книги из ГПНТБ / Балбачан, И. П. Рыхление мерзлых грунтов взрывом

1 9 7 4

УДК 624.13

Балбачан И. П., Шлойдо Г. А., Юрко А. А. Рыхление мерзлых грунтов взрывом. М., «Недра», 1974. 104 с.

В книге изложены общие сведения о мерзлых грунтах, рыхле­ нии их взрывом шпуровых и скважинных зарядов взрывчатых веществ и конструктивные особенности буровых машин. Доста­ точно подробно изложен новый метод рыхления мерзлых грунтов щелевыми зарядами ВВ с компенсирующими щелями. Приведены экспериментальные данные по выявлению оптимальных парамет­ ров при рыхлении мерзлых грунтов щелевыми зарядами в зави­ симости от их физико-механических свойств. На основе этих дан­ ных и теории ударного сдвига выведены формулы расчета дро­ бления. Приведены также наиболее эффективные для данных условий типы ВВ и даны рекомендации по безопасному ведению взрывных работ.

Книга предназначена для инженерно-технических работников* занятых производством земляных работ и разработкой мерзлого грунта в промышленном и гражданском строительстве.

Табл. 12, ил. 41, список лит. — 42 назв.

30705—544

Б ------------------- 319—74 © Издательство «Недра», 1974-

043(01)—74

ПР Е Д И С Л О В И Е

Всвязи: с продвижением строительства в северо-восточные районы страны объем разработки мерзлого грунта ежегодно увеличивается. Так если в 1970 г. объем разработки мерзлого грунта в строительстве составил 834 млн. м3, т. е. примерно 8% от всего объема земляных работ, то в 1975 г. он должен увеличиться почти в полтора раза.

Одним из эффективных способов подготовки мерзлого грун­

та к разработке является буровзрывной способ, позволяющий в сжатые сроки подготовить к разработке землеройными ма­ шинами значительный объем мерзлого грунта и сократить сроки строительства в целом. Его основные показатели — количество и качество взорванной массы в значительной мере предопреде­ ляют эффективность экскавации и транспортирования мерзлого грунта. Основным условием получения более высоких показа­ телей рыхления мерзлого грунта является изыскание новых и усовершенствование применяемых способов взрывных работ.

Учитывая, что при использовании широко распространенно­ го в строительстве буровзрывного способа рыхления мерзлого грунта заряжание шпуров и скважин производится вручную, что является сложным и трудоемким процессом, особенно в трудных климатических условиях Крайнего Севера и Восточной Сибири, Центральным научно-исследовательским и проектно-эк­ спериментальным институтом организации, механизации и тех­

Даны теоретические предпосылки действия взрыва щелевых зарядов в мерзлом грунте. Приведены результаты эксперимен­ тальных исследований, а также практические рекомендации по применению щелевзрывного способа в производственных усло­ виях. Этот способ позволяет значительно сократить, а в даль­ нейшем полностью механизировать процесс заряжания заряд­ ных камер (щелей). Кроме того он имеет ряд других техноло­ гических преимуществ, позволяющих сократить опасную зону разлета грунта.

3

V/ § 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

При промерзании грунты резко изменяют свои прочностные свойства и теплофизические показатели. Замерзание грунта со­ провождается появлением льда и уменьшением количества воды в жидкой фазе. Мерзлые грунты имеют отрицательную или ну-' левую температуру и содержащийся в них лед является породо­ образующим минералом. Мерзлые грунты являются четырех­ фазной системой, основные компоненты которой: скелет из ми­

и качественное соотношение основных фаз, их пространственное расположение и сила взаимодействия определяют изменение сопротивления грунта разрушению в широких пределах.

Мерзлые грунты (вечномерзлые, сезонномерзлые и кратко­ временномерзлые) имеют повышенную сопротивляемость разру­ шению по сравнению с талыми, поэтому при их разработке су-_ щественно снижается производительность машин. Сопротивляе­ мость мерзлых грунтов разрушению определяется в основном сцеплением цементации льда, а также молекулярным и струк­ турным сцеплением между частицами минерального скелета. Лед при замерзании грунта образует новые контакты и связи, не свойственные грунту в талом состоянии.

Вода, находящаяся в грунте в виде связанных с минераль­ ным скелетом и льдом пленок или в виде раствора солей и га­

в сосуществовании со льдом, по данным проф. Н. А. Цытовича, не остаются постоянными, а зависят от внешнего воздействия температуры, давления и пр. [40]. Чрезвычайно важное значе­ ние имеет также газообразная фаза, наличие которой в мерзлых грунтах является одной из причин их сжимаемости.

Прочностные характеристики мерзлых грунтов неразрывно связаны с общим комплексом их физических свойств. Опреде­ ляющими показателями физических свойств мерзлых грунтов как четырехфазной системы являются: плотность, объемная мас­

5

са, общая влажность (рассчитываемая по отношению массы воды к массе исходного грунта во влажном состоянии), относи- ‘ тельная льдистость и коэффициент водонасыщенности. На про­ цесс бурения огнеструйными инструментами значительное влия­ ние оказывают основные теплофизические параметры грунтов.

§ 2. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

При огневом бурении в зоне забоя и на призабойных уча­ стках, подверженных воздействию газовой струи, температур­ ное поле обусловливает появление предельного напряженного состояния в массиве и изменение сопротивления разрушению. Скорость изменения температурного поля и степень его концент­ рации зависят прежде всего от теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности грунта, знание которых позволяет количественно оценить кондуктивное распространение тепла в грунте и определить оптимальные режимы работы горелки.

