/
Автор: Кушнарев Д.М.
Теги: строительство инженерных сооружений строительство инженерия взрывчатые вещества взрывные работы стройиздат
Год: 1973
Текст
Д. М.КУШНАЙЕВ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ЭНЕРГИИ
ВЗРЫВА
В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
VIII
( МЕЖДУНАРОДНЫЙ \
[---1-КОНГРЕСС--1--
\ ПО МЕХАНИКЕ ГРУНТОВ у
И ФУНДАМЕНТОСТРОЕНИ1О
МОСКВА
СТРОЙИЗДАТ
"J973
УДК 624, 132.35
Кушнарев Д. М. Использование энергии взрыва
в.строительстве. М., Стройиздат, 1973. 288 с.
В книге освещены наиболее важные разделы теоретических
и экспериментальных исследований по использованию энергии
взрыва в строительстве. Описана новая поточно-механизирован-
ная технология взрывных работ с применением непрерывных
горизонтальных цилиндрических и щелевых зарядов. Рассмот-
рены вопросы применения взрывной кольматации для укрепле-
ния малосвязных грунтов гидровзрывом с использованием раз-
личных вяжущих составов. Описано производство работ при
строительстве противопожарных каналов взрывным способом
для локализации лесных и торфяных пожаров.
'Книга предназначена для научных и инженерно-техниче-
ских работников научно-исследовательских, проектных и строи-
тельных организаций.
Табл. 26, ил. 127, список лит.: 59 назв.
© Стройиздат, 1973
ДМИТРИЙ МИХАЙЛОВИЧ КУШНАРЕВ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ВЗРЫВА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
* * *
Редактор Н. А. Хаустова
Внешнее оформление художника К- Д. Юрченко
Теунический редактор Т. В. Кузнецова
Корректоры Л. П. Атавина, Г. А. Кравченко
Сдано в набор 17/1 1973 г. Подписано к печати 30/III 1973 г.
Т-03497. Бумага типографская № 2. Формат 60x90l/i« Д- л.
9 бум. л. 18 печ. л. (уч.-изд. 18,1 л.) Тираж 3000 экз.
Изд. № AVIII—3111. Зак. 50 Цена 1 р. 20 к.
Стройиздат
Москва, К-31, Кузнецкий мост, 9
Владимирская типография Союзполиграфпрома
при Государственном комитете Совета Министров СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли
Гор. Владимир, ул. Победы, д. 18-6.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Взрывной способ производства работ широко применяется
в строительстве как в СССР, так и за рубежом.
В результате многолетних поисков в СССР разработана новая
поточно-механизированная технология взрывных работ с приме-
нением непрерывных горизонтальных (шнуровых) цилиндричес-
ких и щелевых зарядов выброса вместо разобщенных, сосредо-
точенных и вертикальных скважинных зарядов. Имеющиеся ре-
комендации позволяют расчетным путем определять основные
параметры: глубину и ширину выемки после взрыва, оптималь-
ную величину удельного расхода ВВ, глубину заложения заря-
да при выбросе и рыхлении мерзлого грунта и т. д.
Массовыми взрывами на выброс можно создавать не только
горизонтальные каналы любой длины, но и выемки (водоемы)
средних объемов, которые по своим эксплуатационным свойст-
вам не уступают водоемам, , построенным механизированным
способом. Массовые взрывы на выброс и с целью рыхления мер-
злых грунтов получили еще большее распространение в связи
с применением простейших взрывчатых веществ.
Взрывной способ успешно применяется также и для устрой-
ства противопожарных каналов при локализации лесных и тор-
фяных пожаров. Этот способ производства работ обеспечивает
высокую производительность труда и ускоренные темпы строи-
тельства, может применяться в любое время года (исключается
сезонность работ), в различных климатических условиях, в лю-
бых условиях строительства.
Автор выражает искреннюю признательность д-ру техн, наук
Л. В. Дубнову, кандидатам технических наук Е. Ф. Мосьякову,
М. А. Чусову, В. И. Пшеничному, В. И. Кляцкину за большую
помощь, оказанную при рассмотрении отдельных вопросов, и ре-
цензентам д-ру техн, наук И. С. Федорову и канд. техн, наук
А. А. Черниговскому за ценные замечания по рукописи.
Автрр просит все замечания и пожелания по содержанию
книги йаправлять по адресу: Москва А-252, ул. Ново-Песчаная,
д. 19/10, корп. 33, ЦЛМГИ.
ГЛАВА I
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ
УСТРОЙСТВА ОТКРЫТЫХ КАНАЛОВ
ВЗРЫВОМ ШНУРОВЫХ ЗАРЯДОВ
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Взрыв за'ряда в сплошной среде представляет собой сложное
физико-химическое явление, поэтому для детального анализа
данного явления потребовались бы сведения из теории детона-
ции, релаксационной гидродинамики и газодинамики, теории
твердого тела и пр.
Здесь рассматривается взрыв средней и малой мощности,
и нужно определить эффективность взрыва по отношению к вы-
бросу грунта и геометрические параметры образующейся при
этом выемки. Для полного решения первой задачи необходим
детальный анализ различных способов расположения и заглуб-
ления зарядов в грунт и выбора их конфигурации и формы, что
является сложной проблемой, требующей применения элемен-
тов баллистики и построения теории направленного метания
грунта при помощи взрыва. При решении второй задачи основ-
ную роль играют энергетическая характеристика взрыва, геомет-
рия среды, форма заряда и способ его расположения относи-
тельно поверхности грунта. Известно, что при взрывах зарядов
средней и малой мощности давления на фронте детонационной
волны составляют примерно 100 тыс. атм, при этом грунт можно
рассматривать как несжимаемую жидкость с некоторыми моди-
фикациями, которые будут отмечены в дальнейшем. Указанное
явление играет важную роль в построении теории выброса грун-
та, так как позволяет для исследования данной задачи приме- /
нять те же методы, что и при изучении движения несжимаемой
жидкости.
Запишем уравнение неразрывности (сплошности) для неко-
торой материальной среды, характеризующейся плотностью р
и гидродинамической скоростью V, и увидим, к каким упроще-
ниям приводит условие несжимаемости. В общем случае уравне-
4
ние неразрывности имеет следующий вид:
+ v(Pv) =0, (1-1)
at
где символом V обозначен градиент, записанный в форме век-
тора с компонентами:
-* I д д д }
д д д
а символы—, —, —обозначают частные производные соответ-
дх ду дг
ственно по х, у, г.
В стационарном случае
4 = °- G-2)
at
Если среда несжимаема, плотность р не зависит от коорди-
нат и ее можно вынести из-под знака производной по коорди-
натам в уравнении (1.1). Поэтому в случае стационарной нес-
жимаемости уравнение неразрывности существенно упрощает-
ся и принимает вид:
V-v = 0. (1.3)
Известно, что при решении краевых задач математической
физики искомое может быть представлено в виде:
v = VT+[V^], О-4)
т. е. в виде производных по координатам от некоторой скаляр-
ной функции (потенциала) и от векторной функции А, называе-
мой вектором-потенциалом. Знак произведения в (1.4) означа-
ет, что берется векторное произведение символического вектора
V н вектора-потенциала А, так что второй член в (1.4) есть
вихрь вектора А. В нашем случае условие (1.3) накладывает
большие ограничения на класс искомых полей и сводит их толь-
ко к потенциальным полям, для которых второй член в уравне-
нии (1.4) обращается в нуль. Подстановка (1.4) в (1.3) при-
водит к известному уравнению Лапласа для потенциала, описы-
вающего векторное стационарное безвихревое движение несжи-
маемой жидкости:
Дф = 0,
где Д означает лапласиан
д^Л!_ + ^+Л.
дх2 ду2 дг2 ’
(1.5)
(1.5а)
5
Итак, задача о потенциальном стационарном течении несжи-
маемой идеальной жидкости в бесконечном пространстве ста-
вится следующим образом: требуется найти потенциал ср, удов-
летворяющий условию гармоничности, — уравнение Лапласа
(1.5), а по нему отыскать поле скоростей по формуле:
v = v<P- (1.6)
При наличии границ области, в которой определяется потен-
циал, необходимо дополнить уравнение (1.5) соответствующи-
ми граничными условиями на границе области, которые мы
уточним в дальнейшем.
Уравнение Лапласа (1.5) в общем случае, когда функция за-
висит от всех трех пространственных координат, является очень
сложным, и даже в тех редких случаях, когда его удается ре-
шить, решение может иметь такой сложный вид, что использо-
Рис. 1. Модель непрерывного на-
клонного скважинного заряда
вать его практически невозможно. Поэтому в трехмерном случае
приходится применять численные методы, записывая решение
в конечно-разностном виде, и заменять точные значения иско-
мой функции их приближенными значениями в некоторых точ-
ках (узлах) заранее выбранной сетки.
Чтобы получить конкретные выводы при решении таких за-
дач, вычисления необходимо производить на быстродействующих
вычислительных машинах, что бывает трудно совместить с тре-
бованиями оперативности.
Когда в пространственном случае все же прибегают к обыч-
ным расчетам, результаты следует использовать особо осторож-
но, так как применяемая при этом сетка оказывается слишком
редкой и ошибка, как правило, бывает такого же порядка, что
и основной результат. Наиболее приемлемые результаты могут
быть получены в том случае, если с самого начала отказаться
от точного подхода и воспользоваться феноменологическим опи-
санием.
Проанализируем некоторые случаи, когда, несмотря на трех-
мерность задачи, все же возможны упрощения. Рассмотрим ци-
линдрический заряд, расположенный в однородном грунте та-
ким образом, что его ось составляет угол а к поверхности
(рис. 1).
Пусть А есть какая-либо точка на оси заряда, расположен-
ная на глубине h. Тогда на некотором участке длиной Дг, удов-
летворяющей условию
6
Aztga</i, (1.7)
очевидно, можно пренебречь зависимостью от координаты z и
считать задачу двухмерной. Конечно, такой способ расположе-
ния заряда не является оптимальным, так как различные участ-
ки заряда работают в разных условиях. Например, при разме-
щении заряда на слишком большой глубине грунт вообще не
может быть выброшен на поверхность, а при поверхностном
расположении часть энергии заряда расходуется впустую, сле-
довательно, существует некоторая оптимальная глубина заложе-
ния. При наклонном расположении заряда эффективно будет
работать только средняя часть, следовательно, наиболее выгод-
но такое расположение, при котором угол а равен нулю. В слу-
чае конечной длины заряда L задача сводится к двухмерной
лишь при условии пренебрежения краевыми эффектами на кон-
цах заряда, что, очевидно, несущественно при условии
L > max (Д, h), (1.8)
где символом max (R, h) обозначена максимальная из двух ве-
личин— радиус заряда R и глубина его заложения h. В даль-
нейшем всегда будем предполагать, что условие (1.8) выполнено,
и все искомые функции будем рассматривать зависимыми лишь
от двух координат х и у, характеризующих местоположение точ-
ки наблюдения в плоскости, перпендикулярной оси заряда. В
связи с этим задача упрощается, так как для ее решения можно
применить методы функции комплексного переменного, основ-
ные положения которой изложены ниже.
2. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ ФУНКЦИИ КОМПЛЕКСНОГО
ПЕРЕМЕННОГО ДЛЯ РЕШЕНИЯ
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
Как уже указывалось, при расположении цилиндрического за-
ряда параллельно поверхности однородного грунта задачу мож-
но считать двухмерной и были получены условия применимости
такого приближения. Вместо отыскания решения во всей области
можно ограничиться рассмотрением задачи лишь в какой-ни-
будь одной плоскости, перпендикулярной оси цилиндрического
заряда. Для удобства введем комплексное переменное z=x-\-iy,
характеризующее положение точки наблюдения в этой плоско-
сти. Тогда поток жидкости можно характеризовать одной функ-
цией комплексного переменного:
Ц7 (г) = ср (х, у) + 1ф (х, у), (1.9)
которую часто называют также комплексным потенциалом, пос-
кольку действительная (а также и мнимая) часть определяет
поле скоростей по формуле (1.6) и является потенциалом. Функ-
ция ф (х, у) также удовлетворяет уравнению Лапласа:
Аф = 0. (1.10)
7
Установим связь поля скоростей с функцией тока. В случае
потенциального (безвихревого) течения известно, что жидкость
движется так, что если бы каждая ее частица отвердела, то она
бы не вращалась. Но отсюда следует, что угловая скорость та-
кой частицы обращается в нуль:
1 /dv^ dvx \ = о
2 \ дх ' ду I ’
т. е.
= (1.11)
дх ду
Из (1.3) следует, что поле скоростей жидкости можно пред-
ставить в виде:
а из условия (1.11) Дф = 0, поэтому ф есть некоторая гармони-
ческая функция. Из формул (1.9) — (1.11) следует, что
дф = дф Эф = _ дф ц I
дх ду ’ ду дх ’
т. е. имеют место условия Коши—Римана или Даламбера—Эй-
лера для действительной и мнимой части функции комплексного
переменного (1.9). Следовательно, комплексный потенциал W(z)
есть аналитическая функция. Производная от комплексного по-
тенциала
dW(z) дф . . дф
W =-----— = —— + i = vx — ivu
dz дх дх у
называется комплексной скоростью; вектору же скорости жид-
кости отвечает сопряженное значение производной от комплек-
сного потенциала:
дф , дф = дф. дф =-^,
дх ду дх дх
Таким образом, всякий невихревой и свободный от источни-
ков в односвязной области G стационарный поток несжимаемой
жидкости характеризуется функцией W(z), соответствующей оп-
ределенной кинематической картине движения идеальной жид-
кости.
Кривые <p=const — эквипотенциальные линии или линии
уровня, а кривые ip=const — линии тока.
Вдоль линии ф=const нет движения жидкости, так как жид-
кость течет всюду перпендикулярно им. Обозначая составляю-
щую скорости v в произвольном направлении S через vs, имеем:
dx
dS
у
dy
dS ’
8
Из (1.6) получаем:
Эф dx ( Эф ду ________ dtp
Vs дх dS ду dS dS ’
следовательно, для линий ф (х, у) = С=const:
т. е. составляющая скорости вдоль эквипотенциальной линии
равна нулю.
Эквипотенциальные линии ф = const и линии тока ф = const
в плоскости W будут изображаться семейством координатных
прямых. Так как последние взаимно ортогональны, то в си-
лу конформности отображения, осуществляемого аналитической
функцией W(z), эквипотенциальные линии и линии тока и в пло-
скости движения z останутся во всех тех точках, в которых
т. е. где скорость движения отлична от нуля.
Следовательно, при стационарном движении линии ip=const
будут совпадать с траекториями частиц, поскольку ранее мы
доказали, что вектор скорости v направлен перпендикулярно
эквипотенциальным линиям. Этим обстоятельством и объясняет-
ся само название линий тока.
Итак, рассматриваемое движение жидкости может быть
полностью охарактеризовано двумя гармоническими функциями
Ф (х, у) и ф( х, у). Задача по определению движения несжима-
емой идеальной жидкости сводится к отысканию гармонической
функции в некоторой области Д, которая, конечно, может ока-
заться довольно сложной.
Поэтому на практике вместо решения задачи в исходной об-
ласти ищут решение в некоторой более простой области, являю-
щейся конформным отображением первоначальной области.
При этом выбирают какую-либо каноническую область (полу-
плоскость или круг) и пользуются тем, что при конформном отоб-
ражении сохраняется свойство гармоничности функции. Ниже
приводятся некоторые конформные отображения, необходимые
в дальнейшем для построения формы цилиндра выброса при
взрывах зарядов различных конструкций.
3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА КОНФОРМНЫХ ОТОБРАЖЕНИЙ
ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ФОРМЫ ЦИЛИНДРА ВЫБРОСА
При решении практических задач часто требуется определить
аналитическую функцию, которая отображает заранее заданную
область на одну из канонических областей, например на полу-
плоскость или на единичный круг. Как известно, простых и дос-
таточно эффективных методов отображения любой заранее за-
данной области не существует, а между тем детальный анализ
выбора той или иной конструкции заряда потребовал бы реше-
9
ния именно такой задачи. Поэтому исследование данного вопроса
следует начать с изучения некоторой заданной конкретной фор-
мы цилиндрического заряда и возникающих при этом следствий,
Рис. 2. Схемы расположения непрерыв'
ного плоского и питьевого зарядов
Рис. 3. Схемы
расположения
непрерывных
горизонтальных
цилиндрических
зарядов
а—при частичном заглублении заряда в грунт
(Л</?); б — при заглублении заряда в грунт
на величину его радиуса (h—R); в — при за-
глублении заряда в грунт на величину его
диаметра (h>=2R)
после чего можно выдвигать
конкретные рекомендации и
предложения. Рассмотрим
основные формы непрерыв-
ных зарядов при поверх-
ностном варианте их распо-
ложения: заряд в виде пло-
ской бесконечной ленты,
расположенной перпендику-
лярно поверхности (рис. 2, а)
и параллельно поверхности
(рис. 2,6), и заряд в виде
бесконечной тонкой нити,
находящейся на поверхности
грунта (рис. 2, в). Очевидно,
такая схема возможна, ес-
ли принять Z->-0 и одновре-
менно изменять плотность
заряда таким образом, что-
бы поверхностная плотность
стремилась к бесконечности,
а линейная плотность, рас-
считанная на единицу дли-
ны нити в направлении, пер-
пендикулярном рисунку, ос-
тавалась бы постоянной.
На рис. 3 показан заряд
в форме кругового цилинд-
ра радиусом R, заглублен-
ного в грунт на глубину
h = R (1 — cos |3) = 27? sin2 -у-,
и представлен случай, когда нижний край цилиндра находится
на глубине, равной радиусу (половинчатое заглубление) и диа-
метру (полное заглубление). Здесь рассматривается случай
именно поверхностного расположения заряда. В результате пре-
дельного перехода (см. случай на рис. 3, в) при 0 и указан-
ных ранее условиях мы получаем решение, соответствующее
рис. 2, в. Области, изображенные на рис. 2, имеют достаточно
простой вид, так как граница их с зарядом — это по существу
отрезки прямых (рис. 2, а, б) и точка О (рис. 2,в). Поэтому на-
ша задача заключается в том, чтобы превратить исходную об-
ласть в форме нижней полуплоскости с выброшенной частью
цилиндра в более простую область при помощи конформного
10
преобразования. Покажем, что ее можно отобразить на нижнюю
полуплоскость без вырезов таким образом, что круговая грани-
ца перейдет в часть действительной оси и, следовательно, задача
сведется к рассмотренному ранее случаю на рис. 2,6.
Для этого построим функцию, отображающую полуплоскость
z с вырезанной круговой луночкой произвольного радиуса R на
полуплоскость без вырезов g
(рис. 4, а). При нормировке
^(оо) = оо, £'(оо) = 1 и рас-
положении осей согласно
рис. 4, б эта функция будет
иметь следующий вид:
г = ау (г + а)? + (г ~~ а)?
(z + a)V_(z_a)7
(1-12)
V = (I-12а)
я + р
Так как у<1, то ya<Za и
точки £=±ау приближают-
ся к началу координат.
Отметим, что дробно-ли-
нейное преобразование
Рис. 4. Отображение полуплоскости
а — выброшенная часть цилиндра произволь-
ного радиуса; б—расположение осей отобра-
жающей функции £«= £4-
г а
переводит область z во внешность угла со с раствором л+р.
Действительно, для точек 1 (г——а) и 3 (z=4-cz) имеем coi =
= оо и со3=0, а поскольку дробно-линейное преобразование ок-
ружности (и прямых) переводит снова в окружности (и пря-
мые), то дуга 1—2—3 в области со переходит в дугу окружно-
сти, проходящую через бесконечно удаленную точку 1 (со = оо),
т. е. переходит в луч 1—2—3, а участки действительной оси 4
( °°)—1 и 3—4 (+°°) переходят в луч 3—4—1 (-|-оо). Угол
в точке 3 (не являющейся особой точкой) между этими лучами
в силу конформности отображения сохраняет свое прежнее зна-
чение п+р.
л
Степенная функция 1Г=<вя+₽ = <bv отображает область юна
нижнюю полуплоскость w, которую требуется отобразить так,
чтобы точки Ц71 = оо, Ц73=0, IF4=1 перешли в точки £1 = —ay,
^з=+ау, ?4= оо.
Чтобы построить функцию, отображающую нижнюю полу-
плоскость снова на нижнюю полуплоскость, необходимо постро-
ить такую функцию, которая переводила бы действительную
ось и области W=u-}-iv в действительную ось £ области £=
=£+»)•
Прямую линию мы рассматриваем как окружность бесконеч-
но большого радиуса, поэтому искомое преобразование должно
быть пробно-линейным. В силу поставленных выше условий дей-
ствительным W должны соответствовать действительные же £,
и, следовательно, в общей формуле дробно-линейного преобра-
зования все четыре коэффициента должны быть действительны-
ми числами. Кроме того, необходимо, чтобы при движении W
в положительном направлении по действительной оси (в сторону
возрастания) и £ двигалось бы в том же направлении. В против-
ном случае нижняя полуплоскость будет переходить в верхнюю
полуплоскость и наоборот. Подставляя в формулу
у 6 . . aW + b
L = t 4- гп = ----1—
cF+d
W—u-\-iv и отделяя действительную и мнимую части, получим:
с._6 । • _ Д (ц + tv) + Ь_ (аи -|- b) (си + d) + acv2
с (и + iv) + d (си -|- d)2 -|- c2v2
. . (ad — be) v
(cu + d)2 -|- c2v2
Отсюда легко установить, что рассмотренное преобразова-
ние отображает действительную ось о = 0 на действительную
ось т]=0 и нижнюю полуплоскость о<0 на нижнюю полупло-
скость т]<0 при условии ad—bc^>0. Учитывая также требуе-
мое соответствие точек, окончательно получим:
с. 1 +w
£ = ау —— .
1 — W
При использовании метода последовательных конформных
отображений вычисления в основном приходится вести для ком-
плексных значений переменной z=x-\-iy, поэтому необходимо
для функции (1.12) вывести расчетные формулы.
Введем обозначения
= рЛ
z + а
(1.13)
| 2 — d I v
где Р = г_^ —отношение расстоянии от точки z до точек
г=±а (см. рис. 4);
12
0 = arg (——— | — угол, под которым из заданной точки г вид-
\z + а)
ны точки z=±a.
Тогда
г —а _ j _ 2а _ ।2а_____________________ 2а [(х + а) — iy] __
г + а (х + a) -f- iy (х + а)2 + у2
= [1 — 2а(х + а) । i 2аУ = pg1'6
L (х+а)2+</2 (х + а)2+</2
Отсюда
2 Г । _ 2а (х 4- а) I2____4а2р2 _ ________4ах .
L (х + а)2 + г/2] [(х + а)2 + у2]2 (х + а)2+г/2’
tg е =----------------------=--------------у----------
6 Г(х + а)2 + г/2] — 2а (х + а) 1
ц т ) ТУ1 ' -Г . [(х + а)2 + у2] _ (х + а)
2а
или
= (х-а)2-|-у2 _ _______________________________£
(х -|- а)2 + у2 г* ’
г* =-^-[(х + а)24-г/21; (1.14)
4а
tg 0 =------%У----=--------У---. (1.15)
х2 + У2 — а2 2г* — х — а
Из формулы (1.12) при замене переменных (1.13) получаем:
= ду 1 + PVgt?e = ay +PVc0S Vе) + tpvsin уО
1 — (1 — p^cosyO)—(p^sinyS
или
5- . , . (2 — а) + »т 1(2 — а) + ir]-[a + it]
z = в + IT] = ay i= ay--------------------Ц—,
a — it a24-t2
где
a=l — pvcosy0; x = pvsiny0. (1-16)
Перемножив величины в скобках в числителе и разделив
действительные и мнимые части, находим необходимые нам рас-
четные формулы:
? = — ay; T] = g-x; g = - (1.17)
В частности, для точек оси абсцисс (у=0):
tge_0; 0 = 0; p = |£4j; _ 0. (Г.18)
Для точек, лежащих на дуге окружности (пользуясь теоре-
мой о том, что вписанный угол равен половине дуги, на которую
он опирается):
13
0 = 2л----— 2р) -- л + (3 = const;
70 = Л; Р2 = 1----— ; g = ay —~-V- ; Т] — 0.
r* 1 + PV
Для точек оси ординат (х=0), для которых р=1:
(1.19)
0=1 — COS у0; т = sin у0; g = ;
а
| = 0; Т) = ay Ctg .
(1.20)
Точка 2 (см. рис. 4), которая лежит на дуге окружности и на
оси ординат и для которой, следовательно, р= 1, у0=л; cig —
=ctg-y , отображается в начале координат £=0, т)=0.
Для точек, симметричных относительно оси у, т. е. для
Zi=x-i-iy; г2 =—x-\-iy, имеется равенство
точек
Р1Р2 — 1, (1.21)
которое вытекает непосредственно из (1.14).
Отображающую функцию можно представить в виде ряда.
Из формулы (1.12), вынося в каждом из слагаемых за скобку
z и сокращая затем на z\ имеем:
/ а \У / а \У
£ = ay = ау ____ZJ... + ' ~ '
(z+e)v_(z_a)v (j
Тогда для |z| >а, т. е. для — < 1, воспользовавшись бино-
I г I
минальным рядом, получаем:
/f 4- _2_V = I -f- v — Ч- Y (v~ (— Y + —2> / а V ।
\ z ) z 2 г J - 3! \ г /
Выполнив деление рядов, находим:
Г = гfl + Y2—1 (Д_\2 (Y2-l)(Y2-4) / а V
L ' 3 I г / 32-5 f г / ”Г
(у2-1)(у2-4) (2у2__ И)
32-5-7 \ г )
или окончательно
^ = г + А + ^+^+.. |г)>Д) (1.22)
z z3 г5
где
. Ai=o44=£La л = g.41.1-эд Лз. (123)
5 15 21
14
При z -> оо из (1.22) непосредственно следует, что
lim £ = г = оо,
Z-*oo
(1.22а)
т. е. бесконечно удаленная точка при отображении (1.12) оста-
ется неподвижной.
При р = 0, когда у=1, из формулы (1.12) при любом а по-
лучаем тождественное преобразование
£ = г.
2
(см. рис. 4,6), у=—, a=R формула (1.12) прини-
3
При Р = у
мает вид:
*4
£== 2£
3
(1.24)
, а=0 формула (1.12) непримени-
(рис. 3,в), у=-р
граница области содержит двойную точку.
а при |3=л
ма, так как
Если точку касания окружности с прямой считать точкой об-
ласти, то фактически область будет двусвязной и характер
отображения при этом меняется. Чтобы можно было считать
нижнюю полуплоскость с выброшенным кругом, касающимся
действительной оси, односвязной областью, необходимо также
исключить из нее точку касания С. Фактически это эквивалент-
но проведению разреза, состоящего всего из одной точки, кото-
рая одновременно является и левым и правым берегом разреза.
Левый берег будем обозначать точкой С', а правый — точкой С
(рис. 5).
Для получения искомой отображающей функции воспользу-
емся методом последовательных конформных отображений. Для
этого отобразим первоначальную область в переменных z = —
на горизонтальную полосу в комплексной плоскости t шириной
ш при помощи следующего дробно-линейного преобразования:
t = 2л
так что точка С'=С перейдет в бесконечность, граница полу-
плоскости у'=0 — в верхнюю границу полосы, а окружность —
в нижнюю (относительно других точек см. рис. 5, б).
Затем при помощи отображения W=exp ---------переведем
полосу в нижнюю полуплоскость (рис. 5,в), где указано так-
же соответствие точек. Наконец, чтобы получить искомое ото-
бражение с требуемым отображением точек, воспользуемся
дробно-линейным преобразованием
aW+b . ,
———.при условии ad—bc^>Q и определим констан-
cW-\- а
d. Потребуем, чтобы точка А переходила в точку
£=0, С — в точку —л/?, а С —
в точку л/?. Получаем следую-
щие уравнения для определе-
ния а, Ь, с и d\
1) £(--l) = ±ZLl = 0, а = ь-
а — с
2)£(оо)=-у-= — л/?, а = ~ с;
3) £ (0) = — = nR, b — d.
d
Поэтому
£ = nR ]-+Z = л/? X
1—W
f 2nR}
1 + exp {—«-}
x--------—— — cth ZZ.
( 2n/?1 z
1 — exp {—--)
I 2 J
Итак, данную задачу реша-
ет следующее отображение:
£ = nR cth ZZ . (1.25)
2
Найдем расчетные форму-
лы для обратной функции,
отображающей полуплоскость
£=£-Нт] на область z=xA~iy
(см. рис. 4).
Из уравнения (1.12) имеем:
(126)
£=£+й] =
ты а, Ь, с,
Y
£’(-->) ' D1 C'-.
^=^iy'
и/= u+iv
в' A 8 C
8 Xi
*)
f(ioo) В 2X1
В £(£') В1
ЖЖ
£(~~). f A
Рис. 5. Последовательное отображение
кругового цилиндра на горизонталь-
ную полосу шириной Л»
г — a л Е — ау
----- = S----Г , ИЛИ
2 + а / £ + «Y
откуда
1 ।
+ + ах/
1 avy/v '
(1.27)
ге
Введем обозначения:
= Ceia, где С = I I; а = arg
(1.28)
Тогда
с2=1-4-, tga = —•3-----------; (1.29)
г 2г* — | — ау
г* = -3-[(g + ay)2 + n2].
4ау
Подставив эти результаты в формулу (1.27), после элемен-
тарных преобразований находим требуемые расчетные фор-
мулы:
х = g*o* — а, у = £*т*, (1.30)
где по аналогии с (1.16) и (1.17) введены обозначения:
* « zM/v а » .а * 2а /том
о = 1 — С/vcos—, T=C/7sin—, g = - — — - (1.31)
у у <7*2 +Т*2
В частности, для точек действительной оси т}=0, tga—O по-
лучаем а=0 или а=л. Тогда на участках —— ау,
+ ау<^<оо:
а = О, С = I , х = + а — , у = 0, (1.32)
’ I g + «т - ! — С1/* и
а на участке —ау < s < +ау:
а = л, С = I I, х = g*o* — a, y = g*x*, (1.33)
J £ + ay I
где о*, т*, g* вычисляются по формулам (1.30) при а=п.
Разлагая в ряд функцию (1.25) по степеням отношения —,
2
получим приближенную расчетную формулу для случая на
рис. 3, в:
^Л-^- при | z | > л7?,
Зг
из которой видно, что если радиус цилиндра стремится к нулю,
отображение переходит в тождественное:
£ -> z при /? -> 0.
Пользуясь также формулой (1.25), легко найти обратное ре-
шение, отображающее нижнюю полуплоскость на нижнюю по-
луплоскость с полной круговой луночкой (т. е. область, изобра-
женную на рис. 5,а, на область, заштрихованную на рис. 5,а):
nR
Z = ------
nR
1^4- nR
(L34)
Раскладывая выражение (1.34) в ряд, получим при >1:
£ + 3£2 1 + 3£2
2—50
В заключение вычислим первую производную от функции,
осуществляющей конформное отображение. Известно, что мо-
дуль этой производной характеризует растяжение отображения
в данной точке плоскости, а аргумент — угол поворота главной
линейной части отображения, или, что то же самое, угол пово-
рота самого отображения.
Дифференцируя формулу (1.27), имеем:
dz __ 4a2(g2 —о2?2)7____
[(C + aT)1/v —(t —aV)W]2 ’
(1.36)
Так как в нашем случае — <у<1,—----------1>1, то в точках
2 у
£=±ау производная обращается в нуль и конформность ото-
2
бражения нарушается. Найдем производную при у= — (см.
3
рис. 3, б):
(1.37)
Дифференцируя формулу (1.34), получим производную при
полном погружении в грунт цилиндрического заряда (см. рис.
3, в);
dz _____________2nR t, — n.R [(g — л/?) — л/?)] _
dt, j— . 2Д + лК) 'Z + ^R a-nRy ~
v = — 1П* I I
7 2
4л2/?2
(1.38)
£+ л/?
(g2 __ n2/?2) In2
Так же как и в предыдущем случае, конформность наруша-
ется в точках t,=±nR, где производная обращается в бесконеч-
ность. Полученные формулы (1.36) — (1.38) слишком сложны
для практического применения. Поэтому найдем приближенные
выражения для производных, используя разложение в ряд
(1.22), (1.25а), (1.35), а также непосредственно раскладывая
выражения (1.36) — (1.38):
dz _____ । (1 — у2) a2
~dZ~ 3 £2
при | £ | > а.
(1.36а)
18
2
При Y=y :
dz ____5_ R2_
d? 2 ~ 27 ' £2 ’
(1.37a)
а в случае полного погружения
dz
df i
n2R2
3^
(I.38a)
На основании формул (1.36a), (I.37a) и (I.38a) можно сде-
лать вывод, что на большом расстоянии от центра заряда, на-
пример более десяти радиусов заряда, можно пренебречь рас-
тяжением и поворотом, которое производит конформное преоб-
разование, и считать его тождественным. При этом ошибка при
погружении заряда на расстояние, равное радиусу, составляет
примерно 0,2%, а при полном погружении »3%, что, конечно,
несущественно.
4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧИ
ПРИ ВЗРЫВЕ МЕЛКОЗАГЛУБЛЕННОГО ШНУРОВОГО ЗАРЯДА
(ПРИБЛИЖЕННАЯ ТРАКТОВКА ВОПРОСА)
Как уже отмечалось, при давлениях, возникающих в результа-
те взрыва ВВ, сжимаемость всех веществ настолько мала, что
практически ее можно не учитывать. Кроме того, при больших
нагрузках силы инерции во много раз превосходят силы трения,
поэтому любую среду в области, близкой к месту взрыва, мож-
но рассматривать как идеальную несжимаемую жидкость, и это
не противоречит экспериментальным данным.
При решении многих гидродинамических задач среду обыч-
но рассматривают как идеальную несжимаемую жидкость, за-
нимающую или все пространство, или полупространство в том
случае, когда учитывается влияние свободной поверхности. Од-
нако, если мы будем рассматривать грунт, то совершенно от-
крытым остается вопрос определения формы цилиндра выброса
при взрыве в грунте. Принимая дополнительные ограничения,
можно определить только край выемки. В качестве такого до-
полнительного ограничения можно, например, потребовать, что-
бы скорость частиц, вылетающих при взрыве с поверхности
грунта, превышала некоторую критическую скорость скольже-
ния, характерную для каждого грунта. Если скорость частицы
Меньше этой критической скорости, то частица не может пре-
одолеть силы деформации, возникающие при взрыве, и остается
в основной массе грунта. Край выемки тогда определяется как
геометрическое место точек на поверхности грунта, где скорость
частиц равна критической скорости скольжения.
2*
19
Хотя сама форма цилиндра выброса при таком подходе не
определяется, выемку можно условно принять как внутреннюю
область, ограниченную той линией тока, которая в месте пере-
сечения с поверхностью грунта определяет край выемки. Полу-
чаемый таким образом цилиндр выброса будем называть услов-
ным, и, как вытекает из энергетических соображений, он будет
меньше фактического.
Чтобы определить форму истинного цилиндра выброса, нуж-
но принять более серьезные ограничения и отказаться от рас-
смотрения всего грунта в целом как несжимаемой идеальной
жидкости. Первоначальную постановку задачи определяет, как
известно, параметр П, характеризующий действие взрыва на
движение среды. Обычно в качестве параметра П выбирают ли-
бо энергию взрыва Ео, либо импульс /0, полученный средой при
взрыве. Параметр £0, как правило, выбирают тогда, когда
взрыв считается сильным. Такой случай подробно рассмотрен
акад. Л. И. Седовым.
В нашем случае гораздо удобнее рассматривать задачу в им-
пульсной постановке, поэтому представляет интерес следующий
подход. Грунт рассматривается как идеальная несжимаемая
жидкость только в области, близкой к заряду, при давлениях,
больших некоторого критического значения, постоянного для
каждой определенной среды.
Так как скорость распространения ударной волны значи-
тельно превышает скорость расширения цилиндра выброса, то
условие несжимаемости в непосредственной близости от заря-
да действительно будет выполняться. Воспользовавшись ста-
ционарным уравнением Бернулли в критической точке PKP+
2
-|—= const, можно утверждать, что предположение о су-
ществовании критического давления вводит некоторое критичес-
кое значение скорости укр=С, которое остается постоянным по
величине вдоль границы воронки. Внутри этой области величи-
на скорости больше критической, и, следовательно, грунт явля-
ется идеальной несжимаемой жидкостью. Вне этой области сре-
да неподвижна и граница выемки является твердой стенкой.
Таким образом, в импульсной постановке это означает, что
вводится один основной параметр — критическая скорость сколь-
жения С, которая является единственной физической констан-
той, характеризующей, в какой степени тот или иной грунт под-
вергается действию взрыва. При С >0 (идеальная несжимаемая
жидкость) граница выемки уходит на бесконечность, а при
С -> оо (очень прочные горные породы типа базальта или мра-
мора) поперечный размер условного цилиндра стремится к нулю.
Так как ускорения частиц грунта намного больше ускорения
силы тяжести, то их весом можно пренебречь, следовательно,
можно принять, что С мало зависит от плотности и определяет-
ся главным образом упругими свойствами среды. Можно было
бы попытаться найти С из соображений теории подобия, однако
это не входит в нашу задачу, и в дальнейшем критическая ско-
рость будет определяться чисто эмпирическим путем. Для точ-
Рис. 6. Схема образования
цилиндра выброса при взры-
ве заглубленного непрерыв-
ного горизонтального ци-
линдрического заряда
ного определения ее нужны детальные экспериментальные дан-
ные по взрывам по поверхности полубесконечного грунта.
Рассмотрим в такой постановке плоскую задачу об образо-
вании цилиндра выброса при взрыве горизонтального цилиндри-
ческого заряда радиуса R, заложенного на глубину h от поверх-
ности грунта (рис. 6). В силу симметрии достаточно рассмот-
реть только правую половину картины, которую будем назы-
вать областью Д.
Требуется найти гармоническую в области Д функцию <р при
следующих граничных условиях.
На границе круга Г действует постоянное вдоль границы им-
пульсное давление, поэтому на этой границе значение потенциа-
ла постоянно:
Ф = <р0 — —, геГ, (1.39)
Р
где Р — импульсное давление при взрыве, равное по определе-
нию
т
Р = lim Г p(t)dt. (1.39а)
Р~>оо О
На свободной поверхности давление Р, конечно, равно ат-
мосферному, поэтому импульсное давление равно нулю. Следо-
вательно,
Ф(х, у = 0) = 0. (1.40)
На неизвестной границе области Д выполняются два условия.
Первое условие
-^2-1 == 0 (п— внешняя нормаль к границе области) (1.41)
21
означает, что граница цилиндра выброса есть твердая стенка,
а второе условие
d<p I
~as |л
(1.42)
утверждает, что вдоль границы Л скорость скольжения по-
стоянна и равна критической С (С — единичный вектор, направ-
ленный по касательной к границе выемки). Кроме того, извест-
но, что на свободной поверхности y^=Q и на отрезке х=0, ft—
—/?<у<0 скорости направлены вверх, на отрезке х=0,
y^>h-\-R — вниз, а на поверхности цилиндра /" — радиально.
Вследствие симметрии картины взрыва относительно оси у огра-
ничимся рассмотрением только правой половины области Д.
Если ввести функцию тока ф, то вместо условия (1.42) бу-
дем иметь:
ф (х, г/)|Л = const,
или, выбирая на границе выемки константу, равную нулю, по-
лучим:
ф(Л=0. (1.42а)
Введем безразмерные переменные:
и комплексный потенциал
IF (z) = ср 4~ гф.
Поэтому краевая задача формулируется следующим образом:
найти границу неизвестной области Д, внутри которой опреде-
лена аналитическая функция IF(z), граничные значения кото-
рой имеют следующий вид (черточка означает комплексную со-
пряженную величину):
Re W = 1, arg — = arg (z + th) при геГ x
X [z:|z 4- ih\ = Д) ;
RelF=0, arg-~=^-ynpn у = 0, 0<x<~;
ImlF=0,
dW
dz
= С на неизвестной границе Л.
(1.44)
ф' Re IF-sC 1, arg — =----------------— при x = О,
dz 2
— H<y<-(h + R);
0<Re№<l, arg — = — при x = 0,
dz 2
-(ft-7?)<y<0.
22
Таким образом, задача сводится к отысканию некоторой ана-
литической в области Д функции, действительная и мнимая ча-
сти которой принимают на границе области заданные значения,
т. е. к смешанной краевой задаче.
В 1937 г. М. В. Келдыш и Л. И. Седов [14] вывели форму-
лу, которая позволила эффективно решать смешанную краевую
задачу для гармонических функций, благодаря чему она широ-
ко применяется в практических расчетах.
Смешанная задача решена М. В. Келдышем и Л. И. Седо-
вым только для односвязной области. Ограничимся случаем,
когда область Д представляет собой верхнюю полуплоскость;
к нему с помощью конформного отображения сводится, очевид-
но, случай произвольной односвязной области.
Пытаясь применить формулу Келдыша — Седова для реше-
ния задачи о взрыве мелкозаглубленного горизонтального ци-
линдрического заряда, мы сталкиваемся с трудностью, заключа-
ющейся в том, что область Д (см. рис. 6) является двусвязной.
Поэтому она не может быть отображена на полуплоскость,
а только на кольцо, которое также является двусвязной обла-
стью. Характер решения при этом существенно изменяется, и
найти его весьма затруднительно, так как для этого необходи-
мо обобщить формулу Келдыша — Седова на случай двусвяз-
ных областей. Чтобы обойти указанную трудность, воспользу-
емся различными способами,- Например, можно предложить ме-
тод варьирования формы заряда, когда форма заряда должна
изменяться таким образом, чтобы возникающая при этом об-
ласть Д стала односвязной, а картина гидродинамического те-
чения не изменилась бы существенным образом. Легко видеть,
что этот метод, несмотря на свою эффективность, приводит
к весьма громоздким вычислениям.
Гораздо более простые формулы, позволяющие быстро и опе-
ративно рассчитывать геометрические параметры цилиндра вы-
броса, дает метод условного цилиндра выброса, при котором
используются элементы геометрического подобия и простейшие
энергетические соображения.
Предположим, что изучается взрыв на поверхности грунта.
Решить такую задачу можно, так как здесь применима формула
Келдыша — Седова. В результате находим форму выемки и, в
частности, ее край (точка В, см. рис. 6). Затем, считая грунт
идеальной несжимаемой жидкостью, определяем условный ци-
линдр выброса и его край, находящийся на расстоянии от
точки размещения заряда. Пользуясь энергетическими принци-
Р е>
пами, можно показать, что отношение всегда будет боль-
ше единицы и приближенно (условно) не будет зависеть от фи-
зических свойств грунта, характеристики взрыва и формы за-
ряда.
23
В самом деле, при взрыве зарядов выброса в грунте основ-
ная часть энергии расходуется на выброс и только ничтожная
ее доля — на деформацию и другие потери. Если взрыв проис-
ходит на поверхности жидкости, то энергия распределяется та-
ким образом, что только часть ее расходуется на образование
условного цилиндра, а остальная ее часть — на сообщение ки-
нетической энергии жидкости, находящейся за пределами ус-
ловной воронки. Поэтому всегда D'<ZD и а>1.
Далее, очевидно, что в первом приближении D и D' обратно
пропорциональны С и прямо пропорциональны энергии взрыва.
Поэтому физическая характеристика грунта С и параметр, ха-
рактеризующий
D
шения а= —.
D’
с координатами
мощи которого
ной, является тождественным и форма заряда влияет только на
вид течения вблизи самого заряда, а не на место расположения
края выемки. Поэтому отношение а=-^- будет лишь незначи-
действие взрыва на грунт Р, выпадают из отно-
Наконец, как было показано выше, в точках
D, D'R конформное отображение, при по-
некоторая форма заряда сводится к стандарт-
тельно зависеть от указанных выше характеристик. Строгое до-
казательство высказанного утверждения будет дано ниже, где
в результате конкретных вычислений будет также найдена ве-
личина а.
Смысл величины а можно выяснить следующим образом.
Пусть при взрыве на поверхности грунта и на поверхности не-
сжимаемой жидкости выделяется одно и то же количество энер-
гии Eq. Объем цилиндра выброса, рассчитанный на единицу дли-
ны в продольном направлении, будет в первом случае пропор-
ционален D2, а во втором случае ~ (D')2- Однако только у-я
часть энергии Ео израсходовалась на образование условного
цилиндра выброса, поэтому
_mi = a2 = v^ = T<1.
(О)а Ео
(1.45)
Итак, а= V'y, т.е. квадрат отношения а дает ту долю энергии,
которая расходуется на образование условной выемки по отно-
шению к полной энергии взрыва.
Как видно из определения, величина ос имеет геометричес-
кий смысл и должна зависеть только от геометрических пара-
метров. За исключением D и D', мы имеем следующие парамет-
ры длины: R, h и Н (см. рис. 6). Глубина условной выемки h'
по ее определению совпадает с глубиной заряда h. Так как
а — безразмерная величина, она должна зависеть только от без-
размерных параметров. Из имеющихся величин можно скомби-
нировать только три безразмерных параметра:
А А А
Н ’ И ’ h '
24
Последние две комбинации должны, очевидно, выпадать из от-
вета, так как мы выяснили, что а слабо зависит от формы за-
ряда, а потому параметр длины /?, определяемый из геометрии
заряда, не должен входить в а. Следовательно,
/ h \
а = а — .
\Н /
Мы будем считать заряд мелкозаглубленным, т. е. h малым
по сравнению с Н, и заменим а его приближенным значением:
а = а(0). (1.46)
Но даже и в тех случаях, когда Н не намного превышает
Л, а не должна сильно меняться, так как по смыслу эта величи-
на — вялая функция от —. Фактически а есть универсальная
Н
константа, которую мы и определим в дальнейшем, а сейчас
предположим ее известной величиной. Тогда по формуле
Р(/г) = О^- (1.47)
определяем край цилиндра выброса при взрыве мелкозаглуб-
ленного заряда в грунте на глубине h и находим координату
точки В (см. рис. 6). Затем, пользуясь решением задачи о по-
верхностном взрыве в грунте, определим, какая должна быть
величина поверхностного заряда, чтобы получить край выемки
в нужном месте, т. е. в конкретной точке В, находящейся на
расстоянии D(n) = —1— от начальной точки, и по уже извест-
ным формулам рассчитаем форму цилиндра выброса. Здесь
мы пользуемся тем обстоятельством, что при незначительном
заглублении форма выемки меняется мало, величина погруже-
ния h влияет только на размер цилиндра выброса (его край),
что учитывается путем выбора эффективной величины поверх-
ностного заряда по поперечным размерам условного цилиндра
выброса.
5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВНОГО ЦИЛИНДРА ВЫБРОСА
ПРИ ВЗРЫВЕ ЗАРЯДОВ РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИИ
Рассмотрим сначала заряд в виде тонкой ленты бесконечной
ширины (/-> оо), расположенной вертикально (см. рис. 2). Если
рассматривать грунт как несжимаемую идеальную жидкость,
то в результате взрыва начинают двигаться все частицы грун-
та и задача сводится к частному случаю, рассмотренному ра-
нее при С->0. При этом краевые условия (1.44) принимают вид:
Re£2=1, arg= 0 при х = О, —оо<у<0;
(1.44а)
Re й = О, arg = у- при у = О,
25
где £2— величина, комплекснр_сопряженная по отношению к
комплексному потенциалу £2= IF.
В плоскости комплексного потенциала Q = u-\-iv область те-
чения занимает бесконечную вертикальную полосу шириной Im
(рис. 7).
Будем искать в этой области
in-^-=-7(S3),
dz
I > Im f (£2) = arg .
I dz
(1.48)
Рис. 7. Область течения для бесконеч-
ной вертикальной полосы
Рис. 8. Отображение точек на ниж-
нюю полосу
77777777777^7777777^777777^77777777777777777T^,
Для функции /(£2) на границах полосы выполняются следу-
ющие граничные условия:
Im / (£2) = при ф — О,
Im/(£2) =0 при ф = 1.
(1.48а)
Функция /г(£2)=еЯ!й переводит данную полосу в верхнюю
полуплоскость, причем £2=0 переходит в Я=1, £2 = 1—в h — — 1
(рис. 8), и на положительной полуоси Im/(£2) = -^-, а на отри-
26
нательной Imf(Q)=0. Наконец, при помощи дробно-линейного
преобразования переводим верхнюю полуплоскость снова в
верхнюю полуплоскость, но с нужным соответствием точек
(рис. 9):
S = или (1Л9)
Вводя вместо f(Q) функцию
/’(Q)=-z7(Q), (1.50)
приходим к следующей задаче: найти аналитическую в верхней
полуплоскости функцию К[й(£)] =Ф(£), действительная часть
£ ।----
с [ПЕК
Рис. 9. Соответствие точек
при переходе отображаю-
щей функции в верхнюю по-
луплоскость
. .КеФ‘Оп . Re<P~£„ Re<p=0
D Л г С в(+оо)
которой на вещественной оси принимает следующие значения:
ЯеФ(£) = 0 при —оо< t, <— 1, 1 < £<о°; '
Re Ф (£) ==-^- при — 1 < £ < 1. (L5I)
Теперь воспользуемся формулой Келдыша — Седова [14],
которая сводится в данном случае просто к интегралу Шварца.
В самом деле, мнимая часть искомой функции на действитель-
ной оси равна нулю, а ее действительная часть отлична от нуля
только на отрезке от —1 до 1. Функция g(£) = l, поэтому
А^1пТ7Г + ф<“>- "'52>
—1
Так как при £>1, КеФ(£)=0, то константу Ф(<х>) следует
принять равной нулю. Подставляя в (1.52) и воз-
вращаясь к функции f (й), получим:
/(Q)=-^-ln- - --. (1.53)
z tg (vQ)+1
Отсюда, пользуясь (1.48), имеем:
27
Интегрируя это выражение, получаем решение задачи в сле-
дующем виде:
2
z =-------е 2
л
(1.54)
Из условий (1.54) находим, что постоянная Д’—0. Таким об-
разом, получаем окончательно:
Й = 1п -------zj = tp — гф, (1.55)
откуда, переходя к размерным переменным, имеем:
2 г ,1 2Р , у . 2Р
Ф = — arg z + л = — arctg — Н---------;
л лр х р
2Р 1 ( л )
ф = — In 1— z \,
(1.55а)
“Ф __ 2^
т. е. течение представляет собой плоский вихрь с центром в на-
чале координат 0. Определяем поле скоростей:
_____ /___У \ = _ 2уР .
У-УЧ \ х / Л(х2-Ь у2) р ’
X / J
dq 2 Р
У_
х
В частности, на свободной поверхности скорости вылетаю-
щих частиц равны:
2Р
vJs_» = 0, (1.57)
и координата точки В', являющейся краем условного цилиндра
выброса, определяется из условия:
Vy|,=0,x = Y=C; (L58)
4Р
D = . (1.58а)
лрС '
На рис. 10 показаны поле скоростей, эпюра скоростей вылетаю-
щих частиц и условный цилиндр выброса при расположении
ленточного заряда перпендикулярно открытой поверхности
(см. рис. 2,а). Скорости вылетающих частиц меняются по ги-
перболическому закону.
Абсолютная величина скорости в произвольной точке
2Р
v =--------,
рлг
где г = j z | = Ух2 4- у2,
(1.59)
28
также меняется по гиперболическому закону. Кинетическая
энергия, заключенная в кольцевом слое толщиной dr, очевидно,
равна:
dEr = nrdr,
2
где р — плотность энергии.
Энергия, приходящаяся на полукруг радиуса г с центром
в точке О, Ег пропорциональна
Ег
Рис. 10. Эпюра скоростей вылетаю*
щих частиц при взрыве непрерыв-
ного вертикального плоского заря-
да
1 — эквипотенциальные линии; 2 — ли-
нии тока; 3 — контур цилиндра выбро-
са
и растет логарифмически, а плотность энергии убывает как
Е = , (1.60)
яг2 г2
т: е. несколько медленнее, чем по закону обратных квадратов
В этом наиболее простом случае условный цилиндр выброса
имеет форму круговой выемки (см. рис. 10).
Рассмотрим случай, изображенный на рис. 2,6. Задача фор-
мулируется следующим образом. Требуется найти аналитиче-
скую в нижней полуплоскости z функцию W(z), которая на гра-
нице области принимает следующие значения:
Re W (z) = 1 при у ~ 0, — 1 < х < 1;
RelF(z) =0 при у = 0, |х| > 1. (1.61)
Решение дается интегралом Шварца (1.52), который прини-
мает в данном случае следующий вид:
1
IT(z) = — f = _Lin4^1 . (1.62)
Я1 J t — 2 г -|- 1
Отделяя действительную и мнимую части и переходя к раз-
мерным переменным, получим потенциал поля скоростей ср
и функцию тока ф:
29
Р , У I У 1 Р i *
ср =--- arctg ------arc tg—-— ------arctg----
рл X — I X 4- I J рЛ X2 + I
1П1+1 = ^1п1+112+<
рл г—1 Ря (X—02 + с/2
Отсюда находим поле скоростей:
__ <Э<р ________________ Р1 _______4ху___________
х ~~ дх рл (х2 4-г/2 —/2)2 + 4у2/2 ’
— д<Р _ 2Р/ (х2 — у2 ~ /2)
у ~~ ду ~ рл[(х2 + у2— /2)24-4г/2/2]
(1.63)
(1.64)
Рис. 11.
Эпюра ско-
ростей вы-
летающих
частиц при
взрыве не-
прерывного
накладного
плоского за-
ряда
/ — эквипотен-
циальные ли-
нии; 2— линии
тока; 3 —ус-
ловный ци-
линдр выбро-
са; 4 — факти-
ческий ци-
линдр выбро-
са
Полагая, что у=0, находим скорости вылетающих с поверх-
ности частиц:
| «А Г 2Р/
xlp=o - 0, V^o - ——,
JJJu I A b )
(1.64a)
т. e. закон убывания обратных квадратов. Из условия (1.58)
определяем край условного цилиндра выброса (рис. 11):
2Р1
= С,
рл
2Р
лр/С
(1.65)
Семейство линий тока задается уравнением
х —
1 + «
1 — а
(1.66)
30
а эквипотенциальных линий — формулой
x2 + (ZZ-P/)2 = /2(P2 + О,
где аир — произвольные константы.
Таким образом, линии ср=const и ф = const представляют
семейство взаимно ортогональных окружностей, из которых од-
ни проходят через края заряда, а центры других перемещают-
ся по оси х. Правая часть картины получается при а<1, а ле-
вая при а>1. Получим уравнение границы условного цилиндра
выброса, который состоит из двух полуокружностей.
Из условия, что точка В с координатами у=0, х—~ есть
правый край условной выемки, находим значение параметра ао,
отвечающего той линии тока, которая является границей услов-
ной выемки:
(1 ~Ь «о) + 2 V «о < _ О' / . / I । 2Р
1 - а0 J 2 ” V лр1С ’
или, обозначая параметр
2Р
лр/С
имеем:
(1.67)
(1.68)
Далее, из (1.67) и (1.68) находим диаметр d половины ус-
ловного цилиндра выброса:
d = 2/
щ_)2 __ 1 = 41 а°
о I 1 — а0
------1. (1.69)
Теперь легко найти координату ближнего
ловного цилиндра выброса хв, (см. рис. 11):
к центру
края ус-
х
D'
— I /1 + х-
(1.70)
I
2
Поэтому
d
х =-----,
\d
(1.67а)
31
т. е. выяснился геометрический смысл параметра х в формуле
(1.65). Этот параметр является отношением координаты право-
го края условного цилиндра к координате ближнего края, он
показывает, во сколько раз дальше от начала координат отсто-
ит крайняя точка условной выемки, расположенная на поверх-
ности, от ближней точки. Отсюда, в частности, следует, что
всегда х>1.
В случае достаточно мощного взрыва (Р>1), или / >0 (уз-
кий заряд, например, в форме нити), или водонасыщенного
грунта (С->0) две половины условной выемки смыкаются и па-
раметр х стремится к бесконечности:
х-*оо, (1.676)
а формула (1.65) принимает вид:
D'^2/)/7(l+-Ц. (1.65а)
\ 2х I
В дальнейшем будет видно, что во всех практически важ-
ных случаях условие (1.676) выполняется и справедлива фор-
мула (1.65а).
Так как ранее было установлено, что ширина истинного ци-
линдра выброса пропорциональна ширине условной выемки, то
можно считать, что та часть заряда, которая разделяет две по-
ловины условной выемки (отрезок А"В", см. рис. И), работает
вхолостую. Отношение отрезка А" В" ко всей ширине заряда 21
равно:
_ А"В" _ 2Ad __ 1
21 21 К1 + х
Тогда коэффициентом полезного действия взрыва по отно-
шению к условной выемке будем называть величину
П = 1-%,
которая оказывается тем больше, чем меньше X, т. е. чем боль-
ше х. Наибольший к. п.д. достигается при выполнении условий
(1.68) и равен 1.
В изложенном только что смысле можно считать, что часть
заряда, имеющего форму вертикальной полосы (см. рис. 10),
2Р
расположенной на глубине, большей, чем h=-------работает
лрС
вхолостую. Ниже мы покажем, что такие же выводы остаются
справедливыми и при изучении фактических цилиндров выбро-
са в грунте.
Исследуем теперь закон изменения абсолютной величины
скорости v в пространстве. Пользуясь формулами (1.64), имеем:
V = 1/v2 + V7- 2рг I/+ =
' х ' у рл у (X2 + у2 — Z2)2 + 41/2/2
_ 2Р1 1________
РЯ |/(Х2 + £/2 _ /2)2 _|_
32
При х, y^l, т. е. на большом удалении от заряда, имеем
Поэтому кинетическая энергия кольцевого слоя толщиной dr
пропорциональна dEr—— ,а энергия, заключенная в кольце
г3
с радиусами и /?2 с центром в точке 0 при R\, R2->
и убывает обратно пропорционально квадрату расстояний Ri
и R2, т. е. несколько быстрее, чем в предыдущем случае, так как
заряд здесь фактически локализован вблизи начала координат
и не уходит на бесконечность.
Наконец, рассмотрим цилиндрический заряд с частичным
(см. рис. 3, а и б) и полным (см. рис. 3, в) заглублением. Как
отмечено ранее, возникающие при этом области можно кон-
формно отобразить на нижнюю полуплоскость с разрезом по не-
которому отрезку действительной оси [формулы (1.12), (1.24)
и (1.25)].
Известно, что при конформном отображении свойство гармо-
ничности функций сохраняется; граничные условия в плоскости
комплексного переменного £ принимают вид (1.62), и задача
сводится к только что рассмотренной. Поэтому в переменных
комплексный потенциал W(£) имеет вид:
№(£) = -Lin-Lsl. (1.71)
ш £4-1
В дальнейшем мы ограничимся для простоты только случая-
ми половинчатого заглубления (см. рис. 3,6) и полного заглуб-
ления (см. рис. 3,в). Комплексный потенциал и соответствую-
щие величины в первом случае мы будем обозначать индек-
сом 1, а во втором — индексом 2.
Отделяя в (1.71) действительную и мнимую части и восста-
навливая размерности, имеем в переменных Вит]:
2
Р 2l]1TR
Ф1 =----arctg---------------
яр
У
(1.72)
«5—50
33
Ф2 = — arctg------2я^П2---
ПР Й + П2-я2Я2
Р . + п#)2 -Ь 1)2
— In-------------------.
Пр (^2— я/?)2 + 112
(1.73)
Для получения связи между переменными -щ и хь i/i
можно воспользоваться общими формулами перехода (1.29),
(1.30) и (1.31). Однако удобнее использовать сразу частный
2
случай, т. е. формулу (1.27); при у=— , a=R имеем:
3
(1.74)
г 2 п
где L= — R.
«J
После преобразования (1.74) можно записать в таком виде:
Г г2 + 3L2 (г2-/?)3'2]
3z2 + L2 3z2 + L2
(1.74а)
Формула (1.74а) дает решение поставленной выше задачи
о взрыве цилиндра, погруженного в грунт наполовину
(см. рис. 3,6). Полученные формулы, однако, слишком сложны
для того, чтобы их можно было эффективно использовать на
практике. Воспользуемся поэтому тем обстоятельством, что
практически всегда параметр х оказывается большим, так что
условия (1.74) и (1.74а) можно считать выполненными. Факти-
чески это означает, что край условного цилиндра выброса от-
стоит далеко от центра заряда, поэтому поле скоростей требует-
ся знать на больших расстояниях от центра заряда. Выше было
показано, что при учете членов первого порядка малости по
р
степени безразмерного отношения ------ошибка не превышает3%
I I
на расстоянии около десяти радиусов заряда. Поэтому форму-
ла (1.74а) после разложения в ряд по степеням сохранив
|г|
лишь нулевой член и член первого порядка малости, будет
иметь вид:
?1 — Z1
5
27
R2
Z1
при IzJ > R.
Отделяя в последней формуле действительную и мнимую
части, получим приближенные формулы для. перехода от пере-
менных и т)1 к переменным хну:
34
11 = V & + У* cos arctg -7 + V ’
/?3 I у
— -- cos arctg — =
V X2 + f/2 X
R2
x2 + y2
(1.75)
ilx = y x2 + y2 sin arctg —----------------• sin arctg — =
X 27 У X2 yi x
= -------} • (x,y> R). (1.76)
У \ 27 x2 + y2 j X
Аналогичные формулы перехода получим в случае полного
заглубления цилиндра (см. рис. 3,в). Исходной будет форму-
ла (1.34):
(1.34a)
у. 2л7?
------п
, 7 г + nR
In ------—
\ г— nR
Отделяя в (1.34а) действительную и мнимую части, получим
2nR р I z + nR и 1 2 — TtR , . x ZnRy ]
+ i arctg x2 + y2 — n2R2 J
— z-\-nR 1 x 2nRy \2
in4
z — nR \ x2 + У2 — n2R2 )
(1.346)
Приближенные формулы перехода от переменных Л2> k, х,
у после преобразования также можно получить по типу формул
(1.75) и (1.76):
J1--------
L 3 (х2 + У2)
у[1 _]----
3 (х2 + у2) ’
(1.77)
условного цилиндра
Найдем теперь поле скоростей и край
в предположении, что он находится на расстоянии нескольких
радиусов заряда от точки расположения его, что, разумеется,
будет справедливо для всех обычных грунтов. Приближенные
выражения для tpi
4
3
<Р1
И 1|и:
ЛбХ
зтр г
1 + — 62 (1 —
27 ( г2
(1.78)
Вычислим скорости вылетающих с поверхности грунта час-
тиц, подобно (1.56), (1.57):
3*
35
V = Л1 ,Л
y ду 1^=0 3
P R_ Г] 2 R*
яр x2 [ 27 x2
{x>R)\
(1.79)
Край условной выемки определяется из (1.58):
16 Р R R 8 /?2 ] . с-
3 ’ яр (Г>')2 [ 27 ’ (Г>')2 |
21.+ Л ,_1. Л^з = с(р'У.
3 яр v ’ 3 27 яр v
Для определения D' получаем биквадратное уравнение, ре-
шая которое найдем D':
— (1.80)
v ’ 3 ярС v 3 27 яр С
По аналогии с предыдущим случаем удобно ввести пара-
метр x2/s [индекс 2/з означает, что в данном случае параметр у
равен %— см. формулу (1.12а)]:
__ ЗР
х2/ =-----
/s лр/?С
Тогда уравнение (1.80) перепишется следующим образом:
(£>')4 _ Л. 2 D, _ Л . Л = о.
v ’ 9 /’v ’ 9 27 А
(1.67в)
Решая его, получим:
Г1 ± +
9 /3 L \
1
Зх2/
к
Из физических соображений очевидно, что с ростом пара-
метра х, характеризующего эффективность взрыва, ширина ус-
ловного цилиндра выброса должна расти. Поэтому второй ко-
рень надо отбросить как нефизический. Имеем формулу
D'=2 Лт-)/1+Л Л’К'Л (WI>
вполне аналогичную (1.65а). Таким образом, как и раньше, ши-
рина условной выемки пропорциональна ширине заряда (в дан-
ном случае диаметру цилиндра) и корню квадратному из пара-
метра х, характеризующего эффективность взрыва. На рис. 12
показаны поле скоростей, эпюра скоростей вылетающих частиц
и условная выемка при взрыве цилиндрического заряда, погру-
женного в грунт наполовину.
Вблизи заряда закон изменения скорости вылетающих час-
тиц отличается от закона обратных квадратов, и скорость ме-
.36
няется несколько медленнее. Вдали от заряда членом в квад-
ратных скобках в формулах (1.79) можно пренебречь (посколь-
ку хR) и получим, что скорость меняется обратно пропор-
ционально квадрату расстояния до заряда. Поэтому все опре-
Рис. 12. Эпюра скоростей вылетаю-
щих частиц при взрыве непрерыв-
ного горизонтального цилиндриче-
ского заряда, заглубленного
в грунт на величину его радиуса
(см. рис. 3, б)
/ — линии тока *ф 1 — const; 2 — эквнпо-
тенциальные линии <р, =const
деления для энергии, заключенной внутри концентрического
кольца, приведенные в предыдущем случае, остаются справед-
ливыми и здесь.
Так же, как и раньше, можно показать, что коэффициент по-
лезного действия взрыва по отношению к образованию услов-
ной выемки будет иметь вид:
т] = 1 — X,
где
1
(1.82)
характеризует в относительных единицах ту часть заряда, ко-
торая работает вхолостую. При очень больших значениях пара-
метра х (например, С->0 или R->Q при Р->оо) две половины
цилиндра выброса, указанного на рис. 12, смыкаются и коэф-
фициент полезного действия взрыва равен 1.
Рассмотрим случай полного заглубления (см. рис. 3, в). При-
ближенные выражения для потенциала ф2 и функции тока ф2
(оставляя в формулах (1.78) только члены низшего порядка
по б) имеют вид:
ф ~2£.б-М1 + Ая3бф + 2-^-')];
Р г L 3 \ г21
—б —[1 + — б2 (2 —9—'ll;
Р г L 3 \ г2 /J ’
б = — (б < 1), г = X2 + у2.
Найдем скорости частиц, вылетающих с поверхности грун
та, подобно (1.79):
37
j^l = jL[i + АлзА21.
dy |(/=o p x2 3 x2 | ’
(-V > Ю
Так же, как и в предыдущем случае, определяем края ус-
ловной выемки:
Для этого вводим параметр х,д, характеризующий эффек-
тивность взрыва:
2Р
х,, =-------->
'2 лр/С
(1.85)
где l=nR — половина длины окружности цилиндра. Тогда би-
квадратное уравнение для D' примет следующий вид:
(D')4 — 4л2ЯЧ/2 (О')2 — -j- л57?4х1/2 = 0.
Решая его, получим:
(О')2 = 2л27?2х,. 1 ±
Х ' /2 \
Второй корень надо отбросить как нефизический. Расклады-
1
вая решение в ряд по степени малого параметра ---, имеем:
И7г
<D')I=4>W4,,(l + -^.5y.
Окончательно получаем формулу:
О' = 2Z/x.. fl + — •
/21 94
(1.86)
полностью аналогичную (1.65а) и (1.81).
Сравним теперь формулы (1.81) и (1.86) при соответствую-
щих значениях импульса давления Р, характеризующего взрыв,
оставляя в указанных формулах только главный член. Естест-
венно считать, что при равномерном распределении заряда
внутри цилиндра параметр Р пропорционален площади той
части заряда, которая погружена в грунт. Поскольку в первом
случае в грунт погружается только половина цилиндра, то зна-
чение Р здесь будет в 2 раза меньше, чем при полном погруже-
нии (мы считаем, что та часть заряда, которая находится вне
грунта, работает вхолостую). Поэтому при одинаковой плотно-
38
сти распределения заряда одного и того же ВВ отношение диа-
метров условных выемок будет равно:
т. е. в случае полного заглубления (рис. 13) использование
энергии взрыва на выброс примерно в 3 раза эффективнее, чем
Рис. 13. Эпюра скоростей
вылетающих частиц при
взрыве непрерывного гори-
зонтального цилиндрическо-
го заряда, полностью за-
глубленного в грунт (см.
