Методика лабораторных взрывов в грунтовых моделях

Явления, происходящие при взрыве, настолько сложны, что до сих пор нет достаточно удовлетворительной теории, объясняющей физический процесс взрыва в грунтах. Различные структуры скелета грунта, водонасыщенность, состав грунта и многие другие факторы затрудняют составление и решение соответствующих уравнений. Для математического описания процессов приходится применять различные идеализации и упрощения. В связи с этим большое значение приобретают лабораторные исследования, которые позволяют создавать упрощенные модели и получать полуэмпирические зависимости.

Проведению цикла исследовательских работ по взрывной кольматации грунтов в полевых условиях предшествовала серия лабораторных опытов на моделях в аналогичных грунтовых средах. Выполнение экспериментальных работ в полевых условиях без предварительной оценки параметров взрыва и водно-физических свойств грунтов связано с большими трудностями. Кроме того, непосредственно на месте производства работ можно 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 расположения зарядов. Таким образом, действие взрыва в грунтах можно оценить лишь путем исследований на моделях при условии соблюдения принципов энергетического и геометрического подобия.

Теоретическими работами в области действия ударных волн в различных средах (Л. И. Седов, Г. И. Покровский, И. С. Федоров, Я. Б. Зельдович, А. С. Компанейц и др.) в последние годы установлена математическая закономерность подобия динамических процессов удара и взрыва в лабораторных условиях на моделях. Используя основные законы подобия и методы моделирования, изучены, например, распределение напряжений и действие ударных волн, состав грунта до и после взрыва в зависимости от диаметра, величины и типа зарядов взрывчатых веществ. При выполнении опытных работ в лабораторных условиях в первую очередь был выработан масштаб модели.

Для геометрического подобия и подобия напряженного состояния в образцах следует выполнить ряд условий. Рассмотрим их с точки зрения разных авторов, которые исходили из различных концепций. Так, Г. И. Покровский и И. С. Федоров рассматривают моделирование взрыва с точки зрения термодинамического критерия подобия и размерности. Для установления подобия таких процессов они использовали первый и второй законы термодинамики.

Известно, что при взрыве заряда взрывчатого вещества не вся энергия расходуется на полезную работу, так как часть ее идет на нагревание, а часть теряется в порах и трещинах окружающей среды. Принимая, что при постоянной температуре внутренняя энергия не зависит от объема, Г. И. Покровский и И. С. Федоров вывели условие подобия системы:
В соответствии с поставленной задачей моделированию подлежали удлиненные горизонтальные и вертикальные цилиндрические заряды. Скорость смещения частиц определяется экспериментально путем замера с помощью приборов.

Для определения основных параметров взрывных работ с последующим перенесением полученных результатов (на основании принципов подобия) в натурные условия в качестве образцов использовали породы исследуемого массива — суглинки, глины, пески и торфяники.

Вместо использования громоздких взрывных камер исследования взрыва проводились на призматических образцах породы, помещаемых в малогабаритную стендовую установку (80х80х х80 см). В лабораторных работах стендовая установка использовалась как модель микрокамеры для обработки основных показателей взрыва и физических характеристик породы: скорости ударных волн, массовой скорости движения частиц породы, физико-механических изменений и фильтрационных свойств грунта, напряжения внутри и на поверхности образца и т. д.

Стендовая установка (рис. 75) представляет собой разборный каркас из прозрачного материала (оргстекла, пластмассы и т. д.), стенки которого скреплены между собой двумя металлическими обручами; верхняя часть каркаса остается открытой.

После того как исследуемый образец массива помещен в каркас и закреплен, размещают датчики в специально приготовленных отверстиях в стенках каркаса и производят микровзрыв в блоках.

Данные, полученные в результате экспериментальной проверки выдвинутой нами теории кольматации дисперсных сред в условиях естественного залегания грунта, позволили точнее оценить действие взрыва по упрочнению и повышению антифильтрационных свойств грунтов.

Для определения скорости ударной волны сжатия (волновой скорости) на границах открытой поверхности и в глубине модели устанавливают пьезоэлектрические датчики марки ЦТС-19 в крайних точках и непосредственно вблизи заряда в вертикальных и горизонтальных имитированных скважинах. Данные измерения импульсов указывают в таблице.

В зависимости от диаметров цилиндрических зарядов, водно-физических и упругих свойств грунта до и после взрыва составляют осциллограммы скоростей смещения пород. По результатам исследований вычерчивают графики изменения массовой скорости, плотности, напряжения и влажности грунта в зависимости от диаметра скважин, структуры грунта и радиуса действия взрыва.

Наряду с основными показателями взрыва на тех же моделях исследуют физико-механические и фильтрационные свойства образцов грунтов по известным в гидротехнике методам.