Применение щадящего взрывания при устройстве оснований, фундаментов зданий и возведении сооружений

В настоящее время положение в области промышленно-гражданского и гидротехнического строительства характеризуется значительным возрастанием объемов реконструкции зданий и инженерных сооружений и одновременно заметным ростом объемов нового строительства.

Наметившаяся тенденция изменения районов размещения объектов крупного гидротехнического и энергетического строительства, перемещение строительства этих объектов в регионы Севера и Сибири требует внедрения нетрадиционных технологий, в частности новых эффективных и одновременно щадящих технологий разрушения прочных полускальных, скальных и мерзлых грунтов. Чрезвычайно актуально применение технологий осторожного взрывания в условиях плотной городской застройки. Здесь наиболее сложные задачи приходится решать при реконструкции уже деформированных зданий и инженерных сооружений.

Обоснование новых технологий разработки котлованов, устройства оснований, разного рода траншей для прокладки коммуникаций в скальных и мерзлых породах, проходки подземных выработок при строительстве метро и коллекторных тоннелей, а также эффективных методов разрушения и ликвидации старых бетонных и железобетонных конструкций, в том числе фундаментов, является актуальной задачей. При этом необходимо более глубоко и детально исследовать процессы разрушения горных пород и грунтов, формирование и распространение волн напряжений при взрыве зарядов из существенно различных типов взрывчатых веществ (ВВ), включая пиротехнические газогенерирующие составы, обеспечивающие квазистатический характер нагружения полости зарядной камеры с образованием экологически чистых продуктов взрывчатого превращения при реализации осторожного (щадящего) разрушения породы или конструкции.

Основной целью данной работы является совершенствование существующих и разработка новых технологий осторожного (щадящего) разрушения горных пород, грунтов и искусственных массивов для повышения эффективности и безопасности (в том числе экологической) производства взрывных работ в строительстве. В первую очередь при сооружении и реконструкции гидротехнических и энергетических объектов с большими объемами подготовки оснований, устройства котлованов, траншей, подземных выработок с обеспечением «гладких» поверхностей выработок, максимально близких к проектным контурам, а также при уплотнении и упрочнении водонасыщенных грунтов с использованием энергии взрыва.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

— обосновать феноменологическую модель разрушения горных пород и искусственных массивов для случая осторожного (щадящего) взрывания;

— установить критериальные значения напряжений и скоростей, развивающихся при взрыве зарядов ВВ, обеспечивающие безразлетное разрушение горных пород и искусственных массивов при минимизации сейсмовзрывных и ударновоздушных волн (СВВ, УВВ);

— усовершенствовать методику расчета параметров волн напряжений для конструкций зарядов цилиндрической формы с водяными и воздушными радиальными зазорами;

— выполнить оптимизацию параметров буровзрывных работ (БВР), осуществляемых по технологии осторожного взрывания;

— обосновать эффективную и экологически чистую технологию осторожного взрывания для разрушения горных пород, грунтов и искусственных массивов при подготовке оснований и устройстве фундаментов в промышленно-гражданском и гидротехническом строительстве.

При выполнении работы использовался комплексный метод исследования, включающий анализ и обобщение данных теории и практики технологии безразлетного, щадящего и осторожного взрывания, экспериментальное исследование разрушения твердых сред при взрыве, математическое моделирование (на ЭВМ) амплитудно-временных параметров волн напряженийприменение люминесцентной микроскопии для декорирования микродефектов и визуального наблюдения характера разрушения и разлета осколков, регистрацию сейсмовзрывных и ударных воздушных волн (СВВ, УВВ) методом пьезометрии, скоростной и сверхскоростной фоторегистрации явлений разрушения и разлета.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Обоснована феноменологическая модель и концепция осторожного разрушения грунтов (горных пород) оснований и горных массивов, а также искусственных материалов (бетон, кирпич и др.) при минимизации энергозатрат на разрушение.

2. Экспериментально исследован режим изменения напряжений в породе при взрыве заряда ВВ и в результате впервые зарегистрировано формирование в породе полочкообразного импульса напряжения, отражающего квазистатический характер нагружения полости зарядной камеры при взрыве заряда малоплотного ВВ.

3. Установлены критериальные инвариантные значения скоростей и относительных величин деформаций, при которых происходит процесс дезинтеграции горных пород, искусственных материалов без разлета их отдельностей, исходя из условия минимизации энергозатрат на разрушение.

