基础处理技术探讨［J］.海岸工程，2010，29（3）：51-56.

［6］ 包承纲.我国离心模拟试验技术的现状和展望［J］.岩土工程学报，1991，13（6）：92-97.

［7］《岩土离心模拟技术的原理和工程应用》编委会.岩土离心模拟技术的原理和工程应用［M］.武汉：长江出版社，2011.

［8］ 马立秋，张建民，张武.爆破离心模型试验研究进展与展望［J］.岩土力学，2011，32（9）：2827-2833.

［9］ 刘清荣，黄文彬.在变形介质中冲击与爆破作用（译）［M］.北京：中国工业出版社，1965.

［10］ LEE F H，GOH S H，TAN T S.Blast tests on underground structures in saturated sand［C］//Proceedings of the In⁃ternational Conference on Centrifuge 1998，Rotterdam：Balkema，1998：421-426.

［11］ 侯瑜京，陈祖煜.简述土工离心机中模拟爆破和冲击荷载试验［C］//中国水利学会2007学术年会物理模拟技术在岩土工程中的应用分会场论文集，2007：106-112.

［12］ 范一锴，梁向前，陈祖煜，等.土工离心机用于爆破模拟的试验研究［C］//2011全国爆破理论研讨会，2011：29-34.

［13］ 张雪东，侯瑜京，梁向前，等.水下爆破对大坝影响的离心模拟试验研究［J］.西北地震学报，2011，33（8）：234-236，245.

［14］ 马立秋，张建民.粘土爆破成坑和地冲击传播的离心模型试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2011，30（S1）：3172-3178.

［15］ 李波，程永辉，程展林.围堰防渗墙与复合土工膜联接型式离心模型试验研究［J］.岩土工程学报，2012，34（11）：2081-2086.

［16］ 徐学勇，胡波，李波，等.爆破挤淤堤坝工后沉降特性离心模拟试验研究［J］.岩土工程学报，2015，37（5）：958-964.

Abstract：With the advantages of short construction period，quick consolidation and small post-construction settlement，blasting compaction technology has been widely used in foundation treatment of silt coastal engi⁃neering，but the research is far behind engineering practice.With the development of blasting centrifugal simulation technology，the control of the detonation device outside the centrifugal field is realized，which provides the experimental method for the dynamic response characteristics of the soft soil foundation under the blasting load.The amount of explosives in the explosive area is closely related to the area affected by the explosion.The water content of the soft soil in the affected area is reduced and the density increases，and the sudden load of the explosion causes the abrupt change of earth pressure and pore water pressure.The research results can provide experimental basis for the design and construction of blasting compaction engineering.

Keywords：blasting compaction；centrifuge model test；explosives amount；dynamic response

（责任编辑：李 琳）

Centrifugal model test on dynamic response of soft soil foundation with blasting compaction technology

XIAO Xianbo1，LI Bo2，HU Bo2，CAO Jie3（1.Huzhou Vocational and Technical College，Huzhou 313000，China；2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；3.China JIKAN Research Institute of Engineering Investigations and Design，Co， Ltd， Xi’an 710043，China）

TU443

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.04.013

1672-3031（2017）04-0319-05

2017-06-15

中央级公益性科研院所基本科研业务费项目（CKSF2017012/YT）；国家自然科学基金项目（51308067）；国家科技支撑计划项目（2013BAJ06B00）；国家重点研发计划项目（2017YFD0800501）；湖州市科技公益性应用研究项目（2016GY19）；陕西省科技统筹创新工程项目（2016KTZDSF03-02）

肖先波（1977-），男，湖北宜昌人，硕士，副教授，主要从事地基基础工程研究。E-mail：xiaoxianbo@163.com

李波（1982-），男，山东泰安人，博士，高级工程师，主要从事岩土工程和离心模型试验技术研究。E-mail：libo_auliso@126.com