张志毅  杨年华  杨  兵  张翠兵

1．爆炸法处理软弱地基概述

    从20世纪60年代起国内外已开展过爆炸法处理软弱地基技术研究，并取得一些有意义的成果，根据以往的经验，爆炸处理后地基平均相对密度可提高15％～30％，美国加州大学的爆炸法处理软土试验效果，用静力触探检测发现触探阻力由原来的10 MPa提高到20 MPa。根据前苏联JI．JI．依万诺夫工程经验的总结，爆炸法处理后一般能使地基承载力满足工业民用建筑设计要求。

对于爆炸法处理深层软弱土地基的可行性论证，最具说服力的试验应是南京工程兵工程学院所做的土中爆炸成洞试验，他们在南京、上海等地的软土中成功地利用爆炸空腔建成了直径2 m的洞库。试验表明饱和软弱土中爆炸挤压能形成空腔，而且空腔壁面短时间内干燥无水，洞壁土层硬化；非饱和土中爆炸挤压形成的空腔较稳定，可直接成为洞库。这充分证明了爆炸法处理深层软土后可使软土密实，若能结合竖向排水通道可达到更好的处理效果。

2．爆炸法处理深层软弱地基原理

    软弱土地基处理从原理上分为两大类：一类是置换法，即将软弱土全部或部分移开，然后回填更高强度的材料，使地基承载力提高；另一类是压实法，即使软弱土原地固结密实，以提高承载力。爆炸法处理深层软土兼用了置换原理和压实原理，它利用炸药爆炸力在软弱土内压缩形成空腔(空腔直径可达原孔径的2～5倍)，空腔周围一定范围内的土体被压密，通常影响半径达2～4 m；同时由于炮孔周围土体受到压缩，孔隙水压力急剧升高，高孔隙水压力的维持时间与软土的透水性有关，大体能维持数小时至数天，若结合竖向排水通道联合作用，可使软土排水固结；另外空腔内还可回填砂土形成砂桩，它能和周围被压密土体共同组成复合地基，承载力明显提高，工后沉降量显著降低。

爆炸法处理软土的核心是控制爆炸作用力，爆炸力过强可能使软弱土翻浆或地表鼓起，彻底破坏原状土结构；爆炸力过小不能充分发挥作用，处理效果达不到最佳状态。一般来说控制过强的爆炸力容易实现，但要使爆炸力达到最佳处理效果，需在现场进行一定的试验研究。爆炸力的控制主要与药包埋设深度及软弱土力学性质有关。药包埋深越大，上覆压力越大，爆炸力就可相应增强，这样爆炸空腔也能加大，压密效果更好。相反，浅层软土的处理效果不及深层。根据以往的经验，深度3 m以上的软土处理效果不太理想，3 m以下软土的处理可达到良好效果，软土越深处理效果越好。软弱土路基一般表层有一层硬壳，硬壳以下的软弱土需要处理，爆炸法正好适合深层软弱土处理。

3．爆炸法处理深层软弱地基试验条件

    2001年5月，我院在西南线中铁十六局施工DK299+500～DK299+550段进行了爆炸法处理深层软土地基的现场试验，试验场地长30 m、宽20 m，含淤泥质土深度在1～7.5 m，地下水埋深0.5～0.7 m，土层物理力学性质指标见表1。试验过程如下：首先在试验场地预埋沉降板和孔隙水压力传感器，后堆填3 m厚填土，再梅花形布置爆炸孔和排水砂井，爆炸孔和排水砂井穿过含淤泥质土层，爆炸分两次进行。爆后进行了孔隙水压力测量、土样物理力学试验、标准贯入试验、静力触探试验和沉降量观测，测点分布见图1。

表l  含淤泥质饱和软粘土主要物理力学性质指标

4．爆炸法处理深层软弱地基试验结果与分析

    (1)孔隙水压力变化与排水固结

以往认为土中爆炸只能引起孔隙水压力瞬间升高，爆炸完成后孔隙水压力立即恢复原值，所以爆炸加载没有产生排水固结的条件，而实际测得爆炸后孔隙水压力变化曲线如图2所示。

图1  试验平面布置图

图2中两个峰值为两次爆炸产生，是在爆后l～2 min测得的最大值，爆炸瞬时峰值压力可能远大于此，在爆炸瞬时因受超压过高有两个传感器损坏就可证明之。由图2的变化曲线可知孔隙水压力峰值在40 h内有明显衰减，但在很长一段时间内仍保持较高孔隙水压力值，能产生持久排水固结沉降。从宏观上表现为爆后周围砂井内向外涌水，地面不断沉降，地表可见涌水时间约持续12 h，随后高孔隙水压力缓慢消散，同时继续发生排水固结和地表沉降。孔隙水压力的变化过程从原理上充分证明爆炸作用可促进、加大固结沉降。

