CN1477271A - 控制加载爆炸挤淤置换法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制加载爆炸挤淤置换法。首先，根据土工计算原理和堤身设计高度，确定堤身抛填高度；根据所述堤身抛填高度和堤身设计断面，确定堤身抛填宽度；根据所述堤身抛填高度和所述堤身抛填宽度，确定堤身自重挤淤深度，及要到达设计断面尚需挤除的淤泥厚度，进而确定爆炸参数；然后进行抛填，在堤头布设群药包，引爆所述的群药包，使堤身下沉、实现挤淤置换；通过加载和爆炸联合的控制，重复进行抛填或补抛及爆炸，直到设计堤身断面形成。根据需要和条件许可还可以进行侧爆和爆夯处理。本发明也可简称为“爆炸置换法”。本发明实现了泥石控制加载挤淤置换，在经济、安全以及环保等方面具有优点。

Description

控制加载爆炸挤淤置换法

技术领域

本发明一般地涉及爆炸处理软土地基的方法，具体地说涉及一种控制加载爆炸挤淤置换法，适用于围堤、防波堤、护岸、滑道、路基等条形基础以及离岸构筑物等工程的软土地基处理，特别地适用于对围堤和防波堤的软土地基处理。

背景技术

在修建围堤、防波堤、护岸等工程时，必须对软土地基进行处理。抛石加载挤淤置换法是常规而简单的一种施工方法，但因理论研究和施工经验的局限，规范规定抛石挤淤只适用于厚度为4米以内的淤泥。而机械清淤等常规的施工方法现在也较少使用。目前常用的施工方法之一是爆炸排淤填石法，其基本步骤是：首先在施工起始端采用陆上抛填，当抛填达到施工设计尺寸时，在抛填体前方水下淤泥质软土地基中埋设群药包。爆炸后使抛填体向前塌落，形成定向滑移的“石舌”，将水下淤泥质软土一次排尽，抛填体塌落于硬土层上。

现有爆炸处理法修筑防波堤等在实际应用中存在一些缺陷，如受爆炸效果的限制和泥、石互动的影响，易造成抛填体最终断面和落底深度难以控制，尤其是在深厚淤泥软基上筑堤时产生堤身落底深度不够，不易甚至不能做到全清淤处理。由于淤泥具有强度低、压缩性高以及透水性低等不利性质，使部分清淤后快速筑堤可能产生失稳和沉降变形过大等工程问题，而且这些只能在施工完毕后才能进行检测。同时，淤泥深厚的情况下，还存在堤身两侧平台不稳定、且坡面理坡工作量大等缺点。

此外，现有爆炸处理软基方法强调一次实现爆炸排淤，使堤身底面达到持力层，这需要的药量较大，而这无论从经济角度，安全性还是环保要求来看，都存在一定的不足。首先，从经济方面考虑，爆炸用药本身成本较大；其次，药量较大的单炮爆破还可能对附近的建筑物造成潜在的危害，这也使该方法的使用受到一定的限制；最后，爆炸产生的大量的有害气体以及噪声等对周围的环境也有不利的影响。

发明内容

本发明的目的是针对上述爆炸处理软基方法的缺陷，提供一种新的用于对软土地基进行处理的控制加载爆炸挤淤置换法，以使所建围堤、防波堤和护岸等，特别是在深厚淤泥软基上的筑堤既能满足设计深度要求，又能使堤身宽度和厚度，尤其是堤身两侧平台宽度和厚度得到保证，减少了坡面理坡工作量，同时又能够改善在成本、安全和环保方面的不足。

本发明针对现有技术中存在的问题，在总结抛石挤淤和爆炸处理软基技术优缺点的基础上，采用对抛填加载和爆炸荷载实施联合控制的手段，使挤淤过程按设计进行。本发明既适用于无覆盖水的软土地基处理，也适用于有覆盖水的软土地基处理。

为实现上述发明目的和解决上述技术问题，本发明采用如下的控制加载爆炸挤淤置换法对软土地基进行处理。其步骤包括：

首先，根据土工计算原理和堤身设计高度，经过分析计算，确定堤身抛填高度，其要点是通过抛填高度参数的控制最大限度地达到挤淤效果，又不至于施工不便和爆后堤顶超高；

根据抛填计算高度值和堤身设计断面，计算堤身抛填宽度值，通过抛填宽度控制，使堤身宽度尤其是堤身两侧平台宽度得到保证；

由抛填高度和抛填宽度计算堤身自重加载所能达到的挤淤深度，确定堤身要达到设计深度还需要挤除的淤泥厚度值；

确定爆炸参数，该爆炸参数包括药包的水平位置、埋深、单药包药量，药包个数以及药包间距等，这通常根据经验和爆炸作用机理决定；

按设计确定的抛填高度和抛填宽度实施抛填；

当抛填进尺达到设计值以后，按照上面确定的爆炸参数，在堤头布设群药包，然后引爆所述药包使堤身下沉进行挤淤置换；抛填进尺通常是根据软土地基性质、堤身结构和抛填体质量等实际情况确定的一个适当的数值。