4. Разработана методика расчета параметров волн напряжений в однородных и слоистых средах, представленных горными массивами, основаниями зданий и инженерных сооружений, фундаментами из искусственных и естественных материалов, имеющих трещины и границы раздела между слоями.

5. Разработана методика расчета параметров буровзрывных работ для осторожного взрывания горных пород и искусственных массивов при разработке выемок, котлованов и подземных выработок заданного профиля, выколке блоков определенного размера, получении горной массы определенного грансостава, при усилении оснований и устройстве свайных фундаментов с камуфлетным уширением.

Полученные результаты используются в С.-Петербурге, Ленинградской области и в Северо-Западном регионе при строительстве и реконструкции гидротехнических объектов, при подготовке оснований и устройстве фундаментов различных зданий и инженерных сооружений, при сооружении стволов и тоннелей линий метро и коллекторных тоннелей города, а также при прокладке различных коммуникаций в зонах плотной застройки, реставрации мостов и архитектурных памятников. Кроме того, результаты исследований могут быть использованы при чтении курсов лекций по дисциплинам «Основания и фундаменты», «Подземные сооружения», при подготовке инженеров-строителей.

В диссертации разработаны рекомендации по применению осторожного взрывания при разработке котлованов, подготовке оснований промышленно-гражданских и гидротехнических сооружений (ГТС) при разработке карьеров для получения строительных материалов заданного грансостава, а также при устройстве подземных выработок различного назначения, при реконструкционных работах в условиях плотной городской застройки.

На защиту выносятся следующие научные положения:

— установлено, что управление газодинамическими процессами в полости зарядной камеры можно осуществлять путем изменения плотности взрывчатых веществ, режимов взрывчатого превращения или использованием конструкций зарядов с воздушными, водяными радиальными зазорами и полостями, а также при переходе от ВВ к пиротехническим газогенерирующим составам, которые обеспечивают дезинтеграцию разрушаемого объекта и практически исключают перемещение и разлет образовавшихся отдельностей;

— экспериментально доказано, что при взрыве заряда малоплотного ВВ нагружение полости зарядной камеры носит квазистатический характер при формировании в породе полочкообразного импульса напряжения;

— показано, что осторожное взрывание при разрушении грунтов оснований и горных массивов, материала фундаментов зданий и инженерных сооружений обеспечивается при значении массовой скорости на границе раздела в пределах длины Л.Н.С., равной 2 м/с, при остаточном давлении в полости зарядной камеры на момент достижения трещинами границы близким к атмосферномупредложен метод расчета параметров волн напряжений в горной породе и искусственном материале при взрыве и параметров БВР позволяющий прогнозировать разрушение при минимальных энергозатратах.

Основные положения диссертационной работы докладывались на Международном горно-геологическом форуме «Минерально-сырьевые ресурсы стран СНГ» (г. Санкт-Петербург, 1999 г.), на 4-ой (23−27 июня 1999 г.) и 6-ой (11−16 июня 2001 г.) Международных конференциях «Экология и развитие Северо-Запада России», Международной конференции «Взрывное дело» 2002 г. (г. Москва) и др. Работа докладывалась в СПбГПУ на объединенном семинаре кафедр ГТС, ПСОиФ и ТО и ЭС.

Основное содержание диссертации опубликовано в 5 печатных работах. Материалы исследований изложены в 5 главах диссертации.

В главе 1 дан обзор и анализ технологий буровзрывных работ при строительстве и реконструкции промышленно-гражданских и гидротехнических сооружений (котлованы, траншеи, подземные камеры, подходные выработки, дороги и т. п.) — при подготовке оснований и устройстве фундаментов зданий и сооружений в условиях плотной застройки города и рассматриваются перспективы использования энергии взрыва при уплотнении водонасыщенных грунтов, при взрывании различных горных пород, старых и подлежащих реконструкции фундаментов.

В главе 2 приведены методика и результаты физического моделирования действия взрыва в грунтах, горных породах и искусственных массивах. Исследованы закономерности формирования и распространения взрывных волн в горных породах и бетонных массивах и дано обоснование метода расчета параметров вон напряжений при взрыве различных зарядов ВВ.

Глава 3 посвящена разработке методики расчета массы зарядов при осторожном (щадящем) взрывании. Дан краткий обзор методов расчета массы зарядов дробления и выброса. Приводится концепция формирования воронки взрыва зарядов рыхления и алгоритм расчета линии наименьшего сопротивления (ЛНС).