Теплоемкость определяется величинами удельной С и объ­ емной С0б теплоемкости, которые связаны зависимостью

где р — плотность грунта, т/м3.

Различают теплоемкость мерзлого грунта в области интен­ сивных фазовых переходов (эффективная теплоемкость) и в об­ ласти практически замерзшего состояния (аддивная теплоем­ кость). Эффективная теплоемкость отличается от аддивной уче­ том теплоты, затраченной на фазовые превращения воды.

Теплоемкость зависит от гранулометрического состава, влажности, температуры, плотности и структуры грунта. Удель­ ная теплоемкость грунта в мерзлом состоянии несколько мень­

возрастает. Объемная теплоемкость льда снижается с уменьше­

воздуха, при 0° С.

Теплопроводность характеризуется величиной удельной теп­ лопроводности X, которая зависит от гранулометрического со­ става, температуры, влажности, льдистости, плотности и крио­ генной текстуры грунта. Величина удельной теплопроводности мерзлых песчаных грунтов составляет 0,28—3,44 и глинистых

6

грунтов 0,4—2,63 ккал/м*ч*°С при температуре —10° С, увели­ чиваясь с ростом плотности и влажности [16]. Удельная теп­ лопроводность воды при температуре 0—40° С составляет 0,47—

свыше 60% теплопроводности грунта и льда равны, если лед образует основную массу. При разобщенных прослойках льда теплопроводность снижается. Переход грунта из талого состоя­ ния в мерзлое не однозначно изменяет его теплопроводность. Установлено, что теплопроводность песчаных грунтов увеличи­ вается в мерзлом состоянии, глинистых — уменьшается, что объ­ ясняется характером текстурных изменений [3].

Удельная теплопроводность льда может быть найдена по формуле

Температуропроводность определяет термоинерционные свой­ ства грунта, связанные со скоростью изменения температурного поля среды при нестационарных тепловых процессах. Удель­ ную температуропроводность определяют расчетным путем:

для глинистых грунтов, увеличиваясь при повышении влажно­ сти и плотности. Чем больше значение а, тем быстрее грунт нагревается.

Удельная температуропроводность значительно в меньшей мере, чем другие теплофизические Параметры, зависит от тем­ пературы грунта. Удельная температуропроводность мерзлых грунтов на 30—50% выше, чем талых; для чистого льда она со­ ставляет (4,224-4,25) • 10-3 м2/ч.

§ 3. СОПРОТИВЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫМ ДЕФОРМАЦИЯМ

Для расчета буровых и землерезных машин, а также выбора оптимальных параметров рабочего процесса необходимо знать прочностные характеристики мерзлых грунтов при быстрых де­ формациях (условно-мгновенная прочность) и механизм их раз­ рушения.

К основным расчетным характеристикам мерзлых грунтов относятся: условно-мгновенная прочность при одноосном сжа­ тии (Тсж, растяжении ар и сдвиге т; сцепление то> угол внутрен­ него трения рт, определяющий часть сопротивления сдвигу, за­ висящую от нормального давления. Сцепление является частью

7

сопротивления сдвигу, оно не зависит непосредственно от нор­ мального давления.

Величины то и рт при значении условно-мгновенной проч­ ности при сжатии и растяжении возможно рассчитать [39] по формулам:

а сж ~Ь а р

Основные прочностные характеристики зависят от темпера­ туры, влажности, гранулометрического состава и скорости де­

ние прочностных связей воды и дьда с минеральным скелетом, поэтому она влияет на сопротивление разрушению мерзлого грунта. При понижении температуры отмечается непрерывный рост прочностных характеристик грунтов вследствие уменьше­

8

льда — цемента и возрастания сил молекулярного притяжения. Одновременно возрастание прочности обусловливается измене­ нием качественного состава льда, особенно вне области основ­ ных фазовых переходов воды, что связано с уменьшением по­ движности! атомов водорода в структурной решетке [29]. Наи­ более резко сопротивление повышается в момент перехода грун­ та из талого состояния в пластичномерзлое (переходное состоя­ ние от талого грунта к твердомерзлому). Пластичномерзлые грунты отличаются повышенной вязкостью, липкостью и труд­ ностью разработки, они могут уплотняться.

При дальнейшем понижении температуры грунт переходит в твердомерзлое состояние, характеризуемое практической не­ сжимаемостью под нагрузками и относительной хрупкостью. Температура перехода грунта из пластичномерзлого в твердо­

для глин — по СНИП, в этой области температур происходят ин­

увеличение в грунте количества воды в жидкой фазе способст­ вует уменьшению его прочности. При одной температуре и влажности количество жидкой фазы в грунте тем выше, чем больше высокодисперсных частиц (фракций диаметром менее 0,05 мм). В зависимости от вида напряженно-деформированного состояния и скорости деформации сопротивляемость мерзлых грунтов при увеличении влажности изменяется по-разному.

Зависимость сопротивления растяжению мерзлых глинистых грунтов (имеющих число пластичности больше единицы) вна­ чале возрастает при увеличении влажности (льдистости) по пол­ ной влагоемкости исследуемого грунта, а затем уменьшается, стремясь при сильном переувлажнении к прочности льда (рис. 1). Условно-мгновенная прочность льда при разрыве составила, по нашим исследованиям, 5,5; 8,3 и 17,3 кгс/см2 при температуре соответственно —1, —5 и —10° С. Для песчаных грунтов с по­ вышением влажности прочность при разрыве непрерывно воз­ растает без четко выраженного максимума.

При увеличении влажности растет сопротивление сдвигу, сцепление и угол внутреннего трения всех типов мерзлых грун­

9