然后，再次向前抛填推进，并对已经实现部分挤淤置换的堤身进行补抛使堤身达到或重新达到设计确定的抛填高度和宽度，再次布设和引爆群药包，使堤身下沉进行挤淤置换。重复进行上述步骤，使堤身整体累积下沉，直到堤身落底断面达到设计高度和设计深度(挤淤深度)，但是该设计深度并不要求堤身最后一定落在坚实的持力层上。

也就是说，在上述“控制加载爆炸挤淤置换法”中，从抛填起始位置开始，抛填形成第一堤身段(长度等于抛填进尺，下同)，在抛填后的第一堤头埋设药包、爆炸，进行挤淤置换，使第一堤身段下沉，下沉量为D₁；接着，对进行挤淤置换后的第一堤身段进行补抛，并继续抛填向前方推进，形成第二堤身段和新的堤头，在堤头埋设药包、爆炸，进行挤淤置换，此次不但导致第二堤身段下沉实现挤淤置换，在条件不变的情况下，其下沉深度等于D₁，而且使第一堤身段也再次挤淤置换，下沉量为D₂(通常D₂＜D₁)，继续下沉更接近设计深度，但是下沉量小于第一次爆炸挤淤的量；接着，对已经完成的堤身段(此时为第一和第二堤身段)进行补抛，并继续抛填向前方推进，形成第三堤身段和新的堤头，在堤头埋设药包、爆炸，进行挤淤置换，如同前面的第二堤身段的爆炸，此次爆炸不但导致第三堤身下沉实现挤淤置换，下沉量等于D₁，而且使第二和第一堤身段继续下沉实现挤淤，它们的下沉量分别为D₂和D₃(通常D₃＜D₂)，堤身更接近设计深度；如此进行“抛填(及补抛)-爆炸”的过程，向前推进得到第四堤身段和第五堤身段......，分别在进行第四次和第五次......爆炸挤淤置换后，不但使对应的堤身段下沉，而且使其前面的已经进行了部分挤淤置换的各个堤身段继续下沉，逐渐接近设计深度。在这些顺次的爆炸挤淤置换中，第一堤身段的下沉量分别为D₄，D₅......(通常......＜D₅＜D₄＜D₃)，而第二堤身段分别为D₃，D₄......，等等。但是通常说来，对于某个具体的堤身段而言，在经过如上述从该段开始的一定次数的后续循环以后，堤身逐渐逼近设计深度过程中，下沉挤淤置换量逐渐趋于0，即D_i→0，因此也可以认为，在一定次数后，该堤身段达到设计深度。对堤身的某个具体的位置而言，达到设计断面和设计深度所需的抛填和爆炸次数通常由环境参数(例如，淤泥的物理力学参数等)以及工程参数(例如，抛填进尺等)所决定。在上述过程中，以抛填和爆炸作为联合加载，不但实现了挤淤置换，而且对工程拥有更多的控制。

本发明还包括，爆炸挤淤置换的堤身向前延长一定长度或堤身全部完成后，根据需要在堤身的一侧或两侧埋设药包进行侧面挤淤，使堤身两翼的宽度和厚度满足设计要求。一次侧爆处理的长度，可视爆破环境、堤身完成长度和软土地基性质等工程具体情况而定。

本发明还包括，在对堤身进行处理以后，根据需要和条件许可，再进行侧面坡脚爆破夯实处理；即，在水下块石表面布置裸露或悬浮药包，利用水下爆破产生振动使堤身坡脚得到密实，以确保堤身两翼平台的密实度和稳定性。

为了更好地实现本发明，通常在每一次抛填、爆炸挤淤后，对堤坝的断面应用自沉和爆沉累积计算法，估算堤身落底深度，将爆炸前后断面(包括淤泥包)的形状进行对比，以便为后续步骤提供数据。

