Динамика водонасыщенных грунтов - Смирнов А.Г., Вовк А.А., Кравец В.Г.

Author: Смирнов А.Г. Вовк А.А. Кравец В.Г.
Tags: подземное строительство земляные работы фундаменты строительство тоннелей горные работы при разработке месторождений полезных ископаемых внутренние судоходные каналы минералы механика грунтов взрывные работы минеральные ресурсы
Year: 1975
Similar
Механика мёрзлых грунтов
Механика грунтов, основания и фундаменты
Механические свойства грунтов
Статическое зондирование грунтов
Text
                    ДИНАМИКА
ВОДОНАСЫЩЕННЫХ
грунтов
АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР
ИНСТИТУТ ГЕОТЕХНИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ
А. А. ВОВК, А. Г. СМИРНОВ, В.Г. КРАВЕЦ
ДИНАМИКА
ВОДОНАСЫЩЕННЫХ
ГРУНТОВ
ИЗДАТЕЛЬСТВО < НАУКОВА ДУМКА»
КИЕВ- 1975
уда 624.1+622.258+626.131
Рассмотрели вопросы, связанные с проведением взрывных
работ в водонасытенных минеральных и органо-минеральных
грунтах. Изложены теоретические основы деформирования грун-
тов динамическими нагрузками, результаты натурных исследо-
вании параметров взрывных волн, объемных деформаций на фрон
те и за фронтом волн напряжения, закономерности распределе-
ния малых деформаций грунтового массива в средней эоне дей-
ствия взрыва и их влияние на полезные свойства грунтов.
Приведены результаты исследования технологии ведения взрыв-
ных работ, а также промышленного использования взрывов в
водонасыщенных грунтах.
Книга рассчитана на научных и инженерно-технических
работников.
Ответственный редактор
акал. АН УССР Г.С.ПИСАРЖКО
Рецензенты:кандидаты технических наук
О.Л.БЛАГОДАРаОО, Н.И.37Б
Редакция механики
В	V5- 193’75
(?) Издательство "Наукова думка*. 1975 г
ПРЕДИСЛОВИЕ
Энергия взрыва находит все более широкое применение не только для
разрушения крепких горных пород, но и при ведении земляных работ в ир-
ригационном, дорожном, гидротехническом, сельскохозяйственном строитель-
стве, а также в других отраслях народного хозяйства. В частности-, взрыв-
ные методы являются одним из главных направлений интенсификации техноло-
гических процессов в мелиоративном строительстве, требующих выполнения4
огромных объемов земляных работ. Только на девятую пятилетку запланирова-
но ввести в эксплуатацию 3 млн.га орошаемых и 5 млн.га осушенных земель.
Для этого строительные организации Минводхоза СССР в 1971 г. выполнили
4507 млн.М3 и в 1972 г. - около 5 млрд.м8 земляных работ, что превышает
суммарный объем работ, выполняемых строительными организациями и пред-
приятиями всех других министерств и ведомств страны. В 1973 г. капитало-
вложения в мелиорацию составили 5373 млн.руб., объем земляных работ до-
стиг 6 млрц.м3, что обеспечило орошение 651 тыс.га, осушение 911 тыс.га
и обводнение 8492 тыс.га сельскохозяйственных угодий. В 1975 г. алоиения
в капитальное строительство и строймонтаж составят уже 10 млрд.руб. при
общем годовом объеме земляных работ 8 млрц.м3, к 1985 г. годовые вложе-
ния в гидромелиоративное строительство возрастут при соответствующем
увеличении объема земляных работ.
Особое место в выполнении этих работ принадлежит разработке водона-
сыщенных грунтов при строительстве осушительных систем, спрямлении русел
рек, строительстве траншей, каналов и дорожных выемок в труднодоступных
заболоченных районах, где применение громоздкой землеройной техники за-
труднено или невозможно. Здесь взрывные работы по сути являютоя единст-
венным средством коренного улучшения технологии, позволяющим осуществить
технический прогресс. Несмотря на накопленный опыт ведения взрывных ра-
бот в обводненных и заболоченных местностях, надежные технологии строи-
тельства с использованием энергии взрыва до сих пор не разработаны. Это,
в частности, связано о тем, что теоретической и конструкторско-техноло-
гической проработке указанных вопросов не уделялось должного внимания.
В связи о возросшей важностью этих задач возникает необходимость в реше-
нии ряда теоретических проблем по динамике водонасыщенпых грунтов, вклю-
чающих вопросы как исследования закономерностей распространения взрывных
волн в водонасыщенных грунтах, так и поведения среды при действии дина-
мических нагрузок, т.е. изучения динамических свойств грунтов.
Основываясь на результатах таких исследований с учетом обобщения
Имеющихся научных и практических данных, можно выполнить необходимые
3
конструкторско-технологические исследования и опытно-промышленные опро-
бования взрывных технологий ведения земляных работ в обводненных грун-
тах.
Попытка систематизации и обобщения современных данных по приклад-
ной динамике грунтов является целью настоящей монографии, в которой,
наряду о результатами научно-исследовательоких и опытно-промышленных
работ по динамике водонаоыщенных сред, приведены данные по изучению
микродеформаций в средней эоне (так называемой эоне колъматацви), а
такие кратко изложены вопросы механики грунтов, необходимые для пони-
мания основного материала.
Глава I юнографии напиоана А.А.Вовком, глава П - В.Г.Кравцам,
главы Ш и 1У - А.Г.Сшрновым. В написании главы I принимал участие
Г.И.Черный, в написании главы П - А.А.Кузьменко.
ГЛАВА I
nmoRHUR ПОЯСНЕНИЯ ДИНАМИКИ плотину СРВД
Горные породы, слагающие литологический разрез земной корн, весь-
ма разнообразны по своим физико-механическим свойствам. Это разнообра-
зие определяется их полиминеральным поликристаллическим (или полидис-
персным) составом. Тем не менее по механическому поведению под нагруз-
кой всю совокупность горных пород можно разделить на два основных клас-
са - мягкие и твердые. Мнгкие породы - гранты - обладают высокой необ-
ратимой объемной сжимаемостью (уплотнением) и способностью к развитому
пластическому течению, вследствие чего их часто называют пластичными
породами. У твердых пород - скальных и чолускальных - объемная сжимае-
мость относительно невелика, а переход в пластическое состояние обычно
сопровождается хрупким (или квазихрупким) разрушением. Эти особенности
указанных двух классов гордых пород обусловили развитие индивидуальных
экспериментально-теоретических методов исследований поведения пород
при нагружении, которые приобрели самостоятельное прикладное значение.
Поэтому анализ общих закономерностей поведения мягких и твердых горных
пород под действием динамической (в том числе взрывной) нагрузки целе-
сообразно проводить для каждого класса в отдельности.
I. Динамическое уплотнение пластичных горных пород
Класс пластичных пород подразделяется на две группы - сыпучие (не-
связные) и связные. Сыпучие грунты, как и жидкие тела, неспособны со-
хранять свою фэрму и принимают форму внешней оболочки. Связные грунты,
как и твердые тела, сохраняют свою форму в ненагруженном состоянии бла-
годаря наличию взаимосвязей между минеральными зернами, природа кото-
рых весьма разнообразна. Но поскольку прочность этих связей невелика,
грунты легко теряют отмеченную способность при более или менее значи-
тельном нагружении (особенно динамическом). Указанные особенности плас-
тичных пород затрудняют проведение обычных механических испытаний (рас-
тяжение, изгиб, кручение и т.п.). Например, испытание яа растяжение
обычных типов грунтов, обладающих довольно слабыми и неравнопрочными
связями между минеральными зернами, практически неосуществим) или по
крайней мере весьма затруднительно /V. Более того, это испытание вооб-
ще для таких пород изгло представлять лишь теоретический интерес/, по-
скольку в подавляющем большинстве случаев в реальных условиях имеют
место напряжения сжатия, а не растяжения. Поэтому для грунтов наиболее
целесообразным является испытание па сжатие.
С целы» упрощения анализа волновых процессов при динамическом де-
формировании для исследований поведения пластичных пород под действием
импульсной нагрузки применяют различные устройства, обеспечиваицие од-
ноосное сжатие образца в условиях невозможности боковых деформаций.
Такая методика исследований имеет значительные преимущества при
изучении закономерностей взрывного уплотнения пластичных пород. Посколь-
ку скорость распространения волнового возмущения в такой породе выше
ее массовой скорости, в первом приближении можно разделить процесс де-
формирования породы при взрыве на две стадии: объемное сжатие, происхо-
дящее на фронте максимального давления во взрывной волне, в условиях,
близких к одноосному при невозможности бокового расширения, и пласти-
ческое течение (формоизменение) пород за фронтом, происходящее без су-
щественных объемных деформаций. Влияние кривизны фронта взрывной волны
при взрывах сосредоточенных и цилиндрических зарядов заметно лишь в
непосредственной близости от очага взрыва. Поэтому можно считать, что
условия деформирования пород при одноосном сжатии без бокового расшире-
ния близки к условиям их объемного деформирования при взрыве. Кроме то-
го, эта методика позволяет учесть изменение временных параметров нагру-
жения, имеющее место при взрывах в неводонасытенных пластичных породах
(трансформация волнового возмущения), а также при применении различных
методов управления взрывом. Подробное описание методики экспериментов
дано в /8/.
Нагружение осуществлялось свободно падающим грузом на поршень ис-
пытательной камеры, в которой размещался образец грунта диаметром
450 мм и высотой 30 мм. Размеры исследуемых образцов выбирались таи,
чтобы при динамическом нагружении в образце устанавливалось квазистати-
ческое напряженное состояние, а отражением и интерференцией ударных
волн можно было пренебречь. Напряженное состояние грунта регистрирова-
лось тензометрическим! датчиками с передачей показаний на шлейфовый ос-
циллограф, а деформации образца грунта - специально сконструированным
фоторезисторным датчиком. Энергия деформирования в экспериментах поддер-
живалась постоянной. Изучение общих закономерностей динамического де-
формирования пластичных пород проводилось на основе диаграмм одноосного
и объемного сжатия, позвсляппих получить уравнение состояния породы в
виде =>/( s, G) при одноосном или В	при объемном сжатии.
Нижа будет показано, что между скоростью нагружения и скоростью дефор-
мирования в условиях одноосного сжатия существует прямая связь, позво-
ляющая в случав необходимости осуществлять преобразование уравнения
состояния грунта вида z • к виду =
Анализ кривых (рис.1) показывает, что положение кривых G (<г), ха-
рактеризующихся значительной нелинейностью во всем диапазоне давлений,
превышающих предел структурной прочности породы Gg , существенно зави-
сит от скорости нагружения G в импульсе давления. С увеличением <г
возрастает крутизна восходящей ветви кривой, что указывает на повышение
сопротивления пород деформированию при динамическом нагружении. Однако,
как показывают результаты многочисленных экспериментов, повышение сопро-
тивления грунтов динамическому деформированию затухает с ростом скорос-
ти нагружения и при некоторой ее критической величине ё становится
несущественным. Кривая сжатия грунта, соответствующая этой критической
скорости нагружения, является предельной динамической. В киевских суг-
линках влажностью 14,1?% <7^, = 20+25 кГ/м^сек; в тех же суглинках
влажностью 9,63% <^= 35+40 кГ/м^-сек; в херсонских суглинках^ =
=50 кГ/м2сек; в керченских глинах влажностью 23,6% %, = 20+22 кГ/м2«оек;
а в глинах влажностью 15% <3^, = 40 кГ/м^сек. В количественном отноше-
нии влияние временных параметров импульсов давления на деформирование
грунта весьма значительно. Так, при максимальном давлении 1000 кГ/см2
отношение предельной статической дефо{ыации грунта к предельной динами-
ческой составляет 2,ЗЙ для киевских суглинков влажностью 14,17% и 4,4
для суглинков влажностью 9,63%; при максимальном давлении 2-10^ кГ/си2
ети же величины равны соответственно 1,95 и 2,66. Близкие соотношения
наблюдаются и для других пластичных пород.
Таким образом, при динамическом воздействии со скоростями нагруже-
ния в пределах	деформирование пластичной породы в значитель-
ной степени определяется ее вязкостью, которой можно пренебречь при
скоростях нагружения в>6 .
Рис.1. Характерные диаграммы од-
ноосного и объемного динамическо-
го деформирования пластичных по-
род при различных временных ус-
ловиях нагружения: I - <5 =
1620 кГ/см2.сек; 2 - £ =
5150 кГ/ом£’сек; 3 - S =
1350 кГ/см2.сек; 4 - <5" =
22000кГ/см2-сек; 5-3 =
39400 кГ/смесей.
Как следует из рис.1, влияние скорости нагружения на развитие де-
оормапий в грунтах зависит от величины действующих давлений. С увеличе-
нием максимума давления наблюдается тенденция кривых s (е ) к сближению.
В области напряжений, при которых закрывается свободное поровое прост-
ранство грунтов, различие между предельными динамической и статической
кривыми сжатия относительно невелико.
На вооходни ей ветви кривой сжатия грунтов целесообразно выделить
два участка. Начальный участок деформирования до предела структурной
прочности грунтов 6? характеризуется в основном развитием упругих де-
формаций. Наиболее интересен участок кривой в диапазоне изменения напря-
жений <5^	« м , где имеет место необратимое объемное деформирование
грунта. В результате математической обработки экспериментальных данных
установлено, что в этой области зависимость между напряжениями и дефор-
мациями для одноосного сжатия мэжет удовлетворительно аппроксимировать-
ся по формуле	+	, где - текущее значе-
7
няе напряжения в импульсе давления; £ - полная деформация грунта, со-
ответствующая напряжению <3 •, е3- деформация грунта, соответствующая
пределу его структурной прочности gs ;	- некоторые функции
скорости нагружения, зависящие от физико-механических свойотв грунтов.
Графическая интерпретация этих функций для керченских глин пред-
ставлена на рис.2 (аналогичные в качественном отношении кривые получе-
на и для других пластичных пород). Из рисунка видно, что наиболее су-
щественное изменение функций и (в) наблюдается в области срав-
нительно небольших скоростей нагружения, где влияние вязкости пород на
их деформируемость при динамическом нагружении наибольшее. С ростом
оиорооти нагружения значения функций (&) и /г (в) приближаются
к некоторым предельным и постоянным величинам, практически не завися-
щим от и определяли™ предельную диаграмму сжатия грунта.
Рио.2. Функции и
для керченских глин
= 15% (штриховые линии)
« 3,5% (сплошные).
Эмпирические формулы, в общем виде аппроксимирующие зависиюоти
fj (&) и f2 (&) , сложны и неудобны для практических расчетов, поэто-
му целесообразно представлять эти зависите сти в виде кусочно-ломаных
функций ZlV, характеризуемых следующим образом:
при
O‘6<G,
/t (g ) = а * bs ;

при
G
>7 (&> » Sf(Gf) = Wn)t ;	/j(g)’’ f? 1	) "cer,st 
Величина <St имеет тот же смысл, что и в к? , но в отличив от по-
следней является расчетным параметром. Абсолютное значение в
кГ/м2 •сек может быть принято:
для суглинков влажностью 14,17% - 1,1,7 и влажностью 9,63% - 2,8,0;
для херсонских суглинков влажностью 14% - 3,3,0; для глин влажнос-
тью 23,5% - 1,2,7 и влажностью 15% - 2,2,8.
При 0 <g /Gs уравнение состояния грунта с достаточной точностью
может быть запирано в виде £ =	•
Здесь fy - коэффициент пропорциональности при одноосном сжатии и не-
возможности бокового расширения, связанный с модулем упругости (модулем
йлга) соотношением
/ = t{1
1 ~ (1*9 )(! - 2Э)
(I.I)
где 9 - коэффициент Пуассона.
Постольку зависимость (I.I) предполагается общей для вовй области
!)*& s s3 , значение величина Е? южно определить по формуле
Из рис.З видно, что в глинистых грунтах предел структурной проч-
ности с ростом скорости нагружения увеличивается, приближаясь к своему
предельному динамическому значению . Отношение к пределу струк-
турной прочности грунта при условиях нагружения, близких к статическим
Sg , составляет: для киевских суглинков влажностью 14,17% - ^^влаж-
ностью 9,63% - 2,20;для херсонских суглинков 1,37; для керченских глин
влажностью 23,5%-1,96: влажностью 15%.- 2,38. Из этих данных следует,
что увеличение влажности грунта приводит к уменьшению величина б/ /е" •
Рис.З. Зависимость предела	Рис.4. Соотношение медцу ско-
отруктурной прочности от око- . ростями нагружения и деформи-
рости нагружения в киевских рования: I - суглинок; /V
суглинках влажностью 14,17%(1)	9,63%: 2 - херсонский сугли-
и 9,63% (2).	нок; 3 - глина, N = 23,5%7
Установленная зависимость предела структурной прочности грунта
от скорости нагружения указывает на то, что модуль также является
некоторой функцией скорости нагружения. А поскольку величина гу для
данного грунта при О ‘ & * 00 остается практически постоянной, то
в качественном отношении зависимость f? (<з ) повторяет зависимость
( в ) , а в количественном отношении эти две зависимости связывают-
ся постоянной величиной согласно (1.2).
Необходимо отметить, что тип преобладающих связей между минераль-
ными частицами в значительной степени определяет характер перехода
грунта в пластическое состояние. Если в киевских суглинках преобладают
жесткие кристаллизационные связи между частицами, разрушающиеся более
или менее одновременно, то в херсонских суглинках и керченских глинах,
обладающих более высокой дисперсностью, основную роль, видимо, играют
9
другие силы связности. Поэтому переход таких глинистых пород в пласти-
ческое состояние, в отличие от киевских суглинков, где предел структур-
ной прочности % выражен довольно четко, происходит в некотором диапа-
зоне нагрузок и говорить о пределе структурной прочности таких пород
можно только как 0 некоторой условной величине. Деформация , соот-
ветствующая Ss в этих грунтах, будет представлена как обратимой, так
и необратимой составляющей.
Разгрузка грунтов также происходит по сложному нелинейному закону.
Если скорость нагружения не превышает некоторой величины, имеет место
увеличение деформаций грунтов при уменьшении давления в волне сжатия,
т.е. при разгрузке. При более высоких скоростях нарастания давления
этот эффект исчезает, Аналогичное явление для сред, обладающих вязкостей,
было установлено А.Р.Ржаяицыным.
Особенностью диаграмм сжатия глин является значительная нелиней-
ность ветвей разгрузки. В области больших давлений, близких и максиму-
му, нелинейность разгрузки связана с продолжением развития деформаций
при уменьшающемся напряжении в волне сжатия. Это явление в глинах влаж-
ностью 23,5% наблюдалось при скоростях нагружения, не превышавших
(3+3,5)-ТО8 кГ/м^-оек, а в глинах влажностью 15% - 4*1Сг кГ/м^.оек.
В области малых давлений, близких к нулю, нелинейность разгрузки обу-
словлена тем, что восстановление упругих деформаций грунта продолжает-
ся в течение длительного промежутка времени после прохода волны сжатия.
В результате обработки осциллограмм, полученных при экспериментах с кер-
ченскими глинами, упругая разгрузка наблюдается в течение 2,6-12,7 моек
после падения внешнего давления до нуля. Анализируемый эффект последей-
ствия, отмеченный также в /8/, может быть объяснен следующим образом.
При ударном нагружении глин газообразная и жидкая фазы грунта сжи-
маются и защемляются в минеральном скелете. Возникает внутреннее напряже-
ние, которое настолько велико, что в состоянии преодолеть повышенные силы
связности в грунте, возникающие при его объемном деформировании, как толь
ко снята внешняя нагрузка. Обращает на себя внимание примерно одинаковый
наклон ветвей разгрузки всех диаграмм сжатия к оси деформаций, что гово-
рит о несущественном влиянии вязкости грунта на средний модуль разгрузки
А поскольку нелинейность ветви разгрузки относительно невелика, то в
исследованном диапазоне нагрузок модуль разгрузки иэжно считать постоян-
ным и не зависящим от временных параметров импульса давления.
Отклонения от этого допущения наблюдаются только в области очень
больших давлений (s Ю6 кГ/м2), когда вследствие превращения грунта
в практически несжимаемую среду модуль разгрузки резко возрастает, и"
при очень малых давлениях (одного порядка с пределом структурной проч-
ности грунта), когда ветвь разгрузки практически повторяет начальный
участок ветви нагружения. Учитывая ограниченность областей напряженного
состояния грунта при внутреннем взрыве, где могло бы иметь место изме-
нение модуля разгрузки, можно принять его в виде константы для практи-
ческих расчетов.
Рис.4 иллюстрирует соотношение между скоростями нагружения и де-
формирования в исследованных грунтах. Из рисунка видно, что зависимость .
10
i(G) может удовлетворительно аппроксимироваться линейной функцией вида
£* яв , цде я - коэффициент, пропорциональности.
Установленные выше обшие закономерности динамического деформирова-
ния грунтов при произвольных временных параметрах волны сжатия позволя-
ют наметить и основные пути поиска оптимальных условий нагружения, обес-
печивающих максимальное уплотнение сжимаемого грунта. Одним из таких пу-
тей является снижение скорости нагружения в волне с одновременным уве-
личением времени ее действия. Такие условия имеют место при применении
зарядов с воздушными оболочками. Поэтому установленное общее уравнение
состояния пластичной породы при динамическом нагружении может быть по-
ложено в основу расчета оптимальной конструкции заряда. Вторым важным
фактором управления уплотнением сжимаемого грунта при динамическом на-
гружении является направленное изменение его физико-механических свойств,
прежде всего влажности.
Влияние влажности пластичной породы на ее деформируемость зависит
от характера нагружения (статическое или динамическое) в связи с разли-
чиями в механизмах деформирования, соответствующих этим условиям нагру-
жения. В условиях статического нагружения деформирование связано с из-
менением соотношения между компонентами грунта за счет отфильтровывания
свободной влаги при стабилизации деформаций (консолидации). При динами-
ческом нагружении вследствие кратковременности действия избыточного дав-
ления перераспределение воды и воздуха в грунте пе успевает произойти
и деформирование осуществляется в основном за счет сжатия воздуха (умень-
шения свободной пористости) и частично упругого сжнтия воды и минераль-
ного скелета.
В грунтах малой влажности динамическую нагрузку воспринимает в ос-
новном минеральный скелет, причем значительное трение между минеральны-
ми частицами препятствует их взаимному перемещению и перекомпоновке, а
следовательно, и развитию объемных деформаций. Повышение содержания вла-
ги в породе приводит к тому, что минеральные зерна оказываются окружен-
ными водяной эластичной пленкой (в основном адсорбционного происхожде-
ния) , которая играет роль смазки пг~ взаимном перемещении частиц в про-
цессе уплотнения. При большой влажности породы динамическая нагрузка
воспринимается водой, деформирование которой происходит упруго, и уплот-
нение породы уменьшается. Следовательно, при динамическом нагружении
можно ожидать наличия некоторой оптимальной влажности, при которой не-
обратимые деформации грунтов оказываются наибольшими.
Для изучения влияния влажности сжимаемых грунтов на их поведение
под нагрузкой авторами были провёдены эксперименты с одной из наиболес
распространенных пород четвертичных отложений - суглинками (херсонски-
ми суглинками нарушенной структуры района строительства Каховской ороси-
тельной системы). Выбор этого грунта был обусловлен перспективностью
применения ударных и взрывных методов их уплотнения при строительстве
различных гидротехнических сооружений. Херсонские суглинки характеризу-
ются следующими показателями: объемный вес скелета Т500 кг/мэ; порис-
тость 48%; гранулометрический состав: 0,5-0,05 мм - 14,7%; 0,05-0,01 мм -
35,1%; 0,001-0,005 мм - 16,8%; менее 0,005 мм - 33,4%. Влажность (весо-
вая) суглинков изменялась ступенями - 9; 11,4; 14,2; 17,1; 20,0; 22,9;
II
25,в; 28,7; 32,5%. Эксперименты проводились в условиях одноосного ди-
намического сжатия по методике, изложенной выше.
При обработке осциллограмм экспериментов было построено семейство
кривых динамического сжатия суглинков при различных значениях их весо-
вой влажности (рис.5). Анализ кривых показывает значительную зависи-
мость деформаций суглинков от влажности. Вначале с ростом влажности до
= 20% наблюдается выхолаживание нагрузочных ветвей диаграмм сжатия,
что свидетельствует об увеличении деформаций при фиксированных уровнях
контактного давления. При А^*20% наклон ветвей нагружения возрастает, •
вследствие уменьшения объе&кой сжимаемости грунта. Угол наклона ветвей
разгрузки с возрастанием влажности несколько увеличивается. Это опреде-
ляет соотношение между максимальными значениями деформаций (полных, уп-
ругих и необратимых) при различных значениях влажности (рис.6). Из ри-
сунка видно, что законы распределения полных-и необратимых деформаций
суглинков аналогичны. Кривые имеют один ликсимум, соответствующий усло-
виям развития максимальных необратимых деформаций в грунте. Упругость
грунтов с ростом их влажности увеличивается. Можно ожидать, что при не-
котором конечном значении весовой влажности упругая деформация будет
р>авна общей деформации грунта. В этом случае необратимые деформации в
грунте будут отсутствовать и грунт превратится в состояние грунтовой
массы, поведение которой под действием внешней нагрузки определяется
законами, свойственными идеальной жидкости. 0 влиянии влажности на ди-
намическую деформируемость херсонских суглинков можно оудить по рис.7,
Рис.Б. Семейство кривых динами-	Рис.6, Максимальные значения Пол-
янского сжатия суглинков пра раз- них (I), упругих (2) и необр>аги-
личных значениях их весовой влаж- митг (3) деформации при раяличнит
„	й001?:	~	значениях влажности.
I - 9%, 2 - 14,2%, 3 - 20%,
4 - 17,1%.
Легко заметить, что при оптимальной влажности деформации хе р>со неких
суглинков практически в четыре раза больше, чем при краевых ее значени-
ях. Это показывает, что влажность грунта является эффективный регулято-
рам его деформируемости и ее направленное изменение может рассматривать-.
12
оя как один из методов управления уплотнением грунтового массива при
взрыве и других методах динамического воздействия.
Рис.7. Изменение полных деформаций
грунтов от влажности при постоянных
уровнях контактного давления:
1 - ©- 10 кГ/см”; 2 - 5 =
«30 кГ/слфЗ- & = 50 кГ/см , 4 -В»
- 70 кГ/см2; 5 - б =90 кГ/сы2.
Интересно проследить связь с влажностью таких показателей грунтов,
как коэффициент бокового распора ju и условие пластичности, характеризую-
щих сопротивление грунта механическому воздействию (рис.6). Характер
кривых на'рисунке показывает., что с повышением влажности абсолютные зна-
чения fi возрастают, а величина среднего гидростатического давления,
соответствующая предельному значению коэффициента бокового распора,
уменьшается. Это подтверждает тот факт, что с увеличением влажности суг-
линки приближаются к состоянию грунтовой массы, для которой коэффициент
бокового распора равен единице. Коэффициент бокового давления в пластич-
ных породах постоянной влажности за время действия импульса изменяется
с изменением действующего напряжения. При О *<3 t(Ts изменение коэффициен-
та бокового давления несущественно и им можно пренебречь, полагая /?•
•const. При напряжениях, превышающих предел структурной прочности грун-
та, наблюдается резкое увеличение коэффициента бокового давления от
соответствующего упругой стадии деформирования, до , определяемого
пластическим состоянием грунта, что хорошо согласуется о исследования-
ми А.Надаи. Дальнейшее увеличение с ростом напряжений до
объясняется объемным деформированием пород: вследствие постепенной лик-
видации свободной пористости состояние грунта приближается к состоянию
грунтовой массы [Ъ].
На рис.9 показаны условия пластичности (предельного равновесия)
херсонских суглинков различной влажности при динамическом нагружении.
Условие пластичности принято в виде формулы Мизеса-Шлейхера <5^, Г,
гдебу^- второй инвариант девиатора тензора напряжений, пропорциональ-
ный интенсивности касательных напряжений, численно равный касательному .
напряжению на октаэдрической площадке; р - первый инвариант тензора
напряжений, пропорциональный среднему гидростатическому давлению;
Т - функция пластичности.
13
Рис.8.
нового
Зависимость коэффициента бо-
распора от влажности в хер-
. -----:ках,
сонских суглинках:
I - N = 9%; 2 - N - 14,2$;
3 - * = 17,1$; 4 - Д' = 20,0$.
Общий вид функции пластичности
Кр),10/(Г/мг
Рис.9. Зависимость условия пластич-
ности от влажности в херсонских
суглинках:
1-4 - то же, что на рис.В.
при динамическом нагружении доста-
точно сложен. Ее начальную ветвь С.С.Григорян предложил описать линей-
ной зависимостью вида
T=atP +	(1.3)
где at и ij - эишрические коэффициенты.
Внешне выражение (1.3) аналогично закону Кулона для октаэдрической
площадки. Поэтому с точностью до постоянных множителей коэффициенты af
и являются соответственно характеристиками угла внутреннего трения
и сцепления.
Анализ кривых на рис.10 показывает, что с увеличением влажности
резко падает величина внутреннего трения в грунте - угол наклона началь-
ного участка кривой пластичности уменьшается. Начальная величина сцеп-
ления (отрезок, отсекаемый кривой пластичности на оси ординат) с ростом
влажности изменяется по более сложному закону, позволяющему ожидать,
что в диапазоне изменения влажности 11,4-14,2$ этот показатель достиг-
нет максимума благодаря развитию сил адсорбционного и капиллярного вза-
имодействия, ослабевающих с увеличением влагонаошения.
Рис.ТО; Зависимость условия пластичности
от условий нагружения в киевских суглин-
ках; п
I - <5 = 2560 кГ/сьт-сек; 2 -G =
2630 кГ/см2.сек; 3 - G = 4000 кГ/см2. сек
4 -G - 7530 кГ/см2.сек.
14
Интересно, что с увеличением влажности уменьшается величина макси-
мальных касательных напряжений, развивающихся в грунте при нагружении.
При этом характер изменения касательных напряжений показывает, что с
повышением влажности интенсивность гидростатического давления, при ко-
торой наблщдается переход грунта в состояние грунтовой массы, уменьшает-
ся.
В настояиее время для замыкания системы дифференциальных уравнений
движения пластичной породы под действием динамической нагрузки (в том
числе при взрыве) используют условие пластичности Прандтля-Мора или
Мизеса-Шлейхера. При этом, как правило, удовлетворяются их упрошенной
интерпретацией в виде неубывающих линеаризированных соотношений между
касательными и нормальными напряжениями, хотя в /Зф7 отмечается, что
при достаточно больших динамических нагрузках содержацая глинистые час-
тицы порода ведет себя как жидкость, лишенная касательных напряжений.
Выше было показано, что сжимаемые пластичные породы являются упру-
го-вязко-пластическими средами, причем вязкость существенно влияет на
развитие процесса деформирования. Естественно проследить влияние вре-
менных эффектов на условие пластичности, которое будем представлять в
виде Г - у/* F (р),т№	- интенсивность касательных напряжений;
G(2) - второй инвариант девиатора тензора напряжений, функция
пластичности.
Для условий одноосного динамического деформирования, в которых бы-
ли проведены описанные выше эксперименты,
--—
(1.4)
(1.5)
Исключая время t из выражений (1.4) и (1.5), легко построить функ-
цию пластичности f(p). На рис.9 приведены зависимости Г(р) для киев-
ских суглинков при различных скоростях нарастания давления. Из анализа
кривых следует, что с увеличением скорости нагружения в импульсе давле-
ния заметно возрастают’ максимальные касательные напряжения в грунте,
что связано с повышением его сопротивления деформированию. Это явление,
имеющее место практически для всех пластичных пород, указывает на зави-
симость функции пластичности от временных параметров волны сжатия. Его'
можно рассматривать как одно из проявлений вязких свойств пород при
деформировании.
2. Обобщенная модель породного массива
Математическое описание механических свойств тела, процесс дефор-
мирования которого протекает однородно во времени (т.е. влияние времен-
ных эффектов отсутствует), сводится к определению функциональной, зависи-
мости девиатора тензора деформации <f,y ст девиатора тензора напряже-
ний Gjj , а именно Р (Sf.., Gi) - 0 , и аналогичной функциональной за-
висимости шаровых тензоров	, G/ц ) а О. В более слож-
ном случае неоднородного протекания процесса во времени функциональные
зависимости должны включать девиатор и шаровый тензор споростей дефор>-
маций	(или скоростей напряжений G^ , 6^ )	) • О;
kk ’ вkk’£k/t^ = °' Наконец, у горных пород отмечается неоднород-
ность предельного напряженного состояния относительно гидростатического
давления ( р-----) тал б'(г)» /(р), G^-  Up* - -н pi--------iipi .
Как показывают результаты экспериментов, механические свойства грун-
тов, а также полускальных и скальных горных пород достаточно полно ап-
проксимируются упруго-вязко-пластическим телом Бингама-Шведова. При
небольших напряжениях такое тело следует закону Гука, который для грун-
тов и пород (в массиве) более удобно попользовать в следующей записи:
6^ =	#()] , где - модуль пропорциональности
при простом деформированном состоянии.
Эти величины связаны о известными упругими константами: модулем
1нга, коэффициентом Пуассона и модулем сдвига (< 9 и £ ) простыми за-
висимостями
	<-'.-4*- <!•«
Таким образом, выражение (1.6) эквивалентно уравнениям обобщенного
закона тука в обычно используемой записи:
*<гх"	/ ~29) [+ £zx^ ’
Gff"	^(f~9)£ff^9(£xz * £лг^•
Gzz “ <t+3)(1 -23)	* £ff )J'
Как показывают результаты многочисленных экспериментов у грунтов и
большинства горных пород, как и у многих других реальных тел, в опреде-
ленном диапазоне нагрузок с достаточной точностью приведенные уравнения
могут аппроксимировать закономерности изменения напряжений и деформа-
ций.
Остановимся на уравнениях, характеризующих состояние упруго-вязко-
пластического тела при более высоких нагрузках, за пределом упругости.
В пластическое состояние рассматриваемое тело переходит при дости-
жении предела текучести. Последний не является постоянной величиной,
как у идеально пластических тел, а изменяется с изменением всесторонне-
го гидростатического давления и скорости нагружения (или длительности
действия нагрузки at ). При <Г —О (или х/ —~ ), а также в другом
предельном случае при 6 — — (xz*—0) предел текучести зависит только
от величины гидростатического давления. Для плоских задач можно исполь-
зовать для определения предела текучести условие Мора, наиболее широко
применяемое для горных пород /г/ - Ф'^ц), Где Г и - касательные
и нормальные напряжения; Ф - неубывающая, функция своего аргумента, оп-
ределяемая экспериментально для каждого породного массива.
Для пространственных задач удобнее использовать условия Мизеса-
Шлейхера » Ф ( р), где - основной (второй) инва^уант девиатора
тензора напряжений; р - гидростатическое давление ( Р-—-j—).
Условия пластичности Мора и Мизеса-Шлейхера близки между собой,
и вследствие рассеивания экспериментальных результатов пока нет одно-
16
значных данных, позволяющих судить о том, какое из этих условий ближе
к реальным соотношениям в породном массиве. Поэтому, считая их равно-
ценными, будем в дальнейшем применять как одно, так и другое.
Обычно используются линеаризированные формы приведенных условий
пластичности, что позволяет преодолеть некоторые математические труднос-
ти и, как показывают результаты экспериментальных исследований, вполне
допустимо при средних или больших значениях гидростатического давле-
ния. Линеаризированное условие Мора - закон Кулона - в сформулированном
через главные напряжения оу и виде записывается следующим образом:
= 2T0 ct>s v * (S!	* при <7 * е2 * gj 	CI.7)
Линеаризированную форму условия ^изеса-клейхера наиболее удобно(в част-
ности, для осесимметричных задач) выразить в форме
< = 7	•	• (I.B)
Коэффициенты Т , ‘/и Ь1 характеризуют прочностные свойства породно-
го массива, первые два носят название сцепления и угла внутреннего тре-
ния.
На рис.II приведены изображения поверхностей текучести (1.7) и
(1.8) в пространстве главных напряжений оу, <sy и . Они имеют вид
шестигранной призмы и конуса,координаты вершин которых соответственно
равны -tctg^ -rctgv к -ц/з^-а^з^, -аг/36г. Пределам текучести
(при длительной или мгновенной нагрузке	) отвечают точки на
поверхностях текучести. Каждой точке, находящейся внутри призмы или
конуса, отвечает соответствующее упругое напряженное состояние, за пре-
делами конуса или призмы (У = ф0 ) тело не может существовать, а за пре-
делами конуса или призмы	) оно может существовать длительное
время. Мевду предельными поверхностями текучести существует область,
где тело может существовать ограниченное время и каждой скорости нагру-
жения (длительности действия нагрузки it ) соответствует своя поверх-
ность текучести.
При исследовании дефоршрования при очень медленно возрастающих
или постоянных, близких к предельным, напряжениях в—О (статическая
задача устойчивости породного массива) и, наоборот, при очень быстро
возрастающих напряжениях ~ (нагружение на фронте ударной волны) мож-
но пренебречь влиянием временных факторов. Описанная модель в этих слу-
чаях является упруго-пластическим телом.
"Наглядное изображение условий предельного напряженного состояния
длЛ-Слунаез <з —* О или & — ~ (огибающих кругов Мора) обычно именует-
ся паспортом прочности породы. Как правило, используется паспорт с од-
но» огибающей (<Г — 0). Приведенный на рис.12 график с двумя предельны-
» огибающими можно назвать обобщенным паспортом прочности породы. Та-
кса же график может быть построен на плоскости двух главных напряжений -
соответствующие оси главных напряжений 6} и <7 нанесены на рис.II.
Внутренней кривой обобщенного паспорта прочности соответствует течение
с бесконечно малой скоростью 6" -*• 0, внешней - течение с бесконечно
вольной скоростью э . Напряженное состояние в поспе шен случае
может существовать лишь очень непродолжительное время (на ф.ровтё удар-
17
вой волны). Каждой скорости нагружения, кал отмечалось выше, соответ-
ствует своя предельная кривая (огибавшая кругов Мора). Таким образом,
при промежуточных значениях О -• — и G деформирование
горных пород зависит от временных факторов и является вязким течением.
Рио.И. Поверхности текучести в пространстве главных напря-
жений:
а - условие Кулона, б - линеаризованное условие Мизе-
са-Шлейхера.
Не останавливаясь на частных случаях рассматриваемой модели, вклю-
чапцих упругое тело, пластическое тело и их Комбинации, более подробно
остановимся на вязких ее свойствах. Следует оговорить, что вследствие
аффекта упрочнения нижний предел текучести не постоянный, а увеличивает-
ся по мере развития деформаций. Поэтому вблизи нижнего предела течение
протекает о замедлением, и для поддержания его скорости на одном уровне
необходим} увеличивать напряжения. Этот эффект будет рассмотрен позже,
пока нижний предел текучести считаем неизменным.
Вводим функцию текучести
Fr‘ Z	’
где - упомянутый предел прочности при в- — о, из условий Мизеса-
IB
Шлейхера, равный соответствующей величине второго инварианта девиаторе
тензора напряжений ф^ - фт (p)-hm	
Ф-о ’
Рис,12. Паспорт прочности скальных
пород:
I - область вязко-пластического
течения.
С помощью коэффициента вязкости у и функции Г? зависимость меж-
ду касательными напряжениями и скоростью деформации можно вырезать сле-
дующим образом:
, / (о при F* О;
(Fr6<. “J® ft'°>	(I*9)
где г',. и <г,у девиатор» тензоров скоростей деформаций и напряжений.
Отрицательным значениям функции /у соответствует отсутствие де-
формаций среды (если не учитывать упругих деформаций), положительным -
деформирование с конечными скоростями, границе текучести FT = о - пре-
кращение деформирования.
Решая второе у ранение (1.9) относительно девиатора напряжений,
получаем б^у = (2? * ц, )	, где - второй инвариант девиато-
ра тензора скорюстей деформаций.
Используя условие Кулона, можно получить аналогичные, более прос-
тив выражения для плоской задачи. При простом сдвиге /у = /-	,
где г», - предельные касательные напряжения при постоянной нагрузке г-4
- избыточные, т.е. превышающие этот предел, касательные напряжения,
Q = г -	. Изменение скорости движения по нормали к его направлению
связано с последними простым соотношением cf =	----
В эйлеровом пространстве девиатор скоростей деформаций сдвига вы-
ражается через тензор скоростей деформаций следующим обрезом:
Работа напряжений при вязко-пластическом течении за время at будет
=	~ pda , где й - величина, характеризующая
объемную деформацию, Л = In/>въ у> - начальная и текущая плотность
среды.
Функции G' являются со9тветствуппими частными производными величи-
ны рассеяния энергии в' - / к'Л ) а г', где Т - температура.
Напряжения соответственно составляют О’,у. »	, а де-
виаторные компоненты тензора напряжения - e't =— г'.
19
Движения среды в области вязко-пластического течения описываются
системой дифференциальных уравнений
); 4 ",= 0 ’ <1Л0>
□	э	<Z)	'
где	4=	—дифференциальные операторы тензорного поля;
) - проекции массовых сил на оси координат.
Первое уравнение (1,10) отличается от известных в гидромеханике
уравнений Навье-Стокса лишь наличием последнего нелинейного члена в
правой части. Он обращается в нуль в области течения, где имеет место
зависимость v jt,f) = У	( t), в которой У( Л, - положительная
скалярная функция, <\у - симметричный девиатор. Поскольку
зависит только от времени / , последний член обращается в нуйь. Этб//
дает возможность использовать для решения практических задач при нагру-
жениях, отличающихся от предельных (динамических и статических), хорошо
разработанный аппарат теоретической гидромеханики вязких жидкостей.
В грунтах, горных породах и других твердых телах, переходящих в
вязко-пластическое состояние при достижении предела текучести условие
строго выполняется лишь в том случае, если связывать со скоростями де-
формирования часть напряжений (избыточные напряжения). При применении
условия Мизеса-Шлейхера, используя компоненты тензора напряжения или
девиатора тензора напряжения, следует учитывать изменения коэффициента
вязкости * 777- или р =	,где - постоянная часть
коэффициента вязкости, а величины и и3-'^ при равенстве нулю третьих
инвариантов тензоров напряжений и скоростей деформаций (при автомодель-
ных задачах) составляют
2 ’и + *fi * & г  в случае простого сдвига ве-
личина равна г .
Внутреннее трение при течении определяет диссипацию энергии, вели-
чина которой в единице объема характеризуется показателем “ J •
Последний связан с обобщенной скоростью и обобщенным напряжением
В приведенных выше уравнениях феноменологической модели коэффици-
ент вязкости принят постоянным. Существует возмэжность построить еше
более обобщенную модель, считая этот коэффициент переменным (^*const ).
В таком случае течение моделируемого материала, т.е, массива горних по-
род, будет небингамовым, аналогичным течению неньютоновской вязкой жид-
кости.
Применение переменного коэффициента вязкости позволяет описывать
единым математическим аппаратом все формы разрушения горных пород,
включая хрупкое. Последнее рассматривается как пластическое течение,
сосредоточенное в слое бесконечно малой толщины, превращающемся в по-
верхность разрыва - трещину.
Коэффициент вязкости при таком подходе целесообразно считать функ-
цией интенсивности касательных напряжений или г . При приближении
к верхнему (абсолютному) пределу интенсивности касательных напряжений
(пределу прочности) коэффициент вязкости снижается. Непосредственно у
этого предела он равен достаточно малой величине / . При приближении
20
к. нижнему пределу прочности, т.е. к пределу интенсивности касательных
напряжений, характеризующему прочность при постоянной длительной нагруз-
ке , коэффициент вязкости безгранично возрастает:

°° при s(i) = Ф2 или г = 1^2 ,
/ при б-(2) = Фд гм г--^.
Следует отметить, что такой подход позволяет также четко определить
физический смысл упомянутых пределов. Как отмечалось выше, стирается
также искусственная грань между хрупкими и пластическими породами. Ха-
рактер разрушения моделируеьпго описываемым способом материала зависит
только от интенсивности изменения коэффициента вязкости, т.е. от сбли-
жения ве.рхнего и нижнего пределов. У идеальных хрупких тел эти пределы
равны («й'Х ~ Фд Ь а У наиболее пластичных существенно различны
Приведем выражения, описывающие рассмотренное изменение коэффициен-
та вязкости:
(1-п)
где Ф ('f') - монотонно убывающая функция, тлеющая нижний предел, и без-
гранично возрастающая с возрастанием аргумента
при и = / ,
Условиям (1.11) и (I.I2) отвечает функция вида 'f(u) =	~ ’ где
и зе - величины, характеризующие реологические свойства пород.
Однако недостаточно разработанный аппарат небингамова течения не
позволяет решать конкретные задачи с применением уравнений данной моде-
ли, используемых в дальнейшем лишь для качественной оценки пород.
Заменой постоянного коэффициента вязкости переменной величиной
р^г^/не исчерпываются усложнения, которые следует внести в модель уп-
руго-пластически-вязкого тела, для того, чтобы оно более близко отвеча-
ло реальным свойствам породного массива. Как отмечалось выше, нижний
предел текучести также не является постоянной величиной, а изменяется
с развитием течения. О таком изменении свидетельствует затухание тече-
ния горних пород при постоянных напряжениях, несколько превышающих на-
пряжения, отвечавшие нижнему пределу текучести. В то же время при более
высоких напряжениях не только не происходит затухания процесса деформи-
рования, но даже наблюдается возрастание скорости течения. Это свиде-
тельствует об изменении нижнего предела текучести в узких пределах:
ф = при t=4i,
” 1при i - ~ .
Верхняя граница этого изменения не достигает верхнего предела текучести
Ф™ Фо • В промежуточных положениях величина нижнего предела текучес-
ти может бить определен;: уравнением Больимана-Вольтерра-Рзботнова
(t,jt) -	* ГЦ? (i, it) Фт ( it)it(3t) ,
где ядре п .j/.yчести, определяемое экспериментально.
21
Разность ~ Ф~ характеризует распространение области незату-
хающего течения горных пород в пространстве главных напряжений. Следует
отметить скудность экспериментальных данных, характеризующих эту об-
ласть.
3.	Частные случаи обобщенной мздели, аппроксимирующие
свойства различных пород в некоторых областях
напряженного состояния
Остановимся на частных случаях, при которых происходит вырождение
некоторых уравнений описанной ниже обобщенной модели и она приобретает
более простой вид. Это происходит, в частности, при совпадении преде-
лов «£ , ф~ и Фо 03 иэ ншс"
При Фо = ф™ »	» 0 :) описываемом теле отсутствует область
неограниченного вязко-пластического течения, в то же время затухающее
вследствие упрочнения вязиое течение (ползучесть) имеет место. Нетруд-
но убедиться, что описываемое тело упруго-вязкое или ползучее.
При фд - ф™ “ Ф^ » 0 описываемое тело является телом Гука, раз-
рушающимся при достижении предела прочности ф в хрупкой форме. Выше
отмечалось, что этот случай имеет место при я — ~ (практически при
«г» 50).
При фс -	= Ф^ - 0 описываемое тело представляет собой вяз-
кую жидкость. Как было указано, этот случай соответствует также усло-
вию я 0.
При фд = ф~ = ф^ = 0 тело является идеальной жидкостью. Этому
случаю отвечает также условие — 0,
Из литературных источников известно, что все четыре частные моде-
ли находят применение при описании в тех или иных условиях деформирова-
ния различных горных пород разными исследователями. Так, модель идеаль-
ной жидкости применялась М.А.Лаврентьевым и его последователями прж
описании деформаций в области весьма больших сжимающих напряжений при
динамических (взрывных) нагрузках. Модели вязкой жидкости и ползучести
также нашли применение б различных работах при решении горнотехнических
задач со статическим и,в отдельных случаях,с динамическим нагружением.
Тело Гука не широко применяется в механике горных пород.
Приведенные соображения з какой-то мере подтверждают правильность
и полноту описания реальных свойств обобщенной моделью. Если обретать-
ся к нашим экспериментальным данным и опубликованным результатам экспе-
римеатальных исследований некоторых других авторов, то можно высказать
суждения о характере изменения коэффициентов в уравнениях обобщенной
модели и Еырождении ее отдельных уравнений при тех или иных условиях
нагружения.