рнс. 3, в)
1 — линии тока tya^const; 2—эк-
випотенциальные линии <Рг
= const
в случае половинчатого заглубления. Если же в половине ци-
линдра будет содержаться такое же количество взрывчатого ве-
щества, как в полном цилиндре, то все равно ширина условного
цилиндра выброса при полном заглублении будет в 1,5 раза
больше, что есть уже чисто геометрический эффект, так как за-
ряд работает тем эффективнее, чем больше площадь его сопри-
косновения с грунтом. Легко показать, что коэффициент полез-
ного действия взрыва по отношению к образованию условной
выемки будет равен аналогично (1.82):
Т] = 1 — X,
где
X-----(х7»1).
Вблизи заряда линии тока ip2=const необходимо рассчиты-
вать по формулам (1.73), а на расстоянии нескольких радиусов
для этой цели можно пользоваться приближенными формулами
(1.83), и картина течения практически совпадает с представлен-
ной на рис. 11. (Ранее было показано, что ошибка, получающая-
ся при этом, не превышает 2—3% на расстоянии около десяти
радиусов заряда.) Вблизи заряда скорость вылетающих частиц
39
несколько меньше, чем по закону обратных квадратов, а вдали
закон изменения практически совпадает с законом обратных
квадратов.
Ранее уже отмечалось, что коэффициент полезного действия
взрыва по отношению к образованию условной выемки тем
больше, чем больше параметр х, характеризующий эффектив-
ность взрыва и показывающий, где находится край условного
цилиндра выброса. Поэтому всегда можно считать, что практи-
чески в наиболее важных случаях край условной выемки дале-
ко отстоит от центра заряда (х^>1), и характерными размера-
ми заряда можно пренебречь, т. е. I и R устремить к нулю.
Фактически такой предельный переход будет означать лишь то,
что точка наблюдения находится далеко от центра заряда или
первоначально взятый заряд заменяется бесконечно тонкой
нитью. При выполнении этого перехода необходимо плотность
заряда на единицу длины нити считать равной бесконечности,
для того чтобы величина Р1 (при 1->0, Р->- ею) оставалась ко-
нечной. При этом формулы (1.63), (1.78) и (1.83) принима-
ют вид:
ip = ------ . -------- ;
2лр х2 У2
.. А х
ф =--------- ---------
2лр х2 + у2
(L87)
где А — величина, характеризующая заряд и пропорциональная
его плотности на единицу длины.
Для скорости частиц, вылетающих с поверхности, получаем
закон обратных квадратов:
v = I
у ду 1г/=о 2лрх2 ’
VJ<7=O = 0.
Ширина условной выемки D' равна:
Л _ _ 1
’ — о,
(1.88)
(1.89)
Общая картина течения при R и I, стремящихся к нулю,
представлена на рис. 14.
Условная выемка состоит из двух полуокружностей, касаю-
щихся одна другой, поэтому коэффициент полезного действия
взрыва по отношению к образованию условного цилиндра вы-
броса всегда равен единице.
В заключение рассмотрим также задачу об образовании ус-
ловной выемки в результате взрыва в грунте заряда в форме
40
Рис. 14. Картина течения при взрыве
накладного заряда в виде тонкой бес-
конечной нити
бесконечно тонкой нити, находящейся на некоторой глубине под
поверхностью грунта. В данном случае задача ставится следу-
ющим образом.
Требуется найти функцию ср, гармоническую по всей ниж-
ней полуплоскости, кроме некоторой точки Л10. Другими слова-
ми, необходимо решить сле-
дующую краевую задачу:
Аф = —б(г~7м), (1.90)
ф (х, 0) = 0, (1.90а)
где 6 (г—гм) — двухмерная
дельта — функция Дирака.
Решение такой краевой
задачи известно и дается
функцией Г рина первой
краевой задачи для полу-
плоскости, получаемой ме-
тодом изображений. Суть
этого метода заключается
в том, что задача в полу-
плоскости сводится к неко-
торой задаче, определенной
в полной плоскости, но с дополнительным источником отрица-
тельной мощности, располагаемым в точке , симметричной Мо
относительно действительной оси (рис. 15). Условие (1.90а) тог-
да оказывается выполненным автоматически и ответ дается
следующей функцией Грина:
q> = G(M, = — [in—!-------------In—1 ;
2пР гмм§ гмма
где г означает расстояние от точки наблюдения М до фикси-
рованной точки Мо: ____________
Г ММ. V X2 + (У + Л)2 ;
гмм* =Кх2 + (г/-Л)2.
Поэтому
V=._^lnii+!»±W
4лр х2 +((/ — /г)2 ’
I — дф I _ Ph
уУ ° ду |у=:0 рл (х2 4- /г2)
Диаметр условной выемки D' найдем из условия (1.58):
Р/г г
~ —- С/1
Г/ D' ,г , 1
РЛ + J
(1.91)
(1.92)
41
(1.93)
Выясним характер зависимости D' от h. Для этого продиф-
ференцируем формулу (1.93) по h и найдем точку h0, в которой
производная обращается в нуль (для питьевого заряда):
dD'
dh
Р
лрС
(1.94)
_ Р
2лрС ’
Таким образом, при заглублении питьевого заряда ширина
условной выемки сначала возрастает, а затем начинает умень-
Рис. 15. Картина течения
при взрыве заглубленного
в грунт заряда в виде тон-
кой бесконечной нити
шаться, следовательно, существует некоторая оптимальная глу-
бина йо, значение которой обратно пропорционально плотности
грунта, критической скорости скольжения С и прямо пропорцио-
нально мощности взрыва. Оптимальная ширина выемки при
фиксированных значениях указанных параметров составляет:
D'(h0) = 2 1/-^1/1
j зтрС, у
= — = 2h0, (1.94а)
Р щ>С ° v ’
т. е. равна удвоенной глубине погружения заряда. Следует пом-
нить, однако, что полученный вывод относится только к услов-
ному цилиндру выброса, который, хотя и пропорционален фак-
тическому, но не совпадает с ним в общем случае, и поэтому
перенесение этого результата на реальные грунты может приве-
сти к ошибкам.
Степень ошибочности таких предложений по выбору опти-
мальной глубины заложения зависит от того, насколько в дей-
ствительности совпадают указанные выемки, т. е. насколько
I верна схема, заменяющая грунт идеальной несжимаемой жид-
1 42
костью. Ответ на этот вопрос зависит от физических свойств
грунта. Если грунт обладает низким прочностным свойством или
водонасыщен (критическая скорость скольжения для него ма-
ла), то ошибка, по-видимому, будет незначительна.
Чтобы установить форму условной выемки, необходимо вос-
становить функцию тока ф по известному значению потенциала
(1.91), пользуясь условиями Коши — Римана (1.11а). Диффе-
ренцируя формулу (1.91), получим:
д§_ _ d<p _ Р Г 2х_____________________2х_____1 _
ду дх 4лр [ х2 + (у + А)2 х2 -f- (у —h)2 J
__ _________iPxyh___________
2лр [(х2 + у2 + /г2) — 4у2/г2] ’
= _ Pxh -----------dt---------[_ = _ Pxh
пр J (t — 2/г2) + 4х2/г2 ' пр
X С-----—--------1- f (х) =-— arctg — + f (х),
J (02 + 4x%2 v ’ 2rtp s2x/i v
где ы~1—2h2, t2=y2-\-h2-\-x2;
f(x) — произвольная функция от х.
Поэтому
Р , у2 -4- х2 — h2 , г. ,
ф =--------arctg —с-----------Ь f (х).
т 2лр S 2xft ' v ’
Пользуясь вторым условием Коши — Римана (1.11а)
dip ____________________________dq>
дх ду ’
легко показать, что функция f(x) сводится к
можно считать равной нулю. Итак,
, Р i h2 — у2 — х2
ф =------------------------arctg-----------.
2лр 2xh
Поэтому уравнения линий тока ф=coпst и
ных линий cp=const представляют семейство
окружностей:
(х— ah)2 + у2 = й2(1 + а2);
„ , Г . Г./1 +₽\Т 26 ,,
X2 + \у + h\ —с— п2
Г (1-₽)2
постоянной, а ее
(1.95)
(1.96)
эквипотенциаль-
биортогональных
соответственно с радиусами 1-|-а2/г и-j—h.
Центры первого семейства окружностей перемещаются по
оси х, а сами окружности проходят через точку расположения
заряда. Если мы при фиксированной критической скорости
скольжения С будем менять радиус этих окружностей, то най-
дется одна такая окружность, для которой радиус будет равен
глубине погружения h. Когда глубина погружения h совпадает
43
с оптимальной h0, определяемой формулой (1.94), то мы как раз
получаем, что указанные линии тока являются границей опти-
мальной условной выемки, которая представляет собой полу-
окружность диаметром, определяемым по формуле (1.94а).
Рис. 16. Типы условных цилиндров выброса при различных глубинах заложе-
ния заряда
а — оптимальное заглубление; б — малое заглубление; в — большее заглубление заряда
На рис. 16 представлены различные типы условных цилинд-
ров выброса при разных заглублениях заряда h0, hi и h2. При
оптимальном заглублении h0 условная выемка представляет по-
луокружность, т. е. состоит из двух четвертей окружности; при
меньшем заглублении hi условная выемка состоит из двух по-
ловин, каждая из которых больше четверти полуокружности;
при более глубоком расположении заряда h2— меньше четвер-
ти. Очевидно, существует такая оптимальная глубина заложе-
ния /г*, при которой диаметр условного цилиндра выброса ра-
вен нулю, т. е. скорости всех вылетающих с поверхности частиц
меньше критической скорости скольжения. Фактически это озна-
чает, что энергия взрыва (параметр В) недостаточна для того,
чтобы сообщить необходимую кинетическую энергию той части
грунта, которая находится над зарядом, и выброса не происхо-
дит. Из формулы (1.94а), приравнивая D' (й) нулю, находим
ту критическую глубину й*, при которой взрыв является камуф-
летным:
= = (L97>
jt р С
т. е. критическая глубина в 2 раза больше оптимальной.
При й=0 полученные формулы перестают быть справедливы-
ми, так как метод изображения становится непригодным, ввиду
того что рассматриваемая точка попадает на границу области.
44
При Л->0 картина, показанная на рис. 16,6, переходит в ва-
риант, изображенный на рис. 14.
Перейдем к построению реальных выемок, образующихся
при взрыве удлиненных зарядов выброса в грунте.
6. ПОСТРОЕНИЕ ФАКТИЧЕСКОГО ЦИЛИНДРА ВЫБРОСА,
ОБРАЗУЮЩЕГОСЯ ПРИ ВЗРЫВЕ НЕПРЕРЫВНЫХ
ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ЗАРЯДОВ
При решении задачи о взрыве заряда в виде вертикальной лен-
ты бесконечной ширины (см. рис. 2, а и 10) в ранее изложенной
постановке мы получим те же формулы, что и при решении
задачи об условной выемке. Так как здесь нет параметра дли-
ны I, при переходе к безразмерным переменным по формулам
(1.43) критическая скорость скольжения выпадает. Следователь-
но, постановки указанных выше задач совпадают, и так как
имеется одно решение, ответы должны быть одинаковыми.
Чтобы получить правильное решение задачи о взрыве в грун-
те заряда в виде вертикально расположенной пластинки, нужно
учитывать ее конечную ширину. Однако при этом возникают
трудности в связи с корректностью постановки граничных усло-
вий на нижнем конце заряда. Для получения правильных гра-
ничных условий необходимо учитывать конечную толщину за-
ряда, а для соответствующего конформного отображения нужно
использовать аппарат специальных функций, в частности эллип-
тических, что является темой специального исследования. Долж-
на существовать оптимальная ширина заряда /опт, которая обес-
печивает максимальный коэффициент полезного действия взры-
ва по отношению к выбросу. Можно утверждать, что эта
оптимальная ширина должна быть равна:
/опТ=^, (1.98)
пр С
где а — неопределенный пока численный коэффициент порядка
единицы.
Рассмотрим сначала задачу об образовании цилиндра выбро-
са в результате взрыва заряда в виде горизонтальной ленты
конечной ширины I, расположенной на поверхности грунта.
Краевые условия (1.44) ставятся здесь следующим образом
(см. рис. 11):
Re Й = 1, arg — =----— при |xj < I, у = 0;
dz 2
Reй = 0, arg— = -2- при у = 0, I < |х| < у ;
Im й = 0, | | = С на неизвестной границе ;
(1.99)
45
q/ < Re Q <C 1, arc ~ при 0 > у — H (Q — W ).
(знак тильда над безразмерными переменными в (1.43) для
простоты опущен).
В плоскости сопряженного комплексного потенциала Q об-
Рис. 17. Область течения
при взрыве горизонталь-
ного плоского заряда ко-
нечной ширины
ласть течения представляется полуполо-
сой (рис. 17), -ф = 0, ф= 1 и ф = 0.
В силу симметрии рассматривается
только правая половина области Д (см.
рис. 11). При этом часть свободной по-
верхности АВ переходит в луч
А (оо) В(ф=0), неизвестная граница об-
ласти— в отрезок действительной оси Be,
вертикальная линия тока еО — в отрезок
действительной оси еО и правая часть
заряда ОА — в луч 0А(оо).
Будем искать в этой области следую-
щую функцию:
In— =f(Q);
dz v 71
(1.100)
Ref(Q)-ln — I,
dz I
Imf(Q) = arg^--.
dz
(1.101)
Для функции f(Q) на границах полуполосы выполняются
следующие граничные условия:
Im/^Q) = — при ф = 0,
Im f (Q) = - Im f (Q) = - -у при ф'<ф< 1; •ГС « = при ф = 1, (1.102)
Re f (Q) = In — I = In С при ф = 0. dz 1
При помощи конформного отображения g=sec jtW7 преобра-
зуем полосу в полуплоскость т]>0 со следующим соответствием
точек (рис. 18): W7=0 переходит в £=1, №=1 — в £=—1, точ-
ка №7=ф/ переходит в точку £'=—Д =—secrap, причем граница
воронки ф=0 перейдет во внешность отрезка [—А, 1], свобод-
ная поверхность ф=0 — в отрезок (0,1), поверхность заряда
Ф=1 — в отрезок действительной оси (—1,0), а вертикальная
линия тока — в отрезок [—Д, —1].
46
Принимая вместо f(W)
F(W)=i — ШС ,
(1.103)
приходим к следующей задаче: найти аналитическую в верхней
полуплоскости функцию FfW7^) ] =Ф(£), действительная и мни-
1
1т<Р($)=0 Re<pfc)=0 Re<pfc)=$ 1т<р(%)=0
Рис. 18. Соответствие точек при преобразовании полосы в полуплоскость
для плоского заряда конечной ширины
/ — граница вороики; 2 — вертикальная линия тока; 3—поверхность заряда; 4—сво-
бодная поверхность
мая части которой принимают на вещественной оси следующие
значения:
Im Ф (£) = 0 при — оо < г < — Д,)
Re®(£) = 0 при — Д < £ < 0; } (L104)
Re Ф (£) — л при 0 < £ < 1,
Im Ф (£) = 0 при 1 < £ < + оо.
Эта задача решается по формуле Келдыша — Седова, кото-
рая в данном случае принимает следующий вид:
Ф(?) = —— + (1.105)
о
где ______
£(£)=v9fr- (L105a)
r b т
Постоянная Ф(оо) определяется из условия
Im Ф (£) — Re Ф (£) = 0 в точке £ = — Д. (1.106)
Вычислим интеграл
Используя подстановку
47
t - 1 = (/ + A) u2;
t — tu2 = ku2 + 1;
_ A“2 + 1
~ 1 — Ц2 ’
получим:
Л = const (Л) - VЫ ln (И+3/Л_+Щ^
' S + A ||/ 1 + £/Д _ V 1 - g
Из условия (1.106) получаем:
(1.107)
Ф (С) = I In к .
/1 -f-g/A-j/l
Подставляя £ и возвращаясь к функции /(W7)-, имеем:
\/~cos nTF-f- —— V cos л№— 1
f (Г) =ln i С - - ---------------
1 / COS л№ + — — V^cos л№— 1
r A
(1.108)
(1.109)
Пользуясь (1.103), получаем:
У cos л W— 1 +
dz ___________
(1.110)
Проинтегрируем это выражение; разделяя переменные, по-
лучим:
_______2At , sin л^ __i_ A — 1 ™ 4 И 2 A
~ (A 4-1) лС C A 4-1 + nC(A-H)
'2 — a2) di,
где временно введены следующие обозначения:
t = cos— W,
2
Воспользовавшись известным интегралом
J Vt2~a2dt = ln (z +
получим:
_ 2Ai sin nW . i A — 1 ,w 2A 1
z---------. ---- 4---• -----W 4------•--- X
A 4-1 лС С A4-1 A -f-1 nC
48
X p^cosrtW7-)- 1 cos nW + ----------
___2_Azzlin( 1/ cosn№+ — + [ cosrt№+ 1 j+/c, (1.111)
rtC Д + 1 \ V A /
где К — постоянная интегрирования, определяемая из условий
на краю заряда W -> оо приз >1.
Отсюда
К = 1 + — ^-1п2---------(1.112)
лС Д + 1 лС
Неизвестный параметр Д =—sec ср' определяется из условия
№=1 при z=0, которое с учетом (1.112) дает
пС = 1 + —- In —- . (1.113)
Д + 1 2Д
С помощью формулы (1.113) легко убедиться в том, что ве-
личина пС непосредственно связана с параметром х [см. фор-
мулу (1.67)], характеризующим эффективность взрыва по отно-
шению к выбросу:
пС = — ,
х
откуда
х(Д) =----------?-------. (1.114)
v ’ • Д—1 Д—1 ’
1+------In---—
На рис. 19 представлен график зависимости х = х(Д), состоя-
щий из двух ветвей: правая ветвь представляет монотонно воз-
растающую функцию. Если ср' уменьшается от 1 до ’/г, то сере-
дина дна воронки, т. е. точка g (см. рис. 11), опускается от
точки 0 до некоторой средней точки g', при этом параметр х воз-
растает от 2 до некоторого предельного значения
хпо (оо) =---?--=--------?-- = -А_ ~ 6,4, (1.115)
р' ’ 1 — In 2 1 —0,693 0,31 '
что свидетельствует об увеличении эффективности взрыва. Сле-
дует отметить, что параметр х не может возрастать беспредель-
но, так как свойство несжимаемости среды не сохраняется при
очень сильных взрывах (например, атомных). В таком случае
необходимо пользоваться другими уравнениями, учитывающими
сжимаемость среды.
Итак, параметр х действительно характеризует эффектив-
ность взрыва по отношению к выбросу грунта, так как он связан
непосредственно с положением дна выемки: чем больше х, тем
ниже располагается дно и, следовательно, больше глубина обра-
зующейся выемки.
Рассмотрим различные предельные случаи [35, 36].
Первый случай: х=2, Д= 1.
4—50
49
Середина дна воронки совпадает с точкой 0 (рис. 20). Под-
ставляя значение Д=1 в выражения (1.111) и (1.112), получим:
z=----l— sin nW Н—— cos nW + 1 =1-]——
яС яС яС
Отсюда
W = — In (г- 1),
л
Рис. 20. Профили условного и
фактического цилиндров выбро-
са при х = 2
I — условный цилиндр выброса;
2 — фактический цилиндр выброса
Рис. 19. Значения эффективного пара-
метра в различных точках цилиндра
выброса (по оси заряда)
т. е. течение представляет собой вихрь с центром в точке z=\
% (g ______________ I \
и радиусом ——-—- = 1. Форма цилиндра выброса для дан-
ного случая имеет вид двух полуокружностей, касающихся одна
другой.
Условная выемка 1 состоит из двух полуокружностей, рас-
стояние 2Ad между которыми равно их диаметру d=2Ad=
21
— —— лД,16/ [формулы (1.70) и (1.67а) 1. Диаметр условной
V 3
выемки D' по формуле (1.65) будет равен:
D' = 2 У 3/^ 3,46/,
а объем фактической выемки в 3 раза превышает объем услов-
ной. Коэффициент полезного действия взрыва на выброс по от-
ношению к фактическому цилиндру выброса равен единице,
а по отношению к условному т] = 1—0,58 = 0,42, т. е. 42%. Таким
образом, можно сделать вывод: радиус фактического цилиндра
выброса, а точнее его половины, примерно в 2 раза и более пре-
вышает радиус половины условной выемки.
50
Второй случай: х<2. Этому случаю должны были соответ-
ствовать значения 0<Д< 1, но, как видно из рис. 21 и (1.114),
при таких А величина х становится мнимой. Следовательно,
исходная постановка краевой задачи в области Д должна быть
иной. При этом можно убедиться в том, что некоторая область
среды оказывается невозмущенной, а выемки образуются только
Рис. 21. Формы цилиндра
выброса при х<2
на краях от заряда и представляют собой окружности радиуса
— I, меньшего I.
2
Соотношения размеров условной и фактической выемок
здесь не приводятся, ввиду того что коэффициент полезного
действия взрыва по отношению к фактическому цилиндру вы-
броса всегда меньше единицы. Такой случай может быть либо
при взрыве в твердых горных породах, либо в обычных грунтах,
но при малых мощностях взрыва или при большой ширине за-
ряда /. Таким образом, не рекомендуется применять очень ши-
рокие заряды, так как их средняя часть работает практически
вхолостую. Ширина не должна превышать величину 1кр:
I
кр ~ лСр
(1.116)
Полученный вывод можно легко объяснить с физической точ-
ки зрения.
Если всю открытую поверхность покрыть зарядом, то в схеме
идеальной несжимаемой жидкости вообще не произойдет ника-
кого выброса, так как свободной поверхности здесь не будет.
Если же заряд широкий, но I конечно, тогда выемки смогут об-
разоваться только на краях заряда.
Третий случай: х>2— наиболее интересен с практической
точки зрения и довольно обстоятельно рассмотрен в работе
В. М. Кузнецова [35]. Чтобы найти профиль цилиндра выброса
по формуле (1.111) следует принять ф=0. Тогда
2Ai sin лф , i Ь— 1 , 2А
z—--------------- ч---•------ф ч----------у 1 + cos лф х
А + 1 лС С А + 1 (А + 1) лС
X Л/ — + cos Лф-------— А ~ 1 in I У cos лф+ 1 +
у А лС А + 1 \
+ 1/ COS Лф-|—— | + К, (1.117)
Г А /
4’
51
где К и Д определяются по формулам (1.114) и (1.112), а ср —
действительная величина, которая изменяется от 0 до 1 и играет
роль параметра. Отделяя в (1.117) действительную и мнимую
части, получим уравнение профиля цилиндра выброса в пара-
метрическом виде (в безразмерных переменных):
2Д 1 , /•----------—г , / ,1 Д — 1
X =-------. ---У COS Пф + 1 1/ COS ЛфН-------------х
Д У 1 лС у А Д + 1
_ 2Д sin л<р
— (Ду1)лС
где ф — действительная величина,
1 / 1 \ гг
= — arccos-------. Подставляя
л \ Д )
и (1.119), получим координату Н
в данном случае глубину выемки:
У-—L._L (1.Ц9)
Ду 1 С v ’
изменяющаяся от 0 до ф'=
значение ф' в (1.118)
середины дна выемки, т. е.
(1.120)
где функциональная зависимость х(Д) определена по формуле
(1.114) и представлена на рис. 19.
Из приведенных ранее выводов следует, что чем больше па-
раметр х=2Р/лр/С, характеризующий эффективность взрыва
по отношению к условной выемке, тем больше глубина фактиче-
ской выемки. В частности, когда х равно своему предельному
значению при Д -> оо, то глубина
Я (6,4) = 6,4/^1 — -5-) = 6,4-0,22/^ 1,4/
несколько меньше полной ширины заряда. Коэффициент полез-
ного действия по отношению к условному цилиндру, соответ-
ствующий этому значению х, равен:
п = 1-----— = 1 — 0,37 = 0,63.
V1,4
Полагая ф=0 в формуле (1.118), получим ширину фактической
выемки D; ________
D = 2х/ [ л/ --------1 1п Г1Ч-
(V Д(х) у1 Д(х) + 1 L
11/А W + 1 ] J________у)
V 2Д(н) ] ' 2х 4 )’
которая также увеличивается с ростом х.
(1.121)
52
На рис. 22 представлен профиль цилиндра выброса при
х=6,7, рассчитанный по формулам (1.118) и (1.119).
Коэффициент полезного действия по отношению к условной
выемке т] равен здесь 64%. Ближний край условной выемки от-
стоит от начала координат на Ad=0,36Z, диаметр ее половины
d=2,4l, а ширина £>'=5,54/. Радиус фактического цилиндра вы-
броса -^- = 3,4/ превышает примерно в 1,5 раза радиус услов-
ной выемки.
Так же как и в предыдущем случае, объем фактического ци-
линдра выброса примерно в 3 раза превышает объем условной
выемки, которая на рис. 22 показана сплошной линией без
штриховки. Поскольку формулы (1.120) и (1.121), определяю-
щие основные геометрические параметры цилиндра выброса Н
и D, в общем случае являются слишком сложными и для опре-
деления х приходится пользоваться графиком на рис. 19, то це-
лесообразно получить аналогичные асимптотические выражения
в наиболее важном практическом случае при х-> оо.
Когда х->оо, величина Д, как следует из графика, стремит-
ся к — 1. Положим, Д =— 1—е, где е<1. Тогда из (1.115) с точ-
ностью до членов второго порядка малости находим, что
. „ , . (1-122)
3 1< 8
т~~)е
53
Максимальное значение ср, равное
ср'=—arccos(l — е)^.-?——, (1.123)
" я я/х
мало, поэтому в уравнениях (1.118) и (1.119) следует считать «р
малой величиной, наибольшее значение которой может быть по-
рядка Vе. Производя разложение в указанных формулах по
степеням е и ср, получим с точностью до членов высшего порядка
малости
Вводя параметр 1= — , получим уравнение цилиндра вы-
ф'
броса выемки в параметрической форме:
х = 2/х(1 —О’Ч (1.118а)
1.
у =—2]/х7 (1.119а)
Ширину фактической выемки получим, если в уравнении
(1.118а) принять t=0, а глубину Н — из (1.119а) при t~ 1:
£)^4//х; (1.1186)
Д^2//х. (1.1196)
Для того чтобы глубина выемки после взрыва в 10 раз пре-
вышала ширину заряда, необходимо соблюдать следующие ус-
ловия: х=100, а коэффициент полезного действия по отношению
к условной выемке
п = 1-----— 90 %.
V101
Таким образом, для эффективного действия взрыва на вы-
брос необходимы большие значения к. п. д. (т]=90-' 95%). При
этом ширина и глубина образующейся выемки увеличиваются
прямо пропорционально корню квадратному из коэффициента
х, характеризующего эффективность взрыва, который в данном
случае должен быть порядка 100. Сравнивая полученные выра-
жения для диаметров фактического и условного цилиндров вы-
броса [формулы (1.1186) и (1.65а)], видим, что ширина факти-
ческого цилиндра D в 2 раза больше ширины условного D'.
54
Интересно также сравнить объемы выемок, рассчитанные на
единицу длины в продольном направлении. Чтобы получить
объем фактического цилиндра выброса, следует записать урав-
нения профиля (1.118а) и (1.119а), вводя новый параметр t=
= sin Ф и переходя к безразмерным переменным:
, X , у
X = -----и у = —.
T.Vv.1 2Ун1
Тогда
(х' = со53ф 0<4j<2L. (1.124)
I у' =— sin гр 2
Объем фактического цилиндра выброса в безразмерных еди-
ницах будет равен:
Л л
1 2 2
5 — 2 ydx = 6 sin2-фсоз2фс(— -у- sin2 2ф dip =-|-л. (1.125)
об о
Восстанавливая размерности, получим:
5=-^-лх/2. (1.126)
Радиус половины условного цилиндра равен:
d _ и1 ~ Уи
2 2 У1-L-X 2
а объем
f ЛХ
4~ ~ ~
Получаем, что объем фактического цилиндра выброса превы-
шает объем условного в 6 раз:
Т=-^-~6. (1.126а)
Физический смысл полученного результата объяснялся ранее.
На рис. 23 представлен универсальный профиль фактическо-
го цилиндра выброса, рассчитанный в безразмерных единицах
по уравнениям (1.118) и (1.119). Сплошной линией без штрихов-
ки показан профиль условной выемки в тех же единицах, соот-
ветствующий формулам (1.66), (1.69), (1.70).
В точках х=±0,36 направление выпуклости профиля факти-
ческой выемки изменяется следующим образом: при |х| <0,36
выпуклость профиля направлена вниз, а при |х| >0,36 — вверх.
Вблизи края воронки, т. е. при малых значениях ф, уравнения
55
(1.124) значительно упрощаются. Производя разложение в ряд,
получим:
2 2 '
Таким образом, при достаточно эффективных взрывах
(х«И00) форма цилиндра выброса около края близка к парабо-
лической. Напишем уравнения для основных геометрических па-
раметров фактического цилиндра выброса при использовании
полностью заглубленного горизонтального цилиндрического за-
ряда радиуса R-.
D = 4лЯ =4 l/^-; (1.118в)
У л2 pCR у рС
И = 2 Л/—. (1.119в)
V PC
Если принять, что P=yR (где у — коэффициент, учитываю-
щий плотность заряда и свойства взрывчатого вещества), то
Р = l/ ;
У рс
H = 2R ,
У рС ’
т.е. характерный размер выемки увеличивается примерно по
56
закону квадрата радиуса заряда при больших значениях пара-
метра х, если взрыв производится в одном и том же грунте.
Если количество взрывчатого вещества постоянно, а радиус
заряда увеличивается, то параметр х уменьшается и при х по-
рядка нескольких единиц формулы (1.118в) и (1.119в) переста-
ют быть справедливыми. При этом эффективность взрыва па-
дает и в некотором предельном случае х=2 (так же, как и ра-
нее) средняя часть заряда начинает действовать вхолостую. Все
основные соотношения размеров условной и фактической вые-
мок и их объемов остаются справедливыми и при полном за-
глублении цилиндрического заряда [формулы (1.118в), (1.119в),
(1.81) и (1.86)].
При образовании цилиндров выброса в результате взрыва
мелкозаглубленных зарядов картина течения аналогич-
ная, как и при поверхностном расположении заряда, т. е. име-
ется геометрическое подобие. Соотношение диаметров фактиче-
ского и условного цилиндров выброса [формула (1.47)] также
сохраняется.
Будем также считать, что диаметр фактической выемки пре-
вышает в 2 раза диаметр условной. Следовательно, введя пара-
метр х в формулу (1.93), получим:
Оценим входящие величины при достаточно эффективном
взрыве и незначительном заглублении заряда:
х — 100;
А _ io — 15;
R
А . А_2АА_о,О9< 1.
ли R 100
При малых радиусах цилиндрического
разложение в ряд и получим:
D(h) = 2R]Ал l/хА (1-
заряда произведем
h
nxR
(1.127)
Учитывая геометрическое подобие, можно утверждать, что
по аналогии с (1.118 в) и (1.119 в) глубина выемки Н в 2 раза
меньше ее диаметра:
<1128)
Таким образом, характерные размеры выемки, образованной
взрывом цилиндрического заряда радиуса R, заложенного на
57
малых h, так как не может
0.
глубину h, увеличиваются в первом приближении прямо пропор-
ционально корню квадратному из этой глубины. Следует, од-
нако, отметить недостатки формул (1.127) и (1.128). Эти выра-
жения неприемлемы при слишком
быть получен предельный случай поверхностного взрыва h
При й -» 0 особая точка попадает на границу и решение идет
совсем по другому пути (см. п. 5, глава I). Кроме того, в ука-
занные формулы фактически не входит радиус заряда, так как
рассматривался заряд в виде бесконечно тонкой нити, которая
вообще не имеет размера. При использовании метода условной
выемки необходимо учитывать конечные размеры заряда и, сле-
довательно, решать задачу Дирихле в двусвязной области, что
также связано со значительными трудностями.
В связи с этим предложим простой способ определения ос-
новных параметров выемки, образующейся при взрыве мелко-
заглубленного цилиндрического заряда, основанный на измене-
нии масштаба вдоль оси х' (см. рис. 23). Предположим, что за-
ряд расположен в точке 0, отстоящей от начала координат на
,, h
расстоянии й = ---------- .
Если бы над зарядом не было слоя грунта, верхний край вы-
емки находился бы на уровне заряда и расстояние О'С должно
было равняться единице. Однако край фактического цилиндра
выброса В находится дальше от начала координат, чем точка
С в 6 раз:
—3/2
Используя простейшие геометрические соображения подо-
бия, учтем конечную глубину заложения заряда h, если изменим
в 6 раз масштаб вдоль оси х'. В результате получим уравнение
профиля цилиндра выброса при взрыве цилиндрического заря-
да радиуса R, заложенного на глубину й:
(
х =
2л/? Ух2 cos3 ф
1 / М2]3/2
4л2х2 \ /? / J
у = — 2nR Ух2 sin ф.
Отсюда имеем выражения для ширины D и глубины Н обра-
зующейся выемки:
D =
4л/? У х,
1 / h \213/2
1 4л2х2 \ R. ) J
Н = 2nR У х2,
(1.127а)
(1.128a)
58
где
2Р
Полученные формулы удовлетворяют предельному переходу
при й->0 в выражения (1.118в) и (1.119в), которые примени-
мы лишь при не слишком больших h. Максимальная величина
Лмакс определяется из уравнения: ______
^макс ~ л/? V 2х2.
При больших значениях h соображения геометрического по-
добия перестают быть справедливыми и необходимо применять
более мощные математические методы.
Например, при х2=80 и -^-=20 |/х2=9 и л |/160«
ж 40 и справедливы формулы (1.127а) и (1.128а):
г-. 36 36 361 о о г»
U —--------------—------------ =-----
/ _5_\3/2 (0,878)3/2 0,82
4Л //= 18л/? ^57/?.
Получаем, что ширина выемки в 2,5 раза превышает ее глу-
бину.
Проведем расчет при тех же параметрах, но по методу ус-
ловного цилиндра выброса, используя формулы (1.127) и (1.128):
£>(й) = 2/2л/?-9-4,5(1 ——'j ^180/?;
\ 4л /
В результате получены значения параметров выемки.
При расчете по методу условного цилиндра выброса харак-
терные размеры выемки примерно в 1,5 раза больше, чем по
масштабному методу, который, по существу, является некото-
рым обобщением задачи о поверхностном взрыве при незначи-
тельном заглублении. Полученный результат находится в соот-
ветствии с выводом, что с увеличением глубины заложения до
некоторой оптимальной величины объем цилиндра выброса уве-
личивается. Последний можно определить по формуле (1.125а),
в которой следует восстановить размерности с учетом (1.126)
и (1.126а):
S = — лН*(К) = — л/?22лх — (1-------—\2 =
8 v 8 Р \ лхТ?/
= — хл2/?й (1 — —V . (1.125а)
4 V лх/? / '
Подставляя в указанную формулу заданные параметры х=80
h
— = 20, получим:
S = 1200л2/?2-0,64 = 2400л/?2.
59
Следовательно, в данном случае объем выемки по величине
в 1000 раз превышает объем заряда, что качественно согласует-
ся с экспериментом.
В заключение следует отметить, что метод условной выемки
применим в том случае, когда h по крайней мере на порядок
превышает радиус заряда, а масштабный метод более целесо-
образно использовать при глубинах заложения, равных несколь-
ким радиусам заряда.
ГЛАВА II
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТОВ
ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПАРАМЕТРОВ
ОТКРЫТЫХ КАНАЛОВ, ОБРАЗОВАННЫХ ВЗРЫВОМ
ШНУРОВОГО ЗАРЯДА ВВ
1. РАСЧЕТ НЕПРЕРЫВНЫХ ЗАРЯДОВ ВЫБРОСА,
РАСПОЛОЖЕННЫХ ВБЛИЗИ ПОВЕРХНОСТИ ГРУНТА
В главе I было рассмотрено решение задачи о размерах и кон-
фигурации выемки, образуемой взрывом горизонтального ци-
линдрического заряда, располагаемого вблизи поверхности
грунта. Решение задачи осложнялось в основном тем, что гра-
ница заряда с грунтом представляла собой кривую второго по-
рядка. Эта трудность была преодолена с помощью метода кон-
формных отображений. Разворачивая плоскую круговую петлю
на границе контура с помощью последовательных отображений
и превращая ее в плоскую ленту, путем соответствующих преоб-
разований граничных условий М. А. Лаврентьева задача была
сведена к плоскому заряду, а затем путем обратного отображе-
ния получено окончательное решение данной проблемы.
В отличие от известных в литературе методов расчета вые-
мок, образованных взрывом, мы предлагаем универсальный
подход, пригодный для различных конфигураций поперечного
сечения горизонтальных непрерывных зарядов, основанный на
введении эффективного параметра взрыва х. Основные геомет-
рические размеры образующегося фактического цилиндра выб-
роса оказываются непосредственно зависящими от пара-
метра х.
В результате решения соответствующей краевой задачи с по-
мощью метода последовательных конформных отображений и
соответствующих преобразований граничных условий М. А. Лав-
рентьева для заряда, соприкасающегося с поверхностью грунта,
теоретическим путем получено уравнение профиля фактического
60
цилиндра выброса. Формулы (1.118а), (1.119а), (1.1186),
(1.1196), (1.118в) и (1.119в) описывают профиль цилиндра вы-
броса, образующегося в результате взрыва горизонтального не-
прерывного цилиндрического заряда, погруженного в грунт на
величину, равную половине диаметра или диаметру, при произ-
вольных значениях эффективного параметра.
Профиль фактического цилиндра выброса представлен на
рис. 24.
Объем выброшенного грунта на единицу длины в продоль-
ном направлении будет равен (1.121):
5 = -^-их/2, ' (II. 1)
где l=nR.
Как видно из формул (1.1186) и (1.1196), геометрические
размеры образующейся выемки увеличиваются прямо пропор-
ционально корню квадратному из эффективного параметра х.
Таким образом, зная ширину или глубину выемки, можно
экспериментальным путем найти эффективный параметр х. Сле-
довательно, отношение ширины цилиндра выброса к характер-
ному размеру заряда / является универсальной функцией без-
размерного параметра эффективности х в том случае, если про-
изводится взрыв непрерывных удлиненных горизонтальных
Рис. 24. Схема фактического
профиля цилиндра выброса при
взрыве непрерывного горизон-
тального цилиндрического за-
ряда
1 — шнуровой заряд ВВ; 2—профиль
цилиндра выброса
зарядов, расположенных вблизи поверхности грунта, т. е. имеет-
ся универсальная зависимость f (х):
1=у=/(х). (II.2)
В данном случае f(x)=4 К х (рис. 25).
Вид функции f(x) должен в общем зависеть от конфигура-
ции поперечного сечения горизонтального непрерывного заря-
да.- Исходя из общих соображений зависимость f(x) должна
иметь монотонно возрастающий характер, однако для каждого
61
конкретного случая необходимо проводить расчет методом кон-
формных отображений, для того чтобы определить универсаль-
ную функцию ^(х) и найти связь эффективного параметра х с
импульсом давления Р и характеристиками грунта >р и С. Не-
соответствующим образом при помощи метода конформных
отображений, важно определить эффективность применения
щелевых зарядов вследствие более простой технологии их из-
готовления по сравнению с цилиндрическими непрерывными за-
рядами выброса.
Ввиду того что в формулу для эффективного параметра х
Р
входит отношение
С ’
экспериментальным путем трудно опре-
делить критическую скорость скольжения, которая имеет боль-
шое значение для физики грунта, так как она непосредственно
характеризует способность грунта подвергаться действию заря-
да на выброс.
Критическая скорость скольжения, показывающая, с какой
скоростью двигаются частицы грунта вдоль границы воронки,
зависит от геометрических размеров воронки выброса, влажно-
сти, пористости и других параметров грунта. Очевидно, крити-
ческая скорость скольжения должна быть непосредственно свя-
зана с упругими константами грунта, и в первую очередь со
скоростью распространения упругих продольных волн, образую-
щихся в грунте в результате взрыва (скоростью звука Со=
= р/"£., где Е — модуль Юнга, р — плотность грунта). По дан-
ным Г. М. Ляхова, в плотном водонасыщенном грунте, лишенном
защемленного воздуха, скорость звука Со»160О м/сек, а в рых-
лом неводонасыщенном песке Со»50 м/сек. В то же время при
одной и той же характеристике заряда эффективный параметр
в грунтах первого типа будет меньше, чем в грунтах второго ти-
па, поэтому критическая скорость скольжения в первом случае
больше, чем во втором. Следовательно, величина С в первом
приближении прямо пропорциональна скорости звука в грунте.
Для определения константы С необходимо знать импульс
давления Р, который приближенно можно определить по фор-
муле
62
Р = РоС, (II. з,
где pQ — начальное давление продуктов детонации; т — время,
в течение которого давление ро не снижается, равное времени,
необходимому для прохождения детонационной волны через
всю толщину заряда, т. е.
т = — , (II.4)
V
где R— радиус заряда; v — скорость детонационной волны.
Начальное давление р0 можно определить по формуле
Ро = —V? Р'^2- (П-5)
У + 1
где у—показатель адиабаты Пуассона продуктов взрыва
(pvt =const), равный для данного случая 3;
р'—плотность взрывчатого вещества.
Следовательно,
С учетом выражений (II.3), (II.4) и (II.5а) получим:
P^p'vR. (II.6)
Экспериментально установлено, что скорость детонации про-
порциональна начальной плотности взрывчатого вещества:
v=Ap't (II.7)
где А=4,5-105 см^г-сек для аммонита.
Подставляя формулу (П.7) в (П.6), получим:
Р = A(p')*R = ^-Q, (II.8)
где Q — расход взрывчатого вещества на единицу длины в про-
дольном направлении.
При R = 3 см, Q = 2,8 кг/м, р'= 1,15 г/см3 (для аммонита)
v = 4,5-105-1,15 = 5200 мсек-,
т =----------------= 1,15-10~5 = 0,012 сек-,
5,2.10s
Р= 1,53-106 кг'см^-сек.
Подставив полученное значение импульсного давления в
формулу (1.67), получим выражение для эффективного пара-
метра х:
X = 2Ар' Q (Ц.9)
Таким образом, критическая скорость скольжения С опреде-
ляется непосредственно через эффективный параметр х:
63
С = ^Р...... Q.
л3 p.R2 х
(П.Ю)
При х= 100 и р = 2 г/см3
С =
2-4,5-10М,15-28
3,143-2-9-100
= 5,3 м/сек.
Таким образом, критическая скорость скольжения составля-
ет по порядку величины несколько метров в секунду и, как бу-
дет показано далее на основе экспериментальных данных, зави-
сит главным образом от типа грунта.
Подставляя выражение (II.9) в (1.1186) и (1.1196), получим
окончательные формулы для ширины и глубины цилиндра вы-
броса D и Н, выраженные через плотность взрывчатого вещест-
ва р', радиус заряда R, плотность грунта р, критическую ско-
рость скольжения С и скорость детонации v;
D = 408/? 1/[1 + (х)]; (Н.П)
V рс
Н = 2047? |//- [ 1 4- б^(х)1, (II. 12)
где бцил — поправка на эффективность взрыва, конструкцию за-
ряда и критическую скорость скольжения С, принимаемую в
м/сек. Формулы (II.И) и (11.12) справедливы только для ам-
монита. В общем случае в указанные формулы должны входить
скорости детонационной волны:
£> = 4 1/2 — • 7? [1 + б<1*л(х)]; (11.13)
Г Р С
77 = 2 1/ 2 — •7? [1-ф бциЛ (х)]. (П.14)
V Р С
Значения v принимают в зависимости от типа взрывчатых
веществ (табл. 1).
Таблица 1
Тип ВВ Теплота взрыва Скорость детонации
в ккал!кг в м!сек
Дымный порох 600 —
Бездымный порох -. 600—1200 —
Тротил (р' =1,61) 950—1100 7000
Аммонит № 6 ( р' =1,15) 1020 4500
Гексоген (р' = 1,64) 1320 8400
Нитроглицерин 1530 8000
64
Приведем формулы, выраженные через расход взрывчато-
го вещества на единицу длины, плотность грунта р и критиче-
скую скорость скольжения С:
0=4 уЧ ij/ft'+ew;;
Эти формулы отличаются от формул В. М. Кузнецова, во-
первых, численными множителями, зависящими от геометриче-
ской формы заряда, и, во-вторых, поправками на эффективность
взрыва и цилиндричность заряда. Для получения указанных
поправок нужно произвести разложение по ]/е до второго
и третьего порядков включительно (где е = — 1—Д) и восполь-
зоваться связью е с эффективным параметром х (1.122):
Тогда формулы (11.13) и (11.14), выраженные через эффек-
тивный параметр х, примут следующий вид:
D = 4n/?/xfl + — + -^М- (11.15)
I 4и 8/х?
Д = 2л/?/х(1---—-----—V (11.16)
\ 60х 45x2 / v '
Отношение ширины цилиндра выброса D к его глубине Н
определяется по формуле
/ 43 15 \
, о „( + <« 8уД=2О + -Ь” + ЛА+ 2LY х>>1.
Н Л 109 154 \ \ |/х XX2 I
\ ~ 60х 45х2 /
(П.17)
График безразмерной зависимости г = г(х) представлен на
рис. 26. Из графика видно, что чем эффективнее взрыв, тем
меньше отношение ширины цилиндра выброса D к его глубине
Н, т. е. с повышением эффективности взрыва относительная глу-
бина выемки Н увеличивается. Указанное обстоятельство нахо-
дится в соответствии с физическим смыслом, так как совершен-
но очевидно, что взрыв заряда малой мощности при поверхност-
ном расположении может только разбросать грунт в стороны и
не сможет образовать необходимую углубленную выемку. В пре-
дельном случае бесконечно малого заряда, очевидно, Н=0 при
D =!= О и z (0) = оо. Поэтому верхняя кривая, построенная по
данным теоретических расчетов в соответствии с физическим
5—50
65
смыслом, неограниченно возрастает при приближении к началу
координат. По формулам В. М. Кузнецова гк = = 2, что
Лк
согласуется с экспериментом.
Представляет интерес сопоставление формул (11.15) — (П.17)
для определения основных геометрических размеров выемки при
Рис. 26. График безразмерной зависимости z=z(x)
1 — экспериментальные данные; 2 — теоретические данные
взрыве непрерывных горизонтальных цилиндрических зарядов с
теоретическими зависимостями для непрерывных плоских заря-
дов, выраженными через эффективный параметр взрыва х
(табл. 2).
Все величины, относящиеся к плоскому случаю, даны с индек-
сом «к» (по В. М. Кузнецову).
Формулы для расчета непрерывных цилиндрических зарядов
наиболее существенно отличаются от соответствующих формул
для плоских зарядов значением эффективного параметра х, за-
висящего от конструкции заряда и способа его расположения
в грунте, а также наличием поправок на эффективность взрыва
и характер геометрии заряда (в нашем случае на цилиндрич-
ность заряда). Указанные поправки интерферируют, и, несмотря
на универсальный характер первой поправки, поправка на гео-
метрию носит неуниверсальный характер, поэтому в целом на-
ши дополнения носят неуниверсальный характер, т. е. для каж-
дой конкретной конструкции функциональный вид поправочных
членов различный. В связи с этим для каждой конструкции за-
ряда и в зависимости от способа расположения его приходится
решать краевую задачу заново с помощью метода конформных
отображений. Кроме того, без применения указанного метода
невозможно установить связь эффективного параметра х с ха-
рактеристиками заряда и свойствами среды, и единственным пу-
тем решения задач данного типа будет установление различных
полуэмпирических соотношений, ненадежность которых обще-
66
Таблица 2
Основные параметры
Непрерывно-цилиндрический
заряд
Непрерывно-плоский
заряд
Ширина выемки
Глубина выемки
Отношение ширины вы-
емки к ее глубине
Связь эффективного
параметра взрыва с ос-
новными геометрически-
ми и энергетическими
характеристиками заря-
да и свойствами грунта
Связь импульсного
давления с геометрией
заряда
1Л-/ 43
D = 4л/? V к I 1+---4-
I 4х
15 \
+------
8 V z /
лг~[ 109
Н = 2л4? у х 1—-----—
\ 60х
154 \
~ 45x2 /
D / 1,87
2(Х)=— -2 1-Г-—-
И \ Ух
12,5 26 \
л I х 1
X X2 I
2Р
х=---------
л2 pCR
Лр'
р = р' VR = —— Q
nR
DK = 4х0 У х
2Р
хк =------
лрх0 С
(эффективный па-
раметр введен
нами)
Р= k-h
известна. Поэтому метод конформных отображений, несмотря
на кажущуюся громоздкость, оказался не только целесооб-
разным, но и совершенно необходимым. Полученные теоретиче-
ские зависимости подтверждаются экспериментальными и опыт-
ными данными.
Необходимо также знать количество взрывчатого вещества
q, требующееся на 1 м3 выброшенного грунта, непосредственно
характеризующее эффективность взрыва на выброс. Для этого
количество взрывчатого вещества, приходящееся на 1 м, разде-
лим на объем выброшенного грунта (II.1):
£ 2Q
S Зя3 № х ’
(П.18)
Подставив в формулу (11.18) значение эффективного пара-
метра х (П.9), получим:
= (11Л8а>
3 v
5*
Например, для аммонита при р=2 а/сл/3 и С = 5,3 м]сек,
v= 4500 м)сек (см. табл. 1)
<7 = Д 2 ДД = 0,78 кг/м3.
ч 3 4500
Если р= 1,55 г[см3, то <7 = 0,6 кг/м3.
Таким образом, получаются приемлемые величины расхода
взрывчатого вещества на единицу объема выброшенного грунта.
Для определения расхода ВВ по формуле (11.18а) необходимо
знать критическую скорость скольжения С, определяемую опыт-
ным путем для каждого конкретного способа взрывания. Если
величина С неизвестна, следует пользоваться формулой (11.18)
для <7, в которой искомая величина выражена через эффектив-
ный парамер х, определяемый непосредственно из опыта по из-
вестным ширине или глубине цилиндра выброса.
2. УСТАНОВЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ УСЛОВНОГО
И ФАКТИЧЕСКОГО ЦИЛИНДРОВ ВЫБРОСА
ПРИ ВЗРЫВЕ ЗАГЛУБЛЕННОГО ЗАРЯДА
При расположении заряда вблизи поверхности так, чтобы хотя
одна его точка соприкасалась с поверхностью грунта (см. рис. 2
и 3), задача принципиально отличается от задачи, когда заряд
располагается на глубине, большей его диаметра (см. рис. 6).
В этом случае область является двусвязной и формула Келды-
ша—Седова неприменима.
В главе I был описан метод варьирования формы зарядов,
который позволяет в принципе решать задачи в указанной выше
постановке в двусвязных областях (см. рис. 6), но приводит
к сложным вычислениям. Для упрощения расчетов нами предло-
жен метод условного цилиндра выброса, применяемый при ис-
пользовании мелкозаглубленных зарядов.
Условным цилиндром выброса называется та часть простран-
ства, заполненного некоторой фиктивной идеальной несжимае-
мой жидкостью плотностью, равной плотности данного грунта,
в которой скорость в непосредственный момент после взрыва
превышает некоторую критическую скорость скольжения, ха-
рактеризующую данный грунт.
Сущность метода условного цилиндра выброса заключается
в установлении на основе энергетических соображений прямой
пропорциональности объемов фактического и условного цилинд-
ров, образующихся при взрыве поверхностных и мелкозаглуб-
ленных зарядов. Чтобы определить объем фактического цилинд-
ра выброса, образующегося при взрыве мелкозаглубленного за-
ряда, достаточно найти объем условного цилиндра и умножить
его на коэффициент пропорциональности а, зависящий только
от эффективного параметра х. Форма же фактического цилиндра
выброса исходя из соображений геометрического подобия прак-
68
тически не отличается от формы цилиндра выброса, образующе-
гося при взрыве заряда, расположенного непосредственно у по-
верхности. Условный цилиндр (рис. 11—13) всегда меньше фак-
тического и состоит из двух половин. Самая нижняя часть
заряда по отношению к условному цилиндру действует вхолос-
тую, и возникает некоторая «мертвая» зона. Те частицы грунта,
которые соприкасаются с самой нижней точкой заряда, очевидно,
не могут быть выброшены, так как в момент взрыва они дви-
жутся только вниз и продолжают свое движение вниз по инер-
ции. Исходя из условий непрерывности соседние частицы также
движутся вниз, но по кривой с очень большим радиусом кривиз-
ны. Поэтому такие частицы будут подходить к поверхности на
большом расстоянии от центра взрыва, где скорость вылета бу-
дет меньше критической скорости С, следовательно, они не смо-
гут преодолеть силы сцепления и покинуть грунт.
В связи с этим мы ввели новое понятие — коэффициент по-
лезного действия по отношению к условному цилиндру, опреде-
ляемый как часть поверхности заряда, выраженная в долях
полной поверхности, которая граничит с условным цилиндром
выброса. Этот коэффициент равен единице, когда две половины
условного цилиндра соприкасаются друг с другом. В результате
введения понятия об условном цилиндре эффективный параметр
х получает наглядное геометрическое толкование. Он показыва-
Рис. 27. Зависимость объемов факти-
ческого и условного цилиндров вы-
броса от эффективного параметра
ет, во сколько раз дальше от начала координат располагается
удаленный край условного цилиндра от проекции на горизон-
, d
тальную ось ближнего ее края, т. е. х = .
Как отмечалось ранее, коэффициент пропорциональности а
объемов фактического и условного цилиндров представляет со-
бой слабую функцию от параметра эффективности х. Например,
если х изменяется от 2 до 100, т. е. увеличивается в 50 раз, а из-
меняется всего в 2 раза (от 3 при х=2 до предельного значения,
равного 6 при х->оо).
Поэтому метод условного цилиндра выброса является доста-
точно надежным, особенно при больших значениях х, т. е. во
69
всех практически важных случаях. На рис. 27 представлен гра-
фик зависимости а = -lS(b как функции от х. С помощью это-
Sy
го графика можно определить объем фактического цилиндра,
если известен объем условного:
5ф = а(х)5у(й). (11.19)
Следовательно, при малых глубинах погружения заряда
объем выброшенного при взрыве грунта зависит от глубины h,
так же как и объем условного цилиндра выброса. Поэтому ос-
новные размеры фактической выемки так же зависят от h, как
и основные размеры условного цилиндра, которые легко можно
определить при А=^0, так как решение задачи о движении
идеальной несжимаемой жидкости не сложно даже в двусвяз-
ных областях (см. главу I).
Между диаметром условного цилиндра и глубиной погруже-
ния заряда h существует следующая зависимость:
(П.20)
Для простоты расчета заряд приняли в виде бесконечно тон-
кой нити, чтобы можно было применять метод функций Грина.
Поэтому в ответ не вошел параметр длины, характеризующий
размеры заряда. Чтобы привести данную формулу к более про-
стому виду, введем эффективный параметр согласно (1.67). Тог-
да получим:
Р' = 4л7?Гх1/ — 1/* 1-------(П.21)
у 8л R у -MIR v ’
Следует подчеркнуть, что в этой формуле нельзя использо-
вать предельные переходы h-+-0 и /г->оо, так как при соприкос-
новении заряда с поверхностью грунта особая точка попадает
на границу области и метод функций Грина становится непри-
менимым. Кроме того, для эффективных взрывов необходимо,
чтобы параметр х->оо, поэтому вторым членом под знаком квад-
ратного корня в (П.21) можно пренебречь для случаев мелко-
заглубленных зарядов (/1=0,54-1,2 м). Если, кроме того, потре-
бовать, чтобы при й->0 формула (П.21) все же переходила в
формулу для раствора воронки (П.9), то, используя метод ус-
ловного цилиндра выброса, получим формулу для диаметра фак-
тического цилиндра выброса, образующегося при взрыве заряда,
расположенного на глубине А:
Di = 4jt/? X ( 1 ---4~ ----I f 1 I Q-. /t /ТТ !)Ы
k 4Z 8/х )V 1 + 8Яад‘ (IL22)
Поскольку всегда можно считать радиус заряда 7? намного
меньшим глубины погружения h(R<^h), второе слагаемое
в (11.22) при этом намного больше единицы, то снова получим
70
формулу (11.21). Для определения глубины фактической выем-
ки после взрыва будем принимать:
( 60х
154 \ --Д'
45x2) V
h
8л/?
(11.23)
Полученные формулы для Dx и Н\ отличаются от формул
(11.15) и (11.16), применяемых для зарядов, расположенных
вблизи поверхности, наличием поправочного множителя
1/ 1 +
у 8л/?
Поэтому окончательные формулы для размеров фактическо-
го цилиндра, образующегося в результате взрыва цилиндриче-
ских непрерывных горизонтальных зарядов, расположенных на
небольшой глубине (около 0,5—1,2 ж), имеют вид:
D =-4nR ^/xfl + — + ——\ 1/1 + ; (11.24)
I 4Х 8/ЙМ 8я/?
| Н = 2aR /х fl — —-------—) 1/ 1 + ; (11.25)
( \ 60х 45x2 ) 8л/?
+ (П'26)
I н --2 1/2-^- R fl_____109 154 и/ 1 I h (IL27)
I у pc \ 60x 45x2 ) У "Г 8Л/?
Если ввести расход ВВ на единицу длины Q, получим:
С учетом незначительного заглубления зарядов формулы
(11.18) и (II.18а) для определения расхода взрывчатого вещест-
ва на 1 .м3 выброшенного грунта принимают следующий вид:
+ Q 1
3 л3/?2х r h
8л/?
(II. 30)
(П.31)
71
3. ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТОВ ПО УСТРОЙСТВУ
ОТКРЫТЫХ КАНАЛОВ ВЗРЫВАМИ НЕПРЕРЫВНЫХ ЗАРЯДОВ
Формула (11.31) является самой простой для определения кри-
тической скорости скольжения грунта С по известному из экспе-
римента расходу взрывчатого вещества на 1 м3 выброшенного
грунта </эксП:
Q ___ 3<7эксп
р
(11.32)
где
£ = —— ;
8nR ’
р — плотность грунта; v — скорость детонации ВВ.
Однако поскольку в эксперименте объем выброшенного грун-
та непосредственно не измеряется, предлагается другой несколь-
ко громоздкий метод определения критической скорости сколь-
жения С с помощью эффективного параметра х. Для этого сна-
чала по (11.15) — (11.32) и (П.ЗЗ) определяем эффективный па-
раметр х по формуле
— 1
Хэксп “ 16(1 -Н)
(П.ЗЗ)
где
Затем по формуле
выброшенного грунта:
о2
Рэксп
ь| 172(1 + ^)
4-7,5-------
«2 В
Рэксп нэксп
Рэксп
(11.30)
Г’ (П.34)
_ 7)эксп
nR
определяем расход ВВ на 1 м3
32 Q
О =---- -2- .
v Зя D2
(11.35)
И, наконец, критическую скорость определяем с помощью
формул (11.32) и (11.35):
--^-(1 + ^. (П.36)
я РОэксп
В табл. 3 приведены результаты расчета по формулам
(11.32) — (11.36) для различных грунтов, главным образом для
глинистых с влажностью 24,3%, пористостью 43,1%. При опре-
делении расхода взрывчатого вещества на 1 м3 выброшенного
грунта предполагалось, что ВВ плотно заполняют зарядную ка-
меру и имеют плотность р'— 1,15 г/см3. Скорость детонации при-
нималась равной скорости детонации для аммонита: v—
=4500 м/сек. Эффективный параметр х вычисляли по верхнему
диаметру цилиндра выброса по формуле (11.34), а затем по
72
Таблица
ео
UdO/W Я Э винажяегоиэ qxood -оиэ ввиэаьи1и(1)1 Ю СЧ Ф CO t» CO —« Ю t» Ф — Ю t» — ф ФЮЬ- 05 CO CO ОСОЮ v 00 co cot» C0S t» CO Ю co CO t»
ххвф^ ю ф сч 00 ф co сч юф юсо ю сч ю 0 СО Ю Ю г-ю Ю Ю Ю Ю СО t» г» t» t» Ю Ф ю ООО 000 ОООО ОО ОО О ООО
^w/ги я do31Z> Bl -нЛбл олоинашосфня сич| ви gg tfoxoBj О СЧ со Ю СЧ оо оо со 00 Ю 00 СЧ 00 ’Ф оо ФЮЮ 00 СО’Ф со СО Ф Ю СОС» cot» Ф Ю Ф СО ООО 000 ОООО ОО ОО о ООО
w/syi я £> BtfBdBs w -гои i вн gg tfoxoBj —« Ю ФЮЮ Ю сою Ю ю Ю ЮЮ 00 СЧ О СЧОО О СЧ t» О сч о сч о о сч © о ОСОЮ СЧ ю ю ю со со ю сою сою ю со ю ю
UM62 BOOd *91чя BdtfHHtfHtt H эн -И9Л1М и (j HHadHin винашоию аинаьвне aoHqirBXHawHdauoMg <£> со СЧ СО Ю СО —СОЮЮ Ю 00 Ю со — ю •ф со со со со со со со" со СО Ф Ф ф со со со со со
(x) z = __ doax2 9HIIpXifj и iqHHdHm аииашоихо СО Ф Ф СО 00 Ф — Г» Г» О Ф оо Ю СО t» t» -И 05 СО LO •ф СО со СОСЧСЧ. СО О) CN CN СОФ Ф СО О) со со сч
x Baiqdsfl dxaw -вбвп цинаихмэфф^ •ф СО t» Ю Г» 05 ф 00 О Ю СО со сч оо Ю t» Ф со со ф CN 05 ю со со eq о сч cq ф со сою-
U0M6d ПЭЯ€^ ° BtfBdBS ихэоиж^яо iqHHirtf ЭИИЯО1ГОП и B0od9iqs BdtfHHifHtt BdxaHBHtf аииатонхо ю ф * ю ю ф Ф ю cq cq оо оо cq — счфоосч со cq со— со со со cq ФФФ СО СО Ю Ф ю со со со со сою Ю Ф ю со
ц 8 = 3 Ч1ГЭ1ИЖ 4 -они yiqHhOaBdiiOLI со 00 05 —1 Ф ф Ф оо О со —00 00 Ф 00 сч 05 СО СО [» СО СО СО СО О Ю ЮЮ СО 05 СО СО 05 ф ООО 000 00 — 0 ОО ОО О ООО
wo я у нмианя bhh9Aitj t» О О ООО ОООО ОО ОО О ООО ф Ф СО ООО СО 00 О Ф ООО 000 О СО О Ф — — — cq сч ——< сч — — cq »~<сч —
W0 Я (J Kxdae on BDOd9iqa BdtfHHiTHtt dxaWBHV ООО 000 ОООО ОО ОО О ООО о со t» осоо ОООО ООО оо со оосоо cq ф ю со t» со ю со t» ю фсо ф со со ф со ю
WO Я Ц винажО1гв£ bhh9Aitj юоо ЮОО ОООО ЮЮ ою о оюо сососо Ф со со со со 00 Ю ФЮ СО 00 со СО 00 Ф
wo я 5 = ep BtfBdBS dxaWBnff Ю ЮЮ Ю ЮЮ ю ю ю ЮЮ со t» t» юе»е» г» t» со г» t»t»t»t» t» t»t»t»
(BsiqdeH off) zwol2 я d BiHKdj чхэоихокц ООО 000 ОООО оо t»t»t» — сч сч сч сч — — — —
Тип грунта Я Я! ° « « ч » £ -е-9 •&« ® &S §» о £2 н
73
формуле (П.17) определяли отношение ширины взрывной вы-
емки поверху D к ее глубине Н: £теор=—-.Величину 2те0р срав-
и
нивали с непосредственно определяемым из эксперимента зна-
чением 2ЭКСп=-^- .
^ЭКСП
Из таблицы видно, что результаты расчета по разработанной
нами теории выброса достаточно хорошо совпадают с экспери-
ментальными, что подтверждает эмпирическим путем надеж-
Рис. 28. Изменение ширины
цилиндра выброса в зави-
симости от эффективного
параметра
1 — экспериментальные данные;
2 — теоретические данные
ность метода условного цилиндра выброса и справедливость
принципов энергетического и геометрического подобия. В неко-
торых случаях погрешность не превышает 2—3%. Наибольшие
расхождения 20—25% наблюдаются при глубине заложения за-
ряда более 0,5 м. Это объясняется тем, что при таких глубинах
принципы геометрического подобия начинают нарушаться. Одна-
ко при расчетах, удовлетворительных с практической точки зре-
ния, все же можно пользоваться указанной теорией при hx
«0,54-1,2 м. При больших глубинах заложения необходимо при-
менять другие теории, в частности метод варьирования формы
заряда.
Интересно выяснить также отклонение зависимости ширины
цилиндра выброса от закона корня квадратного из расхода ВВ
на 1 м длины заряда Q, т. е. найти функцию <р = -^ = <р(х).
Такая зависимость найдена при фиксированных значениях кри-
тической скорости скольжения С и плотности грунта р. График
зависимости <р(х) представлен на рис. 28.
Следует, однако, заметить, что наблюдается разброс значе-
ний критической скорости для одного и того же грунта.
Из рис. 28 видно, что критическая скорость изменяется в зна-
чительных пределах (ее максимальное значение почти в 3 раза
превышает минимальное), тогда как по своему физическому
смыслу она должна быть постоянной и должна характеризовать
физические свойства грунта по отношению к действию на вы-
брос. Указанные изменения критической скорости могут быть
74
обусловлены тем, что она определена косвенным путем через
эффективный параметр и естественно может быть ошибка, по-
скольку не учитывались плотности взрывчатого вещества при
заполнении зарядной камеры в каждом конкретном случае и
некоторые физические свойства грунтов. Например, при одина-
ковых диаметрах заряда d=7,5 см и глубинах заложения h —
= 60 см (см. табл. 3) в одном и том же грунте (суглинке) в пер-
вом случае диаметр цилиндра выброса составлял 7,3 м, а во
втором случае 6 м. Это, очевидно, объясняется тем, что плот-
ность заряжания в первом случае больше, чем во втором. Сле-
дует отметить, что полученные нами значения критической
скорости можно рассматривать только как весьма ориентировоч-
ные и справедливые лишь по порядку величины. Для непосред-
ственного вычисления параметров взрывной выемки их исполь-
зовать нельзя. Для получения приемлемых величин С необхо-
димо измерять объем выброшенного грунта с учетом изменения
его плотности в процессе взрыва, используя формулы (11.19) и
(11.32), либо определять С по скорости распространения упру-
гих продольных волн в грунте, считая, например, что критиче-
ская скорость составляет сотую долю скорости звука в грунте.
В заключение сравним эффективность применения горизон-
тальных непрерывных и вертикальных цилиндрических зарядов.
При взрыве вертикального цилиндрического заряда образуется
коническая воронка выброса .в виде конуса с высотой /7Верт =
= 1,2 м, диаметром ОВерт=4,5 м. Из эксперимента известно,
что для образования указанной воронки потребовалось взрыв-
чатого вещества Q=9 кг. Объем выброшенного грунта оказал-
ся равным:
y = _L3X£?5£PI/y ~6ж3.
3 4 в р
Поэтому
q = — = — 9 кг!м3.
V 6
При использовании непрерывных цилиндрических горизон-
тальных зарядов расход ВВ на 1 м3 выброшенного грунта со-
ставляет, как правило, 0,6—0,8, а иногда даже 0,5—0,6 кг/м3
(см. табл. 3). Таким образом, эффективность применения гори-
зонтальных непрерывных цилиндрических зарядов в 2—3 раза
больше, чем вертикальных. Это обстоятельство объясняется
тем, что при вертикальном расположении заряда различные
части его работают в неодинаковых условиях и эффективно дей-
ствует только некоторая средняя часть заряда. При вертикаль-
ном расположении заряда бесконечной длины эффективно ра-
ботает только та часть заряда, которая находится непосредствен-
но вблизи поверхности грунта и имеет длину /=В (где —
яре
численный множитель порядка единицы), а остальная часть за-
ряда действует вхолостую (см. главу I).
75
ГЛАВА III
ПРИМЕНЕНИЕ ВЗРЫВОВ НЕПРЕРЫВНЫХ
ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ
И ЩЕЛЕВЫХ ЗАРЯДОВ
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Как известно, для существующей технологии взрывных работ,
применяемой в СССР и за рубежом при строительстве открытых
каналов и различных гидротехнических сооружений в мягких
грунтах, характерны следующие недостатки: образование тре-
щин и глубоких радиальных заколов, нарушающих устойчивость
откосов; увеличение коэффициента фильтрации грунта; незна-
чительное действие взрыва в глубину; повышение стоимости раз-
работки 1 л/3 грунта вследствие большого удельного расхода
взрывчатых материалов и т. д.