在本发明中，根据相关爆炸参数在堤头布设药包时，不仅仅是在堤头的正前方布设药包，根据需要也可能在堤头两侧布设药包，也即，在堤头布设药包，优选的是在堤头前方的包络面上布设药包，以保证爆炸后，达到堤头整体下沉的效果。其中，应根据实际情况确定药包的埋深，例如，在有覆盖水的情况下或淤泥松软的情况下，可以将药包直接置于泥面上即可，而在设计挤淤深度较大或淤泥较粘时，可以将药包置于泥面以下，该埋深值通常为尚需爆炸挤除的淤泥厚度(D-D₀)的0～0.8倍。通常，在施工工艺许可的条件下(例如，在布药时不致损坏布药器具)，药包的水平位置，应尽可能地靠近抛填体的泥石交界处，通常该距离小于4米，最好小于2米。在堤身两侧布设的单药包重量、药包间距和药包埋深，可以根据在堤头布设的单药包重量、药包间距和药包埋深，乘以一个系数得到，该系数根据工程的实际情况确定，通常为0.5～1.2。而且，爆炸参数在整个工程进行中，并非一成不变，尤其是在地质条件不均一的情况下，有可能根据堤身所达到位置的具体情况对爆炸参数进行修正。

本发明对抛填起始位置没有限制，既可以从陆上开始抛填，也可以从水上开始抛填。在有覆盖水的情况下，抛填体既可露出水面，也可潜于水下。抛填方向可以是始终沿着一个方向进行，也可以中间某个位置开始向两侧进行。在施工进行中，根据实际情况，选择不同的布药工艺，如采用水上布药器，包括人工布药器、旋转装药器、套管水冲装药器、水冲加压式装药器和振动式装药器等；如陆上布药器，包括陆上振动式布药器和陆上反压式布药器等。

在本发明中，土的物理力学性质是内因，抛填加载和爆炸是使挤淤过程得以完成的附加外载。通过抛填加载的控制和爆炸载荷的控制，使挤淤过程按设计进行，确保堤身达到设计断面，满足质量要求。因此，本发明被称之为“控制加载爆炸挤淤置换法”，简称“爆炸置换法”。

下面通过列举实施例并结合附图，对本发明的特征和功效作进一步地说明。

附图说明

图1是本发明实施例的堤头爆炸挤淤置换横断面示意图；

图2是本发明实施例的堤头爆炸挤淤置换纵断面示意图；

图3是本发明实施例的堤头爆炸挤淤置换推进过程示意图；

图4是本发明实施例的第一次爆炸挤淤置换后堤头的断面示意图；

图5是本发明实施例的堤身多次爆炸挤淤置换后的断面示意图；

图6是本发明实施例的堤身侧爆处理后的断面示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施例进行详细地说明。在这个实施例中，采用了部分置换的“悬浮式”方案，即不要求堤身落在坚实的持力层上。

首先根据土工计算原理和堤身设计高度，确定堤身抛填高度。然后根据抛填高度和堤身设计断面计算堤身抛填宽度，由抛填高度和抛填宽度计算堤身自重挤淤深度，及尚需爆炸挤除的淤泥厚度。

如图1所示，挤淤置换总深度D，即抛填体1在软土地基2中的设计深度，应满足如下关系：

        D＝D₀+∑D_i-λH(i＝1～N)           (1)式中：H为抛填体总厚度(H＝D+h)(米)，

h为原泥面以上堤身高度(米)，

D_i为每次爆炸引起的堤顶下沉量(米)，

λ为堤身密实压缩系数，通常为8-15％。

而自重挤淤深度D₀可通过如下公式确定：

  [(2+π)C_u+2γ_sD₀+(4C_u+γ_sD₀)D₀/B+2γ_sD₀3/(3B²)]/γ＝h+D₀  (2)式中：B为堤顶抛填宽度(米)，

C_u为淤泥抗剪切强度(kPa)，

γ_s、γ为分别为淤泥和填料重度(kN/m³)。

图2为本发明实施例的堤头爆炸挤淤置换纵断面示意图，其中，轮廓线3为爆前堤顶断面，轮廓线4为爆后堤顶断面。爆炸作用产生的堤顶累积的下沉量可满足如下关系：

       D_i＝D₁+(x-x_i)³/[α+β(x-x_i)³]                 (3)式中：(x-x_i)为堤头至测点的距离(米)，测点即堤身上对应于相应D_i值的位置。α、β为经验值，通常根据工程的具体情况(例如，淤泥性质、堤头设计尺寸等)来确定。