В наиболее полном, невыроаденном виде модель аппроксимирует полу-
скальные породы. Вырожденной моделью аппроксимируются также скальные
горные породы. Однако, по данным /347, при весьма значительных нагруже-
ниях (поряцка 2200 кГ/см^) отмечается несовпадение пределов текучести.
Упрочнение, определенное прж статических нагружениях, больше, чем при
динамических, и авторы работы полагают /15/, что статический и динами-
ческий пределы прочности совпадают, хотя указаний о прямом эксперимея-
22
тельном установлении этого фанта в работе нет. Таким образом, в облас-
ти высоких напряжений у спальных пород имеет место менее вырожденный
случай Фо Ф~ *	, а возможно, и невырожденный фд ~ ф~ * <<£ •
Мягкие сжимаемые породы (типа глин и суглинков) в неводонасыщен-
ном состоянии описываются невьрозденными уравнениями модели в области
малых сжимающих напряжений. При возрастании обводненности у этих пород
пределы Фд и ф™ сближаются, а абсолютные величины всех трех пределов
уменьшаются. С возрастанием сжимаюших напряжений до средних (более 40-
50 кГ/ом2) у глин весовой влажностью 15-20$, а затем (при более высоких
напряжениях) и у менее обводненных глин, а также у суглинков закрывает-
ся поровое пространство и величины и , а затем ф0 начинают
снижаться (в дальнейшем до нуля). Таким образом, в этой области имеем
дело с другой вырожденной моделью 0. Вследствие этого функция Ф
в условии Мизеса-Шлейхера и в условии Мора у глин и суглинков при вы-
соких напряжениях не является неубывающей. У лессов и песков, по литера-
турным данным, такого снижения пределов текучести не отмечается. Как бы-
ло указано выше, у всех мягких горных пород напряжение сопровождается
необратимой деформацией, не учитываемой уравнениями обобщенной модели
и требующей дополнительного отражения в форме зависимости 8 = В d(!)).
Более подробно на этом остановимся ниже.
Таким образом, обобщенная модель в общем виде, или в частных вырож-
денных случаях отражает почти все многообразие соотношений между компо-
нентами девиаторов деформаций и скоростей напряжений (или деформаций).
Этим практически исчерпывается ее значение, поскольку ее сложная систе-
ма уравнений в общем виде, безусловно, мало пригодна для непосредствен-
ного использования при решении практических задач.
Из приведенных данных видно, что для большей ча.-'и пород в широких
диапазонах нагружений обобщенная модель сводится к более простым ни рож-
денным моделям. Некоторые из них непосредственно пригодны для решения
задач и используются в ряде случаев.
При решении практических задач целесообразно дифференцировать не
только породы в соответствии с грунтовыми горногеологическими условия-
ми, но и условия нагружения в соответствии с инженерными (горнотехничес-
кими) особенностями рассматриваемых задач. Такой подход позволяет еще
более упростить рабочую модель, принимаемую при решении данной задачи,
и во многих случаях линеаризировать уравнения модели. Некоторые данные
об упрощениях обобшеной модели приведены в табл.1. Более того, при уточ-
нении горногеологических и горнотехнических условий рассматриваемой за-
дачи часто возникает необходимость учета факторов, не находящих отраже-
ния даже в уравнениях обобщенной модели, но важных для данной задачи
(например, необратимой объемной деформации). Дополнительный учет каких-
либо факторов возможен, как правило, лишь при простых исходных уравне-
ниях основной модели. Методика построения таких мэделей будет рассмотре-
на ниже. В этом случае обобщенная модель используется только для качест-
венного определения условий допустимости применения той или иной частной
модели. Чтобы оценить условия развития вязко-пластического течения и ве-
личины расхождения статического и динамического пределов прочности прм
действии касательных напряжений ( фд и <^тс>). выразим величину г (ха-
Таблица I
Образование частных усложненных моделей путем замены
постоянных коэффициентов при применении первой частной
линейной модели
Характер нагружения	Предел изменений	Название модели	Аргумент
0 ~ G — ©О	о-	Зернистая упругая среда	Линейный масштаб деформи- рования. Деформативные свойства связей между струн турными блоками (упругие константы)
	о-ф2	Анизотропная упру- гая среда	Упругие константы по поверх ности анизотропии. Ориен- тировке поверхностей ани- зотропии в пространстве
C^G -йсто	о ~ф2	Наследственная пол- зучая среда	Временной масштаб
0^*в ^ао	о-ф2	Зернистая наследст- венная среда	Линейный масштаб. Дефоома- тивные свойства между структурными блоками. Вре- менной масштаб
	о-ф2	Анизотропная наслед-Упругие константы по по- ственная среда	верхностям анизотропии. Ориентировка поверхностей анизотропии. Временной масштаб	
	о~ф°„	Зернистая аниэотроп пая среда	-Линейный масштаб деформи- рования. Деформативные свойства связей между структурными блоками. Упру- гие константы по поверх- ностям анизотропии. Ориен- тировка поверхностей ани- зотропии
^,=ФХ		Зернистая сыпучая среда	Линейный масштаб деформи- рования. Прочность связей между структурными блоками
в	б	'(V = *2	Слоистая сыпучая среда	Прочностные характеристики поверхностей анизотропии. Ориентировка поверхностей анизотропии
растеризующую величину области вязко-пластического течения) с широко
употребляемым в горном деле коэффициентом крепости пород М.М.Протодьяко-
нова /п . Па основании некоторых данных, полученных из наших экспери-
ментов и из литературных источников, можно полагать, что эта зависи-
мость имеет вид # - A (lODf t где Gn - нормальная составлявшая
напряжений в данной области; X и </ - численные коэффициенты, J *3,
J. = 0,7.
Для гидратизованных хлоритовых сланцев Кривого Рога с коэффициентом
крепости У = 1-2 в области нормальных напряжений &п = 100-200 кГ/см^
и ге = 2 + 3,5, В этом же диапазоне нормальных напряжений' -* 20
для скальных пород (роговиков) и «г» 0,1-0,05 для суглинков и глин.
Для грунтов коэффициент крепости М.М.Протодяконова малопригоден, так
как на его величину влияет изменение влажности. Этот же фактор влияет
и на величину # •
Перейдем к рассмотрению более простых частных моделей, усложненных
в необходимых случаях факторами, не учитываемыми в описанных выше урав-
нениях обобщенной модели породного массива.
4.	Частные модели породного массива
Линейные частные модели. Система уравнений обобщенной модели слиш-
ком сложна для непосредственного использования ее при решении тех иди
иных задач, связанных о деформированием породного массива. Приводя
такое, по возможности наиболее полное математическое описание механи-
ческих свойств горных пород, авторы не преследовали цель разработать
универсальную модель, пригодную для решения всех или большинства тео-
ретических задач механики горных пород, поскольку ясна бесперспектив-
ность такой работы. Уравнения обобщенной модели служат лишь критерием
для определения представительности честных моделей в тех или иных гра-
ницах изменений напряжений, деформаций, скоростей деформаций (напряже-
ний), а также для определения упомянутых границ.
При расширенном толковании коэффициентов в уравнениях обобщенной
модели как показателей, являющихся функциями не только свойств пород
в образцах, но и строения породнЪго массива, из этих уравнений вытека-
ет возможность построения целой системы частных моделей, отвечавших
трем диапазонам изменения напряжений (ъ 4Z*Gci>- )
трем характеристикам скорости нагружения^-- 0, <?— ~ и т.д. Ниже рас-
смотрим эту систему более детально, а сейчас отметим лишь, что основой
ее являются три наиболее простые модели - составные элементы упруго-
пластически-вяэкого тела: упругое тело Гука (или пластическое линейно-
деформируемое тело, идентичное телу Гука при однократном нагружении),
жестко-пластическое тело (сыпучая среда) с условием пластичности Куло-
на или линеаризованной формой условия Мизеса-Шлейхера и вязко-пласти-
ческое тело с постоянным коэффициентом вязкости.
Первая модель - это частный случай обобщенной модели при ограни-
чении изменения напряжений до	• В диапазоне изменения напряже-
ний от до &Z используется модель упруго-вязкого тела, являющаяся
производной (усложненной) моделью, полученной из первой линейной моде-
ли путем замены постоянных коэффициентов переменными величинами. Вторая
модель отвечает условиям = ^Z при 0 и	при G
Третьей моделью аппроксимируются условия ^Z <s '(2>	® послед-
нем случае принимается j-coMt . Из уравнений обобщенной модели следу-
ет, что это нс приводит к большим искажениям лишь при небольших значе-
ниях я (<г-=5+С) и сравнительно небольших изменениях скорости нагруже-
ний.
В описанных моделях приняты: линейные соотношения между над ряже-
ниями и деформациями - в первой, между напряжениями и скоростями дефор-
маций - в третьей и между касательными напряжениями и гидростатическим
давлением - во второй. Поэтому в дальнейшем при обосновании систем
частных моделей будем именовать их основными линейншя медалями.
Усложненные частные модели. В линейных частных моделях не нашли
отражения зависимости деформационных характеристик от показателе::
строения (зернистости и ан:иотрог.::к) породного масс/дд, влияние вре-
менных факторов(в первой и второй моделях), наличие неезратимых объем-
ной деформации у мягких пород и т.д. В то хе время для некоторых задач
зти неучтенные факторы являются первостепенными.
В ряде горнотехнических задач больное значение и®ет затухающая
ползучесть горных пород. Если принять условие, характеризующее пределы
изменения напряжений <fZ	» то из уравнений обобщенной
модели следует, что при одноосном сжатии в условиях плоского деформиро-
ванного состояния напряжения и деформации связаны уравнением вида
S(t	/£(at)L£(t,af ) d (at) . Обобщая это уравнение на трехмер-
ную пространственную задачу и используя принцип независимости сил, мож-
но получить уравнения, связывающие компоненты тензоров напряжений и де-
формаций:
= F.(t,at)i[1-F,.(t< F (tflt)F] 	(1.13)
о г I fl ’ tj fl	** lJ '
Уравнения (I.13) сходны с законом Гука, однако вомпоненты тензора
деформаций умножены на функцию времени
ПРИ
[ I при i 9- at,
а вместо упругих постоянных Ft и fl использованы определяемые экспе-
риментально (из испытаний на ползучесть) функции Fe и F^ , играющие
в уравнениях ту же роль, что и упругие константы Ft ,ju . Упомянутые
функции определяются через соответствующие упругие константы и интеграль-
ные операторы Ё и й .
Описанная модель ползучей (упруго-вязкой) средн отличается от част-
ной линейной (упругой) юдели тем, что постоянные коэффициенты ъ fl
заменены функциями времени F£ , А, . Аналогичным образом заменяются пе-
ременными величинами постоянные коэффициенты в первой и второй моделях.
Если решение дифференциальных уравнений возможно в общем виде, т.е. из-
менение коэффициентов учитывается лишь в конечных результатах решения,
такое усложнение модели ве вызывает больших математических трудностей.
Таким образом, основной формой усложнения линейных частных неделей при
построении системы моделей является замена коэффициентов Ft , fl , а ,
b , f / , переменными величинами F , F , F* , F^ , Ff , F^, являющими-
ся функциями безразмерных или размерных величин .........цп, харак-
теризующих изменения временных факторов, неоднородности и анизотропии
или их комбинаций:
~	<9? > 9г > ’ 9^ 1 ’ Fjv~ Ffl <9г9^’"-’9nJ’^r~^r^9f>--->9nh
Fb'	^91 • 9^ >  •• '9n^> f 9i<-"’9it) >
При применении теории наследственной ползучести в качестве величин
как указывалось выше, принимается время действия нагрузки, а величины F?
определяются из интегро-дифференциальных уравнений Больцмана-Вольтерра-
Работнова. При учете неоднородности и анизотропии в качестве величин ц-
«пользуются показатели структурного ослабления пород. Возможен и одно-
временный учет нескольких факторов, но он делает решение весьма громозд-
ким: так, учет анизотропии и временных факторов увеличивает величество
уравнений состояния до 21.
26
Второй формой усложнения линейных частных моделей является введе-
ние в уравнения дополнительных, как правило, нелинейных членов. Таким
образом, в работе /337 учтено упругое деформирование зерен связных
грунтов в стадии течения (протекающего в форме взаимного перемещения
зерен). Однако такое дополнение уравнений состояния намного увеличивает
математические трудности при решении задач, часто делая их непреодоли-
мыми.
Третьей формой усложнения линейных моделей является дополнение ид
отдельными уравнениями состояния, характеризующими объемные деформации.
Необходимость в этом возникает лишь при применении второй модали (по-
скольку в первой учитываются как сдвиговые, таи и объемные деформации).
Это также приводит к значительным математическим трудностям.
Не будем подробно описывать и анализировать каждую из частных нели-
нейных моделей породного массива, полученных из первых двух линейных
моделей, путем их усложнения. Для моделей, используемых при решениях
отдельных задач, это сделано при описании решений для моделей, применяв-
шихся другими исследователями. Ограничимся лишь перечислением этих мо-
делей и кратким описанием способов их получения (табл.2). Следует отме-
тить, что все усложнения относятся к первым двум линейным моделям; ус-
ложнение третьей модели принципиально также возможно, однако эта возмож-
ность весьма ограничена.
5.	Классификация горнотехнических задач по условию
применения моделей породного массива
Горнотехнические задачи, связанные о деформированием грунтового
или породного массива и с его разрушением разнообразны как по условиям,
так и по требованиям к результатам решения. Прежде всего горнотехничес-
кие задачи механики грунтов и горных пород следует разделить на два ос-
новных типа.К задачам первого типа, иоторве можно условно назвать обеи-
ми задачами механики грунтов и горных пород,относятся задачи,связанные с
определением абсолютных величин деформаций или скоростей деформаций при
динамических либо статических нагружениях породного массива тем или иным
способом, а также с определением либо абсолютных значений максимально
допустимых в тех или иных условиях напряжений (задачи на устойчивость
массива), либо, наоборот, минимальных напряжений, обусловливающих раз-
рушение породного массива. Таким обрезом, особенностью общих задач ме-
ханики грунтов и горных пород является определение абсолютных величин
напряжений, деформаций, или скоростей деформаций.
Ко второму типу - частным задачам - относят такие, в которых нахо-
дятся относительные изменения деформаций или скоростей деформаций, а
также максимальные или минимальные напряжения, связанные с изменением
какого-либо одного фактора или нескольких из обшей совокупности факто-
ров, определяющих понятие горногеологическзх условий.
Если обозначить каждый из этих факторов через и{,к то ре-
шение общей задачи сводится к отысгавнв функции F = t (uf, и2,...,	,
а решение каждой частной задачи - к определению частной производной
, -	i
27
Классификация основных задач механики грунтового и породного массивов по условию применения
математических моделей
Таблица 2
Требуемые результаты; Цреде- Нагруже-; Породы				; Влиял ие . временных Факторов 1	Применяемая модель	i	Необратимые ; объемные деформации	Влияние неоднородности (трещиноватости)
решения	|ЛН иэ- (менениу	иве					
		Задачи,	связанные с ’	разрушением и	деформированием	взрывом	
(;г?пплеление границ.	До фг		Скальные и	Не учиты-	Упругая среда	Не учитываются	Отсутствует
зоны разрушения или			цолускаль-	вается			
выброса			ные Мягкие		Пластическая	*?о ве	
					(упруго-пласти- ческая среда)		
Закономерности измене-	То же	G- —	Скальные и	То же	Упругая среда	Не существенны	Существенно
Пий напряжений р про-			полускаль-				
странстве (связанные с разрушением)			ные				
Определение границ эо-	н л	G	Мягкие	л п	Пластическая	Весьма сушест-	Отсутствует
ны уплотнения					(упруго-пласти- ческая) сжимае- мая среда	венны	
							
закономерности измене- ния объемной в зоне уплотнения	я и	& «*			То же	—	—
Задачи, связанные с		устойчивостью массива горных пород			(в том числе полученных взрывом выемок)		
Определение устойчи- вости откосов	ДО	G- ~ О	Скальные и полускаль- ныр	Несущест- венно	Сыпучая среда	Весьма сущест- венны	Отсутствует
			Мягкие	То же	То же	Не учитываются	Не существенно
То же пои последующем	ф2-ф0	О G сс ое	Скальные и	Л Л	W	Л	То же	Существенно
воздействии взрывных			полускаль-				
или горных работ			ные Мягкие	Существенно	Вязко-пласти- ческая среда	п	л	Не существенно
При решении общей задачи (определении функции F ) неизбежно приходится
пренебрегать влиянием ряда факторов а, , оставляя лишь наиболее важные.
Если фактор И; не учитывался при решении обшей задачи, решение соот-
ветствующей частной задачи /. - ~Аг.— не может быть получено из этого
решения. В таком случае требуется самостоятельное решение частной зада-
чи с применением другой модели, учитывающей данный фактор (возмож-
но, за счет пренебрежения другими факторами, не допустимого в обшей за-
даче). Так, определение радиуса подземной полости, полученной при под-
земном камуфлетном взрыве в сжимаемых мягких породах (общая задача) мо-
жет быть осуществлено с применением модели жестко-пластического (или
упруго-пластического) сжимаемого тела. В то же время эффективность при-
менения воздушных оболочек, вызывающих изменение, главным образом,вре-
менного параметра импульса при получении таких полостей (частная зада-
ча) , не может быть установлена из этого решения. Для ее определения
необходимо применять другую модель, учитывающую влияние временных фак-
торов.
Как правило, частные задачи связаны с опредалением эффективности
того или иного инженерного (горнотехнического) мероприятия. Так, опре-
деление устойчивости откосов, подвергающихся сейсмическому действию
при ведении взрывов, следует отнести к задачам обыкновенного типа. В
то же время определение изменения условий устойчивости откос- в фи при-
менении на взрывных работах зарядов с воздушными оболочками глу- корот-
козамедленного взрывания следует отнести к частным задачам, имеющим
отношение к первой общей задаче.
Как видно из этих примеров, частные задачи более разнообразны,
чем общие. Поскольку каждой из общих задач соответствует ряд частных,
остановимся более или менее подробно лишь на первых, которые также весь-
ма разнообразны.
В различных инженерных (горнотехнических) задачах, относящихся я
категории общих задач механики горных пород, возникает, как правило,
необходимость в получении следующих результатов: закономерностей рас-
пределения во времени и в пространстве напряжений и деформаций (часто
только в пространстве, без учета изменений во времени) и условий раз-
рушения или развития неограниченного пластического течения пород. В пер-
вом случае применяется первая линейная модель и построенные на ее основе
частные нелинейные модели, а при превышении предела ^”(т.е. при раэ-
витиии течения, ограниченного внешними условиями) - также и третья мо-
дель. Во втором случае применяется вторая модель.
В табл.2 приведена классификация наиболее известных горнотехничес-
ких задач по условиям применения различных моделей породного массива.
Как видно из данных этои таблицы, если не учитывать неоднородность
и анизотропию пород, требуется сравнительно небольшое количество моде-
лей для решения задач общего типа. Учет зернистости не приводит к изме-
нению моделей. Учет анизотропии возможен почти во всех случаях, в связи-
о чем в табл.2 данные об анизотропии не приводятся. Он также сушествен-
но не изменяет модели, однако во много раз усложняет вычислительные рабо-
ты, делая решения весьма громоздкими.
2Э
Рассматривая честные задачи, следует разделить их на два типа:
связанные с определением влияния факторов, учитываемых в модели, приме-
няемой при решении соответствупцей обшей задачи, и связанные с опреде-
лением влияния факторов, не учитываемых в модели при решении соответст-
вующей обшей задачи. В первом случае при решении применяется та же мо-
дель, что и при решении обшей задачи либо более простая. Второй случай
главным образом связан с влиянием временных факторов, реке анизотропии
или неоднородности. При решении этих задач требуются иные издали, чем
при решении общих задач.
Коротко остановимся на схеме решения одной из частных задач второ-
го типа, не приводя самого решения.
Задача сводится ж следующему. Известно, что после взрыва камуфлет-
ных зарядов (сосредоточенных или удлиненных) в мягких сжимаемых породах
в результате необратимой объемной деформации породного массива возника-
ет камуфлетная полость. При известном начальном напряжении размер полос-
ти и изменение закономерностей уплотнения пород в окружающей эоне опре-
делялись различными исследователями с применением модели упруго-пласти-
ческого тела, дополненного уравнением 8 - 9(р) (модель С. С. Григорян а),
а также более простых из делей. Однако во всех случаях исходные уравне-
ния модели не допускали учета действия временного параметра взрывного
импульса, а он, кал следует из работы /35/ и из наших экспериментов,
весьма существен. Увеличение временного параметра импульса одновремен-
но с некоторым снижением максимума напряжений осуществляется за счет
наличия воздушной оболочки вокруг заряда.
Горнотехническая задача определения оптимума воздушной оболочки
вызывает постановку теоретической задачи об определении миниюльной
длительности взрывного импульса, при увеличении которого величина полос-
ти существенно не возрастает. Решение этой задачи возможно, если при-
нять в качестве исходной издали линейно-деформируемое пластическое те-
ло, т.е. использовать уравнения теории упругости, полагая максимальные
деформации равными остаточным. Получив решение задачи (в упругой поста-
новке), можно заменить упругие постоянные (в данном случае одноосный
модуль Е* и коэффициент бокового давления /г ) соответствующими инте-
гральными операторами, учитывающими время действия импульса. Таким об-
разом, учет временных факторов в данной задаче требует перехода от уп-
руго-пластического (или жестко-пластического) тела к более простой об-
шей исходной из дели (телу Гука).
ГЛАВА П
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВОЛН
НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ВЗРЫВЕ ЗАРЯДОВ В ГРУНТАХ
I.	Методы изучения напряженно-деформированного состояния
грунтового массива при действии на него взрывных волн
Исследования строились на предположении о существовании кап воин
остаточных деформаций вокруг очага взрыва, так и обширной зоны микро-
деформаций (средней зоны), проступавшей за пределы зоны остаточных де-
формаций и игравшей существенную роль в формировании полезных свойств
грунтового массива взрывом.
Доказательством существования такой зоны послужили проведенные ра-
нее исследования интенсивности водопоглошения в массиве грунта, окру-
жавшем полученную взрывом выемку. Настоящие исследования проводились по
комплексной методике, позволяющей в первом приближении определить гра-
ницы зоны микродеформаций путем фильтрационных измерений и одновремен-
но изучения закономерностей прохождения упругих волн в грунтах о привле-
чением сейсмометрической аппаратуры.
Известно, что упругие взрывные волны, проходя через грунт с раз-
личным характером нарушений (уплотнением, разрушением, связей, измене-
нием влажности), изменяют свои параметры, в частности скорость. На ос-
нове этого явления были проведены эксперименты для уточнения границ эо-
ны необратимых микродеформаций при взрыве удлиненного горизонтального
заряда. Применялся гальванометрический метод регистрации /44/, как наи-
более полно отвечающий нашим задачам. В этом методе, как известно, ио-
ле бан ин воспринимаются плотно прилегающим к грунту сейсмоприемником,
преобразующим механические колебания в электрические токи, которые по-
ступают по проводам к гальванометру (шлейфу) светолучевого осциллогра-
фа. Колебания рамки гальванометра записываются световым лучом на движу-
щейся с определенной скоростью фотобумаге. На рис.13 представлена схе-
ма включения сейсмоприемника в цепь гальванометра. При исследованиях
применялась стандартная сейсмометрическая аппаратура: сейо/fприемники
ВБП-Ш, ВЭГИК, ВИБ-А, магнитноэлектрические осциллографы В 700, гальва-г
нометры М002 и M00I2. Указанная аппаратура позволяет записывать во вре-
мени перемещения или скорости перемещений грунта по вертикальной и го-
ризонтальной составлявшим с амплитудой колебаний от I мкм до 200 мм в
Интервале периодов колебаний 0,01-1 сек. В зависимости от соотношения
31
между периодами вынужденных колебаний Tgi/fl , периодами маятника Tj
и гальванометра Т2* а также от величины затухания маятника и гадь-
нанометра Д^ прибор записывает смещение или скорость смешения /55/.
Для регистрации, например,смещения нвобходимо,чтоби выполнялись соот—
ношения Г, »	; 4Z = 0,5 + 0,7; Ю + 25;	* Т? -
Этим соотношениям удовлетворяли в наших исследованиях следующие пары
оейсмоприемник-гальванометр: ВБП-З - И0О2; ВЭГИК - М002. Для регистра-
ции скоростей необходимы условия	Д7«0,5 + 0,7; Д2»0,5 + 0,7;
• При наших исследованиях этим соотношениям удовлетворяли пары
ВШ-3 - M00I2; ВЭГИН - M00I2; ВИБ-А - M00I2.
Гис.13. Электрическая схема гальвано-
метрической регистрации: - сопро-
тивление рабочей индукционной катуш-
ки сейсмоприемника; ,fr - сопротивле-
ние рамки гальванометра; Кщ ,	-
сопротивления г-образного шунта.
Тарировка аппаратуры производилась как на вибростоле, так и расчет-
ным методом. Последний применялся чаше, поскольку при исследованиях при-
ходилось менять сейсмоприемник и гальванометр в паре и часто изменять
шунтируьшие сопротивления. Кроме того, для контроля записи периодически
проводились регистрации колебаний разными приборами для установления
идентичности. Тарировочная кривая с гальванометрической регистрацией
представляется в вице произведения двух сомножителей:
(ПЛ)
где Ve - масштаб записи; 0 - амплитудно-частотная характеристика.
Масштаб записи приборов определяется формулами (ПЛ) при регистра-
ции смешений	= / = 0,314 {г> £-------------- -р- > при регистрации ско-
ростей V„,	-i- ОЛЛЛг., /О?- где и - отклонения на фотобумаге,мм;
4» I	I Д	£ Г U '
а , а  смешение и скорость смешения грунта, соответственно мм и мм/оек;
S( - чувствительность маятника, мвсок/см; 5Г - чувствительность рамки
гальванометра, мц/ма; Q2 - (Rcf	гш) * *r г *•
Выражение для безразмерной величины U(.Tgu/l ' ПРИ регистрации
смешений имеет вид	)=Ut2J>2 иг U? , при регистрации скоростей
смещений U^tTgull)‘K*er t’_, , где “Г/Т2 
L't-4vf/7и*игЧ//- л/.Arfu7 .
Для раяинрения динамического диапазона величин, регистрируемых
сейсмографом, применялось затрубление каналов при помощи Г-образных
вунтов из сопротивления Г^и л, (см.рис.13). Были рассчитаны и сделаны
шуытоные Кореею: с загрублениеи 12 качалоь: IKK—1 с коэЗфициентама
32
загрубления 2; 5; 13; 30; 80; 200; ШК-2 - 12; 20; 30; 40; 60; 130;
ШК-З - 1,5; 3,5; 10; 30; 80. Сопротивления и гш рассчитывались по
формулам	, где у? - коэффициент загрубле-
ния.
При регистрации колебаний грунта сейсмоприемники устанавливались
по продольным профилям. Для изучения сейсмического эффекта взрывов уд-
линенных горизонтальных зарядов-развертывались два профиля измерения:
в направлении, перпендикулярном к оси заряда и параллельном ей (вдоль
оси заряда). В каждой точке профиля записывались две составляющие коле-
бания: вертикальная Z и горизонтальная А . Сейсмоприемники устанавли-
вались о переменным лагом расстояний	(1,2 + 1,5)	. Эпи-
центральные расстояния установки сейсмоприемников зависели от веса заря-
да, глубины его заложения и охватывали диапазон расстояний от пуля до
2750 м.
При исследовании действия взрывов вертикальных цилиндрических за-
рядов было проведено три серии взрывов. Первая, масштабная серия взры-
вов, которая позволила определить зависимость амплитуд от величины заря-
да, проводилась при одинаковой приведенной глубине заложения заряда У =
-НС = const где Н - глубина заложения, м; С - вес заряда, кг
Сравнив параметры волн, полученные при взрывании цилиндрических и
сферических зарядов на разных глубинах, можно принять, что глубина зало-
жения вертикального цилиндрического заряда в первом приближении равна
расстоянию от уровня свободной поверхности до середины (центре тяжести)
заряда. Указанное допущение в пределах точности измерений оправдывает
себя по отношению к дальней (упругой) зоне взрыва и в меньшей мере - и
ближней зоне. Вторая, глубинная серия взрывов зарядов весом 12 кг прово-
дилась на приведенных глубинах 1,32 - 3,05 м/кг1' . В третьей серии
взрывались заряды различного веса на приведенных глубинах, обеспечиваю-
щих камуфлетное действие зарядов. Диапазон воса сосредоточенных зарядов
равен 4-45 кг, а их приведенная глубина заложения - 0,7 - 4,0 м/кг^'^.
Применяемое ВВ - тротил прессованный.
Изучение сейсмического эффекта взрывов горизонтальных удлиненных
зарядов выброса проводилось нами на четырех площадках: К I - Киевская
обл., № 2 - район головных сооружений Каховской оросительной системы,
М3- Николаевская оросительная система (Астраханская обл.), Jf 4 - Яал-
ласовский магистральный канал (Волгоградская обл.).
Параметры волн при взрывах горизонтальных зарядов изучались в зави-
симости от веса заряда С, кг, длины его заложения I (Но - приведенная
глубина вертикального заложения заряда, Не =	> Г1'е ^г/~ расход ВВ на
I пог.м, кг и расстояния К , а сопоставлялись они на одинаковых приве-
денных расстояниях Ад = (для параметра смещения грунта а ,мм) и
Не = ИС~^2(ддя скорости смещения о , см/сек), т.е. в данном случав
наблюдалось отступление от законов геометрического подобия.
Исследования показали,’ что описать одной зависимостью сейсмические 
волны при взрывах как вертикальных, так и горизонтальных цилиндрических
зарядов нельзя, поскольку, с изменением расстояния максимальная скорость
отмечена в разных типах волн. Поэтому динамические параметры сейсыичес-
33
ких волн (наибольшая амплитуда смешений а , мм; наибольшая скорость
смешения частиц и , см/сек и период волны) рассматривались отдельно в
волнах Pg и в зависимости от зоны действия взрыва - ближней с неуп-
ругими деформациями грунтов и дальней с упругими колебаниями.
В исследованиях видное место отведено изучению ближней зоны дейст-
вия взрыва, таи как именно в этой области происходит формирование сейс-
мических волн при взрывах с наличием свободной поверхности. Характерные-
признаки ближней зоны отличаются на всех этапах исследований как верти-
кального, так и горизонтального цилиндрических зарядов и суммируются
при изучении очага взрыва. Таким образом, представляется возможным в
какой-то мере наиболее полно выяснить механизм очага взрыва, природу
некоторых волн, зарождавшихся в этой области, а также механизм деформи-
рования грунта в средней зоне.
2.	Экспериментальные исследования волн возмущений
со сферическим и цилиндрическим фронтом
Сейсмические наблюдения, проведенные при взрывах цилиндрических
зарядов, показали, что полученные данные в общем виде не противоречат
результатам, описанным в работах по изучению сейсмики взрывов сосредото-
ченных зарядов. Чтобы установить имеющиеся по изучению сейсмики разли-
чия между взрывами сферического и цилиндрического зарядов по характеру
их воздействия на массив пород, были проведены взрызы зарядов указанных
форм в одинаковых грунтовых условиях (суглинках) с равными весами и
приведенной глубиной заложения заряда.
Рис.14. Волновые картины при взрывах сферического заряда весом 4 кг (а)
и цилиндрического весом 4 кг, длиной 4 м (б).
Сплошные линии - значения по Z-co ст являвшей; штриховые - значения по
Л-составляющей.
Волновая картина при взрывах сферического заряда весом 4 кг и ци-
линдрического того же веса длиной 4 м (рис.14) является типичной для
взрывов всех вертикальных цилиндрических зарядов неполного камуфлета
34
при наличии свободной поверхности. Первой на осциллограммах фиксируется
волна, сравнение временных и абсолютных параметров которой с результа-
тами параллельных измерений датчиками скорости электромагнитного типа
/8/, применяемыми обычно для регистрации ударных волн, позволяют отож-
дествить ее о объемной продольной волной (фаза Pg ). Она интенсивно
затухает с расстоянием и со временем. С определенных расстояний макси-
мальные амплитуды колебаний наблюдаются в различных фазах низкочастот-
ной волны, которая интенсивно затухает с глубиной. С расстоянием эта
волна затухает по закону а ~ Р~!,г , преобладающими являются периоды
0,15 - 0,25 сек, для исследованного диапазона весов зарядов скорость
распространения для киевских суглинков составляет 350 - 400 м/сек.
Указанные признаки позволяют отнести отмеченную нами низкочастот-
ную волну к поверхностной волне релеевокого типа. Отдельные ее фазы
и т.д. отмечены на приведенных осциллограммах (ом.рис.14). В зоне
действия поверхностной волны Rg наблюдается процесс "перекачивания"
энергии в последующие фазы с увеличением расстояния, т.е. постепенное
затухание амплитуды первых фаз и рост ее в последующих фазах.
Как видно из рис. 14, амплитуды колебаний по Z-составляющей в вол-
не Pg в ближней зоне превосходят по величине амплитуды по /-составляю-
щей в одних и тех хе точках измерения, что объясняется направленностью
действия второй стадии взрыва в сторону свободной поверхности.
Для более полного представления об отличительных чертах взрывов
зарядов со сферической и цилиндрической симметрией проследим траектории
движения частиц грунта на свободной поверхности. При взрыве как сферичес-
кого заряда 23 (рис.15,а), так и цилиндрического 24 (рис.15,б) на ближ-
них расстояниях движение частицы начинается по кривой с вращением по
часовой стрелке и переходит на более дальних расстояниях в движение по
эллипсоподобной орбите с вращением против часовой стрелки. Время t =
= 35 мсек при взрыве цилиндрического заряда и^= 55 мсек при взрыве
сферического заряда на траекториях движения частиц совпадает оо временем
подхода положительной фазы волны сжатия к свободной поверхности и воз-
вращения отраженной волны к стенкам полости, когда начинается разгрузка
массива и движение его в сторону свободной поверхности. Величины времени,
соответствующие максимальным значениям напряжений волны сжатия на подоб-
ных расстояниях в аналогичных грунтовых условиях,замеренные тензометри-
ческими датчиками давления,совпадают со значениями,указанными на траек-
ториях движения частиц грунта о учетом некоторого отставания во времени
максимума деформаций от максимальных напряжений в волне сжатия. В даль-
нейшем на указанное движение грунта накладывается, по-вцдиюму, движе-
ние, вызванное действием продуктов, взрыва, продолжающееся до ?= 60 мсек
(цилиндрический заряд) и /= 75 мсек (сферический) и с интенсивностью,
уменьшающейся по мере удаления точек наблюдения на свободной поверхнос-
ти от источников возмущения.
Обрапает на себя внимание тот факт, что период волны разряжения,
отмеченной на осциллограммах взрывов буквой (рио.16), определяется
диапазоном времени, зафиксированным на траекториях движения частиц грун-
та 75 - 300 и 50 - 260 мсек для сферического и 60 - 250, 50 - 280 мсек
для цилиндрического зарядов на эшшентральных расстояниях соответственно
35
5 и 10 м. Отмеченное выше время соответствует времени, в течении кото-
рого грунт, поднимавшийся в эпидецтральной зоне, сохраняет связь с ок-
ружающим массивом.
а1, ми
R'10m
б
Рис.15. Траектории движения частиц грунта при взрывах во
времени, сферического заряда весом 4 кг (а) и цилиндричес-
кого заряда весом 4 кг, длиной 4 м (б). Цифры на траекториях
Обозначают время, мсек.
На расстояниях около 50 м от эпицентра взрыва, т.е. в эоне упругих
колебаний, частицы грунта как в случае сферического, тан и в случае ци-
линдрического заряда (см.рис.15) совершают движения по эллиптическим
траекториям, по-ввдимому, потому, что горизонтальная составляющая сдви-
нута по фазе относительно вертикальной на четверть периода. Движение вна-
чале направлено по часовой стрелке, а в определенный момент времени
грунт начинает движение против часовой стрелки. Более внимательное рас-
смотрение траекторий движения всех видов взрывов и волновых картин по-
казывает, что изменение направления движения частиц происходит в момент
зарождения новой фазы волнового движения, в данном случае новой фазы
поверхностной волны.
О скорости распространения продольной и поверхностной волн, а так-
же волны разряжения в указанных грунтовых условиях можно судить из годо-
графа первых вступлений, построенного по данным амплитуд перемещений
грунта при взрыве вертикального цилиндрического заряда (табл.3,4).
Как видно из рис.17 и 18 и будет показано дальше, максимум фазы Лу
достигается не постепенно, а скачком в один и тот же момент времени
и, начиная с расстояния R t , фаза Лу становится собственно поверхност-
ной волной. Величина Н* является функцией параметров заряда и в первом
приближении A*--S,5 у/ СИ ? ' .Время начала излучения очагом взрыва вол-
36
ни Rg также зависит от основных показателей действия взрыва - величи-
ны заряда и глубины заложения его: /*= о, 07f у/ СИ? •
Рис.17. Сравнительные зави-
симости изменения смешений
с расстоянием по 2 и Х-ссс-
тавляющим (кривые I и 2 со-
ответственно) при взрыве
цилиндрического заряда.
Рио.16. Годограф скоростей по первым вступ-
лениям (С = 12 кг; I = 6 м). Цифры на го-
дографах обозначают скорость волны, м/сек.
Рассмотрим характер изменения максимальных амплитуд смещений по 2-
и /-составляющим с расстоянием^при взрыве цилиндрического заряда. На
рис.17 приведена зависимость ар р = / (К), построенная по результатам
взрыва в суглинке цилиндрического заряда весом 12 кг о расположением
верхнего торца заряда на уровне свободной поверхности. Вертикальная
составляющая до расстояния, равного 10 м, т.е. до такого, где еше дей-
ствует направленность взрыва, превышает горизонтальную составлящую.
Далее / -составляющая превышает 2-составляющую на небольшом участке,
расстояния, равного 20 м, после которого в волновом движении глав-
роль начинает играть поверхностная волна, т.е. в упругой зоне взры-
на всех расстояниях отношение д/ /а* = 1,4 (вертикальная составляю-
. w л6 ' S	м
превышает горизонтально). Указанное отношение зависит от свойств
а с
нус
ва,
щая
среды и для однородной среды определяется коэффициентом Пуассона, уве-
личение которого вызывает рост отношения /aft •
Сравнительная зависимость изменения смещения о расстоянием при
взрывах цилиндрического и сферического зарядов равного веса и одинако-
вой приведенной глубины их заложения показана на рис.16 и в табл.З, из
которых видно, что при взрыве сферического заряда смешения грунта в пря-
мой продольной волне в ближней зоне взрыва, а в поверхностной волне в
дальней превышают в количественном отношении аналогичные смешения при
взрыве цилиндрического заряда.
Из рис.18 видно, что для прямой продольной волны имеется область
В массиве пород, где взрыв цилиндрического заряда по количественным
данным параметров его волны южно рассматривать как сферический, и эта
2Г‘
область находится от центра заложения заряда на расстояниях, равных
примерно 10 tj- длина цилиадрическогс заряда). Для поверхностной
волны такой области на исследованных расстояниях установлено не было.
Отсутствием указанной области для исследуемых зарядов подтверждается
предположение о формировании поверхностной волны на границах зоны не-
обратимых деформаций грунтов, эоны куполообразного поднятия грунта,
изменявшегося по интенсивности в зависимости от формы и величины заряда.
Таблица 3
Данные о конструктивных особенностях вертикальных
цилиндрических и сосредоточенных зарядов
Глубина скважины, м	Длина заряда, м	. Радиус заряда, м	 Вес заряда, кг	Приведен- ная глуби- на заложе- ния заря- да	Форма заряда	Тип ВВ
10,0	7	0,0282	27	2,2	Цилиндри- ческий Л	Тротил
12,5	6,5	0,0555	30	2,2		Алюмотол
42,0 31,5	37,0	0,0555	58,5	2,2	fl	«
	24,0	0,0555	350	2,2	я	л
18	12,0	0,0555	130	2,2	я	л
10	6	0,02	12	3,05	я	Тротил
10	6	0,02	12	3,05	я	Я
8	6	0,02	12	2,2	я	Я
8	6	0,02	12	2,2	я	я
6	6	0,02	12	1,32	я	я
6	6	0,02	12	1,32	л	п
12	8	0,0141	8	4,0	л	я
6	4	0,0141	4	2,5	Л	я
6	Сфера	0,18	45	1,69	Сферичес- кий Я	я
2,7	1*	0,09	5	1,58		л
6		0,1215	12	2,63	я	я
4	fl	0,1215	12	1,75	я	л
1,6	я	0,1215	12	0,7	я	п
0	л	0,088	4	0	я	fl
24		0,0880	4	15,1	fl	я
8	я	0,088	4	5,0	я	л
8	л	0,105	8	4,0	л	я
4	л	0,088	4	2,5	м	л
6	4	0,0141	4	2,5	Цилиндричес-	
6	4	0,01	2	3,17	Я	я
6	4	0,0282	16	1,6	Л	п
Исследования изменения параметров волн, генерируемых взрывом цилинд-
рического заряда при наличии свободной поверхности, показали, что кине-
матические и динамические характеристики волн зависят от способа зало-
жения заряда: последний изжег быть расположен либо вертикально относи-
тельно свободной поверхности, либо горизонтально.
Наблюдается изменение параметров волн и о изменением радиуса заря-
да или его длины, глубины заложения заряда относительно свободной по-
верхности. Так, смещение и скорость смешения грунте, в поверхностной вол-
не возрастает при заглублении заряда только для определенной глубины
заложения, после чего начинают уменьшаться. Аналогичные параметры в
объемной волне сжатия растут с увеличением глубины заложения заряда
только до определенной величины последней; после этого спи остаются
ЗВ
постоянными. Определенным образом влияют иа параметры волн такие кон-
структивные особенности зарядов, как воздушные промежутки и места ини-
циирования заряда.
Таблица 4
Сравнительные данные по параметрам волн при взрнвах
цилиндрических и сферических зарядов
Цилиндрический заряд			Сферический заряд		
Расстоя- ние, Р, м	Максимальное смещение, мм		Расстоя- ние tf,M	Максимальное смещение, мм	
	в объемных волнах	в поверхност- ных волнах		в объемных волнах	в поверхност- ных волнах
6	10	-	5	22 10	4,2	-	10	10 12,5	2,26	-	16	6,3 25	0,72	1,06	25	1,03	1,26 30	0,38	1,03 40	П ЯР	П ЯЛ 56	0,071	0,34	50	0^085	0^54 87	0,028	0,112	70	0,055	0,38 114	0,015	0,066	100	0,002	0,26 170	-	0,042	130	0,0012	0,148 230	-	0,063 265	-	0,0178	270	-	0,040 300	-	0,0190	330	-	0,031 350	-	0,0125	370	-	0,031 420	-	0,0081	420	-	0,023					
Изменение смешений в продольной и поверхностной волнах с цилиндри-
ческой симметрией при изменении расстояния в общем виде выражается эм-
пирической формулой в виде степенной функции	, где К и
Ъ - эмпирические коэффициенты, зависящие от грунтовых условий, веса,
глубины заложения и радиуса заряда для волны сжатия. Для поверхностной
волны К зависит только от грунтовых условий, веса и глубины заложения
заряда, а коэффициент Ъ остается постоянным при изменении как конструк-
тивных особенностей заряда, так, по-вадимому, и грунтовых условий. При
увеличении глубины заложения заряда до определенной величины увеличивает-
ся и коэффициент К и, как следствие, амплитуда колебаний в поверхност-
ной волне, поскольку интенсивность поверхностной волны, или количество
энергии, израсходованной на ее образование, согласно /437 и результатам
наших исследований, зависят от напряженного состояния грунта над заря-
дом, вызванного прохождением по нему ударной вол’ы, и от объема грунта,
расположенного над зарядом. Эти факторы, вместе взятие, уравновешивают
избыточное давление продуктов взрыва в полости. С приближением располо-
жения заряда к уровню свободной поверхности при взрыве все меньший объем
грунта в надполостном целике вовлекается в движение в вертикальной и в
горизонтальной плоскостях, ослабляется действие целика на уравновешива-
ние избыточного давления в полости, все меньшее количество энергии пе-
реходит в куполообраэование и связанное с ним формирование поверхностных
волн.
Вертикальные цилиндрические запяпы. Изучению подвергались динами-
ческие параметры Поли и , т.е. волн, прослеживаемых непосредствен-
но от очага и не претерпевающих изменений на внутренних границах со эна-
39
читальными изменениями свойств ореды. Наблюдения над изменением ампли-
туд смещений грунта в волне Р& с расстоянием и от величины заряда пока-
зали, что ети амплитуды не аппроксимируются степенной функцией вида
и л~ хс , где t и п не равнялись определенным числам, как это
наблюдалось при исследованиях сосредоточенных зарядов /25,58/. Даже в
одних и тех ке грунтах, например в киевских суглинках, показатель b
функции а =яя Р изменяется в пределах 1,2 - 2,0 для исследованного
нами диапазона зарядов.
Рис.18. Сравнительные зависимости Рис.19. Зависимости параметров
изменения смещений с расстоянием сейсмовзрнвных волн от расстоянии
при взрывах цилиндрических (1,3)	и длины заряда при const-,
и сферических (2,4) зарядов.	I - С = 4 кг; 1г = 4 м; 2 - С =
8 кг, Z, = 8 м: 3 - С = 12 кг,
li = 12 м.
Указанные особенности воздействия на грунт взрывов цилиндрических
зарядов объясняются формой последних. В приведенной выше функции вео
заряда зависит еще от радиуса заряда или его длины I? . Кроме того,
в ближней зоне взрыва цилиндрического заряда на параметры взрывных волн*
кроме рядиуся заряда,влияет вес заряда и влияние последнего постепенно
увеличивается с возрастанием эпицентрального расстояния. Сказанное подт-
верждается рис.19, где представлены параметры взрывов зарядов одинаково-
го радиуса, но разной длины (см.табл.3). Как видно из рис.19, в ближней
эоне действия взрыва амплитуды смещения грунта в основном зависят от
радиуса заряда, а при постепенном удалении от эпицентра взрыва на сме-
40
шение грунта оказывает влияние общий вес заряда и, начиная с расстояний
Л* = 5,5	, т.е. в упругой эоне действия взрыва, амплитуда сме-
щений грунта зависит только от общего веса эар£ц 1.
Рис.20. Зависимости параметров	Рис.21. Зависимости параметров
сейсмовзрывных волн от расстоя-	сейсмовзрывных волн от расстояний
ний и	радиуса заряда при	1, = const;	и	глубины эалоиевия заряда	при
I - С	= 2 кг, rt = 0,01 и»	"2 - С =	С	= 12 кг: = const ; I -
4 кг,	G = 0,014 м; 3 - C	= 12 кг;	3,05 м/кг1/о; 2 - Hn = 2,2	м/кг1'4;
r, =	0,024 m; 4 - C = 16	кг;	3	- Hn = 1,32 м/кг1УЗ.
< = 0,028 м.	0
На рис.20 представлены зависимости изменения смешения грунта в вол-
нах Р( и от эпицентрального расстояния при взрывах цилиндрических
зарядов с разными радиусами г3 и одинаковой длиной 13 (см.табл.3). Каи
и в предыдущем случае, зависимости а - К) на расстояниях претер-
певают излом и, начиная с этих расстояний, максимальные амплитуды сме-
шения наблюдаются в поверхностной волне И/. Эти зависимости в ближней
зоне аппроксимируются функцией вида aPg = 83 + 323К 2,0+1
В рассматриваемых волнах величины смещений изменяются по-разному
в зависимости от глубины заложения заряда. Об этих особенностях измене-
ний величины смещений говорилось выше, а на рис.21 представлены кривые
зависимости изменения смещений грунта в волнах Р3 и /у от эпицентралъ-
ного расстояния при взрывах глубинной серии зарядов, где приведенная
глубина заложения зарядов изменялась от 1,32 до 3,05 м/кг ' при неиз-
менной величине радиуса и веса зарядов (взрывы 18-23, табл.5).