На основании результатов многочисленных лабораторных и
полевых исследований и теоретических положений Л. И. Седова
и М. А. Лаврентьева в области автомодельного движения газа
со сферическими, цилиндрическими и плоскими волнами уда-
лось разработать теоретические предпосылки эффективного при-
менения непрерывных цилиндрических и плоских зарядов выбро-
са вместо сосредоточенных и вертикально удлиненных зарядов.
Таким образом, решена задача применения непрерывных ци-
линдрических зарядов при строительстве средних по глубине от-
крытых каналов (2—3 м) в мягких грунтах.
Производственные эксперименты в различных гидрогеологи-
ческих условиях полностью подтвердили эффективность взрыва
непрерывных зарядов, закладываемых на глубину, значительно
меньшую проектной глубины канала (с видимой глубиной р =
= (2-h2,5)/i, где h — глубина заложения непрерывного заряда
в м).
В 1937 г. Г. П. Демидюк [8] отметил эффективность приме-
нения удлиненных зарядов, размещаемых параллельно дневной
поверхности, причем им рассматривались два варианта взры-
вания: при l=GOdo и />60do (I—длина заряда; do—его диаметр).
В 1948 г. в Киевской области была произведена серия опыт-
ных взрывов с пороховыми горизонтальными отрезками зарядов,
запатронированных в мешковину, при создании мелкой осуши-
тельной сети в торфянистых грунтах [52]. Отрезки цилиндриче-
ских зарядов длиной 1—1,5 м и диаметром до 100 мм вручную
укладывали впритык в выкопанную прямоугольную траншею
глубиной 0,3—0,4 м. После взрыва таких зарядов от боевика,
заложенного в один из торцовых зарядов, образовались кана-
лы глубиной 0,7—1 м и шириной поверху 3—3,5 м. При этом
удельный расход пироксилиновых порохов снизился до 0,8—1 кг
76
на 1 л/3 выброшенного грунта вместо 1,7—1,8 кг/м? при одновре-
менном взрыве серии вертикальных скважинных зарядов в тех
же условиях. Подобные работы выполнялись и другими иссле-
дователями.
Г. В. Хетагуров в Казахской ССР применил метод строитель-
ства каналов взрывами патронированного порошкообразного ам-
монита, укладываемого в неглубокие прямоугольные траншеи.
Несмотря на значительный процент ручного труда (патрониро-
вание отрезков россыпными ВВ, рытье траншеи, укладка гото-
вых патронированных зарядов и засыпка траншеи забоечным
материалом после зарядки), был получен эффект при взрыве
даже таких малоудлиненных горизонтальных зарядов в отличие
от вертикальных. Однако этот метод не нашел широкого при-
менения в основном из-за трудоемких подготовительных работ,
выполняемых вручную.
Взрывы удлиненных зарядов стали применять для устройст-
ва средних и более глубоких каналов (до 2,5—3 м) с использо-
ванием кротодренажных машин для укладки под землей рос-
сыпных и патронированных непрерывных горизонтальных за-
рядов.
2. СТРОИТЕЛЬСТВО КАНАЛОВ ВЗРЫВАМИ
НЕПРЕРЫВНЫХ РОССЫПНЫХ ЗАРЯДОВ
Первые эксперименты по строительству открытых каналов взры-
вами непрерывных зарядов были выполнены в районе Курской
зональной опытно-мелиоративной станции (КЗОМС) ВНИИГиМ
в 1949—1950 гг. Для закладки в грунт россыпного непрерывно-
го заряда аммонита использовали реконструированный
плуг ДК-2.
Основным рабочим органом машины являются нож и дре-
нер. В торцовую часть дренера ввинчивается конусный ушири-
тель, с помощью которого можно изменять диаметр прорезае-
мой скважины и величину заряда в ней, а следовательно, и раз-
мер поперечного сечения взрываемого канала. Весь зарядный
механизм размещается на подвижной горизонтальной раме.
При перемещении машины нож с зарядным устройством, уста-
новленный на определенную глубину, прорезает в грунте узкую
щель, а дренер с конусным уширителем прорезает скважину
круглого сечения. При движении машины по оси будущей
выемки порошкообразный заряд ВВ из неподвижного бун-
кера поступает в подвижный, затем в скважину. Боевик встав-
ляют в торцовую часть заряда и взрывают. Образованный
канал не имеет перемычек, воронок и заколов по всему пе-
риметру и дну.
При заложении непрерывных россыпных горизонтальных
зарядов на глубину 0,6 и 0,7 м тяговое усилие (максимальное)
составляло 2500 кг, тяговая мощность 28,5—29 л. с. Тяговое со-
77
противление машины определяли пружинным динамометром
Горячкина с пружиной, оттарированной на 5000 кг.
При полевых исследованиях было установлено следующее.
Во-первых, при укладке россыпного заряда ВВ в горизонталь-
ную скважину на некоторой глубине от поверхности не может
быть гарантирована непрерывность процесса зарядки из-за раз-
личных неожиданных препятствий (карстовые образования, ва-
луны и т. д.). Во-вторых, из-за малой и неравномерней плот-
ности заряжания горизонтальной скважины россыпным ВВ
(0,7—0,8 г/см3) после взрыва сечение канала получается неоди-
наковым.
На последующих этапах был предложен вариант укладки
самоходными кротодренажными зарядными установками гото-
вых ВВ, запатронированных с постоянной плотностью (1,1—
1,2 г/см3) в полиэтиленовые длинные шланги высокого дав-
ления.
3. ПРОИЗВОДСТВЕННО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА
МЕТОДА СТРОИТЕЛЬСТВА ОТКРЫТЫХ КАНАЛОВ ВЗРЫВАМИ
НЕПРЕРЫВНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ
Лабораторными и полевыми экспериментальными исследования-
ми установлено, что метод строительства открытых каналов
взрывами непрерывных цилиндрических зарядов по сравнению
с обычными взрывами сосредоточенных и удлиненных верти-
кальных скважинных зарядов позволяет эффективнее использо-
вать энергию взрыва.
Программа экспериментальной проверки механизированной
закладки в горизонтальную скважину ВВ с плотностью заряжа-
ния полиэтиленовых шлангов 1,1 —1,2 г/m3 и образования за
один взрыв длинных каналов предусматривала также производ-
ственные исследования динамики фильтрационного потока в
этих каналах в летний и зимний периоды.
Строительство каналов взрывами проводилось главным об-
разом в суглинистых и торфянистых грунтах на производствен-
ных участках Управления по обезвреживанию сточных вод на
земледельческих полях орошения (УОСВ-ЗПО), а также на
пойме совхоза «Путь Ильича» (дер. Бяконтово Московской об-
ласти).
Шланг, заряженный ВВ, укладывали в грунт кротодренаж-
ной машиной на базе трактора С-80 (рис. 29). Рабочий орган
машины — нож с усиленным лезвием и прикрепленным к нему
на серьге дренером, который может быть заменен в зависимо-
сти от диаметра прорезаемой дрены.
Для укладки непрерывного горизонтального цилиндрическо-
го (шнурового) заряда инж. В. Г. Хазанов предложил исполь-
зовать специальный дреноукладчик ДПБН-1,8 (рис. 30). Шну-
ровой заряд наматывается на подвесной барабан машины.
78
По мере движения трактора вперед одновременно шнуровой
заряд укладывается в дрену (скважину) на расчетную глуби-
ну. В прорытую по оси трассы будущего канала неглубокую
траншею тракторист устанавливает навесное оборудование так,
чтобы нож с дренером и прикрепленным к нему запатрониро-
Рис. 29. Нож с дренером для заложе-
ния непрерывного горизонтального ци-
линдрического заряда
Рис. 30. Бестраншейный дреиоук-
ладчик ДПБН-1,8 для укладки
шнурового заряда
ванным шлангом совпадал с осью канала. Расчетная глубина
установки дренера с заряженным шлангом и глубина укладки
заряда в процессе движения трактора регулируются гидроси-
стемой навесного оборудования машины.
При первых опытных работах по укладке заряда ВВ в грунт
шланг в месте присоединения к дренеру часто разрывался.
79
В результате больших растягивающих усилий при протаскива-
нии в скважину заряженного шланга весом до 500—800 кг
серьга, соединяющая шланг с дренером, срезала полиэтилено-
вую оболочку, оставляя незаряженным участок трассы, что
осложняло работу и способствовало образованию перемычек.
Рис. 31. Соединительный замок с заряженным шлангом в сборе
После нескольких экспериментов был сконструирован на-
дежный замок для закрепления полиэтиленового заряженного
шланга с дренером, два варианта которых были изготовлены на
Подольском РМЗ, а затем испытаны при строительстве ороси-
тельных и осушительных каналов в дер. Бяконтово.
Соединительный замок в сборе показан на рис. 31. Свобод-
ный конец полиэтиленового шланга высокого давления обжи-
мается обоймой, тогда как в прежней конструкции он переги-
бался при соединении с серьгой.
Шланг, в который запрессовывается порошкообразное ВВ,
должен обладать высокими прочностными и эластичными свой-
ствами. Допустимое тангенциальное напряжение шланга
' 100 кгс/см2.
4. СТРОИТЕЛЬСТВО ОТКРЫТЫХ КАНАЛОВ ВЗРЫВАМИ
НЕПРЕРЫВНЫХ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ
ЗАРЯДОВ ВЫБРОСА
Полиэтиленовый шланг высокого давления, заряженный ВВ
до необходимой плотности, укладывают в направлении трассы
строящегося канала. Каждое звено запатронированного шланга
может иметь длину 25, 50, 75, 100 и 150 м. Шланги длиной 25—
50 м можно заряжать вручную со специальной эстакады или
с удобного косогора с уклоном около 45—50°. Плотность заря-
80
жания ВВ до 1 и 1,2 г!см3 достигается путем систематического
встряхивания шланга по мере его заполнения. Бригада из че-
тырех человек за смену может вручную зарядить до 300 м
шланга диаметром 75 мм (около 1500 кг аммонита плотностью
до 1,2 г/см3).
Рис. 32. Общий вид пневмо-
зарядной машины УЗС-1500
С целью повышения эффективности зарядки шлангов реко-
мендуется применять пневмозарядные машины. Для зарядки
шлангов высокого давления рекомендуется применять пневмо-
зарядную машину УЗС-1500 (рис. 32).
Техническая характеристика УЗС-1500
Дальность доставки ВВ по зарядному шлангу
в м........................................... 250
Рабочее давление сжатого воздуха в атм .... до 4
Общий расход сжатого воздуха в м3!мин ... » 6 -
Максимальная техническая производительность
в т/ч........................................... 3
Плотность заряжания шланга в г/слг3..........1,05—1,10
Емкость бункера в кг........................... 70
Габариты в мм:
длина........................................ 850
ширина......................................... 650
высота......................................... 880
Вес в кг......................................... 82
Конец заряженного шланга тракторист прикрепляет к зам-
ку дренера, а дренер присоединяет к нижней части ножа крото-
дренажной машины. Затем по команде руководителя взрывных
работ включается гидросистема, и нож вместе с заряженным
шлангом углубляется в землю, укладывая заряд в горизонталь-
ную скважину. При работе кротодренажной машины на пер-
вой передаче скорость укладки заряда в скважину составляет
1,5—1,8 км/ч в средних суглинках. По мере продвижения впе-
ред тракторист ориентируется по вешкам, установленным вдоль
6—50
81
оси через 10—15 м, на которых указана проектная глубина
укладки заряда.
Как только одно из звеньев шланга будет уложено в сква-
жину (оставляя свободный конец длиной 0,5—1 м), присоеди-
няют следующий отрезок, и так до тех пор, пока в скважину
не будет уложен весь расчетный непрерывный заряд (рис. 33).
Ilf ||||||И|1Я||;
Рнс. 33. Укладка непрерывного горизонтального ци-
линдрического заряда в грунт кротодренажнон машиной
Затем торцовую часть зарядного шланга, прикрепленную к зам-
ку дренера, отсоединяют. После этого тракторист одной из гу-
сениц трактора проглаживает щель, образованную ножом, для
более плотной забойки уложенного заряда. Кроме того, трак-
торист оконтуривает будущий канал с двух сторон, нарезая сим-
метричные щели глубиной 30—40 см на расстоянии от оси, рав-
ном проектному сечению канала. Все это обеспечивает условия
для образования ровных откосов каналов после взрыва.
Такой метод оконтуривания выработок (контурное взрыва-
ние) часто используют для придания забою прямолинейных
очертаний после взрыва.
После выполнения подготовительных работ производят
взрыв. Лица, не имеющие отношения непосредственно к взры-
ву, удаляются за пределы опасной зоны. В отличие от массо-
вых взрывов серии сосредоточенных или удлиненных вертикаль-
ных скважинных зарядов при новом методе не требуется мон-
таж взрывной сети, укладка боевиков в скважину и тщательная
проверка электродетонаторов по сопротивлению.
82
Взрывание одного непрерывного заряда весьма просто. Для
взрыва такого заряда достаточен один боевик с капсюлем-де-
тонатором № 8 или с мгновенным электродетонатором марки
ЭД-8-56, взрываемым от конденсаторных взрывных машинок
КПМ-1, ВМК-3/35 или от других источников тока, в том числе
и от электросети.
Для выполнения работ по новой поточно-механизированной
технологии организуется мобильная группа, передвигающаяся
на двух автомашинах грузоподъемностью 2,5—4 т. На одной
автомашине оборудуется передвижной склад для хранения
и транспортирования взрывчатых материалов (ВМ), а вторая
машина предназначена для транспортирования прицепного ком-
прессора (марки ДК-9), перевозки горюче-смазочных материа-
лов, пневмозарядчиков, инструментов и обслуживающего персо-
нала. Кротодренажная зарядная машина доставляется на место
взрывных работ трайлером или передвигается своим хо-
дом.
В районе строительства организуется склад ВМ. На терри-
тории склада отводится участок для затаривания ВВ в поли-
этиленовые шланги, откуда их перевозят па специальной авто-
машине к месту взрывных работ. Иногда целесообразно пункт
по затариванию шлангов организовывать вблизи трассы кана-
ла. В этом случае россыпные гранулированные ВВ доставляют
на место и с помощью пневмозарядчика УЗС или ПЗК заряжа-
ют шланги.
Передвижная группа обычно базируется па постоянном
участке взрывных работ и состоит из шести человек: мастера
взрывных работ, машиниста кротодренажпой машины, двух
взрывников, слесаря-компрессорщика, шофера автомашины.
Передвижной склад ВМ по согласованию с соответствующими
органами охраняет шофер автомашины. Зарядку шлангов с по-
мощью пневмозарядной машины осуществляют взрывники, по-
лучившие специальные удостоверения на право выполнения
этих работ. Обычно эту работу выполняют взрывник и компрес-
сорщик.
Передвижные группы работают по заранее намеченному
маршруту, согласованному с соответствующими органами и Гос-
гортехнадзором.
Технологическая карта на строительство канала по поточно-
механизированной технологии взрывных работ с применением
шнурового заряда представлена на рис. 34.
В порядке эксперимента взрывом непрерывного горизонталь-
ного заряда аммонита 6ЖВ, заложенного на глубину 0,6—0,7 м,
в торфяниках был образован канал длиной 300 м для отвода
родниковых вод, сильно заболачивающих пахотную землю со
стороны р. Пахры (Подольский район Московской обл.).
Глубина канала 1,4—1,8 м, ширина поверху 6—6,5 м, с от-
косами 1:2,5. Включая подготовительные работы к взрыву, ка-
6*
83
нал был построен за одну смену. Было выброшено около 2000я3
грунта при общем расходе ВВ 1500 кг (удельный расход ВВ
около 0,750 кг/л?). Для выполнения такого объема работ обыч-
ным экскаватором потребовалось бы не менее 7 дней.
Рис. 34. Типовая технологическая карта на строительство мелиоративных кана-
лов по новой поточно-механизированной технологии взрывных работ
а—схема организации работ по укладке шнурового заряда; б —схема соединения звеньев
шнурового заряда; / — шланг с ВВ; 2—кротодренажпая зарядная машина; 3—нож дре-
нера; 4— детонирующий шнур; 5 — места соединения шнуровых зарядов; 6 — рабочий ход
кротодренажной машины при укладке шнурового заряда в горизонтальную скважину:
7 — движение кротодренажной зарядной машины при нарезке оконтурнвающих щелей
Для сравнения дополнительно была выполнена серия мас-
совых взрывов разобщенных вертикальных скважинных заря-
дов в полевых условиях. Для создания одинаковых условий
был принят один и тот же расход ВВ на устройство 1 пог. м.
канала. Это позволило оценить конечные результаты взрыва
и сопоставить их с данными исследований на оптически актив-
ных материалах в лабораторных условиях с использованием
современной осциллографической аппаратуры и высокоскорост-
ных фоторегистраторов.
Как показал анализ, взрывы непрерывных горизонтальных
зарядов при устройстве открытых каналов обеспечивают более
высокие энергетические показатели и лучшие строительные ус-
ловия (отсутствие перемычек, более прямолинейное очертание
откосов и дна канала, повышение коэффициента углубления
ит.д.), тогда как взрывы вертикальных зарядов образуют лишь
узкую прорезь по линии наименьшего сопротивления. В даль-
нейшем были проведены изыскания по определению оптималь-
ных параметров каналов в суглинках и глинах, образуемых по
новому методу взрыва, и изучена устойчивость этих каналов
при эксплуатации и после зимнего перерыва.
Следует отметить, что параметры взрыва непрерывного го-
ризонтального заряда зависят от условий взрывания (типа
грунта и его физико-механических свойств). Развитие снопа
84
выброса грунта при взрыве непрерывного горизонтального за-
ряда приведено на рис. 35. Многочисленными опытами в произ-
водственных условиях установлено, что для устройства каналов
в средних суглинках с влажностью 20—22,5% и с подстилаю-
Рис. 35. Развитие снопа выброса грунта при взрыве непрерывного заряда
Рис. 36. Канал, созданный по поточно-механизирован-
ной технологии взрывом непрерывного горизонтально-
го цилиндрического заряда в суглинке
85
щим слоем тяжелых глин при проектной глубине канала 2,5 м,
ширине поверху 8 и понизу 0,6—0,8 м, с откосами 1 :2 (рис. 36
и 37) требуется заложить непрерывный горизонтальный заряд
диаметром 75 мм на глубину 0,8 м. Взрыв выбрасывает около
2500 м3 грунта, равномерно распределяя его по поверхности
Рис. 37. Типовой, поперечный профиль
канала после взрыва заряда в суглинках
в радиусе 25—30 м, и создает кавальер высотой не более 0,8—
1 м по сторонам канала. Канал не имеет перемычек, особых
неровностей и заколов. Канал, созданный взрывом непрерывно-
го траншейного заряда, в процессе эксплуатации показан
на рис. 38.
Рис. 38. Канал, образованный взрывом, в процессе эксплуата-
ции
В тех же суглинистых грунтах и гидрогеологических услови-
ях построен канал длиной 150 м, шириной поверху 7 м, глуби-
ной 1,5 м, с откосами 1:2 взрывом непрерывного горизонталь-
ного заряда диаметром 75 мм, заложенного на глубину 0,55 м.
На откосах этого канала, так же как и при других способах
взрыва, имеется слой обратно упавшего комковатого грунта.
При взрыве непрерывного горизонтального заряда мощность
86
Таблица 4 Цикличный график производства взрывных работ, время в ч
1-~ сч
сч
сч
00
ю
сч
о СМ
со —
о 0,17 0,1
1 Состав бригады 1 тракторист V разр. ' 1 шофер автома- шины Тракторист 2 тракториста
’ЭРЬ- 'ITSh Я lOQBd КЭ -q.90 ЧЭЭЯ ЕН qiooHwoot'Kdj, 0,17 О г 2,24
109В d иэч.9о 1 1000 1 1000
ВИНЭЙЭИЕИ ейиниЯд ) пог. м 1 пог. м
Этапы работ Приведение кротодре- нажной зарядной маши- ны в рабочее положение Раскладка запатрони- рованных шлангов по трассе канала Присоединение шланга ВВ к дренеру Заглубление дренера с зарядом и укладка его в горизонтальную скважи- ну в процессе перемеще- ния машины по оси ка- нала
87
Цикличный график производства взрывных работ, время в ч СЧ — СО 0,42 —
сч о
сч 0,52
00 со со
ю о
сч
о"
o'
со о
Состав бригады 1 тракторист То же 1 2 взрывника
•OBh-’lTOh Я lOpEd иэ -ч.ро чоэя вн qioonwootfAdx 0,33 0,52 , 0,34 0,84
logBd woipo 1000 1000 1 1000
BHHadawEH BUHHHtfj пог. м А 1 2* О е
Этапы работ Заделка щели после зарядки горизонтальной скважины Нарезка оконтуриваю- ших щелей глубиной 30—40 см на расстоянии от оси, равном проект- ной ширине канала Отвод техники и людей из опасной зоны Подготовка взрыва, взрыв
этого слоя на 35—40% меньше, чем при массовых взрывах вер-
тикальных или сосредоточенных зарядов.
В отличие от взрыва в лёссовых, суглинистых и торфянистых
грунтах взрыв непрерывного горизонтального заряда в глини-
стых грунтах образует корытообразное дно шириной понизу
1—1,2 м и более в зависимости от величины заряда и глубины
его укладки. Так, при взрыве заряда диаметром 75 мм, зало-
женного на глубину 0,5—0,6 м, образуется канал глубиной око-
ло 0,8—1 м, шириной поверху 3,5—4,5 м и понизу до 1,2 м,
с откосами 1 :1,5. Следовательно, в плотных глинах действие
взрыва в глубину распространяется всего на 30—35%. При тех
же величинах заряда и глубине их заложения в суглинках, лёс-
совых и торфянистых грунтах видимая глубина канала увели-
чивается более чем в 2—2,5 раза, при этом сечение выемки пос-
ле взрыва увеличивается (глубина выемки в минеральных грун-
тах при обычных способах взрыва увеличивается лишь на
30—33%).
При взрывах в плотных глинах и разложившихся торфяни-
ках для придания откосам более правильного профиля и очист-
ки их от крупных комков применяют планировщики.
В табл. 4 приведен цикличный график производства взрыв-
ных работ при строительстве каналов по новой поточной тех-
нологии с применением шнуровых зарядов (S= 10 м2, D — 8 м,
Н=2,5 м, 1=1000 ж). Технологическая карта и цикличный
график разработаны ЦЛМГИ СевНИИГиМ.
5. ОЧИСТКА КАНАЛОВ И ВОДОЕМОВ ОТ НАНОСОВ
ВЗРЫВАМИ НЕПРЕРЫВНЫХ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ
ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ
Основные причины заиления открытой осушительной сети
Одной из главных причин разрушения и заиления каналов
является неустойчивость поперечных и продольных профилей
водопроводящей сети в слабосвязных и переувлажненных грун-
тах. В период весенне-осенних паводков, когда скорости тече-
ния достигают максимальных величин, частицы грунта смыва-
ются потоком с откосов и дна канала и откладываются ниже
по течению на участках с меньшими уклонами.
При последующих паводках, там, где отложились наносы,
скорости течения снижаются по сравнению с расчетными, транс-
портирующая способность потока уменьшается и начинается
постепенное заиление канала. Канал зарастает травой, кустар-
ником, в результате чего создается подпор на вышележащих
участках, а если канал магистральный, то и во всей регулиру-
ющей сети. При таких условиях мелиоративная система не смо-
жет -своевременно отводить поверхностные воды и понижать
уровень грунтовых вод.
89
88
Очень часто из-за недостаточности гидрогеологических ис-
следований не предусматривается крепление тех участков кана-
ла, где наблюдается выклинивание грунтовых напорных вод.
Грунт выносится из откосов, создавая угрозу обрушения,
и в результате канал оплывает и заиливается.
На устойчивость откосов и дна канала оказывает также
большое влияние периодичность действия некоторых мелиора-
тивных систем.
После сброса паводковых вод, и особенно в первый год экс-
плуатации канала, когда откосы еще не укрепились корневой
системой, происходит сильное переувлажнение поверхностного
слоя грунта, а затем быстрое усыхание и уменьшение в объеме.
В результате в поверхностном слое грунтов откосов появляют-
ся незначительные трещины, которые с каждым циклом увели-
чиваются, нарушая его структурность. При последующих па-
водках слои грунта с нарушенной структурой легко смываются
водой и, откладываясь ниже по течению, вызывают тот же про-
цесс заиления. Большое разрушительное действие на открытые
каналы оказывают и поверхностные воды, в результате чего
в откосах образуются промоины, обвалы, оползни.
Большую роль при эксплуатации канала играет его хозяй-
ственное назначение. Каналы на предприятиях с фрезерным
способом добычи торфа требуют очистки через один-два сезона
без учета дноуглубительных работ, предусмотренных проектом
на сработку залежи.
Несмотря на проведение профилактических мероприятий,
каналы, как правило, нуждаются в расчистке и углублении че-
рез 10—15 лет эксплуатации.
В настоящее время расчистку и дноуглубление производят
экскаваторами, драглайнами и канавоочистителями и т. д. Ме-
ханизированный способ очистки каналов требует большого ко-
личества техники, квалифицированной рабочей силы и затрат
времени. Кроме того, не всегда и не везде можно использовать
землеройные машины, особенно в топких болотах.
В связи с большим объемом и важностью мелиоративных
работ Центральной лабораторией мелиоративных гидровзрыв-
ных исследований СевНЙИГиМ проведены экспериментальные
работы по расчистке каналов в торфяных и минеральных забо-
лоченных грунтах с применением нового метода взрыва углуб-
ленных непрерывных горизонтальных цилиндрических зарядов
вместо сосредоточенных и вертикально-удлиненных разобщен-
ных зарядов.
Краткие гидрогеологические условия
Экспериментальные работы проводились на объектах опытно-
производственного охотохозяйства «Калининское» Кимрского
района Калининской области. Общая площадь угодий 54 580 га,
в том числе заболоченных 44 000 га.
90
Рельеф равнинного типа представляет собой впадину с по-
логим понижением к центру. Большую часть понижения зани-
мает поросшее (в основном редколесьем) моховое болото. В за-
болоченной части почвы торфянистые, в остальных местах су-
глинистые и песчано-подзолистые.
Климат на территории охотохозяйства умеренно континен-
тальный. Зима холодная, многоснежная; лето теплое, влажное.
Продолжительность морозного периода 130—140 дней. Снег,
как правило, выпадает во второй половине ноября. Наиболее
низкая температура бывает в январе.
Каналы, подлежащие очистке, проходили по верховому бо-
лоту от его окраины к центру. Мощность сильноразложившей-
ся торфяной залежи в пределах канала достигала 0,8—3 м.
Режим питания смешанный — за счет атмосферных осадков
и грунтовых напорных вод, залегающих на глубине 0,7 м. Ни-
же торфяного слоя залегают тяжелые моренные суглинки с вклю-
чением гравия диаметром 3—5 см, которые являются водоупор-
ным слоем.
Русло канала на период обследования заилилось на всем
протяжении в среднем на 40—50% первоначального сечения.
На участках выклинивания грунтовых вод образовались намы-
вы. Откосы обрушились и заросли кустарником. Глубина воды
в канале составляла в среднем 5—10 см. Уклон дна канала на
всем протяжении после заиления равнялся нулю.
Общая длина канала около 1,5 км, ширина поверху 6—
7,5 м, глубина 2—2,5 м. Канал расположен в сильно заболо-
ченной местности, мощность торфа от 8 до 3 м. Дно канала
и водоема подстилают тяжелые вязкие суглинки с включением
гальки. Отдельные участки канала и водоема, подлежащие
очистке, полностью заилены слоем до 1 м. На протяжении
250 м канал зарос травой и камышом, а на длине 150 м слой
воды составлял всего лишь 5—7 см.
Производство взрывных работ по очистке каналов
и других выемок
Организация производства взрывных работ включает разработ-
ку следующих вопросов:
1) определение основных взрывных параметров при расчист-
ке каналов от заиления, глубины заложения ВВ, расхода ВМ
и т. д.;
2) составление технологической схемы взрывных работ по
очистке и углублению каналов;
3) определение основных гидротехнических параметров ка-
нала после расчистки и дноуглубления его взрывом непрерыв-
ных горизонтальных цилиндрических зарядов выброса.
Канал длиной 1500 м в 1963 г. расчищали обычным механи-
зированным способом, а к 1969 г. он заново заилился в одних
91
местах полностью, а на других участках на 40—50% первона-
чального сечения.
Слой воды в канале (по данным замера 28 августа 1969 г.)
составлял 0—10 см. Уклон канала по оси практически равнял-
Рис. 39. Продольный профиль канала до и после взрыва
/ — отметка дна существующего канала; 2—отметка дна канала после взрыва
ся нулю. Откосы местами обрушились, оплыли, заросли кустар-
ником.
Для наблюдений за изменением поперечных и продольного
профилей канала были разбиты контрольные створы и установ-
лены реперы с указанием расстояний от них до правой и левой
бровки.
По результатам нивелирования был построен продольный
профиль канала до и после взрыва (рис. 39), составлены геоло-
гический разрез и проект взрывных работ. Для очистки канала
применяли взрыв непрерывных горизонтальных цилиндрических
зарядов, заглубленных в заиленную часть канала на 30—40 см,
в полиэтиленовых шлангах высокого давления диаметром
80—150 мм.
Через два-три дня после очистки снова определяли парамет-
ры канала: составляли исполнительные поперечные и продоль-
ный профили, определяли величину дноуглубления и объем вы-
брошенного грунта после взрыва.
Почти на всем протяжении канала после очистки взрывом
сохранялись откосы, в некоторых случаях откосы были незна-
чительно уположены. Среднее заложение откосов после взрыва
’ в суглинках составляет около 1,2—1,6.
При очистке канала взрывом большое значение имеет его
первоначальное сечение. На участках с пологими откосами
грунт выбрасывался по касательной к откосам, в результате
чего увеличивалась эффективность выброса. Величину непре-
рывных горизонтальных цилиндрических зарядов определяли
по формулам (см. главу I). Обычно вес зарядов и параметры
расположения их уточняют опытным путем в процессе работ.
Для очистки каналов и водоемов в основном используют
секционные заряды ВВ (рис. 40) (зерногранулиты 79/21 или
50/55, аммонит 6Ж.В и др.). Для изоляции зарядов и придания
им цилиндрической формы применяют полиэтиленовые шланги
высокого давления диаметром 30—100 мм. В зависимости от
92
глубины и ширины канала, а также от мощности наносного
слоя в канале применяют одинарные и спаренные заряды. Пат-
ронирование полиэтиленовых шлангов россыпными ВВ произ-
водится на месте проведения взрывных работ. Для повышения
Рис. 40. Конструкция непрерывного горизонтального цилиндрического заряда,
применяемого при очистке каналов взрывом
/ — аммонит 6ЖВ; 2 — зерногранулит 79/21; 3 — детонирующий шнур; 4—электродетонатор
производительности труда и сокращения затрат времени на пат-
ронирование ВВ засыпают в шланги с двух концов зарядной
машиной УЗС-1500 (6000) или ПЗК-150 .
Горизонтальные заряды погружали в торфяную массу по
центру канала на глубину 30—40 см.
Взрывами одинарных зарядов иногда не обеспечивается пол-
ная очистка широких и глубоких каналов вследствие небольшо-
го поперечного сечения цилиндрического заряда. Слой воды
Рис. 41. Профиль канала после очистки его взрывом спаренных непрерывных
зарядов
/ — массив легкого грунта (торфяник); 2—слой воды; 3~ заиленная часть канала;
4— щелевая прорезь; 5—спаренные горизонтальные цилиндрические заряды; 6 — контур
канала до очистки его взрывом; 7—контур канала после взрыва; 8 — навал грунта, вы-
брошенного взрывом; 9 — минеральный подстилающий слой
после взрыва увеличивается не более чем на 0,3 м. При нали-
чии крутого берега при взрывах часто образуются заколы (тре-
щины), а местами наблюдаются отвалы берегов откоса. Для
устранения указанных недостатков применяют взрывы спарен-
ных цилиндрических зарядов, размещаемых параллельно по-
верхности земли на глубине 30—45 см и на расстоянии 0,6 м
93
от продольной оси канала в сторону пологого берега (с целью
предохранения от разрушения противоположного крутого отко-
са) (рис. 41).
Под действием взрыва непрерывных цилиндрических спарен-
ных зарядов, погруженных на глубину 30—45 см с помощью
специального глубинного шаблона, торфянистая водонасыщен-
Рис. 42. Поперечный профиль
(исполнительная нивелировка)
канала после очистки его от
наносов взрывом непрерывного
горизонтального цилиндриче-
ского заряда
/ — профиль канала до очистки;
2—профиль канала после очистки
его взрывом
ная масса выбрасывается к берегам канала. После взрыва глу-
бина канала достигает минерального подстилающего слоя, т. е.
канал полностью очищается от наносов, ликвидируется заколо-
образование на высоком берегу без видимого обвала. Слой во-
ды в указанных условиях достигает 0,8—1 м. Следует отметить,
что при взрыве кроме очистки одновременно происходит уплот-
нение грунтов ложа канала.
Выброшенный взрывом грунт распределяется равномерно
по обе стороны канала на расстояние 10—15 м слоем 8—15 см.
Ширина канала поверху увеличивается главным образом на по-
перечниках с крутыми откосами, а на участках с пологими бе-
регами не изменяется. Уклоны дна канала на контрольных уча-
стках составляли 0,002—0,0055, а общий уклон равнялся 0,00053,
что является минимально допустимым при проектировании ме-
лиоративных осушительных систем (см. рис. 39).
Общий вид канала после очистки от наносов показан па
рис. 42.
Применение взрывов непрерывных горизонтальных цилинд-
рических зарядов для очистки каналов и водоемов обеспечива-
ет высокую эффективность работ, повышение производительно-
сти труда в 3—5 раз, снижение расхода средств взрывания
в десятки раз и безопасность работ. Эффективность взрывов
значительно снижается при наличии пней и камней. Поэтому
их необходимо удалять взрывами накладных зарядов или заря-
дов подкопа.
6. РЫХЛЕНИЕ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ВЗРЫВАМИ
НЕПРЕРЫВНЫХ ЩЕЛЕВЫХ ЗАРЯДОВ
Экспериментальные взрывные работы выполнялись на опытном
объекте «Горки-2», а также на других объектах Московской об-
ласти. Люберецкая передвижная механизированная колонна
(ПМК) Главмосводстроя на опытном объекте «Горки-2» произ-
94
водила рытье траншей зимой 1968/69 гг. при мощности мерзло-
го грунта 1,5—1,7 м.
Разработка мерзлых грунтов землеройными и рыхлительны-
ми механизмами оказалась трудноосуществимой ввиду высокой
вязкости этих грунтов. Было принято решение разрабатывать
грунты взрывами по поточно-механизированной технологии.
По оси намечаемой трассы траншеи или канала щелерезной
зарядной машиной (рис. 43) в мерзлом грунте устраивают уз-
кую выработку длиной 50 л и более. Глубина выработки зави-
сит от мощности мерзлого грунта. Скорость проходки щелевой
выработки, в которую непрерывно засыпается порошкообразное
гранулированное ВВ, зависит от глубины и ширины щели, а так-
же от степени промерзания грунта. Щель шириной 14 см на
глубину 1,2—1,5 м устраивают со скоростью 1 м!мин, при этом
щель сохраняет устойчивое положение.
Для более эффективного дробления мерзлого грунта после
зарядки щель заполняют забойкой с помощью бульдозерного
ножа, размещенного на передней раме щелерезной зарядной
машины. Инициирование удлиненного непрерывного заряда про-
изводится при помощи взрывной конденсаторной машины
ВМК 3/150 или от других источников тока. Производство взрыв-
ных работ осуществляется в соответствии с требованиями «Еди-
ных правил безопасности по взрывным работам».
В процессе экспериментальных работ были изучены три ва-
рианта расположения щелевого заряда при взрывном рыхлении
мерзлого грунта.
В варианте I (рис. 44, а) щелевой заряд расположен по оси
95
траншеи на глубине, равной половине мощности мерзлого слоя.
При взрыве такого заряда диаметр воронки выброса получает-
ся больше ширины траншеи, а глубина воронки рыхления со-
ставляет 2/з полной мощности мерзлого слоя. В этом случае
экскаватор может разрабатывать только разрыхленный мерз-
лый грунт. Для рыхления
оставшегося слоя мерзло-
го грунта можно приме-
нить повторный взрыв
шнуровых зарядов или
клин-бабу.
Данный вариант при-
меним при следующих па-
раметрах: мощность мерз-
лого слоя грунта 1,5—
1,7 м, глубина щели 0,8 м,
ширина 14 см, глубина
взрывного рыхления 1—
1,2 м, ширина воронки
рыхления 3—3,5 м при
ширине траншеи 0,8 м,
вес 1 пог. м заряда ВВ
(аммонит 6ЖВ) 5 кг.
Этот вариант рыхле-
ния мерзлого грунта
взрывами щелевых заря-
дов мало эффективен, так
как требуются дополни-
тельные затраты средств
и времени.
Вариант II (рис. 44, б)
отличается тем, что глу-
бина заложения щели в
мерзлом массиве грунта
составляет около 80%
полной мощности слоя. В этом случае увеличивается радиус дей-
ствия взрыва, но не обеспечивается минимальная кусковатость
грунта, а следовательно, наибольший коэффициент использова-
ния ковша экскаватора. Как правило, требуется дополнитель-
ное рыхление глыб взорванного грунта, кроме того, вершина
обратного конуса рыхления препятствует прониканию ковша
в слой мерзлого грунта.
Если щель, в которой заложен непрерывный щелевой заряд,
достигает поверхности талого грунта, в результате действия
взрыва в талом грунте образуется камуфлет. В этом случае
верхний слой мерзлого грунта не будет разрыхлен и разработ-
ка его экскаватором не будет эффективной.
Следовательно, применение взрывов щелевых зарядов по
*)
1 2 3 4 6
Рис. 44. Варианты заглубления щелевого
заряда
а—-на половнну мощности мерзлого слоя грунта;
б—на глубину 2/з мощности мерзлого слоя грунта;
1 — щелевая выработка; 2 —забойка; 3 — заряд
ВВ; 4 — разрыхленный взрывом грунт; 5—контур
вороикн рыхления; 6 — массив мерзлого слоя
грунта; 7 — подстилающий талый грунт
96
варианту II не обеспечивает эффективного дробления мерзлого
грунта.
Вариант II применим при мощности промерзания суглини-
стого грунта 1,5—1,7 м, глубине щели 1,2—1,3 м. Вес 1 пог. м
непрерывного заряда составляет около 6 кг, ширина выемки
Рис. 45. Вариант создания узких
траншей взрывом в мерзлых грун-
тах при помощи компенсирующих
выработок
3,5—4,5 м. При использовании варианта III (рис. 45) для сни-
жения расхода энергии, затрачиваемой на создание выемки,
и увеличения дробящего действия траншею оконтуривают с двух
сторон щелевыми выработками, которые являются компенсиру-
ющим пространством при взрыве заряда ВВ, заложенного в
центрально?! части и засыпанного забойкой. Оконтуривающие
щели, нарезанные на ширину проектируемой траншеи, взрыв-
чатым веществом не заполняются. При этом варианте значи-
Рис. 46. Разрыхленный взрывом мерзлый грунт (по III варианту) при
создании траншеи для укладки трубопровода
/--щелевая выработка; 2 забойка; 3 — заряд ВВ; 4— разрыхленный взрывом
.грунт; 5 — оконтуривающие выработки (щели); 6 — массив мерзлого'слоя грунта; ‘
7—подстилающий талый грунт
7-50 97
тельно облегчается выемка разрушенного взрывом грунта
(рис. 46) и в 2,5—3 раза сокращаются затраты времени.
Вариант III применим при глубине промерзания грунта не
менее 1,6 м. В качестве ВВ используются зерногранулиты и по-
рошкообразный аммонит 6ЖВ для боевика. Глубина оконтури-
вающих щелей 1,5 м, ширина траншеи 0,8 м, вес 1 пог. м непре-
рывного заряда 3,5 кг. Производительность экскаватора-драг-
лайна повышается в 3 раза, а скорость проходки траншей уве-
личивается в 5 раз.
Таким образом, этот вариант рыхления мерзлых грунтов яв-
ляется наиболее эффективным при разработке траншей для
укладки трубопроводов.
7. ДОРАБОТКА ПРОФИЛЯ КАНАЛА, ОБРАЗОВАННОГО ВЗРЫВОМ
Как правило, профиль каналов проводящей сети (коллекторы,
магистрали), образованных взрывом, требует доработки зем-
леройными механизмами: экскаваторами, бульдозерами и отко-
сопланировщиками.
Взрывом шнурового цилиндрического или щелевого заряда
можно получить каналы трех типов:
I тип — проводящие каналы (рис. 47), получаемые взрывом
непрерывного заряда при
Рис. 47. Типы каналов, созда-
ваемых взрывом шнуровых за-
рядов
условии наибольшего приближения
сечения образованной выемки к про-
ектному сечению канала. Объем до-
работки канала землеройными ме-
ханизмами составляет 5—10% об-
щего объема разрабатываемого
грунта.
По формулам и кривым зависи-
мости основных параметров откры-
тых каналов, образованных взрывом
непрерывного горизонтального ци-
линдрического заряда, от диаметра
(веса) заряда [33] заранее можно
рассчитать параметры получаемой
выемки и, следовательно, устано-
вить применимость взрывного мето-
да для строительства канала. Обыч-
но на трассе канала производят
два-три пробных взрыва.
II тип — сбросные каналы (см.
рис. 47), предназначаемые для отво-
да поверхностных вод или предварительного осушения верхо-
вых болот, транспортирования воды с обводненных участков в
водоприемники. Сбросные каналы практически работают два —
четыре месяца в году в период осенних и весенних паводков.
Проектное сечение каналов выбирают из расчета пропуск-
ной способности, при которой в кратчайший срок обеспечивает-
98
ся отвод воды с затопляемых участков. Последующая дорабоТ'
ка канала до проектного сечения, как правило, не требуется.
Учитывая заиление канала в процессе эксплуатации и очистку
его землеройными механизмами, сечение канала принимают
больше проектного.
В отличие от каналов, построенных механизированным спо-
собом, в каналах, образованных взрывами (по данным
СевНИИГиМ), отсутствует зарастание дна травяным покровом.
III тип — пионерные каналы (траншеи) (см. рис. 47), проло-
женные по заболоченной местности и в мерзлых грунтах, явля-
ются временными сооружениями и предназначаются для пра-
вильной организации всего комплекса работ на строительных
объектах. После прокладки пионерную траншею расширяют
и углубляют экскаваторами до проектных размеров. Прокладка
пионерной траншеи способствует понижению уровня грунтовых
вод. Вследствие уменьшения гидродинамического давления по-
вышается устойчивость откосов.
Расчетные параметры взрыва при устройстве каналов опи-
санных трех типов приведены в табл. 5.
Таблица 5
Расчетные параметры взрыва Тип канала
1 11 III
Эффективный параметр ..... 80 100 60
Глубина заложения заряда в м . . 0,6 0,8 0,5
Вес 1 пог. м шнурового заряда в кг/м 4,8 5,8 3,2
Глубина канала в м 1,7 2,5 1,4
Расчетный удельный расход ВВ в кг/см3 0,6 0,75 0,5
Диаметр заряда в мм . . . . 70 80 60
Плотность заряжания в г/см3 . . 1,2 1,2 1,2
Ширина канала по дну в м . . . 1 1,2 0,5
Объем доработки канала после взрыва (в расчете на 1 пог. м) в % 5—10 — 25—30
Стоимость 1 м3 выброшенного грунта в руб 0,28—0,30 0,30—0,32 0,24—0,26
По данным Белорусского научно-исследовательского инсти-
тута мелиорации и водного хозяйства, пионерные траншеи с
площадью, равной 7з площади проектного сечения водоприем-
ников, обеспечивают нормальные условия для выполнения ра-
бот даже в многоводные годы.
Канал, образованный взрывом на выброс, дорабатывают до
7*
99
проектного сечения, как правило, одноковшовым экскаватором,
который передвигается по бровке канала. При ширине канала
более 10 м экскаватор передвигается сначала по одной стороне
канала, потом по другой (рис. 48). Для зачистки канала и уда-
ления обратно упавшего после взрыва грунта применяют отко-
сопланировщики ПО-2 (рис. 49)
Рис. 48. Доработка взорванного кана-
ла (тип III) экскаватором до проект-
ной отметки
1 — проектная отметка; 2 — отметка после
взрыва
Рис. 49. Схема доработки канала
(тип I) откосопланировщиком пос-
ле взрыва
/ — проектная отметка; 2 — отметка
после взрыва; 3—боковой отвал; 4—зад-
ний отвал
8. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ
СТРОИТЕЛЬСТВА КАНАЛОВ ПО НОВОЙ
ПОТОЧНО-МЕХАНИЗИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
ВЗРЫВНЫХ РАБОТ
Новая поточная технология взрывных работ, разработанная
СевНИИГиМом, позволяет при минимальных капитальных вло-
жениях и большой производительности выполнять земляные ра-
боты при устройстве каналов, водоемов и других выемок. По
сравнению с обычными взрывами разобщенных сосредоточенных
скважинных вертикальных и малых удлиненных зарядов при ус-
Таблица 6
Конструкция зарядов Стоимость взрывных работ в руб. Приведенные затраты в руб. Трудоем- кость произ- водства взрывных работ в чел. -днях Количе- ство рабочих, занятых в процес- се Выработка на 1 рабочего в м3
Вертикаль- ные скважин- ные 3623,2 3623,2 64,2 10 . 1 100
Непрерывные горизонталь- ные 1304,7 1314,63 2,6 6 13 350
100
Таблица
ов в водо- 'нтах _ о к Sb • •«к й О К о t- S S « « х о в О S д Ч зS2S «2 Йо н га и а: «ь о х о к g Ф Д ф Р.Ф 312,4 ю 185 сч 1 369,2 186,2
ьство канал< [щенных гру । торами емкостью мл 52,1 ф со 213,9 63,4 i 8250 245,8
СтроитеЛ] насы экскавг с ковшом в ! 0,8 | 1 41,1 00 со 233,3 1 10 450 263,9
S . о й = О га _ е? Д й с а 2 260 ф 185,4 2,15 1 ' 391,2 189,1
влажности взрывом с доработкой экскаваторами с емкостью ковша в м3 174 ф 197,4 5,8 1037,2 202,6
природной | 8'0 174 ф 199,2 ф 1217,2 203,5
:тво каналов в грунтах ггорами емкостью авниваннем ьдозерами - 37,2 212,9 64,1 10 750 251,5
экскавг с ковшом в м3 с разр грунта бул 1 8'0 32,5 OQ 255,4 1 72,7 ' 1 1 12 400 262,1
ч си к о 3 л ® § 2.* •- S ф 133 41,1 7150 | 160,8 ।
® S м га о a д ° « * о (Г. х и 1 8'0 1 48,8 СЧ СО 145,6 49,7 8800 171,4
101
тройстве каналов взрывом непрерывных горизонтальных шнуро-
вых зарядов при одних и тех же условиях в 1,8—2 раза умень-
шается глубина заложения заряда в грунт, на 20—25% увели-
чивается объем выемки, на 25—30% снижается удельный рас-
ход ВМ (табл. 6).
Как видно из таблицы, наиболее эффективным является ме-
тод непрерывных горизонтальных шнуровых зарядов, что обу-
словливается высокой степенью механизации основных произ-
водственных операций (особенно зарядки горизонтальной сква-
жины) и сокращением удельного расхода ВМ на 1 .-и3 выбро-
шенного грунта. Кроме того, для строительства каналов по но-
вой технологии взрывных работ не требуется сложное обору-
дование и землеройные механизмы.
Экономическая эффективность строительства каналов по но-
вой поточно-механизированной технологии взрывных работ в
сравнении со строительством каналов механизированным спосо-
бом приведена в табл. 7.
Как видно из таблицы, при применении взрывного мето-
да значительно повышается производительность труда, вслед-
ствие чего сокращается потребность в высококвалифициро-
ванных кадрах механизаторов примерно в 6—8 раз и сни-
жается металлоемкость на единицу продукции. Трудоем-
кость производства работ уменьшается в среднем в 28 раз
(в водонасыщенных грунтах) и в 11—12 раз (в грунтах при-
родной влажности).
Экономическая эффективность применения новой поточно-
механизированной технологии взрывных работ при строительст-
ве каналов в сравнении с механизированным способом обуслов-
ливается следующими факторами:
а) сокращением размеров капитальных вложений на приоб-
ретение основных фондов;
б) дополнительной прибылью за счет сокращения сроков
строительства;
в) сокращением объема незавершенных капитальных вложе-
ний за счет сокращения сроков строительства;
г) уменьшением размеров накладных расходов.
Учитывая, что строительство каналов взрывом на выброс
целесообразно применять только в особых гидрогеологиче-
ских и топографических условиях, требуется тщательное обо-
снование экономического эффекта и параметров взрывных
работ.
ГЛАВА IV
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ
И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЗРЫВА
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Вопросы изменения физико-механических свойств грунтов под
действием взрыва и энергетическая оценка взрыва при строитель-
стве каналов, траншей и других гидротехнических сооружений
изучены еще недостаточно полно.
Как известно, основные размеры (ширина и глубина) каналов
и котлованов, образованных взрывным способом, а также устой-
чивость их откосов зависят в первую очередь от физико-меха-
нических свойств грунтов, степени их водонасыщенности, трещи-
новатости и др. Ввиду отсутствия данных, характеризующих
гидрогеологические условия и физико-механические свойства
грунтов, очень трудно правильно рассчитать параметры взрыва
при строительстве каналов, котлованов и траншей. Поэтому на
практике не всегда удается вписаться в проектный профиль, так
как бывают всегда недоборы или излишний выброс грунта. Для
устранения этих недоделок требуются дополнительные затраты
времени и средств, в результате чего снижается экономическая
эффективность применения взрывного способа.
Основные физико-механические свойства грунтов (объемный
вес, влажность, пористость, механический состав) определяют
методом отбора проб по существующей методике почвенно-грун-
товых лабораторий и современным радиометрическим методом.
2. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕКОТОРЫХ
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ФИЛЬТРАЦИОННЫХ
СВОЙСТВ ГРУНТОВ
Понятия об удельном и объемном весе грунтов
Удельный вес — это отношение веса частиц породы к их объему:
у = г^см?. (IV. 1)
Численно удельный вес равен весу единицы объема скелета
грунта при условии отсутствия пор.
Удельный вес зависит от минералогического состава грунта
и увеличивается с увеличением содержания в нем тяжелых ми-
нералов. Так, у основных пород, содержащих железо, магний,
удельный вес выше, чем у кислых, состоящих в основном из квар-
ца.
103
Наличие в минеральном грунте гумуса и органических ве-
ществ снижает удельный вес.
Наиболее часто встречающиеся в строительстве грунты име-
ют следующий удельный вес:
Торф........................................0,5—0,8
Чернозем с содержанием 10,3% гумуса .... 2,37
Чернозем с меньшим содержанием гумуса . . . . 2,4—2,5
Сантонский (кремнистый) алевролит............. 2,56
Лёссовидный чернозем.......................... 2,57
Суглинистый » 2,60
Подзолистый суглинок с содержанием 3% гумуса 2,65
Пески................................... . 2,65—2,67
Пески с примесью глииы (супеси).............2,67—2,6)
Юрская глина.................................. 2,75
Мергель....................................... 2,83
Верхнеюрская глина............................ 2,92
Удельный вес обычно определяют в стационарных или поле-
вых лабораториях по образцам пород, измеряя объем и вес твер-
дой фазы грунта. Вес частиц породы определяют путем взвеши-
вания высушенной пробы грунта, а его объем находят следую-
щими способами: пикнометрическим, объемным, вытеснением
газа, гидростатическим взвешиванием. Наибольшее распростра-
нение получил пикнометрический способ.
Объемный вес грунта — это вес единицы объема. Объемный
вес характеризует инженерно-геологические свойства и струк-
турные особенности грунта (плотность расположения слагаю-
щих элементов) после взрыва заряда ВВ. Различают объемный
вес сухого грунта (объемный вес скелета) и влажного грунта.
Объемный вес влажного грунта (А) — это вес единицы объе-
ма грунта с естественной влажностью и структурой:
А = f -. (IV.2)
Объемный вес влажного грунта зависит от его минералоги-
ческого состава, пористости и влажности. Грунты одного и того
же минералогического состава и одной пористости могут иметь
различный объемный вес из-за разной их влажности, и наоборот,
грунты с одинаковой влажностью могут различаться по объем-
ному весу вследствие их разного минералогического состава и
пористости. Объемный вес дисперсных грунтов (связных, несвяз-
ных и крупнообломочных) колеблется от 1,3 до 2,4 г/см3.
Объемный вес большинства скальных грунтов близок к удель-
ному весу вследствие малой пористости грунтов этой группы.
Так, объемный вес изверженных и метаморфических пород 2,5—
3,5, аргиллитов и алевролитов 2—2,5, песчаников 2,1—2,65 и из-
вестняков 2,3—2,9 Г!см3.
104
Объемный вес влажного грунта является расчетным пока-
зателем при определении давления пород на подпорную стенку,
устойчивости откосов и оползневых склонов, допускаемого дав-
ления в основании сооружений. Кроме того, его используют при
расчетах объемного веса скелета грунта.
Объемный вес сухого грунта или объемный вес скелета грун-
та-— это вес единицы объема абсолютно сухой породы:
6= у. (IV.3)
Объемный вес скелета зависит от пористости и минералоги-
ческого состава грунта. Чем меньше пористость и выше содер-
жание тяжелых минералов в породе, тем больше объемный вес
ее скелета.
Методы для определения объемного веса пород подразделя-
ются на две группы: методы, позволяющие определить плотность
пород в условиях их естественного залегания, и методы, приме-
няемые для определения объемного веса, как правило, неболь-
ших образцов грунта, извлекаемых из массива. Методы первой
группы применяются исключительно в полевых условиях, а ме-
тоды второй группы применяются как в полевых, так и в лабо-
раторных условиях.
Плотность грунта является одним из основных параметров,
входящих в формулы расчета величины шнурового заряда и раз-
мера выемки после взрыва.
К первой группе относятся ядерные и пенетрационные мето-
ды. Особенностью пенетрационных методов является то, что,
кроме плотности, они позволяют косвенным путем определить
некоторые физико-механические свойства грунта. Однако полу-
чаемые этим методом значения объемного веса зависят от ряда
структурных и текстурных особенностей и состояния грунта.
Самыми перспективными методами для определения плот-
ности грунта в условиях его естественного залегания являются
гамма-лучевые методы. Они обеспечивают достаточную для
практических целей точность получаемых данных, и их можно
применять как при разовых, так и при многократных определе-
ниях плотности одного и того же объема грунта, что особенно
важно при стационарных наблюдениях.
Ядерные методы можно применять для определения объем-
ного веса практически всех петрографических типов пород. Од-
нако наиболее широко их используют для измерения плотности
дисперсных грунтов, в связи с чем разработан ряд полевых гам-
ма-плотномеров.
Ко второй группе относятся методы непосредственных изме-
рений, режущих цилиндров, объемный, гидростатического взве-
шивания и расчетный. Различие их объясняется в основном спо-
собами определения объема образца; по объему вытесненной
жидкости, по весу вытесненной жидкости, путем непосредствен-
ного обмера образца.
105
Определение объемного веса грунта по рассеянию и поглоще-
нию гамма-лучей. Гамма-лучевые методы определения объемного
веса грунта основаны на эффектах, происходящих при взаимо-
действии гамма-квантов
Рис. 50. Схема глубинного
гамма-плотномера ГГП-1
1 — гильза; 2 — контрольно-ка-
либровочное устройство; 3—ра-
диометр М-30М; 4 — гамма-излу-
чатель; 5 — свинцовый раздели-
тель; 6 — детектор гамма-кван-
тов; 7 — вода; 8 — кабель;
9 —стальная трубка; 10—свин-
цовая защита
с электронами атомов химических
элементов пород. Возможны две прин-
ципиальные схемы определения объ-
емного веса грунтов с помощью гам-
ма-лучей: по рассеянию и поглощению
гамма-излучения.
Метод рассеянного гамма-излуче-
ния основан на определении интенсив-
ности рассеянных гамма-квантов при
размещении в грунте источника излу-
чения вместе со счетчиком. В основе
метода лежит процесс рассеяния и по-
Рис. 51. Калибровочный график
глубинного гамма-плотномера
глощения гамма-излучения на электронах атомов химических
элементов грунта, вероятность которого определяется в основном
электронной плотностью среды, т. е. ее объемным весом. Мето-
дом рассеянного гамма-излучения можно определить плотность
пород как в скважинах, так и с поверхности.
Глубинный гамма-плотномер (рис. 50) (ГГП-1) системы
ВНИИГиМ состоит из зонда контрольно-калибровочного уст-
ройства и регистратора импульсов с источником питания. Зонд
плотномера представляет собой дюралюминиевую гильзу дли-
ной 35 см и внешним диаметром 44 мм, внутри которой разме-
щены гамма-излучатель С3137 активностью 1—1,5 мг-экв радия,
детектор гамма-квантов и свинцовый разделитель. В качестве
детектора используется блок из четырех счетчиков СТС-5. Рас-
стояние между центрами детектора и источника (база зонда)
составляет 25 см. Изотоподержателем служит стальная трубка,
заполненная свинцом, которая проходит через сквозное отверс-
тие в центре свинцового разделителя и жестко соединяется с
106
ручкой и блоком счетчиков зонда. Перемещая трубку с излуча-
телем вдоль оси зонда, можно приводить зонд в рабочее или
транспортное положение.
Контрольно-калибровочное устройство ГГП-1 является одно-
временно защитным контейнером и устройством для эталониро-
вания прибора. Оно представляет собой герметический цилинд-
рический бачок, в центре которого проходит сквозной канал
для зонда плотномера. Внутри контрольно-калибровочного уст-
ройства находится свинцовая защита. В качестве среды с по-
стоянной плотностью используется вода. Импульсы, поступаю-
щие от зонда по кабелю, регистрируются полевым радиометром
М-ЗОМ. Общий вес всего комплекта плотномера (без воды, на-
полняющей контрольно-калибровочное устройство) около 22 кг.
Поверхностный гамма-плотномер (ПГП-1) предназначен для
измерения объемного веса с поверхности грунта: в обнажениях,
выемках, насыпях и т. д. Он состоит из датчика, контрольно-ка-
либровочного устройства и регистратора импульсов с источником
питания. Датчик плотномера состоит из корпуса, детектора,
свинцового разделителя и гамма-излучателя активностью 1,5—2
мг-экв радия, окруженного полусферическим свинцовым контей-
нером. В качестве детектора гамма-лучей используется блок из
восьми счетчиков СТС-5, помещенных в индивидуальные экра-
ны из 0,8-миллиметрового листового свинца. База зонда может
быть 25 или 28 см.
Контрольно-калибровочное устройство ПГП-1 состоит из ем-
кости, которую при контрольных замерах устанавливают на не-
котором расстоянии от поверхности земли на треноге. Внутри
кожуха эталона имеется еще один полусферический контейнер.
В качестве наполнителя контрольно-калибровочного устройства
используется вода.
Регистратором импульсов ПГП-1 служит радиометр М-ЗОМ.
Общий вес прибора (без воды, наполняющей контрольно-калиб-
ровочное устройство) 18 кг.
Объемный вес грунта определяют плотномерами ГГП-1 и
ПГП-1 с помощью калибровочных графиков зависимости отно-
сительной скорости рассеянных гамма-квантов в грунте от его
объемного веса (рис. 51):
2^=/(Д), (IV.4)
J К.К.у
где 7гр — скорость счета в грунте известного веса;
/к.к.у—скорость счета в контрольно-калибровочном устрой-
стве.
При калибровке плотномеров необходимо иметь грунты раз-
личной плотности, комбинируя имеющийся материал (мелкий
гравий, песок, суглинок, опилки) и меняя степень его уплотне-
ния. Объемный вес получаемых смесей определяют объемно-ве-
совым способом, т. е. по весу всего грунта и объему, занимаемо-
му
му им в баке. При этом желательно, чтобы объемная влажность
грунта при калибровке поддерживалась в пределах 15—20%.
Плотномеры ГГП-1 и ПГП-1 калибруют в полевых условиях
так же, как и нейтронные влагомеры, и даже одновременно с ка-
либровкой последних. В этом случае в выбранном слое грунта
последовательно определяют скорость счета тепловых нейтронов
и рассеянных гамма-квантов, а затем отрывают шурф и опреде-
ляют объемный вес и влажность грунта методом режущего ци-
линдра и термостатно-весовым методом.
Определение объемного веса грунта методом режущего ци-
линдра. Метод режущего цилиндра применим в песчаных и гли-
нистых грунтах, поддающихся резке ножом. Погружая цилиндр
с заостренным режущим краем в грунт, отбирают образец грун-
та ненарушенного сложения и определяют его объемный вес,
зная вес и объем образца, находящегося в цилиндре. Наиболее
достоверные результаты получаются в том случае, если высота
цилиндра равна или несколько меньше его диаметра, а объем
цилиндра 100—200 см3. Толщина стенок цилиндра должна быть
не более 1—2 мм.
Понятие о пористости грунтов
Пористость грунта определяется отношением объема проме-
жутков (пор) между частицами к общему объему грунта.
При производстве взрывных работ в гидротехническом и ме-
лиоративном строительстве пористость является основным пока-
зателем свойств грунтов, обусловливающим их деформируемость
и сжимаемость после взрыва заряда ВВ. Величина пористости
часто используется при классификации грунтов, при оценке ос-
новных свойств грунтов.
Пористость пород зависит от формы и размеров слагающих
частиц, степени однородности и плотности их сложения.
Объем всех пор в грунте независимо от их размера и харак-
тера взаимосвязи характеризуется общей пористостью п, кото-
рая обычно выражается отношением объема пор в породе Vn к
!, общему объему грунта V:
n = ^%. (IV.5)
Общая пористость пород может изменяться от десятых долей
процента до 90%. Наибольшей пористостью обладают, как пра-
вило, рыхлые обломочные породы. Пористость крупнообломоч-
ных и песчаных пород около 30—45%, пористость глинистых от-
ложений 35—50%.
Общая пористость породы выражается также в виде коэф-
фициента пористости е или приведенной пористости:
е=-^. (IV.6)
’ СК
108
Коэффициент пористости изменяется в весьма широких пре-
делах и не превышает, как правило, единицы. И только для сла-
боуплотненных дисперсных пород величина 8 может быть боль-
ше единицы.
Обычно пористость определяют по данным объемного и
удельного весов грунта по формуле
п= 100|1 ——'%, (IV.7)
L у 1
где
6—объемный вес твердой фазы (скелета) грунта в Г 1см3,
у— удельный вес грунта в Г! см3.
Часто используют формулу
(IV.8)
где А— объемный вес грунта в естественном состоянии в Г1см3\
у— удельный вес грунта в Г1см3',
W — влажность грунта в % по отношению к весу сухого об-
разца.
Формулы (IV. 7) и (IV. 8) применимы только для ненабухаю-
щих грунтов.
Между общей пористостью и коэффициентом пористости су-
ществуют зависимости:
п=—— 100%. (IV. 10)
1 +е
При исследовании песка под действием статических и им-
пульсных взрывных нагрузок пористость его в процессе сдвига
может оставаться неизменной. Пористость, при которой объем
песка не изменяется, называется критической и может служить
границей между плотным и рыхлым сложением песка. Величина
критической пористости песка зависит от его состава и нормаль-
ного давления при сдвиге. Пески, имеющие естественную порис-
тость выше критической, после взрыва заряда ВВ могут оказать-
ся неустойчивыми, особенно при залегании ниже уровня грунто-
вых вод, и, наоборот, плотные водонасыщенные пески могут
иметь повышенное сопротивление сдвигу.
Для инженерно-строительной оценки песка необходимо знать
отношение его естественной пористости к пористости в самом
рыхлом и самом уплотненном состоянии:
__ (Дмакс (ЮО ^мин)
(гамакс Ямии) (ЮО п)
где т]—коэффициент плотности песка;
^мако пмии, п—соответственно максимальная, минимальная и
природная пористость.
(IV. И)
109
Понятия о водоудержаиии, влагоемкости,
капиллярном поднятии и водоотдаче грунтов
Водоудерживающая способность, влагоемкость, капиллярное
поднятие и водоотдача — эти свойства грунтов проявляются во
взаимоотношениях частиц грунта с водой. Как известно, вода в
грунтах находится под влиянием различных сил, неодинаковых
по своей природе и величине: сорбционных (или молекуляр-
ных), капиллярных, гравитационных и др.
Водоудержание—это способность грунтов удерживать в себе
воду. Величина водоудержания зависит от характера и вели-
чины водоудерживающих сил. Минимальная величина водо-
удержания обусловлена сорбционными силами, поскольку их
радиус влияния незначителен. По данным различных исследова-
телей, максимальная гигроскопичность для песков колеблется
от сотых долей до 0,1—0,2% (причем большие величины отно-
сятся к мелко- и тонкозернистым пескам, меньшие — к более
крупным пескам), для супесей — от 0,1—0,3% (легкиеразности)
до 0,8—1,3% (тяжелые разности).
При преобладании сорбционных (молекулярных) сил вода в
грунте оказывается связанной (адсорбированной) поверхностью
частиц в виде пленки.
При преобладании капиллярных сил, обусловленных поверх-
ностным натяжением воды на границе раздела фаз грунта, так-
же имеется связь воды с грунтовым скелетом.
Влагоемкость—это способность грунтов вмещать в себя во-
ду. Влагоемкость обусловливается наличием пористости и зави-
сит от водоудержания. При заполнении водой всего порового
пространства влагоемкость песков имеет максимальную величи-
ну, равную объему пор.
Максимальная молекулярная влагоемкость является узловой
точкой изменения физических свойств и поведения грунта. Так,
глинистый грунт при этой влажности переходит из пластичного
состояния в твердое; при влажности выше молекулярной обра-
зец из глинистого грунта в воде неразмокаем, а при меньшей
влажности размокает очень быстро; деформации под постоянной
нагрузкой сильно возрастают, если влажность глинистой массы
превышает молекулярную влагоемкость, и т. д.
Для определения максимальной молекулярной влагоемкости
требуется сложная центрифуга. А. Ф. Лебедев разработал более
простой метод — метод влагоемких сред, получивший в СССР
широкое распространение. Пробу порошкообразного грунта за-
мешивают с водой до состояния густой кашицы. На листок филь-
тровальной бумаги кладут металлическую пластину — шаблон,
в центре которого вырезано круглое отверстие диаметром 5 см.
Отверстие шаблона заполняют заготовленным грунтом, шаблон
удаляют, а оставшийся кружок грунта помещают между фильт-
ровальной бумагой. После этого образец с бумагой помещают
ПО
под пресс для обеспечения более плотного контакта между грун-
том и бумагой. Давление пресса доводят до 65,5 кгс/см2.
Максимальную молекулярную влагоемкость определяют по
формуле
it = 1 оо%) (iy. 12)
где А и В —• соответственно вес стаканчика с сырой и абсолют-
но сухой почвой;
С — вес абсолютно сухой почвы, высушенной при тем-
пературе 105° С.
Под капиллярным поднятием песчаных грунтов понимается
их способность поднимать влагу под действием капиллярных сил
в порах грунта. Количественно эта способность характеризует-
ся высотой капиллярного поднятия.
Для определения высоты капиллярного поднятия Лапласом
предложена формула для двухфазной системы вода — воздух
тт 2а cos 0
/Ук — ,
^Рж
где — высота капиллярного поднятия в мм-,
а—поверхностное натяжение;
0—угол смачивания;
рж— плотность жидкости;
г—радиус капилляра.
При полном смачивании частиц грунта, т. е. при 0=0, и
плотности жидкости рж=1 уравнение принимает вид:
Нк = — , (IV. 14)
rg
где g — ускорение силы тяжести.
При замене а и g соответствующими значениями
= = (IV. 15)
г d
где d — диаметр капилляров в мм.
Высота капиллярного поднятия зависит от гранулометриче-
ского состава песков, в частности, размера зерен и степени их сор-
тировки (чем крупнее и однороднее песок, тем меньше при про-
чих равных условиях высота капиллярного поднятия, и наобо-
рот), состояния поверхности частиц грунта и состава грунтовой
воды (смачиваемость грунтовых частиц количественно выража-
ется углом смачивания 0) и состояния увлажнения (сухие пески
обладают меньшей водоподъемностью, чем влажные).