堤头爆破下沉高度D₁(米)，应满足如下关系：

             D₁＝K₁(D-D₀)                            (4)其中，K₁＝0.2～0.6，D为挤淤总深度，(D-D₀)为要达到设计断面尚需爆炸挤除的淤泥厚度(米)。

然后，根据经验和爆炸作用机理，确定爆炸参数，即群药包的水平位置、埋深、单药包药量、药包个数以及药包间距等。其中，堤头的爆破单药包重量Q应满足如下关系：

                 Q＝K₂bD₁ ²(kg)                       (5)式中，K₂＝0.2～0.4，b为每炮进尺(米)，D₁为堤头爆炸下沉高度；堤头布设药包的间距a应满足如下关系：

           α＝1.4·K₃·(0.062Q^1/3)(米)              (6)式中，K₃＝8～12，Q单药包重量，0.062Q^1/3值为球形药包的半径；药包埋深d应满足如下关系：

                  d＝K₄(D-D₀)                   (7)其中，K₄＝(0～0.8)，D为挤淤总深度，D₀为自重挤淤深度。

在堤头的包络面上布设药包，药包的个数M应满足如下关系：

                   M＝M₁+M₂式中，M₁为堤头前面所布设的药包个数，M₂为堤头两侧所布设的药包个数，M₁和M₂应分别满足如下关系：

            M₁＝int[K₅(B+B_m)/a]+1               (8)

            M₂＝2int[K₆b/a]                     (9)式中，B_m为堤身在泥面处的宽度，K₅和K₆为经验系数，其值分别为(0.4～0.8)和(1.0～1.5)，a为药包间距，b为每炮进尺。

然后，如图3所示，按上述确定的抛填宽度和抛填高度进行抛填。当进尺(b≈4～10米)达到设计值以后，在堤头按爆炸参数在包络面上、泥面以下适当的位置埋设群药包。然后，引爆药包，进行泥石置换，实现挤淤。堤头下沉量为D₁(在图2中示出)。但是此次，爆炸挤淤并不要求堤头底面达到总的挤淤深度。

在图3中，轮廓线31为爆后堤顶高程；轮廓线32为堤头爆后补抛纵断面；轮廓线33为爆后纵断面；轮廓线34为淤泥包形状。

对爆后的堤头进行补抛，并同时继续抛填向前推进。补抛并进行爆炸后的原堤头位置T₁(在图3中示出)的断面如图4所示，其中实线轮廓41为爆炸前堤头抛填自沉断面，虚线轮廓42为堤头爆后沉降断面。

堤身再次抛填达到设计进尺和抛填宽度和高度后，在堤头前的包络面上和泥面下适当的位置埋设群药包，然后再次爆破实施挤淤置换。在此次爆炸的作用下，原堤头位置T₁的堤身能够再次实现挤淤，但是此次挤淤深度已经小于第一次爆炸的挤淤深度。然后依上述“抛填-爆炸-抛填”循环进行，直至达到设计堤身长度，在多次循环作用和控制下堤身累积下沉，逐渐接近设计深度，如图3和图5所示。位置T₁的挤淤深度每次相对前一次会有所减少。累积下沉量为∑D_i。根据∑D_i估算堤身爆炸挤淤深度。

此时，原堤头位置T₁的堤身的断面如图5所示，图中示出了多次累积下沉的效果。轮廓线51为第一次堤头爆后补抛堤顶；轮廓线52为第二次堤头爆后补抛堤顶；轮廓线53为第一次堤头爆后泥下断面；轮廓线54为第二次堤头爆后泥下断面；轮廓线55为多次堤头爆后泥下断面(侧爆之前)。

当堤身向前延伸一定长度以后，在堤身两侧布设药包进行侧爆处理。进行此次侧爆处理后，原堤头位置T₁的断面如图6所示，其中，轮廓线61是侧爆前补抛断面；轮廓线62是侧爆后堤底断面；轮廓线63是侧爆后补抛断面。此时，堤身仍有下沉。可以作为对上述堤身挤淤置换处理的补偿，同时，也能确保堤身断面的完整形成。然后再进行补抛，以得到符合设计要求的、外形规整的堤身。