Таблица 5
Параметры горизонтальных зарядов
1 площад-
ки
Общий вео
заряда,
кг
Длина заря-
да. м
Расход ВВ (глубина за-
на I пог.изложения эа-
нг	ряда.м
Тип ВВ
8
12
36
160
800
200
800
680
8
6
6
10
40
I
2
6
16
20
Тротил
10
40
34
20
20
20
6
6
6
12
6
12
12
12
2,4-Iof
2,5-Ю4
5-101
и-ю5
П-Ю4д
4,7-ТО4
6
6
6
6
6
6
6
6
260
300
450
750
760
550
I
I
I
2
I
2
2
2
92
83,5
III
146
145
85
0.6
0,45
0,3
0,21
0,15
0,42
0,63
0,64
2,3
2,1
1.8
3,0
2,6
1,8
Игданит
Зерногра-
нулит 60/20
Тротил
Игданит
Аммонит
Л 6 ЕВ
Тротил
Игданит
Гранулит
АС-4
То же
I
2
3
4
5
На рис.22 приведены зависимости изменения смещений в волнах Pg и
от впицентрального расстояния и веса заряда при постоянной приведен-
ной глубине заложения заряда.
Пр® рассмотрении вопросов моделируемости колебаний грунта вызванных
взрывами цилиндрических вертикальных зарядов было показано, что наилуч-
шее группирование точек вокруг одной кривой для ближней эоны взрыва на-
блюдается при отнесении смещений и расстояний к радиусу заряда, а поэто-
му изменение максимальных смещений по вертикальной составляющей в волне
сжатия от расстояний с учетом радиуса заряда, веса и глубины заложения
заряда для условий исследуемых суглинков аппроксимируется формулой
Z = 8,7 • loVW-8* * -1.5^-^«Л
Изменение максимальных смещений в волне сжатия в ближней эоне взры-
ва сосредоточенного заряда вдет согласно эмпирической формуле а? =
* ЗВ Hq'9 Кд , где Но, Д’д - глубина заложения и эпицентраль^ое рас-
стояние, приведенные к весу заряда .
За период продольной волны бралось время нарастания смешений до
максимума г,, которое соответствует четверти периода синусоидальной
волны сжатия (рис.23). В упругой зоне действия взрыва период прямых про-
дольных воля зависит не от расстояния-, а от свойств пород и веса заряда
и выражается функцией
G. = 0,014 С0»13.
На основании того, что смещения в волне Pg связаны со скоростями
частиц и временем нарастания соотношением	fi, были вычисле-
ны скорости смещений как для взрывов зарядов весовой серии (см.рис.22),
42
так и для других,построены зависимости изменения скорости о реоотожием,
которые описываются формулами:
для зарядов о г.» 0,02 м
= V- !05^'BSf^s^9C ' SH°’'S
см/сел ,
см /сел .
для зарядов с ^==0,02 м
< -7Л
6
Рис.22. Зависимости изменения ско-
рости смещения от расстояний при
взрывах^весову^серил зарядов
Р-~С2=2565 кг, 2 = 37 м; 2 - С =
350 кг, Л = 25 м; 3 - С = 180 кг,
lj = 12 м: 4 - С = 90 кгЛ = 7 м:
5 - С = 28 кг,Л = 7 м; б - С =12 кг,
1} = 6 м; 7 - С = 4 кг, = 4 м.
Рис.23. Зависимости времени нарас-
тания смещений в волне до максиму-
ма от веса заряда и эпицентрально-
го расстояния: I - С = 350 кг,
Л.= 25 м; 2 - С = 90 кг.А = 7 м:
3 - С = 16 кг,Л = 4 м; 4 - С = 2 кг,
Z = 4 м.
При взрывах зарядов весовой серии наблюдался рост смещений и скорос-
тей смещений в прямой продольной волне с увеличением радиуса заряда лишь
до определенного размера последнего, вше которого этот рост становился
менее интенсивным.	___
На более удаленных расстояниях, начь ui с Д’ = 5,5\fcHB , т.е. в уп-
ругой области колебаний грунта, основную долю энергии сейсмических коле-
баний несут поверхностные волны, которые характеризуются большими перио-
43
дами и амплитудами. С расстоянием они затухают согласно зависимости
а = KRg’’1 , где показатель степени несколько меньше, чем у аналогич-
ной зависимости для поверхностной волны сосредоточенного заряда /25/.
Одним из основных факторов, определяющих сейсмический эффект взры-
вов или параметры взрывной волны, является вес заряда ВВ, Зависимость
мевду весом вертикального цилиндрического заряда и амплитудой колебаний
в данной точке на поверхности измерения в поверхностной волне имеет ввд
а =ЛС°'б. Таким образом, отношение степеней -’/'Г/г, а не 1/3, как это
получается в аналогичных функциях при взрывах сосредоточенных зарядов.
Затухание смешений грунта в волне с расстоянием при разных
конструкциях и степени заглубления торца вертикального цилиндрического
заряда в подобных грунтовых условиях характеризуется зависимостью
= 5,5 НуО'54	Коэффициент 5,5 определяется, по-ввдимо-
му, кроме свойств грунта еще и типом ВВ, хотя последнее и не тал сущест-
веяяо для зоны упругих колебаний.
При рассмотрении вопроса о моделируемости сосредоточенных зарядов
/25/ было показано, что наилучшее группирование точек в дальней зоне
взрыва наблюдается при отнесении смещений и расстояний к величине 0^^,
а при рассмотрении законов затухания амплитуд смешений с расстоянием
и весом заряда при исследованиях действия взрыва вертикальных цилиндри-
ческих зарядов расстояние приводится к величине .
Рио.24. Зависимости изменения максимальных перемещений грунта приведен-
ных и величинам С''г (а) и С '/* (б) от расстояний при весовой серии за-
рядов: I - 7 то же, что на рис.23.
Если построить зависимость малсимальных перемещений от расстояний,
отнесенных к cP2, что и представлено на рис.24,а, то мэкно заключить,
что группирование точек на намного худшее,чем это наблюдается при моде-
44
лировании по критерии Коши (рас.24,б). Такой двойственный характер мо-
делируемости колебаний объясняется и спецификой воздействия на массив
пород взрыва цилиндрического заряда, и слоистостью площадки, которая
не была смоделирована.
Период в поверхностной волне определяется как удвоенное время меж-
ду соседними фазами колебаний. Согласно рис.25 и выражению
период в поверхностной волне при взрывах вертикальных цилиндрических
зарядов зависит от грунтовых условий веса заряда и расстояния.
Рис.25. Характер изменения периода
колебаний в поверхностной волне
при взрывах вертикальных цилиндри-
ческих зарядов: I - 4 - то же, что
на рис.23.
Рио.26. Зависимости изменения пере-
мещений грунта от расстояний при
взрывах весовой серии зарядов:
I - 6 - то же, что на рис.23.
Основные параметры поверхностной волны
и период - связаны соотношением и^°гяа/Т,
вычислены скорости смешений как для взрывов
(рис.26), так и для взрывов других зарядов,
- смешение, скорость частиц
о использованием которого
зарядов весовой серии
и построены зависимости из-
менения скорости с расстоянием. Указанные зависимости аппроксимируются
формулой
Горизонтальные цилиндрические заряды выброса. Сейсмические иссле-
дования, проведенные при взрывах цилиндрических горизонтальных зарядов
выброса, показали, что их результаты (см.табл.5) в обшем виде подобны
полученным при изучении сейсмического эффекта взрывов вертикальных ци-
линдрических зарядов.
Тяпииняя волновая картина при взрывах горизонтальных удлиненных
зарядов выброса приведена на рис.27. В первых вступлениях фронта волны
наблюдается прямая продольная волна , в которой амплитуды скоростей
по ^-составляющей вначале превосходят амплитуды скоростей по /-состав-
ляющей. В дальней, упругой эоне абсолютные значения амплитуд массовых
скоростей вначале выравниваются, а потом эти значения по /-составляю-
щей превосходят также значения по / -составляющей.
Волна Р& интенсивно затухает с расстоянием, и со временем с опре-
деленных расстояний максимальные амплитуды колебаний наблюдаются в раз-
личных фазах волны . Изучение динамических характеристик волн пока-
зало, что эти расстояния определяются равенством Д’ =	„ Нв ' , где
Сп - погонный вес заряда, кг.
Рис.27. Волновая картина взрыва
удлиненного горизонтального за-
ряда виЗроса (С = 800 кг; Л =
40 м). Сплошные линии значения
штриховые - значения X .
Следует отметить, что при
изучении сейсмического эффекта
взрыва удлиненных зарядов на пло-
щадке 4, которая отличается
резкой геологической структурой,
на сейсмограмме на данных рассто-
яниях были зафиксированы волны,
по интенсивности сравнимые с по-
верхностными длиннопериодными
волнами (рис.28). Другие ис-
следователи при изучении сосредо-
точенных зарядов /417 назвали их
продольными низкочастотными отра-
женными волнами Р1(огр) • Тот Факт.
что эти волны не являются поверх-
ностными, иллюстрируется более высокой скоростью их распространения по
сравнению со скоростью первых; движение частиц грунта в них направлено
по ходу часовой стрелки (рис.29), в то время как в поверхностной волне
частицы грунта движутся против часовой стрелки. Влияние условий взрыва
на интенсивность отраженных волн еще не изучено, но есть предположения,
что она связана с механизмом очага взрыва, параметрами продольных волн
и геологическим отроением местности.
Рис.2В. Волновая картина взрыва удлиненного горизонтального заряда вы-
броса (С " 30 т, 7,« 300 ы). Сплошные и штриховые линии - то хе что
ва рве.27. '
46
Зависимости изменения максимальных смещений (рис.30) и скоростей
смешения (рис.31) с расстоянием показывают, что максимальные, амплитуда
в волне Pg наблюдаются только до расстояний К = 7 + 8уСцН , а далее
уже в волне или	Из рио.31 и 32 таяке видно, что в ближней
зоне действия взрыва удлиненного заряда амплитуды колебаний зависят от
радиуса заряда и типа ВВ и очень мало от общего веса заряда.
Рис.29. Траектории движения частиц
грунта при взрыве горизонтального
заряда выброса на расстоянии
2500 м при весе заряда 30 т и дли-
не 300 м. Цифры на траекториях -
время, мсек.
Рис.30. Зависимости изменения мак-
симальных смещений от расстояний
при взрывах горизонтальных зарядов
выброса при расположении профиля
измерений Перпендикулярно оси за-
ряда:
1-0 = 8 кг,/. = 8 м: 2 - С =
12 кг, I. = 6 м; 3 - С = 36 кг,
Z/=6M.
Так, при взрыве зарядов разного веса, но одинаковых радиусов
(рис.31,32) амплитуды скоростей на равных расстояниях в ближней зоне
отличаются друг от друга вследствие различных типов применявшихся ВВ и
только в очень малой мере из-за разности величины зарядов, наибольшие
значения скоростей были зафиксированы при взрыве заряда аммонита и мень-
ше - при заряде зерногранулита. В дальней эоне, после расстояний
а 7 + у/ Нд , наибольшее влияние на параметры сейсмовзрывннх волн
оказывает вес заряда.
В практике расчета промышленных взрывов, как правило, считают,
что на расстояниях, больших, чем линейный размер ряда скважинных заря-'
доь, действие на массив указанного рассредоточенного заряда можно рас-
сматривать как действие сферического заряда. Однако результаты заряда
исследований действия взрыва рассредоточенных зарядов /42/ опровергают
это мнение. Настоящими исследованиями указанное мнение также не под-
47
гвврждавтся.Как видно из рис.32 (площадка JS 2) и 33 (площадка М 5), при
взрывах горизонтальных цилиндрических зарядов четко проявляется ассимет-
рия в интенсивности сейсмических волн в разных направлениях: по оси за-
ряда и перпендикулярно к ней. На расстояниях от варяда, превышавших в
два-три раза длину последнего, массовые скорости по профилю, перпенди-
кулярному к оси заряда, в семь-восемь раз превшают скорости на таких
же расстояниях в направлении оси заряда. Исходя из законов затухания
волнового процесса с расстоянием можно предположить, что радиус области
равновеликих скоростей указанных профилей в десятки раз превышает лилей-
ные размеры заряда.
Рис.32. Зависимости изменения ско-
ростей смещений от расстояний при
расположении профиля измерений
перпендикулярно к оси зарядов и
вдоль их оси соответственно:
1,3 - С = 680 кг; 2,4 - = 34м
Рис.31. Зависимости изменения макси-
мальных скоростей смещений грунта от
расстояний при расположении профиля
измерений перпендикулярно к оси за-
I - с = Л: 1} = 34 м; ВВ -
аммонит Ji 6 ЖВ; 2 - С = 800 кг,
1г = 40 м, ВВ - игданвт; 3 - С -
900 кг, /}= 40 м, ВВ - зернограну-
лит 79/21; 4 - С = 200 кг, I, = 10м,
ВВ - тротил; 5 - С = 160 кг, /, =
10 м, ВВ - игданит.	'
Максимальные смещения частиц грунта в прямой продольной волне в на-
правлении, перпендикулярном к оси заряда, на разных эпицентральннх рас-
стояниях для условий взрывания, подобных условиям на площадке Ji I, выра-
жаются степенной функцией вида ap =	! у. )	. В поверхност-
ной волне а - о,S3 н1’’)"<
О С \ Г//
Скорость смещения в продольной волне в направлении, перпендикуляр-
ном к оси заряда, в зависимости от эпинентрального расстояния выражается
48
степенное функцией ир =• К tlf'1
ловий взрывания площадки Ji 2.
( *
'•и
где К = 190 ДЛЯ JO-
Рио.ЗЗ. Зависимости изменения ско-
ростей смешений от расстояний при
расположении профиля измерений пер-
пендикулярно к оси зарядов (I -
С = П»10* кг; = 750 м, ВВ - гра-
нулит АС-4; 2 - С = 4,7.1(л кг,
= 350 м. ВВ,- гранулит АС-4;
5 - С = 2.5-I04 кг,I. = 300 м. ВВ -
игданит) и вдоль оси зарядов (3 -
С = 11-10* кг, I, = 760 м. ВВ - гра-
нулит АО4; 4 - С = 5-I04 кг, Z. =
450 м, ВВ - гранулит АС=4).
Максимальная скорость колебаний
частиц грунта иmirr , начиная с рас-
стояний равных двум-трем линейным размерам заряда, т.е. в области упру-
гих колебаний, в направлении, перпендикулярном к оси заряда, выражается
степенной функцией вида
г	/. / / К \~'’7
kмал 0	('/	’
где К = 24 - для условий взрывания площадки №2, К = 95 для площадки JM,
К = 123 - для площадки Ji 5.
Таким образом, при помощи коэффициента /Г учитываются свойства грун-
тов, наиболее распространенных в местах ведения ирригационного строитель-
ства, а вся формула, так как она получена при обработке сейсмограмм по-
вышенных взрывов, может быть рекомендована для определения массовых ско-
ростей при подобных условиях взрывания. Для профиля в направлении оси
заряда	,,//*-£
и. * 70 М'	—)
Сравнение продолжительности колебаний в направлении вдоль оси заря-
да и перпендикулярном к ней показывает, что продолжительность колебаний
в первом случае больше, чем во втором (рис.34), Характер изменения перио-
да колебаний при взрывах горизонтальных зарядов выброса в указанных
грунтовых условиях в направлении, перпендикулярном к оси заряда, пред-
ставлен на рис.35, откуда видно, что период незначительно возрастает
как с расстоянием, так и с увеличением веса зарчда. Более интенсивно
период колебаний в поверхностной волне возрастает с расстоянием в менее
влажных грунтах, что и наблюдалось нами при проведении исследований на
площадках Я 4 и 5.
Рис.34. Характер изменения
продолжительности колебаний
грунта при взрывах горизонталь-
ных удлиненных зарядов выброса
с расстоянием в направлении,
перпендикулярном к оси заряда
и вдоль оси этих ие зарядов
соответственно:	А
1,3 - С = II-I04 кг, Z, =
750 м, ВВ - гранулит АС-4:
2,4 - С = 4,7*104 кг, I, =550м,
ВВ - гранулит АС-4.	*
Рис.35. Характер изменения периода ко-
лебаний грунта в поверхностной волне
при взрыве горизонтального удлиненного
заряда выброса с расстоянием в. направ-
лении, перпендикулярном к оси заряда
на плошадке * 4 (I - С = 11*104 кг,
/. = 750 м, ВВ - гранулит АС-4; 2 -
С = 4.7-I04 кг./. = 550 м, ВВ - то же)
и на плошадке # 3 (3 - С = 2,5*104 кг,
Z = 300 м, ВВ - игданит).
3.	Исследование необратимых дефо [маний грунтового массива
Для решения задач динамического уплотнения грунта необходим} знать
уравнения, характеризующие динамические свойства грунта, в том числе
связь между напряжением и деформадаей грунта (уравнение состояния) и за-
кон пластичности. Из тогочислеяннх опытов известно /В/, что в яеводояа-
оыгаенном грунте с определенными физико-механическими свойствами вид
функции 6(B) различен при действии статических и динамических (кратко-
временных) нагрузок.' Поэтому статические диаграммы сжатия непригодны
для решения задач динамики грунтов.
Характер изменения объемных деформаций суглинка с расстоянием
удовлетворительно описывается зависимостью
(Л.2)
в которой экспериментальные коэффициенты и jug, а следовательно, ха-
рактер затухания объемных деформаций и размеры зоны остаточных деформа-
ций определяются как параметрами заряда ВВ, так и физико-механическими
характеристиками грунта. Поэтому при обобщении экспериментальных данных
представляют интерес закономерности изменения деформаций грунта в зави-
симости от его свойств в естественном залегании. В работах, посвященных
этому вопросу /1,15,33/, ставится задача установления влияния отдельных
характе[истик грунтов (плотности, влажности, коэффициента пористости)
на их сжимаемость.
Нами принят комплексный показатель деформативности грунта / ,
объединяющий его основные характеристики - плотность и влажность, •
На рис.36 показатель изменяется согласно номеру кривой и соот-
ветственно величине деформации на определенном фиксированном расстоянии
от заряда , т.е. о ростом прочности грунта его объемные деформации
50
уменьшаются. Использование показателя у должно существенно упростить
определение параметров уплотненной зоны; достоинством этого показателя
является проотота его определения в полевых условиях методами плотност-
ного и нейтронного каротажа.
С целью установления корреляции между основными свойствами грунта
раздельно и в разных сочетаниях проведены исследования параметров уплот-
ненной зоны в суглинках с существенно различными характеристиками при
взрыве сосредоточенных зарядов камуфлетного действия. В частности, опре-
делялось корреляционное соотношение между экспериментальными коэффициен-
тами зависимости (П.2), с одной стороны, и следующими характеристиками
суглинка: плотностью Д, , объемной Aj, и весовой влажностями , общей
пористостью п , свободной пористостью и условным показателем ^,с
другой. При этом учитывалось, что гранулометрический состав грунта изме-
нялся незначительно. Расчетами установлено, что плотность связи между
экспериментальными коэффициентами и физическими характеристиками грунта
растет в такой последовательности: объемная влажность, полная пористость,
плотность, свободная пористость, условный показатель у . В последнем
случае плотность связи весьма высока - 0,94-0,944.
Рис.37. Объемные деформации суглин-
ка под горизонтальными удлиненными
зарядами выброса при глубине зало-
жения Нл= 0,Я (1),% = 0,35 (2,2 ),
Но = 0,7 (3,3') камуфлет (4,4').
Рис,36. Изменение объемных дефор-
маций суглинка с различными харак-
теристиками вокруг очага взрыва:
I * р = 1,364: 2 - я = 1,425;
3 - р = f,5I$.	‘
Корреляция между коэффициентами и весовой влажностью практически
отсутствует. Сравнивая полученные данные, убеждаемся, что наиболее до-
стоверным критерием сопротивляемости грунтов динамическим воздействиям
является величина р.
Аппроксимация экспериментальных данных дает следующие аналитические
выражения для коэффициентов Кв и jue :
K-5,3? WSe'"'14'?-,	(П.З)
и
51
Jilg^ З.Ов - 3,92 r> .	(П.4)
Выражения (П.6) и (П.7) действи: льны в диапазоне 1,37=»^ ® 1,6.
Среднее значение квадратической погрешности определения экспери-
ментальных коэффициентов по формулам (П.З) и (П.4) равно 0,06 - 0,16.
Коэффициент вариации , равный отношению средней квадратической ошиб-
ки к среднему значению функции, составляет 0,059 - 0,07. В статистичес-
ких расчетах принято, что конечные деформации сжимаемых материалов долж-
ны иметь ^' 0,10 - 0,15. Следовательно, погрешности определения экспе-
риментальных коэффициентов по формулам (П.З) и (П.4) находятся в преде-
лах указанных ограничений.
Логично предположить, что зависимости, подобные (П.З) и (П.4),
можно получить и для параметров фронта ударной волны. По литературным
данным /33, 347 и результатам исследований получены зависимости коэф-
фициентов, входящих в формулу вг - f от показателя . Эти
данные аппроксимировались выражениями
= 23,33 у - 29,33 ;	(П.5)
= 13, ?6	20,25.	(П.6)
Несмотря на малое количество точек, корреляционная связь этих коэф-
фициентов с условным показателем прочности составляет 0,95 - 0,96. Сред-
няя квадратическая ошибка определения констант из формул (П.5) и (П.6)
составляет 0,070 - 0,0В. При этом коэффициент вариации не превипает
0,09 - 0,1. Учитывая, что в статистических расчетах при определении
напряжений и скоростей коэффициент вариации не долиен превышать 0,16 -
0,18 при мелкозернистом строении грунтов (глины, суглинки), можно гаран-
тировать достаточную точность определения констант по формулам (П.9) и
(П.Ю).
Это является дополнительным подтверждением целесообразности исполь-
зования показателя р в качестве основного критерия при классификации грун-
тов по их податливости динамическим воздействиям. В частности, определив
плотность и влажность грунта в массиве методом радиоактивного каротажа,
моино по формулам (П.З) - (П.6) построить диаграмму динамического сжатия
конкретного грунта у = 3(9) без дополнительных экспериментов, что
имеет существенное значение при прогнозировании поведения грунтов в про-
цессе строительства сооружений различного назначения в грунтах с приме-
нением энергии взрыва.
Существуют различные способы получения закона динамической сжимае-
мости грунтов по большей части в лабораторных условиях. Однако, как ука-
зывалось вше, лабораторные методы изучения динамики деформирования связ-
ных грунтов не позволяют получить вполне достоверные данные об их сжимае-
мости в естественных условиях. По Ляхову разнообразие способов подготов-
ки образцов грунта с нужными характеристиками, различие в условиях про-
ведения опытов и методах создания нагрузок, применяемых в лабораториях,
приводят к большим затруднениям при сопоставлении результатов, получен-
ных разными исследователями. Во многих случаях подобное сопоставление
вообще невозможно. это вынуждает прибегнуть к определению за-
конов динамической сжимаемости связных грунтов непосредственно в масси-
ве путем экспериментальных замеров параметров взрывных волн в грунтах
52
и их плотности. Следует обратить внимание на то, что при постановке
таких экспериментов и обработке данных исследователи рассматривали грунт
как сплошную среду, предполагая при этом, что возмущения, генерируемые
в такой среде взрывом заряда, нарастают в каждой точке мгновенно.
Приложение к динамике грунтов законов деформирования сплошных сред
при импульсных нагрузках, содержащих кроме кинематических параметров
(скорости движения фронта ударной волны по невоэмушенной среде, скорос-
ти смещения частиц за фронтом ударной волны, давления) единственную ха-
рактеристику среды - плотность ее в невозмущенном состоянии, приводит к
ощутимым погрешностям, поскольку, в отличие от идеальных сред, неводо-
насыщенные грунты представляют собой совокупность твердого, жидкого и
газообразного компонентов, величина овяэей между которыми определяет
степень влияния пластичности и вязкости грунта на его сопротивляемость
динамическим воздействиям.
Сопоставление экспериментальных данных о характере затухания волн
деформаций с расстоянием в неводонасыщенном грунте, полученных по дан-
ным непосредственных замеров плотности в зоне остаточных деформаций,
а также расчетным путем из условия совместности на фронте ударной волны,
показывает на существенные расхождения значений 8 на равных относитель-
ных расстояниях • Это различие особенно заметно при приближении заря-
да к поверхности, когда он действует на выброс. На рис.37 приведены кри-
вые изменения объемных деформаций с расстоянием при взрыве горизонталь-
ных цилиндрических зарядов выброса с разной глубиной заложения (кривые
I - 3) и в условиях камуфлета (кривая 4), построенные на основании рас-
четных зависимостей с учетом экспериментальных данных. На этом же рисун-
ке приведены кривые, построенные по фактическим данным, полученным при
измерении объемных деформаций с расстоянием для тех же условий (кривые
2 - 4 ). Аналитически эти зависимости выражаются формулами
.	-f di	t	-3 31
= 4,88 яв '	; В3 = 831	;
вд 2д, в Яд’’42 .
Сравнивая выражения (П.7) видим, что расчетные и фактические зна-
чения объемных деформаций различаются по абсолютной величине при сохра-
нении общего характера деформирования. При этом расхождение в значениях
8 уменьшается с приближением условий взрывания к камуфлетному действию,
т.е. когда влияние свободной поверхности менее значительно.
Таким образом, для расчета объемных деформаций при камуфлетных
взрывах в ряде случаев могут быть использованы расчетные зависимости,
полученные из условия совместности. Для установления законов сжимаемос-
ти сред при взрывах на выброс необходимы теоретические и эксперименталь-
ные исследования с использованием вязко-пластических моделей среды, по-
скольку пренебрежение временными факторами, обусловленными внэко-пласти-
ческими свойствами связного грунта, ведет к искажению действительной
диаграммы сжатия его под действием взрывной волны. Как показывает анализ
осциллограмм, полученных при тензоиэмерениях в грунтах, в пределах уп-
лотненной зоны время нарастания максимальных напряжений на фронте удар-
ной волны колеблется в зависимости от расстояния в довольно широких пре-
делах. Следовательно, скорость нарастания напряжений также будет изйе-
(П.7)
53
пяться с удаленней от заряда. Кроме того, определенную роль в процессе
взрывного деформирования грунта играет эффект доадедействия, обусловлен-
ный вязкими свойствами грунта и заключающийся в нарастании деформаций
грунта в течение некоторого времени после достижения максимального зна-
чения <5 . В вязких средах уменьшение напряжения после достижения макви-
мума может сопровождаться дальнейшим нарастанием деформаций, что, види-
мо, и наблюдается в грунтах. В такой среде нет однозначной связи между
текущими напряжениями и деформациями, а уравнение состояния ее имеет бо-
лее сложный вид, представляющий собой зависимость, подобную зависимос-
ти их производными по времени. Применение этого уравнения при решении
задач .динамического деформирования грунта вызывает определенные труд-
ности, повтому для практических целей имело бы смысл упростить данную
зависимость, сведя ее к виду <з=<з(в).
Анализ эпвр положительной фазы волны возмущений вокруг очага взры-
ва (табл.6 - 8) показывает, что при неизменных исходных параметрах за-
рядов и характеристиках среды существует вполне конкретная связь между
максимальными напряжениями и временем нарастания этих напряжений .
На рис.38 построены иллюстрирующие сказанное зависимости, полученные
в различных грунтах при взрывании сосредоточенных и удлиненных камуфлет-
ных зарядов. Рассиэтрение этих зависимостей позволяет сделать выводы,
что в разных грунтах пр? равных значениях 6™ значения различны и
в каждом конкретном грунте, независимо от абсолютных размеров заряда,вре-
мя нарастания максимума напряжения связано однозначно с .
Таблица 6
Значения параметров взрывных волн при сосредоточенных
камуфлетпых взрывах
X ,м	U	(5, КГ/СМ2	г, ц/оек	м/сек	ц/сек	?#,м/сеи
0,44	7	-	-	0,4	-	- 0,3 21,85	0,5	1,2 0,63	10	-	15,25	1,5	4,0	14,0 0,94.	15	£9,7	-	1,0	2,0	41,0 8,65	-	1,0	3,0	44,0 10,73	1,1	3,1	4,9 1,26	20	-	6,1	1,3	4,0	4,25 6,34	-	0,95	3,5	55,5 1,58	-	1,5	3,7	2,4 1,89	30	3,1	-	3,72	11,35	54,15 0,75	-	5,2	11,0	62,4 1,57	5,0	13,8	11,6 2,52	40	-	0,58	6,92	0,24	10,52 0,81	у	5,52	17,52	34,88 0,53	-	5,4	16,8	15,2 2,38	15	15,1	-	3,75	5,2	43,5 13,3	-	3,7	11,2	33,3 9,15	4,0	9,5	18,0 3,17	20	-	4,35	6,0	24,3	18,1 6,2	-	6,2	20,5	73,5 3,7	-	8,6	21,5	19,5 4,76	30	2,38	-	6,8	27,2	36,0 0,225	-	13,2	23,6	31,2 0,71	8,8	30,0	9,2 6,34	40	-	0,25	11,6	29,2	13,2 1,03	-	11,6	32,0	47,6						
Продолжение табл.6
X, “	О	в, кГ/см2	V ,ц/оек	4,,м/оек	м/сек	м/сек
0.34	40	0,37		15,0 2,6	31,0	50,0
1,26	20	13			6,84	79,6
		6,7		2,8	7,92	16,48
1,89	30		• 1,93	5,20	16,8	10,4
2,52	40		0,87	7,20	22,4	10,2
2,52	40	0,76	*	7,60	15,6	7,4
		1,13	*	6,2	18,2	34,0
0,44	7			0,45	*	—
		178		0,3	1.0	
0,63	10	—	5,7	0,75	—	•» '
0,44	7		*	0,4	0,41	
0,68	10	*	w	*		
		35,8	—	0,8	2,0	6,53
0,94	15	26,0	*	3,4	5,12	33,9
		—	51,0	2,16	5,0	6,4
1,26	20	—	53,0	3,3	8,0	10,4
0,94	15	11,4	*	5,0	5,0	17,4
1,89	30	0,8 1,6		4,2	13,8	24,1
				5,6	14,2	26,2
0,63	10	*	6,84	1,25	1,75	14,25
		14,2	в»	1,75	2,0	
0,94	15	23,0	•в	1,6	3,8	33,7
		13,9		1,45	3,8	42,0
		—	7,38	2,0	4,3	25,7
1,26	20	*	1,59	4,5	9,5	5,0
	•	13,6	1,59	3,3	10,1	10,6
		3,62		4,5	8,8	—
1,89	30	2,5		3,6	13,12	46,9
		0,9		4,0	12,0	11,2
			2,05	3,6	14,8	11,2
2,52	40	—	0,62	8,0	21,6	10,2
		3,0	«В	6,8	16,56	30,2
		0,44	в	8,4	15,75	26,0
10			1,0	—		—
7		12	1,3	2,7	2,8	—
10		7,6	1.3			
10	29,2	—	0,9	1,5	—	
15	10,3	—	1,45	3,7	18,7	
15	2,67		1,5	3,6	4,9	в.
15	—	2,44	1,9	5,7	6,3	*
20		1,6	5,7	5,9	2,8	
20	4,8		2	5	10	
20	0,22		2,6	4,9	7	Mb
30	2,36		3,2	7,52	10,88	
30	0,27		3,56	7	2,8	
30	—	0,88	4,4	10,8	7,8	
40		0,41	6,4	16,3	8,7	
40	2		4	10	16	*
40	0,13		5,6	8,36	20,4	
0,217	7	—		0,6	—	
0,155	5			0,5	—	
0,31	10	—	5,6	1.5		
0,217	7	—	15,3	1.0	*	«в
0,155	5	180(157)		0,6	*	—
0,217	7	28,6		0,75		*
0,31	10	13,75	*	0,75	1,5	13,5
0,465	15	14,1		I	3,5	15,5
		*	2,98	1,75	4	10,5
0,62	20		0,5	3	8,25	7,75
0,465	15	2,6'		1.5	8	7,5
0,81	10	11,8	*	0,9		
0,62	20	7,1		1,6	4,68	15,32
0,93	30	1,22	в»	3,6	7,2	15,2
		—	0,41	4,4	11,12	7
55
Продолжение табл.6
8 ,м	К гз	ff, кГ/см2	V,м/сек	м/сек	г^, м/сек	if м/сек
1,24	40		0,38	6	15,6	9,6
0,62	20	3,4		1,4	4 '	5
0,98	30	0,52		3	6	5,7
0,217	7	—		0,25	—	-
0,155	5	276		1,0		
0,31	10		9	0,95	—	
0,217	7	—	7,6		—	—
0,155	5	62,5	*	0,4		 —
0,217	7			0,7		
0,81	10	16,5		0,9	1,5	13,5
0,465	15	8,7		1,1	3	15
		—1	3,02	1,75	5,75	9,25
0,62	20	.—	0,46	3(0	8	7,5
0,465	15	—	0,46	3,0	6	7,5
0,31	10	11,8		0,75	—	м
0,62	20	4,7	—	1,6	4,5	12,8
0,93	30	0,89	*	3,6	6,6	13,4
		—	0,27	4,4	11,2	6,8
1,24	40	—	0,27	5,4	14,4	5,6
0,62	20	1,84	—	1,4	4	3,2
0,93	30	0,22	-	3,2	6	4
Это означает соответствие определенному значению s™ лишь одной
определенной средней скорости нарастания напряжений, что дает право
строить зависимости между конечными значениями деформаций и значениями
максимальных напряжений для реального грунта без учета их производных
по времени. Такие зависимости не могут характеризовать динамику процес-
са деформирования грунта в каждой точке массива, однако позволяют уста-
новить окончательную картину распределения конечных объемных деформаций
в грунтах. Связь между 6™ и 8 лишь условно можно назвать уравнением
состояния грунта. Следует, однако, установить, как влияет симметрия за-
ряда на форму эпюры pit) , т.е. насколько сравнимы значения деформации 8
при равных значениях р , достигнутых взрывом зарядов различной конструк-
ции (рис.39).
Рис.38. Зависимости между максимальными радиальными напряжениями и вре-
менем их нарастания в легком (I) и среднем (2)суглинках при взрыве
сосредоточенных камуфлетных (а) и цилиндрических (б) зарядов.
56
Сравнивая кривые I и 2, видим, что при малых значениях р время
нарастания максимума давления существенно различно при взрывах с различ-
ной симметрией. Это означает, что при величинах рт до 10 кГ/оьФ диаграм
мы объемного сжатия, построенные по данным замеров параметров волн на-
пряжений и остаточных деформаций вокруг сосредоточенных и цилиндрических
зарядов в одном и том же грунте, различны. При давлениях свыше 10 кГ/см^
различие в скорости нарастания максимальных давлений практически исчеза-
ет, т.е, в этой области диаграммы объемного сжатия равноценны. Этот факт
имеет существенное значение, поскольку появляется возможность использо-
вать данные по взрывам камуфлетных сосредоточенных зарядов для прогнози-
рования поведения грунтов в эоне действия удлиненных цилиндрических за-
рядов (в области	кГ/см^), особенно если учесть сравнительно боль-
шое количество экспериментальных данных по распространению взрывных волн
со сферическим фронтом, накопленных в настоядее время наукой о взрыве в
связных грунтах, в частности в суглинках.
Для построения обобщенной зависимости между 6 и В в суглинках
воспользуемся выражениями (П.З), (П.4) и (П.5), (П.6). Необходимо, одна-
ко, обратить внимание на тот факт, что если измерение параметров взрыв-
ных волн происходит в слое грунта, расположенном на расстоянии В от
центра заряда, то замер плотности грунта на том же расстоянии методом
радиоактивного каротажа после взрыва фактически производится в алое, на-
ходившемся до взрыва на расстоянии от заряда B-fB , где (‘В - и - вели-
чина смещения данного алоя в результате расширения взрывной полости и
уплотнения близлежащих слоев в грунте. Поэтому в зависимостях В{ Вс ),
полученных непосредственными замерами плотности в зоне остаточных дефор-
маций, коэффициенты и ju.g следует пересчитать по схеме, приведенной
на рис.40. Спрямляем зависимость В (Во ) к виду hj 6 = If - rjg tq Вд
и строим график, считая, что в эоне максимального закрытия свободных пор
в = 8f -const (в пределах rn е В &	) проводим прямую АВ' . Слой грунта,
разграничивающий зоны 0В и ВС до уплотнения находился на расстоянии В*
от центра заряда. Другими словами, логарифм перемещения слоя в результа-
те взрывного уплотнения равен отрезку ВД. Логарифм перемещения последую-
щих слоев грунта определяется горизонтальными отрезками, заключенными
между прямыми В 'с и о'с . Точка С для обеих прямых принята общей, посколь-
ку на внешней границе уплотненной эоны смещение грунта практически от-
сутствует. Наклонная прямая в'С определяет зависимость If В от lg Вд в
зоне неполного закрытия пор с учетом смещения слоев; IgB * IgKs ~jttg Вп.
Значение коэффициентов Kg и /и'е выводятся из следующих геометрических
соображений (см. рис.40): при = Вп lq S =	8 ; тогда Ip К s =
=	If или Itf = la If Bff	.
Огоюда	Z- , .‘A'-A'’,
La A.
= a —Цг---------	(П.9)
la fr. 