На высоту капиллярного поднятия в песчаных грунтах ока-
зывает влияние грунтовый воздух (особенно защемленный). Чем
больше содержится воздуха в пределах капиллярной зоны, тем
меньше высота капиллярного поднятия. При наличии больших
объемов защемленного воздуха капиллярное поднятие может
отсутствовать.
ill
Водоотдача — это способность водонасыщенных песков от-
давать гравитационную воду путем свободного вытекания из
грунта. В качестве наиболее общего показателя водоотдачи слу-
жит коэффициент водоотдачи ц, представляющий собой отно-
шение объема воды Ув, вытекающей под действием силы тяже-
сти из некоторого объема грунта К, ко всему этому объему, т. е.
В = (IV.16)
Водоотдача является важнейшей характеристикой песков,
используемой при определении статических и динамических
запасов грунтовых вод, водопритока к водозаборным сооруже-
ниям, при расчете водопонижения и определении расстояния
между осушительными каналами и др.
Водоотдача песчаных пород зависит от следующих факторов:
а) гранулометрического и минералогического состава, фор-
мы зерен, плотности, слоистости, наличия защемленного возду-
ха, капиллярности и др.;
б) глубины осушения, определяющей положение зон влаго-
содержания, количества и характера поступления дождевой и
талой воды и др.
Водоотдача зависит также от положения осушенного слоя
в разрезе и глубины залегания уровня грунтовых вод.
Большое влияние на водоотдачу песков оказывает их слои-
стость. При наличии слоев, неодинаковых по составу
и плотности, водоотдача может быть различной не только для
всей толщины в целом, но и для каждого слоя в отдельности.
Водопоглощение (свободное водонасыщение) Wc —• способ-
ность грунта поглощать воду при нормальном (атмосферном)
давлении и комнатной температуре. Выражается отношением
количества поглощенной воды к весу абсолютно сухого грунта
в процентах:
№с = 100%, (IV.17)
где Рв — вес поглощенной воды в г; Рв и Р — соответственно
вес образца в г, насыщенного водой, и абсолютно сухо-
го грунта.
Этот показатель особенно большое значение имеет для скаль-
ных и полускальных грунтов. Чем выше водопоглощение, тем
сильнее проявляется размягчающее действие воды на грунт и
тем ниже его морозостойкость, устойчивость по отношению
к агентам выветривания.
Степень насыщения (коэффициент водонасыщения) — весь-
ма важный показатель для оценки морозостойкости пород. Ко-
эффициент водонасыщения Kw характеризует количество пор,
заполненных водой, по отношению к общей пористости и выра-
жается обычно в долях единицы или в процентах:
—, (IV. 18)
^общ
112
где W — влажность в % б — объемный вес в zfcM3-, пОбщ — общая
пористость в %.
Величина коэффициента водонасыщения изменяется от нуля
(для абсолютно сухого грунта) до единицы (при полном насы-
щении пор грунта водой).
Наибольшее заполнение пор достигается при вакуумирова-
нии и принудительном насыщении (98—100%), меньшее — при
свободном насыщении в течение 45 суток (85—95%) и кипячении
(90—95%). При свободном насыщении в течение пяти суток
степень заполнения пор относительно низкая (35—60%).
Понятия о набухании, пластичности, проницаемости,
водопрочности и плывунности грунтов
Набухание — это увеличение объема грунта в процессе смачива-
ния. Способность к набуханию связана с гидрофильным харак-
тером глинистых минералов и большой удельной поверхностью
глинистых грунтов.
Большинство исследователей считает, что процесс набухания
носит осмотический характер и причиной его является разница
концентраций порового раствора и воды, окружающей грунт.
Если концентрация порового раствора больше, чем в свободном
растворе, то объем грунта увеличивается, и наоборот.
Набухание грунта обусловливают следующие основные фак-
торы:
1) природа грунта, т. е. минералогический и гранулометриче-
ский состав, состав обменных катионов, тип текстуры грунта,
начальные плотность и влажность грунта; 2) концентрация и
химический состав водного раствора; 3) действующая нагрузка.
Величина набухания является одним из основных показате-
лей инженерно-геологических свойств горных пород при расчете
крепи горных выработок, выемок, котлованов под сооружения
и пр. Она позволяет прогнозировать состояние грунта при изме-
нении водного режима, является некоторой характеристикой
дисперсности грунта.
Способность породы к набуханию характеризуется следую-
щими основными величинами:
R = Ик-Ии 100
V Ун
р = Sn-gH 100
е Ун
Rh = h.4^h» юо,
/1И
(IV. 19)
где Rv, Rg, Rh — степень набухания в %, определенная соответ-
ственно по изменению объема, веса и высоты образца; Уи, VK —
первоначальный и конечный объемы образцов в см3; gs, gK—
8-50
113
первоначальный и конечный вес образца в г; hB, hK — первона-
чальная и конечная высота образца в мм; ув— удельный вес
воды в г/см3.
Усадка — это уменьшение объема образца при его высыха-
нии, При высыхании влажного грунта удаляется свободная и ка-
пиллярная вода, уменьшается толщина пленок связанной воды,
окружающих грунтовые частицы, в результате чего они сбли-
жаются под влиянием сил молекулярного притяжения.
Максимальная усадка соответствует полному удалению во-
ды из грунта и характеризуется следующими величинами:
I ЮО;
У /н
V = А ~ Кк. 100;
У
U7 =Ц7Т------^и-Ик) 100,
ёк
(IV.20)
где /у — линейная усадка в %; Vy—объемная усадка в %;
Wy — влажность усадки в %; /н—первоначальная длина диаго-
нали бруска в см; VH — первоначальный объем влажной породы
в см3; Кк— объем породы при достижении предела усадки в см3;
gK — вес усевшего грунта в сухом состоянии в г; W?—верхний
предел пластичности.
Пластичность — это способность грунта под воздействием
внешних усилий изменять форму (деформироваться) без разры-
ва сплошности и сохранять приданную ему форму после того,
как действие внешней силы устранено.
При инженерно-геологических исследованиях обычно в ка-
честве показателей пластичности используют влажность преде-
ла текучести (или верхний предел пластичности) Wf и влаж-
ность предела раскатывания Ц7р (нижний предел пластично-
сти). Интервал влажности между пределами пластичности
характеризуется числом пластичности Л4Р. Кроме того, по показа-
телям пластичности и естественной влажности судят о консис-
тенции грунта. Пределы и число пластичности косвенно харак-
теризуют минералогический состав и дисперсность грунта.
Существуют различные методы определения пределов пла-
стичности:
1) методы для определения верхнего предела пластичности
с помощью конуса и нижнего предела по влажности на грани-
це раскатывания грунта в шнур (ГОСТ 5183—64 и ГОСТ
5184—64);
2) конусные методы для определения верхнего и нижнего
пределов пластичности.
Конусные методы позволяют определить предельное напря-
жение сдвига:
Ргп = а кгс!см\ (IV. 21)
114
где Р — вес конуса в кг; h — глубина погружения конуса в см;
а — коэффициент, зависящий от угла раскрытия конуса; при
30° ата 1; при 45° а = 0,42; при 60° а=0,22.
Величина предельного напряжения сдвига не зависит от на-
грузки на конус и угла при вершине конуса.
Для определения пределов пластичности рекомендуется ис-
пользовать пластометр Ребиндера, конус Бойченко и др.
Наиболее распространенными являются классификации
связных грунтов по числу пластичности и показателю консис-
тенции согласно СНиП П-Б.1-62.
Показатели пластичности и естественной влажности характе-
ризуют консистенцию грунта:
В = Гр , (IV.22)
где Ц7ест—-естественная влажность в %.
По числу пластичности Мр принята следующая классифика-
ция грунтов:
Супесь............................ 1<Л4р<7
Суглинок.......................... 7 < Мр < 17
Глина............................. Мр > 17
По показателю консистенции В связные грунты классифи-
цируют следующим образом: •
Супеси:
твердые..............................
пластичные...........................
текучие .............................
Суглинки и глины:
твердые..............................
полутвердые..........................
'тугопластичные.......................
мягкопластичные......................
текучепластичные................ . .
текучие .............................
В<0
0<В< 1
в>\
В<0
0<В<0,15
0,25<В<0,5
0,5<В<0,75
0,75<В< 1
В>1
Проницаемость — это способность пористой среды пропускать
жидкости или газы при наличии перепада давления. За едини-
цу проницаемости принят 1 дарси — расход 1 см31сек жидкости
вязкостью 1 спз, полностью насыщающей поровые каналы, че-
рез поперечное сечение породы 1 с.и3 при ламинарном режиме
и перепаде давления 1 атм на 1 см длины.
Проницаемость грунтов зависит от открытой пористости,
удельной поверхности и извилистости поровых каналов породы,
а также от давления, испытываемого жидкостью или газом. Для
горных пород проницаемость изменяется в широких пределах —
от нескольких дарси до десятых, сотых и даже тысячных долей
миллидарси (д/д).
8*
115
К проницаемым породам относятся кавернозные и, особен-
но, закарстовэнные и трещиноватые карбонатные породы, а так-
же трещиноватые магматические породы. Пористость этих по-
род, как правило, более 20%.
Полупроницаемыми являются породы с коэффициентом про-
ницаемости от 0,1 до 10 мд: песчаники, алевриты, а также не-
которые карбонатные породы (мелкотрещиноватые меловидные
известняки и доломиты).
Практически непроницаемыми являются породы с коэффи-
циентом проницаемости менее 0,1 мд: гипсы, ангидриты, сильно
сцементированные песчаники и алевролиты, плотные мел и
меловидные известняки, невыветрелые магматические породы,
Пористость их обычно не превышает 6—8%. Отсутствие прони-
цаемости этих пород обусловлено изолированностью пор. В на-
правлении слоистости пород проницаемость выше, чем в перпен-
дикулярном направлении (явление анизотропии).
Различаются следующие виды проницаемости:
а) абсолютная (физическая)—проницаемость породы при
фильтрации однородной жидкости или газа;
б) эффективная (фазовая) — проницаемость пористой сре-
ды для какой-либо жидкости или газа при одновременном нали-
чии их в породе;
в) относительная — выражается отношением эффективной
проницаемости к абсолютной.
На практике чаще всего определяют абсолютную проницае-
мость пород, которая оценивается коэффициентом проницаемо-
сти К11р:
„ Q/u-1000 л о.
== “Е7Г----Г мд’ (IV-23)
Ft (Pi ~ Рг)
где Q — расход жидкости, профильтровавшейся через образец,
в см3; t — время фильтрации в сек; I — длина образца в см; ц—
вязкость жидкости в спз (при температуре опыта); F — пло-
щадь поперечного сечения образца в см2; pt и р2 — давление
в атм перед образцом и после образца.
Коэффициент проницаемости определяет сопротивление
фильтрации потока через пористую среду. Чаще всего коэффи-
циентом проницаемости оценивают скальные и полускальные
грунты. Связные и несвязные грунты (глинистые и песчаные)
обычно характеризуются коэффициентом фильтрации, который
отражает их водопроницаемость, т. е. способность пропускать че-
рез себя воду.
Коэффициент фильтрации — это скорость фильтрации при
напорном градиенте, равном единице:
V
к*---, (IV.24)
где v — скорость фильтрации; / — градиент напора. Коэффици-
ент фильтрации имеет размерность м!сутки или см/сек. Между
116
коэффициентом фильтрации и коэффициентом проницаемости
существует следующая зависимость:
Кф-Кпр-^=Кпр^, (IV.25)
где у — удельный вес воды; ц — вязкость жидкости в спз-, g —
ускорение силы тяжести; v — кинематический коэффициент вяз-
кости.
В табл. 8 приведены значения проницаемости некоторых рых-
лых и плотных грунтов в зависимости от их пористости.
Таблица 8
Грунт Пористость Удельная поверхность Проницаемость по Дарси
Рыхлый песок .... 0,37—0,5 1,5-2,2-102 20—180
Почва 0,43—0,54 2—4 • 103 29—140
Песчаник 0,08—0,38 1,5—10.10* 5-10-*
Известняк 0,04—0,1 0,15-1,3-10* 2.10-*—4,5-10-2
Коэффициент фильтрации определяют как в полевых, так
и в лабораторных условиях. При полевых определениях полу-
чаются более достоверные величины коэффициента фильтрации,
которые характеризуют его среднее значение для значительного
участка по площади и разрезу при естественном залегании
грунтов.
Коэффициент фильтрации в условиях установившегося дви-
жения определяют на основании закона Дарси по формуле
К = м!сУтки’ (IV.26)
где Q — объем воды, фильтрующейся через грунт, в сл/3; Т —
время фильтрации в сек; F — площадь поперечного сечения об-
разца в см2-, — напорный градиент (h— разность уровней
воды в см; I — высота образца в см); г — температурная по-
правка, равная 0,7+0,03/°; 864 — переводной коэффициент
см!сек в м!сутки.
В условиях неустановившегося движения потока чаще всего
определяют коэффициент фильтрации связных грунтов, исполь-
зуя различные приборы: трубку Каменского, приборы ПВ-2
иФ-1М, компрессионно-фильтрационный конструкции Н. Н. Мас-
лова.
Водопрочность — это способность грунтов сохранять механи-
ческую прочность и устойчивость при взаимодействии с водой.
Взаимодействие пород с водой может быть статическим и дина-
мическим: воздействие спокойной воды вызывает явления на-
117
бухания и размокания, гидродинамическое воздействие—’Про-
цесс размыва.
Размокаемость — это способность глинистых пород при впи-
тывании воды терять связность и превращаться в рыхлую мас-
су с частичной или полной потерей несущей способности. Интен-
сивность процесса размокания зависит от характера структур-
ных связей, состава и состояния грунтов.
Скорость и интенсивность размыва зависят как от характе-
ра водного воздействия, так и от реакции породы на данное
воздействие — размываемости. Резкое изменение водопрочности
(например, в результате выветривания) может привести к зна-
чительному снижению несущей способности грунтов оснований
сооружений и к возникновению обвальных и оползневых явле-
ний в бортах строительных котлованов и глубоких карьеров.
Размываемость чаще всего оценивается коэффициентом соп-
ротивляемости горных пород размыву е в т/.-и3:
« - , (IV.27)
где No—суммарная энергия волны в т; 1(7—-объем размыва по-
роды в л/3.
Плывунность — это способность водонасыщенных пород пере-
ходить в подвижное состояние при вскрытии выработками. Ча-
ще всего на практике приходится сталкиваться с плывунностью
песков, однако плывунность проявляется и у лёссов, залегаю-
щих ниже уровня грунтовых вод, а при определенных условиях
в плывунное состояние могут переходить также и глины.
Способность грунтов, содержащих коллоидные фракции, к
обратимым переходам из твердого состояния в жидкое под воз-
действием динамической нагрузки при неизменной влажности
и температуре носит название тиксотропии.
Такое явление часто наблюдается при взрывных работах
в водонасыщенных грунтах при близком залегании грунтовых
вод.
Если деформации массива протекают под воздействием не
динамических, а статических нагрузок, грунты с коагуляцион-
ными связями, находящиеся в тиксотропно упрочненном состоя-
нии, могут также при некоторых условиях проявить плывун-
ность. Чтобы определить эти условия, необходимо исследовать
полные реологические кривые, которые характеризуют скорость
развития деформаций в грунте под действием данной нагрузки.
Деформационные свойства дисперсных грунтов
Как известно, под действием давления грунт деформируется.
Характер и величина деформации зависят от природы грунта,
способа нагружения и граничных условий деформирования
грунта. Деформационные свойства грунтов определяют следую-
118
щие основные природные факторы: 1) структура и текстура;
2) состав и концентрация порового раствора; 3) химико-мине-
ралогический состав скелета грунта; 4) температура окружа-
ющей среды.
Влияние тех или иных природных факторов на деформируе-
мость грунтов зависит главным образом от структуры грунта,
т. е. от дисперсности, плотности и расположения частиц в про-
странстве и связей между частицами. В зависимости от способа
нагружения грунта различают деформации при статическом
(ступенчатом), ударном и динамическом способах приложения
давления.
Наиболее часто деформационные свойства грунтов основа-
ний сооружений определяют при статическом нагружении. В осо-
бых случаях деформационные свойства грунтов определяют при
действии ударной нагрузки (трамбование, взрыв и т.п.), при
вибрации, а также при воздействии гидростатического, главным
образом отрицательного (капиллярного) давления, возникаю-
щего при водопонижении в дисперсных грунтах.
Деформационные свойства грунтов определяют как в лабо-
раторных условиях на образцах с нарушенными или ненару-
шенными структурными связями, так и в полевых условиях. Ла-
бораторные испытания до настоящего времени являются основ-
ным методом изучения свойств грунтов, так как позволяют
сравнительно просто передавать различные давления на грунт,
исследовать поведение грунта в широких диапазонах изменения
физического состояния и условий окружающей среды, модели-
ровать сложные случаи работы грунта
в основании или теле сооружений. По-
левые методы испытания позволяют
более правильно отразить влияние тек-
стурных особенностей грунта на его
деформируемость.
Для исследования сжимаемости
грунтов в полевых условиях применя-
ют прессиометр — прибор, основан-
ный на обжатии и измерении деформа-
ции грунта, находящегося в стенках
необсаженной скважины, и определе-
нии модуля сжимаемости (рис. 52).
Прессиометр ПС-1 сконструиро-
ван в институте Фундаментпроект.
Прибор состоит из двух основных ча-
Рис. 52. Схема прессиометра
1 — манометр; 2 — подача сжатого воздуха; 3—счет-
чик; 4 — указатель объема; 5—скважина; 6 — защит-
ная кольцевая камера; 7— рабочая камера; I— зона
упругого состояния; II— зона пластического состоя-
ния
119
стей: камеры давления и измерительной установки. Наружный
диаметр камеры давления 90 мм, длина 490 мм; длина рабочей
камеры 175 мм; объем 1000 см3.
Максимальное давление, создаваемое в камере, 8 кгс!см2.
Давление на воду, находящуюся в камере, создается сжатым
углекислым газом. Диаметр скважины под прессиометр НО мм.
Рис. 53. График результатов испытания
грунтов прессиометром
/ — фаза упругих деформаций; // — фаза пласти-
ческих деформаций; HI — фаза больших переме-
щений
В процессе испытания регистрируют изменение давления на
стенки скважины и объем камеры (рис. 53).
Модуль деформации грунта определяют следующим обра-
зом:
Е = (1 +р) , (IV.28)
где р, — коэффициент Пуассона; Др — изменение давления
в кгс1см2; ДУ — изменение объема рабочей камеры прессиомет-
ра в см3; К — постоянный для данного прессиометра коэффици-
ент в см3.
Определение коэффициента X или тарировку прибора реко-
мендуется производить путем сопоставления результатов прес-
сиометрии с результатами опытных нагрузок на стандартные
штампы площадью 5000 см2. При использовании полученных ре-
зультатов необходимо учитывать, что напряжения в грунте соз-
давались в горизонтальном направлении.
Лабораторное определение сжимаемости грунтов
Компрессионная сжимаемость дисперсного грунта происходит
за счет уменьшения объема пор, закрытия трещин, деформации
и переориентации минеральных частиц. Величина мгновенной
деформации может быть определена в приборах трехосного сжа-
тия при испытании по закрытой системе, а величины фильтра-
ционной и вторичной деформации — в обычных компрессионных
приборах.
При сжатии грунта в компрессионном приборе диаметр об-
разца не меняется, поэтому относительная деформация грунта
равна относительному изменению объема, т. е.
120
AH AV
HQ ~ Vo '
где Hq — первоначальная высота образца; Л// = Я0—Hi — изме-
нение высоты образца под давлением; Hi — конечная высота
образца после действия давления; Уо — первоначальный объем
образца; AV=Vo—Vi — изменение объема образца под давле-
нием; Vi — конечный объем образца после действия давления.
Так как грунт уплотняется главным образом за счет умень-
шения объема пор (сжимаемостью частиц грунта можно прене-
бречь), то деформацию сжатия грунта можно выразить также
через изменение коэффициента пористости е.
Компрессионными испытаниями предусматривается устано-
вить следующие зависимости:
1) между вертикальными деформациями грунта и верти-
кальным давлением р — компрессионная кривая, на основе ко-
торой определяют коэффициент уплотнения;
2) между вертикальными деформациями и временем при по-
стоянной нагрузке •— кривая консолидации, на основе которой
определяют коэффициент консолидации.
Помимо коэффициентов уплотнения и консолидации, при
компрессионных испытаниях можно определить давление набу-
хания для глинистых грунтов, величину восстанавливающейся
после снятия нагрузки деформации грунта и ранее действовав-
шее на грунт природное давление.
Сжимаемость грунтов может быть охарактеризована следу-
ющими зависимостями:
1) коэффициента пористости е от давления р;
2) относительной деформации е (или модуля осадки) от
давления р;
3) влажности W от давления р.
Для небольших диапазонов изменения давления компрес-
сионная кривая в координатах е—р может быть заменена пря-
мой, уравнение которой с угловым коэффициентом а будет
иметь вид:
в = е0 — ар (IV. 30)
или
Де = — а\р, (IV.31)
где Ae=ei—е2 и Др=р2—pi — соответствующие друг другу ин-
тервалы изменения е и р.
Угловой коэффициент в уравнении численно равен:
а = = Л (IV.32)
Pi — Pi АР
и называется коэффициентом уплотнения или сжимаемости
(размерность см2)кг).
При большом уплотнении грунта под нагрузкой трудно при-
менять коэффициент сжимаемости для характеристики ком-
121
прессионных свойств, так как значительно изменяется величи-
на а.
Некоторые дисперсные грунты при определенных видах воз-
действия обладают способностью давать значительные и срав-
нительно быстро протекающие дополнительные осадки. Такие
объемные деформации грунтов, обусловленные резким уменьше-
нием прочности структурных связей между частицами грунта,
называются просадками. Наибольшей способностью к просад-
кам обладают, как правило, высокопористые лёссовые грунты
при увлажнении их под некоторой нагрузкой, мерзлые грунты
при оттаивании и в значительно меньшей степени сухие мелко-
зернистые рыхлые пески при увлажнении или сотрясении.
При оценке деформации лёссовых пород под нагрузкой с по-
следующим замачиванием различают трисоставляющие: 1) осад-
ку-деформацию, обусловленную уплотнением грунта, которая
не сопровождается коренным изменением прочности структур-
ных связей между частицами; 2) просадку — деформацию, обус-
ловленную быстропротекающим уплотнением грунта, находя-
щегося под давлением при увлажнении в результате резкого
уменьшения прочности структурных связей; 3) послепросадоч-
ную деформацию — медленно протекающее уплотнение грунта
вследствие отжатия воды из его пор. Послепросадочная дефор-
мация состоит из первичной и вторичной консолидации, харак-
терных для непросадочных глинистых грунтов.
Просадочность грунтов изучается в полевых и лаборатор-
ных условиях (в компрессионных приборах).
Основной характеристикой просадочности грунтов является
относительная просадочность или коэффициент просадочности
ip, представляющий собой отношение величины просадки к высо-
те образца грунта после уплотнения давлением рс
ip = hP3~hp , (IV.33)
йр
где hp — высота образца исследуемого грунта естественной
структуры и влажности после уплотнения нагрузкой р; hp3 —
высота исследуемого образца грунта после замачивания под на-
грузкой р; \h=hP3—hp — дополнительная осадка (просадка)
грунта под давлением р в кгс!см2 после замачивания.
Давление, при котором следует определять просадочность,
устанавливают следующим образом:
Р = Рг+Рпр, (IV.34)
где pz — давление сооружения на глубине z; рпр — природное
давление на глубине г.
Прочностные свойства дисперсных грунтов
Прочность грунтов (предельную огибающую) определяют как
в лабораторных, так и в полевых условиях. В полевых условиях
применяют следующие методы:
122
а) сдвиг монолита грунта большого объема, отделенного от
массива (в сдвиговых приборах);
б) сдвиг целиков грунта, расположенных на дневной по-
верхности (в специальных устройствах для сдвига);
в) сдвиг части массива грунта, расположенной ниже днев-
ной поверхности (с помощью крыльчатки).
В лабораторных условиях используют следующие методы:
а) сдвиг (срез) — чаще всего одноплоскостной (в сдвиговых
приборах);
б) сжатие в условиях одноосного напряженного состояния
(в приборах одноосного сжатия);
в) сжатие в условиях трехосного напряженного состояния
(в приборах трехосного сжатия — стабилометрах).
Метод определения сопротивления грунтов сдвигу следует
выбирать с учетом текстурно-структурных особенностей грунтов
и условий их работы совместно с сооружением. Кроме того, це-
лесообразно учитывать соотношения между структурной проч-
ностью грунтов и интенсивностью внешнего воздействия на
грунт.
Необходимо также установить зависимость показателей
прочности на разных стадиях процесса консолидации от влаж-
ности, пористости, степени водонасыщения, консистенции грунта.
Одноплоскостным срезом называется прямой срез образца
грунта по фиксированной плоскости. При заданном вертикаль-
ном напряжении о определяется линейное сдвигающее напря-
жение т, при котором возникает незатухающее скольжение
(сдвиг) одной части образца по другой. Каждому значению о
соответствует некоторое значение т. По полученным парам зна-
чений оит строят предельную огибающую (диаграмму сдвига)
т=Цсг). В общем виде эта зависимость имеет криволинейный
характер. В механике грунтов эту кривую обычно аппроксими-
руют прямой, отвечающей уравнению
т = с0 + crtgcp.
При этом Со и ф являются параметрами данного грунта.
В этом случае сопротивление сдвигу можно рассматривать как
сопротивление, состоящее из двух частей: независящей от дав-
ления — сцепления с0 и зависящей от давления — сопротивле-
ния внутреннему трению (ф — угол внутреннего трения).
Сопротивление сдвигу характеризуется также величиной уг-
ла сдвига ф; tg ф называется коэффициентом сдвига и численно
равен — . Одноосное сжатие грунта происходит при отсутствии
бокового давления.
Цилиндрический образец грунта доводят до разрушения по-
следовательно увеличивающейся нагрузкой, фиксируют давле-
ние сгр, при котором происходит разрушение.
По найденным величинам ор и а легко определить прямоли-
123
нейную огибающую т=CoH-crtgcp. Для этого проводят касатель-
ную к окружности диаметром <ii = Op через точку, радиус-вектор
к которой образует угол 2 а с осью о. Следовательно,
Ф=2 а—90°.
При исследовании глинистых грунтов в условиях одноосного
напряженного состояния применяют различные приборы одно-
осного сжатия.
В отличие от других методов лабораторных определений со-
противления грунтов сдвигу при трехосных испытаниях можно
более правильно воспроизвести природное напряженное состоя-
ние грунта и условия его работы в сооружениях. При трехос-
ном сжатии на образец грунта действуют не только вертикаль-
ная нагрузка, но и боковые нагрузки, величина которых не за-
висит от вертикальной нагрузки.
Для трехосных испытаний более удобно представлять усло-
вие разрушения (условие пластичности) в виде соотношения,
связывающего непосредственно главные напряжения в момент
разрушения: Oi = F(cr2)-
Для грунта с прямолинейной огибающей T=c0+crtg(p усло-
вие пластичности приобретает вид: сц = сго+Лсг2. Величины его
(теоретический предел текучести при одноосном сжатии) и А
(тангенс угла наклона прямой) определяются графическим пу-
тем.
Наряду с показателями прочности при трехосных испытаниях
(как и одноосных) можно определить также показатели дефор-
мируемости и, кроме того, непосредственно измерить объемные
деформации.
3. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ВЗРЫВА В ГРУНТАХ
Как известно, явления, происходящие при взрывах в грунтах,
тесно связаны с наличием взрывных волн или волн напряжений
в разрушаемой среде, следовательно, действие взрыва на грунт
необходимо исследовать с учетом основных законов движения
и отражения этих волн. Изучение действия взрыва и решение
волновых задач, связанных с действием взрыва в грунтах, про-
водятся на основе общих методов динамики сплошных плотных
сред с учетом специфических свойств грунтов.
Экспериментальные исследования действия волн в грунтах
позволяют повысить степень управления энергией взрыва и обе-
спечить безопасность работ. Основным фактором при оценке
энергетических характеристик взрыва является величина напря-
жений во фронте ударной волны, определяемых различными
способами. Обычно для этой цели достаточно определить непо-
средственно смещение, скорость смещения или ускорение сме-
щения частиц среды, а затем расчетным путем получить вели-
чину напряжений.
124
Действие взрыва в плотных средах регистрируется с по-
мощью специальных приборов, которые по принципу действия
можно условно разделить на три класса. К первому классу от-
носятся оптические приборы; скоростные кинокамеры и сверх-
скоростные фоторегистраторы; ко второму — электрические при-
боры, магнитоэлектрические и электронно-лучевые осциллогра-
фы, к третьему — рентгеноимпульсные установки. Рассмотрим
вкратце методы и средства регистрации параметров взрывных
волн при помощи указанных приборов и рентгеновской уста-
новки.
Регистрация энергетических параметров взрыва
в мвгких грунтах методом
электрических измерений
Основные параметры волновых процессов, происходящих в
грунтах, обычно измеряют с помощью различных измеритель-
ных систем в лабораторных и полевых условиях.
В настоящее время наиболее широко распространены элек-
трические измерительные системы, состоящие из датчика и из-
мерительной схемы. Датчик преобразует тот или иной механи-
ческий параметр в электрический сигнал, который поступает за-
тем на измерительную схему. Измерительная схема в общем
случае состоит из согласующего устройства, линии связи, уси-
лительной и регистрирующей части. В зависимости от условий
инструментальных замеров и вида снимаемого параметра при-
меняют различные датчики, основанные на разных принципах
действия. В зависимости от типа датчика некоторые элементы
измерительной схемы могут отсутствовать, а параметры элемен-
тов, входящих в измерительную схему, могут быть самыми раз-
личными.
В зоне,, непосредственно примыкающей к заряду, при взры-
ве проходит ударная волна с большой амплитудой, крутым
фронтом и скоростью, превышающей скорость звука и завися-
щей от давления на фронте волны. По форме ударная волна
представляет собой одиночный импульс определенной длитель-
ности. Для неискаженной регистрации такого импульса к разре-
шающей способности и частотным характеристикам элементов
измерительной системы предъявляются весьма высокие требо-
вания.
В лабораторных условиях наиболее широко применяют элек-
тромагнитный метод измерения с использованием индукционных
датчиков в стационарном магнитном поле. Суть данного мето-
да заключается в том, что в модель на определенных расстоя-
ниях помещают датчики в виде контура из фольги или проволо-
ки, а всю модель вводят в мощное равномерное магнитное по-
ле, силовые линии которого перпендикулярны направлению
смещения.
125
При взрыве происходит смещение датчиков вместе со средой
и в последних наводится электродвижущая сила, пропорцио-
нальная скорости смещения:
E = k — Hl, (IV.35)
dt
где Е— электродвижущая сила (э. д.с.), наводимая в дат-
чике;
k— коэффициент пропорциональности;
Н — напряженность магнитного поля;
I— длина датчика;
W — смещение среды;
dW
— = и — скорость смещения среды,
dt
Получив зависимость скорости смещения для нескольких то-
чек среды во времени, по началу сдвига датчиков определя-
ют скорость фронта волны. По величине скорости смещения
и скорости фронта волны параметры волны напряжений рассчи-
тывают по формулам:
р = ; (IV.36)
= —— ; (IV.37)
V D—u '
E-E0 = ±p(V0-V), (IV.38)
где р — давление на фронте волны;
Vo, V — соответственно удельный объем среды перед фрон-
том и за фронтом ударной волны;
D — скорость распространения ударной волны по не-
возмущенной среде;
и — массовая скорость смещения среды за фронтом
ударной волны;
Ео, Е — соответственно удельная внутренняя энергия сре-
ды перед фронтом и за фронтом ударной волны.
Для регистрации электродвижущей силы, получаемой с дат-
чика, применяют скоростные электронные осциллографы типа
ОК-15М. Рекомендуется применять пятилучевой электронный
осциллограф типа С1-33 при замерах на больших базах. С по-
мощью фотоприставки фотографируют сигнал на этих осцилло-
графах.
Высоковольтный осциллограф ОК-15М имеет однократную
спиральную развертку, которая позволяет исследовать форму,
определять длительность и время задержки импульсных про-
цессов длительностью до 15 мксек при разрешающей способно-
сти 0,003 мксек. Электронно-лучевая трубка 23ЛО51А имеет кру-
говую развертку с радиальным отклонением луча. Рабочий уча-
сток трубки имеет наружный диаметр 180 мм и внутренний
140 мм. Развертка луча происходит по архимедовой спирали от
периферии к центру с постоянной угловой скоростью (один обо-
рот в 1 мксек). Частота синусоидального генератора, задающе-
го круговую развертку, стабилизирована кварцем и гарантиру-
ется с точностью до ±0,02%. Время задержки схемы пуска от
момента подачи пускового сигнала до появления луча не превы-
шает 0,2 мксек при пусковом сигнале с амплитудой 100 в и дли-
тельностью переднего фронта не более 0,03 мксек.
Осциллограф С1-33 на пятилучевой трубке предназначен
для одновременного исследования в лабораторных условиях пя-
ти процессов путем визуального наблюдения и фотографирова-
ния. Осциллограф имеет пять усилителей вертикального откло-
нения со следующими параметрами:
а) полоса пропускания от 20 гц до 5 мгц для четырех усили-
телей и от 20 гц до 600 кгц для одного усилителя;
б) чувствительность не менее 1 мм]мв;
в) неискаженное изображение ±20 мм\ рабочий участок эк-
рана — автономный для каждого луча;
г) полярность импульсных сигналов положительная и отри-
цательная;
д) максимальная амплитуда исследуемых сигналов 30 в пи-
ковых (±15 в для импульсов), с выносным делителем — 300 в
(±150 в импульсных);
е) в четырех усилителях предусмотрены задержки исследуе-
мых сигналов относительно начала развертки, обеспечивающие
просмотр переднего фронта длительностью не более 0,2 мксек
с амплитудой более 10 мв. В усилителе с полосой пропускания
до 600 кгц предусмотрена задержка исследуемых сигналов на
время не менее 9 мксек.
Осциллограф имеет два генератора развертки, работающих
в ждущем и автоколебательном режимах. Длительность калиб-
рованных разверток от 5 мксек до 15 мсек на 100 мм экрана.
Синхронизация и запуск развертки осуществляются как иссле-
дуемым, так и внешним сигналом. Минимальная частота следо-
вания самой короткой развертки, при которой обеспечиваются
с применением тубуса визуальное наблюдение и измерение па-
раметров исследуемого сигнала, должна быть не более 100 гц.
Осциллограф позволяет осуществить задержанный запуск од-
ной развертки по отношению к другой от 6 мксек до 10 мсек
с плавной регулировкой и погрешностью установки задержки
±(Ю%+0,5 мксек).
Осциллограф обеспечивает измерение временных интервалов
с погрешностью не более ± (10% +-у100%); амплитуды — с по-
грешностью не более ± (Ю% +-у- 100%), где I — измеряемый
участок шкалы.
127
Весьма перспективным является применение при замерах ос-
циллографов с запоминающим устройством, в которых сигнал на
трубке осциллографа остается на определенное время.
При дальнейшем распространении ударная волна постепен-
но уменьшается по амплитуде, а ее скорость стремится к скоро-
сти звука. Фронт ее становится более пологим, но все же значи-
тельно круче, чем спад. Для регистрации такой взрывной волны
широко применяют пьезодатчики, позволяющие регистрировать
фронт волны без искажения. В датчиках данного типа использу-
ется эффект появления зарядов на гранях кристалла при его
сжатии. При подходе волны к датчику на нем возникает заряд,
пропорциональный действующей на датчик силе:
Q == dF = dPS, (IV.39)
где Q—заряд на датчике;
d— пьезомодуль датчика;
F— сила, действующая на датчик;
Р—давление в волне;
S—площадь рабочей поверхности датчика.
Обычно замеряют напряжение на датчике, которое связано
с зарядом следующим соотношением:
П=-^-, (IV.40)
где С—емкость датчика.
По величине отклонения луча на экране осциллографа можно
определить напряжение в данной точке в любой момент време-
ни:
где а— чувствительность электронно-лучевой трубки осцил-
лографа;
h— величина отклонения луча.
При отсутствии паспортных данных тарировку пьезодатчиков
производят следующим образом.
Образец, помещенный между двумя электродами держателя,
подвергается сжатию прессом. Заряд, возникающий на обклад-
ках образца при резком снятии нагрузки, измеряется баллисти-
ческим гальванометром. Величину заряда Q определяют по фор-
муле
Q = Сеа, (IV.42)
где С6—постоянная баллистическая гальванометра;
а—отклонение гальванометра.
Пьезоэлектрический модуль
128
d=-_ (IV. 43)
о P
где J—электрическая поляризация в направлении механичес-
кого сжатия образца;
о—• механическое напряжение;
Р—давление на образец;
К—постоянная прибора.
Правильность тарировки пьезодатчиков при действии взрыв-
ной нагрузки проверяют путем замера напряжений в воде. Для
этого в бассейн с водой помещают кольца разных диаметров. В
центре меньшего кольца укрепляют заряд ВВ, а по окружности —
пьезодатчики. Пьезодатчики и заряд ВВ покрывают изолиру-
ющей пленкой. Инициирование осуществляется каплями азида
свинца. По осциллограммам напряжение—время рассчитывают
напряжение в заданной точке.
Непосредственно пьезодатчики применяют при давлениях не
более 1000—1500 кгс/см2, так как в противном случае они раз-
рушаются или возникает нелинейность их рабочих характерис-
тик. При больших давлениях пьезодатчики помещают в защит-
ные оболочки, ослабляющие действие волны, но ухудшающие
их частотные характеристики.
В настоящее время широко распространены пьезодатчики из
различных керамических пьезоматериалов (титанат бария,
цирконат-титанат свинца и др.). При исследованиях используют
пьезодатчики из титаната бария ввиду их высокой механической
прочности и достаточной чувствительности. Для согласования
большого внутреннего сопротивления пьезодатчиков с линиями
связи (особенно в полигонных условиях) сигнал, снимаемый не-
посредственно с датчика, необходимо подавать на катодный пов-
торитель.
Для регистрации сигналов, получаемых с датчиков, приме-
няют различные электронные осциллографы — ОК-17М, С1-29,
С1-19 и др.
В осциллографе ОК-17М (рис. 54) применена двухлучевая
осциллографическая трубка типа 18ЛО47А. Диаметр рабочей ча-
сти экрана 125 мм.
Развертка по оси времени — однократная. Длительность раз-
вертки регулируется плавно в пределах четырех диапазонов от
3 до 2000 мксек.
Пуск схемы осуществляется либо от специального пускового
сигнала, либо от исследуемого сигнала, подаваемого на вход
первого усилителя. В первом случае пусковой сигнал величиной
не менее +10 в подается на пусковой вход осциллографа. При
пусковом сигнале +50 в время срабатывания схемы пуска не бо-
лее 1 мксек. Во втором случае развертка включается при величи-
не исследуемого сигнала, вызывающего одностороннее отклоне-
9—50
129
ние луча на 5 мм. Время срабатывания развертки луча от сигна-
ла, вызывающего отклонение луча на 10—15 мм, не превышает
0,6 мксек.
Однолучевой осциллограф С1-29 предназначен для исследо-
вания периодических и однократных процессов методом запоми-
Рис. 55. Осциллограф С1-19
Рис. 54. Осциллограф ОК-17М
нания с последующим визуальным наблюдением и фотографиро-
ванием.
Длительность калиброванных разверток имеет 18 фиксиро-
ванных значений: 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500 мксек и 1,
2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500 мсек на 1 см отклонения по оси х.
Погрешность измерения временных интервалов в диапазоне
4 мксек — 4 мсек не превышает ±10%.
Запуск развертки луча осуществляется импульсами любой
полярности с временем нарастания от 0,2 до 100 мксек и дли-
тельностью не менее 1 мксек, с частотой следования от однократ-
ных посылок до 1 кгц. В режиме однократного запуска с ручным
стиранием обеспечивается блокировка от повторного запуска.
Осциллограф позволяет хранить записанный сигнал при обесто-
ченном состоянии прибора в течение 16 ч.
Электронно-лучевой осциллограф С1-19 (рис. 55) предназна-
чен для визуального наблюдения и исследования электрических
напряжений в диапазоне частот от постоянного тока до 1 мгц,
а также для измерения амплитуд и длительностей исследуемых
сигналов.
Наличие периодической и ждущей развертки позволяет ис-
130
следовать периодические и однократные электрические процессы.
Возможность применения в каналах вертикального и горизон-
тального отклонения луча одинаковых усилений высокой чувстви-
тельности значительно расширяет пределы использования осцил-
лографа.
Рабочая часть экрана — 80 мм по горизонтали и 50 мм по
вертикали. Толщина линии луча не превышает 1 мм. Канал вер-
тикального отклонения луча имеет два режима по чувствитель-
ности: 5 и 0,5 мм[мв. Минимальный размер исследуемого сигна-
ла, при котором обеспечивается класс точности осциллографа,
составляет 20 мм по вертикали. Основная погрешность измере-
ния временных интервалов не превышает ±10%. Минимальная
длительность исследуемого временного интервала, при котором
обеспечивается класс точности осциллографа, 25 мксек. Мини-
мальная величина изображения исследуемого сигнала 10 мм.
Диапазон длительности развертки осциллографа регулируется от
10 сек до 10 мксек. Синхронизация и запуск развертки осциллог-
рафа осуществляются сигналом любой полярности при размахе
изображения 10 мм, или сигналом извне любой полярности
частотой от 3 гц до 1 мгц при размахе 1 —100 в, либо от питаю-
щей сети.
В полигонных условиях для замера параметров волн напря-
жений широко применяются индукционные датчики скорости
смещения среды типа ВИБ-А, СПЭД, ДДС и др. Принцип рабо-
ты этих датчиков основан на инерционности подвижного эле-
мента, помещенного во внутреннее магнитное поле. Корпус при-
бора жестко связывается со средой и смещается с ней при взры-
ве. В этом случае в катушке подвижного элемента наводится
э. д. с., величина которой пропорциональна скорости смещения
W:
(IV.44)
dt
где К — коэффициент пропорциональности, взятый из паспорта
датчика.
Реальную скорость смещения при расшифровке осцилло-
грамм определяют по формуле
U = _, (IV.45)
^дат^шл
где 27? — суммарное сопротивление цепи в ом\
27? = ^дат+7?Ш Л Н~ 7? л ИН 4~ 7? ДОП;
у— величина всплеска на осциллограмме в мм;
5дат—чувствительность датчика в г-мв-сек!см;
5ШЛ—чувствительность шлейфа в мм!сек.
Согласно методике проф. А. А. Ханукаева, по подсчитанным
по формуле (IV.45) скоростям смещения в месте замеров нахо-
дят радиальные напряжения
о = ~ CvUKavs. кгсЕм2, (IV.46)
9*
131
где р — объемный вес в кг)см3-,
g—ускорение силы тяжести;
Ср—скорость продольной волны в см/сек,-,
— скорость смещения.
Ниже приведены характеристики некоторых индукционных
датчиков скорости смещения.
Прибор ВИБ-А позволяет регистрировать колебания, перпен-
дикулярные основанию прибора и имеющие амплитуду переме-
щения до ±10 мм в диапазоне частот 5—200 гц. Прибор дает
возможность записывать ко-
рне. 56. Датчик СП ЭД-62
лебания в горизонтальном,
вертикальном и любом дру-
гом положении. Диапазон
регистрируемых скоростей
смещения 0,1—10 м/сек. Па-
раметры прибора: период
собственных колебаний 71 =
= 0,6 гц, при горизонталь-
ных колебаниях 7] = 0,4 гц-,
приведенная длина маятни-
ка /о = 7±1О см, сопротив-
ление индукционной катуш-
ки 7?i = 4,5±5 ом, момент
инерции маятника Ki =
= 1100±1200 г>см. Чувстви-
тельность катушки Si=8±
±10 мв-сек/см.
Датчик СПЭД-62. При-
менение датчиков этого типа обусловлено сравнительно неболь-
шим весом до 1 кг в отличие от датчиков ВИБ весом 10 кг. С по-
мощью данного прибора (рис. 56) можно регистрировать верти-
кальные и горизонтальные колебания, а также ускорения и ско-
рости смещения.
Технические данные СПЭД: собственная частота <л>0=31 гц,
сопротивление индукционной катушки /? = 500 ом.
Для замеров параметров волн напряжений с помощью ука-
занных датчиков необходимо произвести тарировку приборов,
т. е. определить их рабочие характеристики: момент инерции
и приведенную длину маятника, собственную частоту датчика,
его критическое сопротивление, чувствительность датчика, ам-
плитудную характеристику и т. д.
В качестве примера рассмотрим определение чувствительно-
сти датчиков типа ВИБ. С прибора снимают пружины и грузы-
противовесы. Маятник и ось вращения располагают горизон-
тально. На правую стойку маятника с помощью винта прикреп-
ляют зеркальце. На скобе между двумя гайками устанавливают
линзу. Затем через катушку маятника пропускают постоянный
ток силой не более 15 ма и измеряют отклонение светового луча
на вертикальной шкале.
132
Чувствительность определяют по формуле
Sx= 1,978-^-°, (IV.47)
T\l
где MR—статический момент маятника без груза в г-см;
Тх—период собственных колебаний маятника без груза
в сек;
I— сила тока в ма;
60— угол отклонения маятника от положения равновесия
в град.
Статический момент маятника определяют при горизонталь-
но расположенных маятнике и оси вращения. Грузы-противове-
сы снимают. Над концом маятника располагают одну из чашек
весов, которая связана шелковой нитью с маятником сейсмопри-
емника. На противоположную чашку весов накладывают гири
разновесов до возвращения маятника в горизонтальное положе-
ние. Расстояние от конца маятника до оси вращения 106 мм. Зная
величину уравновешивающей массы, можно определить статиче-
ский момент мятника по формуле
MR = 10,6Л4х, (IV.48)
где Мг— величина уравновешивающей массы в г.
Достоинством индукционных датчиков является то, что они
не требуют специальной настройки или подготовки. Недостат-
ком является застревание катушки прибора в зазоре из-за по-
падания металлической пыли, оставшейся на магните, или вслед-
ствие неисправных пружин. Ввиду больших размеров и низкого
значения собственной частоты колебаний указанные датчики при-
годны для замеров довольно медленных колебаний (порядка ки-
логерц). Поэтому их применяют для замеров скоростей смещений
в полигонных условиях на расстояниях более чем 40—60 ради-
усов заряда.
Сигналы с этих датчиков записываются на шлейфовые ос-
циллографы типа МПО-2, Н-105, Н-700 и др.
Наибольшее распространение получил переносной осциллог-
раф МПО-2, модернизированный и выпускаемый под маркой
Н-102. Осциллограф рассчитан на запись сигналов при 12 скоро-
стях движения фотопленки от 0,1 до 500 см/сек. Скорость пере-
ключается ступенчато. В осциллографе Н-102 установлены во-
семь петлевых гальванометров типа Н-135.
В настоящее время наиболее распространенным является све-
толучевой осциллограф Н-700, отличающийся простотой кон-
струкции и небольшим весом. Питание осциллографа электриче-
ское. Имеются три кассеты, предназначенные для записи на
различных скоростях: одна для записи на фотобумагу с малыми
скоростями 0,25—4 см/сек, вторая — со скоростями 16—
250 см/сек, а третья позволяет записывать кратковременные
133
быстропротекающие процессы со скоростью 50—800 см/сек.
Имеется специальная электрофотографическая приставка для
получения видимой записи, которую устанавливают на место
обычной кассеты. В осциллографе имеется 14 каналов. Для ви-
зуального наблюдения за процессом записи предусмотрен мато-
вый экран с развертывающим устройством. Достоинством осцил-
лографа Н-700 является наличие пульта дистанционного управ-
ления ПУ-001, что облегчает инструментальные замеры при
опытных взрывах.
Светолучевой осциллограф Н-105 предназначен для одновре-
менной регистрации световым лучом на фотоленте до 12 иссле-
дуемых процессов. Осциллографирование может производиться
ультрафиолетовой записью на фотоленте, не требующей хими-
ческого проявления (на бумаге типа УФ), или фотографической
записью с проявлением. Схема осциллографа предусматривает
возможность полного дистанционного управления режимом ра-
боты прибора. Количество каналов 12, ширина фотоленты 35—
60—100—120 мм. Емкость кассеты 25 м. Длина оптического ры-
чага 300 мм. Предельная скорость записи с ртутной лампой на
фотобумаге типа УФ не менее 100 м/сек, на обычной фотобумаге
чувствительностью 300 ед. с ртутной лампой — не менее
1000 м/сек, с лампой накаливания типа ОП6-Ю — не менее
50 м/сек. Отметчик времени оптико-механический с интервалами
между основными отметками 2—0,2—0,02—0,002 сек. Переклю-
чение частоты отметок сблокировано с переключением скоростей.
Осциллограф имеет контакты для автоматического включе-
ния или выключения исследуемой схемы. В последнее время этот
осциллограф несколько модернизирован и выпускается под мар-
кой Н-115.
Кроме напряжений и смещений среды, при взрывных работах
измеряют деформации среды при быстропротекающих динамиче-
ских нагрузках. Для этой цели обычно используют проволочные
тензодатчики, представляющие собой очень тонкую (около 10—
40 мкм} проволоку из константана или нихрома. Проволока об-
разует внутри слоя клея плоскую тензочувствительную решетку
в виде нескольких петель, приклеенную к тонкому листу бумаги
или заклеенную между двумя листами бумаги. Под действием
взрывной нагрузки сам датчик деформируется (растягивается)
и электрическое сопротивление последнего меняется.
Основной характеристикой применяемых материалов явля-
ется тензочувствительность
S = (IV.49)
где R и I — сопротивление и длина тензочувствительного элемен-
та.
Тензочувствительность может быть представлена в виде двух
слагаемых:
134
S = Si + S2;
Sj — 1 2|x;
S Ap/p
2 AZ/Z ’
(IV.50)
где p—коэффициент Пуассона, равный для металлов ц=
= 0,2—0,4;
—изменение геометрических размеров;
S2 — изменение электрических свойств материалов при де-
формациях.
Коэффициенты чувствительности проволочных тензодатчиков
и допустимые отклонения их от номинала указываются заводом-
изготовителем, поэтому при измерении деформаций при статиче-
ских нагрузках тарировка тензометров обычно не требуется. При
исследовании же динамических взрывных процессов тензодатчи-
ки следует тарировать в лабораторных условиях для каждой по-
лученной партии. Обычно отбирают несколько тензодатчиков из
партии, предварительно проверив качество их приклейки. При
тарировании датчики наклеивают на тарировочную пружину
или стержень из высокопрочной стали, в которых под действием
нагрузки возникает равномерно распределенное относительное
удлинение известной величины.
Сигнал с датчика усиливается с помощью различных тензо-
станций и затем фиксируется электронными или шлейфными ос-
циллографами. При работе с тензодатчиками необходимо очень
тщательно проверять качество наклейки тензодатчиков, точ-
ность градуировки приборов и т. д.
В последнее время выпускаются полупроводниковые тензо-
датчики чувствительностью на два порядка больше, чем прово-
лочные датчики сопротивления. Применение их позволит значи-
тельно расширить возможность тензометрических измерений де-
формаций среды при импульсных взрывных нагрузках.
Регистрация импульса взрыва в мерзлых грунтах
методом скоростной киносъемки
Для исследования особенностей механизма разрушения мерзлых
грунтов важно знать картину процессов распространения полей
напряжений, законы отражения и преломления упругих и удар-
ных волн. Экспериментальные исследования действия взрыва
в мерзлых грунтах могут быть выполнены с помощью скоростной
киносъемки в прозрачных моделях. Эта съемка позволяет одно-
временно фиксировать распространение волн и трещин в любой
зоне, т. е. в зоне пластических и упругих деформаций без ограни-
чения амплитуды давления в волне. При этом фиксируются
скорость распространения волны и длительность импульса.
Большой интерес представляет возможность обратного изме-
135
нения масштаба времени, т. е. замедленного покадрового пред-
ставления на экране быстрых кратковременных процессов. При
исследовании действия взрыва в прозрачных моделях съемка
производится на высокоскоростном фоторегистраторе типа СФР
(рис. 57).
Съемочная камера СФР может быть использована как фото-
регистратор, дающий непрерывную развертку исследуемого про-
Рис. 57. Скоростной фоторегистратор СФР с
и телеобъективом
пультом управления
цесса, или как высокоскоростная камера, дающая ряд последо-
вательных фотографий изучаемого процесса с частотой съемки
до 2,5-106 кадр/сек. Явление фотографируется на неподвижную
кинопленку с помощью вращающегося зеркала. Установка СФР
снабжена системой автоматического электронного управления,
позволяющей синхронизировать начало изучаемого процесса с
началом регистрации, устанавливать и измерять с точностью до
0,1% скорость вращения зеркала и создавать электрический им-
пульс в нужный момент.
При исследовании картины возникновения и распространения
волн напряжений, а также развития процесса трещинообразова-
ния съемка ведется в режиме кадрирования. Методика прове-
дения эксперимента достаточно полно освещена в литературе
[11]. В качестве первого приближения допускается, что модель
и исследуемая среда ведут себя как упругие тела вплоть до мо-
мента разрушения. Причем большинство исследователей допус-
кает, что напряженное состояние, возникающее при взрыве уд-
линенного заряда ВВ в тонком слое (мысленно вырезанном из
136
массива) параллельно оси заряда, отображает напряжения во
взрываемом объеме.
При моделировании необходимо соблюдать для модели и на-
туры энергетические и геометрические критерии подобия упру-
гих волновых процессов, протекающих в средах при импульсных
нагрузках.
Геометрическое подобие системы выражается условиями:
I S2
= — = Ml\ (IV.51)
^2 S2
где 1г и /а— соответственно линейные размеры натуры и мо-
дели;
Sj и S2 — площади натуры и модели;
Л4 — масштабный коэффициент;
I — линейный масштаб.
Условие энергетического подобия зарядов ВВ натуры и мо-
дели определяется уравнением А. Ф. Беляева
Wt ^ЬЁ2 = W2 (IV.52)
где и W2— предельные значения линии наименьшего сопро-
тивления натуры и модели;
и Л£2— энергия заряда ВВ, приходящаяся на единицу
поверхности модели и натуры.
При исследованиях разрушения модели взрывом важно оп-
ределить массовую скорость по формуле [4]
«пр= -^uptg“, (IV.53)
где ип„—скорость фиксируемого процесса;
М — масштаб изображения;
Кр — скорость развертки СФР;
а — угол наклона изображения процесса на пленке.
При исследованиях, проводимых в лабораторных условиях
па образцах реальных сред или в полевых условиях, когда не-
обходимо получить общую картину процесса разрушения грун-
та под действием взрыва, применяют скоростные кинокамеры
типа СКС.
В этих камерах пленка при съемке движется непрерывно, а
оптическое изображение периодически в течение времени экспо-
нирования каждого последовательного кадра перемещается в ту
же сторону и с той же скоростью, что и пленка. В качестве опти-
ческого компенсатора применяют чаще всего многогранные стек-
лянные призмы. В отличие от других конструкций призменный
компенсатор обладает следующими преимуществами: позволяет
производить съемку с продолжительным временем регистрации,
имеет сменную оптику, портативный и весьма удобный в эксплу-
атации при сравнительно хорошем качестве изображения.
Камера СКС-1 с четырехгранной призмой (рис. 58) позволя-
137
ет производить фотографическую регистрацию на 16-миллимет-
ровую фотопленку с частотой до 4-103 кадр!сек при фотографи-
ческом разрешении 25 мин/мм. При этом зеркальный четырех-
Рис. 58. Скоростная кинокамера СКС-1
гр анник вращается со
скоростью 35-103 об!мин,
а пленка перематывается
со скоростью 30 м/сек.
В одном из вариантов ка-
меры СКС-1 вместо че-
тырехгранной призмы
предусмотрен восьмигран-
ник, что позволяет удво-
ить частоту съемки. Одна-
ко скорость непрерывной
перемотки пленки, равная
30 м/сек, в данной камере
является предельной, по-
этому при увеличении ча-
стоты съемки за счет ко-
личества граней много-
гранника приходится в
2 раза уменьшать шири-
ну кадра.
Наиболее приемлемы
для исследования процес-
са разрушения твердых
сред скоростные кинока-
меры СКС-1М, ССКС-3 и
сверхскоростные фоторе-
гистраторы типа СФР
(табл. 9).
В последнее время
Таблица 9
Тип камеры Ширина кино- пленки в мм Формат кадров в мм Частота съемки кадр/сек Общее число получае- мых кадров Длина заряжае- мой плен- ки в м
СКС-1 м 16 7,5X10,4 3,75X5,1 или 3,75X10,4 150—4000 300—8000 3900 7800 30 30
сскс-з 16 7,5X10,4 20 000—250 000 800 8
СФР (лупа вре- мени) 35 Круг диаметром 5 илн 10 мм 25-Ю3—2,5-Ю6 60 или 240 1,6
СФР (фото- регистратор) . 35 25X375 150—3750 м/сек — 1,6
138
созданы фоторегистраторы СФР-Р и ФКР-2. Этими аппаратами
съемка производится на фотопленку, расположенную по дуге ок-
ружности вокруг вращающегося зеркала. Аппарат СФР-Р позво-
ляет вести съемку с частотой до 100 млн. кадров в 1 сек, а ап-
парат ФКР-2 — до 1,5 млрд, кадров в 1 сек.
Большой интерес представляют аппараты, в которых смеще-
ние растрового изображения осуществляют электронно-оптиче-
ские преобразователи, что позволит достичь чрезвычайно боль-
шие частоты киносъемки.
Исследование действия взрыва при помощи
рентгеноимпупьсной установки
При исследовании действия взрыва в грунтах в ближней зоне
не представляется возможным разместить измерительные при-
боры вблизи границы раздела ВВ—среда. Оптические методы
неприемлемы вследствие непрозрачности образцов, а использо-
вание электромагнитного метода позволяет фиксировать лишь
начальную скорость смещения.
В последнее время для исследования действия взрыва в
ближней зоне успешно применяется метод импульсного рентге-
новского просвечивания, позволяющий исследовать поведение
границы ВВ—среда как с качественной, так и с количественной
стороны, поскольку картина не искажается трещинообразовани-
ем и газовыми потоками. Недостатками метода являются срав-
нительно небольшая точность измерений, незначительное коли-
чество кадров и ограниченное число рентгеновских трубок. По-
этому для получения большого количества снимков при экспери-
ментах требуется использовать несколько образцов. Несмотря
на эти недостатки, с помощью рентгеноимпульсного просвечива-
ния выполнены многочисленные научные исследования в облас-
ти физики разрушения твердых сред.
Рентгенография быстропротекающих процессов позволяет
измерять величины и скорости смещения границы раздела ВВ —
среда, определять среднюю плотность в зоне интенсивного сжа-
тия, изучать распространение ударных волн в ближней зоне взры-
ва и др.
При количественной оценке результатов взрыва измеряют
плотность среды и смещение того или иного объекта за извест-
ный промежуток времени. При этом определение величины сме-
щения более просто и однозначно по сравнению с оценкой плот-
ности в момент действия на среду детонационных волн.
Рентгеноимпульсная установка, созданная на основе электри-
ческой схемы умножения напряжения, состоит из следующих
основных элементов (рис. 59): рентгеновских трубок (РТ), ге-
нераторов импульсного напряжения (ТИН), емкостно-индуктив-
ной линии задержки пускового сигнала (ЛЗ), высоковольтного
выпрямителя (ВС), системы синхронизации (ВС) и пульта уп-
равления.
139
В состав установки входит вакуумная взрывная камера, в ко-
торой можно взрывать до 200 г аммонита.
Рентгеновская трубка (РТ) представляет собой стеклянно-
металлический баллон, внутри которого по оси проходит алю-
миниевый стержень, оканчивающийся острием с углом заточки
60°. Это острие является анодом. Катодом служит стальной
Рис. 59. Принципиальная схема рентгеноимпульсиой установки
/ — взрывная камера; 2 — испытываемый образец; 3 — датчик
цилиндр, соединенный с заземлением. Предварительно разреже-
ние в трубке создается механическим насосом ВН-461, затем
паромасляным диффузионным насосом ЦВЛ-100. На стекле, вы-
полняющем роль изолятора, намотан индуктивный делитель
напряжения для обеспечения равномерного падения напряжения
и предотвращения пробоя по стеклу при высоких импульсных
напряжениях. Длительность рентгеновской вспышки составляет
0,1—0,5 мксек. Оптимальная величина промежутка— 10—16мм.
В качестве генераторов импульсного напряжения использо-
ваны три секции по три стандартных блока конденсаторов
ГИ-500. Генератор заряжается от высоковольтного выпрямителя
до напряжения 70—100 кв, причем все его конденсаторы соеди-
нены параллельно и находятся под зарядным напряжением. В ус-
тановке предусмотрена синхронизация срабатывания ее и взры-
ва заряда ВВ.
Анод рентгеновской трубки в первом приближении можно
считать точечным источником рентгеновских лучей, которые рас-
140
пространяются прямолинейно. При отсутствии среды или малой
ее плотности между источником и исследуемой моделью можно
считать, что в пространстве устанавливается поле рентгеновских
лучей, интенсивность которых убывает обратно пропорциональ-
но квадрату расстояния:
J = — e^,- (IV.54)
4лг2 4
где 5 — количество у-квантов, обладающих энергией е;
г — расстояние;
ц— линейный коэффициент ослабления рентгеновских
лучей;
d — толщина преграды.
Оптимальное расстояние объект—пленка при данном положе-
нии рентгеновских трубок, когда нет смысла приближать плен-
ку к объекту, будет равно:
b = , (IV.55)
где NB — собственная нерезкость эмульсионного покрытия рент-
геновской пленки и усиливающего экрана; а —расстояние
анод — пленка; Ф — размер источника излучения.
Собственная нерезкость для условий нашего эксперимента
составляет 0,25 мм. Размер фокусного пятна рентгеновской труб-
ки равен диаметру вольфрамового наконечника на аноде и обыч-
но составляет 2,5—3 мм. Расстояние анод—регистрирующая
рентгеновская пленка постоянно и равно 172 см. Поэтому опти-
мальное расстояние образец—пленка, определенное по формуле
(IV.55), равно 22 см.
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ НАРУШЕНИЯ ГРУНТОВ
ПРИ ВЗРЫВАХ
Для наиболее полного учета влияния взрыва на окружающую
среду и выбора оптимального расположения заряда нами пред-
лагаются уточненные методы расчетов, разработанные на осно-
вании результатов натурных наблюдений и изучения поперечных
сечений выемок, образованных взрывом.
Разрушаемую взрывом породу практически и теоретически
можно разделить на две зоны: полного разрушения и трещино-
образования (рис. 60). Полным считается такое разрушение по-
роды, когда без особых затруднений возможна разработка ее
экскаватором; при разработке породы в зоне трещинообразова-
ния требуется производить небольшие по мощности взрывы. Обе
указанные зоны имеют форму, близкую к полуэллипсоидам
вращения, центром которых принимается точка О, лежащая на
пересечении линии наименьшего сопротивления породы с поверх-
ностью. Размер вертикальной полуоси полуэллипсоида, совпада-
ющей с направлением линии наименьшего сопротивления, со-
ставляет:
141
а) до границы зоны трещинообразования (растрескивания)
атр = w + гТр, (IV. 56)
где w — линия наименьшего сопротивления от центра заряда
до дневной поверхности;
гтр— радиус сферы трещинообразования;
б) до границы полного разрушения
ар = w + rCiK, (IV.57)
где гсж — радиус сферы сжатия.
Рис. 60. Схема действия сосредоточенного заряда выброса
А—зона разрушения; Б— зона трещинообразования; / — очертание
видимой воронки выброса; 2—навал породы после взрыва; 3—заряд ВВ
Размер полуосей полуэллипсоидов вращения, перпендику-
лярных направлению линии удара, составляет:
а) до границы зоны трещинообразования
бтр = nw + (гтр — rclK), (IV.58)
где п — показатель выброса, на который рассчитан заряд;
б) до границы полного разрушения
bp = nw. (IV.59)
Для глубинных зарядов, при взрыве которых не образуется
воронок выброса или рыхления (камуфлетные заряды), зоны
разрушения и трещинообразования могут быть определены со-
ответственно величинами радиусов гсж и гтр:
з _______ з .
гсж = 0,62 /Q3ap kCK =-• 0,62® // (п) qkcx (IV.60)
И
з ____________________________ 3 -
гтр = 0,62 t Q3ap feTp = 0,62®/f(n)qkTp, (IV.61)
где <2зар = f (п) qws—-величина сосредоточенного заряда в кг;
q — удельный расход в кг/м3 взрывчатого ве-
щества для зарядов нормального выброса
(при «=!);
&сж, kTp — соответственно коэффициент сферы сжа-
тия и трещинообразования (табл. 10).
г
Таблица 10
Г рунты Коэффициент крепости по Протодьяко- нову f Коэффициент сферы сжатия k сж
I категории II » Ill » IV » Скальные 1 0,8 1 1.5 2 3 4 5 6 8 10 12 15 20 25 600—1200* 300—600* 300—600* (100—150)—300* 40—50 32—40 21—30 16—20 11 — 14 8—10 6,5—8 5,5—6,5 4-5 3,2—4 2,7—3,3 2,1-2,7 1,6—2 1,3—1,6
* Для пластичных грунтов влажностью более 15%.
для
скальных пород
Коэффициент трещинообразования
&тр= (2—5)^с®; для пластичных и непластичных грунтов I—IV
категории величина £тр различна: для непластичных грунтов с
влажностью менее 15% &тр= (2-=-3)&Сж; для пластичных влаж-
ных грунтов (особенно для глин) коэффициент сферы трещино-
образования близок к коэффициенту сферы сжатия; такие грун-
ты имеют влажность более 15%. Грунты с влажностью, значи-
тельно меньшей 15%, по степени разрушения приближаются
к сухим грунтам и скальным породам. Отсутствие зоны трещи-
нообразования за зоной сжатия у влажных пластичных грунтов
объясняется тем, что пластичная среда, подвергаясь действию
взрыва, не теряет сплошности, а только несколько уплотняется
в определенных условиях. Это свойство пластичных грунтов
можно использовать в практике с целью уплотнения грунтов
основания плотин, дамб, выемок взрывами прострелочных заря-
дов, заполняя образующиеся при взрыве котлы бетоном.
Коэффициент сферы сжатия для скальных пород можно оп-
ределить по эмпирической формуле:
, , 40 А
^сж — рА,
—коэффициент неравномерности, принимаемый
равным 0,85—1,15;
(IV.62)
где
143
f— коэффициент крепости породы по М. М. Про-
тодьяконову;
р — относительная работоспособность взрывчатого
вещества: для аммонита средней мощности
р= 1; для аммонита № 6 р= 1,15; для динафта-
лита р=1,1;
Д — 0,8 = 1 —плотность зарядки.
Расстояние от любой наиболее удаленной точки до линии на-
именьшего сопротивления рекомендуется определять по форму-
лам, выведенным на основании схемы разрушительного дейст-
вия заряда:
а) до границы разрушения
1-^
ар
(IV.63)
б) до границы трещинообразования
(IV.64)
На уровне заложения заряда эти величины составляют:
а) до границы разрушения
ер = Ь-Р- /ар —ю2; (IV.65)
ар
б) до границы трещинообразования
етр = Ьр.]/атр_^, (iV.66)
атр
где Ьтр и Ьр—размеры полуосей зоны трещинообразования
и зоны разрушения;
хтр, хр и уг— координаты точек на эллипсоидных кривых
зоны трещинообразования и зоны разрушения.
Поскольку известна глубина траншей, котлованов каналов,
ниже которой грунт не должен подвергаться разрушению (ве-
личина аТр) или подвергается частичному разрушению (величи-
на ар), то заглубление центра заряда относительно дневной по-
верхности следует принимать равным:
а) при недопущении разрушения ниже проектной глубины
® -----------з-.- - ; (IV.67)
1 + 0,062 |/f (п) qk-jp
б) при допущении частичного разрушения (наличие трещин)
w -----------°- - , (IV.68)
1 + 0,062 // (и) qkcx
где а— проектная глубина в м.