В главе 4 дан анализ современного состояния технологии осторожного взрывания на объектах промышленно-гражданского и гидротехнического строительства. Приводятся методика и результаты экспериментального исследования эффекта газогенерации и его применения для осторожного дробления пород, уплотнении грунтов и разрушении отдельных конструкций. Предложены пути совершенствования технологии осторожного взрывания на основе применения гидровзрывного способа разрушения горных пород, грунтов и фундаментных конструкций.

В главе 5 предложена методика расчета параметров БВР при осторожном взрывании на основе использования малоплотных зарядов и различных пиротехнических составов. Приводятся результаты промышленной апробации технологии щадящего взрывания, дана оценка эффективности и экологической безопасности ее применения.

Завершается диссертация основными выводами по работе.

Автор выражает искреннюю благодарность коллективу кафедры «Подземные сооружения, основания и фундаменты» СПбГПУ, возглавляемой д.т.н., проф. Бугровым А. К., оказавшему неоценимую помощь в работе над диссертацией, а также соавторам — доктору технических наук, профессору Боровикову В. А., ФТИ им. Иоффесотруднику ГИПХ Кирсановусотрудникам СПбГТИ Рыскунову A.A. и Стояновой Т.В.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Взрывы зарядов ВВ находят широкое применение в геотехническом строительстве, при возведении и реконструкции промышленно-гражданских и гидротехнических объектов. Взрывы эффективно используются при разработке подземных выработок, котлованов, траншей, каналов, при разработке карьеров для получения камнеблоков, горной массы и т. п.

В настоящее время установлены закономерности формирования и распространения волн напряжений при взрыве различных по действию и форме зарядов ВВ, сформулированы основные принципы щадящего (осторожного) взрывания. К перспективным и эффективным способам осторожного взрывания относят способы, использующие заряды малоплотных ВВ, взрывающиеся в режиме низкоскоростной детонациизаряды ВВ, претерпевающие химическое превращение в форме дефлаграции при использовании маломощного инициирующего импульса, или пиротехнические патроны, работающие в режиме газогенерации. Однако, для выбора рационального способа осторожного взрывания в конкретных условиях с оптимальными параметрами буровзрывных работ было необходимо провести исследования, выполнение которых являлось основной задачей представленной диссертационной работой.

2. Впервые выполнены систематические экспериментальные исследования действия взрыва заряда малоплотного ВВ и в результате:

— впервые экспериментально зафиксирована эпюра волны напряжений, определяющая квазистатический характер нагружения массива породы, проявляющийся в более длительном поддержании амплитуды волны на достигнутом уровне с последующим менее резким градиентом спада;

— установлена закономерность затухания волн напряжений в грунтах в функции относительного расстояния от центра взрыва;

— установлено, что коэффициент затухания скорости смещения (массовой скорости) в грунтах существенно выше, чем в скальных и полускальных породах;

— показано, что закономерность изменения массовой скорости в слоистых породах с заполнением трещин водой близка к аналогичной закономерности, установленной для монолитных горных пород.

3. С учетом установленных в экспериментах закономерностей действия взрыва заряда малоплотного ВВ сформулированы основные положения технологии, разработана методика расчета массы заряда и параметров его расположения при осторожном взрывании, при этом:

— установлена связь между удельным расходом ВВ, перемещением разрушенной массы и разлетом кусков;

— определена предельная величина зарядов рыхления;

— определено критериальное значение массовой скорости, при которой разрушение породы происходит без ее перемещения.

4. Перспективным и эффективным путем развития технологии осторожного взрывания является применение гидровзрывного способа при установленной оптимальной величине водяного зазора для зарядов осевой симметрии, которая возрастает со снижением акустической жесткости горных пород с 1,5−2 до 2,5−3,5.

5. На основе выявленных в экспериментах закономерностей разработана методика расчета параметров буровзрывных работ (БВР) и основные положения технологии осторожного (щадящего) взрывания при применении как малоплотных ВВ, газогенерирующих пиротехнических составов, так и при использовании специальных конструкций зарядов с водяными зазорами.

6. Разработаны рекомендации по проведению БВР с учетом специфики разработки котлованов и других профилированных выемок, проходки туннелей в гидротехническом строительстве (ГТС), по применению БВР для.