Значение находим следующим образом. При центрально-симметричном
взрыве объем грунта, ограниченный радиусом полости и радиусом зоны мак-
симального закрытия свободных пор Bt , составляет в объеме, эаяимае-
57
85
Т а б л i п a 7
Значения параметров взрывных волн ирй взрывах цилиндрических горизонтальных
зарядов в суглинке
» сай- та	Глуби- на за- ложе- ния датчи- ков, м	Погон- ный ВоС заря- да,кг	Расстоя- Относи- 1	Напряже ние >т ; тельное г——  оси за- расстоя-j амплитуда, ряда,м	1 ние	1	мм i	1 			.	!		ние кГ/оц2	Снорооть частиц, ц/оек	Время прихо- да возмущения, моек	Время дости- жения 'макси- мума, моек	Время дейст- вия импульса моек
10	0,56	1,00	1,46	105	41,00	10,30	-	3,44	7,00	59,60 3,967	70	32,70	18,70	-	2,60	3,24	23,60 0,966	70	23,00	21,10	-	2,60	3,24	20,00 0,494	35	-	-	15,84	0,72	1,20	16,80 0,987	70	-	-	6,40	3,20	6,88	11,80 1,48	105	29,50	7,10	-	-	6,88 1,48	105	28,00	2,72	_	_	_	_ 0,987	70	26,00	8,67	-	2.68	4,68	9,20 1,480	105	-	-	4,30	4,33	7,80	28,00 1,974	140	-	-	2,11	5,46	11,80	27,30 1,974	140	16,00	3,20	-	4,55	9,63	29,80 1,974	140	18,50	2,82	-	4,55	9,63	13,90 II 0,35	1,00	1,48	105	23,00	5,77	-	4,96	7,43	20,60 0,987	70	18,50	7,70	-	3,72	4,55	19,40 С,987	70	27,00	24,80	-	3,30	4,34	24,80 3,646	60	-	-	6,27	2,48	3,64	25,60 0,987	70	-	-	Г,57	6,20	13,65	22,40 1,48	105	3,80	0,92	-	6,20	8,38	15,30 1,48	105	28,50	2,78	-	5,38	8,05	4,96 0,987	70	46,00	15,30	-	2,89	4,04	5,79 0,846	60	9,00	10,35	-	2,94	3,88	9,25 0,846	60	23,50	34,60	-	2,53	3,58	 - 0,846	60	25,70	14,60	-	2,73	3,9В	14,30 1,48	105	-	-	6,95	2,94	4,84	37,60 1,974	140	-	-	2,25	6,62	10,90	10,90 1,974	140	13,50	2,70	-	7,55	8,85	30,40 1,974	140	10,00	1,53	-	7,55	10,50	6,40 1,974	140	47,50	2 83	-	5,47	10,90	6,93 12	0,646	1,80	1,48	105	30,00	7,55	-	6,80	8,40	57,00 0,987	70	40,00	22,90	-	2,8Q	4,00	9,20								
tn
<0
13	0,21 It00
14	0,70	1,00
0,987	70	20,00
0.046	60	
0,987	70	—
1,48	105	26,50
1,48	105	24,00
0,987	70	28,00
0,846	60	11,00
0,846	60	16,60
0,846	60	75,50
1,48	105	
1,974	140	—
1,974	140	18,50
1,974	140	T.5,00
1,974	140	55,00
1,48	105	23,0C
0,987	70	6,80
0,987	70	15,00
0,846	60	
0,987	70		
1.48	105	11,00
1,48	105	13,00
0,987	70	25,00
0,846	60	4,70
0,846	60	8,50
0,846	60	13,50
1,480	IC5	
1,974	140	I?26
1,974	140	
1,974	140	—
1,974	140	
1,48	105	26,00
0,987	70	16,30
0,987	70	25,80
0,846	60	
0,967	70	__
1,48	105	17,50
1,48	105	18,00
0,967	70	39,00
0,846	60	4,00
0,846	60	11,80
0,846	60	25,40
1,48	105	
IB ,35	—	3,00	4,40	15,60
w		2,00		
—	5,57	3,00	4,80	I9?60
6,40	*	5,80	7,40	4,80
2,34		5,80	7,40	4,80
9,30	*	2,40	6,80	
12,65		2,50	3,76	11,60
24,40		3,32		
42,80	-.	2,32	2,35	I2?90
—	4,52	5,94	8,80	36,50
	2,52	8,75	14,20	33,80
2,70	*	8,64	42,00	
2,29		7,60	10.50	I4?80
3,28	*	6,80	12.00	34,00
5,78	k.	5,20	0,00	24,00
8,88		3,40	5,60	10,00
13,80	—	3,20	4,40	6,00
—	2?5B	3,20	5?60	2I?60
2,65	*	5,20	8,00	14,00
1,27	ж	4,80	7,92	8,40
8,33		2,80	5,40	8,00
5,40	*	3,68	5,10	4,49
12,50		3,26	3,68	
7,67		3,26	9,28	8,59
*	2,14	6,14	8,59	26,60
	1,26	8,18	20,00	22,10
	*	7,75	10,20	17,60
w		7,75	10,20	8,18
V»	4b	6,14	10.60	7,34
6,55		4,00	7,80	40,00
9,30	*	2,40	4,40	7,60
23,70	—	2,40	5,00	*
				
	3,46	2,80	5,20	9,60
4,22		3,60	7,40	19,20
1,75		3,60	7,20	6,40
13,00		1,60	5,60	13,60
4,60	*	2,86	3,48	3,68
17,32 .	*>	2,04	3,06	2,04
14,43	—	2,04	2,86	10,20
—	2,51	4,90	9,40	29,40
	ТлуОл-	Погон-	Раостоя-	Относи-	Напряжение	
оаы-	ла за-	ЕЫЙ	ние от	тельное		
та	ложе-	вес	оси за-	расстоя-		
	НИЯ	заря-	ряда, м	ние	амплитуда,	кГ/см4
	датчи-	Д6.КГ			мм	
	ков.м					
14	0.70	1.00	1,974	140			
			1,974	140	13,50	2,70
			1,974	140	18,00	1,98
			1,974	140	37,70	2,24
15	0.70	2.00	2,10	105	19,50	4,90
			1,40	70	38,00	21,70
			1,40	70	24,30	22,30
			1,20	60	V	—
			1,40	70		
			2,10	105	18,00	4,34
			2,10	105	15,50	1,51
			1,40	70	29,00	9,66
			1,20	60	13,40	15,40
			1,20	60	16,50	24,30
			1,20	60	32,00	18,20
			2,10	105		
			2,80	140		
			2,80	140	8,50	1,70
			2,80	140	8,0	1,22
			2,80	140	22,00	1,31
16	0.50	2.00	2,10	105	18,00	4,53
			1,40	70	6,00	3,43
			1,40	70	11,00	10,10
			1,20	60		—
			1,40	70	V	
			2,10	105	6,00	1,45
			2,10	105	54,50	5,30
			1,40	70	80,00	26,60
			1,20	60	11,00	12,65
			1,20	60	10,5	15,44
			1,20	60	36,80	20,90
			2,10	105		*
			2,80	140		—
			2,80	140	8,00	1,60
			2,80	140	5,00	0,76
			2,80	140	9,50	0,56
17	1.00	2.00;	2,10	105	38,50	9,68
			1,40	70	13,30	7 00
			1,40	70	10,00	9,18
Продолжение табл. 7,
Скорость частиц, м/сек	Время прихо- да возмущения, мсек	Время дости- жения макси- мума, мсек	Время дейст- вия импульса, мсек
2,31	4,80	9,35	33,20
—	4,09	8,60	37,90
	3,88	8,56	11,80
	3,06	8,56	13,20
—	4,90	10,70	47,00
	3,68	6,94	39,20
ж	3,68	6,74	14,30
			
3,36	4,69	8,16	19,60
	5,73	10,20	51,00
	6,95	10,20	6,14
—	2,45	6,13	8,16
	3,45	4,73	17,20
	2,79	3,44	—
	2,15	3,88	25,00
2,88	5,80	10,30	35,30
1,26	8,15	22,18	30,50
	6,00	12,19	52,40
	6,45	12,40	15,90
—	4,25	12,45	18,10
	5,35	9,05	36,60
—	5,35	8,24	30,50
	4,54	7,20	14,80
			
2,52	5,76	9,48	23,00
__	6,59	10,03	9,05
	4,95	6,18	45,05
	3,27	7,40	7,83
	3,34	5,44	23,00
	2,92	4,17	—
ж	2,92	4,59	12,50
2,07	7,50	18,40	30,00
2,25	10,00	23,80	34,20
	7,92	15,00	58,50
	10,00	15,40	18,40
	6,68	12,90	21,20
	4,24	10,70	89.0Q
	3,23	6,05	44,00
—	4,24	8,08	56,00
1,20	2,00
19	0,30	2,00
1,20	ВО	—
1,40	70	—
2,10	105	19,50
2,10	105	20,00
1,40	70	30,50
1,20	60	24,00
1,20	60	
1,20	60	56,00
2,IC	105	
2,80	140	*
2,80	140	6,70
2,80	140	4,30
2,80	140	18,00
2,10	105	25,50
1,40	70	36,00
1,40	70	29,50
1,20	60	
1,40	70	
2,10	105	47,00
2,10	105	16,00
1,40	70	39,00
1,20	60	13,00
1,20	60	8,00
1,20	60	46,00
2,10	105	
2,80	140	—
2,80	140	10,00
2,80	140	12,60
2,80	140	21,80
2,10	105	26,00
1,40	70	5,50
1,40	70	14,80
1,20	60	
1,40	70	*
2,10	105	12,20
2,10	105	44,50
1,40	70	20,00
1,20	60	3,00
1,20	60	10,50
1,20	60	11,10
2,10	105	*
2,80	140	—
2,80	140	7,90
2,80	140	1,90
2,80	140	12,00
4,04
4,44
7,66
2,83
2,0В
2,71
2,08
5,42
7,50
6,25
6,68
5,00
2,83
2,02
2,42
1,82
3,23
2,82
4,44
1,81
2,28
2,07
1,45
3,72
4,55
4,16
4,16
3,72
6,32
5,00
4,48
4,20
4,80
7,20
7,72
4,08
3,80
3,44
3,60
7,00
11,00
9,60
9,80
6,20
7,26
8,88
14,10
5,25
3,34
3?75
12,30
18,40
13,70
13,10
12,90
9,89
6,05
7,45
2,83
5,65
9,30
12,50
4,85
4,14
3,73
12,40
16,10
14,00
12,80
9,70
И,12
7,12
7,08
6,04
15,57
10.81
11,32
6,78
5,40
5,48
4,88
16,00
22,40
48,00
12,20
12,32
g *8 ь*8883' 1 888888888888' fc8¥«8888*8S88885' *88888
Таблица в
Значения параметров взрывных волн при взрывах вертикальных цилиндрических зарядов в глинах
опы- та	Глуби- на за- логе- НИЯ датчи- ков, м	Дли- на за- ряда м	10- гон- зый зес, кГ/м	Рас- сто- яние от оси заря* да,м	Отно- си— тель- ное рас- стоя- ние	Тари- ров- ка	Амплитуда,	ни							Ради- аль- ные на- пряже- ния, кГ/см2	Боко- вые напря- жения, кГ/см2	Осевые- напря- жения, кГ/см2	Ско- рость час- гид, <7 сек	Время прихо- да возму- щения, мсек	Время дости- жения макси- мума, мсек	Вренн дейст- вия поло- тель- ной фазы волны, мсек
							радиаль- ного на- пряжения	боково- го на- пряже- ния	осевого напря- жения	скорос- ти час- тиц	времени прихода возму- щения	времени достиже- ния мак- симума	времени дейст- вия по- ложи- тельной фазы							
15 1,50 2,00 1,00 1,05 75	0,75	13,00	-	_	_	4 00 1,05 75	2,15	-	19,00	-	-	5 00 1,05 75	0,66	-	-	10,00	-	5,00 1,40 100	2,11	15,00	-	-	_	7,50 1,40 100	8,00	-	30,00	-	-	7 00 1,40 100	1,37	-	-	9,50	-	7 00 1,75 125 9,65	50,00	-	9^00 1,75 125	И,73	-	24,00	-	-	9^00 1,75 125	9,88	-	-	30,00	-	9,00 0,70 50	4,85	_	_	-	55,00	2,50 1,05 75 7,25	-	55,00	6.50 1,40 100	20,58	-	-	_	77,00	8,00 1,75 125	7,05	-	_	_	23,00	ю	50 16 1,50 2,00 1,00 1,05 75	0,75	12,00	-	-	-	459 1,05 75	2,15	-	19,00	-	-	7’00 1,05 75	0,66	-	-	8,00	-	7 оо 1,40 100	2,11	15,00	_	_	_	п од 1,40 100	1,37	-	4,00	-	-	р оо 1,40 100	8,00	-	-	29,00	-	s’qq 1,75 125	9,65	50,00	-	-	-	ц	50 1,75 125	11,73	-	21,50	-	-	то	00 1,75 125	9,88	-	-	30,00	-	то	00 0,70 50	4,85	-	-	_	66,00	з’вп 1,05 75	7,25	_	-	_	50,00	7'00 1,40 100	20,58	_	_	-	58,00	c’qq 1,75 125 7,05	-	-	-	20,00	п’50 17 1,50 2,00 2,00 I 18	60	0,73	34,00	-	5’20 1,18 60	0,72	-	27,00	-	-	Png 1,18 60	1,47	-	-	54,00	-	5’00 1,50 75	1,25	23,00	-	-	-	Й’Ж. 1,50 75	2,15	-	23,00	-	- 1,50 75	0,66	-	-	17,50	-	р’лл 1,97 100	1,37	9,50	-	-	-	Т?’Ж 1,97 100	2,11	1	7,00	-	- 1,97 100	8,00	-	-	45,50	- 2,48 125 9,65	30,00	•-	- •	- Фд’лл 2,48 125	9,88	-	29,00	-	-	ФрЖ 2,48 125	11,73	-	-	33,00	- 1,18 60	4,85	-	-	-	65,00 1,50	75	7,25	-	44,00	ТХ’Ж 1,97 100	20,58	_	-	-	90,00 2,43 125	7,05	_	-	-	29,00	Й’Ж И 1,50 2,00 1,00 0,70 50	0,73	30,00	- 1,05 75	1,25	17,00	-	-	_ 1,05 75	2,15	-	12,00	-	- 1,05 75	0,66	-	-	9,00	-	8,00 1,40 100	2,11	10,00	-	-	_ 1,40 100	1,37	-	3,50	-	-	9.00 1,40 100	8,00	-	-	30,00	-	Ig.OO 1,75 125 9,65	53,00	-	9,00 1,75 125	9,73	1	18,50	-	-	т?.°0 1,75 125	9,88	-	-	23,00	- 0,70	50	4,85	-	63,00	Ц.® 1,05	75	7,25	-	62 00	3,90 о												12,00	90,00	17,35	-	-	_	I 74	5 22	39,20 18,00	12,00	-	8,85	-	-	2,13	5,55	5,10 18,50	32,00	-	-	15,00	-	2,13	5,75	18,35 17,50 100,00	7,12	-	-	_	3,19 7,45 42,50 18,00	26,00	-	3,75	-	-	2,98	7,50	10,84 19,00	75,00	-	-	6,95	-	2,98	8,10	31,95 25,00	89,00	5,18	-	3,75 10,40’ 37,10 25,00	33,00	-	2,05	-	-	3,75 10,60 13,75 26,00	35,50	-	-	3,04	-	3,75	10,80	14,80 6,50	11,50	-	_	_	и 40	1,06	2,76	4,80 12,00	46,00	-	_	-	7,59	2,76	5,10	19,20 20,50	37,00	-	-	_	3,76	3,48	8,92	16,10 36,50	53,00	-	_	_	3 26	4,38	15,20	22,50 11,50	52,00	16,00	_	-	_	1,87	4,80	21,70 14,00	9,00	-	8,85	-	-	3,02	6,10	3,91 14,00	26,00	-	-	12,00	-	3,02	6,10	11,30 20,00	70,00	7,12	-	-	-	3,05	8,70	30,40 21,00	125,00	-	2,92	-	-	3,48	9,15	54,40 21,00	33,00	-	-	3,63	-	3,34	8,75	13,75 26,00	90,00	5,18	-	-	-	4,80	10,82	37,50 25,00	32,00	-	1,84	-	-	4,17 10,40 13,35 26,00	60,00	-	-	3,04	-	4,1710,82	25,00 8,00	17,00	-	_	-	13,64	1,65	3,48	7,10 13,00	33,00	_	_	-	6,81	3,04	5,65	13,75 24,00	32,00	_	_	_	2,83	3,34	10,20	13,35 38,50	51,00	-	_	-	2,84	4,80	16,20	21,20 7,00	27,00	46,51	-	-	-	2,18 3,04	11,25 9,50	23,00	-	37,30	-	-	2,08	3,96	9,60 6,50	_	_	_	36,80	-	2,08 2,71 12,00	88,00	18,40	-	-	-	2,92	5,00	34,60 12,00	-	-	10,70	-	-	3,48	5,20 14,00	32,00	-	-	26,40	-	3,48	5,83	13,90 24,00	60,00	6,94	-	-	-	4,78	10,42	26,10 24,00	93,00	-	3,32.	-	-	5,4410,45	40,50 34,00	135,00	-	-	5,69	-	5,21	14,20	56,40 25 00	27,00	3,11	-	-	-	5,84	10,40	11,25 32,50	74,00	-	2,94	-	-	5,84	13,52	30,80 31,50	45,00	-	-	2,82	-	5,84	13,20	18,75 10,00	46,00	_	_	-	13,40	2,17	4,35	20,00 13,00	60,00	-	6,10	4,34 5,65	26,10 24,00	65,00	-	4,38	5,00 10,20	27,10 45 00	74,00	_	-	-	4,05	6,67	18,75	30,80 10,00	36,00	41,00	_	-	-	1,70	4,16	15,30 12,00	77,00	13,62	-	-	-	2,34	5,10	32,80 12,00	-	-	5,60	-	-	3,48	5,52 14,00	48,00	-	-	13.60 -	2,39	6,09	20,90 19.50	93,00	4,74	-	3,91	8,26	40,40 20.00	89,00	-	2,50	-	-	4,34	8,70	38,70 23,00	40,00	-	-	3,75	-	3,75	9,60	16,70 30,00	108,00	5,50	-	-	-	3,75	12,50	45,00 29,00	30,00	-	1,57	-	-	4,58	12.10	12,50 29,50	50,00	-	-	2,33	-	4,79 12,30 20,80 8,00	55,00	_	-	-	13,00	1,69	3,48	24,90 12,50 •	59,00	-	8,55 3,48 5,44 25,70								
62 -
63
эпы- re	Глуби- на за- ложе- ния датчи- ков, м	Дли- на за- ряда, м	По- гон- ный вос, кГ/м	Рас- сто- яние от оси заря- да, м	Отно- си- тель- яое рас- стоя-	Тари- ров- ка	Амплитуда,			
							радиаль- ного на- пряжения	боково- го на- пряже- ния	осевого напря- жения	скорос- ти час- тиц
Ifl	1,50	2,00 1,00	I I	40 ТОО 20,5В 7512,5 7,05	-	-	-	83,00 28,00
19	1,50	2,00 2,00	I	18 60 0 73	31?00		—	
			I	18 60 0,72		15,00		
			I	18 60 1,47	—		46,50	
			I	50 75 1,25	15,00			
			I	50 75 2,15	—	16,00		
			I	50 75 0,66			6,50	
			I	97 100 2,11	13,00			
			I	97 100 1,39	—	7,20		
			I	97 100 8,00	ж		46,50	
			2	48 125 9,88	46,00	__		
			2	48 125 9,65	—	23,00	ж	ж
			2	48 125 11,73	—		31,50	
			I	18 60 4,85			—	50,00
			I	97 ТОО 20,58	—			108,00
			2	48 125 7,05				46,50
20	1,54)	2,00 2,00	I	18 60 1,62			52,00	
			I	50 75 1,25	20,50			—
			I	50 75 2,15	—	20,00	*	—
			I	50 75 0,66	а		10,00	
			I	97 100 2,11	13,00			
			I	97 100 1,39	—	8,00	ж	
			I	97 100 8,00		№	46,50	
			2	48 125 9,65	36,20			
			2	48 125 11,73		24,00		
			2	48 125 9,88		ж	30,50	
			I	18 60 4,85	>			50,00
			I	50 75 7,05	М	—	—	47,00
			2	48 125 20,58	м		—	72,50
			I	97 100 7,05	—	—	—	42,00
64
Продолжение табл.8
ММ			Ради-	Боко-	Осевые	Ско-	Время	Время	Время
			аль-	вые	напря-	рость	прихо-	дости-	дейст-
									
времени	времепи	времени	ные	напри-	жения, КГ/ChT	час-	да	женин	ВИЯ
прихода	достиже-	дейст-	на-	жения. кГ/см*		ТИН,	возму-	максим	поло-
возму-	ния мак-	ВИЯ по-	пряже			м/сек	щения,	мума,	ки-
щения	симума	ложи-	НИЯ,				мсек	нее к	те ль-
		тельной фазы	кГ/см'						ной £азн волны, лее к
9,00	22,00	46,00		..		4,05	3.83	9,18	19,60
12,50	40,00	61,00				3,96	5.21 16.80		25,40
7,00	10,00	—	42,50				2,92	4,16	
7,00	10,00	—		20,73 -			2,92	4,16	. —
	—	—	ж		31,60		—		
8,00	15,50	—	12,00			—	3,34	6,45	
10,00	16,00	—		7.45	-			4 35	6,96	
12,00	17,00	31,00		—	9,80		5,22	7,39	13,50
9,00	18,00	115,00	6,17	ж			3,92	7,83	50,00
9,00	17,50	113,00		5,20 -			3,92	7,40	49,50
10,00	20,00	78,00	*	—	5,82		4.17	8.14	32,50
12,00	29,00	60,00	4,66	—			5,00 12,30		25,00
	30,00	—		2,39	-			-	12,50		
12,00	29,00	56,00			2,68		5.00 12.10		23,30
6,00	11,50	52,00		—		10,30	2,51	5,00	22,60
10,00	21,00	34,00		—		5,27	4,17	7,75	14,20
14,00	32,00	74,00	ж	—		6,60	5,84 .	3,35	30,80
6,00	12,00	44,00			32,20		2,79	5,58	20,50
7,00	13,00	92,00	16,40				3,25	6,05	42,80
8,00	13,00	65,00		9,<	3 -		3,56	5,78	24,41
9,00	15,00	23,00		—	15,00	—	4,00	6,66	11,20
10,00	20,00	130,00	6,15		—.	—	4,44	8,89	57,80
9,50	19,50	10b,00		5,7	5	-		4,20	8,69	46,70
10,00	23,00	83,00			5,85	__	4,17	9,59	34,60
12,00	33,00	100,00	3,73		__		б.оо :	3,75	41,60
13,00	35,00	70,00		2.04	-			5,42 :	4,60	29,20
12,50	35,00	105,00			3,09		5,21 :	4,60	43,80
6,00	•12,00	74,00				10,80	2,6?	5,34	32,90
9,50	14,00	75,50	в			6,50	4.22	6.83	29,10
10,00	21,50	37,00	ж			3,54	4,65 10,00		17,20
16,00	35,00	63,00	—	—	-	5 96	6,67 14,60		26,22
2ЯЦ- cos V/2 )	,	,
mom телесным углом ч , V, =------j-------( Д’/ - r- ) . До взрыва,
когда крайний слой грунта зоны мг оимального закрытия пор находился на
4 от центра заряда, та же масса грунта заключалась между
расстоянии
двум)! шаровыми^ секторами с радиусом г* , Л, и заполняла объем =
По условию сохранения массы Sf = или	= ft • Подставляя
значения объема, сокращая И пренебрегая значением
, получаем выраже-
ние для
выраженное в радиусах заряда:
(П.Ю)
Аналогично для осесимметричных взрывов
а ((п.п)
Используя выражения (П.10) и (П.П), получаем значение и fi'g для суг-
линка с произвольными характеристиками. Тогда зависимость <т (Вприоб-
ретет вид	Л- ,/
<?/ = к' в	(П.12)
Выражение (П.12) справедливо при	кг/см^, где различие во влиянии
временных факторов, обусловленное симметрией заряда, несущественно.
Рис.40. Схема к пересчету экспери-
ментальных коэффициентов.
Гис.39. Зависимость мевду средним
гидростатическим давлением и време-
нем его нарастания при взрыве сос-
редоточенных (I) и цилиндрических
(2) зарядов в суглинках.
Приведенные расчеты можно использовать для определения величины
смешения слоя грунта в результате его деформирования взрывом. Если в
зависимостях	представленных на рис.40 прямыми в'С и п'е , при-
нять постоянным значение, в. , то эти зависимости можно записать следую-
щим образом: 8 “ !t's ;	8 = Кg 80	, где RBU - координата
слоя до,его перемещения в результате деформации, или	;
•%а’ \	 Отсюда перемещение слоя	•
При решении зависимостей (П.8), (П.9) и (11.10), (П.11) необходимо
знать такие параметры, как радиус эоны остаточных деформаций и радиус
полости гп . Определить их можно на основании экспериметгачьных данных
о характере распределения объемных деформаций в массиве. Эффективность
взрывного способа уплотнения грунтов, т.е. равномерность распределения
объемных деформаций с удалением от заряда, и дальность распространения
волн возмущений в грунте определяются рядом факторов, основными из кото-
рых являются прочностные характеристики грунта, параметры зарядов, сим-
метрия фронте волны возмущения, величина заглубления заряда, когда на
результатах взрыва в определенной степени сказывается влияние свободной
поверхности.
Влияние грунтовых условий среди перечисленных факторов имеет решаю-
щее значение в случае взрывания зарядов одной симметрии. Располагая дан-
ными о характере распределения объемных деформаций в суглинках с широким
диапазоном прочностных свойств, а следовательно, и конкретными зависи-
мостями 8 (Кд) для каждого грунта, можно статистически обобщить эти
данные, чтобы получить единую зависимость Кд ( р). Так, для сферических
зарядов весом 0,1-0,4 кг можно воспользоваться выражениями (П.З) и (П.4),
предварительно условившись, что конечные объемные деформации на границе
уплотненной зоны с массивом недеформированного грунта составляют ^,=0,01.
Величину 8П выбирают, исходя из возможностей определения плотности грун-
та методом радиоактивного каротажа и учитывая, что достижимая точность
плотностного каротажа равна 1,5 - 2,0% (при выполнении ряда требований
к установке приборов и методике измерений).Подставив в выражение (П.2)
значение	8 п = 0,01, можно определить радиус зоны пластических дефор-
маций вокруг сосредоточенного заряда Л/ ‘ (ЮО Kg)1/ft	или с учетом
(П.З) и (П.4)	кСп = (5,37 10,ее	.	(11.13)
Проследим, как в конкретных условиях изменяется К.п в зависимости от 7.
Примем крайние значения: 7= 1,4 и 7 = 1,6. При 7= 1,4	= 33,4;
при 7= 1,6 Кс„ = 44,7, т.е. в более прочных грунтах волна деформаций
распространяется на большие относительные расстояния.
На основании обработки каротажных данных о параметрах уплотненной
эоны вокруг взрывов с осевой симметрией (табл.9) построены зависимости
Кд и от условного показателя прочности 7 (рис.41). Как видно
из рисунка, в диапазоне 1,37 * 7 * 1,6 эти зависимости с достаточной
точностью аппроксимируются виражениями
1дКе = 28,26 - 17.1 7= 17,1 (1,65 - 7 );	(11.14)
jtia = 15 - 8,66 7 = 8,66 (1,732 - 7 )	(П.15)
Таблица 9
Параметры уплотненной зоны вокруг вертикальных цилиндрических
зарядов в суглинках
№ взры- ва	Характеристики грунта				Параметра уплотненной			ЗОНЫ ]. т
	Л’з г/см3			?	19Кв			
I	1,7	21,2	23,3	1,402	4,52	2,82	2,811	2,46
2	1,766	21,0	20,8	1,463	3,67	2,5	2,988	2,1
3	1,94	32,2	7.5 9.2	1,45	2,44	2,05	1,926	1,67
4	1,945	29,0		1,505	2,53	2,12	2,234	1,89
5	1,64	23,0	26,3	1,33	7,12	4,1	9,2В	5,18
6	1,65	20,2	25,8	1,87	5,25	3,02	5,127	2,97
67
Продолжение табл.9
м взры- ва	Характеристики грунта				Параметры уплотненной эоны			
	г/см	НдЛ	л,, %		Ч	Ъ	Ч М'	hi
7	1,705	21,8	22,8	1,4	4,4	2,81	3,465	2,31
8	1,73	21,0	22,3	1,431	3,98	2,6	2,85	2,16
9	1,95	24,2	12,2	1,572	1,49	1,42	1,22	1,222
10	1,69	20,0	16,8	1,576	1,77	1.48	1,347	1,288
II	1,78	29,0	19,5	1,378	4,6	3,12	2,44	2,33
12	1,69	21,0	23,8	1,398	4,18	2,74	2,4	2,1
13	1,82	29,5	14,2	1,404	4,0	 2,98	1,046	1,98
14	1,86	31,0	9,0	1,418	3,55	2,74	—	—
15	1,91	29,0	10,6	1,478	2,76	2,3	1,62	1,6
16	1,916	29,0	10,4	1,484	2,90	2,330	1,5	1,65
17	1,85	21,7	17,4	1,52	2,1	1,95	1,25	1,39
18	1,905	25,0	13,4	1,526	2,1	1,95	2,1	1,45
19	1,93	22,5	18,9	1,576	1,2	1,55	0,61	1,2
20	1,73	25,7	19,3	1,377	4,15	2,91	2,4	2,7
21	1,7	23,2	22,0	1,377	4,18	2,93	2,4	2,13
22	1,7	21,5	23,1	1.4	4,0	2,67	2,11	2,1
23	1,91	28,5	10,9	1,484	2,4	2,3	1,3	1,68
24	1,9	26,0	10,5	1,51	2,0	1,95	1,18	1,5
25	1,92	22,0	14,5	1,573	1.0	1,65	0,6	1,1
26	1,94	21,3	14,4	1.6	0,66	1,2	0,84	0,98
Рис.41. Зависимости экспериментальных коэффициентов Кд (а) и (б)
от условного показателя : I -	= 2 кг; 2 - Сл = 8 кг; 3 -=20 кг.
Одпако следует учесть, что в исследованиях применялись цилиндричес-
кие заряды с погонным расходом ВВ I - 20 кг/пог.м, поэтому необходимо
выяснить, насколько в данном случае соблюдается принцип геометрического
подобия. На рис.41,а зависимости экспериментального коэффициента Кв от ?
построены раздельно для зарядов весом 2,8 и 20 кг/пог.м. Наблюдается
некоторое различие в значениях Кв при фиксированном значении f . Вы-
ражения для 1д Кд при этом имеют вид:
Ч	=	26,23 - 16,94 у	при	Сл	=	2 кг/пог.м;
1д Хе	=	27,9 - 16,94 р	при	Сп	=	8 кг/пог.м;
Ч	=	27,6 - 16,94	при	Сп	=	20 кг/пог.м.
68
В общем виде эта зависимость может быть представлена таким обра-
зом:
Z/ = 28,5 С„ "°'01 - 16,94 ? .	(П.16)
Анализ рис.41,б позволяет сделать вывод, что с изменением веса за-
ряда показатель степени рй практически не изменяется. Это означает,
что скорость затухания возмущений в грунтах не зависит от масштабов
взрыва и определяется лишь свойствами грунта. Пользуясь зависимостями
(П.15) и (П.16) и полагая, как и выше, 8п = 0,01, получаем выражение
для радиуса зоны пластических деформаций вокруг цилиндрических камуфлет-
ных зарядов:
И = 28^l^ELU6,94xj_2 .
15 - 8,66
Для более грубых расчетов можно пользоваться формулами (11.14) и
(П.15), сведенными к виду
lq Z* = 1,975	~£_ .	(П.17)
1,732
Располагая выражениями для размеров эоны остаточных деформаций,
можно сравнить эффективность зарядов различной конструкции при взрывном
уплотнении. Возьмем для сравнения сосредоточенный заряд весом 4 кг (ра-
диус заряда 8,56 см) и удлиненный цилиндрический заряд с погонным рас-
ходом ВВ 2,0 кг/пог.м (радиус заряда 2 см) и длиной 2 м (обший вес заря-
дов одинаков). По формулам (ПЛЗ) и (11.17) рассчитаем размеры уплотнен-
ной зоны при взрыве этих зарядов в грунтах с различным условным показа-
телем плотности	(табл.10).
Таблица 10
Параметры уплотненной зоны
Параметр	Размеры эоны, см, при значениях ?		
	1,3	|	1,4	1,5	1,55
*п	256	287	312	335
316	372	505	694
Как следует из расчетов, абсолютные размеры зоны остаточных дефор-
маций вокруг удлиненного заряда при любых значениях f' выше, чем при
сосредоточенном заряде, причем преимущества удлиненных зарядов более
полно проявляется с ростом у ; при этом, по-видимому, благодаря большей
прочности связей в грунте волны возмущений распространяются на большие
расстояния.
Анализ выражений (11.13), (11.17) обнаруживает следующие закономер-
ности затухания деформаций в связных грунтах:
I)	с ростом условного показателя прочности размеры зоны остаточных
деформаций возрастают за счет малых деформаций, что объясняется менее
интенсивным затуханием волн сжатия в более прочных грунтах о соответст-
венно меньшей свободной пористостью;
2)	на небольших удалениях от оси заряда ( Ro = 40+50) объемные де-
формации возрастают с уменьшением f и соответственно с ростом свободной
пористости п, , определяющей в итоге максимально возможную деформацию
69
грунта за счет полной ликвидации свободных пор
8 = - Ц;75	
1 + 0,75л. ’
3)	относительные размеры зоны остаточных деформаций в идентичных
грунтовых условиях уменьшаются с ростом погонного расхода ВВ.
Совместная обработка данных плотностного и нейтронного гамма-ка-
ротажа позволила установить количественные зависимости, определяющие
распределение свободной пористости л+ с расстоянием от удлиненного за-
ряда в грунтах с различными характеристиками. Приняв характер изменения
ликвидированной свободной пористости л* с относительным расстоянием в
виде л# - М'К ™, аппроксимируем зависимости fl'(j) и лгС^7, построен-
ные на рис.42, выражениями
1д И'=. 18,7 С7“°’0145 - 9,9? ;	(П.18)
л?= 9,78 - 5,43 f.	(П.19)
Зависимости (П.18) и (П.19) относятся к эоне неполного закрытия
свободных пор. В зоне, примыкавшей к заряду, где достигаются максималь-
но возможные деформации грунта, определяемые сжимаемостью твердого и
жидкого компонентов, а также зажатого воздуха, свободная пористость
грунта,по данным измерений,составляет около 25Х свободной пористости
грунта в естественном состоянии.
Рио.42. Зависимости эксперимен-	Рис.43. Зависимости радиуса каму-
тальных коэффициентов М' (1-3) и	флетной цилиндрической полости от
(4) от условного показателяу. веса заряда:
‘	I - ^ = 1,37; 2 - 7 = 1,505.
Пользуясь этиш данными, а также зависимостями (П.18) и (П.19),
можно определить размеры взрывной полости, приравнивая ее объем объему
ликвидированной свободной пористости в зоне остаточных деформаций.
Объем ликвидированной свободной пористости в эоне максимального закры-
тия пор

в эоне частичного уплотнения ?ям' , ~	_
Й -	Л,	(0^- V ! h 
70
Коэффициент м' определяется из выражения (П.18), приведенного в
абсолютному расстоянию К :
19М = 18,7 С^-0,0145 - 9,9 ? + n>lf г}- 2.
Слагаемое (-2) введено в это выражение в связи о необходимостью
перехода от значений пористости, выраженных в процентах, к значениям,
выраженным в долях единицы. Из равенства объема полости и суммарного
объема ликвидированных пор получаем выражение для радиуса полости
_ Га _____________________Г. ГГ ___i ~
(?	7	•
На рис.43 построены зависимости гп от веса заряда для грунта с
различными значениями f . Как видим, в пределах 2 • Сп «= 20 кг/пог.м
зависимость (£„1 отличается от прямолинейной, точками обозначены фак-
тически замеренные размеры полостей в суглинках, что иллюстрирует сов-
падение расчетных данных, основанных на предположении о преимуществен-
ном деформировании связных неводонасщенных грунтов за счет ликвидации
свободной пористости, с действительными. Таким образом, проведенные
исследования наряду с описанием характера уплотнения связных грунтов
анергией взрыва позволяют количественно оценить параметры полости и эо-
ны остаточных деформаций грунта с различными свойствами.
Не менее важно предсказывать размеры зоны остаточных деформаций и
при взрывах на выброс, когда заряд работает в условиях неполного каму-
флета, расходуя часть энергии на перемещение вышележащего грунта. Эти
данные нужны при разработке взрывных технологий, направленных на созда-
ние взрывным способом эффективной противофильтрационнсй защиты в зоне
проходки оросительных каналов.
Как было отмечено, параметры полей деформаций (а равно и размеры
зоны остаточных деформаций) существенно зависят от глубины заложения
заряда. Естественно, что наряду с этим фактором, на параметры уплотнен-
ной эоны влияет величина заряда. Чтобы установить совместное влияние
веса и глубины заложения горизонтального удлиненного заряда на размеры
зовы остаточных деформаций на уровне заряда, т.е. минимальные размеры
поля Rп , проведены радиокаротажные измерения при взрывах зарядов
весом 2, 4 и 20 кг/пог.м при различной глубине их залоиения.
Эксперименты проводились в легком суглинке со свойствами, присущими суг-
линкам в районах строительства оросительных систем Юга Украины. В ре-
зультате обобщения экспериментальных данных получено выражение, описы-
вающее зависимость размеров уплотненной зоны от глубины заложении заря-
да Н и его веса	х	~ 11	 Пользуясь этим выра-
жением, можно в дальнейшем принимать определенную величину заряда для
достижения требуемой надежности противофильтрационного экрана при задан-
ной глубине выемки.
4.	Исследование микродеформаций связных грунтов при
действии взрывных волн
В работе /V проведен анализ экспериментальных данных о параметрах
зоны необратимых деформаций грунтового массива вокруг очага взрыва.
В частности, путем радиокаротажных и сейсмоыетрических исследований по-
71
казано существование обширной зоны малых деформаций, характеризующейся
наличием структурных изменений р массиве грунта, которые определяют
его прочностные и фильтрационные свойства. Последнее представляет осо-
бый интерео при разработке взрывных технологий создания открытых выемок
большой протяженности (каналов) с одновременным обеспечением противо-
фильтрационлой зашиты этих выемок в процессе их эксплуатации. Эффектив-
ность такой зашиты определяется как размерами уплотненного грунтового
экрана, так и характером деформирования грунта, слагающего экран. Ис-
следования строились по комплексной методике, основанной на изучении
распространения упругих волн по зоне микродеформаций и фильтрационных
характеристик грунта в этой зоне.
Для постановки эксперимента по исследованию эоны действия взрыва
были проведены следупцие работы. Взрывом удлиненного горизонтального
заряда выброса проходилась выемка. Заряд обшим весом 15 кг взрывался
в вырытой траншее длиной 7,5 м и глубиной 0,5 м. Погонный расход ВВ
составил 2 кг. Заряд инициировался с двух сторон, чтобы исключить не-
симметричность параметров выемки и зоны предполагаемых необратимых де-
формаций по длине и сечению.Параметры выемки следующие (м): длина
по дну В,5, длина по верху [О, ширина по верху 1,2, глубина 0,8.
Полученную деформированную зону исследовали путем простреливания
ее небольшими зарядами тетрила (0,07 кг) в скважинах в продольном на-
правлении с записью вступлений упругой волны па шлейфовый осциллограф
Н-700 датчиком СПЭД-56М, также помещенным в скважины (рис.44).
Рис.44. Схема проведения опыта.
72
Первый этап заключался в простреливании вертикального осевого раз-
реза выемки по горизонтам. На дне и у самого начала полученной выемки
бурилась скважина * I глубиной 4 м и диаметром 0,05 м. По оси выемки
на базе 10 м бурилась такая же скважина Л 2, в которую помешался на за-
данной глубине датчик СПЭД-56 М. На базе 10 м по оси выемки от скважи-
ны М 2 бурилась скважина № 3 такой же глубины, как и две предыдущие.
В скважины Я I и 3 с интервалом 0,8 м, начиная о дна скважины и включая
дневную поверхность, помешались заряды ВВ. Прострелка и запись произво-
дились на одинаковых горизонтах.
При прострелке таким способом эоны предполагаемых необратимых де-
формаций и целика наблюдалась разница в скорости упругой волны, которая
позволила определить с некоторым приближением размеры нарушенной зоны,
полученной взрывом удлиненного заряда в вертикальном осевом разрезе.
Часть экспериментов производилась текже прострелкой вертикальных
разрезов в параллельных оси выемки и на различных удалениях от ее оси
скважинах различной глубины. Удаление профилей от оси выемки равнялось
I, 2, 3 и 4 м, а глубина скважин соответственно составляла 4; 3,2; 2,4
и 1,6 м.
Скорость волны по горизонтам в вертикальных разрезах на указанных
удалениях от оси выемки и в осевом разрезе приведена в табл.II, а на
рис.45 даны графики скорости упругой волны в каждом разрезе по целику
в сравнении со скоростью по зоне в функции от глубины простреливания.
Таблица II
Результаты измерения скорости упругих волн
Глуби- не) из- мере- нии, м	Сио- рость по це- лику, м/сек	Скорость в средней эоне по профилям, м/сек								
		I	п	ID	1У	У	У1	УП	УШ	IX
4,0	1720	1430	1820					—	1885	
3,2	1300	800	1135	—	1140	—	1320	—	1075	
2,4	1030	750	950	980	883		760	—	925	770
1,6	760	660	804	685	625	770	740	756	740	855
0,8	670	620	532	581	550	580	580	635	600	605
0,0	607	-	534	625	434	513	640	—	618	685
Изменения скорости позволили определить границы средней эоны в ра-
диальном направлении от оси выемки (рис.46). Сплошной линией на рис.46
нанесена граница средней эоны (зоны кольматации); для сравнения на том
же рисунке штриховой линией нанесена граница уплотненной зоны (эоны не-
обратимых деформаций), определенной методом радиоактивного каротажа.
Из рис.46 следует, что размеры эоны микродефо циаций достигают под заря-
дом (профиль I) 4,7 м (соответственно размеры уплотненной зоны состав-
ляют 2,1 м) от поверхности. Граница эоны микродефо [маний до уровня вало-
жения заряда (Н = 0,5 м) не установлена, однако очевидно, что она превы-
шает 4 м, так как по профилю У на этом горизонте отмечена разница между
скоростями упругих волн до и после взрыва (см.рис.45), составившая око-
ло 100 м/сек при абсолютном значении скорости, равном до взрыва 600 м/оеь
Таким образом, как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении
зона ник;юдефорглаций простирается намного дальше эоны уплотнения.
73
Рис.45. Распределение скорости упругой волны с глубиной до и после взры-
ва по профилям I-IX, по целику (сплошные линии) и по зоне (штриховые).
Параллельно о описанными экспериментами вокруг тех хе выемэк в
массиве грунта определялся коэффициент фильтрации. Для этого использо-
вался прибор конструкции Знаменского, состоящий из двух герметических
бачков (сосудов Мариотта), штатива и двух колец разного диаметра. Коэф-
фициент фильтрации измерялся по следующей методике. В дне шурфа сечени-
ем не менее I х 1,5 м устраивали зумпф круглого сечения диаметром, рав-
ным диаметру большого кольца прибора, и глубиной 15-20 см. При глубине
более 1,5 м в шурфе должны быть вырыты ступеньки или установлена лест-
ница. Дно зумпфа очищали, выравнивали и покрывали слоем мелкого гравия,
толщиной около 2 см. Затем в него концентрично вдавливали оба стальных
кольца на глубину, соответствующую нижним круговым черточкам, нанесен-
74
ным на кольцах. Во внутреннее кольцо и зазор между его стенками и внеш-
ним кольцом наливали воду и поддерживали ее в течение всего опита иа
одном уровне. Установленные над кольцами бачки наполняли водой при за-
крытых кранах через специальные отверстия. В таком вице прибор был под-
готовлен к опыту. После этого открывали водоспускные, а запей воздушные
трубки и регистрировали расход воды в малом бачке через определенные
интервалы времени.
Опыты по описанной методике проводились в трех шурфах (ом.рис.44):
в ненарушенном массиве,иа дне полученной взрывом выомии по оси заряда
в зумпфе, пройденном по массиву грунта на расстоянии 3,5 м от его оси.
Коэффициент фильтрации измеряли от поверхности грунта до глубины 2 м
с интервалом С,4 - 0,5 м.
Рис.46. Параметры уплотненной эо-
ны и зоны микродеформаций.
Рис.47. Динамика изменения фильт-
рационного расхода во времени на
горизонтах 0-2 и (шурф * I).
В результате обработки полученных данных были построены кривые за-
висимости фильтрационного расхода от времени (рис.47). Как видно из это-
го рисунка, кривая зависимасти в конце опыта выполахивается и через не-
которое время становится примерно параллельной оси абсцисо, что свиде-
тельствует о стабилизации расхода.
Коэффициент фильтрации (м/сутки) вычисляется по формуле
где - площадь дна зумпфа, ограниченного внутренним кольцом, Л =0,04 м2,
Как видно из рис.48 коэффициент фильтрации уплотненного грунта в преде-
лах зоны измерений уменьшается в 6-20 раз в эависиюсти от глубины изме-
рения. Максимальная разность между коэффициентами фильтрации неуплотнен-
ного грунта и грунта, деформированного взргеом, наблюдается, естествен-
но, в непосредственной близости от стенок выемки; затем с удалением от
выемки эта разница уменьшается, однако вследствие трудностей, возник-,
ших с проходкой опытных шурфов, точка слияния кривых, соответствупцая
границе зоны микродеформаций в шурфах Л 2 и 3, не достигается. Показа-
тельно, что измерения на расстоянии 3,5 м от оси выемки, т.е. далеко
за пределами уплотненной эоны, показывают существование эоны иольмата-
।гии характеризующейся заметным снижением коэффициента фильтрации без
существенного уплотнения грунта, лишь в результате нарушения структуры,
разрушения связей мевду минеральными частицами и "кольматирования" ес-
тественник ходов в грунте. в первую очередь определяющих его фильтра-
ционные свойства.
Рис.48. Зависимость коэф-
фициента фильтрации от глу-
бины;
I - до взрыва: 2 - после
взрыва в шурфе М 2; 3 - Пос-
ле взрыва в шурфе № 3,
Предыдущие разделы посвящены изучению характера изменения волн на
пути их распространения. Однако не менее важным вопросом является то,
как и где формируются рассмотренные волны. Решение этого вопроса дает
возможность в одних случаях наиболее полно использовать их энергию в
созидательных целях, расширяя параметры эоны микродеформаций, в других,-
наоборот, наиболее эффективно бороться с сейсмическим воздействием взры-
вов.
Из осциллограмм, приведенных на рис.14,б, видно, что в первых
вступлениях колебательного процесса наблюдается высокочастотная объем-
ная волна, которую обычно называют прямой продольной Pg . Эта волна ин-
тенсивно затухает с расстоянием и на определенном удалении от источника
колебания наблюдается длиннопериодная, менее интенсивно затухающая по-
верхностная волна Pg с ее многочисленными фазами.
Проведенные нами исследования сейсмического эффекта взрыва цилинд-
рического заряда и литературные данные по изучению действия сосредото-
ченного заряда /43, 52/ показывают, что до определенной глубины заложе-
ния заряда интенсивность колебаний указанных волн возрастает. При даль-
нейшем погружении источника колебания интенсивность волны Pg остается
постоянней, а волны Pg уменьшается и при значительном удалении источ-
ника от дневной поверхности становится несоизмеримо малой по сравнению
с интенсивностью в волне fy.TaK были взорваны заряды равного веса (4 кг)
в диапазоне глубины 0 - 24 м. Каи видно из волновых картин этих взрывов
(рис.49), длиннопериодная поверхностная волна отсутствует на записях
колебаний грунта как на уровне дневной поверхности, так и на глубине,
где условия взрыва заряда приближаются к условиям неограниченной среды.
При взрывах вертикальных и горизонтальных цилиндрических зарядов были
получены сейсмограммы движения грунта в эпицентральной области (рис.50)
откуда видны два максимума движения грунта.
Рис.49. Смешение грунта на свободной поверхности при взрыве заряда ве-
сом 4 кг на разных глубинах: а - 0; б - 8 м: в - 24 м.
See приведенные факты и те, на которых еще будем останавливаться,
подтверждают мнение о том, что взрыв как сосредоточенного заряда вблизи
свободной поверхности, так и цилиндрического нпжно и нужно рассматри-
вать протекающим в две стадии, а значит можно говорить и о существова-
нии двух источников сейсмических волн при взрывах цилиндрических заря-
дов вблизи свободной поверхности. Подобное описание механизма действия
взрыва, проходящего в две стадии, имеется в литературе /43/. Поскольку
механизм действия взрыва цилиндрического заряда при наличии свободной
поверхности подобен сосредоточенному, остановимся на описании двух ста-
дий взрыва (а значит, и на двух источниках сейсмических волн) очень
кратко.
77
Рис.50. Характерные записи смешения грунта на свободной поверхности в
ближней зоне при взрывах вертикального цилиндрического заряда весом
4 кг и длиной 4 м (а) и горизонтального цилиндрического заряда весом
36 кг и длиной бы (б)
Первый источник - это начальная стадия развития взрыва, когда его
продукты расширяются симметрично во все стороны. В окружающем грунте
возникают дефорлащ1и сжатия, которые и порождают объемную волну.
Второй источник - куполообразное поднятие грунта в эпицентральной
эоне, вызванное остаточным давлением газов в полости и связанное с этим
поднятием зарождение поверхностной волны. Процесс зарождения поверхност-
ных волн куполообразным движением грунта над очагом взрыва раскрывается
 подтверждается следующим фактом. При взрыве горизонтального цилиндри-
ческого заряда (см.рис.50,б) наряду с продольной волной сжатия намечают-
ся отдельные элементы фаз новой волны - поверхностной, причем в диапа-
зоне относительных расстояний 80 - 380 элементы этих фаз зарождаются
в один и тот же промежуток времени. Это время примерно соответствует
суммарному времени прохождения прямой и отраженной продольными волнами
расстояния в граничных пределах условного конуса выброса грунта над за-
рядом. Поэтому если считать, что формирование конуса выброса обусловли-
вается необходимостью достижения на его границах нулевых или близких к
ним касательных напряжений, можно связывать процесс зарождения поверх-
востных волн с куполообразным поднятием грунта. Следует отметить, что
в пределах этогс конуса наблюдается не сформированная волна, а как бы
отдельные элементы фазы, процесс формирования волны /Г/ оканчивается
на определенном расстоянии , соответствующем границе эоны необрати-
мых деформаций грунта, о чем подробнее будет сказано ниже.
Как уже отмечалось, для случая взрыва горизонтального заряда, а
также при рассмотрении годографа первых вступлений при взрыве вертикаль-
ного цилиндрического заряда (см.рис.16) до расстояния R* максимум фазы
К] поверхностной волны достигается при t ” * , Еще одним подтверждени-
ем того, что поверхностная волна зарождается на границе эоны куполооб-
разного поднятия грунта, изменяющегося по интенсивности в зависимости
от формы и величины заряда, является отсутствие области равновеликих
смещений частиц в поверхностных волнах, генерируемых взрывами цилиндри-
ческого и сферического зарядов различного веоа при одинаковой приведен-
ной глубине их заложения.
78
В подтверждение данных об источнике поверхностных длиннопериодяых
волн, обратимся к рис.49, из Koropoto видно, что в тех условиях, где не
наблюдается куполообразного поднятия грунта (в данном случае при взры-
вах на уровне дневной поверхности и на глубине 24м ), отсутствует и
длиннопериодная поверхностная волна.
Движение грунта у эпицентра взрыва вблизи дневной поверхности про-
является в виде куполообразного поднятия, время подъема зависит от ве-
са заряда и глубины его заложения. В этом случае смешения грунта носят
длиннопериодный характер с большими амплитудами (см.рис.50), так как
частицы грунта получают значительные начальные скорости и не удерживают-
ся упругими силами. Здесь наблюдаются пластическое и упруго-пластичес-
кое движение грунта и связанные с ним линейные явления, которые прояв-
ляются в изменении периода прямой продольной волны с расстоянием (см.
рис.22). В начале, в ближней зоне, он уменьшается, а дальше, в упругой
области, остается неизменным.
Уменьшение максимальных амплитуд в волне Pg с расстоянием обычно
аппроксимируется степенной функцией вида	, причем показатель
степени изменяется в зависимости от того, где распространяется волна:
в ближней зоне взрыва или в упругой области. Так, при взрыве вертикаль-
ного цилиндрического заряда (рис.51) на первом участке затухание смеще-
ний происходит по закону а= 160 Я _2>0t а на втором - по закону а =
Место перегиба кривых, как показало изучение действия на мас-
сив ряда взрывов цилиндрических зарядов (см,рис,26), находится от эпи-
центра на расстоянии 5,5 у/си0 '. Это и есть граница между дефор-
мированной и упругой эонами при взрывах цилиндрических зарядов в суглин-
ках. Причем Но учитывается только до глубин Н ~ ft*	, а пос-
ле этих глубин Но не учитывается, так как интенсивность волны при
дальнейшем заглублении заряда остается постоянной.
Начиная примерно с расстояний zf*= 5,5 JjclT, распространяется
поверхностная волна , вернее ее фазы 4",,т.е. область излома
кривой затухания волны Pg совпадает с зоной формирования поверхностной
волны, а значит, и началом области упругих колебаний.
На рис.52 представлены зависимости изменения максимальных амплитуд
смещений в волнах Pg и при взрывах сосредоточенных зарядов весом
4 кг на разных глубинах.
Согласно литературным данным /437 и нашим исследованиям, зоны не-
обратимых деформаций грунтов при этих экспериментах должны равняться:
при взрыве на дневной поверхности 9 м: при взрывах на глубинах 6 и 24 м-
15 м. Примерно на таких же расстояниях от эпицентра взрыва и наблюдается
излом кривых зависимостей изменения амплитуд смешения с расстоянием при
взрывах на поверхности и на глубине 8 м. 0 этих же расстояний в послед-
нем случае распространяется поверхностная длиннопериодная волна.
При взрыве заряда на глубине 24 м зона необратимых деформаций равна
примерно 15 - 17 м, а поскольку сейсмоприсмники устанавливались на днев-
ной поверхности, т.е. уже в области упругих колебаний, излома кривой
на рис.52 не наблюдается. В ближней зоне действия взрыва на отметках
глубин 0 и 8 м наблюдаются большие значения амплитуд смешений, чем на
24 м, так как, во-первых, вблизи поверхности частицы, получая эначитель-
79
ныв начальные скорости, не удерживаются в поле действия упругих сил,
а во-вторых, поглощение на пути их прихода к свободной поверхности зна-
чительно меньше. В дальней эоне, куда возмущения приходят по нижним
подстилающим и более плотным слоям, все становится па свои места, т.е.
при взрыве на большей глубине интенсивность прямой продольной волны уве-
личивается до определенных пределов.
Рис.51. Особенности распростране- Рис.52. Зависимости изменения сме-
ния взрывных волн в ближней и щения грунта на свободной поверх-
дальнеи эонах действия взрыва ности от расстояния и глубины зало-
(С = 4 кг, Z.= 4 м).	пения заряда весом 4 кг:
'	I - h = 0; 2 - h = 8 м; 3 -h =
24 м.
При изучении явлений, обусловленных объемной деформируемостью связ-
ных грунтов под действием взрыва цилиндрических вертикальных зарядов, а
также формированием сейсмических волн, большой интерес представляют экс-
периментальные исследования параметров взрывных волн в ближней зоне не
только на свободной поверхности, но и внутри массива. С этой целью нами
была осуществлена серия экспериментов в суглинках по исследованию зако-
номерностей движения грунта внутри среды, изучению характерных особеннос-
тей изменения параметров колебаний частиц грунта о увеличением глубины
и расстояния от оси цилиндрического вертикального заряда.
Комплекты BHI-Ш, ориентированные на источник взрыва для записи
вертикальной и радиальной составляющих смещения грунта, устанавливались
в скважинах диаметром 350 мм на тлубине 0 - 8 м относительно дневной
поверхности и на расстонпиях 3 - 28 ы от оси заряда (.рис.53), что сос-
тавляло соответственно 210^ и 2000 zj .
40
о I
Ь2
Рис.53. Схема расположения сейсмоприеииков при исследовании распрост-
ранения взрывных волн внутри среды:
I - ВБП-Ш; 2 - ВИБ-А.
Взрывы проводились вертикальными цилиндрическими зарядами длиной
4 м с расходом ВВ I кг на I пог.м (вес заряда 4 кг); инициирование за-
рядов с двух концов мгновенное, в качестве ВВ использовался прессован-
ный тротил.
Из осциллограмм колебаний грунта на расстоянии 210 от оси ци-
линдрического заряда (рис.54) видно резкое различив в форме и величине
смещений грунта по вертикальной составляющей на свободной поверхности
и внутри среды. Амплитуда смешений вверх непрерывно уменьшается с уве-
личением глубины. Это наглядно подтверждается рис.55, на котором пред-
ставлены кривые изменения отношения амплитуд смещения и скоростей сме-
щений частиц грунта в объемной волне на текущей глубине h и на дневной
поверхности по 2 и X-составлявшим. Амплитуды смещений по горизонталь-
ной составляющей для этих же расстояний изменяются с глубиной несколько
иначе. Наблюдается постепенное увеличение амплитуд с глубиной, главным
образом до условного центра тяжести заряда. Указанное можно объяснить
наложением в этой зоне на процесс, вызванный волной сжатия, низкочастот-
ных колебаний вследствие действия второй стадии взрыва (подпор продуктов
детонации). Кроме того, осциллограммы взрыва (см.рис.54) показывают, что
смещения в направлении от взрыва больше смещений в его сторону. Это сви-
детельствует о неупругом характере деформаций массива в рассматриваемой
области. В дальнейшем с увеличением глубины смещения грунта постепенно
уменьшаются до значений, в несколько раз меньших, чем на свободной по-
верхности (на равновеликих расстояниях относительно торцов вертикально-
го заряда).
Таким образом, на близких к очагу взрыва расстояниях, за исключе-
нием той области внутри массива грунта, которая находится на равновели-
ких глубинах с цилиндрическим вертикальным зарядом, имеет место качест-
венно одинаковый закон изменения смещений грунта как в вертикальной,
так и в горизонтальной плоскости, а именно интенсивность смещений убыва-
ет с глубиной. На этих хе расстояниях весьма отчетливо проявляется осе-
сишетричность поля деформаций в связи с осесимметричностью исследуемо-
го типа заряда. Более наглядно особенность действия цилипдоического
81
вертикального заряда на массив грунта видна на графиках изменения ско-
ростей смешения частил грунта с глубиной (см.рис.55,6). Здесь четко
прослеживается закономерность, связанная с увеличением интенсивности
колебаний от уровня свободной поверхности до центра тяжести цилиндри-
ческого вертикального заряда при дальнейшем постепенном снижении интен-
сивности, причем максимум скорости смещения имеет место в зоне центра
симметрии заряда.