144
ГЛАВА V
ВЗРЫВНАЯ КОЛЬМАТАЦИЯ ГРУНТОВ
(УПРОЧНЕНИЕ ГРУНТОВ ГИДРОВЗРЫВОМ)
1. ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ВЗРЫВНОЙ КОЛЬМАТАЦИИ
Разнообразие физико-механических свойств грунтов и гидро-
Iеологических условий их залегания, а также особенности того
или иного сооружения обусловливают необходимость примене-
ния наиболее эффективного способа укрепления грунтов.
Существующие способы укрепления грунтов условно подраз-
деляются на две группы: механические (уплотнение катками,
бетонирование, гидровибрирование, торкретирование и т. д.) и
физико-химические (солонцевание, гидрофобизация и т. д.).
В последние годы как в СССР, так и за рубежом довольно
в большом масштабе проводятся исследования применения энер-
гии взрыва для уплотнения несвязных и малосвязных грунтов.
Хорошие результаты получены при уплотнении поверхностных
и глубинных слоев грунтов взрывами при строительстве плотин.
Применение взрывного способа может обеспечить увеличение от-
носительной плотности несвязных грунтов до 70—85%. Однако
при взрыве сконцентрированных зарядов ВВ при малом радиусе
их действия уплотняется небольшой массив грунта по площади и
по глубине. Для уплотнения более обширной площади приходит-
ся применять большое количество точечных зарядов, перекрыва-
ющих каждый свою зону уплотнения, вследствие чего усложня-
ется технология производства взрывных работ, снижаются проч-
ностные свойства грунтов, увеличиваются затраты времени на
размещение зарядов и т. д.
Отдел гражданского строительства при Сиракузском универ-
ситете несколько лет назад начал разработку взрывного метода
упрочнения грунта с применением вспененного топлива. Боль-
шую площадь обрабатываемого грунта покрывают слоем пенис-
того вещества, которое взрывают с целью уплотнения. Указан-
ное ВВ содержит: гидразин, перхлорат аммония и пенящий
агент (пенящаяся жидкость на основе гидролизованного про-
теина). Кроме того, добавляют стабилизатор пены для увеличе-
ния срока его годности. Применение указанного метода весьма
сложно и требует больших затрат средств.
В последнее время автором предложен новый метод укреп-
ления грунтов гидровзрывом с применением различных цемен-
тирующих, цементно-грунтовых и гидрофобных вяжущих соста-
вов1. Указанный метод можно отнести к особой промежуточной
1 Авторское свидетельство № 199731 от 16/V 1967 г.
10—50 145
группе, так как он сочетает в себе механические (взрывное инъе-
цирование мелкодисперсных частиц в поровые каналы) и физи-
ко-химические (укрепление частиц в поровых каналах) способы
закрепления малосвязных грунтов.
Простота указанного метода, малая трудоемкость и исполь-
зование несложного оборудования позволяют применять его в
любых производственных условиях.
Как показали многочисленные эксперименты в лабораторных
и полевых условиях, при гидровзрывном укреплении малосвяз-
ных грунтов улучшаются их физико-механические свойства при
естественном залегании, сокращаются сроки строительства со-
оружений и значительно снижаются расходы в период их эксп-
луатации.
Для теоретической и экспериментальной проверки гидро-
взрывного способа улучшения динамических свойств грунтов
автором разработана методика проведения исследований.
Рабочая программа этих исследований включает вопросы
определения энергетических, физико-механических и фильтра-
ционных характеристик грунтов при устройстве выработок спе-
циального назначения и каналов с применением цементирую-
щих (скрепляющих) составов и без них.
Наблюдениями установлено, что водопроницаемость грунта
в выемках и каналах снижается в основном не за счет сужения
пор при взрыве, а в результате микроагрегатного изменения со-
става взорванного грунта, покрывающего ложе канала при об-
ратном падении. В суглинистом взорванном грунте на откосах
канала после взрыва крупных частиц содержится гораздо мень-
ше, чем до взрыва. Преобладание частиц размером 0,05—
0,01 мм, а также большое содержание пылеватых частиц (осо-
бенно илистых размером менее 0,001 мм) свидетельствуют о по-
ниженной водопроницаемости этих горизонтов. Как правило^
содержание илистых частиц в разрыхленном обратно упавшем
в выемку грунте после взрыва увеличивается почти в 1,5 раза.
После удаления слоя обратно упавшего грунта фильтрационная
способность ложа выемки начинает восстанавливаться. До уда-
ления обратно упавшего грунта скорость фильтрации составля-
ла 5,9-10-5—4,9-10—5 см/сек, после удаления небольшого слоя
2,8• 10-4—1,4-10—4 см)сек. Следовательно, скорость фильтрации
в создаваемых взрывами выемках уменьшается вследствие на-
личия слоя обратно упавшего и нарушенного взрывом грунта, а
также частично уплотненного слоя.
Исследованиями, проведенными автором в полевых и лабо-
раторных условиях на Курской опытно-мелиоративной станции
ВНИИГиМ и на землях совхоза «Путь Ильича» (Подольский
район Московской области), установлено, что скорость впитыва-
ния в первый период после заполнения выемки водой уменьша-
ется вследствие усиленного заиливания крупных пор илистыми
частицами из слоя обратно упавшего грунта, находящегося под
146
действием статического давления столба воды. Затем токи во-
ды, перемещаясь поступательно вместе с мельчайшими части-
цами грунта, заполняют, растекаясь из крупных пор и трещин,
соседние более мелкие поры (рис. 61). Процесс продолжается
до тех пор, пока все поры не заполнятся этими частицами. Ес-
тественная кольматация наблюдается и в заполненных водой
обычных копаных выемках, но с меньшей интенсивностью.
В дальнейшем был разработан метод создания водонепрони-
цаемого и упрочненного слоя грунта путем взрыва небольших
Рис. 61. Схема распределения частиц грунта в выемке под действием взрыва
подвесного микрозаряда в воде
1— движение токов воды; 2 — движение токов воды с мелкодисперсными частичками грун-
та; т — слой грунта с нарушенной структурой после взрыва; h — глубина заложения под-
весного заряда; Я —напор воды; DB—раствор выемкн поверху
зарядов в наполненных жидкостью выемках. Новый метод сни-
жения потерь воды на фильтрацию характеризуется простотой
применения, наименьшими затратами труда, времени и средств.
Примерно в 5—6 раз по сравнению с другими способами сни-
жается стоимость работ по предотвращению фильтрации.
Способ упрочнения грунтов и снижения их водопроницаемо-
сти взрывами микрозарядов в жидкой среде назван взрывной
кольматацией.
В отличие от естественной кольматации, когда происходит
медленное заиливание только поверхности грунта наносами или
илистыми осадками под действием сил собственного веса и стол-
ба воды, взрывная кольматация пор и трещин основана на дей-
ствии ударных волн в жидкой среде. При этом мелкодисперсные
смоченные частицы инъецируются в глубокие слои грунта и за-
купоривают поровые каналы и трещины, создавая тем самым
мощный упрочненный и антифильтрующий слой грунта.
Способ взрывной кольматации мелкодисперсных частиц в по-
ры грунта применяется при цементации поровых каналов путем
взрыва небольших зарядов в жидких скрепляющих веществах.
10
147
2. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ
УДАРНЫХ ВОЛН В ПОРИСТЫХ СРЕДАХ
При распространении энергии взрыва в окружающей среде об-
разуются поверхности, на которых скачкообразно изменяются
гидродинамические параметры (давление, плотность, темпера-
тура, скорость движения частиц) по времени и расстоянию. Та-
кие поверхности называются поверхностями сильного и слабого
разрыва. Если на поверхности сильного разрыва скачкообразно
изменяются давление и нормальная составляющая вектора ско-
рости потока, то такая поверхность называется нестационарной
поверхностью сильного разрыва или фронтом ударной волны.
Если же скачкообразно изменяются плотность и температура,
то поверхность называется стационарной поверхностью сильного
разрыва. Поверхность, отделяющая продукты взрыва от окружа-
ющей среды, называется поверхностью газового пузыря.
Основная задача теории гидровзрыва — изучение неустано-
вившегося движения жидкости между двумя краевыми поверх-
ностями — фронтом ударной волны и поверхностью газового
пузыря.
Вследствие высоких давлений при взрыве можно принять,
что объемные силы отсутствуют и вязкость жидкости равна
нулю.
Как известно, энтропический процесс (S—const, где S —
энтропия) характеризуется выполнением любого из следующих
соотношений (для идеального газа):
Тр1-* = const; pp~k = const. (V. 1)
Эти соотношения известны под названием адиабаты Пуассона.
Здесь А = — , а для двухатомных газов k= 1,4. Аналогично
соотношениям (V.1) условие адиабатичности для воды записы-
вается в виде:
<v-2’
где с, р*, р* — постоянные, имеющие следующие значения: с=
= 5400 кгс!см2, р* = 2,53 г)см?, />*=912 000 кгс/слг2.
Коэффициент х в диапазоне изменения начальных данных
1 < Р 250-103 атм, Т <z 2000° К колеблется от 5,55 до 4,60.
Медленное изменение х позволяет считать, что в условиях
подводного взрыва распространение ударных волн с давления-
ми на фронте до 30 тыс. атм может рассматриваться в предпо-
ложении изэнтропичности процесса аналогично процессам в
идеальном газе. Рассмотрим, какие условия выполняются на
поверхности взрыва F. Пусть уравнение этой поверхности будет
иметь вид:
F (х, y,?,t) = O. (V.3)
148
Эта поверхность делит пространство на две области: с одной
стороны, F(x, у, z, 0 <0, с другой — Е(х, у, z, t) >0. Обозначим
[6] = b+—Ь- — скачок величины b из области, где Е>0, в
область, где F<0 (предполагается, что точки, в которых берет-
ся величина Ь, стремятся к поверхности).
Очевидно, что скорость перемещения поверхности разрыва
относительно неподвижного наблюдателя равна:
dF
N =-------................- . (V.4)
\f (Fl2+(F)2+(FT
у \dx ) \ду I \дг /
Скорость распространения поверхности разрыва — скорость
движения поверхности разрыва относительно жидкости, движу-
щейся перед или за фронтом разрыва, равна:
Q = N~vnt (V.5)
где vn — величина нормальной составляющей скорости частиц.
На поверхности разрыва должны выполняться условия ди-
намической совместности:
[Р0] = 0; P0[v) = [p]n; P0[y +«| = [pfj. (V.6)
Эти условия являются следствием общих законов сохранения
массы, количества движения и энергии на поверхностях раз-
рыва.
Если 0 = 0, то [р] =0; [пп] =0, поверхность разрыва стацио-
нарна и называется поверхностью тангенциальных разрывов.
Если 0 #= 0, то поверхность разрыва не стационарна: [р] ¥=0,
[ц„] #= 0, а [щ]=0. Эта поверхность называется ударной волной.
Из уравнений (V.6) можно сделать ряд выводов. Если изве-
стны гидродинамические параметры невозмущенной среды (р+,
v+, р+), то достаточно задать один любой элемент на поверхно-
сти разрыва, как остальные однозначно определятся.
Для идеального газа можно получить соотношение, анало-
гичное адиабате Пуассона, — адиабату Гюгонио:
Р_ _ + (^—1)Р+ -v 7<
р+ (k + 1) р -—(k—
Обозначим местную скорость звука
а = \/ ^ . (V.8)
г dp
Скорость перемещения ударной волны N всегда больше ско-
рости звука перед фронтом, но разность скорости перемещения
волны и скорости частиц всегда меньше, чем скорость звука за
фронтом, N <a~+vn— Следовательно, малые возмущения в
жидкости, распространяющиеся с местной скоростью звука, мо-
гут догнать фронт ударной волны, но не могут его обогнать.
149
В дальнейшем нас будут интересовать только одномерные дви-
жения (одномерные движения со сферической или цилиндриче-
ской симметрией).
При по=О
= N ; (V.9)
Рф
Рф — Ро = РоЛ^ф; (V.10)
уф = 1/ (Рф—Ро)(--------• (V. 11)
г \ Ро Рф /
Индексом «ф» обозначены гидродинамические параметры на
фронте волны, а индексом «О» — в невозмущенной жидкости.
В результате сильного разрыва давление должно обязательно
возрастать (теорема Цемплена).
После прохождения ударной волны движение жидкости опи-
сывается уравнением Эйлера
+(vv)v = — — vp, (V. 12)
at р
которое в случае безвихревого движения для баротропной жид-
кости имеет интеграл Лагранжа — Коши
-^ + -^ + р = о, (V.13)
где y=V<p; Др= — Vp.
Р
rr k Р П р 4- В
Для идеального газа р =------• —, а для воды р =-----. ——
k — 1 р п — 1 р
(согласно уравнению Тэта).
Для описания движения, кроме (V.12), необходимо еще
уравнение неразрывности
-g- + div(pv) = О (V.14)
и уравнение притоков тепла
^-+(vV)S = 0. (V.15)
Для одномерного движения система
+ +p2l+ = о-
представляет замкнутую систему уравнений.
150
Рассмотрим теперь физическую картину образования удар-
ной волны. В результате взрыва всегда имеется область силь-
но сжатой жидкости, перемещающейся в пространстве со сверх-
звуковой скоростью. При подходе ударной волны к некоторой
точке пространства давление, плотность и другие величины
в этой точке испытывают скачок (возрастают). Затем следует
Рис. 62. Изменение давления в удар-
ной волне во времени
постепенное изменение этих величин, причем через некоторый
промежуток времени давление и плотность в данной точке про-
странства становятся меньше, чем те же параметры в невозму-
щенной среде. Постепенно падает скорость движения частиц,
изменяя в дальнейшем свое направление. Качественный харак-
тер изменения давления в ударной волне по времени и в прост-
ранстве может быть представлен эпюрами (рис. 62).
Пространственную протяженность зоны сжатия называют
длиной ударной волны, которая значительно меньше протяжен-
ности зоны разрежения. Время действия положительного избы-
точного давления т или t+ называется периодом волны.
По мере удаления от центра взрыва давление на фронте вол-
ны постепенно уменьшается, а длина ее несколько возрастает.
На очень больших расстояниях ударная волна переходит в зву-
ковую. Ширина фронта ударной волны составляет 10~5—10~6 см.
Сам газовый пузырь совершает колебания, при этом происходит
потеря энергии, которая и излучается в виде ударной волны.
Приведем для примера формулы, позволяющие по заданно-
му значению скачка давления определить все остальные пара-
метры.
Для давления рф< 1000 атм уравнения совместности можно
линеаризировать:
N = а0 (1 + рф\ ;
\ 4Вп !
„ ! < , П — 1 \
йф — аи 111 Рф 1;
\ £ОП )
= ао ~ •
(V. 17)
Напомним, что мы приняли уравнение состояния воды в форме
Тэта:
151
v(T, p) = v(T,O)
1 — — lnZl +
n \ В
(V.18)
и уравнение адиабаты Тэта
р + В = ро + В
р" Ро
где В = 3045 кгс/см2-, тг=7,15.
Шалем была экспериментально установлена динамическая
адиабата для воды — = / ( ——с достаточной точностью до
давлений примерно 20-103 атм (соответствующих —— »0,6).
°0
Экспериментальные данные хорошо ложатся на прямую, урав-
нение которой
— = 1 + m— ; m 2.
ао ао
(V.19)
Равенство (V.19) можно рассматривать как условие совмес-
тности, установленное экспериментально, тогда
уф = — (N — а0);
m
~ Ро^ (# — а0).
(V.20)
Если плоская волна встречает препятствие в виде жесткой
границы, то наблюдается явление отражения, в результате ко-
торого давление на стенке возрастает: для слабых волн в 2 ра-
за, а для сильных волн еще больше.
3. ВЗРЫВ В БЕЗГРАНИЧНОЙ СРЕДЕ
Как известно, для решения задачи о взрыве нужно использовать
граничные условия на поверхности газового пузыря, которые
определяют характеристики исходящей ударной волны
(табл. 11), получаемые из теории детонации ВВ.
Точное решение задачи о взрыве может быть выполнено
только численным интегрированием на ЭВМ, но для понимания
сущности значительную роль играет теория подобия.
152
Таблица И
ВВ Плотность волны на фронте в кг-сек?/м* Давление на фрон- те в кгс/см* Скорость переме- щения в м/сек Скорость частиц за фронтом в м/сек Темпера- тура на фронте в °C
Тол 177 133 500 5550 2370 590
Нитрокриновая кис-
лота 179 143 500 5730 2475 640
тэн 178 140 000 5700 2450 610
Тетрил 182 160 000 6000 2650 725
Л. И. Седов предположил, что взрыв характеризуется вели-
чиной энергии взрыва Ео (для заряда), ро, ро и k — коэффициен-
тами адиабатического расширения (для среды).
Из этих величин можно составить безразмерные соотно-
шения:
1 1
Т + V
k- l = J— ; Т = -------------, (V.21)
Ро r2+v ± -L
Fv п2
£о Ро
где v=l, 2, 3 соответственно для задач одномерной, с цилинд-
рической и сферической симметриями.
Влияние начального давления ро, а следовательно, и пара-
метра т возникает вследствие условий совместности на фронте
ударной волны. Но при сильном взрыве в ближней зоне давле-
ние на фронте на 2—3 порядка выше начального. Следователь-
но, в такой задаче параметром т можно пренебречь и движение
описывается одним параметром Л (движение автомодельно).
Для сильной ударной волны, для газа идеального —<С1; Рф~
РФ
£4-1
» ро и, следовательно, Л=Х* (т. е. параметр X должен на
k — 1
фронте сохранять постоянное значение). Таким образом:
дг = = —— . 1*. (V.22)
d/ф 2 + v /ф
Для безразмерных функций
' п-у v(X); р = р07?(А);
Р = Po^P(ty
153
можно написать систему уравнений:
% v — 2) v' + т j = v2 — v + 2 ;
X Гт v' + (mv—2)
(V.23)
Z(mv-2) Г-^ — k — ] = 2(v—1),
P R J )
где tn = 2-\-v.
Для системы (V. 23) можно написать первый интеграл. Для
этого рассмотрим изменение полной энергии в некотором объе-
ме Q, ограниченном поверхностью к=const (плоской, цилинд-
рической, сферической). Скорость ее перемещения равна: JV =
— 2 г
~ 2 + v ’ t '
Пренебрегаем внутренней энергией газа по сравнению с при-
обретаемой им в результате взрыва. Полная энергия внутри
объема Q должна оставаться постоянной. Пусть координата,
характеризующая объем Q, есть г. За время dt приращение
объема будет 4nr2Ndt, а энергия газа 4nr2Ndt + pej.
Эта работа должна равняться энергии
/ \
4nr2vdt Ip — + pel,
приносимой газом, протекающим за время dt через среду радиу-
са г, п работе сил давления 4nr2pydt.
Следовательно, получаем интеграл
(V.24)
С помощью этого интеграла можно получить решение для
всех функций, входящих в уравнения. В этом методе пренебре-
гаем р (противодавлением). В дальней зоне это недопустимо,
так как рф уменьшается по мере удаления ударной волны от ис-
точника взрыва. В подводном взрыве вообще нельзя с самого
начала пренебрегать противодавлением р0 и, кроме того, нельзя
считать, что-^-<С1. В этом случае (аналогично решению Седова)
N
ищем решение для функций:
где
Ро гт
154
Если в некоторый момент tQ (например, в момент выхода де-
тонационной волны на поверхность заряда) r=r0; v=v*\ а=а*;
N=N*, тогда
v (X*) = —; А (%*) = —
' ’ n* ' N*
и уравнения решаются численно на ЭВМ.
\ / X \
---)иЛ ------(описывается для сферического
%* / \ X* /
случая кривыми (рис. 63).
На больших расстояниях можно считать, что автомодель-
ность выполнена для отношения расстояния ко времени (метод
Приведем формулы, позволяющие оценить поле давления
при подводном взрыве в безграничной жидкости. Пусть вес за-
ряда G отражает характерный размер ВВ:
G = V я^о.з 7,
<5
где у — плотность, равная для тротила 1,6 г/см3.
Давление на фронте ударной волны равно:
= ) , (V.25)
\ г /
где А — постоянный коэффициент, равный для тротила 533. Для
других ВВ Ai = XiA,
где
/ О{ \ 0,376
Q;—удельная энергия данного ВВ в ккал1кг;
Qt — удельная энергия тротила, равная 1000 ккал/кг.
Для безразмерных расстояний давление выражается фор-
мулой ’
14 700 , ., л; ЛД\
Рт = (Ут = 1). (V.26)
155
Для оценки изменения давления в ударной волне использу-
ют зависимость
(V.27)
где
, . (О при X < 0;
(1 при х > 0.
Величина 0 называется постоянной времени и вычисляется с
помощью соотношения
0= 1,4г0’24 сек.
«о
(V.28)
Импульс давления
t
— е
о
Деформация эпюры давлений может быть
мацией ее гиперболической зависимостью с
шения
<*о [t--------
\ “о
(V.29)
учтена аппрокси-
помощью соотно-
Р (Г, 0 = у-г1- —Г- aJt
[1+o’6TbdJ
«о
(V.30)
Следовательно,
I (f, г) = рт
ао Р--------
\ «о
(V.31)
t— —
Др
1 / г
14-0,6 — р — —
0 \ а0
Цилиндрическая волна затухает с расстоянием значительно
медленнее, чем сферическая. В этом случае
Putt- — В —
(V.32)
г0,56
Еще медленнее снижается с расстоянием амплитуда плоской
волны.
4. КРАЕВЫЕ ЗАДАЧИ ТЕОРИИ ВЗРЫВА
Ранее изучался взрыв в безграничной среде, но наличие свобод-
ной поверхности и дна существенно меняет картину. Теперь
рассмотрим все явления в акустическом приближении.
Рассмотрим сначала влияние свободной поверхности, на ко-
торой давление равняется атмосферному. В результате расчета
156
можно показать, что давление в точке, расположенной на рас-
стоянии L от центра взрыва (если глубина погружения заряда
равна/7), составляет:
Р = Р„е рте е\ aj {V.33)
\ ао / ' а0 >
или, произведя отсчет времени от момента подхода в точку
прямой волны, получим:
t - — P-t \
Р = Рте в <h(t)-pme 6 ‘ о0(/-/ак), (V.34)
14 700 < л о 94
где рт =------, 0^ 1,4г0>24;
р.13’
taK = — (К^2 + (fi+hy - VD + (Н- hy )
а0
— при Ly»H,h.
/ — с учетом влияния свободной поверх-
ности; 2— без учета влияния свободной по-
верхности
Рис. 65. Картина действия прямой и
отраженной взрывных волн
Типичный вид эпюры давлений с учетом и без учета влияния
свободной поверхности представлен на рис. 64.
Решение данной задачи имеет геометрическую интерпрета-
цию. Прямую волну, согласно теории О. Власова, можно рас-
сматривать как источник, а отраженную волну — как сток,
расположенный зеркально по отношению к свободной поверх-
ности (рис. 65).
Для импульса давления получаем:
1 (
/ак = рте[1 — е 6 j. (V.35)
ПРИ ^-<0,35 /ак = ртЦ1 -
157
при ^-<0,04 с точностью
о
До 2%.
Рассмотрим теперь взаимодействие ударной волны с дном
водоема. Давление в прямой волне, как и ранее, равно:
где
АО.3
Здесь Нг—расстояние от точки расположения мнимого заряда
до свободной поверхности;
hi — расстояние от точки наблюдения до свободной по-
верхности;
L— расстояние по горизонтали;
/п—-время прихода прямой волны в точку (Z,, hi).
До тех пор пока скорость распространения ударной волны
вдоль дна водоема превышает скорость распространения про-
дольных волн в грунте—р>с’ отРажение будет регулярным.
Давление в отраженной волне
. 14 700
Ротр ~1 13 6 9
г2’
(V.37)
где
^0-3
/отр = — К^2 + (Я1 + htf ;
«о
Ао — коэффициент отражения.
При р= — (т. е. нормальное падение к поверхности)
Д ___ с а°
Рл С 4" ао Ро
При — >B>arccos— Ао мало изменяется и лишь вблизи
2 с
pi = arc cos — резко изменяется, достигая единицы. При р<
< Pi = arc cos — давление в этой области характеризуется зави-
симостью
158
Ротр = pi °0 {t — /отр) — Bi Ei X
r2 *-
If _ f \ 1 ^отр
X L_2elp^0(/-^ e—9-,
\ и /
(V.38)
где
/отр—время подхода в точку отраженной волны;
tf— время подхода в точку головной волны
Zi- — (L + ~Z—V«В —б?);
t
Ei(^)= I — dx—функция Эйлера.
Величины, характеризующие грунт, or=—, 61 =—, 62 ——,
Рч с ао
приведены в табл. 12.
Если скорость распространения поперечных волн в грунте
больше скорости звука аэ, то при B<B2=arccos — наступает
Ь
Таблица 12
Грунт Плотность грунта рг в г/см* Скорость распространения воли в м/сек
продольных с поперечных Ъ
Песчано-илистый . . . 1,60—1,90 1400—1700 600—900
Глинистый 2,20—2,30 2000—2200 1000—1100
Песчаник 2,30—2,40 2500—3000 1200—1700
Известняк 2,40—2,50 3000—3500 1700—1800
Продолжение табл. 12
Грунт Безразмерные параметры
а=Л- Рг 6, = — С Gq
Песчано-илистый . . . 0,64—0,54 0,35—0,64 0,4—0,6
Глинистой 0,465—0,445 0,445—0,55 0,66—0,74
Песчаник ...... 0,41—0,425 0,4—0,68 0,8—1,1
Известняк 0,425—0,41 0,485—0,6 1,1-1,2
159
зона второго нерегулярного отражения и давление определяет-
ся той же формулой, но с другими коэффициентами А и В. Ко-
эффициенты Ai и Bi являются функциями только акустических
свойств грунтов и угла падения р.
Для всех грунтов, начиная с определенных углов ркр, отме-
чается ослабление прямой волны, аналогично отражению от сво-
бодной поверхности. При наличии дна и свободной поверхности,
очевидно, надо рассматривать многократное отражение от
границ.
ГЛАВА VI
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ О ВЗРЫВНОЙ КОЛЬМАТАЦИИ
1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ
Ранее были изучены общие закономерности движения жидкости
в пористой среде и явления, происходящие при гидровзрыве.
Рассмотрим теперь уравнения и граничные условия к ним,
которые позволяют решить задачу о кольматаже под действием
взрыва. Решим одномерную ли-
нейную задачу о фильтрации
малоконцентрированных смесей
жидкости со взвешенными твер-
дыми частицами через пористые
среды. Смесь движется под дей-
ствием переменного перепада
давления, вызванного взрывом
заряда в воде. При этом предпо-
лагается, что пористая среда и
суспензия таковы, что в процес-
се фильтрации суспензии часть
твердого вещества взвеси задер-
живается пористой средой, вслед-
ствие чего уменьшается коэффи-
ции
циент фильтрации. Рассмотрим
единицу объема порОвого пространства в процессе фильтрации
смеси.
На рис. 66 схематически представлена единица объема по-
рового пространства в процессе фильтрации.
Пусть насыщенность порового пространства жидкостью (ко-
личество вещества в единице порового пространства) равна р.
Тогда насыщенность его твердым веществом будет 1—р. Твер-
дые частицы находятся в поровом пространстве либо в осевшем,
160
либо во взвешенном состоянии. Примем следующие обозна-
чения:
Р — насыщенность порового пространства осевшей массой
в твердом теле;
а— насыщенность порового пространства взвешенными час-
тицами;
£— насыщенность порового пространства осевшими частица-
ми в рыхлом теле;
£—насыщенность порового пространства «свободной» жид-
костью, не связанной с осевшей массой;
е£—насыщенность жидкостью, связанной с осевшей массой;
(е — пористость осевшей массы, которую будем считать по-
стоянной).
С учетом этих определений получим:
р + а 4- р = 1;
0 = £__ eg = £(1 — е);
р = 1 — а(1 — еК;
£ + £ + а — 1;
1 — е
Р = £ + е£.
(VI. 1)
Обозначим объемную концентрацию взвешенного твердого
вещества в движущейся смеси:
S = . (VI.2)
а + g 1 — £
Если т — пористость грунта в процессе фильтрации смеси,
а то—первоначальная пористость грунта, то количество жид-
кости в единице объема пористой среды будет равно:
m = mop. (VI.3)
Таким образом, мы предполагаем, что в процессе движения
смеси жидкости со взвешенными твердыми частицами через по-
ристую среду часть твердого вещества находится в порах грун-
та в покое, часть во взвешенном состоянии и движется вместе
с жидкостью. Причем в общем случае каждая частица взве-
си попеременно может находиться в том и другом состоянии.
При этом размеры взвешенных твердых частиц принимаются
достаточно малыми по сравнению с начальными размерами пор,
а скорости движения твердых частиц взвеси пропорциональны
скорости движения самой жидкости. В некоторых эксперимен-
тах эти скорости вообще мало отличаются.
Итак, задача может быть сформулирована следующим об-
разом: через пористую среду протекает жидкость, содержащая
взвешенные твердые частицы. Требуется определить изменение
объемной концентрации. Для этого, как видно из системы
(VI.I); достаточно найти величины 6 и £ как функции от коор-
динат и времени. Таким образом, для решения задачи необхо-
димо составить систему уравнений, которой бы удовлетворяли
искомые функции 6 и t Такая система уравнений может быть
11—50
161
составлена из уравнения баланса, уравнения кинетики или ин-
тенсивности процесса, согласно основным уравнениям гидроди-
намики жидкости в пористых средах.
1. УРАВНЕНИЯ НЕРАЗРЫВНОСТИ ДЛЯ СЛУЧАЯ
ВЗРЫВНОЙ КОЛЬМАТАЦИИ
Согласно общей теории уравнение неразрывности потока для
жидкой фазы имеет вид:
— (гпуж) = div (qx уж), (VI.4)
где <?ж— расход жидкости через единицу поверхности попереч-
ного сечения кольматируемой среды;
Уж — вес единицы объема фильтрующейся жидкости;
div^^ + ^ + ^.
дх ду дг
Для несжимаемой жидкости, которую мы будем рассматри-
вать, уж=сопз1 и уравнение (VI.4) с учетом (VI.3) примет вид:
div^ = — m-J-. (VI.5)
dt
Аналогично уравнение неразрывности для твердой фазы име-
ет вид:
div (<?тут) = — т [ут (1 — Р)], (VI.6)
где ут — вес единицы объема твердого вещества.
При yT = const уравнение перепишется в виде:
div ~qT = т0~. (VI.7)
Сравнивая уравнение (VI.7) с (VI.5), получим выражение
div (qT+ qx) = 0. (VI.8)
Для случая линейной фильтрации, который мы и будем рас-
сматривать вместо (VI.8), имеем:
£ (<7ж+ <а) = 0 (VI.9)
или
Яж + q-t — q(t). (VI. 10)
Уравнение неразрывности для жидкой и твердой фаз можно
переписать, используя систему (VI. 1) в виде:
162
(VI. Il)
Анализируя эти уравнения, получим:
1) при—+ е-^ >0—процесс суффозии (вымыв твердых
. dqT
частиц), так как это неравенство означает — >0;
2) при — 4- е— <0— кольматация;
’ 1 dt dt
3) при+ е^ = 0 — стационарный режим или квазистацио-
нарный режим, при котором это условие должно выполняться
в любом сечении и в любой момент времени.
Из системы (VI.1) можно получить различные дифференци-
альные соотношения. В частности, если считать, что объемная
концентрация 6 постоянна, то
= = (VI.12)
dt 1—^dt dt
и уравнение неразрывности можно представить в виде:
-^ = m0(l —е-6)-^. (VI.13)
3. УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ И БАЛАНСА
Принимаем для рассматриваемого движения жидкости спра-
ведливость закона Дарси:
<7ж=-—А?, (VI. 14)
И
где k — коэффициент проницаемости пористой среды для жид-
кости в процессе фильтрации, зависящей главным образом от
насыщенности порового пространства осевшей массой £:
k^k.F^ + k^), (VI. 15)
где ka—начальный коэффициент проницаемости пористой
среды;
— конечный коэффициент проницаемости.
Величины Fi(£) и F2(£) определяются экспериментально.
Экспериментами установлено, что
p==Mi-lzT)3 (VI. 16)
п* 163
и, следовательно, закон Дарси выразится в виде:
= £ ) Др. у117)
Г
Для уравнения движения твердой фазы, принимая скорость
движения мелких взвешенных частиц равной скорости движе-
ния жидкости, получим:
7т = —]* (VI. 18)
1—о
Для малоконцентрированных суспензий, когда 6^1,
= (VI. 19)
Для случая линейной фильтрации смеси уравнения движе-
ния можно представить в виде:
— _ k др ,
р ’ (VI.20)
7т = 6 7ж, '
где k определяется по формуле (VI. 16), а ц — коэффициент ди-
намической вязкости. Связь 7т<7ж из (VI.20) и (VI.10) позво-
ляет написать:
^ = 7ТТ9(0. (VI.21)
Подставляя выражение (VI.21) в уравнение неразрывности,
получим уравнение для 6:
7(/)^=m0-J, (VI.22)
дх dt
которое и является уравнением баланса. Используя систему
(VI.1), уравнение баланса можно переписать в виде:
где
В (/) = "*о(1 — в). в = . (VI.23)
7(0 U 7(0
Уравнение баланса отвечает закону сохранения вещества
и не связано с какими-либо гипотезами. Однако для решения
задачи этих уравнений недостаточно. Необходимо еще уравне-
ние, которое должно выражать интенсивность процесса или ки-
нетику процесса. Для вывода такого уравнения потребуются
некоторые гипотезы, основывающиеся на определенной физиче-
ской картине явления. Уравнение должно иметь вид:
•^- = F(6,£). (VI.24)
.164
При решении нашей задачи используем гипотезу о том, что
частица взвеси, задержанная пористой средой, потоком не от-
рывается. Тогда на основе экспериментальных данных уравне-
ние (VI.24) можно записать в виде:
= А 6 (1 — £); А = , (VI.25)
dt и0
где «о — начальная скорость движения жидкости в поровых ка-
налах; Ао — некоторая константа; А — опытный параметр, ха-
рактеризующий свойства пористой среды и суспензии во вза-
имодействии их при задержании частиц взвеси пористой средой
в процессе фильтрации.
Как видно из уравнения (VI.25), интенсивность кольмата-
ции грунта пропорциональна объемной концентрации и обрат-
но прямо пропорциональна скорости движения жидкости в поро-
вых каналах, что является вполне логичным и естественным
предположением исходя из физики процесса.
С учетом формулы (VI.I2) уравнение (VI.25) можно предста-
вить в виде:
= A a. (VI.26)
4. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УРАВНЕНИЙ
ВЗРЫВНОЙ КОЛЬМАТАЦИИ
Итак, получена система уравнений:
б = — .
Учитывая, что qm—-------q (t), а для q-,K выполняется закон
1 + б
Дарси:
_ k0
Qm
При б < 1
Li—1LlL . 2? . (VI.28)
ц дх
q(t) = ~7ж-
(VI.29)
Таким образом, получена замкнутая система уравнений.
Отличительная особенность этой системы — то, что она нелиней-
на, и эта нелинейность входит в уравнения в очень сложном
виде.
Система уравнений упрощается только в двух случаях:
165
1) </(/)= const — это условие может быть выполнено при
определенном перепаде давления, который можно найти из вы-
ражения (VI.29);
2) ^- = const — фильтрация жидкости происходит при по-
стоянном перепаде давления.
Решения в этом случае для нас не представляют интереса,
так как они рассматривают статическую задачу.
Рассмотрим граничные условия для нашей задачи. Система
уравнений (VI.27) — это система уравнений для функций р(х, /);
б(х, I); а(х, /); Цх, t).
Пусть х отсчитывается от границы пористого вещества.
При х=0
p(O,t) = p(t), (VI.30)
где p(t) — давление на поверхности пористого вещества, кото-
рое создается приходящей ударной волной. Если в начальный
момент насыщенность порового пространства осевшими части-
цами равна нулю, то
£(х,0) = 0. (VI.31)
Из соотношения между б и а получаем:
б (х, 0) — а (х, 0) ='б0 (х), (VI.32)
где б0(х)—заданная начальная объемная концентрация взве-
шенного твердого вещества.
Система граничных условий (VI.30) — (VI.32) является
полной динамической системой, которая существенным образом
отличается от граничных условий для статических задач.
ГЛАВА VII
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ О ВЗРЫВНОЙ КОЛЬМАТАЦИИ
1. ОБСУЖДЕНИЕ ПОСТАНОВКИ ЗАДАЧИ, УРАВНЕНИИ
И ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИИ ПРИ ВЗРЫВНОЙ
КОЛЬМАТАЦИИ
Уравнения, описывающие физический процесс взрывной коль-
матации:
р дх дх dt dt
— = Ла- (VII. 1)
dt
б =
а
1-Г
166
следует решать при граничных условиях:
при х = 0 р (О, t) = р (/);
при t = t0 £ (х, t0) = О;
d (x,t0) = a(x, /0) = 60(х); .
(VII.2)
где 6 (х, t0)—объемная концентрация взвешенного твердого
вещества в движущейся смеси;
£иа—насыщенность порового пространства соответст-
венно осевшими и взвешенными частицами;
k0—начальный коэффициент проницаемости пористой
среды;
е— пористость осевшей массы;
т0— первоначальная пористость грунта;
А—константа, характеризующая взаимодействие рас-
твора суспензии с грунтом;
t0—момент времени, с которого начинаётся процесс
кольматации под действием взрыва, т. е. время
прихода ударной волны.
Рис. 67. Условная схема взрывной кольматации при различной форме дна
выемки
а — плоской; б—параболической; h и Н — расстояние от микрозаряда ВВ соответственно
до плоской поверхности пористого грунта и до свободной поверхности
Эти уравнения описывают кольматацию в одномерной по-
становке задачи (рис. 67).
Уравнения (VII.1) справедливы для заштрихованной обла-
сти (см. р.ис. 67), границы которой определяются условием
« 1. (VII.3)
h
Рассмотрим, как обобщаются результаты на ось у, если по-
верхность дна не является плоской, т. е. при взрыве в некото-
рой полосе, заполненной раствором суспензии (рис. 67,6).
Рассмотрим случай, когда отсутствует свободная поверх-
ность (т. е. Я=оо). При взрыве микрозаряда давление в точке
с координатами (0,0) будет определяться выражением
167
-- (/--) / h '
p = npme 6 \ a°',<rolt------------
\ a0 ,
(VII.4)
где
M0 =
fO /<0
(1 />o’
(VII.5)
Pm— давление на фронте ударной волны:
(\ 1,13
G^
(VII.6)
Выражение — в формуле (VII.4) определяет время, в те-
«0
чение которого ударная волна придет в точку с координата-
ми (0,0).
Следует отметить, что задача решается в акустическом при-
ближении, допускающем, что волна распространяется со ско-
ростью звука а0.
Постоянная времени 0, характеризующая скорость затуха-
ния давления в данной точке (т. е. 0 — время, в течение кото-
рого давление в данной точке уменьшается в е раз), определяет-
ся соотношением:
G3 • 10-4 сек.
Множитель х учитывает, что ударная волна испытывает от-
ражение от границы поверхности (для абсолютно жесткой по-
верхности х=2, а для реальных сред несколько меньше).
График изменения давления со временем (эпюра давления),
согласно уравнению (VI 1.4), представлен на рис. 68, а.
В момент времени t<— давление равно нулю, так как еще
«о
не подошла ударная волна. На самом деле, в этот момент вре-
мени давление в точке с координатами (0,0) равно статическо-
му давлению, постоянному во времени.
Если время отсчитывать с момента прихода ударной волны,
то уравнение (VII.4) можно представить в виде:
t
p = *pme~Q .
(VII.8)
График изменения давления можно получить из графика на
рис. 68, а, если перенести начало координат в точку t= —.
ао
168
При наличии свободной поверхности, помимо прямой удар-
ной волны, в точку с координатами (0,0) приходит также вол-
на, отраженная от свободной поверхности. Разность во времени
прихода этих волн taK зависит от геометрии свободной поверх-
б)
Рис. 68. Изменение давлении со временем при действии прямой и отраженной
ударных волн
а — при отсутствии вблизи свободной поверхности; б — при наличии свободной поверхно-
сти
ности. В нашем случае это время будет определяться зависи-
мостью:
/ак = 2-(~+Я)-, (VII.9)
«о
и вместо выражения (VII.4) для изменения давления со вре-
менем в точке (0,0) получим:
р = прте 9 o0(t) — npme 9 'ак) а0 (/—/аК), (VII.10)
где время отсчитывается от момента прихода прямой ударной
волны.
График изменения давления со временем (эпюра давления)
представлен на рис. 68,6. Момент времени t= — соответству-
а0
ет временй прихода прямой ударной волны, а момент времени
t =----Нак—моменту прихода отраженной ударной волны.
а0
Пунктирной линией показано, как менялось бы давление в случае
отсутствия свободной поверхности, а пунктирная ось соот-
ветствует изменению давления со временем, если время отсчи-
тывается от момента прихода прямой ударной волны. Подчерк-
, h
нем еще раз, что в момент времени г<— в точке с координа-
те
169
тами (0,0) имеется статическое давление Рст^Рт- В точке х—
= 0 соблюдается граничное условие (VII.2):
р(0,0 = р(0.
(VII. 11)
Рассмотрим физическую постановку задачи. Имеется неко-
торая полость, содержащая раствор суспензии, в которую по-
мещен микрозаряд ВВ. До взрыва протекает статический про-
цесс кольматации, характеризующийся тем, что к моменту взры-
ва устанавливается некоторая равновесная функция 6о(х) —
объемная концентрация взвешенного твердого вещества под дей-
ствием статического давления. Это распределение взвешенного
твердого вещества происходит довольно быстро во времени и на
малых расстояниях от твердой поверхности (вглубь частицы
твердого вещества проникнуть не успевают). Аналогично части-
цы не успевают и осесть в поровом объеме, так как требуется
время сначала для проникания, а затем для оседания. Причем
время оседания частиц (собственно, время кольматажа) намного
превышает время проникания. Следовательно, можно считать,
что до взрыва насыщенность порового пространства осевшими
частицами равна нулю £(х, ^о=О), т. е. устанавливается неко-
торая объемная концентрация взвешенного твердого вещества.
Если отсчитывать время от момента прихода ударной вол-
ны, то во всех формулах надо принять to=O. Определим это
равновесное распределение объемной концентрации взвешенно-
го твердого вещества бо(х).
Следует отметить, что частицы проникают под действием
статического давления, которое создает постоянный (установив-
шийся) поток q0. Следовательно, в этом интервале времени
получим:
дб
дх
/п0(1 —е) d'Q т0 да 1
Яо di Яо dt dt. . -2- = Аа; dt (VII. 12)
8 = -2- 1-S '
Раскладывая все функции в ряд по времени в границах t=i0=
=0 (очевидно, член роли не играет, так как он описыва-
ет именно процесс кольматации), получим [при £(х, 0) =0]:
170
dd(x,O) __ т0 (1 — е) . d£(x,t) f . J
dx qQ dt |f=o’ I
=Ла(х,О); [ (VH.13)
dt | t=o I
6(x,0) = a(x,O). |
Следовательно, получено уравнение для 8(х, О)=8о(х):
амх) = лтН1-8) б° (уп. 14)
дх q„
которое надо решать с начальным условием
6о(О) = бо, (VII.15)
где б0— объемная концентрация взвешенного твердого вещест-
ва в растворе суспензии вне пористой среды, принимаемая по-
стоянной. Решая уравнения (VII.12) при условии (VII.13), по-
лучим для б0 (х):
Ата (1—е)
б0 (*) = 60<? «'
Формула (VII.14) дает начальное распределение объемной
концентрации взвешенных частиц в пористом веществе.
2. РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЙ ВЗРЫВНОЙ КОЛЬМАТАЦИИ
Система уравнений (VII.1) нелинейна и для произвольного за-
ряда может быть решена только на электронно-вычислительных
машинах. Учитывая, что рассматривается взрыв микрозаряда,
который не деформирует границ, давление на фронте ударной
волны в этом случае достаточно мало (меньше допустимой на-
грузки для деформации поверхности среды) и время действия
ударной волны, которое определяется постоянной времени 0
также мало. Если ввести эквивалентный радиус заряда Л?3 (ве-
личина массы заряда порядка 100—500 г), определяемый по
формуле ।
, m3=^-^-nR33y3 (VII. 17)
О
(где т:.— масса заряда, а у3— плотность вещества заряда),
и если все параметры измерять в безразмерных относительных
величинах (по отношению к радиусу заряда), то получим:
Рт = =гПз-Тг; 0 = 1,4— h , (VII. 18)
। ” ао
где
171
Это позволяет существенно упростить решение задачи. Вве-
дем безразмерную функцию давления
Р = ртр'- (VII. 19)
Время будем отсчитывать в долях постоянной времени при
отсутствии свободной поверхности и в долях taK при наличии
свободной поверхности, т. е.
t = Tt',
где Т= ! ®— ПРИ отсУтствии свободной поверхности;
I /ак— при наличии свободной поверхности.
За единицу длины L примем то расстояние, за которое на-
чальная объемная концентрация взвешенного твердого вещест-
ва уменьшается в е раз, т. е.:
х = Lx',
(VII.20)
где
£ _ _____?0
Ат0 (1 — е)
С учетом новых величин уравнения примут вид:
х (1 - VП3 • — = т0 (1 - 8) + т0
V дх' дх' 0V ’ dt' 0 dt'
JL = ATa; 6 = ,
dt' ’ l-£
(VII.21)
где
л т
~ Рт’
а граничные и начальные условия:
при t'=Q t,(x, 0)=0;
6 (х'.О) = а (х', 0) = б0 (V) = 60 [ё~х ).
(VII.22)
(VII.23)
Для микрозарядов, взрыв которых не разрушает твердую
поверхность:
<vn'24)
при h >1.
Решение систем уравнений (VII.21) можно разложить в ряд
по степени параметра X и ограничиться первым членом разло-
жения, т. е. в уравнениях (VII.21) примем Л=0 или в исход-
ной системе уравнений (VII.1) пренебрегаем нелинейным чле-
ном. Следовательно, в первом приближении система уравнений
примет вид:
(1-е)5-+^- = 0’-
at dt
= Ла; б = ,
dt 1-S
(VII.25)
172
которую надо решать с начальными условиями:
при i = 0 £(х, 0) = 0
6 (х ,0) = а (х, 0) = б0 (х) = бое ’» . ' ' '
Время t, входящее в систему уравнений (VII.25) — это вре-
мя, в течение которого изменяется давление в точке с коорди-
натами (0,0). При отсутствии свободной поверхности следует
ограничиться интервалом времени (0—0), т. е. от 0 до оо . При
наличии свободной поверхности необходимо ограничиться ин-
тервалом времени от нуля до 1ак, так как с момента времени
/ак давление от ударной волны практически будет равно нулю
и, следовательно, начнется процесс обычного статического коль-
матажа, для которого уравнения (VII.25) несправедливы.
Кроме того, в системе уравнений (VII.25) отсутствуют чле-
ны с пространственной производной, следовательно, в дальней-
шем не будет существенного проникания твердых частиц в по-
ристую среду, но будет происходить активное осаждение взве-
шенного твердого вещества на стенки порового объема, т. е.
очень активный процесс взрывного кольматажа.
Система уравнений (VII.25) с граничными условиями
(VII.26) решается легко. Из первого и второго уравнений по-
лучаем, что насыщенность порового пространства взвешенными
частицами удовлетворяет уравнению
~ + Л (1 — е)а = 0. (VII.27)
Решением уравнения (VII.27), удовлетворяющим условию
а(х, 0) =б0(х), будет:
а [х, 0 = б0 (х) е-Л(1-е)' (VII.28)
и, следовательно, для насыщенности порового объема осевши-
ми частицами имеем:
= Лб0 (х) е-Л(1-е)' . (VII.29)
dt
Интегрируя (VII.29) по t от 0 до t при условии £(х, 0) =0, по-
лучим для £(х, I):
£(х,/)=^М1 —е“Л(1~еИ]. (VII.30)
1 — s
Из последнего уравнения системы (VI 1.25) получим выра-
жение для объемной концентрации взвешенного твердого веще-
ства:
1 б (х, /) ------б» (х)е~Л(1~еК----. (ул з 1)
J_ AW [! _ е—Л(1—e)q
173
Для насыщенности порового пространства жидкостью полу-
чим выражение
р= 1.е)£= 1 — 60(х). (VII.32)
В связи с тем что первое уравнение системы (VI 1.25) мож-
др „
но записать в виде—^- = 0, решением которого является р=
= ро(х), для коэффициента пористости грунта получим:
т = т0 р = т0 [ 1 — 60 (х)]. (VII.33)
Из соотношения (VI. 16) получим выражение для коэффи-
циента проницаемости пористой среды, который характеризует
фильтрацию:
k = k0( 1 - |/'Т)3 = k0 (1 - [1 — е-Л(1-еК]Г)'. (VII.34)
I U-8 J J
Из соотношений (VII.28) — (VII.34) ясно видно асимптоти-
ческое поведение всех коэффициентов при t->oo, т. е.:
а(х, /)->0;
ихД)->-^;
1 — е
6 (х,
р(Х,0 = 1 — 60(х);
т(хД) =т0 [1 — 6О(Х)];
*(М)ч[1~ у/•
(VII.35)
На основании полученных зависимостей (VII.35) можно сде-
лать вывод, что под действием взрыва насыщенность порового
объема взвешенными твердыми частицами уменьшается, так
же как и объемная концентрация взвешенного твердого веще-
ства, а насыщенность порового объема осевшими частицами
увеличивается. Пористость под действием взрыва остается не-
изменной, как и при статическом кольматаже, что обусловлено
очень малыми размерами твердых частиц. Таким образом,
осаждение частиц (кольматаж) под действием взрыва микро-
зарядов ВВ происходит не в основной части порового простран-
ства (так как пористость не меняется), а в капиллярных кана-
лах, соединяющих поровые полости, вследствие чего уменьша-
ется коэффициент проницаемости пористой среды и, следова-
тельно, уменьшается фильтрация. Установлено также, что
в процессе взрыва пористость со временем не меняется; это со-
гласуется с допущением о том, что жидкость рассматривается
как несжимаемая среда.
Полученные уравнения для решения задачи о взрывном
кольматаже:
174
a(x, t) = б0(х) е Л(1 еК;
Цх, /)=^-[1 — е~Л(1~е,л|;
1 — в
й (х\ е~А^~е>{
&(x,f)= ------ ---------------------;
!Мх) _ _Л(1_Е)л
1 — в
Р = 1 — 60(х);
m(x,t) = т0 [1 — 60(х)];
k(x,t) = ftJl — [1 —<ГЛ(1-ЕК]2~)
( 11 в _ J
(VII. 36)
свидетельствуют о том, что все величины быстро изменяются
в пространстве и во времени. Интересно проследить поведение
Рис. 69. Изменение различных па-
раметров на поверхности пористой
среды в момент взрыва в зависи-
мости от времени
во времени всех величин на по-
верхности пористой среды и из-
менение их в пространстве после
взрыва (рис. 69).
В эпюре давления рассматри-
вается случай взрыва без свобод-
Рис. 70. Изменение параметров взрыв-
ной кольматации в зависимости от
длины проникания микрочастиц и по-
ры грунта
ной поверхности. Время изменения всех величин характеризует-
ся постоянной времени:
Я (1 - 8) ’
(VII. 37)
175
которая определяется величинами, отражающими взаимодейст-
вие раствора со взвешенными твердыми частицами с пористым
грунтом. При отсутствии свободной поверхности это время ха-
рактеризуется постоянной времени:
0 = i^Jkft0’24
«о
(VII.38)
которая для нашего случая (/i>l) является довольно большой
величиной. Поэтому за это время практически завершается про-
цесс динамического кольматажа и можно использовать всю
шкалу времени. По окончании процесса кольматажа (/->0->оо)
получается следующая картина распределения всех величин
в пространстве (рис. 70):
а (х, оо) = 0;
£(*> °°) =
б (х, оо) = 0;
х
т(х) = m0 [1 — бое ь];
(VII.39)
k (х, оо) = k0
где величина L измеряется в долях постоянной длины
L =------ч»---- (VII. 40)
-Л(1—8)т0
характеризующей расстояние, на которое проникают твердые
частицы за время, предшествующее взрыву. Как видно из гра-
фиков (см. рис. 70), под действием взрыва твердые частицы
проникают в глубь пористого вещества (на длину 2L) и осаж-
даются в капиллярных трубках, соединяющих пустоты, вследст-
вие чего коэффициент проницаемости пористой среды изменяет-
ся на такой длине, где уже не изменяется пористость.
Рассмотрим влияние свободной поверхности. Как уже отме-
чалось, ударная волна на поверхности пористого вещества бу-
дет действовать не все время (как в случае отсутствия свобод-
ной поверхности), а время /ак,
taK = . (VII.41)
а0
Следовательно, все величины изменяются за время t от ну-
ля до /ак, после чего остаются постоянными. Эффективность
взрыва будет характеризоваться параметром, входящим в экс-
поненту:
(ак = 2(ft +gl А (1 _ е)
т а0
(VII.42)
176
Если р,<1, то процесс кольматажа не будет интенсивным,
так как частицы, находящиеся в пористом веществе, не успеют
подвергнуться действию взрыва. В этом случае из (VII.36) по-
лучим зависимость всех величин от времени:
(VII.43)
m(x,t) = т0 [1 —60(х)];
. АТ'2]’,
(. I 1 — 8 Т J )
где
60(х) = 60^/Л;
______1
Т“ Л (1-8) •
Изменение всех величин во времени на границе пористого
вещества показано на рис. 71.
Пунктирной линией показана эпюра давлений в случае от-
сутствия свободной поверхности. При ц С 1 будет происходить
слабый процесс кольматажа. Более интенсивный кольматаж
будет при т. е.
2 (А + Я) А (1 - 8) » 1. (VII. 44)
Условие (VII.44) может быть выполнено в двух случаях:
1) при достаточно большой величине Н (этот случай близок
к случаю отсутствия свободной поверхности); 2) при большой
величине А, характеризующей взаимодействие пористого веще-
ства с раствором суспензии. Обычно на практике встречается
именно этот случай, когда за время действия взрыва 1ак все па-
раметры успевают достичь своих асимптотических значений, со-
гласно формулам (VII.39). Таким образом, можно сделать сле-
дующий вывод.
Если постоянная А достаточно велика [т. е. выполняется
условие (VII.44)], то влияние свободной поверхности на физи-
ческую картину явления взрывного кольматажа несущественно.
Все останется аналогично случаю отсутствия свободной поверх-
ности. Если параметр ц <£ 1 (свободная поверхность находится
вблизи заряда и незначительное взаимодействие пористого ве-
12—50
177
щества с раствором суспензии), взрывной кольматаж протекает
неактивно. По-видимому, этот случай характерен для глинисто-
го грунта, а случай активного взрывного кольматажа — для
песчаных грунтов.
Рис. 71. Изменение параметров взрывной кольма-
тации на границе свободной поверхности в зави-
симости от времени проникания микрочастиц в по-
ровое пространство грунта
3. ФИЛЬТРАЦИЯ ЖИДКОСТИ ЧЕРЕЗ ПОРИСТУЮ СРЕДУ
ПОСЛЕ ВЗРЫВНОЙ КОЛЬМАТАЦИИ
Как уже отмечалось, после взрыва микрозаряда коэффициент
проницаемости пористой среды уменьшается:
k (х, оо) = kn [ 1 — j/ . (VII.45)
Рассмотрим следующий опыт (рис. 72).
Пусть над средой толщиной z сверху находится жидкость,
которая под действием силы тяжести и постоянного градиента
давления протекает через эту пористую среду. В результате со-
178
здается стационарный поток жидкости. Если вначале пористая
среда имеет коэффициент проницаемости k0, то поток будет ра-
вен q0—потоку, который и входит в формулу (VII.45). После
взрыва микрозаряда коэффициент проницаемости пористой сре-
ды уменьшится и в результате
установится новый поток q<Z
<qo. Необходимо определить,
на сколько снизится интенсив-
ность нового потока:
п = -^- . (VII.46)
Это отношение будет характе-
ризовать уменьшение фильт-
рации через пористую среду,
подвергшуюся процессу взрыв-
ной кольматации. Поскольку
жидкость принята несжимае-
мой, уравнение неразрывности
имеет вид:
= 0. (VII.47)
Рис. 72. Схема процесса фильтра-
ции жидкости после взрывной коль-
матации грунта
Уравнение Дарси с учетом силы тяжести может быть пред-
ставлено в виде:
v =
k / др
р. \ дх
(VII. 48)
где ц, — коэффициент вязкости; р — давление; р—-плотность
жидкости; g — ускорение силы тяжести; v — скорость потока.
Вводя площадь поверхности s, можно связать величину по-
тока со скоростью протекания жидкости:
q = sv. (VII.49)
В результате получаем дифференциальное уравнение для
давления:
j-- — (^ + Р^ = 0. (VII.50)
дх р \дх )
Интегрируя это уравнение по х, получим:
_ \ = const, (VII.51)
р \дх J
откуда j
др
дх
иа ।
= + 9g-
SR
(VIL52)
12*
179
Проинтегрируем уравнение (VII.52) по х от О до г:
для перепада давления
2
p(O)-p(z)=-^f^- + Р£2;
О
для потока
,,Аадр1-Рг1.
Ц L Z 1
где
2
Др = р (0) — р (г)-, — = — Г .
к h г ) k(x)
о
(VII.53)
(VII. 54)
(VII.55)
Величина k(z) представляет собой среднегармоническое
значение проницаемости, которое и определяет поток жидкости.
Учитывая, что перепад давления в обоих случаях одинаков,
п = (VII. 56)
М?)
а поскольку k0(z) =&о,
n = (VII.57)
к0
Подставляя выражение для k(z) из (VII.55) и (VII.45), по-
лучим:
п =---------------!--------------. (VII.58)
1 __________dx__________
2 bJ (1_/ 1-А- е~х^3
Так как коэффициент проницаемости пористой среды изме-
няется на расстоянии от нуля до 2L, приближенно получим:
п = ^1-. (VII.59)
Эта зависимость показывает, во сколько раз снизилась ин-
тенсивность потока в кольматационной пористой среде по срав-
нению с первоначальным до кольматации. Так как концентра-
ция взвешенных твердых частиц пористой среды бо < 1, а пори-
стость вновь образованного слоя может быть близка к единице,
показатель фильтрации может быть достаточно мал:
е — 1 — б0 — е (где е < б0) (VII.60)
при
/ ~ 3
n= -U|-) « 1. (VII.61)
180
4. ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ДЛЯ БОЛЕЕ СЛОЖНЫХ СЛУЧАЕВ
Рассмотрим возможность обобщения результатов для более
сложных случаев при взрыве микрозаряда в некоторой обла-
сти, заполненной жидкостью (см. рис. 67,а, б). При наличии
плоской поверхности пористой среды в точку с координатами
(О, у) придет прямая ударная волна, а также отраженная вол-
на. Амплитуды прямой и отраженной волн в точке с координа-
Рис. 73. Действие взрыв-
ных волн при взрыве
микрозаряда
а —в сферической полости;
б — в цилиндрической поло-
сти
тами (0, у) будут меньше, чем в точке с координатами (0, 0),
и время между приходом прямой и отраженной волн будет со-
ставлять:
f = 1/У2+(2Я + /1)2 + . уп 62)
аК ао
при у
,, 2/7 (7/ /г) у. , /Т7ТТ
/ак= --—— < (VII.63)
, 2 Щ+ h)
где /ак= ——1—- — время между приходом прямой и отра-
а0
женной волн в точку с координатами (0, 0). Следовательно,
чтобы определить изменение параметров со временем в точке
с координатами (0, у), нужно использовать систему уравнений
(VII.25), так как параметр А в этой точке меньше, чем в точке с
координатами (0, 0). Амплитуда ударной волны уменьшается по
мере удаления от источника взрыва. По мере удаления точки от
оси х уменьшаются также постоянная времени 0 и время меж-
ду приходом прямой и отраженной волн.
В результате имеем ранее рассмотренный случай неактив-
ного взрывного кольматажа согласно формулам (VII.43)
(рис. 71):
, Н = 4А1—8)« 1- (VII.64)
Усиление процесса взрывного кольматажа, очевидно, будет
в том случае, если вместо точечного заряда взорвать шнуровой
181
заряд, расположенный параллельно поверхности пористой
среды.
При взрыве микрозаряда в полости, заполненной водой
(см. рис. 67,6), в точку с координатами (0,0) будут приходить
прямая ударная волна и отраженная от свободной поверхности.
Для других точек в роли свободной поверхности будут стенки
Рис. 74. Периоды статической и взрывной кольматации
1 — период, предшествующий взрыву подвесного микрозаряда, в течение которого уста-
навливается концентрация взвешенных частиц в слое обратиоупавшего и нарушенного
грунта (статическая кольматация); II— период, характеризующий действие взрыва при
создании упроченных и антифильтрационных слоев грунта (взрывная кольматация);
III — период, соответствующий последующему после взрыва этапу, в течение которого
устанавливается равновесный поток жидкости, отличающийся от первоначального
полости и волны будут отражаться от стенок. Идеальным яв-
ляется случай взрыва микрозаряда, расположенного в замкну-
той сферической полости (рис. 73, а).
Очевидно, что при определенном радиусе этой сферы, когда
у, —/’КД(1—е) > 1 (гДе (аК= — —время между приходом пря-
ао
мой волны и отраженной от стенки полости), будет протекать
активный процесс взрывного кольматажа. Указанные парамет-
ры будут изменяться со временем, согласно формулам (VII.36)
(рис. 69 и 70). При произвольном профиле полости будут изме-
няться области как активного, так и неактивного взрывного
кольматажа.
На рис. 73, б зоны активного процесса кольматажа при взры-
ве микрозаряда в цилиндрической полости заштрихованы (гра-
ницы области z<^/i).
Таким образом, области активного процесса взрывной коль-
матации, очевидно, определяются в основном геометрией стенок
полости. На основании решения задачи о физическом процессе
взрывного кольматажа его можно разбить на три периода
(рис. 74):
182
1) период, предшествующий взрыву микрозаряда, в течение
которого устанавливается некоторая объемная концентрация
взвешенных частиц по толщине пористой среды;
2) период действия самого процесса взрывной кольматации;
3) период после действия взрыва на пористую среду.
В первый период устанавливается поток жидкости <7о, проте-
кающей через пористую среду. Взвешенные частицы проникают
в глубь пористой среды, но остаются во взвешенном состоянии.
Распределение объемной концентрации взвешенных частиц оп-
ределяется формулой (VII. 16).
Второй период начинается с момента прихода ударной вол-
ны в данную точку и продолжается до тех пор, пока изменяется
давление в этой точке. Изменение давления характеризуется
постоянной времени 0 (при отсутствии свободной поверхности)
и временем taK между приходом прямой и отраженной волн (при
наличии свободной поверхности). В этом периоде под дей-
ствием взрыва частицы проникают в глубь пористой среды
и осаждаются не в основных поровых полостях (так как по-
ристость не изменяется), а в узких капиллярных трубках, соеди-
няющих эти полости, вследствие чего капиллярные каналы заку-
пориваются, следовательно, уменьшается коэффициент прони-
цаемости пористой среды.
В третьем периоде устанавливается равновесный поток жид-
кости q в отличие от первоначального qo. Отношение этих пото-
ков будет характеризовать, во сколько раз уменьшится филь-
трация жидкости через пористую среду, подвергшуюся процессу
взрывного кольматажа.
ГЛАВА VIII
ИССЛЕДОВАНИЕ НА МОДЕЛЯХ
ПРОЦЕССА РАЗВИТИЯ ВЗРЫВА
В ДИСПЕРСНЫХ И ЖИДКИХ СРЕДАХ
1. МЕХАНИЗМ ВЗРЫВА В ПЛАСТИЧНЫХ ГРУНТАХ
Как известно, при взрыве заряда ВВ, расположенного на опре-
деленной глубине в грунтовом массиве, образуется ударная
волна сжатия, скорость распространения которой зависит от
давления газов (мощности ВВ) и плотности взрываемой среды.
Непосредственно вблизи заряда напряжение сжатия превышает
прочность грунта, вследствие чего грунт сжимается и сдвигается
по радиусу действия взрыва в противоположную сторону от
центра заряда ВВ. Таким образом, вокруг заряда образуется
183
замкнутая полость круглого или эллиптического сечения в зави-
симости от конфигурации самого заряда и наличия вблизи сво-
бодной поверхности. Радиус полости может превышать первич-
ный радиус заряда ВВ в 6—10 раз и более, что определяется
структурой, пористостью и влажностью исходного грунта.
Вследствие сжатия грунта при взрыве стенки образовавшейся
полости уплотняются, приобретают устойчивость, кроме того,
снижаются потери на фильтрацию.
Вызванные взрывной волной напряжения на некотором рас-
стоянии от центра заряда становятся меньше сопротивления
грунта сжатию, и энергия взрыва за пределами зоны пластиче-
ской деформации распространяется по породе в виде двух упру-
гих волн — продольной и поперечной. В этом случае скорость
взрывных волн определяется упругими свойствами и плотностью
грунта и на относительно большом расстоянии от центра заряда
не зависит от его величины. Наибольшее сжимающее напряже-
ние в грунтах вызывается, как известно, продольной волной, ско-
рость распространения которой значительно больше поперечной.
Теория действия и распространения ударной волны сжатия
в плотных деформируемых средах довольно подробно рассмот-
рена в специальной литературе на основании важнейших зако-
нов термодинамики (сохранение массы, количества движения
и энергии). Изменение физико-механических и фильтрационных
свойств грунтовых масс в зависимости от параметров взрывных
волн изучено недостаточно из-за сложности динамических про-
цессов. Применение существующих эмпирических зависимостей
при решении подобных задач для вязких горных пород не всег-
да дает правильную величину глубины проникания частиц грун-
та в поры под действием ударных волн сжатия. В этом случае
применение методов моделирования для изучения явления
в сложных условиях взрываемой пористой среды, доведенной до
состояния грунтовой массы, позволяет лучше оценить столь
сложный процесс.
2. МЕТОДИКА ЛАБОРАТОРНЫХ ВЗРЫВОВ
В ГРУНТОВЫХ МОДЕЛЯХ
Явления, происходящие при взрыве, настолько сложны, что до
сих пор нет достаточно удовлетворительной теории, объясняю-
щей физический процесс взрыва в грунтах. Различные структу-
ры скелета грунта, водонасыщенность, состав грунта и многие
другие факторы затрудняют составление и решение соответ-
ствующих уравнений. Для математического описания процессов
приходится применять различные идеализации и упрощения.
В связи с этим большое значение приобретают лабораторные
исследования, которые позволяют создавать упрощенные моде-
ли и получать полуэмпирические зависимости.
Проведению цикла исследовательских работ по взрывной
184
кольматации грунтов в полевых условиях предшествовала серия
лабораторных опытов на моделях в аналогичных грунтовых
средах. Выполнение экспериментальных работ в полевых усло-
виях без предварительной оценки параметров взрыва и водно-
физических свойств грунтов связано с большими трудностями.
Кроме того, непосредственно на месте производства работ мож-
но определить визуальным путем лишь конечные результаты
взрыва с точки зрения общей оценки антифильтрационных
свойств выемки и ее параметров. В условиях производства не
всегда можно изучить распределение энергии взрыва в массиве
и определить физико-механические характеристики грунта по
поперечному сечению выемки в зависимости от параметров рас-
положения зарядов. Таким образом, действие взрыва в грунтах
можно оценить лишь путем исследований на моделях при усло-
вии соблюдения принципов энергетического и геометрического
подобия.
Теоретическими работами в области действия ударных волн
в различных средах (Л. И. Седов, Г. И. Покровский, И. С. Фе-
доров, Я. Б. Зельдович, А. С. Компанейц и др.) в последние го-
ды установлена математическая закономерность подобия дина-
мических процессов удара и взрыва в лабораторных условиях
на моделях. Используя основные законы подобия и методы мо-
делирования, изучены, например, распределение напряжений
и действие ударных волн, состав грунта до и после взрыва в за-
висимости от диаметра, величины и типа зарядов ВВ. При вы-
полнении опытных работ в лабораторных условиях в первую
очередь был выработан масштаб модели.
