7. Особенности взрыва в грунте и воде

7.1. Характерные особенности грунтов

Исследование взрыва в грунте осложняется тем, что структура и свойства грунтов (горных пород) меняются в широких пределах. Грунты могут быть сыпучими, пластичными, хрупкими; их удельный вес и особенно прочность существенно различаются.

Специфические трудности возникают также при экспериментальном определении параметров УВ в твердой среде. Ударные волны в грунте могут иметь несколько необычный профиль, в частности, пологий фронт. Скорости распространения в грунте могут быть меньше звуковых. Помимо продольных волн, возникающих в воздухе и в воде, в твердой среде возникают также волны поперечного сдвига, которые обычно распространяются со скоростями несколько меньшими продольных. Наконец, на поверхности раздела возникают и распространяются своеобразные поверхностные волны.

Запись (t) в грунте может быть получена с помощью пьезодатчиков или тензодатчиков, однако применять их надо с особым вниманием и осмотрительностью. Так, при введении датчиков в грунт, связанным с нарушением его сплошности, запись (t) может быть настолько искажена, что станет совершенно непохожа на ударную волну, идущую по сплошному грунту. Однако, в настоящее время существуют довольно надежные методы записи (t), особенно в сыпучих и пластичных грунтах.

7.2. Зоны действия и разрушающее действие взрыва в грунте

Результат воздействия взрыва на среду обычно принято описывать тремя зонами:

• зоной вытеснения;

• зоной разрушения (слой раздавливания);

• зоной разрывов (слой «радиальных трещин»);

• и зоной сотрясения (сейсмические возмущения).

При взрыве в сплошной пластичной среде образуется полость, объем которой зависит от веса заряда и свойств среды. Другими словами, это область, из которой продукты взрыва высокого давления полностью вытеснили грунт, образовав полость (так называемый «котел»).

Картина деформаций и разрушений, получающихся при действии взрыва на большинство горных пород (схематически) представлена на рис.7.1.

R₁

R_p

R_в

Рис.7.1. Схема разрушающего действия взрыва в среде (расположение зон): 1 – зона вытеснения («котёл»); 2 – зона разрушения (среда-грунт-разрушен); 3 – зона разрывов (слой «радиальных трещин»); 4 – зона сотря-

сения (сейсмические возмущения)

В центре очага взрыва обычно образуется полость (R_В), из которой вещество среды «выжато» высоким давлением (зона вытеснения). К полости примыкает зона раздавливания (R_P), в которой среда (грунт) полностью разрушен интенсивной волной сжатия. К зоне раздавливания примыкает зона разрывов (слой «радиальных трещин» (R₁). В этой зоне волна сжатия уже не может раздавить материал среды, но он начинает двигаться в направлении распространения волны; в среде возникают растягивающие напряжения, которые и вызывают появление радиальных трещин (известно, что горные породы значительно легче разрушаются при растяжении, чем при сжатии). Далее на значительных расстояниях от очага взрыва среда не разрушается, но в ней распространяются сейсмические возмущения (зона сотрясения – 4, рис.7.1) – сложные колебания, включающие продольные, поперечные, а также поверхностные волны. Эти колебания могут вызвать разрушение сооружений, находящихся в грунте, или на его поверхности.

Сейсмически безопасные расстояния могут быть оценены по формуле

,

где – коэффициент, зависящий от свойств грунта.

Разрушение среды растягивающими усилиями может быть весьма существенно увеличено, если свободная поверхность среды расположена ближе к поверхности.

При отражении от свободной поверхности волна сжатия трансформируется в волну растяжения; если волна достаточно интенсивна, то это приводит к разрушению среды в значительном объеме, имеющем форму перевернутого конуса (рис.7.2).

Рис.7.2. Схема разрушающего действия взрыва вблизи от свободной поверхности

Рис.7.3. Схема выброса при взрыве

Если расстояние от заряда до свободной поверхности W еще меньше, то большая часть разрушенной среды выбрасывается при взрыве наружу – вверх и в стороны; образуется воронка выброса (рис.7.3). Как взрывание для дробления (рыхления), так и взрывание на выброс широко используется в практике горного дела. Заряд (в кг), необходимый для выброса, обычно рассчитывают по формуле, представляющей собой частный вывод закона подобия при взрыве:

С = k · W³ · f(n),

где f(n) = 0,4 + 0,6n³; k – зависит от свойств среды (грунта); f(n) – от вида образуемой воронки (от соотношения ее радиуса r · k· W; если r/W = т = 1, то f(n) = 1).

Значение k колеблется от 1,0 для слабых грунтов до 2,0…2,5 для самых прочных гранитов, базальтов и пр.

Заряд рыхления может быть рассчитан по формуле

С = 1/3· k · W³ .

Действие взрыва на среду может быть изменено и усилено разными способами. Если в среде заложено несколько зарядов, то, взрывая их в соответствующие моменты времени, можно управлять разрушающим действием взрыва, в частности, получать направленный выброс, при котором отброс среды происходит преимущественно в заданном направлении. Весьма сильной формой направленного взрыва является кумулятивное действие, получаемое от зарядов, снабженных специальной выемкой с тонкой металлической облицовкой. Образующаяся при взрыве кумулятивного заряда кумулятивная струя обладает сильнейшим пробивным действием.