Рис.54. Смешение грунта на свобод-
ной поверхности и внутри среда при
взрыве вертикального цилиндрическо-
го заряда весом 4 кг и длиной 4 м.
Сплошные линии - значения Z ,
штриховые - значения Л .
Рис.55. Зависимости изменения от-
ношения амплитуд смешений (а) и
скорости смешений грунта (б) в
объемной волне на текущей глубине
(1 и на дневной поверхности по Z
составляющей (сплошные линии) и
по /-составляющей (штриховые)
(С = 4 га1:	4 м):
I - 210 Гу ; 2 - 2000 г, .
Графики изменения отношения значений массовых скоростей в волне
для ближней зоны на текущей глубине Н, приведенные к аналогичному пока-
зателю на свободной поверхности, с увеличением глубины аппроксимируются
следующими зависимостями: по ^-составляющей /у = 0,83 В2*' в ~
по /-составляющей кг= 1,03 Н 2»85г>-0,71>
Полученные экспериментальные данные, аппроксимированные приведенны-
ми выше зависимостями, представляют значительный практический интерес.
Так, при решении ряда инженерных задач, связанных с получением вертикаль-
ных выработок в сжимаемых грунтах энергией взрыва, часто взрывные рабо-
ты приходится проводить в непосредственной близости от различных граж-
данских и промышленных зданий, что сопряжено с большими нагрузками на
82
их фундаменты. Оперируя приведенными выше данными, можно регулировать
положение верхнего торца цилиндрического заряда таким образом, чтобы
фундаменты зданий нахбдились в збне действия минимальнс возможных взрыв-
ных нагрузок для заряда применяемой мощности. Практическая полезность
полученных зависимостей характеризуется еще и тем, что при их помощи
можно рассчитывать интенсивность ожидаемых динамических нагрузок внутри
массива, имея аналогичные данные на уровне дневной поверхности в сход-
ных геометрических точках (получение последних экспериментальным путем
несравненно проще). Это обстоятельство имеет большое значение при рас-
чете на устойчивость различных подземных сооружений в связи о проведе-
нием взрывных работ, а также при разработке технологических приемов,
основанных на использовании эффекта "средней эоны".
С увеличением расстояния от взрыва осесимметричность действия вер-
тикального цилиндрического заряда на массив грунта сказывается все мень-
ше и на определенных расстояниях такой заряд образует поле скоростей,
аналогичное полю скоростей заряда с центральной симметрией. Для обеих
составляющих характерно качественно одинаковое поле скоростей внутри
среды. И в том и в другом случае отмечается постепенное снижение как
амплитуд, так и скоростей смещения частиц грунта с глубиной при отсут-
ствии особенностей изменения этих параметров при взрыве на равновеликих
глубинах цилиндрического вертикального заряда. На атих расстояниях на-
блюдаются упругие колебания, признаком чего является эллипсовидное дви-
жение частиц грунта с преобладанием абсолютных значений по /-составляю-
щей над этими же значениями по /-сострил яшцяй (рис.56), а также наличие
нового вида колебательного движения - низкочастотной волны релеевского
типа Д5/- Последняя характерна сменой направления движения частиц
грунта: движение по часовой стрелке сменяется движением против нее в мо-
мент времени Г* 0,14 сек относительно начала процесса.
Полученные экспериментальные данные подтверждают также существую-
щее мнение /43/ относительно двоякого действия заряда, расположенного
вблизи свободной поверхности. Из траекторий движения частиц грунта и не-
которых временных параметров процесса видно, что колебательный процесс,
вызванный таким зарядом, обусловлен действием последнего как источника
типа расширения, а также связан с куполообразным движением грунта на по-
верхности. Указанная особенность наиболее отчетливо проявляется вблизи
заряда и уровня дневной поверхности. С увеличением глубины влияние ку-
полообразного поднятия грунта на процесс колебательного движения умень-
шается. Об этом, в частности, свидетельствует тот факт, что с увеличе-
нием глубины происходит уменьшение времени движения грунта в направле-
нии от взрыва (см.рио.56). Однако влияние свободной поверхности и свя-
занное с ней куполообразное поднятие грунта над очагом взрыва, как это
видно из траекторий движения частиц грунта, сказываются на формируемом
колебательном процессе даже на уровне расположения условного центра тя-
жести цилиндрического вертйкального заряда. На остальные оОласти грунта
такой заряд действует уже только как источник типа расширения.
Изучение механизма очага взрыва, распространения волн в ближней эо-
не, траектории движения частиц показывает, что в пределах очага взрыва
83
происходят пластические и упруго-пластические дефо [нации, т.е, наблю-
даются остаточные деформации грунтового массива.
а
Рис.56. Траектории движения частиц грунта на свободной поверхности и
внутри среды при взрыве вертикального цилиндрического заряда весом 4 кг
и длиной 4 м. Цифры на траекториях - время, мсек.
Используемые до настоящего времени методы изучения зон остаточных
деформаций грунтового массива, подверженного воздействии взрыва, позво-
лили с достаточное для этих методов точностью определить размера этих
зон и некоторые другие количественные их характеристики. В частности,
посредством использования наиболее точного из применявшихся методов -
метода радиоактивного каротажа - удалось установить, что объемная дефор-
мация грунта снижается о удалением от заряда по степенному закону, ко-
торый характеризует долю энергии продуктов взрывчатого разложения ВВ,
расходуемую на пластические деформации, причем абсолютные размеры зоны
остаточных деформаций возрастают с увеличением веса заряда и зависят от
формы последнего fij.
84
Исходя из разрешающей способности аппаратуры радиоактивного карота-
жа (нижний предел измерений до значений объемных деформаций порядка 10~2)
определены размеры зон для зарядов различных типов в грунтах объемным
весом 1,9 г/см3 и влажностью 22-25% (суглинок). Эти эоны'для сосредото-
ченных и цилиндрических вертикальных камуфшетных и горизонтальных заря-
дов выброса составляют соответственно 50	, 250	, 120	.
Вместе с тем, приведенные выше размеры эон остаточных деформаций
и некоторые структурные характеристики грунтового массива в их пределах
не позволяют в полной мере объяснить ряд явлений, связанных с длительной
устойчивостью подземных и открытых выработок, противофильтрационными
свойствами пройденных взрывом гидротехнических сооружений, законами фор-
мирования и распространения сейсмо взрывных волн и т.п. В связи с этим
была предпринята попытка расширить пределы приборного измерения как раз-
меров деформированной взрывом зоны, так и некоторых количественных ха-
рактеристик состояния среды в ее пределах.
Основываясь на принципе, согласно которому взрывные волны, прохо-
дя через неоднородности грунтового массива (к ним могут быть отнесены
и зоны необратимых деформаций, вызванные действием взрыва), изменяют
свои кинематические параметры, в упомянутых выше грунтовых условиях бы-
ли поставлены эксперименты, суть которых сводилась к следующему.
В ненарушенном массиве грунта определялись параметры сейсмовэрывных
волн, вызванных контрольными взрывами й 7 и 8 (табл.12). Далее на этой
же плошадке взрывом заряда й 14 (назовем его основным) была образована
горизонтальная выемка длиной 6,5 м, глубиной 2 и шириной по верху 5,4 м
(рис.57,а). В табл.13 приведены количественные параметры прямой продоль-
ной волны Р( , зафиксированные датчиками ВН1-Ш, а на рис.58 осциллограм-
ма смещений грунта на свободной поверхности при основном взрыве по /-сос-
тавляющей.
Таблица 12
Характеристика взрывов
Взрывы	Параметры заряда				Тип заряда
	Вес заряда, кг	Глубина за- ложения, м	Радиус за- ряда, м	Погонный расход ВВ, кг/пог.м	
Контрольные й 7 й 8	1.0 0,1	6,0 3,0	0,0528 0,0245	-	Сосредото- ченный То хе
Основной № 14	36,0	1,5	0,0348	6	Горизонталь- ный цилинд- рический Сосредото- ченный
Пристрелоч- ные № 15	1.0	10,0	0,0528	—	
й 16	0,1	4,0	0,0245	-	То ие
После основного взрыва без перестановки сейсмоприемниюв были про-
ведены взрывы № 15 и 16 - простреленные (см.рис.57,а), волны которых
проходили по деформированному основным взрывом грунту. Смещения частиц
85
грунта в волне при контрольных и проотрелочных взрывах приведены в
табл.13 и на рис.57,б даны зависимости смещений при этих же взрывах от
расстояний по вертикальной составляющей. Как видно из рис.57,б и табл.13,
в диапазоне расстояний 0 - 400 rf смещения грунта при простреленных
взрывах в 1,8 - 2,3 раза больше, чем при контрольных на тех же расстоя-
ниях, что говорит о наличии в указанной области остаточных деформаций
грунтов, вызванных основным взрывом.
Рис.57. К определению ближней эоны
действия взрыва: а - схема располо-
жения сейсмоприемников и заложения
зарядов; б - зависимости изменения
смешений грунта от расстояний в
ближней эоне при контрольных (I) и
простреленных (2) взрывах: в - изме-
нения объемных деформаций с расстоя-
нием при основном взрыве, измеренные
радиометрическим (I) и сейсмометри-
ческим (2) методами
Рис.58. Осциллограмма смешений грун-
та на свободной поверхности при ос-
новном взрыве (С = 36 кг; Z. = 6 м)
по Z-составляппей.	f
86
Таблица 13
Смещение грунта по ^-составляющей
Взрывы	Эпицеигральные расстояния, соответствующие профилю измерений при основном взрыве, м
	0	3	6	9	13
Контрольные * 7,8	0,775	0,6	0,425	0,29	0,2 Прост релочные > 15,16	1,44	1,29	0,975	0,63	0,23	
Смешения грунта в продольных волнах простреленных взрывов умень-
шаются с увеличением расстояния от места заложения основного заряда в
направлении уп.угой эоны, т.е. наблюдается процесс, качественно подобный
тому, который установлен стандартными методами по изучению уплотненной
зоны грунта, подверженного воздействию взрыва.
Если считать, что работа проводится в эоне остаточных деформаций
грунтов и фиксируются параметры прямой продольной волны, то можно коли-
чественно определить деформационные характеристики массива (табл.14),
воспользовавшись известными соотношениями В =  я- ", =иг„ , где
и - массовая скорость частиц грунта на фронте волны; Vp - скорость рас-
пространения волны; Р^,бг - радиальные напряжения на фронте волны;
- текущая плотность грунта на фронте волны, = д- (f0 - на-
чальная плотность грунта).
Таблица 14
Параметры продольной волны и деформационные характеристики
массива грунта при основном взрыве
Параметр	Эпицеигральные раостояния, м			
	3 (87)	6 (174)	9 (290)	13 (380) | 16 ( 465)
Смещение грунта, мм	87	15,2	2,25	0,64	0,6 Массовая скорость, см/сек	460	48	13	4,6	3,9 Скорость волны, М/сек	200	350	500	520	540 Объемная деформа-	,	_	,	,	с ция	2-Ю~г	1.Э6-10"3	2,6-10"*	8,9-Ю"4	7,2-10"° Радиальное напря- жение, кГ/см*	18,2	3,23	1,26	0,461	0,405				
Для выяснения деформационных характеристик грунтового массива при
основном взрыве кроме сейсмометрической использовалась также радиометри-
ческая аппаратура (ПП-1), причем сейсмометрический профиль являлся
продолжением радиометрического в направлении зоны малых деформаций.
На рис.57,в приведены кривые, характеризующие изменение объемных дефор-
маций с расстоянием при основном взрыве, из которых следует удовлетво-
рительное согласование результатов радиометрических и сейсмометрических
измерений.
Имея количественные дачные о параметрах взрывной волны и используя
приведенные соотношения, можно определить напряжения, испытнваемые грун-
тами в ближней эоне взрыва. Гак, на расстоянии 380 г, от епицентра ос-
87
новного взрыва радиальные напряжения на фронте продольной волны <5Г =
=0,461 кГ/см^.а предел прочности киевских суглинков при объемном сжатии
Gj = 0,4 - 0,5 кГ/с»^, т.е. расстояние, равное примерно 400	, являет-
ся границей зоны неупругих колебаний грунта для данного взрыва, причем и
в этом случае указанное расстояние соответствует ранее уже изученному
нами радиусу зоны необратимых деформаций грунтов 5,5-^СН .
Таким обрезом, простреливание эоны очага взрыва и оценка его раз-
меров по напряжениям, которые испытывает грунт при прохождении в нем
продольной волны , как и предыдущие качественные и количественные
показатели очага взрыва (годограф первых вступлений, затухание амплитуд
и периодов в волне с расстоянием), дали один и тот же радиус зоны
очага взрыва, равный R .
Несомненный научный практический интерес имеют данные о размерах
и форме эоны остаточных деформаций грунтов при взрывах зарядов различной
формы и величины. При взрыве сосредоточенного заряда указанные данные
определяли, устанавливая оейсмоприемники ВБП-UI в специальных скважинах
на разных глубинах (рис.59).
Контрольные и прострелочные заряды весом 3 кг взрывались на одном
и том же расстоянии (20 м) от места заложения основного заряда на одной
И той же глубине (5м). Основной заряд весом I кг закладывался на глуби-
не I м от свободной поверхности.
1 - <
Z - О
"°
t ди
С‘Зкг^кргЦ h—~
'0 2
в g ю г,*
ов 1
ь? л
О t 2 3 4 S 6 7 в(,м
I ’ ЦЗ i%'/j 'u7Ul' w
Рис.60. Изменения отношений смеще-
ний грунта при взрывах прострелоч-
ных и контрольных зарядов по /-сос-
тавляющей в эоне действия взрыва
основного заряда на свободной по-
верхности и внутри среды.
J______I_____L
Рис.59. Схема расположения сейсмо-
приемников при исследовании эоны
действия сосредоточенного заряда
внутри среды: I - BHI-Ш (черные
кружки - ВЕЛ, профили которых по-
вернуты на 90°); 2 - ВИБ-А.
На рис.60 равные значения отношений смешений грунта при взрыве про-
стрелочных зарядов к смешениям при взрывах контрольных зарядов по /-сос-
тавляющей соединены изолиниями, а последние представляют собой эллипсы,
большие оси которых проходят через точки максимальных значений указанных
выше отношений параллельно свободной поверхности. Большие значения этих
отношений свидетельствуют о больших значениях объемных деформаций в дан-
ных точках массива, а поэтому можно говорить о форме зоны остаточных
88
деформаций грунтов, вызванной взрывом сосредоточенного заряда выброса,
в виде эллипса. Таким образом, изучение ближней эоны действия взрыва
сейсмометрическими методами позволяет зафиксировать остаточные деформа-
ции грунтового массива во всем их диапазоне.
На основании приведенного экспериментального материала и литера-
турных данных можно сказать, что эоны остаточных деформаций грунтов при
взрыве в три-четыре раза превышают известные в теории и практике дина-
мики грунтов. Полученные данные позволяют более обоснованно подойти к
решению задач длительной устойчивости подземных и открытых инженерных
сооружений в сжимаемых грунтах без их крепления,рассчитать надежность
противофильграционного экрана из уплотненного взрывом грунта.Наконец,
эти исследования дают возможность глубже изучить природу отдельных
волн, механизм их возбуждения и точнее рассчитать их параметры.
5.	Влияние конструкции заряда и свойств грунта на
его динамическое деформирование
К конструктивным особенностям заряда, влияющим на более рациональ-
ное использование энергии взрыва, относятся воздушные промежутки (ВП)
в колонке заряда и воздушные оболочки (ВО). Известен ряд работ, посвя-
щенных изучению эффективности воздушных промежутков при разрушении мас-
сива и дроблении пород, взрывах на выброс и образовании камуфлетных по-
лостей, уменьшении воронки выброса в устьевой части выработки, образуе-
мой взрывным способом /35, 61, 64/,
Наличие воздушного промежутка приводит к существенному изменению
формы взрывного импульса (увеличению его длительности и уменьшению пи-
кового давления), а это в свою очередь приводит к уменьшению потерь
энергии начального давления на фронте ударной волны на пластические де-
формации грунта. Внутри газового пузыря происходит перераспределение
доли энергии, направляемой в пиковое давление на фронте ударной волны,
и доли энергии, которая будет израсходовала па дробление или перемеще-
ние породы в пользу последней.
Ранее проведенные исследования эффективности воздушных промежутков
относятся к установлению зависимостей между величиной промежутков, пара-
метрами ударной волны и объемами раздробленной или выброшенной породы.
Настоящие экспериментальные исследования относятся к изучению влияния
воздушных промежутков и оболочек на параметры упруго-пластических и уп-
ругих волн, т.е. на сейсмический эффект взрыва.
Были проведены две серии взрывов: вертикальных цилиндрических за-
рядов с воздушными промежутками и сосредоточенных зарядов с воздушными
оболочками (табл.15). Вертикальные цилиндрические заряды одинаковой мощ-
ности располагались в скважине таким образом, что их торцы находились
на одинаковой глубине от дневной поверхности. Воздушный промежуток,
устраивался между верхним торцом заряда и забойкой, и его объем изме-
нялся от нуля до четырех объемов заряда.
Сейсмоприемники ВЕП-Ш и ВЭГИК устанавливались на дневной поверх-
ности по однолучевому профилю на эпипентральных расстояниях 2 - 400 м.
В диапазоне всех этих расстояний датчиками фиксировалось смешение частиц
грунта .Полученные результаты графически изображены на рис.бК 1) ,где пред-
89
ставлены зависимости смещения частиц грунта в волнах и от впицент-
рального расстояния и величины отношения объема воздушного промежутка
и объему заряда. Из представленных зависимостей видно, что смещения
грунта в прямой продольной волне очень незначительно изменяются в ближ-
ней зоне взрыва (до расстояния 140 rt ), сливаясь в одну кривую уже на
расстояниях 350 Г/ . На смешения грунта в поверхностной волне изменения
величины ВЦ в указанных пределах влияния практически не оказывают.
Аналогичные зависимости периода колебаний от эпицентрального расстояния
и величины воздушного промежутка, не приведенные в данной работе, пока-
зали, что период колебаний не является функцией величины воздушного
промежутка, изменявшегося в указанных пределах.
Рис.61. Зависимости смешения частиц
грунта в волнах Pg и Ifg от апицент-
рального расстояния и величины отно-
шения / У* при взрыве вертикаль-
ных цилиндрических зарядов (I) и
Vft / Ц ПРИ взрыве сосредоточенных
зарядов (ПУ-
2 -	= 6,5; "fi = 8; 3 -
V/Z = I; ft, / ft"= 12,5; 4 -
ftx/Л = 2; ffo/r' = 25; 6 -
=100.
Более детально зависимость смешения грунта в волне Pg от величины
ВИ представлена на рис.62, откуда видно, что при оптимальной величине
отношения >п /vg * 2 смешения грунта возрастают по сравнению со смеше-
ниями при взрыве заряда с отсутствием воздушного промежутка, т.е. при
наличии сплошной забойки, всего лишь в 1,5 раза на зпицентральных рас-
стояниях, равных 2 м (140	), и практически не изменяются на этих рас-
стояниях, равных 5 м (350	). При дальнейшем увеличении ВП до четырех
объемов заряда в начале ближней зоны наблюдается некоторое уменьшение
смешений грунта, которое приближает величину смешения к ее значениям
при взрыве заряда без ВП.
Экспериментальные исследования влияния величины воздушных оболо-
чек при взрывах сосредоточенных зарядов на сейсмический эФЬект были про-
ведены в таких же грунтовых условиях, что и при взрывах вертикальных
90
цилиндрических зарядов о ВП. Заряды одинаковой мощности (0,2 кг) в спе-
циальных устройствах, сохраняющих заданную величину воздушной оболочки
вокруг заряда, опускались на одинаковув глубину (1,5 м). Объем воздуш-
ной оболочки изменялся от нуля до ТОО объемов заряда. Сейсмоприемники
ВНТ-Ш и ВЭГИК, которые с поющью интегрирующих гальванометров позволяли
зафиксировать смешения частиц грунта, устанавливались на дневной поверх-
ности по однолучевому профилю на эпицеигральных расстояниях I - 70 м.
Таблица 15
Конструктивные особенности зарядов с воздушными
промежутками и оболочками
J» взрыва	Величина ВП	Отношеыше	Примечание
Вертикальный цилиндрический заряд
о ВП	С = 4 кг, = 4 м, величина
яадторцовой части 1,5 м
I
2
3
4
5
0,094
0,188
0,376
0,752
0,5
1,0
2,0
4,0
Сосредоточенный заряд
С = 0,2 кг, Н = 1,5 и
I
2
3
4
5
8,0
12,5
25,0
100,0
Рис.62. Зависимости смешения час-
тиц грунта в волне Р. от величины
воздушного промежутка на эпицент-
ральных расстояниях 2 м или 140 г,
(I) и 5 м или 350 г} (2). ’
Рис.63. Зависимости времени нарас-
тания смешения до максимума в волне
Ре от расстояния при взрывах за-
рядов с разным объемом воздушных
оболочек.
Полученные результаты графически представлены на рис.61,П, откуда
видно, что как при наличии воздушных промежутков в конструкции цилинд-
рического вертикального заряда, так и при наличии воздушных оболочек
91
вокруг сосредоточенных зарядов смещения грунта на самых близких расстоя-
ниях (в ближней эоне взрыва) зависят от величины воздушных оболочек, а
в упругой эоне практически не претерпевают изменений. 'Го же самое можно
оказать и о периоде колебаний в поверхностной волне.
При изучении измерений параметров взрывных волн от величины воздуш-
ных оболочек установлена зависимость времени iH нарастания смещения до
максимума в волне Pg от расстояния при взрывах зарядов с разным объемом
воздушных оболочек (рис.63). Здесь обозначения те же, что и на рис.61.
На самых близких эпицентральных расстояниях (30/у ) наличие всех воздуш-
ных оболочек вызывает увеличение рассматриваемого параметра (^). При
удалении от источника колебания величины времени нарастания аРтвл при
разных конструкциях заряда постепенно выравниваются и на расстоянии 200^
вое значения t„ практически не отличаются друг от друга.
На рис.64 представлены более детально зависимости смещения грунта
В ближней зоне от величины воздушной оболочки и эпицентральных расстоя-
ний. На всех прослеженных нами расстояниях оптимальная величина отноше-
ния Р10 /Pg по росту смешения грунта равна 25. Так, при этой оптималь-
ной величине отношения Pes / Р} смешения грунта больше, чем при взрывах
зарядов без воздушных оболочек, на расстояниях 30/^ - в 3,2;	65 г* -
в 2,5; ТОО fg - в 2; 200	- в 1,4
раза.
Рис.64. Зависимости смещения частиц
грунта в волне Pg от величины воз-
душной оболочга на эпицентральных
расстояниях (м): I - 30; 2 - 65;
5 - ТОО; 4 - 200.
Рио.65. Зависимости скорости смеще-
ния грунта в волне Pg и Rg от эпи-
центрального расстояния и величины
Рц / Pi при взрывах сосредоточенных
зарядов: I -	= 0; ? -	=
е.Э-Ъ/р. = 12,5; 4 - М= &
5 - P../V, = I&.
Смешения в волне Pf связаны со скоростями ^астиц соотношением
*—	’ а в волне соотношением	, с использованием
которых были определены скорости смешения грунта при взрывах сосредото-
ченных зарядов о воздушными оболочками. Анализ зависимостей скорости
смещения грунта в волнах и от эпицентрального расстояния и вели-
чины отношения Vet) / V} при взрывах сосредоточенных зарядов (рис.65)
показывает, что скорости смещения грунта изменяются в зависимости от ве-
личины воздушной оболочки в самой ближней зоне действия взрыва ( / «
=30 - 100^) лишь незначительно, а в упругой зоне массовые скорости прак-
тически остаются постоянными независимо от величины в исследуемых преде-
лах воздушных оболочек.
Как видно из приведенных зависимостей смещений и скоростей смещений
грунта от расстояния и величины воздушных промежутков или оболочек, ука-
занные параметры взрывных волн увеличиваются при наличии воздушных про-
межутков в ближней эоне действия взрыва, являясь косвенным подтверждением
целесообразности использования указанных конструкций заряда при получе-
нии разнообразных технологических выработок в грунтах, а также при разра-
ботке схем принудительного обрушения уступов, форсированной ликвидации
просадочных свойств лессовидных грунтов, укрепления откосов, сложенных
слабосвязными грунтами и др. Усиление сейсмического эффекта в средней
зоне, достигнутое при изменении конструкции заряда и более полном исполь-
зовании энергии взрывчатого вещества позволит достигнуть необходимого
эффекта взрыва при одновременном сокращении затрат на взрывные работы.
Такое утверждение еще более весомо, если учесть, что заряды с воздушны-
ми оболочками не приводят к увеличению сейсмического эффекта взрыва.
При проектировании взрывных работ, выборе определенных схем взрывания
и параметров зарядов значительное влияние оказывают конкретные горногео-
логические условия разработки. Это положение предопределяет необходи-
мость исследований по действию взрыва в связных грунтах, определению па-
раметров взрывных волн в зависимости от физико-химических свойотв разра-
батываемых пород, выяснению свойств грунтов, влияющих на поведение по-
следних под действием взрыва.
Известно, что твердые тела различной прочности и пластичности с раз-
ными механическими свойствами могут возникать двумя приниципиально раз-
личными путями.
I. В результате кристаллизационного или конденсационного структуро-
образования, т.е. образования пространственных структур срастанием мелких
кристалликов* возникающих из жидкой среды - переохлажденной жидкости,
пересыщенного раствора, либо вследствие развития сетки химических связей,
как при пространственной полимеризации, при образовании студней кремне-
кислоты в воде. Такие кристаллизационно-конденсационные структуры могут
быть весьма прочными и после механического разрушения сами собой- не вос-
станавливаются, разрушаются необратимо.
2. При образовании коагуляционных структур, возникающих под дейст-
вием ван-дер-ваальсовых молекулярных сил сцепления коллоидных частиц,
участвующих в интенсивном броуновском движении, и более крупных частиц,
находящихся в суспензии. Коагуляционное сцепление частиц происходит в
93
результате преодоления энергетических барьеров, созданных сольватными
оболочками за счет кинетической энергии соударяющихся частиц.
Коагуляционная структура имеет ярко выраженную тиксотропию, т.е.
способность после механического разрушения восстанавливать самопроизволь-
но свою наибольшую прочность.
Прочность этих структур значительно ниже прочности конденсационно-
кристаллизационных структур, так как ван-дер-ваальсовы силы связывают
между собой частицы через тонкие остаточные прослойки жидкой среды. Эти
прослойки, с одной стороны, значительно понижают прочность, а с другой -
обеспечивают возможность восстановления контактов.
Остаточные прослойки определяют в коагуляционных структурах незави-
симо от механических особенностей их структурных элементов ярко выражен-
ные эластичные, пластичные и вязкие свойства, обусловленные самим ха-
рактером и особенностями коагуляционных связей, образующих структуру.
Прочность коагуляционных структур определяется числом контактов сцепле-
ния между частицами. Кроме того, прочность структуры падает (при неиз-
менном числе контактов) с увеличением толщины прослоек воды.
Твердые и твердообразные тела, имеющие достаточно прочную прост-
ранственную сетку, характеризуются резким изменением картины развития
деформации сдвига в зависиюсти от величины действующего напряжения.
В упруго-хрупких телах течение, т.е. развитие остаточных деформаций, не
наблюдается, так как предел прочности, соответствующий хрупкому разрыву,
наступает раньше, чем предел текучести. В пластичных твердообразных те-
лах наблюдается явно выраженный предел текучести. При достаточно малых
напряжениях сдвига имеет место медленное течение ползучести с постоян-
ной и предельно большой вязкостью. При таком течении структура разруша-
ется настолько медленно, что успевает вновь восстановиться, и равновес-
ная степень разрушения весьма мала. Повшение напряжения приводит при
переходе через предел текучести к резкому падению вязкости в результате
лавинного разрушения структуры.
Нескальные связные породы, слагающие вскрышные уступы, в подавляю-
щем большинстве представлены грунтами со смешанными структурными связями -
кристаллизационными и коагуляционными, причем их прочность, особенно при
оптимальной или большей влажности определяется в основном коагуляционны-
ми связями. Ооновополагапцими параметрами пучности в данном случае яв-
ляются влажность грунтов и их химический состав, вернее, содержание актив-
ных глинистых минералов в составе грунта.
В.М.Сергеевым /Зв/ было выполнено исследование,на основании которого
представилось возможным сделать вывод о распространении глинистых минера-
лов в природе.Оказалось,что гидрослюда преобладает в большинстве осадочных
пород - 60% образцов, на втором месте стоит монтмориллонит - 25% и тре-
тьим широю распространенным минералом является каолинит - 10% образцов.
В зависимости от состава глинистых минералов глинистые породы содержат
разное количество овяэной воды, определяющей их полутвердое или твердое
состояние. Максимальная гигроскопичность каолинитовой глины лишь неиюго
превышает 19%, а у юнтмориллонитовых глин она может приближаться к 40%.
Прочносвязная вода в каолините удерживается сильнее, чем вона в монтмо-
риллоните.
94
Следовательно, глинистые минералы являотся важнейшей частью глинис-
тых пород и в значительной степени влияют на их инженерно-геологические
свойства. Если принять показатели свойств каолинитовых глин за единицу,
то показатели соответствующих свойств монтмориллонитовых глин будут сос-
тавлять: тиксотропность - 12, липучесть - 4,5, пластичность - 4, времен-
ное сопротивление сжатию - 2,3, сопротивление сдвигу - 0,7. Тиксотроп-
ность и пластичность зависят главным образом от состава глинистых мине-
ралов и поэтому эти свойства у монтмориллонитовых глин во много раз боль-
ше, чем у каолинитовых. Временное сопротивление сжатию и сопротивление
сдвигу также зависят от состава грунта, но не в меньшей мере, а может
быть, и еще в большей степени они зависят от его структурных особеннос-
тей, большое значение для них имеет действие молекулярного и электроста-
тического притяжений, возникающих в породе. Поэтому влияние глинистых
минералов на эти свойства грунтов менее значительно.
Из сказанного следует, что при определении таких физических свойств
глинистых грунтов, как плотность, гигроскопичность, набухаемость, плас-
тичность, липкость и тиксотропность, нужно изучать состав глинистых ми-
нералов, в то время как для определения физико-механических свойств объем-
ного веса, несущей способности и временного сопротивления сжатию, в этом
нет необходимости. Поэтому при применении энергии взрыва в глинистых
грунтах с целью получения открытых выемок и полостей необходим) учиты-
вать физико-химические свойства грунтов, а при рыхлении связных грунтов
достаточно знать их физико-механические свойства.
Обрушение уступов, разрабатываемых плавучими земснарядами, основано
на свойстве глинистых пород тиксотропно терять свою прочность. Все меха-
нические свойства таких грунтов и их тиксотропия объясняются тем, что
частицы глины по участкам контакта всегда разделены остаточными тонкими
прослойками водной среды, через которые действуют ван-дер-ваальсовы си-
лы молекулярного притяжения, в большей или меньшей степени ослабленные
расстоянием. С увеличением толщины прослоек воды, т.е. при увеличении
влажности грунта, прочность структуры падает, так как увеличивается рас-
стояние, на котором действуют юлекулярные силы сцепления. Прочность
грунтов в этом случае в основном определяется структурными (кристаллиза-
ционно-конденсационными) связями, если они водоустойчивы.
Все глинистые грунты потенциально тиксотропны, но для конкретного
проявления этой способности необходимы определенные условия. Так, даже
в высокой степени тиксотропный грунт в случае очень незначительных нагру-
зок на него, при которых не южет произойти разрушение его структурных
связей и, следовательно, снижение его прочности, не проявит способности
к тиксотропным изменениям, оставаясь при этом потенциально тиксотропным.
При достижении некоторой, вполне определенной для каждого грунта вели-
чины внешнего давления, которое можно назвать пределом его структурной
прочности (js , разрушение структурных связей начнет протекать лавинно,
причем прочность грунта резко снизится. Нужно иметь в виду, что тиксо-
тропное разупрочнение глинистых грунтов не обязательно должно протекать
в виде их полного разжижения. Но чем больше влажность грунтов, тем боль-
шая вероятность проявления тиксотропного разупрочнения с полной потерей
прочности. Исследования показывают /117, что грунты, имеющие влажность
95
вше предела раскатывания Нр , при нагрузках, превышающих их структур-
ную прочность, всегда тиксотропно разжижаются.
На основании изложенного можно сказать, что уступ, разрабатываемый
земснарядом, может быть обрушен при помощи анергии взрыва, если напря-
жения на фронте волны сжатия при взрыве будут превышать предел структур-
ной прочности грунта в основании уступа. На этом положении и основаны
технологические схемы обрушения уступов, разрабатываемых плавучими зем-
онарядами. Создание оконтуриваицей (отрезной) шели в нровле уступа слу-
жит для управления процессом обрушения, т.е. создает возможность для об-
рушения определенного объема массива в необходимый момент времени и лик-
видации сопротивления отрыву пород кровли уступа. Глубина оконтуривающей
выработки должна быть не менее Нрр - критической высоты вертикального от-
коса пород кровли уступа.
Устройство оконтуривающей щели при помощи взрыва может быть выполне-
но двумя технологическими способами: взрывом цепочки ютловых или скважин-
ных зарядов и взрывом траншейного заряда.
Погонный вес траншейного заряда определяется необходимой глубиной
отрезной шели (Нэд) и глубиной заложения заряда Н:
(П,20)
где - коэффициент работоспособности ВВ; - коэффициент сжимаемос-
ти грунтов.
Как видно из формулы (11.20) на величину Сп кроме величин Нэд и Н
оказывает влияние коэффициент сжимаемости грунтов. Многие авторы /I, 15/,
занимавшиеся исследованием получения полостей взрывом заряда, приводят
свои значения коэффициента сжимаемости. Так, при взрыве сферических заря-
дов камуфлета, по Покровскому, этот коэффициент равен 0,45, по Ляхову -
0,35 - 0,6, а по Бвстропову - 0,2 - 0,5 /7, 34, 39/. При взрыве цилинд-
рических зарядов камуфлета П.Л.Савич рекомендует принимать коэффициент
сжимаемости равным 0,19 - 0,35, В.А.Кривцов - 0,22 - 0,39 /?/.
Как видно из приведенных данных, каждый из авторов предлагает коэф-
фициенты сжимаемости для конкретных грунтов, в которых производились
эксперименты. В то же время известно, что на сжимаемость грунтов влияют
такие их характер!стики, как пластичность, зависящая от количества и при-
роды глинистых материалов в грунте, влажность, вид воды, консистенция и др.
Чтобы учесть влияние этих свойств грунта на его сжимаемость при
взрыве (простреливаемость) в качестве основного показателя грунтов можно
принять его консистенцию В , которая учитывает влажность и пластичность
грунтов:	~ Нр
где - природная влажность, %;	- нижний предел пластичности, %;
А/- - верхний предел пластичности, %.
В зависимости от консистенции грунты могут находится в твердом,
пластичном и текучем состояниях.Консистенция глинистых грунтов зависит
не только от количественного объема воды, но и от ее вида. Так, текучее
состояние грунта обусловливается свободной водой, пластичное - свободной,
«мобилизованной и слабосвязанной,полутвердое и твердое - прочносвязйнйви
водой.
96
Показатель консистенции д позволяет объединить деформативные ха-
рактеристики грунтов разного типа в общую зависимость и охватывает одно-
временно с естественной влажностью грунта в момент взрыва постоянные
грунта Л/, и , которые определяются физическим состоянием воды, на-
сыщающей грунт, и его минералогическим составом.
Коэффициент сжимаемости может быть использован в формулах опре-
деления размеров полостей при прострелке, при создании подземных вырабо-
ток и при взрывах на выброс. Для установления зависимости между коэффи-
циентом сжимаемости и показателем консистенции = / (8) были прове-
дены экспериментальные исследования в грунтах различных типов (глинах,
суглинках и супесях), резко отличающихся по гранулометрическому и мине-
ралогическому составу.
Открытая выемка при взрыве траншейного заряца выброса в сжимаемых
грунтах образуется в результате двух механизмов перемещения грунтового
массива - уплотнения грунта в первой стадии взрыва и последующего выбро-
са части грунта, находящегося выие уровня заложения заряца. В зависимос-
ти от грунтовых условий (типа грунта, влажности, консистенции), веса за-
ряда и глубины его заложения объемы выброшенного и уплотненного грунта
будут различны, а следовательно, будет применяться и видимая глубина
выемки.
Как видно из рис.66, видимая глубина выемки
Н6 » Н * hf ,	(П.21)
где к* - величина уплотнения грунта под зарядом, которая является раз-
ностью между радиусом полости, образующейся при взрыве заряда, и толщиной
слоя обратно упавшего грунта.
Рис.66. К определению видимой глубины выемки.
При увеличении глубины заложения заряда, т.е. уменьшении показателя
действия взрыва, радиус полости будет стремиться к максимальному (каму-
флетному) значению, в то же время количество обратно упавшего грунта бу-
дет увеличиваться, что может быть учтено специальными коэффициентами,
т в
= *пгп '	(П.22)
где - коэффициент, учитывающий влияние показателя действия взрыва на
величину уплотнения.
Выражение (П.21) с учетом (П.22) запишем в виде
Для определения влияния консистенции (пластичности и влажности)
грунта на его сжимаемость, т.е. для определения Кск , нами были проведе-
ны эксперименты по получению полоогей в грунтах различных типов (глинах,
суглинках и супесях), резко отличающихся по гранулометрическому и мине-
ралогическому составу.
В результате экспериментальных взрывов камуфлетных сферических и
цилиндрических зарядов получены полости, размеры которых зависят от ве-
личин заряда и грунтовых условий:, , ,
• Л;
С 44	Гя= 11"
где и г* - радиус полости при взрыве сферического и цилиндрического
зарядов соответственно, м; Кеек и Л*м- коэффициенты сжимаемости соответ-
ственно при взрыве сферического и цилиндрического зарядов.
По полученным экспериментальным полостям определялись коэффициенты
сжатия в зависимости от консистенции грунтов. Как видно из табл.16, наи-
большим коэффициентом сжимаемости обладают грунты с консистенцией 0,4 -
0,6, т.е. находящиеся в пластическом состоянии. Грунты, приближающиеся
к текучему состоянию, имеют коэффициент сжимаемости меньше оптимального,
как и грунты полутвердого и твердого состояний с консистенцией меньше
нуля или стремящейся к нулю.
Таблица 16
Коэффициент сжимаемости грунтов в зависимости от их
влажности и пластичности
Грунт		Нижний предел текучес- ти, %	Нижний предел пластич- ности, %	Число пластич- ности, %	Естест- венная влаж- ность ,%	Консистен- ция	Коэффициент при симметрии заряда	
							сфе ричес-цилинд-	
							кого	рическо- го
Лессовидный оутЛИНОК		36,43	24,14	12,29	36,43	1.0	0,392	0,232
Суглинок бу- рый, тяжелый		49,43	26,04	23,39	23,47	-0,21	0,418	0,262
Суглинок пыле ватый		’ 30,5	16,8	13,7	17,2	0,013	0,447	0,265
Супесок		28,65	15,09	13,56	16,35	0,093	0,452	0,273
Песок тый	глиндс-	35,76	22,51	13,25	21,48	0,002	0,443	0,263
Глина нал	пластин-	’ 60,0	28,0	32,0	36,8	0,275	0,495	0,303
Глина тая	пилава-	38,0	19,0	19,0	15,3	-0,195	0,354	0,212
Глина ная	пластич- 60,0		28,0	32,0	42,4	0,45	0,529	0,313
Обработка данных табл.16 показывает, что между коэффициентом сжи-
маемости и грунтовыми характеристиками грунта зависимость выражается в
таком виде:
для сферических зарядов
= O,W(1 -Вг)- О, 392 g;
для цилиндрических зарядов
/Q - 0,263 и-Вг) + 0,232 в .
98
Аналогичные опыты в идентичных грунтовых условиях проведены с гори-
зонтальными цилиндрическими зарядами выброса. Отличием этих зарядов от
камуфлетных является существование двух механизмов перемещения массива
грунта - уплотнения в первой стадии взрыва и выброса части грунта, рас-
положенного над зарядом, - во второй.
В зависимости от грунтовых условий, т.е. от типа грунта, плотности,
влажности и консистенции соотношение мевду объемами выброшенного и уплот-
ненного грунта будет различным. Это соотношение в определенной степени
иллюстрируется соотношением между глубиной полученной выемки Нй и глу-
биной заложения заряда. Чем больше грунт способен деформироваться, тем
большими будут размеры камуфлетной полости (при равных значениях пока-
зателя действия взрыва и ) и, как следствие, большей будет глубина
выемки, что приведет и росту соотношения Hg/H.
На рис.67 приведены зависимос-
ти между соотношениями Нв/Н и кон-
систенцией грунта В для различных
показателей действия взрыва. Как
видно из рисунка, доля уплотненного
грунта в общем объеме воронки выб-
роса увеличивается как с ростом по-
казателя действия взрыва, так и с
ростом пластических свойств грунта,
т.е. показателя в . Следовательно,
этот показатель способен объединить
деформативные свойства грунтов раз-
личного типа общей зависимостью и
включает вместе с естественной влаж-
ностью грунта в момент взрыва
постоянные грунта /кг и , кото-
рые определяются физическим состоянием воды, насыщающей грунт, а значит,
Рио.67. Зависимость параметров выем-
ки от консистенции грунта:
I - я = 2; 2 - л=Э.
и его минералогическим соотавом.
ГЛАВА Ш. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЗРЫВНОГО ДВКРМИГОВАНИЯ
ВОДОНАСЫШЯННЫХ ГРУНТОВ
I. Объемная сжимаемость при взрывном
дефо рмировая ии
Среди существующих факторов, влияющих на процесс деформирования
и конечные результаты взрывов в грунтах различных типов, важное место
занимает распространяющаяся в грунте взрывная волна, носящая на достаточ-
но близких к заряду ВВ расстояниях ударный характер. По мере распростра-
нения в реальных средах наряду с затуханием за счет геометрического рас-
хождения эта волна претерпевает ряд других характерных изменений на фрон-
те, поэтому в определенной зоне грунта ее классифицируют как волну напря-
жений, вырождающуюся затем в упругую волну.
Изучение параметров и законов затухания ударных взрывных волн и волн
напряжений является одной из наиболее сложных задач динамики грунтов.
Теоретическое решение этой задачи в наиболее простом виде основыва-
ется на составлении замкнутой системы уравнений, охватывающей законы сох-
ранения массы и количества движения, а также уравнение состояния или за-
кон сжимаемости среды. Во многих случаях система интегрированием решает-
ся аналитически до конца, при этом всегда количество искомых величин
должно соответствовать количеству независимых уравнений системы.
Основными параметрами, определяющими сложность аналитического реше-
ния тех или иных динамических задач, являются характер нагружения и физи-
ческая характеристика деформируемого тела. В об.тем виде закон деформиро-
вания может быть произвольным и непроизвольным. Аналитические решения
водновых задач динамики для случая произвольного нагружения и развиваемо-
го им произвольного напряженного состояния в настоящее время полностью
не разработаны. Получили развитие лишь решения для случаев одномерных
движений, ввиду того, что уравнения, описывавшие свойства сред при таких
нагружениях, имеют более простой вад. Поскольку под класс одномерных за-
дач попадают задачи распространения и угасания взрывных волн с плоской,
сферической и цилиндрической симметрией, имение одномерные движения пред-
ставляют наиоолыгий интерес для прикладной динамики грунтов.
При решении динамических задач вообще и волновых в частности среда
характеризуется обычно той или иной моделью, или аналогом, учитывающим
и наг гадяо представляющим физические св'йства среды. Математическое опи-
сание модели характеризует развитие дефгцмаиий в теле при действии на
него динамических нагрузок различного характера.
I0Q
По наиболее обшей классификации тел^ и их модели мэжно разделить
на идеальные и неидеальные. К идеальным относятся тела либо среды, на-
пряжение в которых при действии динамических или статических нагрузок
в кадкой точке не зависит от ориентации и является одинаковым по всем
направлениям. Это напряжение носит название давления, т.е. = По это-
му состояние идеального тела в любой точке массива определяется величи-
ной каких-либо двух термодинамических параметров, например плотностиj>
и температур! Т или энтропии S :
P'llf. Т(з>] .	(ш.1)
К подобным телам при тех значениях давления, которые развиваются при
взрывном нагружении, по мнению многих исследователей, можно отнести во-
ду, нефть и нефтепродукты, а также грунт, находящийся в условиях пре-
дельного водонаполненного состояния.
Система уравнений, описывающая волновые процессы в идеальной среде,
решается аналитически, если включает как минимум четыре независимых урав-
нения, два из которых описывают общие законы сохранения масоы и коли-
чества движения, а два других, вытекающих из (Ш.1), - замыкают ее и ха-
рактеризуют закон динамической сжимаемости. Когда представляется возмож-
ным ввиду незначительности пренебречь влиянием на давление р температу-
ры Г , система состоит из трех уравнений, причем третье, замыкающее
систему, имеет вид
P"P(J>)-	(Ш.2)
Среды, уравнение состояния которых записывается в виде (Ш.2), принято
называть баротропными.
Неидеальнне среды,в отличие от идеальных, характеризуются тем, что
развиваемые в них напряжения неоднозначны по направлениям. В каждой точ-
ив среды напряженное состояние описывается суммой компонент напряжений,
ориентированных взаишо перпендикулярно. Поскольку деформированное сос-
тояние таких тел характеризуется также суммарной деформацией, включающей
независимые компоненты деформаций, очевидна аналитическая сложность ре-
шения подобного рода систем.
По совокупности признаков, проявляемых реальными телами при дефор-
мировании, их принято разделять также на упругие (линейно и нелинейно),
упруго-пластические, вязко-пластические и упруго-вязко-пластические.
Главное, что характеризует упругие тела, - это отсутствие в них при на-
гружении развитых остаточных деформаций. Тела, деформируемые пластичес-
ки, проявляют склонность к развитию остаточных деформаций. Вообще деле-
ние тел, в частности горных пород и грунтов, на указанные классы весьма
условно. Все реальные тела в той или иной мере обладают как упругими,
так и пластическими, в том числе вязкими свойствами. Степень же реализа-
ции этих свойств определяется величиной и характером прилагаемой внешней
нагрузки, а также условиями деформирования.
Металлы, например, проявляют пластические свойства и подчиняются
законам нелинейности на упругой стадии деформирования. В то же время
при действии на них значительных по величине динамических нагрузок, на-
пример взрыва, их уравнение состояния вполне удовлетворительно описывает-
ся моделью идеального тела. Характеристики деформирования водонасыщенных
I0I
грунтов на фронте взрывной волна при достаточно интенсивных параметрах
последней в соответствии с экспериментальными диаграммами сжатия вполне
соответствуют признакам, сопутствующим деформированию идеальных тел.
Однако на определенных расстояния» от источника динамического нагруже-
ния (взрыва) в результате изменения характера нагружения (угасание волн
с расстоянием) такие грунты проявляют свойства, присущие реальным твер-
дым телам. Традиционно считается, что скальные горные породы при динами-
ческом нагружении не проявляют вязко-пластических свойств. Разруяеяие
их считается хрупким и при взрыве, ншример, связывается с растягивав-
шими напряжениями. Однаио в практике ведения горных работ известны мно-
гочисленные явления, наличие которых нельзя объяснить, не применяя к
горным породам модель вязко-пластической среды. К таким явлениям живо
отнести, например, проявление горного давления при оконтуривании пара-
болоидом обрушения не сразу после обнажения основания, а в течении зна-
чительного промежутка времени; постепенное оседание нарезанных блоков
рудного массива с измельчением породы у горизонта грохочения /627 и пр.
Следует считать, что любой эффект деформирования с развитием оста-
точных явлений, выражавшихся применительно к горным породам в виде хруп-
кого разрушения, а в грунтах - в виде приращения плотности, невозможен
без развития в теле на каком-либо этапе нагружения пластического состоя-
ния в виде интегральной функции от величины давления и времени его дей-
ствия. Лишь после его достижения в теле могут развиваться любые из из-
вестных внешних признаков остаточного деформированного состояния.