Для геометрического подобия и подобия напряженного со-
стояния в образцах следует выполнить ряд условий. Рассмотрим
их с точки зрения разных авторов, которые исходили из различ-
ных концепций. Так, Г. И. Покровский и И. С. Федоров рассмат-
ривают моделирование взрыва с точки зрения термодинамичес-
кого критерия подобия и размерности. Для установления подо-
бия таких процессов они использовали первый и второй законы
термодинамики.
Известно, что при взрыве заряда ВВ не вся энергия расходу-
ется на полезную работу, так как часть ее идет на нагревание,
а часть теряется в порах и трещинах окружающей среды. При-
нимая, что при постоянной температуре внутренняя энергия не
зависит от объема, .Г. И. Покровский и И. С. Федоров вывели
условие подобия системы:
dF
dQ
~ dT ’
р____ dS_
~ dt ’
185
где Т — абсолютная температура; S — энтропия; U — энергия;
V — объем, занимаемый газом; t — время; F — свободная энер-
гия; р — плотность; Q — подведенное тепло.
„ / ди \
Отношение I—I можно представить в следующем виде:
(—) +1^ , (VIII. 1)
]т \ dV /т \ dV jt
где UB — внутренняя энергия газа ВВ; С/м— внутренняя энергия
материала.
Для идеальных газов их внутренняя энергия не зависит от
объема и тогда
/див\ л -
---- = 0, а при адиабатическом процессе изменение внут-
\ dV /т
ренней энергии должно быть равно работе деформации:
= £, (VIII.2)
\ dV Т
где Е —• модуль упругости материала.
С другой стороны, при соблюдении геометрического подобия
авторы теории центробежного моделирования взрыва рассмат-
ривают два условия подобия:
gM
W2 W2
м н
(VIII.3)
где и fH — свободная энергия одного моля газа при взрыве
в данный момент времени модели и натуры; цм и цн— масса мо-
ля газа модели и натуры; WM и WH—-скорости на модели и в на-
туре; gw и gu— ускорение силы тяжести модели и натуры; Л-—
масштаб моделирования.
Вес заряда при условии геометрического подобия соответ-
ствует
Qh = Qm^3, (VIII.4)
где QB и Qm — количество ВВ для натурных условий и для мо-
дели.
Как правило, при сооружении модели для лабораторных ис-
следований необходимо соблюдать условия постоянного соотно-
шения линейных размеров блока и натуры:
dLH = dLM (VIII.5)
и объемов
dVH = dVM №.
(VIII.6)
186
В соответствии с поставленной задачей моделированию под-
лежали удлиненные горизонтальные и вертикальные цилиндри-
ческие заряды. Чтобы установить закономерность изменения
напряженного состояния массива в зависимости от диаметра
и величины удлиненного цилиндрического заряда ВВ, можно ис-
пользовать формулу
= _L (VIII.7)
d2 °s v
где /?(й)—критический радиус действия взрыва; d — диаметр
скважины (патрона ВВ); р — расчетное устойчивое давление га-
зов для данного ВВ; — предел прочности породы на растя-
жение.
Как видно из приведенных зависимостей, несоблюдение гео-
метрического подобия в расположении зарядов в образцах мо-
жет привести к нарушению подобия напряженного состояния
массива.
Максимальное напряжение в модели грунта при взрыве мож-
но рассчитать по формуле
о = — , (VIII.8)
g
где с — акустическая жесткость (ри) в г!см2-сек-, g — ускорение
силы тяжести в см/сек2-, и — массовая скорость смещения частиц
в см/сек.
Скорость смещения частиц определяется экспериментально
путем замера с помощью приборов.
Для определения основных параметров взрывных работ с по-
следующим перенесением полученных результатов (на основа-
нии принципов подобия) в натурные условия в качестве образ-
цов использовали породы исследуемого массива — суглинки,
глины, пески и торфяники.
Вместо использования громоздких взрывных камер исследо-
вания взрыва проводились на призматических образцах породы,
помещаемых в малогабаритную стендовую установку (80Х80Х
Х80 см). В лабораторных работах стендовая установка исполь-
зовалась как модель микрокамеры для обработки основных по-
казателей взрыва и физических характеристик породы: скорости
ударных волн, массовой скорости движения частиц породы, фи-
зико-механических изменений и фильтрационных свойств грунта,
напряжения внутри и на поверхности образца и т. д.
Стендовая установка (рис. 75) представляет собой разбор-
ный каркас из прозрачного материала (оргстекла, пластмассы
и т. д.), стенки которого скреплены между собой двумя металли-
ческими обручами; верхняя часть каркаса остается открытой.
ПослеЧого как исследуемый образец массива помещен в кар-
кас и закреплен, размещают датчики в специально приготовлен-
187
ных отверстиях в стенках каркаса и производят микровзрыв
в блоках.
Данные, полученные в результате экспериментальной про-
верки выдвинутой нами теории кольматации дисперсных сред
в условиях естественного залегания грунта, позволили точнее
Рис. 75. Лабораторная стендовая установка для определения изменения пара-
метров взрывных волн и физико-механических свойств грунтов под действием
микрозаряда
а — в цилиндрической выработке; б —в конической выработке; / — моделирующая среда;
2—шпур; 3 — датчики; 4— заряд ВВ; 5 — жидкость
оценить действие взрыва по упрочнению и повышению анти-
фильтрационных свойств грунтов.
Для определения скорости ударной волны сжатия (волновой
скорости) на границах открытой поверхности и в глубине моде-
ли устанавливают пьезоэлектрические датчики марки ЦТС-19
в крайних точках и непосредственно вблизи заряда в вертикаль-
ных и горизонтальных имитированных скважинах. Данные изме-
рения импульсов указывают в таблице.
В зависимости от диаметров цилиндрических зарядов, водно-
физических и упругих свойств грунта до и после взрыва состав-
ляют осциллограммы скоростей смещения пород. По результа-
там исследований вычерчивают графики изменения массовой
скорости, плотности, напряжения и влажности грунта в зависи-
мости от диаметра скважин, структуры грунта и радиуса дей-
ствия взрыва.
Наряду с основными показателями взрыва на тех же моде-
лях исследуют физико-механические и фильтрационные свой-
ства образцов грунтов по известным в гидротехнике методам.
188
3. ОБРАЗОВАНИЕ ПОЛОСТИ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН
НАПРЯЖЕНИЯ В ГРУНТАХ ПРИ ВЗРЫВЕ ЗАРЯДА
В ЖИДКИХ ЦЕМЕНТИРУЮЩИХ СРЕДАХ
В лабораторных условиях было выполнено моделирование про-
цесса образования открытой полости путем взрыва удлиненных
микрозарядов в различных цементирующих жидкостях и грун-
тах (рис. 76).
В грунте устроили скважину соответствующего диаметра d0,
в которой разместили полиэтиленовый шланг внутренним диа-
CLian
Рис. 76. Схема грунтовой модели, слу-
жащей для образования цилиндриче-
ской полости гидровзрывным спосо-
бом
/—удлиненный цилиндрический заряд ВВ;
2 —скважина; 5—жидкость; 4 — датчик;
5 —грунтовая модель; 6 — цилиндрическая
полость после взрыва
метром d3, заряженный взрывчатым веществом (преимуществен-
но аммонит 6ЖВ и ТЭН). На расстоянии г0 и ri были располо-
жены пьезоэлектрические датчики Ро и Pi. Пьезоэлектрический
керамический датчик был изготовлен из цирконататитаната
свинца ЦТС-19.
Микрозаряд, запрессованный в полиэтиленовую трубку высо-
кого давления, или отрезок ДШ помещали в скважину, запол-
ненную соответствующим цементирующим составом. След
взрывной волны в момент взрыва фотографировали фотоаппа-
ратом «Зенит», установленным на фотоприставке осцилло-
графа. Диафрагма фотоаппарата срабатывала синхронно с на*
жимом на кнопку конденсаторной взрывной машинки ВМК-3/50.
Инициирование микрозаряда осуществлялось от капсюля дето-
натора № 8.
Результаты взрыва записывали в специальный журнал. Были
зафиксированы основные параметры до и после взрыва по каж-
дой скважине в отдельности с указанием номера пленки сфото-
графированной взрывной волны, а также данные некоторых по-
вторных взрывов в той же скважине. На основании полученных
результатов построены графики (рис. 77) изменения диаметра
полости в зависимости от типов грунта, различных наполните-
лей и диаметров зарядов. В качестве жидкого наполнителя при-
меняли воду, цементный раствор, жидкий битум и парафино-би-
тумную с^есь.
Как видно из рис. 77, а, в глинистом грунте диаметр полости
линейно зависит от диаметра заряда. Первоначально были при-
189
няты диаметры скважин 30 и 65 мм, однако после взрыва заряда
в плотных моренных глинах диаметр полости мало зависел от
диаметра заряда d3. Тем не менее при заполнении скважины
жидкостью диаметр полости после взрыва существенно возра-
стал. Увеличился также и тангенс наклона прямой.
в)
Рис. 77. Изменение диаметра цилиндрической полости в зависимости от диа-
метра заряда
а — в глинах; б — в суглинках; 1 — с наполнением скважины жидким битумом; 2—без
наполнения; 3 — с наполнением парафино-битумной смесью скважин диаметром 65 мм;
4 — то же, диаметром 30 мм; 5—без наполнения скважин диаметром 65 мм
Несколько иная картина наблюдается в суглинистых грунтах
(рис. 77,6): при d3l>d32 £>i>£)2- Это обусловлено, видимо, тем,
что в суглинистых грунтах большая часть энергии расходуется
на уплотнение.
4. ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Скорость звуковой волны определяли путем замеров интервалов
времени от начала развертки до начала импульса. Зная длитель-
ность взрывного импульса, можно приближенно определить мас-
совую скорость. Для глинистых и суглинистых грунтов она со-
ставляет 140—160 м/сек.
На рис. 78 и 79 показаны формы импульсов, снимаемых
с датчиков в процессе исследования грунтовых моделей в раз-
личных условиях и зафиксированных фотоприставкой, установ-
ленной на осциллографе СИ-1.
Как видно из осциллограмм, наибольший импульс восприни-
мают стенки скважин при взрыве микрозаряда в глинах с
жидким наполнителем. При тех же условиях и величине заряда,
но с применением промежуточных инертных материалов и
жидких наполнителей величина и форма записываемых импуль-
сов изменяются: снижается амплитуда взрывной волны и увели-
чивается время ее воздействия на окружающую среду. По го-
ризонтали зафиксирован отметчик времени осциллографа в ин-
тервале 100 мсек.
190
Рис. 78. Изменение импульса
взрывной волны в глинах без
наполнителя в зависимости от
времени
1 и 2 — при расстоянии от центра
заряда 150 и 250 мм
Рис. 79. Изменение импульса
взрывной волны в глинах в за-
висимости от времени при за-
полнении скважин различными
материалами
а — инертным материалом; б — жид-
ким битумом, d3 «10 мм; в —то же,
^3=7 мм; г — битумом и инертным
материалом, ^э=7 мм; 1 —
= 150 мм; 2—г2==250 мм
191
При использовании жидкого наполнителя импульсы примерно
на 25% выше импульсов, полученных без наполнителя. При этом
скорость распространения взрывных волн различная.
Применение инертного и воздушного промежутков обуслов-
ливается тем, что из-за малой скорости распространения в них
ударной волны должно удлиниться и время взрывного импульса
(время воздействия на стенки скважины).
В скважине, целиком заполненной инертным материалом,
значительно снижается динамическое воздействие взрыва на
стенки открытой полости. При взрыве того же заряда и при том
же инертном материале, но с цементирующей жидкостью замет-
но снижается деформация стенок грунта и увеличивается его
сжимаемость.
Таким образом, форма импульсов при взрыве зарядов с инерт-
ной забойкой принципиально отличается от формы импульсов
обычных взрывов: нет ярко выраженной асимметрии, форма им-
пульса почти колоколообразна и очень похожа на кривую Гаусса.
Однако амплитуды взрывной волны при наличии инертной за-
бойки значительно больше. Инертная забойка часто способству-
ет увеличению ширины импульса.
ГЛАВА IX
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФИЛЬТРАЦИИ
ПРИ ВЗРЫВНОЙ КОЛЬМАТАЦИИ
Наиболее эффективным способом борьбы с фильтрацией воды
из каналов, водохранилищ и других выемок является взрыв за-
ряда в жидкой среде. При взрыве заряда ВВ, расположенного
в центре выемки, которая образована взрывом и заполнена жид-
костью, значительно снижаются потери на фильтрацию, при
этом скорость фильтрации из выемок зависит от величины за-
ряда и исходной влажности окружающего грунта.
Сущность этого способа заключается в том, что динамиче-
ская ударная волна взрыва в неупругой водной среде передает
мгновенное давление на откосы и дно выемки. В выемках, об-
разованных взрывом, энергия удара передается через воду
и мощный слой нарушенного взрывом и обратно упавшего грун-
та (практически несжимаемого вследствие насыщения водой).
Частицы грунта вместе с водой проникают в макро- и микропо-
ры неводонасыщенного слоя грунта и закупоривают их.
В результате при взрыве заряда в жидкой среде достигается
наибольшая уплотненность грунта по всему периметру выемки.
Процесс упрочнения грунта взрывом заряда в жидкой среде
изучен недостаточно.
192
Характер воздействия гидродинамического удара в дисперс-
ных средах при взрыве в воде подвесного заряда можно пред-
ставить следующим образом (см. рис. 61). Ударная волна
взрыва, очевидно, претерпевает сильное изменение на границе
жидкость — грунтовая масса. В сфере влияния взрывных волн
наблюдается мгновенное перемещение токов воды с мелкоди-
сперсными частицами грунта. Причем в откосах выше центра
расположения заряда взрыв не оказывает такого сильного воз-
действия, и кольматации в этих местах протекает под влиянием
действующего напора воды довольно медленно [23, 25].
На практике процесс фильтрации изучался в натурных усло-
виях при взрыве подвесных зарядов, расположенных в выемках,
образованных взрывом и механизированным способом и запол-
ненных водой. Выемки были образованы взрывом в суглинистых
грунтах при глубине заложения зарядов 1 м (табл. 13).
Таблица 13
Влажность грунта до взрыва в % Вес заряда в кг Показатель выброса Скорость установившейся фильтрации после взрыва основного заряда
в см/сек в м/сутки
22 3,5 1,5 7-10-5 0,061
22 7 2 4,9-10-5 0,42
24 3,5 1,5 8,9-10-5 0,075
24 7 2 3,6-10-5 0,031
30 3,5 1,5 3,3-10-5 0,029
30 7 2 2,6-10-5 0,021
34 7 7 Оплывание грунта в выемке
После достижения установившейся фильтрации в выемках
производили взрыв малых зарядов ВВ весом 25, 50, 75, 100, 125
и 150 г (в пересчете на аммонит), величина которых определя-
лась опытным путем в полевых условиях.
В последующем производили взрывы в средних суглинках
(табл. 14) с первоначальной влажностью 16,2%: величина заря-
Таблица 14
Глубина взятия об- разца в см Содержание в % фракций размером в мм Состав грунта
1—0,25 0,25—0,05 0,05—0,01 0,01—0,005 ! 0,005
0—10 1,2 6,5 47,5 5,2 39,6 Механический
19,2 31,7 36,6 7,8 4,7 Микроагрегатный
50—60 0,1 4,4 49,3 9,3 36,9 Механический
13,1 37,2 41,9 4,2 3,6 Микроагрегатный
120—130 0,1 9,7 29,2 14,1 46,9 Механический
* 3 43,8 45,9 4,2 3,1 Микроагрегатный
13—50
193
да 55 кг, глубина заложения 1,6 м, показатель выброса 2,5. Пос-
ле взрыва была образована выемка диаметром поверху 8 ж и глу-
биной 2 ж. В течение 1,5 месяца при периодическом наполнении
выемки водой вели наблюдения за суммарными потерями на
фильтрацию. Наблюдениями установлено, что скорость фильтра-
ции снизилась с 7• 10-5 до 1,1 —1,2-10-5 см/сек [2].
Рис. 80. Изменение скорости фильтрации во времени в выемке,
образованной взрывным способом
а—до взрыва микрозаряда; б — после взрыва микрозаряда в воде
После достижения установившейся фильтрации в выемке на
глубину 1 ж был опущен заряд аммонита весом 150 г во влаго-
непроницаемой крафт-целлюлозной бумаге. Капсюль-детонатор
был заложен внутрь заряда, взрывание его производилось ас-
фальтированным огнепроводным шнуром. После взрыва неболь-
шого заряда в заполненной водой выемке в первый же день
резко снизилась скорость фильтрации с 1,2-10-5 до 7Х
ХЮ-6 см!сек-, через 10 дней она составляла 3,3-10-3 см/сек
(рис. 80).
Проводились также исследования изменения фильтрационной
способности грунта после взрыва небольшого заряда ВВ под во-
дой в выемке, образованной в суглинках механизированным
способом. Размеры выемок: глубина 1,2 ж, диаметр поверху
4,5 ж, диаметр понизу 2,5 ж. После достижения установившейся
фильтрации в выемке был произведен взрыв заряда аммонита
весом 250 г во влагонепроницаемой оболочке. После взрыва за-
ряда вначале скорость фильтрации составляла 6,4-10~4 см/сек,
на вторые сутки — 2,5—3,9-10~4 см)сек (рис. 81).
194
Применение способа взрывной кольматации для борьбы
с фильтрацией воды характеризуется высокой эффективностью.
Для кольматации участка канала длиной 100 м с поперечным
сечением 10—12 ж2 требуется ВВ основных зарядов 250X75=
= 18,75 кг, вспомогательных 400X25=10 кг. При этом площадь
смоченной части канала, подвергшейся действию взрыва, состав-
ляет 350 ж2. Расход основных средств взрывания на 1 ж2 канала:
аммонита 82 г, детонирующего шнура 1 ж, капсюлей-детонато-
ров 0,02 шт., огнепроводного шнура 0,02 ж, битума 10 г, картон-
ных патронов 0,5 шт. Таким образом, вес всех материалов на
1 ж2 канала равен 0,1—0,2 кг, тогда как при бетонной одежде
180—330 кг, битумизации 4—9 кг, нефтевании 5—6 кг, солонце-
вании 4—5 кг. Стоимость 1 ж2 канала, обработанного взрыв-
ным способом, составляет около 7—8 коп. Затраты труда
0,005 чел.-смены.
Способ взрывной кольматации отличается высокими тем-
пами выполнения работ без применения сложных механиз-
мов.
В отличие от обычных способов борьбы с фильтрацией воды
взрывной способ можно применять, не прекращая эксплуатацию
водоема или канала. Кроме того, верхний слой взорванного
грунта предохраняет нижние горизонты от промерзания и де-
формации. Антйфильтрационный слой грунта, образован-
ный взрывом, характеризуется более длительным сроком
службы.
13*
195
ГЛАВА X
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ
И МИКРОСТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ГРУНТОВ
ПРИ ВЗРЫВЕ ЗАРЯДА В ЖИДКИХ
ЦЕМЕНТИРУЮЩИХ СРЕДАХ
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Характер изменения физико-механических свойств песчаных
и глинистых грунтов под воздействием взрыва в условиях, когда
пространство между зарядом ВВ и твердой средой заполнено
жидким цементирующим составом, изучен еще недостаточно
полно, несмотря на множество теоретических и эксперименталь-
ных исследований физико-механических свойств грунтов, под-
вергаемых статическим или динамическим нагрузкам при воз-
ведении различных сооружений. Некоторые законы механики
грунтов могут быть использованы для изучения прочностных,
деформационных, фильтрационных свойств и других физико-ме-
ханических характеристик при исследовании природы измене-
ния прочностных свойств грунтов под действием взрыва в раз-
личных цементно-грунтовых средах. Для более обстоятельного
решения указанных вопросов в области влияния взрывных
и гидровзрывных сил на физико-механические свойства грун-
тов в первую очередь должны быть рассмотрены следующие
задачи.
1. Определение основных показателей механических и проч-
ностных свойств грунтов, подвергшихся взрывной и гидровзрыв-
ной инъекции цементирующих составов в поры и трещины грун-
товых массивов.
2. Исследование физико-механических и фильтрацион-
ных свойств грунтов при взрывании в них вертикальных и
горизонтальных непрерывных цилиндрических заря-
дов.
3. Установление закономерностей распределения напря-
жений в грунтах под действием взрывных и гидровзрывных
сил сжатия при использовании зарядов различных конструк-
ций.
4. Исследование закона гидровзрывного уплотнения земля-
ных масс и разработка метода расчета уплотняющего действия
взрыва в цементирующих средах.
5. Изучение вопросов прочности и устойчивости стенок выра-
боток и откосов каналов после взрыва и разработка методов
определения физических свойств грунтов, измененных энергией
взрыва.
196
2. ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ
ПРИ ВЗРЫВАНИИ ЗАРЯДОВ В СКВАЖИНАХ,
ЗАПОЛНЕННЫХ ЖИДКИМИ ЦЕМЕНТИРУЮЩИМИ СОСТАВАМИ
Характер уплотняемое™ глинистых грунтов микровзрывами
в жидкой цементирующей среде с различными соотношениями
воды и цемента (1:2 и 1:3), жидкого битума и парафино-би-
тумной смеси при различной температуре подогрева (80—110° С)
исследовали в среднечетвертичных моренных суглинках и глинах
естественного залегания с различными физико-механическими
свойствами.
До взрыва моренные суглинки характеризовались следую-
щими физическими свойствами: естественная влажность 14,8—
21,2%, объемный вес суглинков
1,71 —1,99 г/см3, пористость 37,4—
43,1%; прочностные свойства: удель-
ное сопротивление пенетрации 1,8—
2,8 кгс!см? и сопротивление сдви-
гу при одноосном сжатии т = 0,32-4
4-0,45 кгс/сж2.
Рис. 82. Схема отбора проб грунта при взрыве удлиненного цилиндрического
заряда в скважине (а) и монолит грунта (б), вырезанный из массива, подвер-
женного взрыву в цементирующей среде
/ — удлиненный заряд ВВ; 2 — цементирующий состав (цифрами 1—5 показан порядок
отбора монолитов)
Физические свойства моренных глин изменялись в широких
пределах: естественная влажность 18,8—21,7%, объемный вес
1,92—1,98 г/см3, пористость 39,1—43,5%. Удельное сопротивле-
ние пенетрации составляло 2,1—3,2 кгс/см2, сопротивление сдви-
гу при одноосном сжатии — 0,43—0,65 кгс/см2. Коэффициент
фильтрации глин ненарушенной структуры (до взрыва) равнял-
ся 0,018 м/сутки, а суглинков 0,072—0,13 м^утки.
В целом моренные глины и суглинки в естественном залега-
нии на опытном полигоне почти не отличались по своим физи-
ческим свойствам, поэтому для исследований можно принять
197
средние показатели: влажность 18,8—20,1%, объемный вес
1,92—1,94 г/см3, пористость 39,1—43,1%, удельное сопротивле-
ние пенетрации 1,5—2,3 кгс/см2 и сопротивление сдвигу 0,4—
0,6 кгс/см2.
Взрывы вертикальных микрозарядов (размещенных в поли-
этиленовых трубках различного диаметра) производились
в скважинах, заполненных жидкими растворами цемента, биту-
ма и парафино-битумной смеси. После взрыва из уплотненного
грунта отбирали образцы (рис. 82) для исследования изменения
плотности глинистых грунтов.
Специфика лабораторных исследований физико-механиче-
ских свойств грунтов, уплотненных взрывом, обусловлена тем,
что грунт из изотропного по своим свойствам становится анизо-
тропным в пределах небольших расстояний, поэтому физические
свойства (влажность, объемный вес) следует определять в пре-
делах небольших расстояний до 4—6 см, так как изменение фи-
зических свойств грунтов при взрыве характеризуется синусои-
дой с амплитудой 3—16 см. При лабораторных исследованиях
физико-механических свойств грунтов рекомендуется использо-
вать секционный метод. Монолиты грунта разбивают на секции
размером 4—6 см.
В результате исследований установлено, что для моренных
суглинков, характеризующихся в естественном состоянии следу-
ющими свойствами: влажность 21,2%, объемный вес 1,88 г!см3,
объемный вес скелета грунта 1,54 г/сл3, пористость 43,2%, со-
противление сдвигу 0,18 кгс/сл2, удельное сопротивление пене-
трации 1,6 кгс/см2, наибольшее упрочнение и изменение физи-
ко-механических свойств происходит при. заполнении полости
скважин раствором жидкого битума (рис. 83).
Наибольшая уплотняемость моренных суглинков наблюдает-
ся при использовании битума, меньшая — парафино-битумной
жидкой смеси (с содержанием парафина 10—15%). Наимень-
шая уплотняемость отмечается при взрыве зарядов в жидком
цементе. Естественная влажность моренных суглинков (21,2%)
в этом случае неравномерно изменяется в глубину по радиусу
распространения взрывной волны. Наименьшая влажность на-
блюдается на расстоянии 12—16 см от поверхности выемки после
взрыва. При применении жидкого цемента естественная влаж-
ность на расстоянии 16 см снижается до 18,2%, при использо-
вании битумно-парафиновой смеси — до 19,4% и жидкого би-
тума— до 15,3—16,5% (рис. 83,а).
Объемный вес грунта и объемный вес скелета при действии
взрыва в различных средах (рис. 83, бив) изменяются в зави-
симости от свойств цементирующего состава и физических
свойств грунтов до взрыва. При использовании смеси жидкого
цемента в соотношении 1 :3 и 1:4 объемный вес грунта и объ-
емный вес его скелета изменяются соответственно от 1,88
и 1,54 г/см3 в естественном состоянии до 2,0 и 1,67 г/см3 на рас-
198
199
стоянии 12—16 см после взрыва, при использовании битумно-
парафиновой смеси — соответственно до 1,97 и 1,64 г/см3 и При
применении жидкого битума — соответственно до 2,02 и
1,76г/сл13.
При взрыве микрозарядов в различных жидкостях пори-
стость изменяется также по синусоидальной кривой с неболь-
шими амплитудами (рис. 84). После взрыва с применением во-
доцементного состава на расстоянии 16 см от поверхности есте-
ственная влажность снизилась с 43,1 (до взрыва) до 36,1%; при
использовании битумно-парафиновой смеси—до 36,1% и жид-
кого битума — до 34,1%.
Рис. 84. Изменение пористости (а) и удельного сопротивления
грунта (б) в зависимости от расстояния от скважины S при
взрыве заряда в различных цементирующих средах
— До взрыва; 2—в битумно-парафиновой смеси; 3 — в цементирующей
жидкости; 4 — в жидком битуме
200
Упрочнение грунтов при взрыве изучалось по сопротивляе-
мости сдвигу ИСХОДЯ ИЗ условия Т= (где Рраз— прочность
F
при одноосном сжатии; F — площадь монолита грунта цилин-
дрической формы с соотношением диаметра к высоте образца
1 :2). При взрыве микрозарядов с применением смеси жидкого
цемента сопротивление сдвигу на расстоянии 16 см от грунто-
вой поверхности составляло т=0,92 кгс/см2, с использованием
битумно-парафиновой смеси т=1,32 кгс!см2 и жидкого битума
(при температуре подогрева 80—110° С) т=1,52 кгс!см2 против
исходной прочности 18 кгс/см2. При использовании различных
сред в качестве заполнителя пространства между стенками сква-
жины и зарядом существенную роль играет диаметр заряда.
Наибольшая уплотняемость грунтов наблюдается при наполне-
нии скважины жидким битумом и наименьшая при использова-
нии раствора цемента (табл. 15).
Таблица 15
Диаметр заряда в мм Коэффициент увеличения Коэффициент увеличения прочности при взрыве с применением различных сред
влажно- сти объемно- го веса пористо- сти цементный раствор (1:3) битумио- парафицовая смесь жидкий битум
7 1,05 1,1 1,14 1,58 2,4 3,44
8 1,06 1,15 1,21 1,98 2,8 3,8
3. ПЕТРОГРАФИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГРУНТОВ
ПОСЛЕ ГИДРОВЗРЫВНОЙ ИНЪЕКЦИИ
Для изучения микроструктурных изменений в грунтах при
воздействии гидровзрывной инъекции различными цементирую-
щими составами проводятся петрографические исследования.
В каждом исследуемом образце грунта отбирают шлифы до
взрыва и после взрыва и изучают с помощью поляризационно-
го микроскопа МИН-4 от осветителя ОИ-19 с увеличением в про-
ходящем поляризованном свете до 360 раз.
Были исследованы грунты трех разновидностей: песчано-
алевритовая глина, кварцевый песок и суглинки, изъятые на
опытном лабораторном полигоне с. Захарино Подольского рай-
она (рис. 85).
По шлифовым отпечаткам песчано-алевритовой глины до
взрыва установлено, что она включает агрегаты из элементар-
ных частиц глин и крупнообломочного материала неправильной
формы. Глинистая часть грунта представлена неориентирован-
ными частицами бурого цвета, среди которых выделяются че-
шуи и волокна оптически ориентированных глин. Оптически ори-
ентированные глины образуют тонкие каемки вокруг обло-
201
мочных зерен, реже — оболочку вокруг хорошо заметных
угловато-округлых участков массива грунта.
В плоскости шлифа поры составляют около 5%, размер ко-
торых 0,02—1,4 мм. Форма их округлая, неправильная, извили-
стая и удлиненная. Гидроокислы железа образуют в глине ред-
кие рыхлые скопления размером до 0,5 мм в поперечнике, тем-
но-бурого цвета в проходящем свете и желтовато-бурого в
отраженном. Фракции обломочной части песчано-алевритовой
глины имеют различные размеры: в основном 0,1—0,2 мм (мел-
копесчаные) и 0,42 мм (среднепесчаные).
По минералогическому составу в основном содержится кварц
(34,9%) с незначительной примесью полевых шпатов (1,7%),
слюды (0,1%) и хлорита (0,2%).
Рис. 85. Петрографические исследования образцов суглинистого грунта
по шлифовым отпечаткам (увеличение в 360 раз)
а — до взрыва; б — после гндровзрывной ннъекцнн цементного раствора в грунт
После взрывной инъекции в песчано-алевритовую глину би-
тумно-парафиновой смеси с содержанием 8% парафина слой
грунта со стороны гидровзрыва превратился в спрессованный
сцементированный монолит (табл. 16).
Таблица 16
Пробы грунта Содержание в % частиц в мм
ОД 0,1—0,05 0,05—0,01 <0,01
До взрыва 38,6 4,3 6,7 50,4
После взрыва: в жидком цементе . 31,8 — 17,8 50,4
в жидком битуме . 15,2 — 32,8 52
в бнтумно-парафино- вон смеси .... 18 5,7 17,5 58,8
202
г
После взрыва сильно выделились волокна глин, имеющие
одинаковую ориентировку и представляющие собой в поляри-
зованном свете единый кристалл. Вокруг обломочных зерен
кварца образовались тонкие пленки зацементированного гидро-
взрывом материала, глубина проникания которого в толщу мас-
сива достигла 1,4—2 мм. Редкие рыхлые скопления в поле зре-
ния микроскопа после взрыва уже не наблюдались. Размер пор
уменьшился на 0,8—1% вследствие заполнения их цементирую-
щим мелкодисперсным материалом. В некоторых очень мелких
порах (0,05 мм) обволакивающих цементирующих пленок не об-
наружено [33].
Подобная картина наблюдается при гидровзрывной инъек-
ции цементирующих составов в песках и суглинках: разрушение
на мельчайшие частицы обломочного материала и связывание
их инъекционным цементирующим составом. Исследованиями
установлено, что размер пор после взрыва уменьшается не всег-
да, хотя поры при этом принимают более правильное очертание.
ГЛАВА XI
ОБРАЗОВАНИЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ПОЛОСТИ
В ГРУНТАХ ПРИ ВЗРЫВЕ ЗАРЯДА
В ЖИДКИХ ЦЕМЕНТИРУЮЩИХ СРЕДАХ
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Устройство вертикальных полостей и глубоких колодцев взры-
вом цилиндрических зарядов ВВ в скважинах, заполненных
жидкими и цементирующими средами, является наиболее эф-
фективным, так как значительно повышаются антифильтраци-
онные и прочностные свойства грунта стенок колодцев. При этом
энергия взрыва расходуется не только на расширение полости, но
и на взрывной кольматаж, протекающий под действием высоких
градиентов давления. Поэтому требуется не только получить
необходимые геометрические параметры образующихся поло-
стей, но и специально подобрать физико-механические свойства
среды, окружающей заряд. Если грунт при взрыве сопротивля-
ется действию взрывных газов и подвергается необратимым пла-
стическим деформациям (уплотнению), то роль промежуточной
среды в этом смысле пассивна, так как она только передает
через себя давление взрывных газов, а сама практически не
деформируется, потому что ее свойства близки к свойствам иде-
альной несжимаемой жидкости. Основная роль промежуточной
среды в такой постановке заключается в том, что находящиеся
203
в ней во взвешенном состоянии мелкие частицы твердого веще-
ства под действием высоких градиентов давления закупоривают
узкие капиллярные каналы, соединяющие поровые полости.
Таким образом, данная задача разделяется на две: первая
по своему характеру относится к динамическим задачам теории
упругости, а вторая, по существу, является задачей взрывного
кольматажа и эквивалентна задаче о фильтрации мелкодиспер-
сной среды через пористую среду, граница которой находится
в движении. При этом основную трудность представляет первая
задача, связанная с выбором той или иной модели грунта.
2. ВЫБОР МОДЕЛИ ГРУНТА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
ДЕЙСТВИЯ ВЗРЫВА
Выбор той или иной модели грунта, необходимой для теорети-
ческого рассмотрения действия взрыва на грунт, осложняется
тем, что его свойства зависят от многих факторов, в частности
от степени дисперсности, и неоднородности, влажности, пористо-
сти и пр. Поэтому каждая модель грунта отражает лишь неко-
Рис. 86. Модель грунта при взрыве
заряда в скважине с воздушной про-
слойкой
торые характерные особенно-
сти и не может учитывать всех
свойств, в связи с чем невоз-
можно ввести единое уравне-
ние состояния для всех грун-
тов.
Рассмотрим бесконечный
цилиндрический заряд радиу-
сом го, расположенный на оси
бесконечной цилиндрической
скважины радиусом а0, причем
между зарядом и стенками
скважины имеется воздушная
прослойка (рис. 86). В резуль-
тате взрыва полость расширя-
ется и первоначальный радиус
скважины а0 увеличивается до
значения ак. Требуется опреде-
лить конечный диаметр поло-
сти в зависимости от величины
заряда и различных физико-механических, прочностных и пла-
стических свойств грунта на основе выбранной модели грунта.
Обсудим постановку рассматриваемой задачи. Прежде все-
го данная задача имеет цилиндрическую симметрию, при кото-
рой несущественна зависимость от вертикальной координаты,
так как мы исключаем наличие свободной границы. Поскольку
можно принять, что скорость разлета продуктов намного больше
скорости расширения полости, то в первом приближении можно
считать, что в каждый данный момент скорость расширения сте-
204
нок полости ---- равна нулю. Такое предположение, конечно,
является упрощенным.
Динамическое рассмотрение потребовало бы применения
уравнений движения грунта и строгой постановки граничных
условий на фронте ударной волны и стенках полости, что явля-
ется сложной задачей. Однако в первом приближении, достаточ-
ном для сравнения теоретических данных с экспериментальны-
ми, указанный подход вполне приемлем, который, кроме того,
вскрывает некоторые прочностные и пластические свойства
грунтов, придавая им наглядный физический смысл, и широко
использует энергетические и термодинамические соображения.
Основные положения рассматриваемого здесь явления в стати-
ческой постановке сводятся к следующему.
В результате взрыва цилиндрического заряда, помещенного
в скважину с воздушной прослойкой, возникают высокие дав-
ления— около 5-104—5-Ю5 кгс/см2. Эти давления внезапно на-
чинают воздействовать на стенки зарядной камеры, которые
испытывают при этом внезапную нагрузку, равную в начальный
момент давлению детонации взрывчатого вещества. Максималь-
ное давление в полости внутри безграничной среды не может
превышать некоторого значения ps, которое обусловливается
прочностью и сжимаемостью данной среды. Поэтому, если дав-
ление в начальный момент превышает ps, то полость будет рас-
ширяться до тех пор, пока давление не снизится до этого значе-
ния. Движение среды в заключительной стадии расширения га-
зовой камеры прекращается в тот момент, когда давление газов
на стенку равно напряжениям на границе полости. В этот мо-
мент напряжения соответствуют статическому полю напряже-
ния в среде. Постоянное значение ps есть константа, которая
описывает прочностные свойства грунтов. Физический смысл ее
заключается в том, что она характеризует то значение напря-
жения, при котором происходит упрочнение грунта. Известно,
что в начальный момент давление рн приблизительно равно поло-
вине давления в детонационной волне при условии плотного за-
полнения камеры взрывчатым веществом:
г 2
р ~ (xi.i)
2 2 4 V
где pg—начальная плотность ВВ; D — скорость детонации.
Здесь предполагается, что давление выровнено по объему
камеры. Это предположение допустимо при сосредоточенных
зарядах, поскольку скорость звука в продуктах взрыва всегда
намного-больше скорости расширения газовой камеры. При ис-
пользовании удлиненных зарядов давление в момент детонации
не успевает выровниться по длине заряда. Тем не менее в при-
нятой нами идеализированной схеме будем считать, что взрыв
различных частей заряда происходит одновременно и мгновен-
205
но, что соответствует бесконечной скорости распространения де- I
тонационной волны. Начальное давление будем по-прежнему 1
определять по формуле (XI.1), причем ошибка в начальных |
данных, возникающая неизбежно при такой постановке, не по-
влияет на результат, так как нас интересует решение задачи '
в асимптотическом смысле, т. е. при /->-оо.
Обычно принимают, что зависимость давления в продуктах
взрыва от объема камеры может быть описана адиабатой1:
pVv = const, (XI.2)
где показатель адиабаты у = 3 при больших плотностях и у =
= 1,24-1,3 при расширении продуктов взрыва примерно в 10 раз.
При достаточном объеме воздушной полости, когда начальный
объем камеры ( гДе Ео— начальная энергия взрывча-
Ро
того вещества, рассчитанная на единицу длины в продольном
направлении), можно считать у=1,25.
Чтобы определить размеры камуфлетной полости, образуе-
мой при взрыве заряда в грунте, достаточно подставить в урав-
нение адиабаты (XI.2) то значение давления р*, которое в со-
стоянии удержать стенки полости от дальнейшего расширения,
т. е.
v=М^Г’25- <XL3)
\р*/
Если начальный объем воздушной полости был недостаточ-
ным, в формулу (XI.2) необходимо подставлять значения про-
межуточной точки адиабаты ркр и Екр, при которых показатель
адиабаты у станет равным 1,25. При этом для определенности
можно считать, что ркр и р^р составляют известную долю соответ-
ственно начального давления и плотности заряда. Обычно при-
нимают:
Ркр = “Ро; « 0,3 н-0,4;
Ркр = (Ркр)3-^---уравнение адиабаты при у = 3.
(Ро)
Тогда формула (XI.3) примет следующий вид:
V= Zi/PmlY''1’25.
а \ р* /
Можно предложить также несколько видоизмененную
формулу для расчета объема камуфлетной полости (XI.3), если
пренебречь упругой частью энергии продуктов взрыва и считать
их идеальным газом. Тогда начальное давление в камере выра-
(XI.4)
(XI.5)
(XI.6)
1 Более точный вывод уравнения состояния продуктов взрыва дан в ра-
боте Я. Б. Зельдовича и А. С. Компанейца «Теория детонации», ГИТТЛ,
1955.
к» 206
жается непосредственно через внутреннюю энергию в идеаль-
ном газе:
у* — 1
Если отнести внутреннюю энергию к единице веса заряда
„ Е
Q, т. е. е =— , то
Q
Po = ePo(Y*— О, (Х1-7)
где у* — некоторый эффективный показатель адиабаты (можно
считать у* = 1,25). Подставляя выражение (XI.7) в (XI.3), по-
лучим:
/ ео' \Vb25
V = (0,25)1/1>25К0 . (XI.8)
Массовую плотность энергии обычно определяют по справоч-
нику. По физическому смыслу она совпадает с энергией хими-
ческого разложения взрывчатого вещества и по порядку величи-
ны ее можно считать равной е= 1 ккал/кг = 4,18 • 1013 эрг!кг (для
аммонита).
Соотношения (XI.3) — (XI.6) и (XI.8) в первом приближении
описывают количественным образом явление расширения по-
лости газовой камеры под действием взрыва. Существенным не-
достатком указанных формул является их незамкнутость, так
как в них входит одна неизвестная величина р* — упругая кон-
станта, которую требуется определить по известным физико-
механическим и пластическим свойствам данного грунта.
Рассмотрим вначале общую картину, возникающую при
взрыве в пластическом грунте, в соответствии с выбранной нами
моделью грунта.
Напишем граничные условия для упругой области:
arr = -oi; п|г=оо = 0, (XI.9)
где — тензор напряжений; и — смещение; 04— радиальное
напряжение на границе упругой зоны с пластической.
Известно, что в общем случае, когда деформация вызывает-
ся не объемными силами, а силами, приложенными к поверх-
ности,
(1 — 2<т)Л« + graddivH = О, (Х.10)
где о — коэффициент Пуассона.
Введем цилиндрические координаты с осью z по оси цилинд-
ра. При однородных вдоль оси условиях деформация представ-
ляет собой чисто радиальное смещение щ.= и(г). Воспользовав-
шись известной формулой векторного анализа, получим:
grad div и—ku (XI. 11)
1 207
и из уравнения (XI.10) с учетом (XI.11) получим окончательное
уравнение равновесия в упругой области:
graddivit=O, (XI.12)
которое надо решать при граничных условиях (XI.9).
Находим первый интеграл:
div и — — • — = const = 2С.
г dr
Интегрируя последнее соотношение, получим:
u = cr + -y. (XI.13)
Известно, что в цилиндрических координатах г, <р, z компо-
ненты тензора деформаций цг* выражаются через смещение сле-
дующим образом:
, диг " дг ич>ч> Г Эф -+ Г дл2 ’ гг дг ’
2и , = — <₽z г ди2 д<$ дг ’ ^•игг диг . ди, = —-Н—L ; дг дг (XI. 14)
^•игч дг Г Г диг Эф *
Отличные от нуля компоненты тензор а деформаций (XI.13) и
(XI.14) равны: ди и — гг дг = С- D_ г* ' и = фф -=с+4. г г2 (XI. 15)
Из условия и|со = 0 находим С=0 и игг =----- ; = —.
Постоянная определяется из условия на границе с пластиче-
ской зоной:
— а1-
Предварительно запишем закон Гука в цилиндрических ко-
ординатах:
alk=: -— [(1 — 2а) uik -j- (1 Н-<т)(1 — 2о) lv 7 я ее 1,11 р (XI. 16)
°гг (14-о)(1—20) К ° Urr
о == — 1(1 — а) и 4- ац ] фф (1 +а)(1_2о) и 1 фф ' "i’ где Е — модуль Юнга. Затем находим D:
РЕ .
/?2 (1 + а) ’
208
D _ qi О ~Ь °) Rz
Поэтому тензоры деформаций и напряжений описываются
формулами: и _ «М1 +.**) /Л\2; (VI. 17) Е \ г ) (1 -4-я) (R_ 2. фф ‘ Е [г ) ’
’«“’(тГ <Х118>
Зная тензор деформаций, легко вычислить перемещение гра-
ниц упругой зоны:
оо со
6 = I u„dr = - ?».(1+ q-l^ f А. = (XI.19)
1 Е ,} Е
R R
Продольные напряжения в данном случае, очевидно, равны
нулю:
а = (а -к а 'l а = 0.
гг 1 ГГ 1 фф J
Во второй зоне главные напряжения связаны условием пла-
стичности:
о2 + о2 — о о = о2
гг 1 фф гг фф т
(XI.20)
где от — параметр пластичности.
Для определения главных напряжений требуется решить
уравнение равновесия —— <т.а = 0.
дха
Чтобы записать последнее уравнение в цилиндрических пе-
ременных, следует воспользоваться формулами перехода от де-
картовых переменных к полярным:
х = г cos ф; у = г sin ф; z = г.
Однако практически бывает удобно непосредственно выве-
сти условия равновесия на основе статических соображений
в интересующей нас криволинейной ортогональной системе ко-
ординат.
Тензор напряжений и тензор деформаций для плоской зада-
чи в полярной системе координат могут быть записаны в виде:
Т __I &гг 0 \
I 0 о / •
\ фф/
На рис. 87 представлены система напряжений для элементар-
ного объема, выделенного в полярных координатах, и картина
его смещения.
14—50 ) 209
В соответствии с принятыми обозначениями уравнение рав-
новесия, записанное в виде суммы проекций всех усилий на
направление радиуса, запишется в виде:
— cd + ab— 2оффа^-^- = 0.
Рис. 87. Система напряжений для
элементарного объема и картина
его смещения
Производя замену cd=rdQ; ab =
(r-^-dr)d(p и отбрасывая беско-
нечно малые высшего порядка,
получим уравнение
Исключив из уравнения рав-
новесия (XI.21) и условия плас-
тичности (XI.20) нормальное
азимутальное напряжение офф ,
получаем дифференциальное
уравнение
Г darr __ °ГГ |
dr ~ 2 ‘
Для решения данного уравнения воспользуемся методом раз-
деления переменных. Имеем:
dx 1 j I
— , -----= — In г + С.
|/ 1 — Зх2 — х 2
Вычислим входящий сюда интеграл:
У Зх = sin а; 1 — Зх2 = cos а; dx = cos“~ da;
У з
УЗ = tg 60°;
j _ p_______dx_____ _ 1 p cos a da _
J VT^-x - Уз J /СО8а_днд_\ “
\ Уз /
__ 1 p cos a da
2 sin (60° — a) ’
(XI.22)
210
60° — a = ---a — P; da =—сф;
1 о , Кз . a
cos a = — cos p H--sin P;
2 2
J = — arcsin j/3x + In (j/ 1 — 3x2 — x) + C;
где a—множитель, подбираемый методом последовательных
приближений. Вычисления показали, что
а = 0,25 при В = — < 1,5;
а
а = 0,3 при 1,5 К 1,9;
а = 0,4 при 1,9 <£<2,5.
В дальнейшем примем а равным 0,3. Тогда
Далее
поэтому
1 + 1,4-^ = -^-.
”т |/г
Используя условия непрерывности напряжений на границе
упругой зоны с пластической, имеем:
(XI.23)
14*
I
211
Следует подчеркнуть, что в формулах (XI.23) для напряже-
ний в пластической зоне учитывается энергия деформации фор-
моизменения, входящая неявным образом в условие пластич-
ности (XI.20), поэтому свойства реальных грунтов должны
описываться ею более точно, чем в простейших моделях грунта.
Таким образом, давление внутри полости будет определяться
формулой
р =- =°’71°т (1 - V —)+V — • (xi-24>
\ та/ та
В выражение (XI.24) входит величина оь определяющая нор-
мальное напряжение на границе упругой зоны с пластической.
На практике, однако, бывают известны и другие упругие кон-
станты, характеризующие грунт. Поэтому выгоднее исключить
Сть вводя наибольшее касательное напряжение т, являющееся
основной прочностной характеристикой грунта и по своему фи-
зическому смыслу определяющей напряженное состояние грун-
та при переходе от упругости к пластичности. На границе зоны
R предельная величина касательных напряжений определяется
значением полуразности главных нормальных напряжений:
* = у - G-)U = т[(Тт + °’25(Т1]' (XL25)
Oj = 4 (2т — от).
Поэтому
р = (8т —4,71от)|/ Л + о,71от. (XI.26)
Чтобы найти максимальное значение давления р, способного
удержать давление взрывных газов, необходимо определить
максимальную величину отношения I/ — из уравнения нераз-
рывности. Известно, что
Pi = Ро + dV = Ро (1 - иаа),
где иаа = — относительная объемная деформация;
v \ др ;т
k — модуль объемного сжатия, связанный с модулем Юнга фор-
мулой
к_ Е
3(1 — 2а) ’
212
0,24<гт.
Постоянную С определяем из условия непрерывности нор-
мальных напряжений на границе пластической зоны с упругой.
Таким образом, напряжения в пластической области удовлетво-
ряют трансцендентному уравнению (XI.22), для решения кото-
рого следует использовать численные методы. Можно, однако,
предложить простой и достаточно надежный метод решения
уравнения (XI.22). Для этого оценим сначала область измене-
ния безразмерного напряжения из условия пластичности (XI.20),
считая, что |сг |—величина одного порядка по сравнению
с | <j„| • Из (XI.20) имеем:
(о — о )2 = о2 4- о, ст ;
V ГГ фф J т 1 Г Г фф ’
°гг _______у. . 2.
<Тт
(у + z)2 = 1 — yz-, ухг,
поэтому 5у2 = 1; |//| да гда 0,5-40,6.
Разложим в ряд выражение для arc sin у. Вблизи точки
=—0,5 имеем:
Of
. Уз агг . Уз
arcsin------.-----да— arcsin--------
2 от 4
Уз \ . Уз . огг
-— да—arcsin-------------1-----
4 / 4 (Т-р
т- — да const + In .
2 \ 2 ат )
Поэтому выражение (XI.22) примет вид:
Для дальнейшего упрощения
выражением
заменим корень в знаменателе
1 —0,75 —г
1 +а0,866 Д" ;
поэтому
I
213
Pi = Po + -^((14t-8,2ot) |/ — + 0,24от
3r 1 \f r
(XI.27)
Воспользовавшись уравнением непрерывности, получим
(рис. 88):
Я+6
лРо (#-I- 2 * —Яо) = 2л j’ pifdr. (XI.28)
Рис. 88. Схема создания цилиндриче-
ской полости при взрыве удлиненного
цилиндрического заряда
а?
2
Подставляя в формулу (XI.28) выражение для конечной плот-
ности pi (XI.27) и интегрируя, получим:
иг ^2 _ 2 //1 । 0,24от\Г (/? 4~ б)2
1Д 3fe /L 2
, (14т—8,2от)К/? 2 r/D .
3k 3 ' J
После простых преобразований имеем:
?\2 I 0,24 „ , , 36 \ 4(14т — 8,2от)
— — — ~ * п--------------ит -f- 1 ----------------------
i / \ а / [ 3k \ 2R) 9й
1 о/l I °’24(Тт \ 4 (14т — 8,2от) * /Т
Z Г 3k ' а2 ) 9k у а
Так как выражение (XI.19) для б с учетом (XI.25) имеет вид:
б = 4<2S~(1 + а)
Е
получим:
(JL I2 ( ао V = Hi > °>24
\а/ \а/ l\ 3k
-I- _g(2T~ °т) 0 _|_ а)Ъ 8 [1 + 0,24^>| 2т ~ °т . (1 4-
Е I \ 3k j Е
\2 4 (14т — 8,2ат)
7\ а ) 9k
а ) + М14т-8,2от) Г1 +
214
или после простых преобразований
4 (14т— 8,2от) R / а0 V
Эй та \ а )
8 (2т — ат) 4 18 (2т— ат)
Р - (1+<т) + ~7 +- Р (1 + <0
с о | с
Переходя к максимальному значению
— , будем
а /макс
иметь:
макс
4 (Пт — 8,2ат)
Эй а /макс
14т — 8атГ 8 (2т — ат) 4 1 8 (2т — ат)
---------- -------------(1 + о) + V + й------
о I £
ЗЙ
(XI.29)
„ 4 (14т—8,2ат) / к \ ,
Вследствие малости отношения —--------------- — < 1
Эй \ а /макс
можно ограничиться первой интеграцией, после чего окончатель-
но получим выражение для максимального значения отношения
/?
4 (14т — 8,2от)
Е
а
—^7^----------------- (XI.зо)
+ — р — (1 + 0)
L
Максимальное значение окончательного давления взрывных
газов в полости, которое компенсируется напряжениями на ее
стенках, задается формулой (XI.26), куда следует подставить
значение (—} из (XI.30):
\ а /макс ________
Рмакс = О,71ПТ + (8т- 4,7от) 1/(—) • (XI.31)
F \ й /макс
В этой формуле параметр пластичности среды ат изменяется
в пределах 0 <тт <+.
Из соображений непрерывности азимутальных напряжений
можно показать, что предел текучести о? будет близок к величине
касательных напряжений х, по крайней мере для пластичных
глин, поэтому в дальнейшем для определенности будем счи-
тать от«т.
В указанных грунтах модуль упругости Е может быть опре-
делен по скорости распространения упругих продольных волн
в среде. Модуль объемного сжатия k следует определять в ла-
бораторных условиях при сжатии различных образцов грунта.
Для оценок можно принять & = 0,1£. Наконец, примем коэффи-
циент Пуассона о равным 0,25. С учетом этого выражение
(XI.31) значительно упрощается:
Рмакс
0,71т 1 + 1,83 1 — 1,35— + 0,25
I £
(XI.32)
Следует отметить, что давление в полости зависит главным
образом от сжимаемости грунтов и максимальных касательных
напряжений т и не может увеличиваться беспредельно, хотя стен-
ки сосуда являются бесконечно толстыми. Это объясняется тем,
что добавление дополнительных порций газа в полости вызывает
увеличение радиуса зоны пластического деформирования.
Таким образом, для получения окончательного ответа в фор-
мулу (XI.8) следует подставить вместо р* величину рмакс, зада-
ваемую формулой (XI.32). Для конечного радиуса полости, об-
разовавшейся после взрыва, получим:
/ 1/ 2 ер„ х
а = 0,55 -^-Г0 f RR (Х1-33)
где
f (х) = (х+ 1,83 [1 — 1,35х +0,25x3/i] ,
е < х < 1, е > 0.
График функции f(x) представлен на рис. 89.
Формулу (XI.33) можно записать в следующем виде:
— = 0,55 (f ( — \ (XI.34)
где £0 = /2вР;.
Известно, что скорость распространения упругих продольных
волн равна:
с= i / E(i-o) ,
г Ро (1 + °) (1 — 2<т)
где р0 — плотность грунта.
216
Рис. 89. Относительное увеличение радиуса полости
а — в суглинках; б — в песках
В нашем случае о=0,25, поэтому плотность энергии упругих
продольных волн равна:
N = _£o£L = -1 £,
2 5
Подставляя N в формулу (XI.34), получим:
Таким образом, относительное увеличение радиуса полости
определяется некоторой степенью 2/5—отношением плотности
энергии ВВ к плотности энергии продольных упругих волн, рас-
пространяющихся в грунте в результате взрыва.
Кроме того, указанное отношение модулируется безразмер-
ной функцией f(x), зависящей от отношения f(x)-^-oo при
х->0 и f(x)->0 при х ->оо. Данная закономерность имеет четкий
физический смысл, так как стремление т->0 означает, что среда
фактически не сопротивляется действию взрыва (например, при
взрыве в пустоте), поэтому радиус образующейся полости стре-
мится к бесконечности, а при т-> оо радиус полости становится
малым вследствие сильного сопротивления среды действию взры-
ва (например, в скальных породах). Однако фактически следует
помнить, что по самому выводу (XI.33) т не может увеличивать-
ся до бесконечности. Касательные напряжения не превышают
модуля упругости и обычно бывают значительно меньше Е. При
т~Ё модулирующий множитель равен приблизительно 1. Кро-
ме того, из энергетических соображений очевидно, что энергия
217
упругих волн в грунте, по крайней мере, на порядок меньше <
энергии взрыва, а потому отношение — всегда больше 1, как
«о
это и должно быть. Поэтому выведенные нами формулы (XI.34)
и (XI.33) имеют ясную физическую интерпретацию.
Приведенный расчет относится прежде всего к обводненным
грунтам, плотным пластичным глинам и суглинкам. В сухих
осадочных породах переход в пластическое состояние связан
с разрушением первоначальной структуры грунта.
Такие грунты должны вести себя аналогично песку, и для них
предел текучести от очень мал. Формулу для максимального
давления для песчаного грунта получим из выражения (XI.31),
если примем от = 0: _________________________
10,3
Р* = Рмакс = 2,67т
4 /---------
V 1 + 11’3i
— 2,67т/'—| I— 11,2 — + 10,3 —
\ т ) ( Е \Е
Окончательно для песчаных грунтов получим:
(XI.35)
— = 0,39
tz0
(XI. 36)
где
(XI.37)
ф(х) =х-0,3{ 1 — 11,2х + 10,Зх'/4[“2''5,
е < х < 1, е > 0.
График функции <р(х) представлен на рис. 90.
При одних и тех же значениях модулей Юнга, т. е. плотности
упругой энергии, и одних и тех же касательных напряжениях ра-
диус полости в песчаных грунтах получается большим, чем
в плотных пластичных глинах, так как для получения одних и
тех же внутренних усилий в песчаных грунтах требуется произ-
вести большую деформацию, чем в глинистых.
Рассмотрим действие взрыва вертикальных цилиндрических
зарядов, расположенных в скважинах, заполненных жидкой сре-
дой (рис. 91). Давление взрывных газов в этом случае пере-
дается через окружающую заряд среду и действует на грунт.
При этом рассматриваются два различных предельных случая.
В первом случае первоначальные размеры скважины на-
столько велики, что время прохождения ударной волной рас-
стояния от центра заряда до границы скважины в акустическом
приближении т= — (где с — скорость звука в жидкости) срав-
С
нимо с временем расширения полости А/~ Здесь, очевид-
218
но, необходимо произвести полный расчет параметров ударной
волны в жидкой среде, что требует громоздких вычислений [59].
Во втором, практически наиболее важном случае размеры
скважины настолько малы, что ударная волна почти мгновенно
достигает стенок скважины, следовательно, сжимаемостью жид-
кости можно пренебречь и считать, что давление на стенки поло-
Рис. 90. Изменение размера полости в грунтах
1 — глинистых; 2 — песчаных
Рис. 91. Модель грунта при
взрыве удлиненного цилинд-
рического заряда в жидкой
среде
/ — заряд ВВ; 2 — жидкость;
3— скважина; 4 — полость сква-
жины после взрыва заряда;
5 -- грунт
сти в точности имитирует давление на границе газовой камеры,
так как абсолютно несжимаемая среда передает через себя дав-
ление без всяких изменений и притом мгновенно.
Возникающая при взрыве картина аналогична явлению гид-
родинамического удара-1 в трубах при внезапной остановке жид-
кости, когда перекрывается выходной кран. При этом большая
масса вовлеченной в движение жидкости мгновенно останавли-
вается. В результате ничтожно малой сжимаемости жидкой сре-
ды силы инерции передаются по трубам с огромной скоростью,
равной по порядку величины адиабатической скорости звука,
и вследствие больших импульсов давления трубы разрываются
в наиболее слабом месте. Энергия инерционного движения пе-
реходит в механическую, и лишь малая часть ее расходуется на
тепло. Вследствие значительной протяженности труб в оконча-
* &D _
тельный результат входит сжимаемость среды —, непосред-
dp
ственно связанная с квадратом скорости звука.
1 Теория гидродинамического удара подробно рассмотрена в работах
Н. Е. Жуковского.
219
В данном случае роль инертных сил играют силы давления
взрывных газов, пространственный масштаб отсутствует и время
составляет несколько миллисекунд, а потому сжимаемостью
можно пренебречь. Основная часть энергии взрыва расходуется
на необратимое пластическое деформирование грунта и лишь
ничтожная ее часть (лД %) — на упругие волны и побочные эф-
фекты. Следовательно, вопрос, который непосредственно связан
с теорией упругости, и величина р* = рМакс остаются без всяких
изменений. Изменения коснутся только формул (XI.3) и (XI.8),
и в них надо подставлять значение показателя адиабаты у. Учи-
тывая, что давление передается без всяких искажений через слой
жидкости и, считая, что у = 3, получим вместо (XI.8) следующую
формулу: ___
V = О,63Уо 1/ — • (XI.38)
Г п*
Подставляя значения р* по формулам (XI.32) и (XI.35)
в формулу (XI.38) и переходя к поперечным размерам полостей,
получим: ___
— =0,851/ — 1//—V, (XI.39)
а0 ' Е V \ Е }
(XI.40)
где f(x) и ф(х) определяются по формулам (XI.33) и (XI.36)
(см. рис. 90).
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ВЗРЫВА ЗАРЯДОВ В ГРУНТАХ
И ЖИДКИХ ЦЕМЕНТИРУЮЩИХ СРЕДАХ
Для сравнения данных, полученных по теоретическим зависи-
мостям (XI.32), (XI.35), (XI.39) и (XI.40), с опытными данными
нужно знать входящие в них упругие константы Дит, ха-
рактеризующие каждый грунт. Модуль Юнга, как известно, не-
посредственно дает энергию продольных упругих волн, и его
можно определить по формуле Е = рс2 (где р — плотность грунта;
с — скорость звука).
Для двух предельных состояний плотного водонасыщен-
ного грунта, лишенного защемленного воздуха (р=2 г/см3
и с= 1600 м/сек), и рыхлого неводонасыщенного песка (р=
= 1,5 г/см3 и с = 50 м/сек) модули Юнга1 изменяются от 3,8 до
1 Данные заимствованы из книги Г. М. Ляхова «Основы динамики взры-
ва в грунтах и жидких средах».
220
3880 кгс/см2. Поэтому для ориентировочных расчетов можно при-
нять следующие значения модуля упругости Е в кгс)см2:
Насыпной песок.............................25
Лёсс........................................500
Насыпной суглинок.........................600
Суглинок....................................800
Глина.......................................1000
Для определения максимального сдвигающего напряжения
будем использовать принятые значения модуля упругости Е и из-
вестные из опыта коэффициенты относительного уплотнения g =
_ (Pi ~ Ро)м акс При этом в формулах (XI.27), (XI.30) примем
Ро
0=0,25, й = 0,1 Е
— !(14т — 8,2от) 1/^{—) + 0,24<гт !;
£ I т \ О /макс J
g _ (Pl Ро)макс
Ро
— для песчаных грунтов,
где
£(х) - [1 — 1,35х + 0,25х3/4] х~1/4;
(0 < х < 1)
/г(х) = [1 - 11,2х + 10,Зх4] х~,/4.
Поскольку во всех практически важных случаях х-<1, то
можно принять g(x)xh(x) л;х""74.Тогда для сдвигового напря-
жения т получим:
т=Д£4/3Д, (XI.41)
где А — константа, равная 0,13 для глинистых грунтов и 0,07
для песчаных.
При одних и тех же значениях относительных уплотнений £
относительная величина наибольших касательных напряжений
в глинистых грунтах больше, чем в песчаных, что соответствует
физическому смыслу. Если коэффициент относительного уплотне-
ния £ по порядку величины равен 1, то приближенно можно счи-
тать х = -|-?«0,1, однако в каждом конкретном случае указан-
ную величину можно определить по формуле (XI.41).
221
Рис. 92. Изменение коэффициента расширении полости под действием взрыва
а — в зависимости от размера полости; б—в зависимости от плотности грунта; 1—теоре-
тическая кривая; 2 — экспериментальные данные
В результате сравнения (рис. 92) установлено соответствие
расчетных и экспериментальных данных (особенно для плотных
глин). Некоторое расхождение данных для суглинка, по-види-
мому, объясняется недостаточно точным подбором упругих кон-
стант.
Интересно выяснить, как изменяется коэффициент расшире-
а тт
ния полости г) = — в зависимости от плотности грунта р. Для
а0
взрыва микрозарядов в скважинах, заполненных жидкой сре-
дой, указанная зависимость приближенно может быть опреде-
лена по формуле
= (XI.42)
где ро — некоторое фиксированное значение плотности грунта,
при которой коэффициент расширения полости равен к)о- Для на-
сыпного песка ро= 1,3 г!см3 и т)0 = 5,5.
В целом график на рис. 92, б подтверждает снижение коэф-
фициента расширения полости с увеличением плотности грунта,
однако вследствие скученности экспериментальных точек деталь-
ц I Р \
ная закономерность зависимости — = g не прослежи-
вается.
Пористость грунта п изменяется приблизительно на 10%, и в
основном вблизи заряда в пределах радиуса действия взрыва.
Зависимость коэффициента расширения ц от пористости вывести
невозможно вследствие очень сложной зависимости упругих
свойств среды от п. Зависимость величины ц от пористости весь-
ма слабая, по крайней мере в исследуемом интервале значений
222
Рис. 93. Зависимость коэффици-
ента расширении цилиндриче-
ской полости т) от пористости п
/1=354-45% (рис. 93). По-видимому, пористость оказывает
влияние на упругие константы грунта, и прежде всего на скорость
распространения упругих продольных волн в грунте. Более важ-
ное значение пористость приобретает в явлениях взрывного коль-
матажа.
4. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ О ВЗРЫВНОЙ КОЛЬМАТАЦИИ
С УЧЕТОМ ДВИЖЕНИЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА
Как уже указывалось, процесс взрывной кольматации можно
разбить на следующие три периода: перед взрывом микрозаря-
да, непосредственно во время взрыва и после взрыва.
При смещении стенок полости под действием взрыва первый
и третий этапы фактически не изменяются, так как носят стати-
ческий характер. Действие взрыва сводится к закупорке капил-
лярных трубок, соединяющих поровые полости, и заметного из-
менения пористости не отмечается. Поэтому при неизменной по-
ристости значительно изменялся коэффициент проницаемости
пористой среды и улучшались антифильтрационные свойства
стенок полости.
В данном случае при смещении границы раздела грунт—мел-
кодисперсная среда в условиях необратимого пластического де-
формирования грунта пористость также уменьшается примерно
на 10%, что нужно учитывать во всех уравнениях.
При взрыве вертикально расположенного непрерывного ци-
линдрического заряда в цилиндрической полости значительно
увеличивается зона активного процесса кольматации (рис. 94,
косая штриховка). В отличие от взрыва сосредоточенных заря-
дов, когда активному процессу кольматации подвергаются лишь
близко расположенные к заряду области, при взрыве бесконечно
длинного заряда взрывной кольматации подвергается вся по-
верхность стенок полости. На третьем этапе вследствие увеличе-
ния объема полости и неизменности массы мелкодисперсной сре-
ды происходит некоторое понижение уровня жидкости в скважи-
не, поэтому та часть стенок, которая расположена вблизи
поверхности, не подвергается действию статической кольмата-
ции. Такой эффект является краевым, поэтому его можно не учи-
тывать.
223
Рис. 94. Картина активного процесса кольматации при взрыве заряда
в жидкой среде
1 — заряд ВВ; 2 ~~ жидкость; 3— грунт
Второй период начинается с момента прихода в данную точ-
ку ударной волны и продолжается до тех пор, пока изменяется
давление в данной точке. Поэтому для узкой скважины можно
пренебречь запаздыванием и считать, что процесс взрывной коль-
матации начинается сразу же в момент взрыва и длительность
его обусловлена шириной фронта ударной волны, т. е. намного
меньше характерного времени для задачи о гидродинамическом
ударе. Поскольку время наблюдения на указанном этапе мень-
ше времени прохождения фронта ударной волны через границу,
то задача имеет существенно волновой характер и с точки зре-
ния процесса взрывной кольматации нельзя считать, что давле-
ние на стенку полностью имитирует давление на границе газовой
камеры.
Для определения таких характеристик, как градиент давле-
ния, ширина фронта и пр., необходимо рассчитывать параметры
ударных волн при взрыве в жидкой среде, используя формулу,
которая характеризует действие заряда:
<хиз>
где k0—первоначальный коэффициент проницаемости пористой
среды;
—эквивалентный радиус заряда (сосредоточенного);
Л—отношение расстояния между зарядом и данной точ-
кой к эквивалентному радиусу заряда;
с0— скорость звука в жидкости;
L — характерный масштаб длины:
Л =-----. (XI.44)
Ат0 (1 — е)
224
Здесь <?о — первоначальный равновесный поток жидкости; т0 —
первоначальная пористость грунта; е — пористость осевшей мас-
сы; А — постоянная, характеризующая взаимодействие пористой
среды с раствором суспензии. В силу цилиндрической симмет-
рии данной задачи амплитуда давления в цилиндрической волне
уменьшается значительно медленнее, чем в сферической: рциЛ =
В
= , поэтому
3 / —
A—7~_2<!_. *2. . ~_А-----Т/—, (XI.45)
"п с0 |iL2 с У а0
где Т — время действия ударной волны (ширина фронта); ц —
параметр, характеризующий интенсивность явления взрывного
кольматажа:
ц = ^=^Л(1—е); (XI.46)
т с0
R — радиус заряда.