图2  孔隙水压力变化图

    (2)爆炸后沉降观测

    根据试验场地分区，本次试验共埋设了10个沉降板，l号～2号，8号～10号沉降板设于1次爆炸处理区，3号～5号沉降板设于2次爆炸处理区，6号沉降板在1次爆炸影响区，7号沉降板设于无爆炸作用区。1号～7号点不同时刻的沉降量见图3，典型的4号点沉降时程曲线见图4。由图3、图4可知爆炸引起的瞬时沉降十分显著，之后仍有3～5 d的明显沉降期，第一天的沉降最为显著，这一过程与超孔隙水压力消散过程相对应。另外爆炸次数对沉降量的影响尤为重要，远离爆炸影响的7号点几乎没沉降，1号，2号，6号点受1次爆炸作用，沉降量相对较小，仅4．5 cm左右，3号～5号点受2次爆炸作用，沉降量明显增大，由于第二次爆炸孔少，中心4号点影响最大，总沉降量达23．7 cm。要想获得更大的沉降和更密实的处理效果，还可以进行第三次爆炸，但爆炸药量应适当减少。本次试验受条件限制，仅做了2次爆炸测量，有些遗憾。

图3  沉降板高程图

图4   4号测点的高程变化图

    (3)标准贯入试验和静力触探试验

    为了验证爆炸作用前后土层强度变化，我们在爆后1 h内进行了现场标贯试验对比，标贯试验深度及数值见表2。由表2可知，爆炸作用短时间内土的强度未见升高，反而有下降趋势，这说明爆炸作用虽然使土体挤密，但结构受到扰动，且孔隙水压力升高，有效应力降低，因此爆炸后短时间内强度可能降低，只能固结稳定后才能表现出强度指标的提高，爆后45 d进行了轻型标贯试验对比，N₁₀击数提高了1.8倍。爆后静力触探试验指标如表3，由表3可知爆炸作用结束后，含淤泥质软弱土层的强度指标有所提高，承载力提高20％，压缩模量提高了20％。

    (4)土样物理力学性质变化

    爆炸作用前后土样主要物理力学性质对比见表1。从表1可知爆后压缩性指标有显著提高，压缩模量增长了1.35?1.99倍，抗剪强度指标无显著增长，土体强度与土颗粒成分和土体结构等主要因素相关性强，爆炸法排水固结主要对减小工后沉降有显著意义，而通过爆炸孔形成的砂桩复合地基才有增加地基承载能力的重要作用。365体育：爆炸法处理地基对减少工后沉降的作用有待进一步分析论证。

表2  爆炸处理前后标贯试验对比表

表3  爆炸处理前后静力触探指标对比表

    (5)爆炸空腔和压缩作用

为了证明爆炸不仅能促进排水固结，也有压缩挤密作用，对爆炸单孔还进行了压缩空腔测试。2个试验孔都是9 m深，顶部3 m没装药，原炮孔直径F110 mm。爆后地基表面没鼓起，也未见裂缝，向孔内灌沙测得，1号孔空腔体积扩大了11倍，2号孔空腔体积扩大了9．8倍。2号孔空腔形状大致如图5所示。

图5   空腔形状示意图

    由此分析，爆破后地表没变形，炮孔内部体积扩大，只能是周围土体受冲击作用压缩挤密所致，而且最后在炮孔附近人工挖探井时发现土层压密后透水性大大降低。爆前挖探井时，井内渗水很快，需抽水机向外排水才能下井作业；而爆后挖探井时，仅有井壁湿潮滴水，几乎不能向井内渗水，土层渗透性很小，渗透系数小于1．0×10^-8。

5．结    语

通过上述多项试验结果论证，可以得到如下几点结论。

①深层爆炸加载结合竖直砂井排水通道可以使得深部软土产生排水固结，多次爆炸加载作用能得到满意的处理效果。

②深层柱状药包爆炸可在土层中产生压缩空腔，对炮孔周围土体产生挤密加固作用。

③爆炸法处理软弱地基能促使土层固结沉降量很快完成，但土体强度不能很快升高，地基承载力要依靠砂桩复合地基获得增加。

发表刊物：中国铁道科学。2002年第23卷第4期。