Если считать подобный подход правильным, то можно прийти к выводу,
что пластическое деформирование на фронте волны в случае, когда она но-
сит идеально ударный характер (время нагружения равно нулю), неосущест-
вимо, поскольку развитие в тале пластических деформаций возможно лишь
при наличии определенного конечного промежутка времени действия напря-
жения. Пластическое деформирование в таких случаях возможно лишь за фрон-
том максимума волны, причем падение напряжений должно осуществляться в
пределах обозримого промежутка времени. Особенность плотных сред сохра-
нять упругие свойства в течение определенного времени действия на них
динамической нагрузки, превышавшей предел текучести (<j»<^), называют
запаздывающей текучестью, а это время - временем запаздывания.
Критерий, учитывающий запаздывание текучести, т.е. принцип, опреде-
ляющий связь пластического деформирования с интегральным показателем,
учитывающим все напряжение в пределах эпюры волны за весь период его
действия, был предложен Кемпбелом /бб7 и развит последующими работами
других исследователей /20 , 62/.
Исходя из сказанного в общефизической постановке все категории
грунтов должны рассматриваться как потенциально обладающие упругими и
вязко-пластическими свойствами. Реализация же этих свойств в процессе
динамического нагружения зависит как от характера прилагаемой внешней
нагрузки, так и от структурного состояния тела до начала и в процессе
нагружения.
Существует несколько моделей, или механических аналогов в той или
Иной мере позволявших учесть упругие и вязкие свойства материалов и с
разной; степенью точности характеризующих деформируемость грунтов под
10-
действием вэрнввнх нагрузок. Одной из первых следует считать модель
Максвелла (рис.68), в которой упругость учитывается пружиной (I), а вяз-
кость - поржнем, движущимся в жидкости (2). Уравнение состояния среды,
описываемой этой изделью, имеет ввд
у- =	’	(Ш.З)
где fi - коэффициент, характеризующий вязкость; f - модуль естественной
упругости; d, / - производные напряжения и деформации.
Рисг68. Модель твердого тела Макс- Рис.69. Модель твердого тела Кель-
велла.	вина.
При ударном приложении нагрузки в момент времени / = 0 напряжение
возрастает до конечного значения в , поэтому <э и f оказываются много
больше члена G /р в уравнении (Ш.З) и процесс деформирования характери-
зуется одной упругостью. После приложения ударной нагрузки она остает-
ся постоянной и5=0, поэтому тело получает возможность развития не-
ограниченной деформации, т.е.
S = ff '	(Ш.4)
что не характерно для реальных тел, деформации которых при всех услови-
ях нагружения конечные.
Этот недостаток модели Максвелла, хотя в принципе она правильно
описывает ряд явлений,связанных с вязкостью, например, ползучесть, ус-
траняется в модели Кельвина (рис.69). Элементы модели характеризуют те
же свойства среды, проявляемые в процессе деформирования, что и модель
Максвелла, однако построение ее дает следующую общую зависимость мевду
6 и деформациями:
(Ш.5)
Интегрируя уравнение (Ш.5) при начальном условии <f = 0 при t= 0, найдем
связь между напряжением и деформацией:
(Ш.6)
Отсвда при i деформация тела имеет конечные размеры, соответствую-
G
щие
Существенной особенностью применительно к решению динамических за-
дач в модели Кельвина является то, что при возрастании нагрузки в на-
чальный момент времени 0 от нуля до деформация среды равна нулю,
т.е, среда ведет себя как идеально несжимаемая.
Существуют и другие модели реальных сред, учитывающие те или иные
свойства тел или их совокупность в процессе деформирования. Однако каи-
108
более полно они характеризуются, о нашей точки зрения, моделью твердого
не молве упругого тала, предложе-’чоа В.В.Царицышж /627.
Рис.70. Модель твердого тела
В.В.Царицына.
Рис.71. Кривые динамической сжимае-
мости грунта для разной степени ди-
намичности процесса деформирования.
Модель, представленная на рис.70, отличается от тела Кельвина тем,
что звенья в ней соединены между собой шарнирно. Уравнение состояния,
соответствующее
этой модели, имеет виц
/и е £
(Ш.7)
- переменный коэффициент, характеризующий изменение
где s''-у
структурного состояния тела в процессе деформирования. Уравнение (Ш.7)
позволяет объяснить явления как релаксации, так и упругого последствия
в реальных телах. Так, при £ - const
(Ш.8)
Где 't - период релаксации.
При I, т.е. при участии только естественной упругости тела,
G = вд и тело не проявляет релаксации. При f=0 и участии только вяз-
кости тело разгружается.
Рассмотрим деформацию описываемого тела при const. Тогда из урав-
нения (Ш.7)
*"	> •	(Ш.9)
Согласно этому уравнению приращение деформации твердого не вполне упру-
гого тела возможно тогда, когда оно зависит от двух переменных величин -
времени t и структурного коэффициента < . Так, при чистой упругости,
когда £= I, приращение деформации в напряженном теле невозможно; оно
возможно только в том случае, если тело обладает вязкостью, т.е. при
? *1.
104
Обозримых аналитических чтений, учитывающих вязкие свойства тел
в зависимости от степени проявления вязкости в процессе динамического
нагружения, в настоящее время не имеется. Это объясняется сложностью
функционального задания связи напряжения и деформаций с учетом много-
факторности такой связи во времени. Поэтому во многих случаях удовлет -
верительные частные решения волновых задач можно получить, замыкая ос-
новные уравнения движений экспериментальной диаграммой динамического
сжатия конкретных материалов. Такой подход к решению некоторых волновых
задач получил достаточно широкое распространение в исследованиях по при-
кладной динамике грунтов /16, 34/.
Основой для построения экспериментальных диаграмм динамического
сжатия служат данные, получаемые при измерении параметров взрывных волн
в грунтах. Исходя из условия совместности на Фронте волны при допущении,
что волна, в частности в водонасыщенных грунтах, является ударцой (вре-
мя действия волны в фазе сжатия равно нулю), можно, основываясь на
экспериментальных данных, получить закон динамической сжимаемости. Усло-
вия совместности на фронте ударной волны имеют вид
8 = ТгПг ’	-л ' (шло)
где в - объемная деформация;
/?=	при / •	(Ш.11)
*0	J*	J
Здесь V - удельный объем среды; - начальная и текущая плотность
грунта; скорость распространения максимума напряжений; г - ско-
рость смещения частиц на фронте волны.
Таким образом, объемная деформация на фронте ударной волны в пред-
ставленном виде является функцией плотности, напряжения на фронте и ко-
ординаты фронта, т.е. всех величин, определяемых экспериментально при
измерении параметров взрывных волн в грунтах. Поскольку и и и ,
функции расстояния от источника динамического нагружения, исключая по-
следнее при совместном решении уравнений, вытекающих из условия совмест-
ности, можно получить диаграмму динамического-сжатия грунта.
Соотношение 6 = выражает закон динамического сжатия на фронте
ударной волны. Поэтому, исходя из приведенных выше соображений, можно
считать, что значения 9 на диаграмме в общем виде характеризуют упру-
гую деформацию независимо от физического состояния объекта нагружения.
Степень, в какой данные упругие объемные деформации реализуются в оста-
точные объемные деформации или деформации формоизменения, определяется
с учетом временных соотношений в процессе динамического нагружения, раз-
грузки за фронтом максимума и мерой пластичности грунта. Остаточные
объемные деформации в гранте могут совпадать по величине с объемными уп-
ругими деформациями на фронте (пластичность реализуется полностью), быть
меньше их (при наличии упругого последействия) и превышать объемную отно-
сительную деформацию на фронте (реализация вязкости). Поэтому справедливо
считать, что вообще не существует единственной диаграммы сжимаемости
грунта. Вместе с тем каждому режиму нагружения соответствует вполне оп-
ределенная диаграмма сжимаемости, в том числе с учетом реализации вязкос-
ти в фазе сжатия, закона перехода тела в пластическое состояние я степе-
ни проявления вязкости при разгрузке.
Ha pec.71 приведено семейство кривых сжимаемости грунта при резной
степени динамичности процесса деформирования.Кривая статистического сжа-
тия (кривая I) характеризуется нелинейностью на упдагой стадии дефо [ми-
ров ания, раэвитьм участком пластического состояния и вязким течением за
максимумом нагрузки. По мере увеличения динамичности нагружения (кривые
2, 3) сокращается участок пластического деформирования и в меньшей игре
проявляется вязкость за максимумом нагрузки. При достижении определен-
ной скорости деформирования разгрузка за максимумом осуществляется без
увеличения деформации (кривая 4), т.е. в этом случае вязкость при раз-
грузке не реализуется, хотя имеют место определенные остаточные деформа-
ции, что свидетельствует об определенной реализации пластичности. Пре-
дельная кривая (при 8=ео) описывает режим нагружения, при котором на-
грузка снимается раньше, чем в теле успевают развиться пластические
деформации и разгрузка осуществляется по кривой нагружения (кривая 5).
Таким образом, в зависимости от степени динамичности процесса объемного
деформирования тело может проявлять пластические и вязкие свойства, а
при высокой динамичности процесса весту себя подобно идеальной жидкости.
Кривые разгрузки, приведенные на-рис.71, соответствуют свободной
разгрузке тела при мгновенном снятии нагрузки после достижения максиму-
ма. Применительно к взрыву следует иметь в виду, что характер изменения
деформации за фронтом максимальных напряжений отличается от приведенно-
го выше, поскольку разгрузка за фронтом максимума взрывной волны не яв-
ляется свободной. Полностью водонасыщенный грунт, т.е. такой, где отсут-
ствует воздух, при любых режимах нагружения ведет себя подобно жидкости
и его объемная сжимаемость характеризуется кривой идеально упругого те-
ла. Вместе с тем, как было показано экспериментально, даже при незначи-
тельном по объему содержании воздуха в водонасыщенном грунте, ему свой-
ственны некоторые признаки твердого не вполне упругого тела. Разница
состоит лишь в том, что как степень динамичности, так и уровень напряже-
ний, выше которых такой грунт ведет себя при объемном сжатии как абсолют-
но упругое тело, значительно меньше, чем для неводонасыщенных грунтов.
Поскольку все или почти все грунты, находящиеся в натурных условиях
в водонасытенном состоянии, содержат определенное количество воздуха,
к вопросу расчета напряженно-деформированного состояния массива таких
грунтов, подверженного взрывному деформированию, следует подходить диф-
ференцированно. Например, при расчете волновых процессов в пределах во-
ронки выброса при взрыве заряда ВВ вблизи свободной поверхности водонасы-
щенный грунт может рассматриваться как идеальная несжимаемая жидкость и
к нему вполне применимы соответствующие гидродинамические соотношения.
При рассмотрении напряженно-деформированного состояния в области дейст-
вия малоинтеысивных и малодинамичных волн процессы деформирования должны
рассматриваться с учетом развития пластических, в том числе вязких, эф-
фектов.
Из сказанного следует, что к естественному водонасыщенному грунту
применима модель как идеальной несжимаемой жидкости, так и по меньшей
мере упруго-пластического тела. Математическое описание такой среды наи-
более удачно выполнено Г.М.Ляховым /33/. Им предложена модель трехком-
106
понентной среды (воздух, вода, твердые частицы), уравнение состояния
которой записывается в виде f
zz'p(i/ "VW ']	1 I • 1,Л2>
Таким образом, по Г.М. Ляхову, снимаемость водонасыщенного грунта
определяется сжимаемость» слагающих его компонент. До момента полного
закрытия воздушных пор такой грунт деформируется упруго-пластически,
а при более высоких напряжениях его сжимаемость почти равна (несколько
меньше) сжимаемости вода. В настоящее время получены данные, свидетель-
ствующие о наличии упруго-вязко-пластического характера объешого де-
формирования не полностью водонасыщенных грунтов взрывными нагрузками.
2.	О составляющих волнового поля вблизи заряда ВВ^
При рассмотрении кривых объемной сжимаемости грунтов полагалось,
что водонасыщенный грунт, даже при достаточно низкой динамичности про-
цесса деформирования и невысоких, малоинтенсивных значениях силового
параметра на фронте волны, может рассматриваться как идеальная несжимае-
мая жидкость. Этот вывод распространяется и на водонасыщенные грунты,
находящиеся в состоянии околопредельного водонасыщения, т.е. содержащие
незначительное количество воздуха во внутренних порах Ц*2*4*Ю“2 для
большинства типов грунтов). С увеличением количества воздуха в грунте
в указанных пределах возрастают лишь пороговые значения динамичности
процесса и абсолютные значения силовых параметров взрывных волн, выше
которых к таким грунтам применим аппарат гидродинамики, тогда как ка-
чественно процесс деформирования остается неизменным. Из изложенного
следует, что как в начальной стадии деформирования водонасыщенних грун-
тов взрывом, так и в достаточно широком диапазоне изменения (снижения)
силового параметра на фронте волны расчет напряженно-деформированного
состояния массива корректен при использовании модели идеальной несжимае-
мой жидкости в упругих соотношениях, т.е. без учета сжимаемости среды
/28/ в предположении, что процесс деформирования происходит в установив-
шемся режиме.
Такой подход правомочен еще и потому^ что расчетами, опираипимися
на данные приборных измерений ударной сжимаемости ряда материалов /337,
показано, что учет сжимаемости материала при высокодинамическом харак-
тере приложения нагрузки может внести существенную поправку лишь в оцен-
ку уровня давлений, действующих в момент приложения нагрузки. Кинемати-
ческие же и определяемые или деформационные параметры процесса, проте-
кающего в установившемся режиме, просчитанные с учетом сжимаемости и ис-
ходя из подели идеальной несжимаемой жидкости, приводят к практически
совпадающим результатам /17/ (при достаточной высокой степени динамичнос-
ти самого процесса).
Сказанное справедливо для установившегося режима деформирования,
поскольку модель идеальной несжимаемой жидкости обусловливает отклоне-
ния кинематических и деформационных параметров на неустановившейся ста-
дии процесса. ,
Настоящий параграф написан при участии Л.В,Зуевой.
107
Анализ кинематических параметров начальной стации деформирования
в неустановившемся режима при учете сжимаемости материала, выполненный
применительно к соударяющимся с-высокой скоростью металлам /52/, приво-
дит к соотношению
где - скорость
руемого материала
’•''’ <,ЛЭ)
V J °2 У 7-
удара; ц - скорость перемещения поверхности деформи-
(массовая скорость);	плотности деформируе-
мого материала соответственно в невозмущенном состоянии и за фронтом
волны, возникающей в нем; и Д>- те же плотности материала, произ-
водящего удар.
На установившейся стации деформирования это соотношение записывает-
ся в виде /287	я__________1______
V ~ 7 + 1/	'	(Ш.14)
V Гог
Ударные адиабаты широкого круга материалов при давлениях более
КУ7 кГ/ом^, полученные экспериментально /V, позволяют вычислить соот-
ношение и/Vg для некоторых материалов по формулам (ШЛЗ) и (Ш.14) и со-
поставить их между собой. Такое сопоставление показывает /18/, что даже
для наиболее отличающихся по свойствам соударяющихся пар материалов раз-
ница в расчетах не превышает 9-6%. Это означает, что кинематические, а
поэтому и деформационные параметры процесса, протекающего в начальный
период в неустановившемся режиме и в более поздний период, когда соблю-
даются законы установившегося движения, практически тождественны.
Таким образом, при названных значениях давлений весь процесс дефор-
мирования можно рассматривать как установившийся, пренебрегая сжимае-
мостью на неустановившейся стадии, поскольку такое допущение не оказыва-
ет сколько-нибудь значительного влияния на конечные кинематические и де-
формационные параметры. Из этого же следует, что к водонасыщенному грун-
ту как в начальный, так и в установившийся период деформирования примени
мы кинематические соотношения (Ш.14), записываемые применительно к взрыв
ным нагружениям в виде
О = Со* тли ,	(Ш.15)
где О - скорость фронта, Сд - гидродинамическая скорость, а - массовая
скорость на фронте.
Исследования, выполненные И.В.Белинским в широком диапазоне режи-
мов деформирования на реальных материалах, в том числе обладающих раз-
витой свободной пористостью, показали, что характер зависимости (Ш.15)
соблюдается до таких значений силового параметра на фронте волны, кото-
рые обусловливают схлопывание пор материала (рис.72). Ниже этих значе-
ний давлений наблюдается отклонение от зависимости (Ш.15), вытекающей
из модели идеальной несжимаемой жидкости и аппарат гидродинамики дает
значительные погрешности при описании кинематических, а следовательно,
деформационных параметров процесса.
Возврат к упругим соотношениям имеет место при напряжениях, соот-
ветствующих естественной упругости материала. Общая закономерность пре-
108
дусматривает лишь конкретные значения напряжений (давлений), соответст-
вующих пределу естественной упругости тела деформирования и полного
схлопывания в нем пор. Применительно к водонаоышепннм грунтам абсолют-
ные значения этих параметров изменяются в связи с различным содержанием
защемленного воздуха, если полагать, что жесткие связи между элемента-
ми структуры его полностью отсутствуют.
Оценочные данные, полученные экспериментально, в том числе автора-
ми, позволяют считать, что для неполностью водонасышенного минерального
грунта типа супеси, песка, глин эти напряжения составляют от единиц до
десятков килограмм на квадратный сантиметр, тогда как для пористых ма-
териалов, обладающих развитой жесткой связью между элементами структу-
ры (связные грунты естественно-воздушной влажности), и плотных материа-
лов (скальные и полускальные горные породы) эти напряжения на один-два
порядка выше.
Таким образом, как водонасышенный, так и не вполне водонасышепннй
грунт в широком диапазоне динамичности процесса деформирования на фрон-
те взрывной волны вполне удовлетворительно иэжет моделироваться как
идеальная несжимаемая жидкость или как вполне упругое тело.
Рис.72. Влияние скорости фронта
взрывной волны на тесовую окорооть
на фронте.
Рассмотрим распространение в неограниченной вполне упругой среде
гармонически изменяющегося во времени давления pr<.t)t приложенного к по-
верхности цилиндрической формы с круглым поперечным сечением. Задание
таких условий соответствует приложению взрывной нагрузки к водонасышен-
ному грунту при взрыве в нем цилиндрического заряда ВВ камуфлетного
дейотвия.
Допустим, что на поверхность г=гв, соответствующую радиусу полос-
ти цилиндрической 'формы или радиусу цилиндрической зарядной камеры при
плотном ее заполнении взрывчатым веществом, действует давление взрывча-
тых газов
Pr(t)-PBt,at.
В результате приложения такого вида нагрузки в грунте распростра-
няется продольная цилиндрическая волна. Описание напряженно-дефцжиро-
ванного состояния среды требует определения в любой момент времени для
каждой точки массива мгновенных абсолютных значений нал рнж'-ний, смеще-
ний и скоростей смещений, вызываемых фронтом полны, т.е. пралус'латрива-
ет решение уравнения общего вида
109
* "F" (Gr~ se)" Л
дг и r
(Ш.17)
где г, t - координаты фронта волны; иг- смешение на фронте.
Боли принять вектор смещения 2Г в форме
а •= grad У * rot у
и иметь дело толью с продольными цилиндрическими волнами, тогда урав-
нение (Ш.17) можно представить в виде эквивалентного ему волнового
уравнения
дгЧ 1 ЭУ _ 1
дгг * Г dr ~cj
(Ш.18)
которое решается при следующих	начальных	и граничных условиях:		
К	0 ;		при	t *0;	(Ш.19)
		при	г~гв;	
вг. = О		при	У* ш «о «	(Ш.20)
Функция Pr(t) рас сматривав тоя	в виде			
	' 0	при	О,	
Рг(*)~	iat Рае	при		(Ш.21)
где рд - давление в продуктах детонации		заряда	ВВ в момент их	удара о
закону
(Ш.22)
(Ш.23)
условий;
отении зарядной полости.
Такая форма задания граничного условия позволяет описать значения
напряжений, смещений и скоростей смещений на фронте волны при свободных
колебаниях безграничного массива, возникающих при мгновенном приложении
нагрузки. Этот характер приложения нагрузки оправдан при допущении о
мгновенном превращении заряда ВВ из начального состояния в газообразное
при его детонации.
Считаем среду идеальным несжимаемым телом, подчиняющимся
Гука, т.е.
[вг-2Кв]-,
г дг ' а г > -ur~ ~jp-
Тогда решение уравнения (Ш.22) можно записать в виде
^1“^]eiai,
где А и В - постоянные, определяемые из начальных и граничных
Ко и Ig - модифицированные функции Бесселя нулевого порядка.
Из условия У= О (В = 0, поскольку Ig / 0) в бесконечности полу-
чаем
{ш>24)
Напряжение Gr можно определить по формуле
ав-+	иг)	(Ш.25).
НО
или, используя упругие соотношения (Ш.22),
1 >Y
г дг
i2f
Sr2
д2¥
312
(Ш.26)
где fi, Я - постоянные Ляме.
Из первого граничного условия
Gr —Ро еiai при r-fe получаем
Дифференцируя дважды функцию	, находим
[-"> ^1^.-;

(Ш.28)
(Ш.29)
vrf(-^П  <В-ЭО)
Поскольку из выражения (Ш.30) легко определить постоянную А, с уче-
том этого выражение f(r 1) запишем в виде
Cf и ! iur 1 ill
	<V-*> К,	", (-^=7
(Ш.31)
где К/ - модифидарованная функция Бесселя первого порядка.
Тогда
«л ~
Pft .
(Ш.32)
Согласно /137 запишем асимптотические ряды для больших значений х :
# /т)а, / й- ) Л A ^i2	!2-з2.52	;
\2л1	1 I1' nt* 2!Tt*?~ 3!(tx)> * J ' (Ш.ЗЗ)
у z , I: А2 -* Г. ^п2~1	(^2-t2Kin2-32)	7
е [J~ Hist + 1цЗх)2 *"] '	(Ш«34)
Где П = 1,2,3 ....
Подставив в (Ш.32) вместо Ко ( j и	их асимптотичес-
кие раалоиения, мэжно выразить <7/ следующим образом:
f Р,(г^) Лг(гв,1)	7
аг"р,ПГт-*	7 ’	(ш-35)
где	- коэффициенты, зависящие от гв и времени.
Первая составляющая является наиболее быстро изменяющейся функцией
времени, ее можно считать существенно динамической составляющей. Вторая
составляющая - медленно изменяющаяся функция времени, и ее мэжно считать
квазидинамической составляющей. Третья составляющая - еще медленнее из-
меняющаяся функция времени, при i — — она стремится к постоянному пре-
делу, который соответствует поведению функции в установившемся режиме
и является решением соответствующей статической задачи. Поэтому ее мож-
но считать квазистатической составляющей.
Аналогичное поведение функции Sr в интервале от *= 0 до / для
сферической волны иллюстрируется рис.73 /ТЗ/.
ill
3.	Временные соотношения силовых и кинематических
параметров волновых процессов вблизи заряда ВВ
Параметры взрывных работ в горных породах, в том числе и в грунтах,
с технолргическими целями в большинстве случаев рассчитывают исходя из
аппарата динамики твердых тел. Среда моделируется по-разному в зависи-
мости от ее характерных физико-механических свойств. Между тем аппарат
динамики твердого тела основан на принципе однозначности воздействия
взрыва в качестве источника динамического нагружения массива, причем в
безграничной среде связывает его исключительно с параметрами фронта
ударной, а на более удаленных от заряда расстояниях с трансформирующей-
ся из нее волны напряжений. Такой подход вполне правомочен в исследова-
ниях динамики твердых тел, однако, по нашему мнению, применительно к
прикладным технологическим задачам в такой постановке взрыв, кая источ-
ник динамического воздействия, идеализируется, а поэтому весь процесс
взаимодействия реального взрыва с окружающей средой характеризуется лишь
частично и недостаточно полно.
В последнее время специалисты в области прикладного использования
взрыва обратили внимание на отсутствие достаточного соответствия мевду
расчетными показателями, вытекающими из решений, основывающихся на уче-
те параметров фронта ударных (взрывных) волн, и показателями среды, под-
вергшейся взрывному деформированию. Это повлекло за ообой развитие ра-
бот, в которых вероятные деформативные показатели среды рассматриваются
в связи с характером эпюра ударных или взрывных волн, однако и в такой
постановке отмечается существенное расхождение между действительными
параметрами напряженно-деформированного состояния реальных сред, даже
полученными на основе изучения остаточных явлений, и вытекающими исходя
из однозначной связи процесса деформирования с эпюрой распространяющей-
ся взрывной волны.
Приведенные рассуждения, подкрепляемые значительным объемом экспе-
риментальных данных, в том числе и полученных авторами , стимулируют
развитие представлений о взрыве,как о первопричине распространения дефор-
маций в окружающей его среде, по меньшей мере в виде двойственного источ-
ника, если полагать при этом, что первый связан с развитием по объему и
длине заряда ВВ фронта детонационной волны, трансформирующейся на грани-
це заряд - среда во фронт ударной, а затем волны напряжений с характер-
ными силовыми и кинематическими параметрами фронта, а второй - с квази-
статическим действием на окружающий заряд массив образовавшихся в резуль-
тате разложения ВВ газов.
Взрыв, кая источник деформирования и разрушения в подобном виде
рассматривался и ранее. Достаточно указать на существующее в специальной
литературе деление механического действия взрыва на тая называемое бри-
зантное и метательное. Однако до настоящего времени исследователи огра-
ничивались в основном качественным описанием процесса на основе этой
схемы, исходя из практических результатов взрывов, поскольку не имелось
достаточно полных и убедительных данных экспериментальных приборных из-
мерений, подтверждающих их. Количественная же оценка действия взрыва
дается либо по силовым параметрам динамического поля напряжении,либо
11.?
с позиций энергетического подхода дез разделения на составляющие волно-
вого поля.
При изучении напряженно-дефориированного состояния грунтов при
взрыве заряда ВВ следует рассматривать и количественно учитывать две
составляющие процесса. С одной стороны, абсолютные значения силовых пара-
метров во взрывной волне как с учетом максимальных значений на фронте,
так и при изменении параметра за все время действия импульса, с другой,-
поле смещений или поле скоростей смещений, которое возникает в грунте
как результат действия силового параметра. Последнее определяется абсо-
лютными значениями силового параметра на фронте (фронт максимальных
значений напряжений во взрывной волне) и временными соотношениями в пре-
делах эпюры волны на ее головном участке (фазе сжатия) и за фронтом мак-
симума напряжений. Поскольку поле напряжений, генерируемое взрывом в сре-
де, обусловливает формирование поля дефо [наций, изучение последнего дает
достаточно полное представление о самом источнике нагружения.
Рис.73. Зависимость напряжений от
времени для различных точек среды:
I - динамическая составляющаяв ;
2 - квазидинамическая; 3 - квазиста
тическая; 4 - Функция <5Г.
Рис.74. Волновое движение вблизи
заряда ВВ:
I - волна напряжений; 2 - объем-
ные волны; 3 - длиннопериодная вол-
па.
Остановимся на некоторых результатах экспериментальных исследова-
ний, поставленных с целью всестороннего изучения волновых процессов,
возникающих вблизи взрыва заряда ВВ и определяющих напряженно-деформи-
рованное состояние массива.
Экспериментальные исследования проводились в сжимаемых грунтах ес-
тественно-воздушной влажности, водонасыщенных грунтах, а также в креп-
ких горних породах - песчаниках, алевролитах, известняках /§, 9/. Пара-
метры (силовые и кинематические) регистрировались на разных расстояниях
от взрыва датчиками деформаций конструкции авторов, которые обеспечива-
ли запись относительных деформаций в процессе самого деформирования при
частотах до 150 гц, стандартной виброизмерителыюй аппаратурой (датчики
ИЗ-
ВБП-Ш) и тензометрическими датчиками давлений мембранного типа с одно-
временной записью процесса на шлейфный осциллограф Н-700. Датчики всех
типов устанавливались в глубине массива грунта (на глубине заложения
заряда ВВ). Качественная сходимость результатов, полученных в различных
природных условиях, свидетельствует о наличии общих закономерностей вол-
новых процессов вблизи заряда ВВ,некоторые из которых излагаются ниже.
В результате постановки комплексных измерений в натурных условиях
с привлечением датчиков различных типов удалось установить, что при взры-
ве вблизи заряда ВВ имеют место два принципиально различных типа кине-
матического движения: возмущение, вызываемое фронтом максимума напряже-
ний взрывной волны, а также рад производных этого движения (отраженные
и преломленные волны) и длиннопериодная волна с характерными параметра-
ми. На рис.74 приведено типичное волновое движение вблизи заряда ВВ,
полученное суммированием при регистрации процесса различными типами дат-
чиков. Из характера записи следует, что первое прослеживаемое по осцил-
лографам кинематическое движение представляет собой высокочастотный
процесс. Сравнение его координаты во времени (рис.75), зарегистрирован-
ной одновременно с координатой силового параметра (волны напряжений)
позволяет приурочить это смещение к действию фронта волны напряжений.
Вслед за первым высокочастотным движением следует цуг объемных волн.
Периоды и амплитуды колебаний частиц грунта в объемных волнах близки к
соответствующим параметрам волн напряжений, что позволяет считать их
результатом сложения, отражения от границ раздела сред и преломления
волн напряжений (продольных и поперечных). Объемные волны по времени
проховдения накладываются на длиннопериодную волну, которая на поддаю-
щихся экспериментальному измерению расстояниях к взрыву проявляется в
виде самостоятельного движения.
Рис.75. Координаты фронта взрывных
волн: I - волна напряжений; 2 -
длиннопериодная волна.
Рис.76. Изменение соотношения амп-
литуд и длительности в фазе сжатия
длиннопериодной волны.
114
Анализ кинематических параметров волн показывает, что максимальная
скорость смещения грунта в длиннопериодной волне значительно ниже, а
амплитуда на один-два порядка выше, чем на фронте волны напряжений для
одного типа грунта на равных относительных расстояниях к взрыву.
Существенное различие двух типов движений вблизи заряца ВВ подчер-
кивается сравнением их характерных частот (периодов), а также изменением
этих величин в зависимости от интенсивности самого параметра. Так, экс-
периментально установлено, что продолжительность фазы сжатия в волне
напряжений (высокочастотное движение) возрастает о увеличением относи-
тельных расстояний от взрыва. Длительность фазы сжатия в длиннопериодной
волне уменьшается с увеличением расстояния от взрыва, стремясь к какой-
то постоянной величине (рис.76, кривая I), и аппроксимируется уравнени-
ем ввда	.	,
’	(Ш.36)
где к+ и J- - коэффициент и показатель степени, характеризующие свойства
грунта.
Частота длиннопериодной волны соизмерима с частотой поверхностных
упругих волн релеевского типа, следующих непосредственно за длиннопериод-
ной волной и прослеживаемых на близких к заряду расстояниях лишь в виде
отдельных фаз. Однако последние отличаются тем, что их период увеличи-
вается с расстоянием. Это аналитически описывается уравнением
7b’kblo9K.	(Ш.37)
Аналогично длительности фазы сжатия в длиннопериодной волне из-
меняется длительность фазы разгрузки , Экспериментально установлено,
что наиболее плотная связь величин /.и в длиннопериодной волне на-
блюдается с абсолютным смещением < среды в данной области массива
через зависимость вида
» тп* + п+ Л. ,	(Ш.38)
где rif.- экспериментальные коэффициенты,-постоянные для конкретных
грунтовых условий.
Другой специфической особенностью длиннопериодной волны, зафикси-
рованной экопериментально и классифицирующей ее как самостоятельное дви-
жение среды в ближней к заряду ВВ эоне, является характер отношения в ее
пределах амплитуд смещения в фазах сжатия А+ и разгрузки . Известно,
что для кинематических движений, связанных с действием фронта максимума
волн напряжений, соотношение Л4 всегда больше единицы; для упругих
поверхностных волн оно равно единице, а для длиннопериодной квазиупругой
волны вблизи заряда ВВ оказывается меньше единицы (рис.76, кривая 2),
причем лишь о определенных расстояний от взрыва это соотношение стремит-
ся к единице. Поскольку указанная характерная особенность длиннопериод-
ной волны наблхщается только вблизи взрыва, ее можно, по-ввдимэму, отнес-
ти за счет влияния вновь образуемой при взрыве свободной поверхности
(реализация разгрузки в пределах предполагаемой упругости при меньшем,
относительно исходного, сопротивлении массива в целом).
Согласно экспериментальным данным граница нестационарных параметров
длиннопериодной волны, отмеченных выше (соотношение амплитуд, длитель-
ность фаз), ориентировочно соответствует эоне заколов, наблюдаемых на
1J5
поверхности массива после взрыва, а величина этих заколов (ширина тре-
щин) £l соизмерима с разностью '/* /_ -Х+ .
Суммирование приведенных выше экспериментальных данных о кинемати-
ческих и временных параметрах волновых процессов позволяет считать,
что вблизи заряда ВВ в окружающей среде (грунте) имеют место два само-
стоятельно выделяющихся основных движения: движение, возникающее на
фронте волны напряжений, и длиннопериодная квазиупругая волна, возникаю-
щая вследствие приложения к массиву более длительной по времени нагруз-
ки, отождествляемой с разгрузочной ветвью эпюры волны напряжений.
Величина импульса за фронтом максимума волны напряжений (изменение
силового параметра и длительности) и длиннопериодное движение грунта за
фронтом являются в определенной мере производными кваэистического дейст-
вия на массив газообразных продуктов детонации заряда ВВ,поскольку из-
вестно, что при взрыве в твердых и жидких средах фронт волны напряжений
практически с самого начала отрывается от фронта продуктов детонации,
хотя в газах их движения совместно до расстояний от взрыва порядка 10-12г-
Естественно предполагать, что оба рассматриваемых движения участ-
вуют в процессе деформирования и разрушения среды. Поэтому очевидны
причины существенного расхождения между фактически реализуемым напряжен-
но-деформированным состоянием среды и рассчитываемым только на основа-
нии параметров фронта волн напряжений, о чем говорилось выше. В связи с
этим очевидно, что количественное определение параметров дллнпопериод-
ных волн в реальных средах позволяет дать интегральную опенку полезной
работы газообразных продуктов детонации заряда ВВ в процессе деформиро-
вания, разрушения и перемещения среды под действием взрыва.
По данным А.Н.Ханукаева /57/, полная начальная энергия ударной вол-
ны составляет 60-80% потенциальной энергии заряда. Считается при этом,
что остающиеся в газообразных продуктах детонации 20 - 40% потенциальной
энергии заряда ВВ расходуются в основном на перемещение разрушенного
ударной волной и волнами напряжений массива грунта (в крепких породах -
раздробленных отдельностей, а в мягких грунтах - определенного объема
грунта над зарядом с образованием воронок выброса при взрыве вблизи сво-
бодной поверхности).
Однако приведенные выше экспериментальные данные о наличии вблизи
взрыва двух типов кинематического движения, и в частностп длиннопериод-
ных волн, отождествляемых с квазистатическим давлением на грунт взрывных
газов, свидетельствуют о том, что энергия продуктов детонации в процес-
се их расширения расходуется не только на перемещение разрушенного грун-
та (отброс или выброс),но и на сам процесс деформирования и разрушения.
Иными словами, деформирование естественных грунтов происходит не только
под действием фронта максимума волны напряжений, но в значительной мере
зависит и от режима расширения газовой полости или изменения силового
параметра за Фронтом максимума волны напряжений. Например, по данным
В.Н.Мосинца /3§7, участие газообразных продуктов детонации в процессе
разрушения крепких горных пород составляет 5 - 20%. С уменьшением акус-
тической жесткости средн оно значительно увеличивается. Так, при
взрыве заряда ВВ в мягких грунтах получено соотношение между объемными
относ'/тельными деформациями массива грунта, окружающего'взрывные выемки,
116
которые реализуются на фронте максимальных напряжений, и остаточными
деформациями, измеренными в тех же эонах //^каротажем (рис.77). Видно,
что с увеличением общей пористости грунта снижается долевой прирост де-
формаций, реализуемых на фронте максимума волн напряжений, и увеличи-
вается роль деформаций, связанных с вязким течением за фронтом максиму-
ма, которое кинематически описывается параметрами длиннопериодннх волн.
Рис.77. Зависимости объемной отно-
сительной деформации от расстояния
к взрыву, определенные по замеру
остаточной плотности (1,2) и рас-
считанные по параметрам волн напря-
жений (3,4):
1,3 - суглинок естественной
влажности; 2,4 - супесь водонасы-
щеиная.
В грунтах со значительной свободной пористостью объемное деформи-
рование при взрыве связывается с частичным или полным закрытием дор,
занятых газом. Реализация такого механизма деформирования возможна даже
при наличии только первого типа кинематического движения, т.е. движения,
обусловленного фронтом максимума волн напряжений. В водонасышенннх грун-
тах, в которых свободная пористость отсутствует либо развита незначитель-
но, реально достигаемое на практике деформирование с наличием эон оста-
точного приращения плотности возможно частично вследствие полного закры-
тия пор, но главным образом в результате сокращения обшей пористости
грунта. Такой механизм связан с реализацией отжатия определенного объе-
ма воды в процессе взрывного деформирования. При учете действия в грун-
те только фронта вола напряжений этот эффект невозможен в связи с крат-
ковременностью процесса деформирования на фронте (	* 1-2 мсек при
Хо>1 и при использовании большинства ВВ).
Наличие же длиннопериодного движения за фронтом максимума волн
напряжений допускает динамическую фильтрацию воды в высокопористых во-
донасыщенных грунтах.
4.	Движение двухкомпонентной среды за фронтом
ударной волны
Рассмотрим движение двухкомпонентной среды жидкость - твердые час-
тицы, возмущенной прошедшей ударной волной. Если пользоваться определе-
нием среды, данным А.Фортье /567, то рассматривается движение суспензии
и аламов. По те[минологии механики грунтов рассматриваемая среда вкло-
117
чает водонаснщеняне грунты типа плывунов, минеральные вноокопористне
водонасышенные грунты, когда каждая минеральная частица окружена водной
средой. Цель задачи - исследование возможности и параметра отжатия воды
в процессе взрывного деформирования.
Начальные значения параметров задаются известными соотношениями
на фронте ударной волны /33/. При этом движение фронта волны принято
одномерным (плоский фронт). Одномерным с определенными допущениями дви-
жением может быть принято распространение ударной волны, вызванной взры-
вом удлиненных горизонтальных зарядов, используемых при проходке тран-
шей и каналов в обводненных и водонасыщенных минеральных грунтах.
Из условия сохранения массы и количества движения на фронте удар-
ной волны имеем
_/>/ тв (D-tij) • /2т(П - us);	(Ш.38)
рт - Рвта=/гтв(В-к,,){а-1в),	(Ш.39)
где J*?,	- плотность жидкости соответственно перед фронтом и на фрон-
те ударной волны; D - скорость распространения у”прного импульса;
т0 , т - соответственно объемные содержания жидкости в двухкомпонентной
среде, численно равные просветности среды /567, перед фронтом и на фрон-
те ударной волны; и0 - скорость жидкости перед фронтом волны; л - спо-
рость, приобретенная жидкостью при прохождении фронта волны; ив - про-
екция скорости а на направление распространения ударного импульса;
рв , р - давление соответственно перед фронтом и на фронте ударной вол-
ны.
При выводе соотношений (Ш.Э8) и (Ш.39) на фронте ударной волны пред-
полагалось, согласно принятой структуре среды, что ударный импульс рас-
пространяется в жидкости, вызывая ее возмущенное движение, которое затем
передается твердому компоненту. Указанный механизм передачи движения
ударной волной двухкомпонентной среде рассматриваемого типа определяется
тем фактом, что, например, в сильно обводненных песках скорость распро-
странения ударной волны в среде практически совпадает со споростью ее
распространения в воде.
Следуя Г.М.Ляхову /33/, будем считать среду баротропной и уравнение
состояния компонентов определять соотношением типа
PtzP(fj),	(Ш.40)
гдеу^- плотность компонента.
Замыкание системы соотношений на фронте ударной волны выполним,
считая скорость распространения волны В известной величиной. Действи-
тельно, в зависимости от расстояния до источника характер изменения ско-
рости распространения ударных волн всех трех типов - цилиндрической,
сферической и плоской - хорошо известен по экспериментальным данным во
многих видах многокомпонентных сред.
При прохождении ударной волны весовые соотношения между твердым и
жидким компонентами не изменяются в какой-либо выделенной массе среды.
Однако в результате различных изменений плотности жидкого и твердого
компонентов под воздействием давления объемные соотношения в единице
массы на фронте волны суспензии будут отличаться от соотношений в невоэ-
мущенной среде. Если твердый компонент представлен кварцевым песком, то
118
его сжимаемостью можно пренебречь, как малой по сравнению со сжимае-
мостью жидкости /337. и считать, что • const. в этом случае соот-
ношение между т и wбудет определяться следующим образом.
Пусть в невозмущенном состоянии двухкомпонентная среда массы М
имела по объему <2* и соответственно жидкого и твердого компонентов.
В результате изменения плотности среды в это£ же массе М жидкий ком-
понент стал занимать объем , равный . В таком случае и масса
М изменилась в объеме на величину <£? (f - Если масса /У в невозму-
щенном состоянии занимала объем, равный единице, то 2.^ = гп0 и
а после сжатия объема этой массы уже станет 7-«^^7 - откуда
т*	,------.		(Ш.41)

Уравнение состояния (Ш.40) может быть либо задано формулой (I.4I), при-
веденной в , либо принято в виде хорошо известной из эксперимента
функций давления на фронте ударной волны р- где - расстояние
от источника.
Движение сплошных сред, и в частности двухкомпонентной среды за
фронтом ударной волны, как известно /49/, можно исследовать с двух то-
чек зрения: рассматривать поведение параметров движения в различных точ-
ках пространства и времени во всем выделенном для исследования потоке
с использованием координат Эйлера; исследовать изменение параметров дви-
жения среды по пути прохождения выделенной фиксированной массы одного
из компонентов (координатная система Лагранжа).
Дифференциальные уравнения движения двухкомпонентной среды в коор-
динатах Эйлера в обшем случае могут быть записаны в виде
з J
[Л	) >i] = О-
£V>7 (v] ~F[у>г7п (з-т)] *
+ £ Tx^Pji * Pfi	si “t “	(1 ~si I'i*];
★ y )1= f[j>2m“	('-^]+
+ ?Л~{[р2'“* *Pu * (4) ~J>2«i	+ £2)-
-	-jr[(*2 s; M (1-sjgL] J ,
(Ш.42)
цде и , 7 , ui ,	(i = 1,2,3) - скорость движения соответственно жид-
кого и твердого компонентов и их составляющих на координатных осях лу,
х2' х3 '	~ суммарный вектор объемных сил;	просветность
среды в г-м направлении; <fг ,	, 7^ , £ ,	внутренняя энергия,
температура и теплоемкость соответственно твердого и жидкого компонен-
тов; А - механический эквивалент теплоты.
Первое из приведенных уравнений (Ш.42) выражает условие непрерывнос-
ти потока, второе является условием сохранения количества движения систе-
мы, третьим уравнением устанавливается баланс между внутренней и подво-
димой извне энергией.
119
Представленные дифференциальные уравнения описывает оамый общий
случай движения двухкомпонентной Среди о учетом тепло- и массообмеиа
между твердым и жидким компонентами, чем в сущности при движении дан-
ной среды можно пренебречь. Без учета этих переходов первое ив уравне-
ний (Ш.42) распадается на два уравнения, описывающие движение каждого
компонента. Кроме того, исходя из принятой структуры среды можно счи-
тать, что в любом сечении потока частицы не касаются друг друга, и поэ-
тому положить Р] р\ • Объелмне силы представлены в потоке силами тя-
жести. Вели координатная система выбрана таким образом, что совпада-
ет с направлением распространения волны (и с начальной скоростью движе-
ния возмущенной средн), а 0х2 перпендикулярна к ней и лежит в горизон-
тальной плоскости, то	F^O, Fj = у cis f. При этих предположе-
ниях дифференциальные уравнения движения среды будут иметь вид
М 27	(.j>2mut> ) = О ;
jfK’-гЩ]*	0;	(ШЛЗ)
{£ (rnj>2u')-mj>2g - J[m(p-j>2u}]] .
Обозначим правую чаоть третьего уравнения (Ш.43) через X , кото-
рым, таким образом, будет определяться силовое взаимодействие между
ердым и жидким компонентами, и перепишем ету систему:
-fa {rnp2u)^i^. (,т/>2^и)--7+т/>2д+Е£-.(™Р);
Следуя /50/, примем
7=	(tt~7}^2(a-r)t(roFtt-r^7)Jt	(Ш.45)
где Хп- коэффициент, аналогичный коэффициенту проникания в теории фильт-
рации /32/.
Первый член (Ш.45) выражает взаимодействие жидкого и твердого ком-
понентов в направлении движения потока; вторым членом этой формулы учи-
тывается подъемная сила, перпендикулярная к направлению скорости движе-
ния жидкости. Этими двумя силами обусловлены взвешивание и перенос твер-
дого компонента жидкостью. Если поток одномерный с одинаковой скоростью
движения по сечению, то подъемная сила, воздействующая на твердый компо-
нент, отсутствует.
Если пренебречь врапением частиц, то го<7= 0.
Рассмотрим плоский случай перемещения жидкости в среде, возмущен-
ной прошедшей ударной волной, с равномерным распределением скорости дви-
жения по сечению потока. Такой случай движения соответствует некоторым
случаям реального движения среды, таким, например, как движение среды
в однородном слое большой юшности при наличии подстилающего более жест-
кого, чем рассматриваемая среда, слоя. В этом случае уравнения движения
(Ш.44) с учетом (Ш.45) представляются в виде
ICO
--pft---*
3Cp/(l-m)]	„
я— *-------Ti---’ °;
. Zj~<.
(Ш.46)
где У - угол наклона движения к горизонту.
Переходя я системе координат Лагранжа, рассмотрим движение некото-
рой массы жидкости, получившей в сечении л -яв начальную спорость ин,
определяемую из соотношений на фронте волны. В этом случав будем иметь
z /г ’
аТЛ*?; _ 3(ргт) . о(РгМ) .
, di	71	7х <	(д J
АСр/О-т)] ЗГр((-т)]	„ ЗГр/(1-т)]	kuu
— —ТТ— + * '	гЛ---->
dfpj /як] пк) , 31/2 (кт)]
~~ЗП----’---71--- * * — Дё----- ’
tCf/d-m)’'] iCj>i()-n)r]
”	77	ix
Определяя из (Ш.47) частные производные по времени и подставляя
их значения в (Ш.46), получаем
—т?-----
dlfjU-mJL _ [j)t (1.n)Jx (к-у)^р, (1-т) Vx - О;
=-т]г2ипЧ-(1-т)^г (и-г)-т^р-трЛ; 
dI/’^’l/'{m-),] ~(K-v)[p, (('m)v]x (f-mjKj. r *
= 1-rt)qpfSin <f + (1-ТП] £(и-()'^П-!!-п)2г .
Здесь индексом st обозначены частные производные по я .
(Ш.40)
Будем в
дальнейшем считать твердую фазу несжимаемой, т.е. у>г  etnrt.
---7Т-~ =Bi
-----t-dt-v)/ns * ()-т)уЛ - 0 ;
d(^f"c!	sin	(и-^-тяр-трЛ-,
f) d^,gr^,V— </>/ (я-г)гтх - J1/ (Г-т)(и-//)кх^/>г(1-т)г^ -
Из первого уравнения (Ш.49) следует
/2т • const или	'т„ ж Л,
где и n/ff- значения величин на фронте волны.
Запишем гх из второго уравнения (Ш.49)
Тогда будем
(Ш.49)
(Ш.50)
(Ш.51)
и подставим его значение в другие уравнения (Ш.49)
A ^-’-Agsin	(и-г)-гяхр-трЛ ;
+п)р (и'Г)г=-Сг-т)ряп
1 -т /и
^1 Ал
Р) 1	Л
121
Аналогично решению в характеристиках /40/ приравняем отношения
коэффициентов при частних производных уравнения (Ш.52)
____'	=_________---------------------------------(Ш.53)
(У-г/-^ >~т (1~т)% - (U-»)	Ч- (и~'>
Из первого равенства (Ш.53) получим
^(u-v)2^-Р- .	(Ш.54)
Система уравнений (Ш.49) незамкнутая. Замыкающим здесь, как и выше,
является уравнение состояния жидкости р=р(рг у . Так хак за фронтом
волны давление быстро падает до нулевого значения, то, считая средние
его значения небольшим, используем в качестве функции состояния обрат-
нолинейную зависимость р от p^fiXiJ’. ,
’	(Ш.55)
или о учетом (Ш.50)	t
„2 о, "’Рг . .