Процесс взрывной кольматации при неподвижной границе
раздела двух компонент—-твердой и жидкой — был изучен
в главе VII.
Здесь рассмотрим влияние движения границы и изменения
пористости на процесс взрывного кольматажа. Если бы порис-
тость в процессе движения стенки полости не изменялась, то при
постоянной скорости движения границ в системе координат, свя-
занной с движущейся границей, кольматация происходила бы
так же, как и в неподвижной системе, но с другим градиентом
давления. При переходе к лабораторной системе координат во
всех уравнениях появилась бы новая постоянная — скорость дви-
da
жения стенки полости—, которая всегда меньше скорости зву-
dt
•ка, поэтому изменениями давления при учете движения границы
можно пренебречь. Основной эффект при этом проявлялся бы
в уменьшении потока жидкости через среду q, поэтому в фор-
мулу (XI.44) следовало бы подставить некоторый меньший эф-
фективный поток жидкости:
т
<7эФЬ = y J <7 (/)<#< <7°, (XI.47)
о
где т — время расширения полости, определяемое из условия:
, da I п
при t = т — =0
1 dt
При учете изменения пористости грунта в процессе пластическо-
го деформирования снижению L способствует также уменьшение
пористости осевшей массы [см. формулу (XI.44)]. В результате
основной параметр А несколько увеличивается, а характерное
15—50
225
расстояние, на котором изменяется коэффициент проницаемо-
сти, уменьшается. Однако при таком рассмотрении не учитыва-
ется следующее важное обстоятельство.
В процессе пластического деформирования грунта может из-
меняться не только плотность грунта, но и в какой-то степени его
внутренняя структура, особенно в слое, расположенном вблизи
стенок полости, а в общем случае на протяжении всей зоны пла-
стического деформирования Д^0,1 у — а та 1,5 а [см. формулу
(XI.41)]. Поэтому, строго говоря, все величины в данной зада-
че, в том числе и k, должны зависеть от времени и в формулу
(XI.45) для получения правильного значения X следует подстав-
лять некоторое эффективное значение йЭфф. Следовательно, мож-
но считать параметр X малым, так же как и в предыдущей зада-
че, и производить по нему разложение во избежание нелиней-
ности.
Эффективные значения указанных коэффициентов при дан-
ном подходе правильно определить весьма трудно, так как за-
дача с самого начала рассматривалась квазистатически, т. е.
скорость расширения стенок полости в каждый момент времени
считалась равной нулю, следовательно, интервал времени т
в формулах (XI.34) и (XI.47) фактически был неизвестен. Для
полного решения задачи о взрывной кольматации с учетом дви-
жения границы и изменения пористости в процессе необратимо-
го пластического деформирования необходимо с самого начала
dec . ,—г
задачу ставить динамически, т. е. —У=0. При этом нужно ис-
dt
пользовать граничные условия на фронте ударной волны в грун-
те, а также дополнительные сведения о зависимости уплотняе-
мости от давления.
5. ПРИМЕНЕНИЕ СПОСОБА ВЗРЫВНОЙ КОЛЬМАТАЦИИ
Устройство шахтных колодцев
Технология строительства шахтных колодцев гидровзрывным
способом заключается в следующем. В толще грунта пробури-
вают вертикальные скважины малого диаметра, в которые по-
мещают обычные или простейшие взрывчатые вещества (аммо-
нит, гранулиты, некондиционные порохи и т. д.) в изоли-
рованной оболочке (рис. 95). Полость скважины заполняют
цементирующим составом. После взрыва заряда на всю длину
в грунтовом массиве образуется непрерывная цилиндрическая
226
Рис. 95. Схема (а) и общий вид (б) шахтного колодца, созданного гидро-
взрывом
/—удлиненный заряд из обычного ВВ; 2 — эпоксидные слои нлн раствор цемента; 3—во-
ротник; 4—направление инъекций раствора; 5 — шахтный колодец; 6—ВВ; 7 — слой
крупнозернистого песка; 8 — слой гравия средней крупности; 9 — слой крупного гравия;
10 — слой уплотненного грунта; // — ударные волны; 12—полость
полость (колодец). Благодаря инъекции цементирующего соста-
ва в поры грунтового массива стенки полости принимают устой-
чивое положение [32].
В Московской области взрывом было образовано 14 колодцев
глубиной до 10 м, диаметром 0,5—1,5 м.
При устройстве колодцев применяли различные цементирую-
щие составы. Скважины диаметром 150, 200 и 250 мм бурили
станком вращательного бурения УГБ-50А на расстоянии 5—7 м
для предотвращения взаимного влияния взрыва. Скважины бу-
рили до горизонта залегания вод в песках (в основном на глу-
бину 5—6 м). В пробуренную скважину по центру устанавлива-
ли жесткий полиэтиленовый шланг соответствующего диаметра,
заполненный порошкообразным взрывчатым веществом (в дан-
ном случае водостойким аммонитом 6ЖВ). Пространство между
скважиной и заряженным шлангом заполняли цементирующим
составом (соотношение воды и цемента 1 : 10). Для лучшего про-
15*
227
питывания стенок скважины цементирующий состав должен на-
ходиться в скважине не менее 1,5—2 ч.
Для уменьшения разноса скважины и предотвращения обра-
зования воронки выброса в устье скважины устраивают выемку
глубиной 0,5—0,7 м, которую также заполняют цементирующим
составом. После взрыва заряда образуется цилиндрическая по-
лость. При этом разброс грунта на открытой поверхности прак-
тически отсутствует, что позволяет применять взрывной способ
для устройства шахтных колодцев вблизи населенных пунктов.
В устье колодца устанавливают железобетонную плиту со свар-
ным кольцом для предохранения колодца от разрушения.
По основным показателям взрывной способ устройства глу-
боких шахтных колодцев характеризуется высокими показателя-
ми (табл.17).
Таблица 17
Способ устройства Максимальная глубина бурения или взрывания в м Производительность при трехсменной работе в пог. м}сутки Количество обслуживающего персонала в смену
Механизированный КШК-25/30 30 27,5 5
Взрывной 50 290 3
После взрыва вокруг колодца вырезали образцы грунта раз-
мером 20X20 см. Запарафинированные образцы отправляли
в специальную лабораторию для определения физико-механиче-
ских фильтрационных свойств грунтов после взрыва.
Опытными работами предусматривалось выявить изменение
состояния грунтового массива и физико-механических свойств
грунтов после взрыва как с применением цементирующих соста-
вов, так и без них.
Из различных горизонтов моренных глин, простирающихся на
большую глубину (до 25—35 м с прослойками плывуна, песка
и суглинка), было отобрано 19 образцов грунта в естественном
состоянии до взрыва и 24 образца после взрыва без применения
цементирующего состава. Естественную влажность определяли
путем высушивания образцов грунта при 105° С до постоянного
веса, объемный вес — методом режущего кольца, удельный вес —
пикнометрическим методом.
По полученным данным построены кривые изменения влаж-
ности, объемного веса и коэффициента пористости моренных
глин после взрыва (рис. 96).
На основании результатов исследований можно сделать сле-
дующие выводы:
228
1) влажность грунта вблизи свободной поверхности колодца
меньше, чем в глубине массива. Однако на расстоянии 30—40 см
от полости по радиусу действия взрыва влажность на 25—
30% ниже контрольных замеров (до взрыва). Это обусловлено
тем, что ударная волна сжатия вы-
тесняет поровую воду вглубь гораз-
до быстрее, чем уплотняется скелет
грунта;
2) объемный вес грунта на тех
же горизонтах увеличивается лишь
на 8—10% и почти не изменяется
на глубине 10—16 см по радиусу
действия взрыва. Незначительное
увеличение плотности тяжелых
глин после взрыва обусловлено их
малой сжимаемостью под действи-
ем динамических нагрузок.
При взрывах в тяжелых грун-
тах, когда заряд ВВ работает в ес-
тественных условиях (без цементи-
рующих составов), поверхность по-
лости наряду с уплотнением отдель-
ных участков деформируется. Иног-
да глубина трещин в моренных гли-
нах достигает 10—15 см.
Кривые изменения объемного
веса грунта после взрыва свиде-
тельствуют о волновом характере
распространения ударной волны,
что необходимо учитывать при ис-
4 8 12 16 20 см
Рис. 96. Кривые изменения
влажности W, объемного веса
у и пористости е грунта в стен-
ках колодца, созданного гидро-
взрывом
следовании процесса инъекции цементных растворов и составов
в поровое пространство грунтового массива;
3) коэффициент пористости моренной глины после взрыва
изменяется в большей степени, чем влажность и объемный вес.
Установлено, что даже в малосжимаемых глинах взрывом мож-
но создать высокоплотные зоны. Объемный вес грунта в отдель-
ных местах увеличивается на 25—30%, что вызвано попутным
образованием глубоких заколов.
Строительство подземных водоводов
Закрытые водоводы небольшого сечения (диаметром 25—30
и 50 см) на глубине до 1,2—1,5 м можно образовать взры-
вом ВВ, размещенных в специальной изолированной хлопчато-
бумажной или полиэтиленовой оболочке, которая находится
в шланге, заполненном цементирующим составом. Заряженный
шланг с помощью подвесного кротодренажного приспособления
протаскивается на длину 30—50 м. Взрыв заряда ВВ произво-
229
дится с одного конца. Благодаря применению цементирующего
состава повышаются устойчивость и противофильтрационные
свойства грунта стенок водовода.
Для создания подземного водовода (рис. 97) диаметром
25—30 см в тяжелых глинах необходимо обеспечить следующие
Рис. 97. Схема закрытого водовода, созданного гидровзрывом
1 — горизонтальная цилиндрическая полость, образованная взрывом непрерывного гори-
зонтального цилиндрического заряда; 2 — жидкий цементирующий раствор в полиэтилено-
вом шланге; 3 — горизонтальный цилиндрический заряд ВВ; 4 — направление взрывной
волны; 5 — шурф
параметры взрыва: глубина заложения заряда 1,6 м, диаметр
заряда 16,5 мм, ВВ — аммонит 6ЖВ.
Гидровзрывной способ устройства подземных водоводов от-
личается высокими темпами выполнения работ, незначительны-
ми затратами средств и труда; кроме того, не требуется прово-
дить сложные и дорогостоящие противофильтрационные меро-
приятия.
ГЛАВА XII
КОРОТКОЗАМЕДЛЕННОЕ (МИЛЛИСЕКУНДНОЕ)
ВЗРЫВАНИЕ ЗАРЯДОВ ВВ
1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ МИЛЛИСЕКУНДНОГО ВЗРЫВАНИЯ
В практике взрывных работ применяются три способа взры-
вания зарядов: мгновенный, замедленный и короткозамед-
ленный.
230
При мгновенном взрывании все заряды ВВ взрываются одно-
временно и в одинаковых первоначальных условиях. Взрывание
производится с помощью электродетонаторов мгновенного дейст-
вия или детонирующего шнура. Основное разрушительное дейст-
вие взрыва при этом проявляется по линии наименьшего сопро-
тивления. Действие взрыва в сторону соседнего заряда равно-
ценно действию одиночного заряда, так как не образуется новая
дополнительная свободная поверхность. Поэтому часть породы,
находящаяся на линии, соединяющей центры соседних зарядов,
подвергается действию только прямой ударной волны сжатия,
которая не может разрушить горную породу на большом рас-
стоянии. Для полного разрушения участка породы заряды ВВ
при мгновенном взрывании располагают на расстояниях, на-
много превышающих длину линии наименьшего сопротивления.
В этих случаях ударные волны от взрывов соседних зарядов,
двигаясь навстречу друг другу и взаимодействуя, производят
суммарное действие.
Наибольший эффект взаимодействия соседних зарядов при
мгновенном взрывании проявляется в более мелком дроблении
горной породы вблизи заряда.
При замедленном взрывании зарядов (электродетонаторами
замедленного действия, электрозажигательными трубками, пат-
рончиками и т. д.) интервалы времени между отдельными взры-
вами настолько значительные, что упругие колебания частиц по-
роды успевают полностью воздействовать на окружающую сре-
ду. В этом случае никакого взаимодействия ударных волн не
происходит: каждый взрыв можно рассматривать как одиноч-
ный. Однако действие взрыва каждого последующего заряда
ослабляется наличием дополнительной открытой свободной по-
верхности, образовавшейся при взрыве предшествующего заря-
да. В результате этого создаются благоприятные условия для
большого отрыва горной массы от массива. При этом участки по-
роды, наиболее отдаленные от места взрыва, подвергаются мень-
шему воздействию сил, и порода измельчается меньше, чем при
мгновенном взрывании.
Благодаря непрерывному совершенствованию технологии
взрывных работ в последние годы создан новый способ коротко-
замедленного (миллисекундного) взрывания (КЗВ), в котором
объединены преимущества мгновенного и замедленного взрыва-
ния. При этом способе заряды взрываются последовательно че-
рез малые промежутки времени (миллисекундные интервалы за-
медления), благодаря чему внутри массива создаются дополни-
тельные плоскости разрушения, обусловливающие высокую
степень дробления пород и лучшие показатели взрыва. Интер-
валы замедлений для определенных условий выбирают с таким
расчетом, чтобы очередные взрывы происходили в начале раз-
вития трещин в момент возникновения максимальных напряже-
ний в массиве.
231
Схему короткозамедленного взрывания можно представить 1
в виде последовательных периодов:
I период — образование зон разрушения и колебаний при мгно-
венном взрыве первого заряда;
// период — образование зоны напряжения в радиусе действия
первого заряда и зон деформаций вокруг второго
заряда;
/// период — образование трещин вокруг первого заряда, созда-
ние зоны напряжения в сфере действия второго за-
ряда и образование зон деформаций в сфере влия-
ния взрыва третьего заряда;
IV период — движение части массива от действия взрыва перво-
го заряда, образование трещин вокруг второго за-
ряда, создание зоны напряжения в сфере действия
третьего заряда и появление зоны деформации от
взрыва четвертого заряда.
В отличие от обычных замедленных взрывов (с интервалами
0,5; 1; 1,5; 2 сек и т. д.) при этом способе большая часть энергии
взрыва расходуется на дробление и отрыв породы, так как каж-
дый последующий взрыв заряда происходит в массиве, находя-
щемся в напряженном состоянии от предыдущего взрыва. При
короткозамедленном взрывании эффективное разрушение среды
обеспечивается взаимодействием зарядов внутри массива.
Одновременно с совершенствованием способа короткозамед-
ленного взрывания создавались приборы-переключатели для ре-
гулирования посылки импульсов тока в электродетонаторы мгно-
венного действия с заданными интервалами замедления, различ-
ные электрические схемы и детонационные реле и специальные
электродетонаторы с пиротехническими замедлителями. В СССР
выпускаются электродетонаторы короткозамедленного действия
с нихромовыми мостиками с замедлениями 0; 25; 50; 75; 100;
150; 250 мсек.
По известной теории действия взрыва заряда в среде при лю-
бом способе взрывания массив разрушается, во-первых, вслед-
ствие динамического удара от детонации заряда и, во-вторых,
в результате действия статического давления взрывных газов,
которые распространяются по трещинам и щелям, образовав-
шимся в породе под действием динамического удара, и вызыва-
ют дальнейшее дробление крупных кусков.
При одновременном (мгновенном) взрыве серии зарядов или
при последовательном взрыве ряда зарядов со значительными
(секундными) интервалами замедления между отдельными взры-
вами порода подвергается воздействию взрыва только один раз.
При взрывах с минимальными интервалами замедления между
взрывами каждый участок массива подвергается действию
взрывных волн, по крайней мере, дважды или несколько раз.
Дополнительное дробление при взрывах с миллисекундными
интервалами замедления между отдельными взрывами обуслов-
232
лено также столкновением кусков отбитой породы, так как по-
рода, отбиваемая при первом взрыве, только начинает свое дви-
жение, когда взрываются смежные заряды. При этом способе
породу можно направить в любом направлении. Если взрыв на-
чинать со среднего заряда, двигаясь к обоим концам ряда, по-
рода будет отбрасываться от концов к середине. Если необхо-
димо породу отбросить к одному из концов ряда, взрывы следует
производить именно с этого конца. При мгновенном взрыве се-
рии зарядов такое направленное отбрасывание породы невоз-
можно, так как вся масса будет двигаться под прямым углом
к груди забоя.
Существует несколько гипотез объяснения природы коротко-
замедленного взрывания. Согласно одной из гипотез, эффект ко-
роткозамедленного взрывания обусловлен тем, что заряды рабо-
тают при наличии дополнительно образовавшихся свободных
поверхностей от взрывов предыдущих зарядов, а также столкно-
вением кусков в процессе развития взрыва. Согласно другой ги-
потезе, участок породы в сфере действия первого взрыва не ус-
певает сдвинуться с места до момента взрыва соседнего заряда.
С нашей точки зрения, эффект короткозамедленного взрыва-
ния обусловливается взаимодействием ударных волн, вызываю-
щих дополнительное вибрационное разрушение. При взрыве за-
ряда ВВ в шпуре или скважине давление газов возрастает
настолько быстро, что происходит динамический удар, в резуль-
тате чего возникают упругие колебания частиц породы. Упругие
колебания в горных породах распространяются со скоростью
3000—5000 м/сек, причем частота их сравнительно невелика
(5—25 периодов в 1 сек). Приняв в среднем частоту колебаний
10 периодов в 1 сек, получим длину волны около 300—500 м, сле-
довательно, соседние шпуры при взрыве зарядов ВВ должны на-
ходиться в одной фазе.
Рассмотрим влияние взрывов этих зарядов на породу при
взрывании с интервалом замедления в тысячные доли секунды.
Предположим, что на каком-то расстоянии от свободной по-
верхности (рис. 98) размещены в одной плоскости два заряда
Qi и <?2- Выберем в пределах действия взрывов этих зарядов точ-
ку А. При взрыве одного из зарядов Qi в результате динамиче-
ского удара частицы породы, находящиеся на границе действия
двух зарядов А, начнут смещаться в сторону действия ударного
импульса заряда Qi и порода станет сжиматься. Через четверть
периода Т/4 амплитуда сжатия будет максимальной и частицы
начнут смещаться в обратную сторону (в исходное положение).
Через Т/2 частицы будут продолжать смещаться и через 3/4 Т
достигнут наибольшего смещения в противоположную сторону.
Если в этот промежуток времени к частицам приложить допол-
нительную силу, действующую в направлении этого смещения, то
суммарное смещение может превысить предел упругих колеба-
ний и порода начнет разрушаться. В данном случае такой силой
233
может быть действие взрыва соседнего заряда, импульс которо-
го будет совпадать с направлением действия сил упругости ча-
стиц среды через Т/4, когда начнется обратное смещение частиц.
Сложив векторы AAqi и AAq2 (см. рис. 98), получим резуль-
Рис. 98. Схема последовательного
взрывания зарядов в неограничен-
ной среде
тирующее движение точки А.
Следовательно, эффект дробле-
ния будет достигнут при относи-
тельном времени замедления
взрыва заряда Q2, равном Т/2,
т. е. взрыв заряда Q2 должен
Рис. 99. Распределение времени с различ-
ными периодами замедления
произойти в тот период, когда еще не нарушилось колебатель-
ное движение породы.
Распределение времени с различными периодами замедления
с точки зрения волновой теории (по данным исследователей
ЧССР) представлено на рис. 99. При времени замедления Т/8
взрыв будет мало отличаться от взрыва серии зарядов мгновен-
ного действия. Взрыв следующего заряда должен произойти
в промежуток времени от Т/4 до 3/4Т.
Таким образом, установлено, что эти две гипотезы противо-
речивы. Н. Л. Росинский на основании проведенных исследова-
ний времени сдвига пород считает, что продолжительность упру-
гих колебаний в массиве после взрыва весьма незначительная
(в среднем 4—6 мсек), поэтому взаимодействие взрываемых за-
рядов может быть только при замедлениях 5 мсек. Следователь-
но, при замедлениях 25 мсек и более никакого взаимодействия
взрывов быть не может, но в действительности отмечаются хоро-
шие показатели взрыва даже при больших замедлениях. Таким
образом, заключение Н. Л. Росинского следует считать весьма
спорным.
Согласно третьей (зарубежной) гипотезе, отбиваемая часть
уступа рассматривается как балка, закрепленная на двух опорах
(рис. 100, а) и подверженная при одновременном (мгновенном)
234
взрывании зарядов растягивающим усилиям, в результате чего
порода раскалывается на большие куски.
При последовательном короткозамедленном взрывании за-
рядов (рис. 100, б) балка оказывается закрепленной только на
одной опоре и в нижней части подвергается сжимающим усили-
ям, вызывающим значительное дробление породы. Гипотеза сги-
бающейся балки не раскры-
вает сущности короткоза-
медленного взрывания за-
рядов. Некоторые исследо-
ватели в последнее время
стали считать, что в резуль-
тате детонации заряда в по-
роде вокруг заряда распро-
страняется волна давления
(или волна сжатия). В мес-
тах соприкосновения ВВ с
окружающей средой разви-
вается наиболее высокое
давление, чем и обусловле-
но чрезмерное дробление
породы.
При перемещении взры-
вной волны в глубь мас-
сива разрушительное дей-
ствие взрыва уменьшается
и постепенно прекращается.
Если заряд взрывают вбли-
зи свободной поверхности,
то волна давления, достиг-
нув этой поверхности, отра-
жается от плоскости сопри-
косновения массива с воз-
душной средой и превраща-
ется в волну растяжения.
В твердых горных породах сопротивление растяжению гораз-
до меньше сопротивления сжатию и отраженная от свободной
поверхности волна вызывает разрушение массива. Последующее
разрушение массива происходит под действием прорыва продук-
тов взрыва по линии наименьшего сопротивления (рис. 101).
Скорость отрыва кусков породы уменьшается по мере удаления
от свободной поверхности к центру расположения заряда.
Авторы этой теории утверждают, что сущность работы рас-
ширяющихся газов заключается в перемещении, согласно зако-
нам внутренней баллистики, горной массы, уже разрушенной
ударной волной, и считают, что прочность горных пород при
сжатии непостоянна и является линейной функцией бокового
распора:
235
Sc = a + bp,
где Sc — предел прочности породы при сжатии;
р— боковой распор;
а и b— коэффициенты, постоянные для определенного типа пот
роды.
Поскольку ударно-волновая теория устанавливает зависи-
мость
N =
St
(где N — число отслоений, образованных в породе ударной вол-
ной; ра — максимальное давление ударной волны (pa^S(); St —
Рис. 101. Разрушение породы взры-
вом под действием сил сжатия н рас-
тяжении
предел прочности породы при растяжении на границе зоны раз-
давливания), то, как следствие, чем больше боковой распор, тем
больше число отслоений, тем лучше дробление. Под действием
расширения газов, продолжающегося в течение 10—100 мсек,
создается дополнительный боковой распор, обеспечивающий
лучшее дробление породы. Авторами этой теории исключается
интерференция ударных волн.
Учитывая, что рассмотренные гипотезы не объясняют всех
явлений, происходящих при короткозамедленном взрывании, они
не могут быть приняты за основу экспериментальных работ.
2. СРЕДСТВА МИЛЛИСЕКУНДНОГО ЗАМЕДЛЕНИЯ
Основными средствами миллисекундного замедления являются
электродетонаторы короткозамедленного действия с пиротехни-
ческими замедлителями и детонационные пиротехнические реле
короткозамедленного действия.
Электродетоиаторы короткозамедпеиного действия
В электродетонаторах короткозамедленного действия (рис. 102)
между электровоспламенителем и чашечкой, прикрывающей
инициирующее ВВ, размещен пиротехнический состав — замед-
литель, запрессованный в толстостенную трубку [27].
236
Для получения коротких замедлений за рубежом используют
«безгазовые» составы типа термитов. В качестве окислителя
применяют главным образом окись свинца или сурик, а в ка-
честве горючего компонента — какой-либо металл или кремний,
известный под названием «силикон». Первичный инициатор из-
готовлен из смеси ТНРС, азида свинца и алюминиевого порош-
ка со связующей добавкой, в качестве вторичного ВВ использу-
ется тетрил или ТЭН. Дульце электродетонатора закрывается
пробкой из неопрена (синтетического каучука), тщательно об-
жатой специальным приспособлением.
Принцип действия всех электродетонаторов с миллисекунд-
ными замедлениями следующий. Электрический ток, проходя че-
Рис. 102. Разрез детонаторов
а—детонатор короткозамедлеииого действия; б — де-
тонатор мгновенного действия; 1 — показатель степе-
ни замедления; 2 — соединительные провода; 3—не-
опреновая пробка; 4 —медная трубочка; 5 — воздуш-
ное пространство; 6 — воспламеняющая головка;
7 — замедляющий состав; 8 — латунная трубочка;
9— первичный инициатор; 10 — основной инициатор
(тетрил)
рез проводники электродетонатора, нагревает мостик накалива-
ния, который поджигает смесь воспламенительной головки.
Смесь воспламеняет состав замедляющего элемента, который
сгорает в течение тысячной доли секунды; после этого вызывает-
ся детонация первичного и вторичного зарядов инициатора дон-
ной части электродетонатора. Интервал времени регулируется
подбором различных составов горючей смеси, длины и степени за-
прессовки воспламенительного передаточного элемента.
Электродетонатор фирмы «Нобель» (Англия) (рис. 103) пред-
ставляет собой соединенный с электрсвоспламенителем капсюль-
детонатор в удлиненной медной гильзе с замедляющим элемен-
том без чашечки. В качестве первичного ВВ капсюля-детонатора
используют инициирующую смесь, состоящую из ТНРС, азида
свинца и алюминиевого порошка, а в качестве вторичного ВВ—
ТЭН. Замедляющий элемент представляет собой латунную втул-
ку (внутренний диаметр 3,5 мм), в которую запрессован замед-
ляющий состав. Электровоспламенитель имеет конструкцию
шпального типа. Состав электровоспламенителя — двухслойный.
Резиновая пробка с отверстием надевается на выводные медные
в полихлорвиниловой изоляции проводники электровоспламе-
нителя.
Указанные электродетонаторы имеют следующие недостатки:
а) малая инициирующая способность по сравнению с оте-
237
чественными электродетонаторами № 8 (полностью не пробива-
ют свинцовые пластинки толщиной 5 мм);
б) возможность отказов при групповых взрывах, так как
минимальный импульс плавления мостика накаливания электро-
детонаторов несколько меньше максимального импульса воспла-
менения;
Рис. 103. Электродетонатор короткозамедленного действия
фирмы «Нобель» (Англия)
1 — электровоспламеиитель; 2 — гильза; 3 — втулка;' 4 — замедляющий
состав; 5 — инициатор; 6—вторичное ВВ
в) резкое отклонение времени замедления от номинала, а так-
же перекрытие времени замедления.между соседними сериями
(2-5%).
Электродетонатор фирмы «Шафлер и К0» (Австрия) (рис. 104)
представляет собой капсюль-детонатор в алюминиевой удлинен-
1 2 3 И 5 5 7
Рис. 104. Электродетонатор короткозамедленного действия фир-
мы «Шафлер и К°» (Австрия)
1 — электровоспламенитель; 2— гильза; 3— втулка; 4 — замедляющий
состав; 5 —чашечка; 6 — инициатор; 7 — вторичное ВВ
ной гильзе с замедляющим элементом в виде стальной втулки
(внутренний диаметр 3,5 мм), в которую запрессован замедляю-
щий состав. Электровоспламенитель — с жестким креплением
мостика накаливания. Состав электровоспламенителя — двух-
слойный. Пластикатовая пробка с двумя отверстиями надевается
на выводные железные (луженые) в полихлорвиниловой изоля-
ции проводники электровоспламенителя.
Электродетонаторы имеют следующие недостатки:
а) меньшая инициирующая способность по сравнению с оте-
чественными электродетонаторами № 8 (не пробивают свинцо-
вые пластинки толщиной 5 мм, однако заряд бризантного ВВ
при этом инициирует полностью);
б) резкое отклонение времени замедления от номинала, а так-
238
же перекрытие времени замедления между соседними сериями
(3—23% при проверке на осциллографе и 4,5—24% при провер-
ке на миллисекундомере ЭМС-54);
в) возможность отказов вследствие затухания горения за-
медляющего состава электродетонаторов.
Электродетонаторы можно применять только в шахтах, не
опасных по газу или пыли, и при открытых работах.
Рис. 105. Электродетонатор короткозамедленного действия марки
ДЕМ (Чехословакия)
/ — гильза; 2 — втулка; 3 — первичное ВВ; 4—вторичное ВВ; 5—неопрено-
вая пробка; б — головка электровоспламеиителя; 7 — проводник
Электродетонатор марки ДЕМ (ЧССР) (рис. 105).
Электродетонатор ДЕМ имеет 12 ступеней замедления.
Техническая характеристика
электродетонаторов ДЕМ
Диаметр гильзы в мм..................... 7,05
Толщина стенки гнльзы в мм.............. 0,3
Длина проводников в м.................... 1,5—4
Тип провода...............................железная жила
с белой изоляцией
Диаметр провода в мм......................... 0,6
Сопротивление электродетонатора в ом . . 1—3
Максимальная сила безопасного тока в а . 0,18
Длина мостика накаливания в мм . . . . 1,2
Удельное сопротивление мостика в ом/м . . 1450—1700
Импульс воспламенения электродетонатора
в мвт-сек/ом........................... 0,5—3
Электродетонаторы ДЕМ классифицируются по группам
и выпускаются сериями по 1000 комплектов (по 12 000 шт.).
В газовых шахтах применяют электродетонаторы с интервалом
замедления между отдельными ступенями 20—30 мсек, а в не-
газовых шахтах и на открытых работах — с интервалом 20—
35 мсек.
В Канаде выпускаются электродетонаторы короткозамедлен-
ного действия с 21 и 31 ступенями замедления (рис. 106).
В отличие от электродетонатора мгновенного действия
(см. рис. 106, а), в котором мостик накаливания размещен не-
посредственно в первичном инициаторе, мостик накаливания
239
в электродетонаторе короткозамедленного действия покрыт вос-
пламенительным составом. Образованная воспламенительная
головка находится между пробочкой из серы и замедляющим
составом. Электродетонаторы короткозамедленного действия вы-
а)
Рис. 106. Электродетонаторы (Канада)
а — мгновенного действия; б — короткозамедленного действия; 1 — мостнк нака-
ливания; 2 ~ воспламенительный состав; 3 — прессованные заряды (первичный
и вторичный инициаторы); 4 — пробочка из серы; 5 — водонепроницаемый за-
полнитель; 6 — пластикатовая пробочка; 7 —концевые провода; 8 — замедляю-
щий состав; 9 — воспламенительная головка
пускаются с медными и стальными концевыми проводниками
различного омического сопротивления и снабжены шунтирую-
щим устройством против блуждающих токов. В этих электроде-
тонаторах отсутствует вентилируемое отверстие. Минимальная
сила тока 1,5 а.
Электродетонаторы короткозамедленного действия ЭД-КЗ
отечественного производства. В СССР выпускаются электроде-
тонаторы ЭД-КЗ двух типов: с азидом свинца и гремучей
ртутью.
Техническая характеристика
электродетонаторов
Электрическое сопротивление в ом.................2—4,2
Водостойкость в ч на глубине 1 м.............. 3
Термостойкость в град............................. ±65
Импульс воспламенения в а2-мсек............... 0,6—3
Сила постоянного тока в а для безотказного взры-
вания группы последовательно соединенных
Электродетонаторов (20 шт.)..................... 1
Безотказность взрывания электродетонаторов от
машинкн ВМК-3/50 в шт.......................... 50
Времи срабатывания электродетонаторов в мсек . 25,^50^75,
240
Электродетонатор короткозамедленного действия с азидом
свинца (рис. 107) состоит из гильзы с запрессованной навеской
и подсыпкой ТЭН, замедлителя капсюля-детонатора и электро-
воспламенителя. Электровоспламенитель вмонтирован в гильзу
1 2 3456
Рис. 107. Отечественный электродетонатор коротко-
замедленного действия ЭД-КЗ (азидосвинцовый)
1 — электровоспламенитель; 2 — гильза; 3 — замедляющий
состав; 4 —колпачок; 5—азид свинца декстриновый; 6— вто-
ричное ВВ
с замедлителем путем обжимки дульца гильзы по пластикато-
вой пробке электровоспламенителя. Крепление мостика накали-
вания эластичное (провисающий мостик). Электровоспламени-
тель состоит из двух проводников в полихлорвиниловой изоля-
ции. На скрученную часть проводников в горячем состоянии
запрессована пробка из полихлорвинилового пластиката, пред-
назначенная для крепления электровоспламенителя в гильзе.
К концам проводников, выходящих из пластикатовой пробки,
припаян мостик накаливания из нихромовой проволоки диамет-
ром 30 мк с сопротивлением 1350—1450 ом!м. Электрическое
сопротивление мостика накаливания 2—4,2 ом. На мостик нака-
ливания наносят «малогазовый» воспламенительный состав на
2%-ном нитролаке, состоящий из 50 вес. ч. бертолетовой соли,
50 вес. ч. роданистого свинца и 1 вес. ч. свинцового сурика. Пос-
ле этого наносят «безгазовый» зажигательный состав на 3°/о-ном
нитролаке, состоящий из 90 вес. ч. свинцового сурика и 10 вес. ч.
силикокальция. Электровоспламенители покрывают нитролаком.
Для приготовления воспламенительного и зажигательного со-
ставов все компоненты тщательно размельчают и просеивают че-
рез сита № 005—0063 (ГОСТ 6613—53). Снаряжение замедли-
теля капсюля-детонатора производят следующим образом. В лу-
женый медный колпачок высотой 15 мм с запальным отверстием
диаметром 4 мм вставляют кружок шелковой сетки № 15—38
и запрессовывают под давлением 1000 (±50) кгс/см2. В медную
гильзу под давлением 800 (±50) кгс!см2 запрессовывают
0,5—0,6 г ТЭНа или другого бризантного ВВ. Сверху подсыпают
навеску бризантного ВВ, для того чтобы замедлитель полностью
был утоплен в гильзе. Замедлитель капсюля-детонатора досыла-
ется в гильзу с зарядом ВВ под давлением 500 (±50) кгс/см2.
Рецептуры замедляющих составов и параметры капсюлей-де-
тонаторов приведены в табл. 18.
16—50 241
Таблица 18
Время замедления в мсек Рецептура замедляющего состава в вес. ч. Навеска в г Размер камеры в мм Длина гильзы капсюля-де- тонатора в мм
25 85 свинцового сурика+ + 15 силикокальция 0,4—0,6 15 60
50 65 свинцового сурика+ + 15 ферросилиция С 75 0,5—0,7 15 60
75 То же 0,6—0,8 20 70
100 85 свинцового сурика+ + 15 ферросилиция С 45 0,4—0,6 15 60
150 То же 0,6—0,8 20 70
250 » 0,8—1,0 25 75
Электродетонатор короткозамедленного действия с гремучей
ртутью отличается только типом и рецептурой инициирующего
состава ВВ.
В последнее время начали применять электродетонаторы ко-
роткозамедленного действия ЭД-КЗ-59 с замедлением 20, 40, 60,
80, 100 мсек и ЭД-КЗ-35 с замедлением 35, 70, ПО мсек, а также
электродетонаторы с нулевыми замедлениями (мгновенного дей-
ствия), снаряженные нихромовым мостиком накаливания:
ЭД-8-56 (водостойкий), ЭД-БМ.-57 (неводостойкий), ЭД-8П-59
(предохранительный) и ЭД-БВ-60 (бронированный).
В электродетонаторах ЭД-КЗ-59 применены колпачок из ме-
талла большей толщины по сравнению с ЭД-КЗ и замедляю-
щий состав другой рецептуры (смесь свинцового сурика с кри-
сталлическим кремнием). Время срабатывания ±7 мсек.
К электродетонаторам ЭД-КЗ с замедлением 25, 50, 75, 100,
150 и 250 мсек для комбинированного взрывания зарядов вы-
пускаются электродетонаторы с замедлениями 0,5; 0,75; 1; 1,5;
2; 4; 6; 8; 10 сек, которые в комплекте имеют 15 замедлений.
Электродетонаторы короткозамедленного действия всех ти-
пов взрывают от электросети или взрывных машинок для мгно-
венного взрывания, руководствуясь «Едиными правилами безо-
пасности при взрывных работах».
При заряжании необходимо особенно тщательно проверять
расположение патрона-боевика в точно предназначенном для
него шпуре или скважине, согласно схеме короткозамедленного
взрывания. Боевик желательно размещать подальше от шпура
для предотвращения скалывания или повреждения заряда при
предыдущих взрывах с большими интервалами замедлений.
При горнопроходческих работах в шахтах комплект шнуро-
вых зарядов взрывают в такой последовательности, чтобы
взрыв предыдущего заряда обусловливал эффект последующе-
го. Для уменьшения вероятности подрыва и скалывания заряда
242
в отбойных шпурах, где замедления достигают 500 мсек и более,
боевики располагают первыми от дна шпура. Во врубовых и
оконтуривающих шпурах вероятность скалывания и подрыва
соседних зарядов минимальна благодаря быстрому срабатыва-
нию этих электродетонаторов.
В шахтах, опасных по газу и пыли, при взрывании предох-
ранительными ВВ боевик с электродетонатором короткозамед-
ленного действия следует располагать всегда первым от устья
шпура. Для массовых взрывов скважинных или камерных за-
рядов не рекомендуется применять электродетонаторы с медной
гильзой, так как медь при длительном соприкосновении с вла-
гой сильно корродирует. В таких случаях медные гильзы покры-
вают антикоррозионным составом.
Перед проведением взрыва с миллисекундным интервалом
замедления необходимо тщательно проверить взрывную сеть: ее
общее сопротивление, число соединений. Провода детонаторов
должны быть достаточной длины (во избежание дополнитель-
ных соединений), хорошо изолированы. В цепи не должно быть
коротких замыканий и утечек тока, особенно во влажных забо-
ях, вблизи рельсов и других металлических предметов. После
взрыва необходимо выявить имеющиеся отказы в забое.
Все детонаторы соединяют в группы последовательно, не до-
пуская смешанных соединений. В общую цепь не следует вклю-
чать электродетонаторы мгновенного действия с константано-
вым мостиком накаливания с нулевыми замедлениями во избе-
жание отказов вследствие разрывов цепи при взрывании перво-
го детонатора, когда ток в цепи еще слишком мал для возбуж-
дения всех детонаторов. В отдельных случаях интервалы между
последовательными взрывами не должны превышать 100 мсек,
а между первым и последним взрыванием в группе—500 мсек.
Не разрешается располагать заряды по суженной сетке во избе-
жание рассечения зарядов.
Детонационное пиротехническое реле
короткозамедлеиного действия
Детонационное пиротехническое реле (рис. 108) используют
для короткозамедленного взрывания зарядов в шпурах или сква-
жинах, взрывная сеть которых смонтирована из детонирующего
шнура, при открытых и подземных работах, за исключением
шахт, опасных по газу и пыли.
Реле состоит из соединительной трубки, в которую с обеих
сторон вставлены нитки детонирующего шнура: одна предназ-
начена для передачи детонации от первоисточника инициирова-
ния, другая — для восприятия импульса миллисекундного за-
медления. Между отрезками ДШ находится замедляющий со-
став, после сгорания которой взрываются первичные и вторич-
ные заряды, инициируя ДШ.
16*
243
Детонационное реле включается в магистральную линию по
обычной схеме. Замедляющий узел детонационного рёле двух-
стороннего действия состоит из двух последовательно соединен-
ных детонаторов, так что ударная волна от первого детонатора
Рис. 108. Детонационное реле ICI (Англия)
1 — металлическая трубка; 2 — заряд ВВ; 3—замедляющий состав; 4—неопреновая соеди-
нительная трубка
направляется в замедляющий элемент, встроенный во второй
детонатор.
Детонационные реле имеют следующие замедления: 0,01;
0,02; 0,035 и 0,05 мсек. При необходимости можно получить и
другие замедления, комбинируя несколько последовательно сое-
диненных реле с различными замедлениями.
Детонационное реле, отличающееся более высокой стои-
мостью по сравнению с электродетонаторами короткозамедлен-
. ного действия, имеет следующие преимущества: быстрота и
простота монтажа сети при подготовке к взрыву, исключается
вероятность преждевременных взрывов от блуждающих токов,
возможность взрывания большого количества зарядов, почти
полная гарантия взрывания зарядов в заданной очередности.
Условия безотказного взрывания зарядов
с миллисекундными замедлениями
Для обеспечения безотказного взрывания зарядов необходи-
мо принимать меры по предотвращению подрыва одних зарядов
другими. Прежде всего требуется тщательно следить за сохран-
ностью электровзрывной сети. В течение всего периода подачи
импульсов тока к серии подключенных электродетонаторов
мгновенного действия, которые должны взрываться за один при-
ем с заданными интервалами замедления, общее время для
взрывания электродетонаторов должно быть больше суммы
всех интервалов между взрывами групп.
Например, группа электродетонаторов имеет суммарное за-
медление (зам- Импульсный же прибор в состоянии послать ток
в цепь через время Т, тогда с момента включения источника то-
ка первый взрыв произойдет через время t, второй — через вре-
мя <4-Т, третий — через /+2Т и т. д.
Таким образом, для последовательного взрывания группы
244
электродетонаторов с заданным интервалом замедления необ-
ходимо соблюдать условие:
*™>(п-\)Т, (XII. 1)
где п — число ступеней для взрывания серии зарядов.
Допустим, требуется взорвать 100 зарядов из 10 групп с ин-
тервалом замедления между ними Т=50 мсек. Тогда по форму-
ле (XII.1) во все группы импульсы тока будут посланы в тече-
ние 0,45 сек. Следовательно, для взрывания 10 групп зарядов в
каждой серии необходимо подобрать такой импульс замедле-
ния, чтобы гарантировалась сохранность электровзрывной сети
до начала взрыва в первой группе зарядов, который должен
произойти не ранее чем через 0,45 сек с момента подачи тока в
цепь. Кроме того, следует учитывать и время разброса самого
электродетонатора, равное 5—10 мсек (например, для электро-
детонаторов ЭД-8-56).
Следовательно, взрыв первой группы электродетонаторов
(при интервале замедления 50 мсек) произойдет ранее чем че-
рез 0,46—0,48 сек, что позволит до разрыва цепи воспламенить
электродетонаторы и в остальных группах.
В прилагаемых к электродетонаторам короткозамедленного
действия ЭД-КЗ и мгновенного действия ЭД-8-56 инструкциях
указано, что их можно взрывать только от источников постоян-
ного тока или от конденсаторных взрывных машинок ВМК-3/50,
которые могут взрывать до 50 электродетонаторов в последова-
тельно соединенных цепях. На практике установлена возмож-
ность безотказного взрывания электродетонаторов с нихромо-
вым мостиком накаливания переменным током при f=50 гц от
осветительно-силовых линий или передвижных электростанций.
Минимальная сила тока должна быть 2,5 а, т. е. в 2,5 раза боль-
ше по сравнению с постоянным током от динамоэлектрических
взрывных машинок.
Применение переменного тока для взрывания электродето-
наторов ЭД-КЗ при различных схемах соединения имеет боль-
шое значение, и величина его определяется в каждом конкрет-
ном случае.
Амплитудная величина переменного тока в течение одного
периода Т (см. рис. 99), как известно, изменяется дважды: от
нуля до максимума, затем через максимум снова до нуля. Для
всего периода Т требуется 20 мсек при (=50 гц.
В любой момент времени t величину переменного тока мож-
но определить по зависимости
i =/макс sin со/, (XII.2)
где со— угловая скорость;
/макс — максимальная сила тока.
При расчете сетей переменного тока при параллельно соеди-
ненных электродетонаторах эффективную величину тока — сред-
неквадратичную можно определять по формуле
245
^эфф
(ХП.З)
где i — мгновенная величина тока.
Если подключить электродетонаторы к сети переменного то-
ка на отрезок времени, меньший Т/2, то среднеквадратичная ве-
личина тока изменяется в значительных пределах и зависит от
времени, в течение которого подается ток.
Допустим, при подаче тока в цепь электродетонаторов в те-
чение времени / = 7710 = 20/10 = 2 мсек, соответствующего первой
фазе, среднеквадратичная величина переменного тока составит:
^эфф(1)
(XII.4)
Среднеквадратичная величина тока за тот же отрезок времени,
но в фазе от г/5Т до 3/юТ составит:
5
макс
0,91/макс. (XII.5)
9 И
Наконец, в фазе от— Т до — Т величина переменного тока
будет равна:
= 0,2/макс. (XII.6)
Следовательно, третья фаза от S/WT до nlzoT является наименее
благоприятной для включения тока в цепь электродетонаторов.
В этот период величина /Эфф может оказаться недостаточной
для взрыва электродетонаторов, соединенных параллельно, в ре-
зультате чего могут быть отказы. Во избежание этого ток, посту-
пающий в электродетонатор или в группу параллельно соединен-
ие
ных электродетонаторов, должен иметь минимальную величину
для безотказного взрывания.
При минимальном времени прохождения тока по проводни-
кам до разрыва цепи 2 мсек и величине безотказного тока 1 а
эффективная величина тока по показаниям амперметра будет
равна /Эфф = 3,5 а, а импульс воспламенения 2 а2 мсек.
Для взрывания электродетонаторов, соединенных последова-
тельно, величину безотказного переменного тока рекомендуется
определять по формуле ______________________
/пар = 1 Г------, (XII. 7)
1/ 0Мин — — Sin ((00)
где К2 и КА—максимальный и минимальный импульсы вос-
пламенения в а2-мсек. По техническим условиям
в партии электродетонаторов Кг—= l а2-мсек-,
9 — минимальное время передачи (горения) воспла-
менительного состава не менее 1—3 мсек\
®—угловая частота переменного тока. Для промыш-
ленного тока 50 гц ы = 0,314.
Для постоянного тока выражение — sin(<o0) исключается и фор-
се
мула упрощается.
Госгортехнадзором установлена следующая величина гаран-
тийного безотказного тока: при постоянном токе—1 а, при пе-
ременном— 3,5 а. Величина гарантийного расчетного тока для
каждого электродетонатора (ЭД-8-56 совместно с ЭД-КЗ) при-
нимается равной: при постоянном токе — 0,65 а и перемен-
ном — 1 а.
3. СХЕМЫ РАСПОЛОЖЕНИЯ И РАСЧЕТ ЗАРЯДОВ
ПРИ МИЛЛИСЕКУНДНОМ ВЗРЫВАНИИ
Миллисекундное взрывание колонковых зарядов
При короткозамедленном взрывании удлиненных колонковых
зарядов применяется несколько схем для создания миллисекунд-
ных интервалов замедления при однорядном, двухрядном и мно-
горядном расположении скважин.
При однорядном расположении удлиненных колонковых за-
рядов порядок взрывания может быть следующий:
а) последовательное взрывание скважин по одной, начиная
с угла уступа;
б) взрывание скважин через одну, когда мгновенно взрыва-
ют скважины, имеющие четный номер, а с коротким замедле-
нием— скважины, имеющие нечетный номер (или наоборот);
в) взрывание скважин в двух направлениях от центра к кра-
ям блока; сначала взрывают в центре блока две скважины, а за-
247
тем с короткими замедлениями взрывают соседние скважины
по направлению к краям блока, потом следующие соседние сква-
жины и т. д.
При ограниченном количестве ступеней замедлений электро-
детонаторов ЭД-КЗ рекомендуется комбинированное взрывание.
С увеличением количества ступеней замедления усиливает-
ся действие взрыва на массив и дробление породы получается
более равномерным (рис. 109). Для трещиноватых пород интер-
вал замедления должен быть несколько больше, чем для мас-
Рис. 109. Схема многорядного миллисекундного взрывания скважин
/ — свободная поверхность; //—скважина; III— порода, не подлежащая дейст-
вию взрыва; IV — площадь, не разрушаемая непосредственным действием взрыва
(стрелками показано направление разрушения); /—^ — очередность взрывания
сивных, поэтому наряду с 25-миллисекундным взрыванием сле-
дует применять электродетонаторы с интервалом замедления
50 мсек.
На практике установлено, что при двухрядном и многоряд-
ном расположении скважин взрывы производятся по более су-
женной сетке, чем при однорядном. При этом не обеспечивается
увеличение выхода горной массы с 1 пог. м скважины и сниже-
ние удельного расхода. ВВ. Миллисекундное двухрядное и трех-
рядное взрывание целесообразно применять в определенных ус-
ловиях при отработке берм, узком фронте работ и т. д.
При многорядном расположении большого количества сква-
жин и при ограниченном количестве ступеней замедлений элек-
тродетонаторов короткозамедленного действия применяются
схемы замедления между рядами скважин, которые мало отли-
чаются от мгновенной схемы взрывания обычным способом. При
этом не требуется дополнительный расход детонирующего шну-
ра. При многоступенчатой схеме замедления между скважина-
ми в рядах при однорядном и многорядном их расположении
требуется почти двойной расход электродетонаторов и детониру-
248
ющего шнура. При небольшом расстоянии между рядами сква-
жин при данных схемах иногда получаются отказы вследствие
нарушения магистралей детонирующего шнура предыдущими
взрывами.
После выбора рациональной схемы размещения зарядов
и электродетонаторов короткозамедленного действия приступа-
ют к подготовке забоя для взрывания скважин.
Для взрывания сплошных колонковых зарядов в основном
применяют комбинированные методы: с помощью детонирующе-
Рис. НО. Схема взрывания
разрезной траншеи с врубо-
выми рядами скважин
I — врубовые скважины; 2—пи-
ротехнические реле; 3—детони-
рующий шнур
го шнура и электровзрывной, сети или только от электровзрыв-
ной сети с подключенными к боевику двумя параллельно соеди-
ненными электродетонаторами короткозамедленного действия.
При порядном короткозамедленном взрывании скважины перво-
го ряда взрываются от электродетонатора мгновенного действия
(ЭД-8-56), а все последующие ряды взрываются с необходимым
интервалом замедления от электродетонатора короткозамедлен-
ного действия (ЭД-КЗ).
При большом объеме массовых взрывов (100 и более сква-
жин), когда нет боковых обнаженных поверхностей, рекоменду-
ется массовое многорядное короткозамедленное взрывание сква-
жин с применением вертикальных врубов, т. е. по так называе-
мой врубово-волновой схеме.
Указанная схема была применена на строительстве карьера
в Криворожском бассейне (горно-обогатительные комбинаты
ЮГОК-2 и ЦГОК). Согласно этой схеме, каждый четвертый или
пятый ряд скважин в зависимости от количества ступеней мил-
лисекундного замедления является врубовым и взрывается пер-
вым (мгновенно), создавая врубовую щель (рис. ПО). Затем
взрываются с миллисекундным замедлением скважины отдель-
ных рядов, действие взрыва которых направлено в сторону мгно-
венно взорванных скважин. Благодаря тому что каждый после-
дующий взрыв происходит в искусственно созданном зажиме,
массив разрушается более равномерно и достигается лучшее
дробление кусков породы. Кроме того, взрывные работы можно
249
производить при наличии взорванной породы в забое от преды-
дущих взрывов, неограниченном количестве рядов скважин и не-
большом количестве замедляющих средств.
Экспериментальными исследованиями установлено, что при
короткозамедленном взрывании колонковых зарядов, когда со-
Рис. 111. Схема расположения
скважинного заряда
противление по подошве превы-
шает оптимальное, для преодо-
ления этого сопротивления тре-
буется большая величина заря-
да, чем при мгновенном способе
взрывания.
Величину удлиненного колон-
кового заряда ры-хления при вер-
тикальном расположении сква-
жин в уступе можно определить
по формуле (рис. 111)
Q = qaWH, (ХП.8)
где q— удельный расход ВВ
в ке/ж3;
а—расстояние между сква-
жинами в ряду в м\
W — сопротивление по по-
дошве уступа в м\
Н — высота уступа в м.
Если угол откоса уступа мень-
ше 90°, формула (XII.8) принимает вид:
Q = qa (Н ctg а ф- b) Н = qa (W ф- р ctg а) Н, (XII.9)
где а—угол откоса уступа в град-,
b—расстояние от кромки уступа до скважины в м\
р — длина перебура в м. Величина pctga учитывает дей-
ствие заряда в глубь массива.
Величины q, a, W определяют опытным путем непосредст-
венно на карьерах, так как для одних и тех же условий эти •
параметры могут быть различны. При короткозамедленных
взрывах необходимо строго соблюдать правильное соотношение
величин а и W.
Сопротивление по подошве, преодолеваемое зарядом каждой
скважины, можно определить по формуле М. А. Садовского:
W = 50ATd , (XII. 10)
где d— диаметр заряда в м;
Д— плотность ВВ в заряде;
у— объемный вес заряда в кг!дм3-,
—коэффициент трещиноватости, равный 1—1,2.
Если заряд В В, необходимый для преодоления расчетного
250
сопротивления по подошве, вследствие большого угла откоса не
вмещается в скважину, требуется увеличение диаметра сква-
жины. При этом диаметр скважины определяют по формуле
d = b + Hct%JL . (ХИ. 11)
, [ &
50Дт V —
F V
Расчетную линию сопротивления по подошве для уступов
с откосом, близким к вертикальному, можно определить по фор-
муле
Q = 0,6ЯС, (XII. 12)
где С — вес ВВ в 1 пог. м скважины в кг.
Приравнивая формулы (XII.8) и (XII.12), получим:
aqWH = Q,6HC.
Заменив расстояние между зарядами а величиной т (где
а \
т — относительное расстояние между зарядами, равное — \ ,
получим:
W2Hmq = 0,6НС
или
(XII. 13)
Для трудновзрываемых и трещиноватых пород при т=1
для средневзрываемых пород при т=1,5
(XII. 14)
(XII. 15)
Расстояние между зарядами (между скважинами в ряду)
при короткозамедленном взрывании определяют по формуле
а = (1-1,5) W. (XII. 16)
Для уступов с пологими откосами (при первоначальном пе-
реходе с мгновенного взрывания на короткозамедленное) рас-
стояние между скважинами определяется по формуле
а =-----_ (XII. 17)
q (И ctg а + Ь)
Перебур скважины р определяют опытным путем непосред-
ственно на карьере. Ориентировочно эту величину можно опре-
делить по формулам:
251
для легковзрываёмых пород
ра = (0,5 - 0,2) Г; (XII. 18)
для средневзрываемых пород
рср = (0,25 -н 0,3) W- (XII. 19)
для трудновзрываемых пород
ртр = (0,3 -н 0,35) W. (XII.20)
В сильнотрещиноватых породах и в породах повышенной
крепости часто применяют котловые сосредоточенные заряды.
Величину котлового сосредоточенного заряда определяют по
формуле
QK = qW3, (ХИ.21)
а величину прострелочного заряда—-по формуле ,
QnP=^-, (ХП.22)
пПр А
где «пр — показатель простреливаемое™ породы в дм3/кг.
Миллисекундное взрывание рассредоточенных зарядов
с обратным инициированием
Выбор наиболее эффективного способа производства взрывных
работ в основном зависит от схемы отработки уступа, геологи-
ческих условий и структуры взрываемого массива. На открытых
работах широко применяются взрывы вертикальных или наклон-
ных скважинных зарядов. В последнее время ведутся экспери-
ментальные работы по взрыву уступов горизонтальными заря-
дами, расположенными параллельно дневной поверхности.
Эффект применения скважинных зарядов обусловливается
правильным их распределением в скважине. При взрыве колон-
ковых зарядов непосредственно дробящему действию подвер-
гается порода вблизи заряда, остальная часть только обрушает-
ся, вследствие чего увеличивается выход негабаритных кусков.
В связи с этим необходимо стремиться к наиболее полному рас-
средоточению заряда по всей скважине с учетом особенностей
взрываемого массива и параметров буровзрывных работ [29].
Мгновенные взрывы рассредоточенных зарядов наряду с до-
стоинствами имеют и недостатки: чрезмерное разбрасывание
породы, образование воронок в устье скважины, а также поро-
гов в подошве уступа (рис. 112), что ухудшает условия даль-
нейшей разработки.
Экспериментальными исследованиями взрывов рассредото-
ченных зарядов с миллисекундными интервалами замедления
установлено, что массив, находящийся между центрами зарядов
в скважине, подвергается дополнительному разрушающему дей-
ствию, в результате чего откольная воронка направлена не как
обычно в сторону ЛНС свободной поверхности уступа, а по диа-
252
гонали к заряду, взорванному в подошвенной части уступа
с нулевым или предшествующим замедлением. Боковые же
заряды и заряды, размещенные в верхнем ярусе, соответственно
взрываются с последующим миллисекундным интервалом замед-
ления (25, 50, 75 мсек и т. д.). При таком способе взрывания
Рис. 112. Образование порога в по-
дошве уступа и воронки выброса
в устье скважины при мгновенном
взрывании рассредоточенных заря-
дов
исключается образование воронок в верхней части уступа и,
кроме того, уменьшается разброс породы от верхней части усту-
па и сокращается ширина развала за счет подрыва нижней его
части электродетонаторами нулевого или предшествующего за-
медления. Поэтому взрыв рассредоточенных зарядов с милли-
секундными интервалами замедления, начиная с нижнего заря-
да, создает более кучный навал породы.
При взрыве сосредоточенных зарядов мелкая фракция чаще
всего располагается в верхней части откоса, а в середине или
перед откосом — крупные камни. Камни средней величины вы-
брасываются взрывом на большие расстояния.
С помощью высокоскоростных киносъемок установлено, что
верхняя бровка (при высоких уступах) в породах средней кре-
пости оседает не ранее чем через 1500 мсек. Весь процесс раз-
рушения до образования откоса развала горной массы проте-
кает за 2,5 сек.
Взрывы рассредоточенных зарядов производятся в корот-
кие, следующие один за другим промежутки времени, и порода
не успевает сразу отделиться от массива; при этом давление
газов постепенно повышается, увеличивая импульс взрыва.
Количество ярусов расположения рассредоточенных зарядов
зависит от многих факторов: диаметра скважины, высоты усту-
па, типа ВВ, геологических условий залегания породы и пр.
253
При взрывах рассредоточенных зарядов очень важно опре-
делить их величину. Все существующие формулы устанавливают
зависимость величины заряда от объема и крепости взрываемой
породы и некоторых других факторов. Если вес каждого рас-
средоточенного заряда, за-
кладываемого в скважину,
при мгновенном взрывании
определяется путем расчле-
нения основного колонково-
го заряда на отдельные ча-
сти «на глаз», то при ко-
роткозамедленном взрыва-
нии таких зарядов требу-
ется более точный расчет.
Иначе могут быть наруше-
ны условия последователь-
ности отрыва породы от
массива, что приведет к об-
разованию порогов и воро-
нок и увеличению выхода
негабарита.
Для соблюдения усло-
вий рационального распо-
ложения заряда в скважи-
не необходимо правильно
определить перебур. При
Рис. 113. Схема расположения много-
ярусного рассредоточенного заряда
короткозамедленном взрывании рассредоточенных зарядов ве-
личина перебура назначается с таким расчетом, чтобы центр
первого (нижнего) заряда располагался на уровне подошвы
уступа. В этом случае величина перебура будет равна;
<?i
2<Т
(XII.23)
где Q,—величина заряда первого яруса в кг;
а— количество ВВ в кг в 1 пог. м скважины данного диа-
метра.
При таком размещении нижнего заряда после взрыва по-
рогов не образуется.
При определении величин рассредоточенных скважинных за-
рядов уступ в зависимости от высоты разбивают на два и более
ярусов. Величина заряда каждого яруса рассчитывается по
линии наименьшего сопротивления ярусного заряда (рис. 113):
для первого яруса при h\
Q^qh\a- (ХП.24)
для второго яруса
(ХП.25)
254
где lFp— расчетная линия сопротивления в м\
q— удельный расход ВВ в кг!м\
11 — соответственно ЛНС первого и второго ярусов;
а — расстояние между скважинами в м.
Из формул (XII.24) и (XII.25) получим зависимость
Q, ft?
(XII.26)
<2ц ftn
Промежутки между отдельными частями рассредоточенных
зарядов, размеры которых зависят от свойств ВВ и породы, за-
полняют инертной забойкой или оставляют незаполненными
(воздушные промежутки). При наличии воздушных промежут-
ков резко снижается плотность заряжания. Образующиеся при
взрыве газы проникают в свободное от ВВ пространство, и по-
рода, несмотря на незначительный вес расчлененного заряда,
разрушается полностью. Более равномерное и мелкое дробление
горной породы получается в менее вязких породах. В вязких
и сильнотрещиноватых породах заряды с воздушными промежут-
ками применяют редко, так как порода при этом дробится на
крупные куски.
При применении инертной забойки между рассредоточенными
зарядами требуется обеспечивать необходимую прочность ее
в верхней части скважины для более равномерного разрушения
породы.
Короткозамедленное взрывание многоярусных рассредоточен-
ных зарядов с инертной забойкой и воздушными промежутками
производится следующим образом. В скважину закладывают
боевик и заряд первого яруса и засыпают инертной забойкой.
Для создания воздушного промежутка в этом случае на заряд
устанавливают деревянный фальшпатрон соответствующей дли-
ны. Сверху забойки или фальшпатрона размещают расчетный
заряд второго яруса и т. д. Свободную от заряда верхнюю часть
скважины во всех случаях заполняют инертным забоечным ма-
териалом с таким расчетом, чтобы 13аб йп (где ha — линия
наименьшего сопротивления последнего яруса заряда в м;
1заб — длина'забойки последнего заряда).
Схема электровзрывной сети и последовательность взрыва-
ния рассредоточенных зарядов электродетонаторами коротко-
замедленного действия с обратным инициированием показаны
на рис. 114.
В породах средней крепости рекомендуется применять одно-
рядное расположение скважин, в крепких породах — много-
рядное.
В табл. 19 приведено распределение заряда и забоечного ма-
териала при короткозамедленном взрывании (крепость пород
по шкале М. М. Протодьяконова f = 8-е-10, диаметр скважины
180—200 мм). Из таблицы видно, что заряды в скважине рас-
пределены в соответствии с ЛНС каждого ярусного заряда.
255
Таблица 19
№ скважины Высота уступа в м Расстояние между скважинами в ряду в м Расстояние от скважин до верхней бровки усту- па в м Сопротивление по по- дошве в м Количество зарядов в скважине ! Распределение заряда и забоечного материала в скважине Общий вес заряда в кг
I ярус II ярус III ярус
вес заряда i в кг 1 длина заря- да в м длина забой- ки в лс вес заряда в кг длина заря- да в лс длина забой- ки в лс вес заряда в кг длина заря- да в лс длина забой- ки в лс
1 11 3,5 3,5 2 60 2 2 40 0,3 6,7 100
2 11 3 3 5 3 80 2,6 1 40 0,7 1 25 0,3 5,4 145
3 10,5 4 3 4,5 3 65 1,8 0,7 45 0,6 0,8 20 0,2 6,4 130
4 11 4 3 4 3 60 1,3 0,7 35 0,7 0,5 20 0,5 7,3 115
5 11 4 2 3,5 3 40 1,5 0,6 30 1 0,9 20 0,5 6,5 90
6 11 4 3 6 2 90 4 1 50 1,4 4,6 — —. — 140
7 11,5 — 4 6,5 3 120 1,5 1,5 40 1 1 20 0,5 6,0 180
Общий вес всех рассредоточенных зарядов в вертикальной
скважине меньше веса сплошного удлиненного заряда на 15—
10%. Исследованиями установлено, что при взрывании рассре-
Рис. 114. Последовательность миллисекундного взрывания рассредо-
точенных зарядов с обратным инициированием
1 — скважина: 2—верхний заряд; 3—нижний заряд; 4 — фальшпатрон;.
5 — к источнику тока
доточенных зарядов с миллисекундными интервалами замедле-
ния обеспечивается равномерное дробление породы по всей вы-
соте уступа, снижение негабарита от общего объема взорван-
256
ной породы в 6—8 раз и уменьшение расхода ВВ на каждую
взрываемую скважину на 15—20%.
Кроме того, при замене инертной забойки воздушными про-
межутками сокращается ширина развала и снижается время на
зарядку скважин ВВ в 1,3—1,5 раза. В менее вязких и трещино-
ватых породах дополнительно снижается выход негабарита на
30—35% и уменьшается удельный расход ВВ до 20%.
Приведем пример расчета величины рассредоточенных за-
рядов при высоте уступа 10 и 15 м.
Пример 1. Исходные данные: высота уступа 77=10 ж; линия наимень-
шего сопротивления нижнего заряда (I яруса) fti=5,5 м; расстояние между
скважинами а=4 ж; расстояние от скважины до верхней бровки уступа Ь —
—Зм; коэффициент, зависящий от свойств взрываемой среды и ВВ, <7=0,8;
диаметр скважины d—175 ж.и; угол откоса уступа а=75°; длина пробу-
ренной скважины /скв = 12 м.
1. Определим величину заряда для первого яруса:
Q[= qh^a = 0,8-5,52-4 = 96 кг.
2. Величина перебура будет равна:
Q, 96
р = —— =-----— 2м (где о — 25 кг).
к 2а 2-25
3. Определим величину заряда для второго яруса:
Qn = <7 а = 0,8-4,52-4 = 65 кг.
4. Общий вес закладываемых в скважину зарядов составит:
Qpaccp= 96 65 = 161 кг.
В этом случае условие соблюдается, так как -|-й11=/7.
Следовательно, в данных условиях требуется двухъярусное расположение
зарядов. Промежутки между зарядами засыпают инертной забойкой (или
оставляют воздушные промежутки), учитывая, что для последнего заряда
забойка должна иметь длину не менее /заб=4,5+0,5=5 м.
При заряжании скважины </=175 мм порошкообразным аммонитом при-
нято, что в 1 пог. м скважины разместится не более 25 кг ВВ. В этом случае
будет следующее распределение заряда и забойки в скважине (с учетом пе-
ребура):
^1зар= 3>8 м'> ^Пзар = 2>5 м>
%аб = °-7 м' ;Пзаб=5л-
При заряжании обычным удлиненным колонковым зарядом общий расход
ВВ составит:
<2кол= qHWa = 0,8-10-6 • 4 = 192 кг.
Следовательно, экономия ВВ при взрывании рассредоточенных зарядов
на одну скважину составит:
Фкол — Qpaccp = 192— 161 = 31 кг 15%).
Пример 2. Исходные данные: /7=15 л; ЛНС нижнего заряда (первого
яруса) At = 6 м; расстояние между скважинами а=5 м-, расстояние от сква-
жины до верхней бровки уступа 5 = 3,5 м\ <7=0,8; диаметр скважины </=
= 200 м; угол откоса уступа а = 75°, /Скв = 17,5 м.
1. Определим величину заряда для первого яруса:
Qj = <?ft2<i = 0,8-62-5= 144 кг.
17—50
257
2. Величина перебура будет равна:
О. 144
р = —L =------= 2,5 м (а = 30 кг)
и 2а 2-30 v
3. Определим величину заряда для второго яруса:
qh = 0,8-52-5 = 100 кг.
3, Определим величину заряда для второго яруса:
Q„l = qh2w а = 0,8-42-5 = 64 кг.
5д Общий вес зарядов составит:
Срасср = <?1 + «II + <?Ш = 144 + 100 + 64 = 308 Кг-
В этом случае условие соблюдается, так как hi + ~ Н-
Следовательно, при высоте уступа 15 м требуется трехъярусное распо-
ложение зарядов в одной скважине.
Длина забойки для последнего заряда будет равна:
^Шзаб = + 1 = 4 + 1 = 5 л.
Приняв, что в 1 пог. м скважины d = 200 мм вмещается около 30 кг ам-
монита, получим следующее распределение заряда и забойки:
^1зар = 4>5 м; /11зар — 3,3 м; /Шзар = 2 м;
11заб = 1>5 м’ 1Пзаб = 1,2 л; /Шзаб = 5 М.
Для взрывания этой скважины колонковым зарядом потребовалось бы
<?кол= <7 HW а = 0,8-15-6,5-5 = 390 кг.
Следовательно, экономия ВВ при короткозамедленном взрывании рассре-
доточенных зарядов вместо колонковых в породах средней крепости состав-
ляет около 20°/о-
4. ПРИМЕНЕНИЕ МИЛЛИСЕКУНДНОГО ВЗРЫВАНИЯ ЗАРЯДОВ
НА ОТКРЫТЫХ РАЗРАБОТКАХ
Вначале короткозамедленное взрывание зарядов применялось
на открытых работах, а затем на рудниках, очистных и подго-
товительных работах. В условиях открытых разработок полез-
ных ископаемых короткозамедленное взрывание в отличие от
мгновенных или обычных замедленных взрывов обладает сле-
дующими преимуществами:
1) уменьшается разрушительное сейсмическое воздействие
на поверхностные сооружения;
2) сокращается ширина развала горной массы;
3) уменьшается выход крупных кусков взорванной породы;
4) обеспечивается направленность отрыва породы;
5) уменьшается заколообразование на верхней площадке
уступа.
