爆炸固結法結合其他方法處理軟土地基的探討

文｜國家知識產權局專利局 材料工程發明審查部 任亮平

軟土地基處理存在多種處理方法，爆炸固結法實際上是爆炸結合堆載預壓來處理軟土地基的方法，即：先軟土內設置排水通道，在軟土地基表面實施堆載預壓，在上覆荷載下實施固結沉降，等到固結后的沉降完全穩定下來，然后在軟基中裝置適量炸藥引爆，借助炸藥爆炸造成的劇烈震動，進一步降低軟土的強度，從而破壞軟土地基的固結平衡，再在上覆荷載下產生附加壓縮沉降, 最終達到超載預壓的效果。中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所針對爆炸固結法分別作了現場試驗和模型試驗[2,3,4,5]，對爆炸固結法處理軟土地基的沉降規律、強度變化規律等做了試驗性的研究。

本文根據試驗結果，分析爆炸固結法處理軟土地基的特點，并結合這些特點探討與其他軟土地基處理方法結合的可行性。

1 試驗情況介紹

1.1 現場試驗

2001年5月, 鐵道科學研究院在西南線中鐵十六局施工DK299 +500 ～ DK299+550 段，對深層軟土地基進行爆炸結合堆載預壓處理的現場試驗[2,3], 試驗場地長30 m 、寬20m , 淤泥質土體深度為1m-7.5 m。試驗情況: 堆載預壓采用在淤泥質土體上堆填3 m厚填土,淤泥質土體中布置排水砂井,先進性預壓沉降，再進行爆炸處理。爆后進行沉降觀測，并對土體物理、力學指標進行測量。表1為物理指標、剪切和壓縮實驗結果，圖1為典型沉降曲線。

表1 爆炸前后土體物理、力學指標對比

圖1 典型沉降曲線

試驗結果表明，爆炸對土體的物理力學指標產生了較大影響，在爆炸前期，通常是在1-2周內土體的物理力學便會逐漸得到一定程度是改善，土體中的含水量以及孔間隙都會相對降低，而土體剪切強度則會進一步增強，其壓縮性能也會得到提升。但在后期，土體指標雖繼續得到改善，但改善速度較慢。同時，試驗在沉降觀測時，還觀測到爆炸導致土體產生較大側向位移，說明，豎向固結沉降僅僅是總沉降的一部分。

為了更加明確爆炸對土體物理力學指標在不同階段的影響，還進行了爆炸后短時間內測量，在爆后1 h 內進行了現場標貫試驗對比, 標貫試驗情況見表2 。由表2 可知,爆炸作用在短時間內土體的強度未見升高,反而有下降趨勢, 這說明爆炸作用使得已經固結平衡的土體結構受到擾動, 土體結構強度降低，重新產生固結沉降，土體的結構強度在爆后一點時間內是要小于堆載預處理后的強度的；在爆后45 d 進行了輕型標貫試驗對比, N10擊數提高了1.8 倍，說明土體強度因固結沉降而重新恢復、提高。

表2 爆炸前后標貫試驗對比表

1.2 模型試驗

為進一步探究爆炸固結法處理軟土地基的機理，鐵道科學研究院又進行了模型試驗[4,5]，針對爆炸裝置設置上，可以利用鋼筋混凝土修建一座內徑為2m，高為2.4m的圓形土池子，（見如圖2）。在圓形池子內放置飽和淤泥質軟土，圖3為裝藥和砂井布置示意圖。具體試驗操作過程：（1）使用飽和狀態含水量為100%淤泥質軟土，并裝置有排水體，如袋裝砂井；（2）氣囊加載（模擬上覆荷載堆載預處理）進行預處理，待沉降穩定時，爆炸處理土體；（3）在不同階段進行強度檢測，同時進行沉降觀測。

圖2 模型試驗裝置

圖3 裝藥及砂井布置圖

沉降-時間曲線如圖4所示，靜力觸探貫入阻力隨時間變化如圖5、6所示。試驗結果觀測到了土體強度在爆后短時間內明顯降低，隨著時間變化土體強度逐漸恢復并增強。結合沉降觀測，因此次試驗過程中，爆炸池是使用的剛性側壁，土體難以在水平方向上發生移動，因而觀測結果顯示的沉降則完全是由排水固結產生的豎向沉降，而不會有橫向變形沉降。從而驗證爆炸固結法的機理，爆炸擾動破壞土體結構，并形成類似裂隙，在上覆荷載下，土體重新排水固結，形成的結構，土體強度也得到恢復、提高，達到加固軟土地基的目的。

圖4 沉降-時間曲線

圖5 貫入阻力在不同時刻變化圖

1.3 試驗總結

綜合現場試驗和模型試驗，可以看出，爆炸固結法處理軟土地基，在爆后短時間內可以破壞土體結構，產生大量排水，但在處理后期，土體的沉降以及物理、力學指標的變化趨近于常規的堆載預壓或超載預壓，但在土體強度的恢復、提高上，其效果還有待確定。

2 與其他方法結合的探討

對于軟土地基，應注意其兩個特性，其一是觸變性：軟土未受破壞時常具一定的結構強度，但一經擾動，結構破壞，強度迅速降低甚至變成稀釋狀態。軟土的這一性質稱觸變性。這在現場和模型試驗中，也得到了進一步地證實，并且，爆炸固結法也是利用軟土這種特性。其二是流變性：是指在持續荷載作用下，土的變形隨時間而增長的特性，結合爆炸固結法，爆炸后土體在上覆荷載下重新排水固結沉降，達到平衡后，理應可以進行施工，但由于其流變性的特點，會有可能繼續產生變形沉降。試驗中觀測到土體強度在后期反而略有下降的情況也印證了該特性。因此，采用爆炸固結法處理軟土地基，一是在爆炸后仍要較長時間來進行堆載處理，二是處理效果上，尤其是土體強度的變化情況仍有待確定。

常規的軟土地基的處理方法中有采用灌入固化物處理的方法，比如常見的深層攪拌法，該方法在固化劑使用上采用的水泥系，然后在地基深處借助深層攪拌機把軟粘土和水泥漿強行攪拌在一起，產生水泥加固土，使得地基土物理力學性能發生改變，以便于能夠進一步加強地基承載力，實現加固軟土地基的目的。針對爆炸固結法的特點，其在爆炸初期土體強度會急劇下降，同時產生大量排水，可以考慮兩者的結合：在爆炸后，立即進行深層攪拌法的施工，一是可以大大減小深層攪拌機的攪拌阻力，二是固化劑可以很好的與地基大量排水發生水化反應；同時，土體的排水可通過固化劑吸收拌和為水泥土，而無需再排水，可以考慮減少甚至取消排水體，如：砂井的布置。采用爆炸固結法結合深層攪拌法，充分利用了兩者的特點，相對于單獨采用各個方法，可以減少施工量、縮短施工周期，由于處理后形成水泥加固土，即徹底改變了土體性質，也會克服常規軟土地基流變性的缺點，提高處理效果，這種結合方法針對飽和軟粘土尤為適用。

3 小結

采用爆炸固結法結合灌入固化物處理的方法，如深層攪拌法，是根據爆炸固結法的現場試驗和模型試驗的結果，結合各方法的特點，針對飽和軟土的特點，針對性提出的相結合的軟土地基的處理方法，其具體處理步驟以及實際效果，還需通過試驗進行驗證。