р-р^Р^р’ (1-—) = С- Вт;	(Ш.55а)
рх=~Втх ,	(Ш.56)
где	в =	
2 dn
_ 2т p^u-v) di
(Ш.57)
Из (Ш.54) и (Ш.51) имеем
' в ’
~2W	/Ъ= СС1:„Иг^ (>i_v)2
ю _  ,	^^tt^___________
х ~ (в * р^2)2[(8+р1!2-СхВ'рг12)-2Лс1 ’
где i=u-V;
Подставив рт нз.СШ.56) и г».из (Ш.57) в уравнения (Ш.52), получим:
_________________________ 1pfC2{JT______________
ri ,	(в+р^2}2	(a <T>7 ?)t[( 8 *P1 ^-СЦВ-р, f2) -2Pi Cl
Мг+в-с .fit p,t2*a-c
- P,^ + B-C 1st” V T^T p,12 2 8 p, (й*е
2 ВС I ______________fiPiC2ff______________ .
Pft2+B I (8 <-p, t2)[(.B*p1522C)(B-'-plt2)-2p1Cl
pt fifte-c ./ га )__________________ _____________________
Pit2 В (1 /(B^pfl^pf-OiB^p^2) - 2pfc]
(Ш.58)
4^*
п-тт
Разделив обе части первого уравнения (Ш.52) на постоянную А и вто-
рого уравнения на 1-т и вычтя из первого уравнения второе, получим
Из второго уравнения (Ш.57) можно определить
dm _	2 Ср, f /
’ (Pjt2 * в'7
После подстановки всех величин из (Ш.57) и (Ш.60) уравнение (Ш.59)
будет иметь ввд
f (P/t f B-C , I) __________________2_cp? t t____________
I B(pf f2 2 g) pj (pi'tl2fj(p^22 в -C)
(Ш.60)
122
_ Llsrf2 {stf2+B-e и - в) 1 Г it;,, fj ]
1/>г^^в-с\^^^в) ft) ^2rg-c /7 (fr^+e)21
I	Mf, t_____; DC Г 2CffH 1 2Cf,f____________ (Ш.61)
(/> f 2* B)(f, f B-C)^2 (f,f2't)B ll (f, f*8)2 J (j>, ^BKj>;&8^2Cfie '
Умнохим ode части уравнения (Ш.61) на f и выполним подстановку
В=р-	(Ш.61а)
Из (Ш.61а) получим	.
2W?l
e^f(7~8).
После подстановки в уравнение (Ш.61) находим
1 + C(i-B) __ 2C2(?-B)2(q£ - ?)	1 .	/ / ?-Г р ).
Интегрирование уравнения (Ш.62) выполняется в конечном виде
f dy С [ (1-8) ж?________г с2 ? (7-t)2(J-?)ify	л
’г I £?~с	Zz \ ^[(^0)Г2ве](£?-сГ~8Й * (ш-63)
(Ш.62)
После интегрирования получаем выражение
> Ц-с в вz_c >„?-е . с-не вв ( 1
^Е1Л НЕ-Е ~jfTlnH J>fe(f-1)ln~tr=r Cj>i(1-E) 2ft \~p-
И/ П	HE'C	К fl
I Dr - BS)BD	rD2 - SB2
D-B ’ B = D-й '
4- C + —A
D-?1
* Г —£— 4-
ВГ D-?f
(7t-B)2(D-?/)
8-?J)____
?3 ( ?3 ~ ?,)(?J - 72)
~C?	'
+23C;
где принято
а *
8 - ?г
д'
8- 1 г
2С2
Г)
DE - С '
+ е	а = BJ
BE -С ’	* ~ J}
. у. ^2-В)2(8-^)
’ll ( 7; - ?гЯ^" С )
28 2
Ъ‘-т
(Ш.64)
2С2
28С ;
2


В
* 8 .
Отметим, что нижний предел интегрирования в (Ш.63) выбран из началь-
ного условия 0; f Как следует из соотношений на фронте волны,
начальные параметры (скорость нй , давление f и концентрация да) овяйа-
ны со скоростью распространения фронта волны D , которая представлена
зависимостью от пути прохождения, соответствующему начальной координате
лн зафронтального движения среды. Таким образом, путь прохождения удер-
123
ной волны через начальное условие входит в решение (Ш.64) как параметру
и, следовательно, его можно представить в вице f - f (.t,	 Из уравне-
ния (Ш.64) следует, что определение в явном виде ? как функции от г'
возможно только в численном виде. Для определения скорости движения
жидкости выделенной массы после подстановки f = f(^, ?#) необходимо про-
интегрировать правую чаоть второго уравнения (Ш.58), в результате чего
получим зависимость и = и (. ) •
Из условия	, находим
(Ш.64а)
О
Из (Ш.64а) определяем время как функцию от координаты х :
i - (х, хн ) .	(Ш.646)
После подстановки зависимости (Ш.646) в	получим поле ско-
ростей движения жидкости во всей выделенной области возмущенной среды.
Представленное выше решение для одномерного движения является пол-
ным и позволяет определить ноле скоростей и давлений в любой выделенной
области пространства с учетом принятых ограничений. Однако при решении
задачи в такой постановке учитывается действие в массиве грунта лишь
фронта максимума взрывных волн, поскольку начальные параметры движения
вещества за фронтом волны связаны с экстремальными значениями силового
параметра. В действительности значительное влияние на характер и пара-
метры переноса оказывают также продукты детонации ВВ посредством пере-
мещапцейся во времени и пространстве границы раздела газы - среда.
Оценим в первом приближении эффект переноса жидкостью твердого ком-
понента при взрыве в двухкомпонентной среде. Для этого наложим на одно-
мерный поток ограничение, которым будет определяться путь переноса час-
тицы. В одномерном потоке при отсутствии подъемной силы таким ограниче-
(Ш.65)
нием можно принять условие
м ^т^т(и-у)’
которое означает, что движение частицы за потоком жидкости будет проис-
ходить до тех пор, пока вертикальная составляющая силы воздействия жид-
кости на частицу будет превышать вес частицы.
-	&Р
Для определения силового градиента и изменения скорости движе-
жидкости используем экспериментальные данные. По этим данным указан-
параметры можно аппроксимировать зависимостями вида
* / >t I ! ‘
иия
ные
(Ш.66)
величины и и [fa определяются из соотношений на фронте ударной
1Ле
волны в сечении, соответствующем началу разгона частицы; и - кон-
отанты, определяемые из эмпирических зависимостей для конкретных грунто-
вых условий.
Из соотношений (Ш.38), (Ш.39) и^Ш.41) при 0, «t ’ и имеем
и~~	(Ш.68)
„ - - W* .

(Ш.69)
124
Используем функцию состояния (Ш.55), откуда имеем
Тогда, используя (Ш.70) и (Щ.71),
р-.Лл^
др _ 2 Pg fa . дР
дл	дя
получаер
' 1-
В2 Г”о
(И.69а)
(Ш.70)
(Ш.71)
(Ш.72)
(Ш.73)
Из формулы (Ш.72) следует, что скорость распространения звуковой
волны в среде выше, чем в воде, и равна Св/-/й^.что соответствует данным,
рассчитанным по акустической жесткости шлама L&J.
Функцию Аг; можно представить экспоненциальной зависимостью типа
В ~ В0 t	при л - Чц,	(Ш.74)
J> = ct	при /	.
где Ев- скорость распространения упругого возмущения в воде; - радиус
эоны остаточных деформаций.
Очевидно, со скоростью Co/tfnQвозмущение начинает распространяться
за пределами эоны остаточных деформаций.
Из условия е	, находим
(ШЛ5)
/7	t'ff
Используя зависимость (Ш.74), находим
ip _ _ гс! /г f , 2fJ
дх ' V л*
В начальном сечении	. е
Записи силового воздействия (изменение остатического напора и ско-
рости по измерению скоростного напора жидкой фазы) показывают, что ха-
рактерное время процесса В остается примерно постоянным в различных
точках по направлению движения среды и можно полагать, что = 
Преобразуем формулу (Ш.68), определяющую начальную скорость движе-
ния жидкости, используя (Ш.69), (Ш.70), (Ш.74)
Учитывая, что в начальном сечении = 0, формулу (Ш.77) перепи-
шем в виде	£ г
<м>
Для определения параметров переноса твердого компонента рассмотрим
динамику движения частицы в одномерном потоке с заданными зависимостями
скорости и силового градиента по времени, выраженными формулами (EI.66)
и (Ш.67). Одиночная частица плотности у>7 в этом случае подвержена воз-
действию следующих сил: силы тяжести, за вычетом выталкивающей силы Ар-
IZ5
химеда; в единице объема эта сила будет равна	; силы, воздей-
ствующей на частицу со стороны жидкости и равной £ (u-v) ; аилы, опре-
деляемой перепадом давления	"
В этом случае дифференциальное уравнение движения частицы будет
=	•	(Ш.79)
Решение этого линейного уравнения имеет вид
<м°>
Приняв во внимание, что при i = 0 v - 0, найдем значение нонетан-
ты интегрирования
После подстановки значений , а такие и и из (Ш.76) и (Ш.78)
Время переноса частицы определим из условия (Ш.65)
9t (ft		(Ш.83)
После подстановки г из (Ш.80) это условие будет иметь вид
Выполним числовую оценку входящих в формулы (Ш.82) и (Ш.84) вели-
чин при следующих данных: Со = I.4-I05 см/сек;р = I.308-I0”2 г-сектой”
8 = 0,02 сек; ¥= 30°; т0= 0,5; Кя = 350 см.
Начальную скорость ударной волны Do вычислим из предположения,
что фронтальное движение жидкости начинается в сечении, соответствующем
установившейся границы полости, где экспериментально зафиксированы дав-
ления порядка р0 = 100 кГ/см2.
В этом случае DB определится |з формулы (Ш.72):
^/ =	? । '
При д = I00-9BQ-IO3 ° I02 кГ/см2
5 <’•*  ’о™ _ 	„ ,	,
’• Т7Г '	4 •г ’ >в м/с**-
Для частиц шарообразной формы kn=jr радиус вара г принимает-
он равным 0,25 ш, кя£- 0.0252 = 1,39‘Ю”4 см2.
Далее имеем ®	,
г -	/>/=	Л'М
y-^KM W^cHietn z'’;	»/,Л? ,
126
C}=-(i,oo- иГг-2,29 ios* о, 9о ю *)(1, 322-i,32*i)* no i,oo ю'гo,o t,о;
C} =-0,91 • io* см/сек.
Введем обозначение г = i - ~ 
Условие (Ш.84) дает уравнение для определения безразмерного
времени движения частицы:	z f
W*2,29 ю5(зг-1,зго*1,з22) =	\ '*!г	Т?? .
?г-з, Обе *s,sg=i,g .
Решая это трансцендентное уравнение, получаем Q= 0,8;
= d-Tt )0~ 0,009 сек.
Вычисляя по формуле (Ш.82) начальную скорость движения частицы,
получаем
Vе =! *0,630-10*(0,69-1,32 0,0 * /, Л? 5 -0,97 0,91 -10* 1,03 =700 СМ /сек .
Путь пробега частицы
тк	тк Z-T
s=-e^Pj-u‘)\ (г*-<1Т*<(г)4т-е38{е*с(т,	(Ш.85)
Л 4.
^-^Г-=1,32.
Выполним интегрирования уравнения (Ш.85)
Численная подстановка дает решение
У= 8-0,04 + 0,02-0,638-104 (-J-0,83 - 0,66-0,в2 + 2,74-0,8) -
- 1,32-0,91-Ю4-О,02-0,47 (I - 1,83) = 218 см.
5. Экспериментальные исследования взрывных волн
в водонасыщенных грунтах^
Наиболее характерными типами водонасыщенных грунтов, которые в
большинстве случаев вовлекаются в сферу практической инженерной деятель-
ности при использовании взрыва, являются глинистые, минеральные высоко-
пористые грунты (пески и супеси) и органо-минеральные (торфы).
Основные систематические сведения о распространении взрывных волн
в водонасыщенных песках с разным содержанием воздуха получены Г,М.Ляхо-
вым /ЗЗ/, поэтому дальнейшее изложение материала применительно к пескам
основано на этих данных. Параметры взрывных волн в водонасыщенных супе-
сях и органоминеральных грунтах с различным содержанием воздуха для за-
рядов ВВ разной симметрии получены авторами настоящей работы в 1970-
1973 гг.
Рассмотрим некоторые результаты экспериментальных исследований взрыв-
ных волн, проведенных в песчаных водонасыщенных грунтах, В опытах при-
менялись сосредоточенные заряды из прессованного тротила. Полученные
1 Настоящий параграф написан при участии Л.А.Задерий.
127
осциллограиш свидетельствует о том, что профили взрывных волн весьма
существенно зависят от степени заполнения свободных пор грунта водой.
При полном или почти полном заполнении — О ), взрывная волна во
всех случаях и на всех расстояниях, т.е. при любых значениях <з , яв-
ляется ударной. При подходе фронта волны давление скачком, возрастает
до конечной величины в , а затем убывает по закону, близкому к
экспоненциальному.
Для такого состояния грунта в случае взрывания в нем сосредоточен-
ных зарядов угасание интенсивности волны с расстоянием должно связывать-
ся лилгь с геометрическим расхождением без потерь энергии на фронте:
3	(Ш.86)
где - относительное расстояние, Rt= я/Vl~ 
Диаграмма динамического сжатия в этом случае соответствует диаграм-
ме идеальной несжимаемой жидкости и расчет ее возюжен, если исходить
из условия совместности на фронте волны.
При увеличении содержания в грунте пор, свободных от воды, т.е. с
увеличением содержания воздуха, эпюра взрывной волны приобретает прин-
ципиально иной характер. Если на близких к заряду относительных расстоя-
ниях она еще носит ударный характер, то по мере увеличения расстояний
происходит размыв фронта волны, т.е. имеет место распространение условно
двух возмущений - упругого фронта и фронта максимальных напряжений с
конечным, характерным для заряда определенной симметрии и веса, значени-
ем времени нарастания напряжений до Gm. Время нарастания напряжений до
максимума увеличивается с расстоянием, увеличивается и общее время дей-
ствия волны в фазе сжатия и разгрузки. При таком режиме деформирования
происходит затухание интенсивности волны с расстоянием в результате как
геометрического расхождения, так и потерь энергии на фронте вследствие
пластического деформирования. Поэтому показатель степени в уравнении
(Ш.86) становится отличным от -I и характеризуется данными, приведенными
в табл.17. Формула (Ш.66) записывается в общем виде следующим образом:
а"-
о д
Таблица 17
Значения коэффициентов ks и yiG
Грунт		J*S
Водонасыщенный при <^= 0	600	1,05
5-Ю"4	450	1,50
= 10“2	250	2
al,= 4-I0-2	45	2,5
Неводонасышенный при		
= (8+10)-Ю"2	7,5	3,0
Р.Коул /217 представляет зависимость давления от относительного
расстояния, полученную для взрывов сферических зарядов разной мощности
т тч
в воде, в виде р = 533	Если сравнить показатель степени в фор-
муле Р.Коула и полученный при аппроксимации экспериментальных данных
параметров волн в песках с 0, мэжно констатировать, что они близки
КЗ
мевду собой. Это также свидетельствует о принципиальном подобии про-
цессов в этих средах, т.е. о том, что грунт такого типа подобен идеаль-
ной жидкости. Одвако даже при небольшом содержании воздуха в обводнен-
ном грунте свойства его как среды значительно отличаются от свойств
вдеальной жидкости. Поскольку именно подобное состояние грунтов имеет
место при реализации многочисленных технологических задач, изучение
закономерностей динамического деформирования таких грунтов представля-
ет большой практический интерес.
Обратимся к экспериментальным параметрам сферических взрывных во_дн
в водонасыщенных песках. На рис.ТВ,а приведено изменение скорости рас-
пространения фронта взрывной волны D с расстоянием (скорость фронта
ударных взрывных волн совпадает со скоростью фронта максимальных напря-
жений). Видно, что величина D убывает с расстоянием по степенному зако-
ну, причем абсолютные значения скоростей на сходных относительных рас-
стояниях увеличиваются о ростом степени водонасышенности грунта. Для пес-
ка о конкретной свободной пористостью и для водонасыщенного песка с оп-
ределенных относительных расстояний скорости стабилизируются и приобре-
тают вполне конкретные постоянные значения. Так, например, для песка о
0 скорость фронта взрывной волны практически соответствует скорости
упругой волны в воде (1500 ц/сек). В песках, обладающих конечным значе-
нием свободной пористости, скорость распространения фронта меньше. Учас-
ток непостоянных значений В для практически водонасыщенных песков ох-
ватывает относительно небольшой интервал расстояний, тогда как стабили-
зация скорости имеет место при довольно значительных силовых параметрах
на фронте волны ( t 300-350 кГ/см^).
Рис.78. Скорость фронта (а) и максимальное давление (б)
в водонасыщенных грунтах с^раэн^м содержанием воздуха:
взрывной волны
Угасание интенсивности сферических взрывных волн с расстоянием в
песках различной влажности приведено на рис.ТВ,б. Очевидно, что напряже-
129
ние на фронте сферической взрывной волны также существенно зависит от
величины свободной пористости. Силовой параметр волн напряжений отли-
чается при изменении величины от нуля до 4% в 50-70 раз на одинако-
вых относительных расстояниях. Закон затухания в общем виде характери-
зуется функцией (Ш.87) со значениями и , приведенными в табл.17.
Затухание взрывных волн с расстоянием в водонасыщенных песках ме-
нее интенсивное, чем в песках, обладающих свободной пористостью. Это
свидетельствует о том, что затраты энергии волн на деформирование мас-
сива в первом случае гораздо меньше. Указанный факт иэжно объяснить,
если считать, что деформации на фронте ударной волны обратимы, как это
описывалось выше. При прохождении по рассматриваемому грунту фронт удар-
ной волны затрачивает энергию на упругое деформирование цементационных
связей, водных пленок, отдельных выступов минеральных зерен и т.д. Де-
формации, связанные со смешением зерен друг относительно друга, с их
переупаковкой на фронте ударной волны не происходят, так как для их осу-
ществления требуется, возможно, и небольшой, но конечный промежуток
времени. Учитывая, что связность водонасыщенных песков, представляющих
собой грунтовую массу, меньше, чем масса грунтов, обладающих развитой
свободной пористостью, при деформировании первых должно реализоваться
меньшее количество энергии на фронте волны в каждой точке массива, а это
обусловливает менее значительное затухание волн с расстоянием. В преде-
ле, при взрыве в полностью водонасышенном грунте для случая сферической
симметрии закон затухания имеет вид (Ш.86), т.е. грунт деформируется
подобно идеальной жидкости при наличии угасания только в результате гео-
метрического расхождения фронта.
Экспериментальные диаграммы динамического сжатия грунтов, обладаю-
щих различной свободной пористостью, при сферической форме источника
имеют ввд, приведенный на рис.79.
В соответствии со сказанным выше отмечаем, что относительные объем-
ные деформации в общем виде уменьшаются с повышением водонасышенности
грунта. При этом существенное влияние на величину относительных объем-
ных деформаций оказывает и тип грунта. Поэтому диаграммы динамического
сжатия глин, лессов, суглинков и песков отличаются между' собой даже при
одинаковой степени водонасыщения, что свидетельствует о наличии в конк-
ретном теле вполне определенных потенциальных возможностей развития де-
формаций.
Различие в динамических и статических кривых сжатия свидетельству-
ют, кроме того, о том, что деформации грунтов определяются не только
абсолютной величиной прилагаемой нагрузки, но и скоростью ее приложения,
т.е. состояние среды соответствует закону
J=(e,s,s,i ) = О.	(Ш.88)
Поэтому грунты следует рассматривать в общем виде как вязко-пластические
среды, что соответствует приведенным выше соображениям об общем характе-
ре деформирования различных материалов.
Динамические и статические диаграммы сжатия полностью водонасыщен-
ных грунтов практически совпадают, что характеризует их как идеально
упругие. Однако следует иметь в виду, что в практике при проведении тех-
130
дологических взрывов исследователи имеют дело с реальными грунтами, сте-
пень насыщения которых влагой лишь иногда соответствует предельному сос-
тоянию. В большинстве же случаев такие грунты находятся на разной ста-
дии околопредельного водонасыщенного состояния, поэтому в зависимости
от количества свободной пористости они в различной мере проявляют плас-
тические свойства. Так, по данным Г.М.Ляхова /33/, в периодически осу-
шающихся и вновь насыщаемых водой песчаных грунтах d^- 0,02+0,05. Это
состояние характерно для реальных условий проведения технологических
взрывов в поймах рек, во вскрышных породах месторождений полезных иско-
паемых при вовлечении пород вскрыши в гидрологический режим находя-
щихся поблизости естественных рек и водоемов и т.д. Приведенные выше
графические зависимости свидетельствуют о том, что грунт с такими пара-
метрами не может рассматриваться как идеально упругая среда, а поэтому
к нему применимы в разной степени критерии, характерные для упруго-вяз-
ко-пластического тела. Подобный подход еще более правомочен, если иметь
в виду, реальные грунты, а не пески в чистом виде.
Рис.80. Зависимость измене-
ния напряжений на фронте
взрывных волн с разным содер-
жанием воздуха:	9
I - г.Б.ТВгг- 2 - 3.7-107*;
3 - 1,2-10-1; 4 _ 1,46-10-1.
Рис.79. Кривые динамического и
статического (номер со звездоч-
кой) сжатия грунтов:
1,2,7 - водонасыщенные песча-
ные грунты d. равна 0,1; 0,035
и 0 соответственно; 3 - неводо-
насыщенпнй песчаный грунт
( *» = 8+10%); 4 - неводонасы-
щейный суглинок ( W, = 9+12%);
5 - неводонасышенный песчаный
грунт ( h/f =3+6%); 6 - лесс
( N, = 12+15%); 8 - нодонасыщен-
нни глинистый грунт ( d, =0,015);
3я, 5я, 6* - песок = 8+10%);
суглинок (	= 9+12%); лесс
(	= 12+15%).
Экспериментальные исследования,
проведенные авторами в водонасыщен-
ных супесях и торфах, включали комплекс измерений оиловых, временных ж
кинематических параметров взрывных волн в массиве на различных расотоя-
аиях от источника взрыва. Взрывные волны изучались при помощи специаль-
ной полевой импульсной измерительной аппаратуры, включапвей датчики дав-
ления тензометрического типа, усилители, датчики скорости а фронте вол-
231
ны и шлейфные осциллографы Н-700. Широкий круг прикладных технологичес-
ких задач, связанных с применением в водонасыщенных грунтах зарядов
разных конструкций и симметрии, определил необходимость проведения ис-
следований параметров взрывных волн, генерируемых взрывом сферических
и цилиндрических горизонтальных и вертикальных зарядов при их различ-
ном положении относительно уровня свободной поверхности. Водонасыщенная
супесь характеризовалась коэффициентом пористости ^*0,7, коэффициен-
том водонасыщенности /^=0,97, объемной влажностью = 39+41%, плот-
ностью 1.92 г/см.
Гранулометрический состав грунта следующий: частицы размером 0,5 -
0,25 мм составляли 46,5%, 0,25 - 0,05 мм - 21,32%; 0,05-0,01 мм - 23,7%;
0,01-0,005 мм - 4,5%; менее 0,005 мм - 3,9%.
Экспериментальные исследования проводились при четырех значениях
содержания воздуха равных соответственно 2,5-10-^; 3,7-10-^;
1,2-Ю-^; 1,45»Ю“1. Сферические заряды тротила имели вес 0,2; I; 2 кг
при разной относительной глубине Нд их залоиения от уровня дневной по-
верхности:	#
'	(Ш.09)
Датчики устанавливались в грунт на расчетных удалениях от взрыва
в специально пробуренные скважины диаметром 45 мм на глубину заложения
заряда, после чего скважины послойно засыпались вынутым ранее грунтом.
Разжиженный грунт в результате консолидации обеспечивал непрерывный
контакт массива и мембраны датчика. С целью гидроизоляции измерительно-
го и токопроводящего элементов корпус датчика заполнялся трансформатор-
ным маслом. Изменение напряжений с расстоянием от взрыва по радиальной
составляющей представлено на рис.00. Закон затухания интенсивности мак-
симальных значений напряжений на фронте взрывной волны по эксперимен-
тальным данным описывается уравнением общего вида Gm=kg. кда* . Числен-
ные значения коэффициента ks. и показателя степени для приведенных
выше значений содержания воздуха в грунте следующие: kj = 59,5;
Kg =40,9; кэ = 20,5; к4 = 23,6;	-3;	= -3,2;	= -3,9;
/t q = -4,4. Цифра в индексе соответствует номеру кривой на рис.00.
Видно, что с увеличением свободной пористости уменьшается коэф-
фициент ks и увеличивается показатель степени в формуле (Ш.07), т.е.
уменьшается величина максимальных напряжений на фронте взрывной волны,
действующей в данной точке массива. Разница в значениях бт более значи-
тельна на близких к центру взрыва расстояниях. Сравнение интенсивности
волн на одинаковых относительных расстояниях показывает, что в исследо-
ванных грунтах вт в несколько раз выше, чем в грунтах аналогичной плот-
ности при коэффициенте водояасыщения меньше 0,5.
На рис.01 приведены экспериментальные зависимости, характеризующие
время прихода в данную точку массива максимума напряжений взрывной вол-
ны. Следует отметить, что даже при максимальном значении коэффициента
водонасшцения, равном 0,97, взрывпые волны в исследуемом диапазоне рас-
стояний нс являются ударными, т.е. имеется отличие в координатах фрон-
та и нвксимумя напряжений.
J32
Координата максимума напряжений определяется зависимостью
<Ш-90)
Скорость распространения максимума напряжений получаем путем диф-
ференцирования по Л* выражения для . Характер изменения скорости
с расстоянием описывается уравнением
(Ш.91)
Численные значения коэффициентов л, , т,- и показателей степени %
и л,-; л/= 1,3;	2,2; а3= 1,9;	0,8;	= 1,4; Ь2= 1,3; Ь3= 1,83;
Ь3 = 1,5;	550;	= 350;	= 400;	834;	-0,4; п2- -0,3;
Лу= - 0,33;	-0,5. Цифра в индексе соответствует номеру кривой ш
рис.80.
Рис.81. Координата максимума на-	Рио.82. Зависимость изменения скороо-
пряжений взрывной волны с разным ти распространения максимума напря-
содержанием воздуха:	жений (1,3) и фронта взрывной вол-
1-4 - то же, что на рис.80. нн (2) умеренной интенсивности от
величины свободной пористости;
I - супесь; 2 - суглинок; 3 - песок.
Сравнение приведенных данных показывает, что значения torn и Лл
в значительной степени зависят от коэффициента водонасыцения грунта даже
на границе околопредельного одонасышения. При Ig= I /637 скорость име-
ет максимальное значение. По мере уменьшения Ц скорость резко падает
и при ^"достигает минимума. При дальнейшем уменьшении коэффициента во-
донасыщения От увеличивается и после достижения максимума ./Денова
уменьшается. Характер изменения Вточ содержания воздуха в грунте пока-
зан на рис.82.
Известно следующее соотношение между сжимаемостью среды и скоростью
D в водонасыщенном грунте fiAj'.
133
1
(Ш.92)
Таким образом, сжимаемость увеличивается^ уменьшением при постоян-
ных значениях остальных величин, входящих в формулу (Ш.92). Поэтому на
основании полученных экспериментальных данных сжимаемость исследованно-
го грунта при разных значениях свободной пористости «ij характеризуется
следующим образом.
При коэффициентах водонасышения, соответствующих изменению свобод-
ной пористости в интервале значений	сжимаемость супеси резко
увеличивается. При значении свободной пористости от «^до характер
сжимаемости определяется в большей степени не свободной пористостью, а
капиллярными силами, развивающимися при отсутствии в грунте жестких це-
ментационных связей.
При «^сжимающие силы менисков капиллярной влаги имеют максимальные
значения, поэтому на таком уровне водонасыщения характеристика сжимае-
мости имеет минимум. С влажности, отвечающей значению «Г в супеси раз-
виваются жесткие цементационные связи между частицами грунта, и ее сжи-
маемость уменьшается.
Для тяжелой супеси, содержащей большее число тонкодисперсных фрак- .
ций, следует ожидать сокращения области знакопеременных изменений и
сжимаемости с приближением к зависимости (2), описывающей суглинки, в ре-
зультате сокращения влияния капиллярной влажности. В легких супесях сжи-
маемость при значениях	в меньшей степени определяется жесткими
связями между частицами грунта, и характер изменения , а значит, и
сжимаемости, приближается к аналогичной зависимости для песка.
Экспериментальное изучение параметров взрывных волн цилиндрических
зарядов осуществлялось в тех же грунтовых условиях. Поскольку эксперимен-
тальный участок был расположен в пойме реки в непосредственной близости
от уреза воды, следует считать, что грунт находился в состоянии близком
к околопредельному водонасмгению, характерному для данного грунта в ес-
тественных условиях. Цилиндрические волны в грунте создавались взрывани-
ем вертикальных и горизонтальных зарядов ВВ. Параметры горизонтальных
цилиндрических зарядов тротила при длине каждого 5 м приведены ниже:
С„,кг	4,0	2,0	2,0	2,0	1,0	1,0	1,0	1,0
Н, к	0,80	0,93	0,56	0,45	0,20	0,35	0,55	0,70
Вертикальные цилиндрические заряды имели погодный вес 0,55;
1,0, 1,4 кг при длине 2 - 2,5 м. При регистрации взрывных
волн горизонтальных цилиндрических зарядов датчики устанавливались
на глубине заложения оси заряда относительно дневной поверхности и
вертикальных на глубине заложения центра симметрии заряда.
Осциллограммы записей напряжений в грунте качественно подобны тем,
которые фиксировались при взрыве сферических зарядов. В соответствии с
принятыми определениями даже при давлениях около 100 кГ/сн? волна не была
ударной, поскольку грунт имел свободную пористость. Во всех случаях наблю-
далось конкретное время нарастания напряжения в данной точке среды от
нуля до максимального значения, а затем спад его по экспериментальному
закону.
134
Рис.83. Зависимость времени прохо-
да взрывного возмущения в данную
точку от относительного расстояния
при различных относительных глуби-
нах заложения Н„:
I - 0,3; 2 -°0,21; 3 - 0,1;
4 - 0,7 - 0,8; 5 - 0,65.
Рис.84. Зависимость времени прихо-
да максимума напряжений от относи-
тельного расстояния.
На рис.83, 84 приведены зависимости времени прихода фронта волны t
и максимума напряжений torn в данную точку среды в безразмерных координа-
тах. Эти зависимости для •цилиндрических горизонтальных зарядов опреде-
ляются в значительной мере глубиной заложения заряда, поскольку такие
физические константы, как плотность и степень водонасыщенностн, у реаль-
ных грунтов естественного сложения с глубиной изменяются. Время прихода
максимума напряжений для горизонтальных зарядов (усредненное для разных
глубин заложения заряда ВВ) описывается выражением iOn) - Л Л*-1. Коор-
дината фронта волны, как это представлено на рис.83, зависит от глубины
заложения заряда, изменяясь в ис следу еьюм диапазоне глубин и относитель-
ных расстояний по линейному закону. Обобщенную зависимость	)
можно выразить функцией вида
b'i 	(Ш.93)
Значения коэффициентов а, и bi , определявших закон распространения фронта
взрывных возмущений, а также скоростей распространения возмущений, полу-
ченные дифференцированием зависимостей (Ш.93) пртедены в табл.18.
Таблица 18
Значения коэффициентов а- и b'
Приведенная глубина за- ложения	Численные величины коэффициентов		Скорость рас прост ранения возмущений, м/сев
	а.'. i	Г f	
0,20	1,57	- 0,17	1570
0,30	1,40	- 0,40	1400
0,40	1,26	- 0,39	1260
0,6b	1,26	- 0,92	1260
0,70	1,18	- 0,22	1180
0,80	1,22	- 0,47	1220
Ввиду того, что зависимость	носит линейный характер,
скорость распространения возмущений в охваченном експериментами диапазо-
не расстояний постоянна. Как видно из рис.83, время распространения воз-
мущений, изменяясь в исследованном диапазоне расстояний и глубин заложе-
ния заряда по линейному закону, в совокупности выполаживается, стремясь
к постоянной величине. Это дает возможность построить обобщенную зависи-
мость времени прихода возмущения в данную точку; приняв ее в виде сте-
пенной функции. На рис.83 это (страховая линия = 7, 7/
135
Дифференцирование этой вависимссти дает скорость распространения
максимальных возмущений в среде д^я горизонтальных цилиндрических заря-
дов, представленную на рис.85. Зависимость незначительно нелинейна, пе-
репад скоростей в исследованном диапазоне расстояний таков, что в пер-
вом приближении ее можно считать стремящейся к постоянной величине. На
более близких к заряду расстояниях скорость, по-видимому, будет возрас-
тать, как при ^*2 для сферических зарядов, однако эти области грунта
нами не исследовались.
Рис.66. Зависимость нормальных мак-
симальных напряжений от относитель-
ного расстояния.
От, м/сек
1100
1000
о

№
Рис.65. Зависимость скорости рас-
пространения максимума над ряжений
от относительного расстояния.
Изменение максимальных нормальных напряжений в грунте при взрыве
горизонтальных зарядов приведено на рис.66. Закон затухания в пределах
исследованных расстояний аппроксимируется зависимостью
G7”*	.	(Ш.94)
Показатель степени в (Ш.94) свидетельствует об отклонении от прин-
ципа сохранения импульса на фронте, поскольку при чисто геометрическом
расхождении цилиндрической ударной волны в идеальной среде функция
(Ш.94) имеет вид	т -Bts
S =	'	(Ш.94а)
Отличие закона затухания в данном случае объясняется как свойства-
ми самой средн (<1^ 0), так и специфическими особенностями действия
взрыва заряда вблизи свободной поверхности. Известно, что камуфлетность
действия заряда ВВ любой симметрии обеспечивается заданием определенной
глубины его заложения относительно свободной поверхности в функции мощ-
ности. Для сфертческих зарядов, например, условие камуфлетности выполня-
ется при
ЛгО.И^ГГ.	(щ>94б)
С уменьшением относительной глубины заложения заряда интенсивность вол-
ны напряжений в даннбй точке грунта будет уменьшаться.
Нами использовались цилиндрические горизонтальные заряды относи-
тельной глубины заложения, равной 0,2, 0,39; 0,4; 0,67; 0,7; 0,6b. Ха-
рактер затухания волны напряжений Зт для этих условий показан на рис.87,
на котором наглядно проявляется описанная особенность действия горизон-
тального цилиндрического заряда вблизи свободной поверхности. Здесь и
на последующих рисунках штриховая часть кривых - их вероятный ход.
136
Изменение максимальных напряжений на фронте взрывной волны с уве-
личением глубины заложения заряда приведена на рис.88. Таким образом,
с ростом относительного заглубления горизонтального цилиндрического за-
ряда в пределах 0,45+0,5 имеем незначительное увеличение силового
параметра взрывной волны, распространявшейся в грунте; в интервале
0,5 &	- 0,75 наблюдается интенсивный рост максимальных напряжений
на фронте волны; при /^*0,75+0,8 возвращаемся к прежней зависимости,
т.е. дальнейшее заглубление заряда сопровождается незначительным рос-
том напряжений и в пределе напряжения стремятся к какой-то конечной ве-
личине, характерной для данного типа и физических характеристик грунта
и относительного расстояния.
Рис.87. Зависимость нормальных Рис.88. Зависшюоть максимальных
максимальных напряжении на фронте напряжений на фронте взрывной вол-
взрывной волны от расстояния при вы от камуфлета заряда,
различных относительных глубинах
заложения заряда.
Область значений /^«0,8+0,75 можно считать минимальной величиной
заглубления оси цилиндрического горизонтального заряда ВВ, характеризую-
щей оптимальный режим реализации энергии заряда во взрывную волну, т.е.
- 0,8-0,75JF.	(Ш.95)
Зависимость, представленную на рис.88, в соответствии с изложенным
можно разбить на три участка, характеризующихся отличающимися друг от
друга законами, связывающими максимальные значения напряжений на фронте
волны с относительной глубиной заложения заряда. Эти участки описываются
следующими зависимостями: 33 = 0,0&2бт+ 0,14; 35= 0,032 g™ + 0,59;
CD = 0,102 Gm- 3,95.
Выше указывалось, что для ударных волн исходя из соотношений на
фронте можно по экспериментальным параметрам взрывных волн получить
диаграмму динамического сжатия грунта совместным решением уравнений
(Ш.10), исключая расстояние , т.е. получить зависимость g = g(B)rmi
данного типа грунта и симметрии заряда.
137
Функции в=8(Яв)ъ G=6(В), полученные подобным построением при
использовании экспериментальных параметров взрывных волн горизонталь-
ных цилиндрических зарядов в водонасыщенной супеси, приведены на рис.89
и 90 и описываются уравнениями вида	в, G=kG9T.
Рис.89. Объемная деформация грунта!	Рис.90. Диаграмма объемного
в зависимости от относительного	сжатия грунта,
расстояния.
Таким образом, диаграмма динамического сжатия грантов при прохож-
дении в них взрывной волны, генерируемой взрывом цилиндрического заряда,
для исследованных значений напряжений является нелинейной функцией с
переменным модулем в зависимости от величины прилагаемой нагрузки, хотя
нелинейность ее в исследованном диапазоне напряжений незначительная.
Кривая динамического сжатия выпукла относительно оси деформаций, поэто-
му ?во всем рассмотренном интервале напряжений выполняетсяусловие >0;
^1^2 >	• Характерно, что в рассмотренном диапазоне напряжений
объемная деформация исследованного грунта оказывается на порядок мень-
ше, чем при взрыве подобных зарядов в грунтах с незначительным содержа-
нием влаги (табл.19). Таким образом, сжимаемость грунта, как указыва-
лось выше, существенно зависит от содержания в нем влаги и наличия сво-
бодной пористости. С переходом грунта из неводонасыщенного в водонасы-
щенное состояние сжимаемость резко падает при тех же абсолютных значе-
ниях силовых параметров на фронте волны.
Таблица 19
Объемные деформации грунтов на различных относительных
расстояниях от взрыва
Грунт							
	0,84	0,98	1,12	1,40	1,47	1,60	1,96
Суглинок неводо- насыщенный Супесь водонасы-	0,05	0,03	-	-	0,01	-	0,004
ценная	-	—	0,0022 0,001		-	0,0005	0,0002
138
м-OKfni
Рис.91. Зависимость времени
прихода максимума напряжений
взрывной волны от относитель-
ного расстояния.
Рис.92. Зависимость времени при-
хода взрывного возмущения в дан-
ную точку от относительного рас-
стояния.
На рис.91-95 приведены зависимости, списывающие экспериментальные
параметры взрывных волн цилиндрических вертикальных зарядов, полученные
для рассматриваемого типа грунта. Координаты фронта взрывной волны и
максимума возмущений описываются уравнениями teil*l,i5Rg' \	,
а соответствующие им значения скорости фронта и скорости максимума на-
пряжений - уравнениями hfJin/eu; Dm = s$oЯ^0,1г. Таким образом, в об-
ласти исследованных расстояний от источника нагружения для данного типа
грунта имеет место распад фронта, т.е. волна не является ударной, а ха-
рактеризуется определенным временем нарастания напряжений до максимума.
По мере приближения к источнику и увеличения силовых параметров волны
сходимость на фронте должна увеличиваться и на определенных расстояниях
волна должна соответствовать ударной. Однако этот диапазон параметров
нагружения нашими экспериментами не охватывался.
Рис.93. Скорость' фронта взрывной
волны и распространения максимума
напряжений в супеси при взрыве
цилиндрических вертикальных заря-
дов.
взрывной волны от расстояния.
139
Аналогично сферическим и горизонтальным цилиндрическим зарядам
око рост ь распространения фронта и максимума напряжений, на приведенных
расстояниях изменяется незначительно и стремится к фиксированной вели-
чине.
Закон затухания напряжений взрывных волн вертикальных цилиндричес-
ких зарядов в водонасыщенной супеси (для указанного выше диапазона рас-
стояний) аппроксимируется зависимостью: 6т = ИЧО . По сравнению
о горизонтальными цилиндрическими зарядами интенсивность затухания напря-
жений, возникающих при взрыве вертикальных зарядов, значительно ниже.
Это объясняется тем, что вертикальные цилиндрические заряды находятся
в условиях, близких к условиям камуфлета, т.е. имеют место значительно
лучшие предпосылки для реализации' энергии заряда в энергию взрывной вол-
ны, поскольку в условиях полного камуфлета и при бесконечной длине за-
рядов вертикальный цилиндрический заряд подобен горизонтальному и зако-
йы затухания воля в этом случае должны быть подобны.
Рис.95. Зависимость объешой дефор-
мации от расстояния.
Рис.96. Зависимость объемной отно-
сительной деформации грунта от от-
носительного расстояния для верти-
кальных (1) и горизонтальных (2)
цилиндрических зарядов.
Характеру затухания интенсивности волны в полной мере соответству-
ет изменение относительной объемной деформации супеси на различных отно-
сительных расстояниях. Совмещение зависимостей 0 = 8 (Ro) для вертикаль-
ных и горизонтальных цилиндрических зарядов (рис.96) показывает, что
объемные относительные деформации при действии зарядов первого типа
значительно выше. Изменение относительной объемной деформации с расстоя-
нием для вертикальных цилиндрических зарядов описывается функцией в =
» 0,104 Rg ' . Диаграмма объемного сжатия для этого случая приведена на
рис.97 и подобна ранее рассмотренным.
140
Исследования параметров взрывных волн в органо-минеральных грунтах
проводились на торфе Ровенской обл. Сарвенокого р-на, который характе-
ризовался объемным весом 1,3 - 1,17 г/см3, объемной влажности) до 93%,
веоовой влажности) в пределах 400-600%, объемным весом скелета 0,2 -
0,25 г/ом3. Уровень грунтовой воды находился на отметке 7 - 10 см от
дневной поверхности. Использовались сферические заряды тротила весом
0,2 - 0,4 кг при глубине заложения относительно уровня дневной поверх-
ности Hq = 0,33+0,8, Диапазон измерений охватывал относительные расстоя-
ния от взрыва Яд~ 1,5+3,6.
Рис.97. Диаграмма объемного
сжатия для вертикальных ци-
линдрических зарядов.
Измерения параметров взрывных волн осуществлялись аналогично изме-
рениям в супесях, описанным ранее. Датчики помещались в шпуры, образуе-
мые механическим способом, и находились в воде, заполнявшей шпур. Таким
образом, взрывная волна, проходя по слов торфа, преломлялась в воду, а
затем на мемЗраяу тензодатчика. Такой способ измерения несколько иска-
жал измеряемые параметры, однако, с нашей точки зрения, он вполне допус-
тим, поскольку известно, что при наличии в грунтах свободной гравита-
ционной влаги давление, в том числе и во взрывной волне, передается че-
рез нее.
Общий вид взрывных волн, зарегистрированных ва приведенных выпе
расстояниях, принципиально не отличается от полученных ранее при иссле-
дованиях в водонасышенннх супесях. Следует отметить, что даже в непо-
средственной- близости от заряда (fy« 1,5) не были зафиксированы ударные,
волны, т.е. во всех случаях наблвдалоя размыв фронта волн. Время нарас-
тания давления в волне до максимальных значений силового параметре из-
менялось н зависимости от относительного расстояния и кацуфлета от 0,5
до 1,5 - 1,8 мсек и увеличивалось о увеличением этих параметров. На
рис.96 и 99 приведены зависимости •= tt (Яе,#в)кля сосредоточенных за-
рядов из тротила. Приведенные данные свидетельствует о том, что при
указанных значениях влажности в органо-минеральном грунте благодаря
большому количеству внутриклеточных пор основного структурообразовате-
ля (органических веществ) находится определяемое количество защемленно-
го воздуха. Следует отметить, что грунт, в котором проводились экспери-
ментальные исследования, находился в водонасыденном состоянии более
восьми месяцев. Количество защемленного воздуха в органическом структу-
рообранонагеле этого типа грунтов зависит от его степени разложеяности
и умен?шается с увеличение?)) последней.
Рис.96. Зависимость длительности фазы Рис.99. Зависимость длительнос-
сжатия во взрывной волне от расстояния: ти фавн сжатия во взрывной вол-
J. - Н_ = 0.33; 2 - IL = 0,4; не от камуфлета заряда:
0	5 - Hn = 0?6.	I - Гв= 1,59: 2 - Я.= 2,12;
0	3 - RB = 3,18. 
Время снижения давления во взрывной волне от максимальных значений
на фронте до значений порядка 0,05 - 0,1 на порядок вше, чем в фазе
нарастания, и изменяется для разных относительных расстояний от взрыва
и камуфлета заряда в пределах 5-25 мсек. Поскольку параметром, опре-
деляющим продолжительность импульса взрывной волны, является время раз-
грузки за фронтом максимума напряжений, характер изменения зависиюсти
8(Ke,ND) тот же, что и (Яд, Мд) для одних грунтовых условий.
Из сопоставления экспериментальных данных, приведенных на рис.98-100
следует, что параметры	в пределах измеренных относительных
расстояний и камуфлета заряда изменяются неоднозначно. При увеличении
Нд и Яд длительность фазы сжатия до достижения в* на фронте взрывной
волны увеличивается в пределах каждого параметра. Длительность импульса
и фазы разгрузки наиболее существенно изменяется лишь на близких к заря-
ду ВВ расстояниях в функции в, t_ = ,8,Ц Нд ) . С относительных расстоя-
ний Rg*2 как 8 , так и t_ в меньшей мере изменяются в пределах пред-
полагаемого камуфлета заряда ВВ. Уже отмечалось, что значения < и,
следовательно, 8 получены из осциллограмм записи процесса с точностью
шифровки до (0,05+0,1) 6 т. Большая точность обработки осциллограмм не-
возможна, так как уровень записи становится соизмеримым с уровнем наво-
док в кабельной линии, соединяющей датчики и тензоусилитель. Поэтому,
хотя качественный характер каждой функции на рис.100 по параметру Но под-
черкивается обшей закономерностью его изменения и соответствует получен-
ным ранее экспериментальным данным в грунтах естественно-воздушной влаж-
ности и водонасыщенных минеральных, количественные значения t_ и в как
относительна параметра таи и по параметру Rg нельзя считать доста-
142
точно представительным. Поэтому, в частности, зависимости t_,6=t,8(RB)
нами не приводятся. Характер функции в, t_ = 5,# объясняется тем, что
с увеличением относительно камуфлета заряда Hq увеличивается время дей-
ствия продуктов детонации на массив грунта в пределах времени формиро-
вания под их действием камуфлетной полости, поскольку время, соответст-
вующее началу прорыва газов в атмосферу, прямо связано с величиной от-
носительного камуфлета заряда ВВ. Поэтому мэжно считать, что временное
параметры импульса за фронтом в'мсек
максимума силового параметра
во взрывной волне определяют-
ся главным образом режимом
развития газовой камеры, что
связано с типом применяемого
НВ и конструктивными особен-
ностями заряда (в данном слу-
чае относительным камуфлетом,
а также симметрией заряда ВВ).
На характер изменения времени f2
нарастания давления до макси-
мума влияет как тип грунта,
так и режим приложения внеш-
ней нагрузки.
На рис.101 приведены за-
висимости = б(.Яв)кля разню
значений относительно камуфле-
та заряда, а на рис.102 зави-
симость Hgl-цля разных
значений RB , Закон изменения
максимальных напряжений на
фронте
взрыва интерпретируется выра-
жением	kgRBff, т.е. сте-
пенной
го
0,3	4/	4/	0,6
волн с расстоянием до
сте-
функцией того же ввда,
Рис,100. Зависимость длительности им-
пульса взрывной волны от камуфлета эа-
I -Ха= 1,^;а2 -Ло = 2,12;
0 i - Ro = 2,65.