В связи с этим при использовании короткозамедленного
взрывания повышается производительность погрузочных и
транспортных средств и эффективность всего комплекса буро-
взрывных работ. Как отмечалось ранее, основной недостаток
258
мгновенного взрывания детонирующим шнуром или электро-
детонаторами мгновенного действия — сравнительно большой
выход негабарита, вследствие чего снижается производитель-
ность экскаваторов и повышаются затраты времени и средств
на вторичное взрывание. Кроме того, при мгновенном взры-
вании образуются пороги в подошве уступа, которые можно лик-
видировать взрывом мелкошпуровым способом после полной
уборки габаритной руды, в связи с чем время между очередны-
ми взрывами (в тупиковых забоях) увеличивается на 1—2 дня,
т. е. на 15—30%. Часть породы иногда находится в нарушен-
ном состоянии, но вследствие недостаточного разрушительного
действия взрыва не подверглась дроблению (особенно при
многорядном расположении скважин) и отбросу в сторону сво-
бодной поверхности откоса уступа, а только несколько переме-
стилась относительно своего первоначального положения
(сдвиги).
Вследствие образования в массиве заколов обрушаются про-
буренные скважины и нередко теряются буровые снаряды. Ши-
рина развала горной массы при мгновенном взрывании превы-
шает высоту уступа в 3 раза и более.
Наилучшими условиями для получения повышенных резуль-
татов короткозамедленного взрывания являются массивные и
вязкие породы.
Приведем несколько примеров применения миллисекундного
взрывания колонковых зарядов при разработке уступов в карье-
рах различного назначения.
Вскрышные породы Коркинского карьера — в основном оса-
дочного происхождения. Отмечается крайне неравномерное за-
легание их в отношении выдержанности напластований.
Для производства взрывных работ в качестве ВВ применя-
ли: в сухих скважинах — аммонит № 6, в обводненных — ам-
мониты 6ЖВ и В-3. До внедрения короткозамедленного взры-
вания зарядов взрывы производились мгновенным способом с
помощью детонирующего шнура; взрывная сеть как в скважи-
нах, так и на поверхности дублировалась второй ниткой детони-
рующего шнура. Форма заряда колонковая и только в смешан-
ных породах иногда применялось рассредоточение зарядов. Ко-
личество скважин во взрываемом блоке колебалось от 20 до 40.
В качестве забоечного материала использовалась породная ме-
лочь.
Из табл. 20 видно, что при короткозамедленном взрывании
сетка скважин в среднем увеличивается на 20—25%, в резуль-
тате чего выход горной массы с 1 пог. м скважины увеличился
на 20% по сравнению с мгновенными взрывами.
Результаты миллисекундных взрывов в сланцах в зависимо-
сти от интервала миллисекундного замедления приведены
в табл. 21.
Как видно из таблицы, производительность 1 пог. м сква-
17*
259
Таблица 20
Мгновенное взрывание Короткозамедленное взрывание
Порода 1нне сква- I а в м :опро- ия по ie W 1ние ряда- 1ЖИН 1ние сква- ( а в м О К Ф шие ряда- 1ЖИН
рассто5 между жинам! к 5з S Ч О Stf CQ Чх si S о * чьей О >, СП G> “ (И <я <и а О.2 рассто5 между жннамс я ч а я 3 «X » s о Ч н С со 6 Н tf S! Р.2 2 »
Крепкий песчаник . . . 5 6 4 6 7 5
Слабый песчаник . . . 6 7 5 6,5 8 6
Сланцы. 7 8 5 8 8 7
Таблица 21
Замедле- ние в мсек Элементы сетки скважин в м Производи- тельность 1 пог. м сква- жины в м3 Удельный расход ВВ в кг/м3 Выход негабари- та в % Производи- тельность экскаватора в м3/ч
а W ь
0 8 7,2 7 1,5 318
25 8 6,8 7,6 54,6 0,248 1,5 363
75 8 7,5 7,4 54,6 0,225 0,5 366
100 8,8 8,4 6,2 57,9 0,205 1,2 375
150 7,8 7,9 7,1 56,8 0,205 1,5 358
жины при короткозамедленном взрывании (100—150 мсек) по
сравнению с мгновенным взрыванием увеличивается на 9,5 л3
(20%), удельный расход ВВ уменьшается на 70 г (25%), про-
изводительность экскаватора дополнительно увеличивается на
Карьеры Оленегорского месторождения представляют собой
толщу кварцитов, залегающих среди гнейсов и сланцев. Рудная
толща покрыта наносами морены толщиной в среднем 1,5—2 м,
содержащей гравий, гальку и валуны. Гнейсы обладают боль-
шой вязкостью. Карьер разрабатывался траншейным способом
при высоте уступа 10—15 м. Допускаемый максимальный раз-
мер кусков руды 1 м.
Погрузка руды и породы производилась экскаваторами СЭ-3
и ЭКГ-4 в железнодорожные думпкары грузоподъемностью 50 т.
Количество одновременно взрываемых скважин 5—45 и за-
висит от конкретных условий месторождения на каждом уступе.
В качестве ВВ применяли аммониты № 6, 6ЖВ и В-3. В обвод-
ненных скважинах использовали чешуйчатый и гранулирован-
ный тротил в смеси с аммиачной селитрой.
В качестве средств взрывания применяли детонирующий
шнур марки ДШ-А с электродетонаторами короткозамедленно-
‘260
го действия с интервалами замедления 25, 50, 75, 100 и 150 мсек.
Источник тока — конденсаторная взрывная машинка марки
КПМ-2. Провод сечением 0,4—0,5 мм с полихлорвиниловой изо-
ляцией.
Расположение скважин — однорядное и многорядное. Рас-
стояние между скважинами в ряду 10—12 м в зависимости от
высоты уступа и свойств взрываемой породы. Расстояние меж-
ду рядами скважин 6 = 0,85 а (где a — расстояние между сква-
жинами в ряду). При многорядном короткозамедленном взры-
вании скважины располагали в шахматном порядке.
При короткозамедленном взрывании котловых зарядов сред-
нечасовая производительность экскаватора увеличилась на 30 л3
по сравнению с мгновенным взрыванием.
Показатели короткозамедлениого
взрывания
Высота рудного уступа в м................... 10—12
Перебур скважин вл.......................... 2—3
Линия сопротивления по подошве в м..........9—9,5
Сопротивление по подошве в последующих рядах
вл...........................................7,5—8
Расстояние между скважинами в ряду в л:
по руде........................................ 8
» породе....................................... Ю
Расстояние между рядами скважин в л:
по руде...................................... 7,5
» породе.................................. 8
Вес заряда в скважинах в кг-.
первого ряда................................. 560—600
второго и последующих рядов................. 440—520
Удельный расход ВВ в кг!м?....................... 0,6
Выход горной массы с 1 пог. л скважины вл3.. 57
Расход ВВ на вторичное дробление в г/л3 ... 110
Выход негабарита в %......................... 5—7
На карьерах ЮГОК и НКГОК залегают весьма труднобури-
мые породы с коэффициентом крепости 12—18 (по Протодьяко-
нову). Карьер разрабатывался станками БС-1 (вес бурового
снаряда 2700—2800 кг, мощность двигателя 52—76 кет). Форма
головки долота — элипсоидальная, рабочий диаметр 260 мм,
угол приострения 120°.
Для снижения стоимости обуривания 1 м3 породы в массиве
требовалось увеличить расстояние между скважинами, что бы-
ло достигнуто при короткозамедленном взрывании.
При мгновенном взрывании детонирующим шнуром коэф-
фициент сближения скважин составлял 0,5—0,6, вследствие чего
выход горной массы с 1 пог. м скважины равнялся 35 м3, а вы-
ход негабарита составлял 10—18%. Приняв коэффициент сбли-
261
жения 0,39—0,4, улучшить дробление не удалось. И только при
коэффициенте сближения 0,85—1 (при тех же диаметрах сква-
жин 280 и 300 мм) при короткозамедленном взрывании удалось
довести выход негабарита до 2,5%, а выход горной массы с
1 пог. м скважины — до 58 м3. При этом среднемесячная про-
изводительность экскаватора с 19 тыс. л3 (при двухрядном
мгновенном взрывании) увеличилась до 30 тыс. л3 (при мно-
горядном короткозамедленном взрывании).
В зависимости от коэффициента крепости пород (по Прото-
дьяконову) были приняты следующие интервалы миллисекунд-
ного замедления:
Коэффициент крепости по-
род.................. 16—20 13—16 8—13
Замедление в мсек .... 20—25 30—35 45—55
При двухрядном короткозамедленном взрывании выход не-
габарита снизился более чем в 3 раза, а выход руды с каждого
1 пог. м скважины увеличился на 3 т.
На Каракубском доломитном карьере при короткозамедлен-
ном взрывании с относительным расстоянием между скважи-
нами 1—1,2 м выход горной массы с 1 пог. м скважины увели-
чился в среднем до 90 м3, а выход негабарита снизился до 3,5%
(при мгновенных взрывах выход горной массы равнялся 60 м3,
минимальный выход негабарита составлял 7,5%).
На Еленовском месторождении флюсовых известняков и до-
ломитов также применяется короткозамедленное взрывание.
Месторождение характеризуется большим количеством поверх-
ностных карстовых образований (до 40%).
Месторождение разрабатывается открытым способом тремя
рудниками: «Восточным», «Центральным» и «Доломитным».
Диаметр пробуриваемых скважин 230 мм. В качестве ВВ при-
меняли аммониты № 6, В-3 и 6ЖВ.
При многорядном взрывании уменьшилось количество взры-
вов в карьерах, вследствие чего снизились простои оборудова-
ния. При выходе негабарита 3—5% производительность экска-
ватора составила 500—600 т/ч; при выходе негабаритных кусков
18—20% при мгновенных взрывах производительность экскава-
тора равнялась 250—300 т/ч.
В условиях Крайнего Севера применение короткозамедлен-
ного взрывания наиболее целесообразно, так как особенно тру-
доемким процессом на открытых работах является бурение
скважин.
Коэффициент крепости пород по шкале Протодьяконова рав-
нялся f= 104-12, а для крепких безрудных габбро-диабазов f =
= 12-4-14. Средний объемный вес пород и руд 2,9—3 т/м3. Эти
породы, как правило, разбиты трещинами на крупные моно-
литы, которые легко отслаиваются от массива.
262
В качестве ВВ применяли чешуйчатый тротил. Для непосред-
ственного инициирования заряда в скважинах использовали
теновый детонирующий шнур марки ДШ-43, возбуждаемый гре-
мучертутно-тетриловым электродетонатором № 8 с сопротивле-
нием 1,2—2,5 ом.
Экскаватором СЭ-3 с ковшом емкостью 3 л3 породу погру-
жали в думпкары грузоподъемностью 45 т.
При одинаковом расположении скважин расход бурения и
расход ВВ при обоих способах взрывания были одинаковыми.
При короткозамедленном взрывании выход негабарита снизился
с 8,9 до 2%, ширина развала уменьшилась с 41,9 до 28,6 м,
вследствие чего повысилась производительность экскаватора.
Короткозамедленное взрывание шпуров применялось на
Пенизевичевском гранитном карьере (коэффициент крепости
гранита f= 14 по Протодьяконову).
Уступы высотой 7—8 м разрабатывались шпуровым методом.
Шпуры бурили перфораторами КЦМ-4 на буровой тележке
УБТЖ-3. Погрузка взорванной породы производилась экскава-
торами с ковшом емкостью 0,5—1 л3.
Короткозамедленное взрывание глубоких шпуров осущест-
влялось электродетонаторами ЭД-КЗ с миллисекундными интер-
валами замедления (25, 50 и 75 мсек). В качестве ВВ применяли
порошкообразный аммонит № 6, в обводненных условиях — ам-
монит 6ЖВ.
На карьере «Пенизевичи» показатели буровзрывных работ
следующие: сопротивление по подошве составляло 2,2—2,5 м,
величина перебура 0,5 м, расстояние между рядами 2 м\ рас-
стояние между шпурами в ряду 2 м, средняя длина забойки
1,2—1,8 м. Показатели взрывания глубоких шпуров приведены
в табл. 22.
Таблица 22
Показатели взрыва Единица измерения Способ взрывания
мгновенный короткоза- медлеииый
Высота уступа М 7 7
Диаметр шпура » 60 60
Величина перебура Выход горной массы с 1 пог. м » 0,5 0,4
шпура м3 6 6
Выход негабарита Удельный расход: % 18,24 8,13
ВВ кг/м3 0,428 0,378
электродетонаторов шт/м3 0,85 0,794 0,05
огнепроводного шнура .... м/м3 0,11
капсюлей-детонаторов .... 1 шт1>л3 0,106 0,05
263
Как видно из таблицы, при короткозамедленном взрывании
отмечаются наименьший выход негабарита и минимальные рас-
ходы взрывчатых материалов.
На Слюдянском месторождении разработка велась уступа-
ми высотой Я=15 м. Коэффициент крепости разрабатываемых
мраморов 7—9 (по шкале Протодьяконова). Объемный вес мра-
мора 2,62 т/м3. Порода трещиноватая.
При короткозамедленном взрывании резко повысились по-
казатели взрывных работ (табл. 23).
Таблица 23
Показатели взрыва Единица измерения Способ взрывания *'
мгиовен- иый короткозамедлеиный с замедлением в мсек
25 50 75
Высота уступа . . . м 14,7 15 14,5 15
Расстояние между скважинами » 8 8 8 8
Глубина скважин . . » 18 18 17,5 18
Перебур » 3 3 3 3
Сопротивление по по- дошве » 10 9,3 9,3 9
Количество рядов . . — 1 1 1 1
Длина заряда .... м 12,5 14 13 13
Длина забойки . . . » 5 4 4,3 5,2
Выход горной массы с 1 пог. м скважины . . . Л3 58 55 53 52
Удельный расход ВВ . кг/ма 0,625 0,605 0,554 0,571
Выход негабарита . . % 10,5 3,6 8,7 4,6
Средний объем негаба- ритного куска .... м? 4,5 2,8 3,6 2,9
Ширина развала гор- ной массы м 35 31 31 32
Исследованиями установлено, что в однородных вязких, не-
нарушенных и некрепких породах при короткозамедленном
взрывании обеспечиваются высокие показатели взрыва. В усло-
виях дислоцированных и трещиноватых пород сохраняются не
все преимущества миллисекундного взрывания: например, вы-
ход горной массы за один взрыв получается заниженным, хотя
в этих условиях показатели взрывных работ (равномерное дроб-
ление пород, лучшее оконтуривание забоя, уменьшение ширины
развала и размеров заколов и т. д.) более высокие, чем при
мгновенных взрывах.
264
Горные породы этого месторождения имеют развитую тре-
щиноватость и тектонические нарушения, поэтому не вся энер-
гия взрывчатого вещества расходуется на разрушение и отрыв
породы от массива, так как газы взрыва в момент нарастания
давления частично проникают по каналам нарушения.
Фосфоритное месторождение Кара-Тау представлено круто-
падающими пластами под углом 75—85°. Вмещающие породы —
карбонатные отложения. Крепость пород и руд равна 6—10 (по
Рис. 115. План и продольный профиль участка опытных взрывов
I и U1 — участки мгновенного взрыва; II н IV — участки миллисекундного взрыва;
1 и 3—линия развала от мгновенного взрыва; 2 и 4 — линия развала от миллисекунд-
ного взрыва
шкале Протодьяконова). Высота уступа в среднем 10—12 м.
Расположение скважин одно-, двух- и многорядное.
При миллисекундных замедлениях разрушающее действие
взрыва (радиус разрушения) оказалось в 1,5 раза меньше, чем
при мгновенных взрывах зарядов равной величины (рис. 115).
При короткозамедленных взрывах в условиях Кара-Тау раз-
вал горной массы по сравнению с мгновенными взрывами умень-
шается в 1,3—1,6 раза, почти полностью исключается образова-
ние заколов; не образуются навалы взорванной породы на верх-
ней бровке уступов, половина откоса уступа (сверху) остается
свободной от взорванной горной массы, забой принимает прямо-
265
угольную форму в отличие от подковообразной формы с более
пологим уступом.
На рис. 116 приведена зависимость величины радиуса раз-
рушения от удельного расхода ВВ. Параметры буровзрывных
работ следующие: высота уступа 10 м, диаметр скважин 160—
180 мм, число скважин в комплекте 3—4, общая величина заря-
Рис. 116. Зависимость радиуса разру-
шения г от удельного расхода В В q
1,2 — при мгновенных взрывах для руды
(VIII—IX категории); 3. 4 — при милли-
секундных взрывах для руды (VIII—IX ка-
тегории) н породы (X—XII категории)
а/ш
Рис. 117. Зависимость длины раз-
вала L от относительного расстоя-
а
ния V
1—при мгновенных взрывах; 2 — при
короткозамедленных взрывах
да ВВ 480—640 кг, величина перебура 2—2,5 м, расстояние меж-
ду скважинами 5—6 м, сопротивление по подошве 4,5—6,5 м.
При одинаковых удельных расходах ВВ радиус разрушения
верхней части уступа при мгновенном взрывании увеличивается
быстрее, чем при короткозамедленном. По-видимому, влияние
интервала замедления с уменьшением удельного расхода ВВ
проявляется более резко в породах меньшей крепости. С увели-
а „
чением отношения — развал горной массы уменьшается более
резко при миллисекундных взрывах, чем при мгновенных
(рис. 117). Указанная зависимость построена для следующих
условий: высота уступа 77=10 м; диаметр скважин d=170 мм;
количество скважин в заходке п = 34-4; общая величина заряда
<2 = 4804-640 кг; перебур скважин р = 14-1,5 м; расстояние меж-
ду скважинами п=54-6 м; сопротивление по подошве W =
= 4,54-6,5 м.
На комбинате «Апатит» разработка велась уступами высо-
той 10—12 м, а также сдвоенными уступами высотой 20—22 м.
266
Месторождение представлено линзовидно-полосчатой апатито-
нефелиновой породой с редкими выдержанными полосами ийо-
лита мощностью 5—10 см. Породы сильно трещиноватые (осо-
бенно выделяются пологопадающие трещины). Коэффициент
крепости (по Протодьяконову): ийолита f—10, апатитовой руды
f=8.
Таблица 24
Показатели взрыва Единица измере- ния Мгновен- ное взры- вание при одноряд- ном распо- ложении скважин Миллисекундное взрывание при рас- положении скважин
одноряд- ном двухряд- ном
Объем взорванной горной массы . тыс. Л3 78,5 120 100
Диаметр скважины мм 220—230 220—230 220
Расстояние между скважинами . . м 5,5 6,2 6,4
Выход негабарита % 7,9 4 2,9
Удельный расход ВВ (аммонит №6) кг/м3 0,63 0,6 0,65
Длина развала м 55—50 32—35 30—35
Средняя высота уступа м 12,3 Н,4 11,3
Сопротивление по подошве . . . м 9,3 8,5 9,4
Выход горной массы с 1 пог. м скважины М3 43 45,5 42,5
Производительность экскаватора (СЭ-3) Т(Ч 166 — 204
Буровое долото имело крестообразную форму. Диаметр сква-
жин 230—235 мм.
При мгновенном взрывании детонирующим шнуром получал-
ся сравнительно большой выход негабарита (8%), вследствие
Рис. 118. Кривые гранулометри-
ческого состава негабаритной
руды при различных способах
взрывания уступов
1 — миллисекундном; 2— мгновен-
ном
чего снижалась производительность экскаваторов и увеличи-
вались затраты времени и средств на повторное взрывание не-
габаритных кусков. ।
Результаты мгновенного и миллисекундного взрывания при
267
однорядном и двухрядном расположении скважин приведены
в табл. 24.
Как видно из таблицы, при взрывании электродетонаторами
короткозамедленного действия ЭД-КЗ по сравнению с обычным
взрыванием снижается выход негабарита в 2—2,7 раза и умень-
шается ширина развала горной массы в 1,7—1,8 раза, вследствие
Рис. 119. Схема расположения зарядов и взрывной сети при коротко-
замедленном взрывании минных штолен
/ — устье штольни; 2 —ДШ; 3 —камерные заряды; 4—скважины; 5 —маги-
стральный электропровод; 6 — линия забоя; № Л № 2t 3— заряды с интер-
валами замедлений соответственно 0, 25 и 50 мсек.
чего увеличивается часовая производительность экскаватора
СЭ-3 на 23%. При разработке уступа высотой 20 м выход гор-
ной массы с 1 пог. м скважины составил 60 м3, а удельный рас-
ход ВВ равнялся 0,42 кг/л3, тогда как при высоте 10 м— соот-
ветственно 45 м3 и 0,6 кг/м3.
При мгновенном взрывании средний объем негабаритного
куска равен 0,331 м3, при короткозамедленном — 0,206 м3,
(рис. 118). В результате уменьшения размеров кусков взорван-
ной породы повысился коэффициент наполнения ковша, сокра-
тилось время на отсортирование негабарита и т. д., что привело
к повышению производительности экскаватора с 160 до 204 м3/ч.
На руднике «Апатит» было применено короткозамедленное
взрывание минных зарядов. Вначале уступ был отработан взры-
вами удлиненных колонковых зарядов, затем был произведен
минный взрыв. Для этого из минной штольни были пройдены
минные камеры (рис. 119). Минные заряды ВВ были располо-
жены в семи точках. Величина зарядов колебалась от 50 до
2500 кг. Интервалы замедлений по зарядам были следующими:
заряды /, 2, 3 и 4 взрывались замедленно, остальные — с за-
медлением 25 мсек. Расчет зарядов производился по обычной
формуле. В качестве ВВ применяли порошкообразный аммонит
№ 6. Одновременно с минными (камерными) зарядами были
взорваны две скважины с замедлением 50 мсек.
5. ЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ
МИЛЛИСЕКУНДНОГО ВЗРЫВАНИЯ
Короткозамедленное взрывание применяется на горных пред-
приятиях США, Англии, Франции, Бельгии, Швеции и др.
В качестве ВВ используется акремит (типа игданит), приго-
товляемый непосредственно на карьере. Взрывчатое вещество
упаковывают в полиэтиленовые мешки, которые размещают в
скважине.
За рубежом применяют сплошные и рассредоточенные заря-
ды, закладываемые в горизонтальные, наклонные и вертикаль-
ные скважины.
Показатели мгновенного и короткозамедленного взрывания
на Эйповицевском карьере (ЧССР) приведены в табл. 25.
Таблица 25
Способ взрывания Высота уступа в м Линия сопро- тивления по подошве в м Расстояние между сква- жинами в м Выход взор- ванной горной массы с 1 пог. м сква- жины в м3 Расход ВВ в кг/лг8
Мгновенный . . 8—10 4-5 8 13,92 0,261
Короткозамед- ленный .... ю > 6—7 3—5 19,2 0,35
269
Увеличение удельного расхода ВВ (см. табл. 25) обусловле-
но тем, что буровзрывные работы производились в трещинова-
тых и дислоцированных породах.
Миллисекундные рассредоточенные взрывы широко приме-
няют на железных, медных, порфированных и других рудниках.
На открытых разработках полезных ископаемых при высоте
уступа 12—15 м рассредоточенные заряды закладывают в два
и четыре яруса
На порфированных рудниках США разрабатывают руды и
породы средней крепости и крепкие при высоте уступа 15 м и
расчетном сопротивлении по подошве 5,5 м. Скважины диамет-
ром 220 мм бурят канатно-ударными станками по расширенной
сетке при расстоянии между скважинами в ряду 8 м.
Рассредоточенные заряды закладывают в два яруса. В каче-
стве ВВ используют 60%-ный желатиновый порох. Вес заряда
первого яруса 180 кг, длина забойки 5,5 м. Вес заряда второго
яруса составлял 22—45 кг. Для последнего заряда забойка име-
ла длину 5,2 м. Удельный расход ВВ: для руды 110 г/т, для поро-
ды 100 г/т.
Взрывание осуществлялось через скважину специальными
электродетонаторами короткозамедленного действия. Интервал
замедления 0,025 сек.
При разработке средних и крепких ильменитов (FeFiO3) и аб-
разивных пород при высоте уступа 12 м, сопротивлении по подо-
шве 3,6—4,8 м рассредоточенные пороховые заряды располагали
в четыре яруса. Каждую скважину снаряжали короткозамедлен-
ным детонирующим шнуром. Скважины бурили станками вра-
щательного бурения диаметром 150 мм.
Величины зарядов и забойки были следующими:
Qj = 58 кг; = 29 кг; Q[U = 29 кг; Q|V = 29 кг;
/,„„ = 1.2 М\ Л,„„=1,2 М- / =1 Л€; /„, „ = 2,5 м.
1зао * * * Пзаб ’ » Шзаб ’ ТУзаб ’
Удельный расход ВВ: для руды 126 г/т, для породы 153 г/т.
Скважины с индексом «о» взрывались мгновенно от детони-
рующего шнура. Интервал замедления между рассредоточенны-
ми зарядами и между скважинами в ряду 0,025 сек *.
При короткозамедленном взрывании рассредоточенных заря-
дов обеспечивается лучшее дробление породы при меньшем удель-
ном расходе ВВ, причем показатели по развалу и выходу нега-
барита при многорядном короткозамедленном взрывании значи-
тельно выше, чем при однорядном. Недостатком является то, что
на зарядку и забойку скважин требуется больше времени (в 1,2—
1,4 раза) по сравнению с обычными колонковыми зарядами.
1 Engineering and Mining gournal, v. 155, № 05, 1954.
* Excavating Engineers, August, 1955.
270
6. ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЭКСКАВАТОРА
ПРИ МИЛЛИСЕКУНДНОМ ВЗРЫВАНИИ
Как известно, от качества отбойки и количества негабаритных
кусков породы, а также от формы навала породы зависит про-
изводительность экскаватора. Коэффициент крепости полезного
ископаемого по шкале Протодьяконова 8—9. На погрузке рабо-
тают экскаваторы СЭ-3 и ЭКГ-4.
Основной недостаток мгновенного взрывания детонирующим
шнуром — сравнительно большой выход негабарита (8%), вслед-
ствие чего существенно снижается производительность экскавато-
ров и требуются значительные затраты времени и средств на вто-
ричное взрывание негабаритных кусков. Кроме того, образующие-
ся пороги в подошве уступа усложняют экскавацию породы.
В связи с ликвидацией порогов мелкошпуровым способом после
полной уборки габаритной породы перерывы между очередными
взрывами (в тупиковых забоях) удлиняются на один-два дня.
При короткозамедленном взрывании уступов снижается выход
негабарита в 2 раза (до 4%) по объему и в 1,5—2 раза по коли-
честву кусков. Кроме того, улучшается общее дробление руды,
исключаются «сдвиги» и в 1,5—1,6 раза уменьшается развал ру-
ды. Только за счет уменьшения количества негабарита сэконом-
лено 1500 ч в год чистого времени работы экскаватора, т. е. до-
полнительно можно погрузить около 500 тыс. т породы [30].
При расстоянии между скважинами в ряду 5—5,5 м и сопро-
тивлении по подошве 9,5—10 м заряды работают как сближен-
ные, вследствие чего ухудшается дробление. При короткозамед-
ленном взрывании расстояние между скважинами при высоте
уступа 12 м увеличивается с 5,5 до 6,5 м и более, а при высоте
уступа 20 м — до 7 м и более, что способствует улучшению дроб-
ления руды. Кроме того, резко возросло (с 11,5 до 27%) количест-
во кусков минимального объема (0,065—0,1 я3). Количество кус-
ков объемом 0,1 ^-0,2 м3 также увеличилось примерно на 4%,
а объемом более 0,2 м3 уменьшилось. При мгновенном взрывании
среднегодовая производительность экскаватора составляет
166 т/ч и выход негабаритных кусков 0,087 шт/т, а при коротко-
замедленном взрывании соответственно 188—204 т)ч и 0,05—
0,065 шт!т.
Среднее число черпания и среднее время цикла при мгновен-
ном взрывании составляет 19,3 и 39,3 сек и при короткозамед-
ленном взрывании — 14,5 и 34,5 сек. Время выполнения трех опе-
раций (поворот полного ковша, разгрузка, обратный поворот)
колеблется от 18 до 22 сек в зависимости от способа взрывания
руды.
Хронометраж работы экскаватора показал, что на уборку
негабарита расходуется времени на 19% больше, чем на уборку
габаритной массы. Таким образом, при мгновенном взрывании
время на уборку негабарита составило 47 сек, а при короткоза-
271
медленном взрывании—: 41 сек. На погрузку одного и того же
объема руды при различных способах взрывания приходится
неодинаковое число циклов, т. е. коэффициент наполнения ковша
зависит от степени дробления руды. Хронометраж работы экска-
ватора позволил вывести коэффициент наполнения ковша: при
мгновенном взрывании 0,85 (при среднем числе черпаний, рав-
ном 6), при короткозамедленном 0,91 (при среднем числе черпа-
ний, равном 5). Кроме того, был выведен коэффициент исполь-
зования экскаватора во времени т]в:
t3 161 Л ,
пв = — = — дз 0,4,
Тс 420
где t3 — чистое время работы экскаватора в мин;
Тс — продолжительность смены в мин.
Среднее значение т]в = 0,4 является нижним пределом исполь-
зования экскаватора.
Для расчета производительности экскаватора необходимо
предварительно определить время на выборку негабарита. Сред-
ний выход негабарита в руде составляет: при мгновенном взры-
вании 0,220 шт!м3 (или 0,073 шт1т), при короткозамедленном —
0,165 шт!мъ (или 0,055 шт]т). Следовательно (принимая, что за
один прием откидывается только один негабаритный кусок любо-
го размера), на один кусок приходится; при мгновенном взрыва-
нии 13,7 т габаритной руды, при миллисекундном — 18,2 т.
При погрузке этого количества руды при мгновенном взрыва-
нии количество циклов равно:
V 13,7 о-
=-------- =---------= 2,7;
3-3-0,566
пц/ц = 2,7-39,3 = 106 сек,
где пц— количество циклов;
V— количество габаритной руды, приходящееся на один
негабаритный кусок, в т;
Ук — емкость ковша экскаватора в м3;
у— объемный вес породы;
Лэ = —— коэффициент экскавации;
Кр
Лн— коэффициент наполнения;
Кр— коэффициент рыхления (для рудника им. С. М. Ки-
рова Кр=1,5);
—продолжительность цикла в сек.
Следовательно, на погрузку 13,7 т руды и удаление одного
негабаритного куска требуется 1064-47= 153 сек.
Таким образом, «приведенный» цикл, учитывающий время на
удаление негабарита, будет равен:
. , 153 153 г ,
Л по — — = — — 56,5 сек.
пр пц 2,7
При погрузке 18,2 т руды имеем:
272
или
18,2 .. .
П. - -------- 0,4
« 3-3-0,6
п f = 3,4-34,5 =117 сек.
Следовательно, на погрузку 18,2 т руды и удаление негаба-
ритного куска требуется 1174-41 = 158 сек.
Таким образом, «приведенный», цикл будет равен:
= II8 = 46,5 сек. .
\ 3’4
Рис. 120. Зависимость
производительности экс-
каватора Q от выхода
негабарита п
Производительность экскаватора за смену определим по фор-
муле _ ,, „
Q = VK 1% /1ц,
где пц = — - - — количество циклов в 1 мин.
Сменная и часовая производительность экскаватора будет
равна:
при мгновенном способе взрывания
Q = 420-3-0,566-0,4-1,06 = 303 м3 или 910 Г;
q = = 170 гч;
^СЧЭС ! г« пр 1 ’
Т 5,35
с
при короткозамедленном взрывании
Q = 7-6-3-0,6-0,4-1,99 = 390 м3 или 1170 Г;
«,„ = Л-5у=218 т;ч,
Т 5,3э
} С
где 7' — продолжительность в ч работы экскаватора в смену.
18-50 273
В результате проведенных расчетов получены данные по про-
изводительности экскаватора при короткозамедленном взрывании
уступов, близко совпадающие с фактическими показателями.
На рис. 120 приведена зависимость производительности экска-
ватора от выхода негабарита при взрывании ЭД-КЗ. Установле-
но, что при изменении выхода негабарита на 0,01 шт!т коэффи-
циент наполнения изменяется на 0,01, а время цикла погрузки
габаритной руды —на 0,5 сек. При изменении этих показателей
соответственно изменяется и производительность экскаватора.
При применении короткозамедленного взрывания уменьшаются
время цикла при экскавации руды на 10—12% и выход нега-
барита в 1,5—1,7 раза; коэффициент наполнения ковша увели-
чивается на 7—40%, в результате чего производительность экска-
ватора повышается на 15—20%.
Зная выход негабарита для данного карьера, можно с доста-
точной степенью точности определить производительность экска-
ватора.
ГЛАВА XIII
ЛОКАЛИЗАЦИЯ ЛЕСНЫХ И ТОРФЯНЫХ ПОЖАРОВ
ВЗРЫВНЫМ СПОСОБОМ
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Часто лесные пожары, охватывая большие площади, принима-
ют характер стихийных бедствий. В основном (около 50%) лесные
пожары возникают вследствие неосторожного обращения с ог-
нем, и более 90% лесных пожаров отмечается вблизи населенных
пунктов, мест производства различных работ, вблизи дорог, во
время туристских походов и в период массовых выездов отды-
хающих в лес.
Огонь, распространяясь со скоростью более 25 км)ч, превра-
щает зеленый лес в кладбище обгорелых черных древесных ске-
летов, уничтожает на своем пути населенные пункты, посевы
и пр. (рис. 121). Огонь, повреждая корни деревьев, нарушает
связность корневой системы с почвой. Одновременно загораются'
поверхностные и глубокие слои торфа, горение которых может
продолжаться целый год, а то и несколько лет подряд. Зачастую
вследствие лесных пожаров происходит заболачивание почв, так
как после уничтожения огнем лесной подстилки верхние слои
почво-грунта уплотняются и нарушается проницаемость воздуха
и атмосферных осадков. В результате уничтожения огневым ва-
лом древостоев, испаряющих воду из почвы, нередко нарушается
баланс воды в почве, вследствие чего поднимается уровень грун-
товых вод и происходит заболачивание местности.
274
Рис. 121. Общий вид лесного и торфяного пожара
В борьбе с лесными и торфяными пожарами различают меро-
приятия предупредительные противопожарные и противопожар-
ные по борьбе со стихийными бедствиями.
Предупредительными противопожарными мероприятиями пре-
дусматриваются повышение пожароустойчивости лесных насаж-
дений (применение различных антисептических средств химиче-
ской защиты) и тушение лесных пожаров в начале возникновения
(устройство просек, разрывов противопожарных полос и канав
тракторными канавокопателями и бульдозерами для защиты
промышленных объектов, складов и др.).
При внезапном стихийном возникновении одновременно низо-
вого (загорание мелколесья и торфяника) и верхового (загорание
верхушек леса и стволов деревьев) пожара принимают экстрен-
ные меры, к которым относится локализация пожара взрывным
способом.
2. ЛОКАЛИЗАЦИЯ ПОЖАРА ВЗРЫВНЫМ СПОСОБОМ
При взрывных работах на тушении пожаров требуется соблю-
дать особые меры предосторожности в соответствии с «Едиными
правилами безопасности при взрывных работах», утвержденными
Госгортехнадзором СССР.
Для локализации лесных пожаров применяют взрывы откры-
тых и заглубленных зарядов ВВ. Заглубленные заряды (разоб-
щенные, сосредоточенные или вертикально-удлиненные, либо не-
прерывные горизонтальные цилиндрические и щелевые) исполь-
зуют для строительства противопожарных каналов и водоемов
массовыми взрывами на выброс.
18*
275
Метод взрывов открытых зарядов применяется главным об-
разом в том случае, когда требуется сбить ударной волной пламя
верхового лесного пожара. Поскольку скорость распространения
взрывной волны намного превышает скорость распространения
пожара и работа 1 кг ВВ (например, аммонита 6ЖВ) составляет
3-105 кгм/кг, достаточно в одном открытом (накладном) заряде
сосредоточить 80—100 кг ВВ для уничтожения пламени в ра-
диусе 100 м и более.
Заряды ВВ любых конструкций рекомендуется располагать на
расстоянии не менее трех-четырех высот деревьев с надветренной
стороны. Непрерывный горизонтальный цилиндрический (шлан-
говый) заряд укладывают вдоль линии фронта деревьев, охва-
ченных пожаром. Длина заряда определяется весом и удобством
укладки его. Шланги высокого давления диаметром 70—80 мм
заполняют на месте производства работ обычными патронами
заводского изготовления или порошкообразными гранулирован-
ными ВВ специальными пневмозарядными машинами (см. гла-
ву III) и доставляют к месту локализации пожара на автома-
шинах.
«Инструкцией по проведению взрывных работ при борьбе
с лесными пожарами» предусматривается доставка упаковок
шланговых зарядов к местам лесных пожаров на грузовых пара-
шютах с самолетов. Вес упаковок, сбрасываемых на парашютах,
не должен превышать 80 кг (два деревянных ящика весом по
36 кг или три мешка весом по 24 кг в бумажной или полиэтилено-
вой таре). Упаковку зарядов для сброса на парашютах прочно
связывают веревками или парашютно-десантными универсаль-
ными ремнями во избежание рассыпания груза в воздухе от
действия динамического удара при раскрытии грузового пара-
шюта. К местам, отдаленным от шоссейных дорог, заряды до-
ставляют вертолетами.
Метод взрывов подземных зарядов используется при строи-
тельстве противопожарных каналов и водоемов в минеральных
грунтах и торфяниках. На некоторой глубине выкапывают шурф
или пробуривают скважину большого диаметра, куда уклады-
вают сосредоточенные или вертикально-удлиненные заряды.
В результате взрыва этих зарядов, показатель выброса которых
не менее 2, образуется открытая выемка глубиной 1,5 м и более.
В местах возникновения лесного и торфяного пожара, где близ-
ко залегают грунтовые воды, выемка сразу же заполняется
водой и служит хорошей преградой против дальнейшего рас-
пространения пожара. Основным недостатком этого метода яв-
ляется большая трудоемкость работ.
Для повышения эффективности взрывных работ при строи-
тельстве противопожарных рвов рекомендуется использовать
шланговые или щелевые заряды, которые укладываются в землю
кротодренажными и щелерезными зарядными машинами.
Новая поточно-механизированная технология взрывных ра-
276
бот была применена в условиях пожара в Павлово-Посадском
и Ногинском районах Московской области Центральной лабора-
торией мелиоративных гидровзрывных исследований совместно
с Главным управлением пожарной охраны МВД СССР. Благо-
даря хорошей маневренности щелерезные зарядные машины,
Рис. 123. Схема локализации пожара путем создания противопожарного ка-
нала при двухстороннем симметричном выбросе грунта взрывом щелевого
заряда
обслуживаемые двумя механиками, быстро перебрасывались с
одного опасного участка на другой. В короткое время взрывом
удалось создать рубежи, препятствующие распространению
огневого вала на протяжении более 10 км по фронту, обеспечи-
вая тем самым условия для дальнейшей ликвидации очагов
пожара обычными противопожарными средствами.
При локализации пожара около дер. Алексеево в радиусе
150—180 м был создан противопожарный канал глубиной
3,5—4 м, длиной 2,5 км. Канал глубиной около 5 м был построен
скоростным методом около дер. Кулигино (рис. 122). После
взрыва на бровках образуются валы. Развал грунта в стороны
при симметричном двухстороннем выбросе на расстояние 50—
60 м является надежным пламягасителем (рис. 123).
Для локализации пожара по новой поточно-механизирован-
ной технологии взрывных работ используют два основных ва-
рианта.
В первом случае, кЬгда огонь еще не достиг населенного
пункта, но угрожает соседнему лесу, может быть применен двух-
277
Рис. 124. Общий вид противопожарного канала, созданного взрывом
при двухстороннем симметричном выбросе грунта
сторонний симметричный выброс грунта на расстояние 45—50 м
с образованием гребней высотой 0,8—1 м (рис. 124).
Во втором случае, когда срочно требуется оградить населен-
ный пункт от огневого вала со стороны горящего леса, приме-
няется двухрядное расположение зарядов вместо одинарного,
непрерывного горизонтального цилиндрического или щелевого
заряда. Взрывчатое вещество размещают в щелевой выработке,
расположенной со стороны населенного пункта. Вторая выра-
ботка, находящаяся на стороне горящего лесного массива, оста-
ется незаряженной и служит компенсирующей щелью. При
взрыве заряженной щели ударная волна сжатия и 75—80%
грунта будут направлены в сторону горящего леса. Взрыв заря-
да ВВ в сторону компенсирующей незаряженной щели, во-пер-
вых, предотвратит сильное действие разрушительных взрывных
волн на близрасположенные строения, и, во-вторых, позволит
направить основную массу взорванного грунта в направлении
горящего леса.
При одностороннем направленном взрыве (рис. 125) обра-
зуется высокий гребень и большой развал грунта со стороны
горящего леса. При взрывных работах необходимо особенно
тщательно соблюдать правила техники безопасности, так как
при наличии компенсирующей щели создается большой разлет
кусков грунта в сторону леса.
При применении непрерывных горизонтальных зарядов ко-
эффициент использования энергии взрыва увеличивается в 3 ра-
за, поэтому заряд взрывчатого вещества можно заглублять на
278
Рис. 125. Схема локализации пожара путем создания противопожарного кана-
ла при одностороннем направленном выбросе грунта взрывом щелевого заряда
7з глубины противопожарной выемки. При создании выемок
глубиной 3,5—4 м в песчаных грунтах достаточно заложить
шнуровой заряд на глубину 0,8—0,9 м, а щелевой заряд — на
глубину 1 —1,2 м.
3. СТРОИТЕЛЬСТВО ПРОТИВОПОЖАРНЫХ ВОДОЕМОВ
Массовыми взрывами на выброс можно создавать не толь-
ко горизонтальные каналы любой длины, но и выемки (водое-
мы) средних объемов, которые по своим эксплуатационным
свойствам не уступают водоемам, построенным механизирован-
ным способом. Кроме того, при строительстве противопожарных
водоемов массовыми взрывами на выброс серии сосредоточен-
ных или непрерывных горизонтальных цилиндрических (шлан-
говых) зарядов не требуется проводить противофильтрацион-
ные мероприятия, снижаются затраты труда, материалов, го-
рючих.
Например, требуется построить массовым взрывом на вы-
брос водоем объемом 6000 .и3, длиной 50 м, шириной 25 м и глу-
биной 4 м, чтобы обеспечить тушение низового лесного пожара
на площади 10—12 га.
Грунты на участке строительства представлены сухими пес-
чано-лёссовыми отложениями. Поскольку песчаные грунты по
сравнению со слоистыми и другими породами имеют незначи-
тельное сопротивление давлению газов взрыва, высота полета
поднятой песчаной массы бывает недостаточная и получается
большой объем обратно упавшего в выемку грунта.
Для того чтобы фактический профиль котлована после взры- .
ва больше соответствовал проектному, было предусмотрено
трехрядное расположение камерных зарядов. Учитывая обрат-
ное падение грунта в выемку, шурфы (центрального и крайнего
рядов) были пройдены со значительным переуглублением. Все-
го было пройдено 22 шурфа общей длиной 118 м и столько же
камер общим объемом 25,6 м3. Расположение шурфов трехряд-
ное в шахматном порядке. Расстояние между шурфами в ряду
279
6__________5
12 N1 Nt”
---------50 м------
______4 3
N3 10
Nil N5
-34—
18 N8 17
N9 16
N13
QI
24
9
N19
a
23
9,4
N15
a
22
NI6
a
N6 B
NIO 15
IQfl
NI7
a
21
2 _____I
N7 1
filZ 13
Рис. 126. План расположе-
ния зарядов при устройстве
противопожарного водоема
массовым взрывом на вы-
брос
NIB
a
20
~N19
a
19
а=1,5 Н (Н — глубина шурфа). При таком расположении за-
рядов (рис. 126) обеспечивался больший выброс породы вслед-
ствие перекрытия воронок и исключалось образование перемы-
чек между соседними зарядами.
По проекту расчетный коэффициент k—\. Показатель выбро-
са для центрального ряда был принят равным 2,5 исходя из
условия обеспечения теоретического раствора воронки поверху
около 30 м, для крайних рядов — не менее 8—9 м, учитывая,
что часть грунта должна разместиться у бортов выемки и види-
мая ширина поверху уменьшится. Результаты определения веса
зарядов приведены в табл. 26.
В качестве взрывчатого вещества использовали аммонит
№ 6. Боевики весом 2 кг изготовляли также из аммонита. В каж-
дый боевик вводили по два электродетонатора (один подключа-
ли к основной сети, другой к дублирующей). Каждый боевик
помещали в заряд непосредственно перед засыпкой шурфа.
По проекту более мощный основной заряд ВВ закладывали
в центральный ряд, а меньшие заряды — в крайние ряды. При
одновременном взрыве всех трех зарядов взрыв более мощного
среднего заряда должен подхватить грунт от взрыва зарядов
крайних рядов и сообщить ему дополнительный толчок. При од-
новременном взрыве этих зарядов наблюдался веерообразный
выброс грунта, в связи с чем объем обратно упавшего грунта
был сравнительно небольшим.
Обследованиями проведенных взрывов установлено:
1) при трехрядном расположении зарядов в слабосвязных
грунтах сечения выемок получаются близкими по форме к па-
раллелограмму с отношением высоты к основанию 1 : 6;
Рис. 127. Поперечный про-
филь противопожарного во-
доема
1 — проектная отметка; 2 — ви-
димая глубина; 3 —теоретиче-
ский раствор воронки выброса
280
Таблица 26
№ шурфа Глубина шурфа в м ЛНС в м Показатель выброса Расчетный радиус воронки в м Вес заря- да в кг Общее коли- чество ВВ (на участок) в кг
Средний ряд
9 6 5,4 2,65 14,3 1800 1800
10 6,5 5,8 2,55 14,8 2000 2000
11 6,8 6,1 2,42 14,8 2000 2000
12 7,1 6,4 2,5 16 2500 2500
14 7,8 7 2,34 16 2800 2800
Крайние ряды
1, 2, 15, 16 4 3,6 2,28 8,2 350 1400
3, 4, 17, 18 4,5 4 2,14 8,5 400 1600
5, 19 4,8 4,3 1,98 8,5 400 800
6, 20 5 4,5 1,88 8,5 400 800
7, 21 5,5 5 1,75 8,7 450 900
8, 22 5,8 5,3 1,64 8,7 450 900
2) площадь поперечного сечения и объем выброса близки к
проектным (даже с некоторым превышением): по краям котло-
вана имеются недоборы 0,2—1,2 м, в центральной части пере-
углубление 0,2—1 м.
Поперечный профиль малого водоема, образованного массо-
вым взрывом на выброс в средних суглинках, показан на
рис. 127.
Общий расход взрывчатых веществ на весь взрыв составил
20 000 кг. Удельный расход взрывчатых веществ на 1 м3 факти-
ческого выброса равен 2,86 кг.
При строительстве противопожарных водоемов взрывным
способом улучшаются противофильтрационные свойства грун-
тов, значительно снижаются затраты труда и увеличивается
производительность труда по сравнению с механизированным
способом.
4. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА ВЗРЫВНЫХ РАБОТ
И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
Взрывные работы при строительстве противопожарных каналов
и водоемов должны проводиться строго в соответствии с «Еди-
ными правилами безопасности при взрывных работах» и «Инст-
рукцией по проведению взрывных работ при борьбе с лесными
пожарами».
281
При взрывных работах по локализации лесных и торфяных
пожаров разрешается применять взрывчатые вещества и сред-
ства взрывания согласно ГОСТу или утвержденным техническим
условиям.
Разрешение на производство взрывных работ, приобретение,
хранение и перевозку взрывчатых материалов выдается в соот-
ветствии с «Едиными правилами», которые допускают единовре-
менное хранение взрывчатых материалов на открытых площад-
ках при стихийных бедствиях, когда срочно необходимо локали-
зовать лесной пожар.
Руководство взрывными работами возлагается на специаль-
но выделенное приказом лицо или на технического руководителя
предприятия, а при подрядном способе — на руководителя
взрывных работ подрядной организации.
К производству взрывных работ допускаются лица, которые
сдали экзамены квалификационной комиссии и имеют «Единую
книжку взрывника (мастера-взрывника)» и проработали в тече-
ние месяца под руководством опытного взрывника (мастера-
взрывника). Знания мастера-взрывника или взрывника должны
повторно проверяться комиссиями под председательством пред-
ставителя Госгортехнадзора не реже одного раза в два года,
а также при нарушении мастером-взрывником (или взрывником)
требований указанных правил. Взрывники (мастера-взрывники)
после перерыва в работе более одного года могут быть допуще-
ны к самостоятельному выполнению взрывных работ только пос-
ле повторного экзамена квалификационной комиссии и практи-
ческого стажирования в течение 10 дней.
Все лица, занятые на взрывных работах, должны быть про-
инструктированы руководителем взрывных работ о свойствах и
особенностях применяемых ВМ и аппаратуры и мерах предосто-
рожности при обращении с ними.
При производстве взрывных работ двумя и более взрывни-
ками в пределах одной опасной зоны должен быть назначен
старший взрывник (бригадир), имеющий стаж работы взрывни-
ка не менее одного года.
Заведующими складами ВМ назначаются лица, имеющие
право руководства взрывными работами, а также окончившие
вузы или техникумы по специальности технологии ВВ. Непосред-
ственный прием ВМ, поступающих на склад, выдачу их и запись
в книгах учета производит кладовщик.
Для защиты зданий и сооружений от сейсмических воздейст-
вий при взрывах величины зарядов ВВ ограничиваются расстоя-
ниями, которые определяются в соответствии с «Инструкцией по
определению безопасных расстояний при взрывных работах и
хранении взрывчатых материалов».
Местное население, а также обслуживающий персонал объ-
ектов, расположенных в опасной зоне, должны быть заблаговре-
менно оповещены о проведении взрывных работ, о границах
282
опасной зоны, принятых сигналах и удалены за пределы опасной
зоны.
При отсутствии естественных укрытий для лиц, производя-
щих взрывные работы, устраивают специальные укрытия, рас-
положенные на определенном расстоянии (согласно проекту) во
избежание поражающего действия взрывной волны. Взрывная
станция, находящаяся под постоянной охраной, должна распо-
лагаться со стороны, не подверженной действию взрыва, за пре-
делами опасной зоны и в надежном укрытии. На взрывной стан-
ции могут находиться только лица, входящие в состав взрывной
бригады. Запрещается хранить на взрывной станции предметы,
не относящиеся к производству взрывных работ. Ключи от
взрывных машинок выдаются взрывникам руководителем взрыв-
ных работ под расписку. Запрещается оставлять ключ в машин-
ке или передавать его другим лицам.
Взрывные работы вблизи электролиний, подстанций, заво-
дов, пристаней, подземных сооружений, телефонных линий госу-
дарственного значения и др. должны производиться по согласо-
ванию с соответствующими организациями.
Если в пределах опасной зоны расположены жилые здания
и различные объекты (фабрики, заводы, склады, открытые ли-
нии электропередач, газопроводные, водопроводные, канализа-
ционные и паропроводные магистрали и др.), параметры взры-
вания (направленность, показатели взрывов, ЛНС, расчетные
коэффициенты и др.) должны гарантировать полную сохран-
ность сооружений от повреждения воздушной волной или кус-
ками взрываемой среды.
При взрывании зарядов в разобщенных скважинах, про-
буренных в неустойчивых породах, разрешается произво-
дить зарядку каждой скважины после окончания буре-
ния. Расстояние между скважинами определяется с уче-
том глубины скважины и величины зарядов. Взрывная брига-
да должна вести постоянное наблюдение за заряженными сква-
жинами.
Перед спуском заряда скважины проверяют шаблоном на
всю глубину. Диаметр шаблона должен быть больше диаметра
заряда.
Заряд в скважину опускают на дополнительном проводе под
действием собственного веса или с помощью грузил и шестов
без толчков и ударов. Не допускается натяжение боевой маги-
страли при спуске заряда в скважину.
При заклинивании заряда его извлекают из скважины, про-
чищают скважину, проверяют заряд, вновь опускают и взры-
вают. На время прочистки скважины заряд отсоединяют от бое-
вой магистрали и удаляют на безопасное расстояние. Если за-
ряд извлечь невозможно, его ликвидируют с соблюдением
требований § 422 ЕПБ.
283
ЛИТЕРАТУРА
1. АльтшуллерЛ. В. О взрыве в сжимаемой пластической среде.
ДАН, 1964, т. VI, № 3.
2. Астапов В. А., Кушнарев Д. М. К оценке фильтрационных и не-
которых других физических свойств грунтов в каналах, выполненных взрыв-
ным способом. «Гидротехника и мелиорация», 1952, № 9.
3. Б а р о н Л. И. и др. Взрывные работы в горнорудной промышленнос-
ти. Госгортехиздат, 1960.
4 Баум Ф. А., Станюкович К. П., Шехтер Б. И. Физика взрыва.
Физматгиз, 1959.
5. Власов О. Е. Вопросы теории разрушения горной породы под дей-
ствием взрыва. Изд. АН СССР, 1958.
6. Вовк А. А. Прохождение гирничих виробок вибуховим способом,
Держтехвидов, УССР, Кшв, 1958.
7. Г р и г о р я н С. С., Л я х о в Г. М., Мельников В. В. Взрывные
волны в лёссовидном грунте. ПМТФ, 1963, № 4.
8. Де ми дюк Г. П. Взрывные работы, ч. 1. Элементы расчета и техни-
ка взрывания зарядов. ОНТИ, НКТП, 1937.
9. Дерибас А. А., Похожаев И. С. Постановка задачи о сильном
взрыве на поверхности жидкости. ДАН СССР, 1962, т. 144 № 3.
10. Д р у к о в а и ы й М. Ф., К о м и р В. М. О механизме разрушения гор-
ных пород действием взрыва и управление им. В сб.: «Взрывное дело»
№ 57/14, «Недра», 1965.
11. Дубнов Л. В. Новые взрывчатые вещества. Госгортехиздат, 1960.
12. Иванов П. Л. Уплотнение несвязных грунтов взрывами. Стройиз-
дат, 1967.
13. И ш л ин скин А. Ю., Зволи некий Н. В., Степаненко И. 3.
К динамике грунтовых масс. ДАН СССР, 1954, т. ХСУ, № 4.
14. Келдыш М. В., Седов Л. И. Эффективное решение некоторых
краевых задач для гармонических функций. ДАН СССР, 1937, т. 16, № 1.
15. Компанеец А. С. Ударные волны в пластически уплотняющейся
среде. ДАН СССР, 1956, т.109, № 1.
16. Коробейников В. П., Мельников А. С., Рязанов Е. В. Те-
ория точечного взрыва. Фнзматгиз, 1961.
17. Костяков А. Н., Ф а в о р н н Н. И., Аверьянов С. Ф. Влияние
оросительных систем на режим грунтовых вод. Изд. АН СССР, 1956.
18. Кушнарев Д. М. Опыт массового взрыва на сброс и на выброс
при строительстве оросительного канала. «Механизация трудоемких и тяже-
лых работ», 1948, № 2.
19. Кушнарев Д. М. Строительство водоема взрывом на выброс.
«Гидротехника и мелиорация», 1951, № 3.
20. Кушнарев Д. М. Механизация работ при устройстве каналов и
канав взрывами на выброс. «Механизация строительства», 1952, № 11.
21. Кушнарев Д. М. Новое в области применения взрывных работ.
«Строительство», 1953, № 3.
22, Кушнарев Д. М. Влияние взрыва на физические свойства грунта.
«Гидротехническое строительство», 1953, № 2.
23. К у ш и а р е в Д. М. Динамика водопроницаемости грунта в выем-
ках, образованных взрывом. «Гидротехническое строительство», 1954, № 7.
24. Кушнарев Д. М. К вопросу отбойки горных пород удлиненными
рассредоточенными зарядами. В сб.: «Совершенствование открытой разработ-
ки месторождений полезных ископаемых». Углетехиздат, 1955.
25. К у ш н а р е в Д. М., Ярушин М. И. Борьба с фильтрацией воды из
каналов методом взрыва. «Гидротехническое строительство», 1956, № 6.
26. Кушнарев Д. М. Результаты взрывания колонковых зарядов элек-
тродетонаторамн короткозамедленного действия. «Горный журнал», 1957, № 5.
27. Кушнарев Д. М., Хрулева И. К. Электродетонаторы коротко-
замедленного действия. Госэнергоиздат, 1958.
28. Кушнарев Д. М. Короткозамедленное взрывание на калийных руд-
никах. «Горный журнал», 1959, № 1.
29. Кушнарев Д. М. Эффективность отбойки скважинами большого
диаметра. «Механизация и автоматизация производства», 1959, № 3.
284
30. Кушнарев Д. М., Бартновский В. В. Повышение производи-
тельности экскаватора при короткозамедленном взрывании. «Химическая про-
мышленность», i960, № 8.
31. Кушнарев Д. М. Укладка ВВ в горизонтальные скважины при
строительстве мелиоративных каналов. «Механизация строительства», 1970,
№ 6.
32. Кушнарев Д. М. Сооружение шахтных колодцев гидровзрывом.
«Водоснабжение и санитарная техника», 1971, № 1.
33. Кушнарев Д. М. Новая технология буровзрывных работ в мелио-
ративном и водохозяйственном строительстве. Обзорная информация ЦБНТИ
Минводхоза СССР, вып. 3, 1971.
34. Кушнарев Д. М., Беликов М. П. Взрывные работы в гидромели-
оративном и сельском строительстве. Стройиздат, 1972.
35. К у з н е ц о в В. М. О форме воронки выброса при взрыве плоского
заряда на поверхности грунта. ПМТФ, 1960, 1962, № 3.
36. Кузнецов В. М., Лаврентьев М. А., Шер Е. Н. О направлен-
ном выбросе грунта при помощи ВВ. РМТФ, 1960, № 4.
37. Косачев М. Н. Ускорить широкое внедрение короткозамедленного
взрывания на рудниках. «Горный журнал», 1959, № 1.
38. Коул Р. Подводные взрывы. ИЛ, 1950.
39. Л о м и з е Д. Е. О нестационарном течении вязкой жидкости между
параллельными пористыми стенками. ДАН СССР, 1957, т. 117, № 3.
40. Ляхов Г. М. Основы динамики взрыва в грунтах и жидких средах.
«Недра», 1964.
41. Мельников Н. В. Использование энергии взрывчатых веществ и
кусковатость пород при взрывных работах. «Горный журнал», 1940, № 5.
42. Миндели Э. О. Буровзрывные работы при проведении горных вы-
работок. Госгортехиздат, 1960.
43. М о с и н е ц В. Н. Энергетические и корреляционные связи процесса
разрушения пород взрывом. Изд. АН КирССР. Фрунзе, 1963.
44. Мудр а гей И. П. Удлиненные заряды выброса. Действие взрыва
в грунте и расчет зарядов. Промстройиздат, 1954.
45. П а т р а ш е в А. Н. и др. Прикладная гидродинамика. Военмориздат,
1970.
46. П о к р.о в с к и й Г. И., Федоров И. С. Действие удара и взрыва
в деформируемых средах. Госстройиздат, 1957.
47. П о к р о в с к ий Г. И. Теоретические предпосылки короткозамедлен-
ного взрывания. В сб.: «Взрывное дело». Углетехиздат, 1958.
48. Радионов В. Н. К вопросу о повышении эффективности взрыва в
твердой среде. В сб.: «Взрывное дело», № 51/8, 1963.
49. Садовский. М. А. Механическое действие воздушных ударных
волн по данным экспериментальных исследований. В сб.: «Физика взрыва»,
№ 1, 1952.
50. Седов Л. И. Методы подобия и размерности в механике. ГИТЛ,
1954.
51. Седоку р К. А. Прохождение каналов в сжимаемых породах взрыв-
ным способом. Киев, 1956.
52. Сытый Н. М., Константинов М., Н., Петров С. П. Исполь-
зование пороховых отходов на земляных работах. Киев, 1946.
53. С ы т ы й Н. М. Строительство шахтных колодцев взрывным методом.
ДАН СССР, ч. 1, 1951.
54. Федоров И. С., Кушнарев Д. М. О деформации разрушения
и уплотнения грунтов под влиянием взрыва. «Гидротехническое строительст-
во», 1953, № 4.
55. X а н у к а е в А. Н. Энергия волн напряжений при разрушении пород
взрывом. Госгортехиздат, 1962.
56. Христианович С. А. Ударная волна на значительном расстоянии
от места взрыва. ПММ, т. XX, вып. 5, 1966.
57. Черниговский А. А. Расчет плоских зарядов. «Недра», 1965.
58. Шемякин Е. И. Расширение газовой полости в несжимаемой уп-
руго-пластической среде. ПМТФ, 1961, № 5.
59. Яковлев Ю. С. Гидродинамика взрыва. Судпромгиз, 1961.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие ; . . ................................... . 3
ГЛАВА I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ УСТРОЙСТВА
ОТКРЫТЫХ КАНАЛОВ ВЗРЫВОМ ШНУРОВЫХ ЗАРЯ-
ДОВ ...................................................... 4
1. Постановка задачи ........... 4
2. Применение теории функции комплексного пере-
менного для решения гидродинамических задач . 7
3. Использование метода конформных отображений
при определении формы цилиндра выброса ... 9
4. Математическая формулировка задачи при взрыве
мелкозаглубленного шнурового заряда (прибли-
женная трактовка вопроса) ....................... 19
5. Определение условного цилиндра выброса при
взрыве зарядов различных конструкций .... 25
6. Построение фактического цилиндра выброса, обра-
зующегося при взрыве непрерывных горизонталь-
ных зарядов...................................... 45
ГЛАВА 11. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТОВ ПО ОПРЕДЕЛЕ-
НИЮ ПАРАМЕТРОВ ОТКРЫТЫХ КАНАЛОВ, ОБРАЗО-
ВАННЫХ ВЗРЫВОМ ШНУРОВОГО ЗАРЯДА ВВ . . . £0
1. Расчет непрерывных зарядов выброса, расположен-
ных вблизи поверхности грунта.................... 60
2. Установление основных параметров условного
и фактического цилиндров выброса при взрыве за-
глубленного заряда............................... 68
3. Оценка результатов опытов по устройству откры-
тых каналов взрывами непрерывных зарядов . . 72
ГЛАВА III. ПРИМЕНЕНИЕ ВЗРЫВОВ НЕПРЕРЫВНЫХ ГОРИ-
ЗОНТАЛЬНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ И ЩЕЛЕВЫХ
ЗАРЯДОВ.............................................. . 76
1. Общие сведения................................. 76
2. Строительство каналов взрывами непрерывных рос-
сыпных зарядов .................................. 77
3. Производственно-экспериментальная проверка ме-
тода строительства открытых каналов взрывами не-
прерывных цилиндрических зарядов................. 78
4. Строительство открытых каналов взрывами непре-
рывных горизонтальных цилиндрических зарядов
выброса.......................................... 80
5. Очистка каналов н водоемов от наносов взрывами
непрерывных горизонтальных цилиндрических за-
рядов ........................................... 89
6. Рыхление мерзлых грунтов взрывами непрерывных
щелевых зарядов.................................. 94
7. Доработка профиля канала, образованного взры-
вом ............................................. 98
8. Технико-экономические показатели строительства
каналов по новой поточно-механизированной тех-
нологии взрывных работ.......................... 100
ГЛАВА IV. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ ГРУНТОВ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАК-
ТЕРИСТИК ВЗРЫВА.......................................... 103
1. Общие сведения................................. ЮЗ
2. Методы определения некоторых физико-механиче-
ских и фильтрационных свойств грунтов .... ЮЗ
286
Стр.
3. Методы оценки энергетических характеристик
взрыва в грунтах............................... 124
4. Определение степени нарушения грунтов при взры-
вах . . . :.................................... 141
ГЛАВА V. ВЗРЫВНАЯ КОЛЬМАТАЦИИ ГРУНТОВ (УПРОЧНЕНИЕ
грунтов гидровзрывом).................................. 145
1. Физическая сущность взрывной кольматации . . 145
2. Общие закономерности распространения ударных
волн в пористых средах....................... 148
3. Взрыв в безграничной среде.................. 152
4. Краевые задачи теории взрыва................ 156
ГЛАВА VI. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ О ВЗРЫВНОЙ КОЛЬМАТА-
ЦИИ ................................................... 160
1. Общие понятия :............................ 160
2. Уравнения неразрывности для случая взрывной
кольматации :.................................. 162
3. Уравнения движения и баланса............... 163
4. Исследование системы уравнений взрывной коль-
матации : :.................................... 165
ГЛАВА VII. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ О ВЗРЫВНОЙ КОЛЬМАТАЦИИ 166
1. Обсуждение постановки задачи, уравнений и гра-
ничных условий при взрывной кольматации . . 166
2. Решение уравнений взрывной кольматации . . 171
3. Фильтрация жидкости через пористую среду после
взрывной кольматации .......................... 178
4. Обобщение результатов для более сложных слу-
чаев .......................................... 181
ГЛАВА VIII. ИССЛЕДОВАНИЕ НА МОДЕЛЯХ ПРОЦЕССА РАЗ-
ВИТИЯ ВЗРЫВА В ДИСПЕРСНЫХ И ЖИДКИХ
СРЕДАХ................................... 183
1. Механизм взрыва в пластичных грунтах . . . 183
2. Методика лабораторных взрывов в грунтовых
моделях...................................... 184
3. Образование полости и распространение волн на-
пряжения в грунтах при взрыве заряда в жидких
цементирующих средах ......................... 189
4. Обзор экспериментальных данных............. 190
ГЛАВА IX ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФИЛЬТРАЦИИ ПРИ
ВЗРЫВНОЙ КОЛЬМАТАЦИИ ...................... 192
ГЛАВА X. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ И МИКРОСТРУК-
ТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ГРУНТОВ ПРИ ВЗРЫВЕ ЗА-
РЯДА В ЖИДКИХ ЦЕМЕНТИРУЮЩИХ СРЕДАХ 196
1. Постановка задачи.......................... 196
2. Исследования изменения физико-механических
свойств грунтов при взрывании зарядов в скважи-
нах, заполненных жидкими цементирующими со-
ставами ...................................... 197
3. Петрографические исследования грунтов после гид-
ровзрывной инъекции............................201
'‘287
ГЛАВА XI. ОБРАЗОВАНИЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ПОЛОСТИ
В ГРУНТАХ ПРИ ВЗРЫВЕ ЗАРЯДА В ЖИДКИХ ЦЕ-
МЕНТИРУЮЩИХ СРЕДАХ .................................... 203
1. Постановка задачи.......................... 203
2. Выбор модели грунта для исследования действия
взрыва........................................ 204
3. Результаты экспериментальных исследований
взрыва зарядов в грунтах и жидких цементирую-
щих средах .....................................220
4. Постановка задачи о взрывной кольматации с уче-
том движения границы раздела....................223
5. Применение способа взрывной кольматации . . 226
ГЛАВА XII. КОРОТКОЗАМЕДЛЕННОЕ (МИЛЛИСЕКУНДНОЕ)
ВЗРЫВАНИЕ ЗАРЯДОВ ВВ ................................... 230
1. Основы теории миллисекундного взрывания . . 230
2. Средства миллисекундного замедления .... 236
3. Схемы расположения и расчет зарядов при милли-
секундном взрывании...............:.............247
4. Применение миллисекундного взрывания зарядов
на открытых разработках ....................... 258
5. Зарубежный опыт применения миллисекундного
взрывания.......................................269
6. Повышение производительности экскаватора при
миллисекундном взрывании ................271
ГЛАВА XIII. ЛОКАЛИЗАЦИЯ ЛЕСНЫХ И ТОРФЯНЫХ ПОЖАРОВ
ВЗРЫВНЫМ СПОСОБОМ ...................................... 274
1. Общие сведения........................ 274
2. Локализация пожара взрывным способом . . . 275
3. Строительство противопожарных водоемов . . 279
4. Организация производства взрывных работ и тех-
ника безопасности ............................. 281
Литература..................................... 284