侧爆完成后，可以再进行两侧坡脚爆夯，以确保两侧平台的密实度和稳定性。如果因为淤泥包较高、坡脚无覆盖水而不能进行爆夯，则将药包埋设于外侧泥中，再进行一次爆炸处理。

本发明与现有技术中的爆炸处理法相比，因采取加载和爆炸联合控制方法，使其适用范围更加广泛，尤其适用于对深厚软土地基的处理。由于不要求一次抛填、爆炸就挤淤置换到设计深度或持力层，而采用多次、逐步地抛填、爆炸达到设计挤淤深度或持力层，因此，每一次用药量减少、而且总的用药也减少，降低了工程成本；同时，用药量的减少提高了施工安全性，降低了对环境的影响；而且，爆炸处理后的理坡工作量也明显减少。另外，在上述的“抛填-爆炸-抛填”的循环过程，可以随时评估施工质量，对工程过程的控制得到加强，从而实现既保证施工质量又能达到经济实用的目的。

但是，应该明白的是，上面所述的实施例以及其中所采用的具体参数仅是为了人们更好地理解本发明，因此是仅起到说明性的作用，而不是对本发明保护范围进行限制。

Claims (10)

1、一种用于处理软土地基的控制加载爆炸挤淤置换法，包括如下步骤：

a.确定堤身抛填高度；

b.根据所述堤身抛填高度和堤身设计断面，确定堤身抛填宽度；

c.根据所述堤身抛填高度和所述堤身抛填宽度，确定堤身自重挤淤深度，及要到达设计断面尚需挤除的淤泥厚度；

d.确定爆炸参数；

e.进行抛填；

f.在堤头布设群药包，然后引爆所述的群药包，实施堤头爆炸，使堤身下沉进行挤淤置换；

然后，重复进行步骤e、f，直到堤身设计断面形成。

2、如权利要求1所述的控制加载爆炸挤淤置换法，其特征在于，在步骤f中，在整个堤头包络面上布设群药包。

3、如权利要求1或2所述的控制加载爆炸挤淤置换法，其特征在于，还包括步骤：

g.在进行堤头爆炸处理后的堤身侧面布设药包，进行侧爆处理。

4、如权利要求1或2所述的控制加载爆炸挤淤置换法，其特征在于，还包括步骤：

h.对进行所述堤头爆炸处理后的堤身进行爆夯处理。

5、如权利要求1所述的控制加载爆炸挤淤置换法，其特征在于，步骤c中的所述自重挤淤深度D₀通过如下公式确定：

[(2+π)C_u+2γ_sD₀+(4C_u+γ_sD₀)D₀/B+2γ_sD₀3/(3B²)]/γ＝h+D₀

其中，B为堤顶抛填宽度，h为泥面以上堤身高度，C_u为淤泥抗剪切强度，γ_s、γ分别为淤泥和填料重度。

6、如权利要求1所述的控制加载爆炸挤淤置换法，其特征在于，所述的堤头爆破下沉高度D₁应满足如下关系：

                    D₁＝K₁(D-D₀)

其中，K₁＝0.2～0.6，D为挤淤总深度。

7、如权利要求1所述的控制加载爆炸挤淤置换法，其特征在于，步骤f中所述的堤头爆炸所布设的药包中的单药包重量Q应满足如下关系：

                    Q＝K₂bD₁ ²(kg)

其中，K₂＝0.2～0.4，b为每炮进尺，D₁为堤头爆破下沉高度。

8、如权利要求1所述的控制加载爆炸挤淤置换法，其特征在于，步骤f中所述的堤头爆炸药包的间距a和埋深d应满足如下关系：

               a＝1.4·K₃·(0.062Q^1/3)

                   d＝K₄·(D-D₀)

其中，K₃＝8～12，Q为单药包重量，0.062Q^1/3值为球形药包的半径，K₄＝0～0.8，D为所述挤淤总深度，D₀为所述自重挤淤深度。

9、如权利要求1或2所述的控制加载爆炸挤淤置换法，其特征在于，步骤f中所述的堤头爆炸布设的药包的个数M应满足如下关系：

                    M＝M₁+M₂

其中，M₁为堤头前面所布设的药包个数，M₂为堤头两侧所布设的药包个数，M₁和M₂应分别满足如下关系：

               M₁＝int[K₅(B+B_m)/a]+1

                  M₂＝2int[K₆b/a]

其中，B_m为堤身在泥面处的宽度，K₅＝0.4～0.8和K₆＝1.0～1.5，a为药包间距，b为每炮进尺。

10、如权利要求1或2所述的控制加载爆炸挤淤置换法，其特征在于，所述在堤身两侧布设的单药包重量、药包间距和药包埋深分别为所述的堤头爆炸布设的单药包重量、药包间距和药包埋深的0.5～1.2倍。