что и полученные ранее для грунтов естественно-воздушные влажности и во-
донасыщенных минеральных грунтов. Значения коэффициентов кд Иу^-для
разных значений камуфлета заряда приведены ниже.
Н0	0,33	0,4	0,6	0,7
кв 109,2	94,2	69,7	66,3
jus	-3,86	-3,76	-3,48	-3,43
Сравнение коэффициентов кд и показателей степени с аналогичными
величинами для приведенных выше грунтовых условий показывает, что зату-
хание напряжений в органо-минеральных грунтах более интенсивное, несмот-
ря на более высокое содержание воды как по объему, так и по весу относи-
тельно водонасыщенных минеральных грунтов типа супеси и песка (сравни-
вается супесь с объемной влажностью Л£= 40$ и торф с = 90$). Отсюда
следует, что показатель объемной, равйо и как и весовой влажности, не
может достоверно характеризовать уровень и затухание напряжений на фронте
взрывной волны.Поскольку уровень напряжений в какой-либо точке грунтового
143
я, кГ/см1
Рис.101. Зависимость мак-
симальных напряжений на
фронте взрывной волны
’= 0,33; 2 -
3 - Н_ = 0,6;	4
расстояния
Ео №
Рис.102. Зависимость мак-
симальных напряжений на
фронте взрывной волны от
камуфлета заряда:
Г-Ht = 1,59; 2 -
*„= 2,12; 3 -	2.65;
°	4 -^=3,16.
0.3
массива в определенной мере соответствует степени деформируемости грун-
та, этот показатель также нельзя однозначно связывать с показателями
и грунта.
Применительно к грунтам естественно-воздушной влажности было найде-
но, что наибольшая плотность связи между экспериментальными коэффициен-
тами кв и ftG наблюдается о показателем деформативности 2~7^°йГ' Этот
показатель является, хотя и комплексной, однако физически неопределенной
величиной. Почти такая же высокая плотность связи отмечена и с показате-
лем свободной пористости, поэтому нам представляется более четким и оп-
ределенным в физическом отношении классифицировать грунтовые условия
через этот показатель.
Из прикладной динамики грунтов известно, что деформативпость грун-
та - величина, обратно пропорциональная скорости фронта в нем взрывных
волн. На рис.62 приведены зависимости скорости фронта от величины сво-
144
бодной пористости в грунтах разных типов. Рассмотрим участок
где характер изменения D относительно свободной пористости одинаков
для всех рассматриваемых типов грунтов. Изменение свободной пористости
на этом участке зависимости характеризуется областью близких значений
, тогда как значения влажности здесь существенно различны. Функцию
), о нашей точки зрения, удобно использовать для определения
понятия водояасыщеяяого грунта. Показателем, характеризующим водонасн-
щенное состояние грунта, может служить величина свободной пористости
для данного типа грунта, которая находится отсечением по оси абсцисс
касательной к функциям	в точке <Z^= 0. В свою очередь значения
2, 3,... ,п ) зависят от обтей пористости грунта и увеличиваются
с уменьшением последней.
Из рис.101 также следует, что максимальные напряжения на фронте
волны для фиксированных относительных расстояний существенно зависят от
относительного камуфлета Нд лишь вблизи взрыва. На рис.102 приведены
зависимости &(Не), иллюстрирующие это положение. На относительных
расстояниях Яо>2 напряжения на фронте волны становятся практически не-
зависимыми от степени камуфлета заряда ВВ.
В грунтах естественно-воздушной влажности отмечалось, что для грун-
та определенного типа независимо от параметров заряда наблюдается одно-
значная связь мевду временем нарастания напряжения в волне до максимума
и значением максимума напряжения в фиксированной точке среды, а поэто-
му считается, что время определяется лишь свойствами грунта. В водо-
насыщенном органо-минеральном грунте, как следует из сопоставления функ-
ции = t в’т=в(ка ), скорость нарастания напряжения остается по-
стоянной или близкой к ней лишь при определенных значениях G™ . Иначе,
на расстояниях от взрыва или при значениях напряжений б”1 >
> 6-»В кГ/см^ характер нарастания напряжения до значений G,rn на фронте
определяется главным образом свойствами грунта и не зависит от конструк-
тивных параметров заряда. При меньших значениях напряжений или на более
удаленных от взрыва расстояниях (<^>2) характер напряженно-деформирован-
ного состояния массива определяется свойствами самого массива и режимам
реализации внешней нагрузки, так как примерно одним значениям напряжений
соответствует разное время деформирования в фазе объемного сжатия. Режим
реализации внешней нагрузки классифицируется в данном случае степенью
камуфлета заряда, однако в общем виде является также функцией йВ и сим-
метрии заряда.
Аналогично силовому параметру фронта взрывной волны изменяетоя и
кинематический параметр vn (скорость частиц на фронте). Измерение ско-
рости частиц на фронте взрывной волны осуществлялось датчиками индукцион-
ного типа, которые устанавливались в грунт в точках измерения силового
параметра. На рис.103 представлены экспериментальные зависимости измене-
ния рассматриваемого параметра с расстоянием для разных значений камуф-
лета заряда, а на рис.104 - функция (На)№я. Яд= 2,12. Таким об-
разом, скорость частиц на фронте волны, приобретаемая частицами как ре-
зультат действия фронта, находится в качественно аналогичной связи о
константами взрывного деформирования водонасыщенного грунта,ей присущи
145
is хе характерные особенности изменения относительно этих констант, что
и силовому параметру фронта взрывных волн.
Рис.103. Зависимость скорости сме- Рис.104. Зависимость скорости сме-
щения на фронте взрывной волны от щения частиц на фронте от камуфле-
расстояния:	та заряда ( f = 2,12).
I -% = 0,33; 2 - Hq = 0,6.	в
Как указывалось выпе, координаты фронта взрывной волны и максимума
напряжений имеют различные математические описания, т.е. фронт волны и
максимум напряжений в органо-минеральных грунтах распространяются с раз-
ными скоростями и по-разному изменяют свою скорость с расстоянием. Коор-
динаты кинематического параметра фронта взрывной волны практически сов-
падают с координатами фронта волны напряжений,что указывает на их абсо-
лютную взаимосвязанность во времени и пространстве. Эмпирические зависи-
мости, описывающие координаты фронта волны и максимума напряжений для
исследованного грунта, имеют вид • 1, ОМ Ro '	;	- 1,7t Яв'’2е .
Приведенные построения относятся к радиальной составляющей напряжений
взрывной волны.
Характер изменения коэффициента бокового распора при сферическом
источнике нагружения проследим согласно экспериментальным данным Г.М.Ля-
хова /33, 34/. В общем виде оЦ*
= гт~ ’	(Ш.96)
т.е. - коэффициент, выражающий отношение бокового и нормального
б/’ давления на фронте взрывной волны. В полностью насыщенных грунтах
(^= 0) коэффициент бокового распора равен единице. Однако даже при не-
значительном содержании воздуха ( X, = 0,01+0,04) величина становится
меньше единицы.
Установлено также, что коэффициент бокового распора грунтов, содер-
жащих 1-4% воздуха, не однозначен и зависит от величины прилагаемой на-
грузки. Так, для песка только при напряжениях 20 - 40 кГ/см^ и выше /г“1,
при более низких напряжениях изменяется в пределах 0,6 - O,?a^sl.
Это подтверждает высказанное ранее предположение о том, что классифика-
ция тел и грунтов, в частности, на упругие и пластические весьма услов-
на, поскольку главным факторами, определяющими состояние тела в процес-
N6
се динамического деформирования, являются характер деформирования и из-
менение структурного состояния тела в процессе нагружения. Приведенные
данные, например, позволяют применить к одному и тому же телу две моде-
ли: при р*20+40 кГ/см^ - идеальной жидкости, при Р' 20+40 кГ/см^ - твер-
дого тела, проявляющего пластические свойства. Нельзя, однако, считать,
что все гранты потенциально обладают равными возможностями пластического
деформирования. Поэтому при равном водонасыщении, одинаковой интенсивнос-
ти деформирования и абсолютных значениях максимальных давлений пластич-
ность в грунтах разной консистенции реализуется по-разному. Например,
при нормальном давлении около 100 кГ/см^ в водонасышенной глине коэффи-
циент докового распора составляет 0,о - 0,7, тогда как в других грунтах
с аналогичным или даже большим содержанием воздуха коэффициент бокового
распора близок к единице или равен ей.
В опытах с использованием пилиндричеоких зарядов ВВ наблюдалось
также наличие разницы в значениях главных напряжений, а это позволяет
считать, что в грунтах такого типа пластичность также реализуется. Это
дает право рассматривать подобные грунты, находящиеся в естественном
околопредельном водонасыщенном состоянии при обозримых значениях нагру-
зок, как твердые тела, применяя к ним модель упруго-вязко-пластической
среды. На это косвенно указывают и другие особенности распространения
и затухания волн напряжений.
Одновременно с описанными экспериментальными работами в водонасы-
щенных органо-минеральных грунтах (торфе) проводилось измерение нормаль-
ного и бокового напряжения, позволившее определить величину коэффициен-
та докового распора. Интересно отметить, что на относительных расстояни-
ях ^^2 в исследованном грунте наблюдается равенство главных напряже-
ний &г и Gj- . С увеличением расстояния до взрыва ( ^*2) происходит умень-
шение коэффициента бокового распора <I), т.е. имеется разница меж-
ду главными напряжениями.	г
6. Остаточные деформации массива водонасыщенного грунта
под действием взрыва^
При проведении взрывных работ в грунтах любой категории условно
можно выделить два эффекта последействия взрыва. Первый - это так назы-
ваемый видимый эффект, выражающийся в создании в грунте различного рода
выемок либо в перемещении определенных объемов грунтовых масс. Поэтому
одной из основных задач исследований в области прикладной динамики мяг-
ких грунтов является создание расчетного аппарата для описания количест-
венной взаимосвязи между параметрами и конструктивными особенностями
зарядов ВВ различных типов и параметрами создаваемых ими инженерных со-
оружений либо выполняемых технологических операций.
Другой эффект, оказывающий существенное влияние на инженерную при-
годность создаваемых взрывом сооружений, - это придание массиву в резуль-
тате действия на него динамических взрывных нагрузок новых свойств, свя-
занных с деформированием грунта в зоне действия взрыва. Характеристика
массива, окружающего любую выемку, созданную взрывом, определяет его
устойчивость и устойчивость собственно выемки во времени, фильтрацион-
ные свойства, проницаемость и другие важнейшие параметры. Таким образом,
Настоящий параграф написан при участии Л .И.ющенко.
147
1
исследование физических параметров деформированного взрывом массива
грунтов существенно важно для прогнозирования инженерных свойств обра-
зуемых сооружений с точки зрения эффективности их эксплуатационных ха-
рактеристик во времени.
Если иметь в виду изучение механизма деформирования грунта, то
наиболее ценными следует считать данные о динамике дефо(мирования, т.е.
деформирования в процессе динамического нагружения. Однако методы тако-
го рода исследований сложны и не всегда приемлемы, а поэтому в ряде слу-
чаев весьма полезно исследование остаточных явлений в грунте, подвержен-
ном действию взрыва. Остаточные явления оцениваются по плотности и проч-
ности грунта, его фильтрационным характеристикам и другим показателям,
определяемым в различных точках относительно первоначального местополо-
жения заряда ВВ. Имеется в виду изучение полей остаточных деформаций и
перераспределения влаги, построение паспортов прочности, гидравлических
уклонов и других данных на основе приборного изучения различных физичес-
ких констант массива грунта, приобретенных им в результате действия
взрывных нагрузок.
Деформируемость грунтов под действием взрывных нагрузок определяет-
ся целым рядом факторов: плотностью, гранулометрическим и вещественным
составом грунтов, степенью развитости жестких цементационных связей,
общей и свободной пористостью и др. К числу наиболее ватных характерис-
тик, определяющих естественное состояние грунтов, относится степень их
водонасышеняости и весь комплекс водных свойств, характерных для тех
или иных грунтов.
Остановимся более подробно на некоторых показателях, характеризую-
щих естественные твердые тела и грунты, в частности, с позиций их по-
ристости и возможностей наполнения влагой.
Наиболее полно грунт характеризуется общей, открытой и закрытой
(замкнутой) пористостью. Общую пористость можно определить по соотноше-
ниям удельного и объемного веса грунта
п =
(Ш.97)
j - удельный вес порода,
так и закрытая пористость,
с другом и с атмосферным
где п - общая пористость; у - объемный вес;
В общую портстость входит как открытая.
При открытой пористости поры сообщаются друг
воздухом, причем в открытой пористости, в соответствии со строением
грунта, различается субкапиллярная (тонкая) и макропористость. Закрытая
пористость определяется как разность между общей и открытой пористостью
и характеризует тот объем пор, которой не сообщается со свободной по-
верхностью.
Открытая пористость в большей степени характеризует такой параметр
грунта, как объемное водопоглощение, т.е. способность порода впитывать
воду при обычных естественных условиях. Весовое водопоглощение порода
определяется следующим образом:
9г ~ 9i
Нп‘-----~д--ЮО,	(Ш.90)
где 92 ~ вес образца с поглощенной водой; / - вес абсолютно сухого об-
разца.
148
Объемное водопоглошение есть функция Ып
грунта:
-Ч,)
и объежого веса сухого
(Ш.99)
мпо ” ?е "п
too .
Объемное водонасыщение, в отличие от водопоглощения, характеризует часть
объема грунта, приходящуюся на закрытие или замкнутые поры, поскольку
оно определяется максимальной способностью грунта впитывать воду в спе-
циальных способствующих этому условиях (высокие давления и кипячение,
давления ниже атмосферного и т.д.).
Весовое ( Мп ) и объемное ( мпо = fc Ып ) водонасыщение связано
о пористостью следующим образом: общая пористость п всегда выше, чем
объемное водонасыщение IV nt , а последнее всегда выше, чем объемное
водопоглошение. Разница между Wпо и Ыхарактеризует тот объем пор,
куда влага при обычных условиях не поступает. Объем закрытых пор являет-
ся функцией общей пористости и объемного водонасыцения
(Ш.100)
7 ПО
В естественных условиях влажность грунта зависит от многих факторов и
при условии их постоянного подпитывания водой они находятся на различ-
ных стадиях приближения к водонасыщенному состоянию.
Неводонасыщенный грунт деформируется под действием взрыва главным
образом за счет частичной или полной ликвидации свободной пористости.
Таким образом, степень его деформируемости определяется сжимаемостью
газообразной т.е. наиболее легко сжимаемой фазы. Поля остаточных
деформаций таких грунтов достаточно хорошо изучены. Доказано, что наи-
большая плотность достигается непосредственно в стенках, образующих
выемки (в так называемой корке). Здесь имеет место полная ликвидация
пористости, а также частично смятие и другие виды деформирования твердой
фазы, слагающей грунт. С удалением от оси заряда степень уплотнения
грунта уменьшается вследствие взаимной переупаковки твердых частиц и
частичного заполнения ими свободных пор. В дальнейшем в зоне кальматациж
происходит упругое деформирование частиц грунта и их переупаковка без
уменьшения свободной пористости. Функция ^ = ^(^)имеет вад степенной
функции, причем показатель степени зависит от типа заряда, его конструк-
ции и грунтовых условий.
Исследование закономерностей и параметров деформирования водонаоы- 
щенных грунтов под действием взрыва, в том числе изменения водных
свойств, обусловливающих в значительной степени состояние грунтового
массива после взрыва в целом, проводилось по двум генетическим типам
водонасыщенаых грунтов: минеральным - супесь и органическим - торф.
Как известно, минеральные и органические грунты различаются по
своим водно-физическим свойствам в естественном состоянии и это разли-
чие в большой степени обусловливается их поведением под действием ста-
тических и динамических, в том числе взрывных нагрузок.
Супесчаные грунты по Своим физико-механическим свойствам занимают
промежуточное положение между рыхлыми несвязными песчаными грунтами и
связными суглинистыми. Общая пористость супесей может достигать 40-50%.
В структурном отношении они состоят из минеральных зерен, соединенных
между собой пылеватыми и глинистыми частицами. Наряду с этими частицами
149
роль цементирующей добавки в супесях могут играть и различные соли, вы-
мываемые из верхнего почвенного слоя. В целом цементация минеральных
частиц глинистыми и пылеватыми ь.лючениями, а также солями в супесях
довольно слабая и в прочностном отношении они близки к несвязным песча-
ным грунтам. Это становится особенно заметным при высокой степени насы-
щения супесей влагой, когда происходит нарушение жесткой структурной
связности вследствие размокания глинистых и пылеватых включений и раст-
ворения солей. В таком случае супеси можно рассматривать как несвязные
грунты, в которых отдельные структурные агрегаты (зерна песка, пылева-
тые частицы или их совокупность) со всех сторон окружены водой и как бы
взвешены в ней. Благодаря отсутствию устойчивых жестких связей между
частицами в супесях, особенно при высокой степени их водонаоыщенности,
не создается пространственный структурный каркас, что резко отличает
их от грунтов типа торфов.
Влага в супесях по формам связи с твердым веществом грунта подраз-
деляется на химически и физически связанную, а также капиллярную и сво-
бодную - гравитационную. Химически связанная вода входит в состав минералъ
них частиц и выделяется только в результате химического разложения веще-
ства. Физически связанная вода облекает частицы грунта тончайшей пленкой
и удерживается возле них силами молекулярного притяжения,намного превы-
шающими силу тяжести. По степени притяжения к поверхности частиц эта
влага делится на прочно- и рыхло связанную (гигроскопическую и пленочную).
Максимальному количеству гигроскопической воды соответствует максималь-
ная гигроскопичность. Максимальному же количеству пленочной - максималь-
ная молекулярная влагоемкость. Для супесей максимальное содержание гиг-
роскопической воды составляет 4,2-7,3%. Максимальная молекулярная влаго-
емкость для этих грунтов не превышает 5% у легких супесей и 8% у тяжелых.
Физически связанная вода не оказывает непосредственного влияния на физи-
ко-механические свойства грунтов и удаляется из последних только под
действием высоких температур.
Необходимо отметить, что и химически и физически связанная вода не
принимает участия в процессах структурных преобразований грунта под дей-
ствием взрыва. Это объясняется большой прочностью химических и физичес-
ких связей. Лишь на контакте грунтового массива с высокотемпературными
продуктами детонации возможно разложение некоторой части вещества грун-
та и выделение вследствие этого небольшого количества указанных видов
влаги.
Капиллярная или капельно-жидкая вода удерживается в грунте силами
поверхностного натяжения. Она может передвигаться под действием как сил
поверхностного натяжения, так и силы тяжести и в связи с этим передает
гидростатическое давление.Эта вода влияет на физико-механические свойства
грунтов. Она может удаляться из грунта высушиванием или под давлением
в результате сокращения пористости. Уровню максимального насыщения грун-
та капиллярной водой соответствует максимальная капиллярная влагоемкость,
которая у супесей достигает 20 - 30%.
Свободная, или гравитационная. вода обладает обычными свойствами
жидкой воды - опа заполняет крупные поры и пустоты. Этот лцд плати ока-
150
зывает решающее влияние на устойчивость и связность водонасыщенного
грунта, особенно песков и супесей.
В целом и капиллярная и свободная вода активао участвует в процес-
сах структурных преобразований грунтов под действием взрывных нагрузок,
при этом ее влияние на грунт носит двойственный характер. В настоящее
время экспериментально установлено, что насыщение некоторых грунтов во-
дой до определенного предела повышает их способность к уплотнению взры-
вом в результате разрушения структурных связей, вследствие чего иногда
применяют искусственное замачивание грунтов перед началом взрывных ра-
бот. В то же время перенасыщенность грунта свободной водой может резко
ухудшить его деформативные свойства, так как в этом случае значительно
возрастает упругость грунтового массива.
Торфяные, или органо-минеральные, грунты по совокупности физико-
механических и водных свойств значительно отличаются от минеральных, в
частности от рассмотренных выше супесей. Важнейшей структурной особен-
ностью торфа является наличие гибкой волокнистой массы, образующей про-
странственный каркас, который придает торфу повышенную прочность, а так-
же увеличивает его упругость, проявляющуюся при приложении динамических
нагрузок. Прочность и упругость пространственного каркаса в торфах за-
висят от соотношения между содержанием волокнистой массы (менее 250 мкм)
ж мелкораздробленной фракции (более 250 мкм), т.е. от степени разложения
торфа.
Водные свойства торфа наряду со структурой также играют большую
роль в его способности к уплотнению. Торфы обладают повышенной влагоем-
костью и в естественном состоянии могут удерживать до 4000% весовой вла-
ги, что существенно отличает их от минеральных грунтов. Однако главная
отличительная особенность их водных свойств заключается в том, что наря-
ду с обычными видами воды, в торфе находится большое количество осмоти-
чески впитанной влаги, заключенной в клетках растительных остатков. Со-
держание ее зависит от степени разложения торфа и монет достигать 550%
(при степени разложенности торфа до 5%). Внутриклеточная вода способна
переходить в свободное состояние при разрушении растительных клеток и,
следовательно, вместе с водой гравитационной и капиллярной она может
участвовать в миграционных процессах, происходящих при воздействии на
грунт динамических нагрузок. Наличие большого количества внутриклеточ-
ной воды в торфе должно отрицательно сказываться на его способности к
уплотнению, так как при этом, с одной стороны, повышается упругость тор-
фяного массива, с другой - увеличивается общий объем воды, участвующей
в миграции.
В целом большая общая пористость торфа (до 95% или £ - 2+12) соз-
дает предпосылки для высокой его сжимаемости при динамических нагрузках,
в то время как повышенная упругость пространственного каркаса, а также
перенасыщенность водой (особенно внутриклеточной) снижает деформативные
свойства торфяного массива; и при недостаточности динамического импуль-
са торфяная залежь после снятия нагрузки возвращается в прежнее состоя-
ние, в результате'чего не наблюдаются какие-либо остаточные деформации
массива. Подобный эффект проявляется при взрывах в торфах на значительных
расстояниях от очага взрыва, а также в условиях полного камуфлета заряда
ВВ.	151
Условия проведения экспериментальных исследований остаточных де-
фо риаций, перемещения влаги под лчйствием взрыва и фильтрации воды че-
рез зоны деформаций в образуемые выемки соответствовали приведенным вы-
ше. Следует лишь добавить, что опытные взрывы проводились в условиях,
когда оба типа грунта в течевие длительного времени (более полугода)
находились в состоянии полного насыщения водой и не подвергались осуше-
нии. Вода в грунте находилась на расстоянии 6 - 15 см от поверхности
и свободно мигрировала в создаваемые зарядные камеры, емкости под дат-
чики и измерительную аппаратуру.
В методике проведения экспериментальных исследований исходили из
того, что при приложении к грунту взрывной нагрузки в массиве грунта,
окружающем образуемую при взрыве выемку, деформирование происходит в
результате изменения объемного веса или плотности грунта. При этом при-
ращение плотности достигается вследствие сокращения свободной пористос-
ти и перераспределения влаги в массиве, т.е. в итоге вследствие измене-
ния общей пористости.
Плотность и влажность грунта в естественных условиях до и после
взрыва исследовались с помощью установок нейтронного и //•-каротажа.
Точки измерения охватывали широкую область деформированного взрывом
массива: для сосредоточенных зарядов 0-80	, для цилиндрических - до
350 г* . По глубине массива в каждой точке производилось до шести измере-
ний. Параллельно нейтронным и //-каротажем физические свойства грунта
исследовались обычным термостатно-весовым методом с отбором проб грунта
посредством полевой лаборатории ПЛЛ-I системы И.М.Литвинова. Размеры
уплотненной зоны исследовались также методом сейсмокаротажа. С этой
целью в скважины, предназначенные для радиоактивного каротажа, посыла-
лись сейсмоприемники СПЭД. Посредством небольшого (200 г) заряда ВВ ге-
нерировалась упругая продольная волна, запись которой с помощью датчи-
ков СПЭД и осциллографов Н-700 позволяла получить поле скоростей фронта
упругой волны в уплотненной зоне. По изменению скорости фронта волны
представлялось возможным судить о плотности грунта, в котором она рас-
пространяется. Очевидно, что подобный метод дает интегральную оценку
плотности без учета структурных и других изменений в грунте, однако,
как показывают результаты исследований, он позволяет получить довольно
объективную общую картину уплотнения, достаточно хорошо коррелирующую
с результатами измерений другими методами.
Кроме отмеченных основных методов, исследование водно-фильтрацион-
ных свойств массива до и после взрыва дополнительно осуществлялось изме-
рением водного режима во взрывных и контрольных выемках.
В связи с тем, что измерение влажности переувлажненных грунтов
нейтронным измерителем влажности (НИВ) не точно, изучение миграции воды
в торфах проведено в основном при помощи мерных труб.
На рис.105 приведена общая закономерность, характеризующая измене-
ние плотности грунта в зоне действия взрыва сосредоточенного заряда.
Приращения плотности получены как среднеарифметическое нескольких заме-
ров по глубине методом //-каротажа (	1,92 г/см3) для различных
расстояний от оси заряда. Видно, что во всем исследованном диапазоне
152
расстояний плотность, приобретенная грунтом в результате действия взры-
ва, выше естественной. Поскольку непосредственно корка, образующая про-
филь получаемых выемок, описанными выше методами не исследовалась, при-
ращение плотности показано за ее пределами в глубь массива (начиная о
К = 15 ^ ). Вместе с тем установлено, что грунт в корке обладает повы-
шенной плотностью, значительно превышающей естественную, и пониженным
влагосодержанием. Размер корки составляет (2-3) г , она разбита сетью
радиальных трещин, видимая глубина которых приблизительно равна мощнос-
ти корки, имеет очень незначительную связанность с массивом грунта, и
с течением времени по мере просачивания влаги происходит ее отделение
от массива. Таким образом, южно считать, что, несмотря на увеличение
плотности грунта в стенках выемки (в корке), они не мэгут служить дове-
рительным элементом образуемых взрывом инженерных сооружений ввиду неус-
тойчивости связи корки с остальным массивом грунта. Можно предположить,
что вследствие этого корка в процессе эксплуатации сооружения будет от-
деляться от его профиля.
Рис.105. Закономерность изменения
плотности грунта в эоне действия
взрыва сосредоточенного заряда.
Рис.106. Зависимость скорости рас-
пространения фронта упругой взрыв-
ной водны от расстояния.
За пределами корки приращение плотности грунта уменьшается до зна-
чения К , равных (35-45)	, а затем увеличивается, достигая максималь-
ных значений на относительных расстояниях (60-70)	, после чего вновь
уменьшается и в пределе, по-ввдимому, стремится к нулю, хотя экспери-
ментально ввиду ограниченности интервалов измерений этого уровня достичь
не удалось.
Следует указать на принципиальные различия в характере поля оста-
точных деформаций, свойственных водонаполненннм грунтам относительно
необводненных.
I. Максимальное приращение плотности, Приобретаемое такими грунта-
ми под действием взрыва, имеет место не в непосредственной близости к
профилю образуемой выемки, а в глубине массива. От области максимально-
го прирашения плотности как в глубь массива, так и в сторону выемки на-
блюдается снижение прирашения плотности. Максимальное приращение плот-
ности наблюдается на расстояниях (60-70) для сосредоточенного заряда.
Плотность грунта относительно естественной здесь выше в 1,1 - 1,15 раза.
15?
2. Область прирацения плотности водонасыщенных грунтов значительно
превышает по своим размерам зону уплотнения необводненных грунтов. Если
для последних при взрыве, например, сосредоточенных зарядов она состав-
ляет (40-50) г* , причем за пределами этих расстояний приращение плотнос-
ти становится труднофиксируемым экспериментально, то в водонасыщенных
грунтах зона уплотнения сравнительно большой интенсивности имеет место
на расстояниях ^>60 и, как показано выше, только максимальная плот-
ность достигается на расстояниях X = (60-70)/^ .
Указанное наряду со специфическим механизмом взрывного деформирова-
ния является следствием значительно меньшей интенсивности затухания волн
напряжений в водонасыщенных грунтах, поскольку функция плотности грунта
в определенной мере связана с силовым параметром в пределах импульса
взрывной волны.
Общая оценка размеров уплотненной зоны в водонасыщенном грунте,
проведенная с помощью сейсмокаротажа, подтверждает приведенные выше дан-
ные. На рис.106 приведена зависимость изменения скорости распростране-
ния фронта упругой взрывной волны в зоне действия сосредоточенного заря-
да, полученная экспериментальной регистрацией этого параметра в грунте
датчиками СПЭД на шлейфном осциллографе Н-700 при скорости протяжки лен-
ты 2,5 м/сек. Область повышенных скоростей характеризует зону остаточных
деформаций массива грунта под действием взрыва. Определенные таким мето-
дом эоны остаточных деформаций, включающие объемные деформации, деформа-
ций формоизменения и область структурных изменений без приращения плот-
ности, составляют для сосредоточенных зарядов около 150	, а для верти-
кальных и горизонтальных удлиненных - до 400	.
В соответствии с представлением о фазовом строении грунтов общее
приращение их плотности при динамическом деформировании может происхо-
дить в результате как ликвидации свободной пористости, так и сокращения
общей пористости, сопрововдающегося взаимным перемещением воды и скеле-
та грунта (минеральных частиц) друг относительно друга. При этом изме-
няется объемная и весовая влажность, а также объемный вес скелета грун-
та.
Соотношение компонентов в деформированном объеме минерального грун-
та определялось расчетом по данным экспериментальных измерений объемного
веса грунта (плотности) и объемной влажности методами радиоактивного
каротажа. Объемный вес скелета грунта определялся согласно зависимости
fe*=f ~ °'01	>	(Ш.Ю1)
где приобретенная данной точкой грунта объемная влажность,?.
Весовая влажность рассчитывалась по формуле
L------у •	(Ш.102)
*	- Mi
Согласно рис.107 изменение приращения объемного веса скелета в ка-
чественном отношении соответствует изменению приращения плотности, тог-
да как содержание весовой влажности характеризуется принципиально иной
зависимостью. Из сопоставления ряс.105 и 107 следует, что приращение
плотности в области ^’•50 осуществляется главным образом в результате
увеличения в ней твердой (минеральной) фазы грунта, поскольку здесь име-
154
ет место увеличение объемного веса скелета и снижение весовой влажности.
Область массива на относительных расстояниях от заряда 30 -e/fJ<50 харак-
теризуется повышенным содержанием влаги, хотя в ней имеет место общее
приращение плотности относительно естественной.
В связи с приведенными экспериментальными данными уместно отметить,
что деформируемость неводонасышенных минеральных грунтов под действием
взрывных нагрузок в прикладной динамике связывается главным образом о
наличием, а следовательно, и с возможностью ликвидации в них определен-
ной свободной пористости [Ч]. При этом возможным перемещением влаги в
зоне деформации под действием взрывных волн обычно пренебрегают.
Рис.107. Зависимость объемного ве-
са скелета (I) и весовой влажнос-
ти (2) от расстояния от заряда.
Рис.108. Зависимость остаточной
деформации (I), объемной деформа-
ции из соотношений на фронте вол-
ны (2) и предельной объемной дефор-
мации (3) с расстоянием от заряда.
Подобный подход к механизму деформирования водонасышенных минераль-
ных грунтов не соответствует данным экспериментальных исследований, по-
скольку в такой постановке практически исключается возможность придания
массиву добавочной плотности при произведении взрывных работ, вали иметь
в виду, что в таких грунтах, как показано выше, практически отсутству-
ет либо относительно мало развита свободная пористость.
На рис.108 приведены кривые изменения остаточной деформации 8Й во-
донасышенного грунта (супесь) с расстоянием. Кривая I получена на осно-
ве измерений наведенной плотности массива в результате взрыва сосредото-
ченного заряда ВВ методом //--каротажа по описанной методике. Остаточ-
ная деформация для построения этой кривой определялась по формуле
(Ш.103)
Кривая 2 характеризует объемную деформацию, рассчитанную из предпо-
ложения о совместности на фронте взрывной волны при условии, что прира-
щение плотности (объемное деформирование) происходит только на восходя-
155
щей ветви эпюры напряжений в данной точке массива. Эта деформация оп-
ределялась по результатам измерений параметров взрывных волн в водона-
сыщенном грунте и рассчитывалась по формуле
8 =	---'	(Ш.104)
"а
Кривая 3 характеризует максимально возможную относительную объем-
ную деформацию исследованного типа минерального водонасыщенного грунта,
достигаемую в результате ликвидации свободной пористости, рассчитанную
по формуле	i
V V777 ’	(Ш.105)
Не обсуждая характера изменения зависимости 0в 3	), заметим,
однако, что она не учитывает упругой составляющей динамического дефор-
мирования, тогда как кривая в“8(Хд) построена без учета фактора време-
ни, т.е. вероятного приращения деформации за фронтом максимума взрывной
волны.
Несмотря на указанные особенности в построении зависимостей
и	очевидно, что основной объем деформирования водонасыщен-
ного грунта осуществляется не за счет ликвидации его свободной пористос-
ти, поскольку долевое участие этого механизма в процессе деформирования
почти во всей зоне деформаций составляет менее 50% (в некоторых областях
грунтового массива - до 20%). Следовательно, в массиве водонасыщенного
грунта при действии на него взрывной нагрузки имеет место значительная
динамическая фильтрация воды и деформирование такого грунта с приданием
ему дополнительной плотности осуществляется главным образом в результа-
те сокращения общей пористости.
В динамике водонасыщенных грунтов существует установившееся мнение
о невозможности реализации динамической фильтрации влаги в грунте под
действием фронта взрывной волны /33, 347•
Не опровергая это мнение полностью по отношению к фронту ударных
волн, полагаем, что фильтрация воды в процессе взрывного деформирования
осуществляется за фронтом максимума напряжений взрывной волны, а также
под действием расширяющихся во времени и пространстве и работающих по-
добно порпню газообразных продуктов детонации. Такой процесс оправдан
фактическими временными соотношениями в пределах эпюры взрывной волны
и изложенными выше представлениями о взрыве, как о двойственном источни-
ке динамического нагружения.
Учитывая приведенные ранее соображения о двойственном характере
кинематического поля вблизи заряда ВВ, а также теоретическое решение о
динамической фильтрации за фронтом максимума взрывной волны и экспери-
ментальные данные о перераспределении компонентов в зоне действия взры-
ва, механизм взрывного деформирования водонасыщенного минерального грунта
сопровождающегося приданием ему дополнительной плотности, по нашему
мнению, можно представить следующим образом.
В исходном состоянии водонасышенный грунт представляет собой трех-
фазную систему (воздух, вода и минеральные зерна скелета) с различным
относительным содержанием фаз. Содержание воздуха в нем близко к нулю;
практически отсутствуют (при достаточном времени водонасышения) жесткие
цементационные связи между минеральными частицами и силы капиллярного
156
натяжения. Содержание влаги характеризуется капиллярно—неточным водона—
синением и развитой гравитационной влагой. В таком состоянии жидкая и
твердая фазы грунта, будучи практически несвязными, имеют возможность
взаимного перемещения в органическом объеме (рис.109,1).
О Ю 30	50	70 Я,
О Ю 30-50	70 Ко
Рис.109, Характер взаимодействия
твердой и жидкой фаз волонасыщен-
ного грунта в зоне действия взры-
ва сосредоточенного заряда.
Рис.НО. Эпюра перераспределения
влаги в массиве грунта поите взрыва,
При приложении к описанному телу динамической нагрузки в виде взрыв-
ной волны с высокими силовыми параметрами, представляющей собой транс-
формированную в среду детонационную волну заряда ВВ, минеральные части-
цы получают силовой толчок и начинают движение в сторону от взрыва со
скоростями, обратно пропорциональными их массе. Потенциальная энергия,
сообщаемая частицам, определяется их относительным расстоянием от источ-
ника взрыва и находится в соответствии с законом затухания интенсивнос-
ти взрывной волны в грунте данного типа. Поскольку интенсивность затуха-
ния взрывных волн в водонасыщенных минеральных грунтах намного меньше,
чем в неводонасыщенных, объем вовлекаемого в движение грунта, а следова-
тельно, и зона деформирования первых значительно больше. При движении
энергия частиц расходуется на преодоление вязкости жидкости и трение их
друг о друга. Движение частиц продолжается за фронтом максимума напряже-
ний взрывной волны вплоть до потери ими приобретенного запаса кинетичес-
кой энергии.
Таким образом, на первой стадии (рис.109,П) в зоне действия взрыва
в водонасыщенном грунте наряду с полной или частичной ликвидацией сво-
бодной пористости происходит перемещение минеральных частиц скелета в
сторону от взрыва. При этом вода из области более плотной упаковки твер-
дых частиц фильтрует в сторону взрыва. В результате в грунте на расстоя-
ниях 4^ = 50+80 создается зона уплотнения с приращением в ней объемного
веса скелета и уменьшением весовой влажности, что графически изображено
на рис.109.
Поскольку скорость фронта взрывной волны намного больше, чем ско-
рость движения стенки образуемой взрывом полости, на определенной стадии
развития взрыва движение последней можно рассматривать в отрыве от им-
157
пульса волны напряжений и связывать лишь с квазистатическим подпором со
стороны высокотемпературных газообразных продуктов разложения ВВ. Такое
промежуточное состояние процесса взрывного деформирования обозначим как
его вторую стадию (рис.109,Ш).
При взаимодействии с грунтом на границе раздела продукты детона-
ции - среда газы ликвидируют находящуюся на контакте воду й в результа-
те сдвижения границы раздела создают в примыкающей зоне структуру грун-
та с повышенным объемным весом скелета в результате сокращения пор, ра-
нее заполненных водой. Поэтому весовая влажность в этой области резко
уменьшается. Часть влаги из областей грунта, контактирующих с продукта-
ми детонации, под действием проникающих в грунт газов оттесняется в сто-
рону от взрыва. Однако движение влаги в глубину массива затруднено, вви-
ду наличия в нем образованной при течении за фронтом области с повышен-
ной плотностью скелета в зоне Х^бО-йО. Поэтому гидравлический поток
раздваивается: часть влаги (незначительная) фильтруется через уплотнен-
ную зону, тогда как основной ее поток устремляется в сторону свободной
поверхности, испытывая меньшее сопротивление движению. Благодаря вовле-
чению в это движение также некоторого количества влаги из области
4^* 50+70, в ранее образованной зоне повышенной плотности происходит до-
полнительное увеличение объемного веса скелета, в результате чего харак-
тер уплотненной зоны в водонасыщенном грунте приобретает вид, представ-
ленный на рис.109,Ш (с учетом релаксационных процессов).
Таким образом, в соответствии с приведенным механизмом взрывного
деформирования в водонасыщенном минеральном грунте образуются две зоны
с повышенным объемным весом скелета. Первая (4*^30) создается продукта-
ми детонации при сдвижении границы продукт взрыва - среда, вторая (^*50)-
при фильтрации влаги за фронтом максимума взрывной волны и действии
поршневого давления газов. Область грунта, расположенная между ними,
является зоной динамической фильтрации влаги в сторону свободной поверх-
ности.
Очевидно, что подобное расчленение механизма деформирования водона-
сыщенного грунта на две стадии носит условный характер, поскольку мало-
разделимы по времени динамическая (взрывные волны) и квазистатическая
(поршневое действие газообразных продуктов детонации) составляющие сум-
марного поля напряжений, генерируемого взрывом. Существенные специфичес-
кие особенности в рассмотренную схему деформирования вносит также сте-
пень заглубления заряда ВВ относительно уровня свободной поверхности.
Однако благодаря такому разделению представляется возможным, с нашей
точки зрения, качественно достоверно объяснить фактический характер рас-
пределения в массиве грунта наведенной плотности и влажности при взрыв-
ных нагружениях. Указанный механизм взрывного деформирования применим
только к категории водонасыщенных минеральных грунтов.
Приведенный схематический механизм деформирования водонасыщенного
минерального грунта подтверждается экспериментальными данными, характе-
ризующими изменение влажности грунта вокруг горизонтальной выемки, обра-
зованной взрывом. На рис.НО приведены изолинии равных приращений влаж-
ности в функции глубины и расстояния от выемки. Как видно из этого рисун-
ка, вблизи выемки имеет место зона осушения с перепадом влажности до -4%.
(58
В глубине массива наблюдается довольно четкая граница скольжения грави-
тационной влаги в сторону свободной поверхности, ограниченная двойной
изолинией с перепадом влажности +4%. В зоне, ограниченной изолиниями
данного прирашения влаги, экспериментально получены и более высокие зна-
чения aw? (до 5,5%). Эффект динамической фильтрации воды в сторону
свободной поверхности npt взрыве подтверждается и визуальными наблюде-
ниями в натурных условиях. В более отдаленных областях массива, как
свидетельствуют изолинии на рис.НО, имеет место постепенное уменьшение
л»',, с переходом к естественному состоянию грунта.
Следует предполагать, что в условиях установившегося фильтрационно-
го режима, который будет иметь место после приложения взрывной нагрузки,
характер распределения плотности и влажности в грунте изменится. В част-
ности, из-за относительно слабой связности грунта в области массива с
повышенным содержанием влаги (30	50) существуют предпосылки отслое-
ния его от остального массива. При этом значительную роль играют релак-
сационные процессы и миграция гравитационной влаги. В практике подобные
процессы сопровождаются потерей примыкающего к выемке грунта устойчивос-
ти и появлением концентрических заколов на поверхности.
Как отмечалось выше, при проведении опытных взрывов в водонасыщен-
ных супесях наряду с определениями содержания влаги и характера ее рас-
пределения по зонам влияния изучалось также изменение водопроницаемости
данных грунтов под действием взрывных нагрузок. Для этой цели в выемках
сразу же после взрыва устанавливалась мерная рейка, по которой проводи-
лись наблюдения за интенсивностью фильтрации воды до цемента установле-
ния постоянного уровня. Размеры взрывной выемки при этом тщательно изме-
рялись, что позволяло вычислить объем поступившей в выемку воды при лю-
бом ее уровне, фиксируемом на мерной рейке. Аналогичные исследования
проводились в тех же грунтах ненарушенной структуры в специальных конт-
рольных выемках. Это дало возможность сравнить показатели водопроницае-
мости грунтов, уплотненных взрывом и находящихся в естественном состоя-
нии. Как оказалось, для супесей водопроницаемость в результате взрыва
снизилась в шесть-семь раз.
Методика исследования динамики водных свойств торфяников под дей-
ствием взрыва по целевому назначению не отличалась от методики, приме-
ненной на супесях. Однако, как отмечалось ранее, из-за повышенной вла-
гонасыщенности торфа применение радиоактивного каротажа оказалось мало-
эффективным - замеры давали низкую точность. По этой причине водные ха-
рактеристики торфа изучались с помощью мерных труб, устанавливаемых в
зоне влияния взрыва в определенном диапазоне расстояний. Наблюдения за
водным режимом в мерных трубах позволили получить качественную картину
поведения грунтовой воды в области, окружающей взрывную выемку.
Мерные трубы изготовлены из обычных тонкостенных дюралюминиевых
труб диаметром 50 мм. Степка мерной трубы по всей ее плошади покрыта
густой сеткой отверстий, обеспечивающих свободный доступ воды. Перед
взрывом трубы устанавливались в специально пройденные скважины на всю
глубину торфяного массива (рис.III) на определенных расстояниях от цент-
ра заряда. При этом соблюдались следующие условия: проходка скважин под
159
труды и та установка в грунт проводились таким образом, чтобы структура
грунта при этом оставалась ненарушенной; в плане трубы располагались не
в одном створе, а так, чтобы режим воды в каждой из них перекрывался
соседними скважинами и зависел только от состояния грунта.
В ходе взрывной деформации грунта, сопровождавшейся миграцией во-
ды, трубы, не препятствуя свободному перемещении влаги, в то же время
предохраняли скважины от смятия, благодаря чему исключалось искажение
водного режима скважины от изменения ее поперечных размеров. Наблюдения
за изменением уровня воды в мерных трубах проводились с помощью специаль-
ной линейки, обеспечивающей точность замеров до I мм.
Рио.III. Миграция воды при взрыве в массиве водонасышенного торфа:
I - положение уровня грунтовых вод в начальный момент после
взрыва; 2 - положение уровня через 2 ч после взрыва; 3 - положение
уровня через 4 ч после взрыва.
160
Трубы выставлялись в грунт незадолго до взрыва. После установки в
них нулевых значение уровня грунтовых вод, верхние их части закрывались
пробками во избежание попадания частиц грунта и внешней влаги в момент
взрыва. Сразу же после взрыва начиналось наблюдение за изменением уров-
ня, причем отсчеты брались через короткие интервалы времени до полной
стабилизации уровня во всей исследуемом диапазоне расстояний.
Необходимо отметить, что, хотя положение уровня грунтовых вод не
дает возможности количественно оценить распределение влаги в грунтовом
массиве, деформируемом взрывом, однако, колебания самого уровня в про-
цессе стябипизяпии довольно точно отражают характер миграционных про-
цессов, происходящих под действием взрывных нагрузок.
На рис.Ill приведены результаты наблюдений за колебаниями уровня
грунтовой воды после взрыва в водонасышенном торфе. Замеры уровня до
мерным трубам были начаты сразу хе после взрыва и проводились через
каждые 5 мин на протяжении 4 ч до практически полной его стабилизации.
Приведенные кривые построены по отметкам уровня во временном интервале
0-2-4 ч после взрыва. Видно, что уровенный режим изменялся на разных
расстояниях по-разному, по-видимому, вследствие различного характера
миграции воды в исследуемых точках. Так, на расстоянии 30 радиусов от
заряда уровень в первый момент после взрыва понизился и в последующее
время продолжал непрерывно снижаться пока не достиг минимального уровня.
Нн расстояниях 43-65 радиусов после взрыва, наоборот, произошло резкое
поднятие уровня, которое на протяжении времени наблюдений постепенно
падало, пока уровень не вернулся почти в прежнее полоиение (+0,1 см).
При втом за все время наблюдений в этих точках уровень ни разу не падал
нике своего нулевого положения. S точке, отстоящей от взрыва на 90 радиу-
сов, стабилизация уровня носила противоречивый характер - здесь уровень
то поднимался выше нулевой отметки, то занимал по отношению к ней отри-
цательное положение, пока в конце концов не установился на нуле.
Из сопоставления динамики уровня во всех четырех точках наблюдений
следует, что взрыв в водонасышенном торфе вызывает активную миграцию во-
ды в массиве, окружающем выемку. Однако перемещение влаги в данном слу-
чае отличается от того, которое наблюдалось в минеральных грунтах, что,
по-видимому, объясняется отмеченными раньше различиями в водно-фнзичес-
ких свойствах этих грунтов. Так, непрерывное снижение уровня и, следова-
тельно, стабильный отгон воды наблюдаются только на расстоянии до 30 ра-
диусов. В пределах этого расстояния в торфе создается уплотненная зона,
препятствующая возврату влаги. В точках, расположенных от заряда дальше
30 радиусов, вода, пришедшая из первой зоны, вначале повышает уровень,
часть ее выходит на поверхность (что можно наблюдать визуально). Однако
по мере затухания остаточных процессов уровень воды в этой области мас-
сива все же возвращается в прежнее положение. Происходит не стабильное
перемещение воды, а ее пульсация. Этот эффект особенно заметен на рас-
стояниях 90 радиусов и более, где уровень временами даже снижается по
сравнению с нулевым значением, а затем опять повышается. Явление пуль-
сации влаги в указанных зонах хорошо объясняется повышенной упругостью
торфа, благодаря которой здесь не создается уплотненная зона.
161
Кроме отмеченных наблюдений для проверки явления отгова воды в тор-
фе проводились также контрольные нарывы на небольших расстояниях от
взрывных выемок, ухе заполненных водой. Расстояния выбирались так, что-
бы выемка с установившимся уровнем воды не деформировалась нснтрольным
взрывом. Было установлено, что, несмотря на уплотненную перегородку,
уровень воды в обводненной выемке после взрыва поднимался на 2-3 см и
требовалось несколько часов для его стабилизации на постоянной отметке.
При исследовании влияния взрыва на торфяной грунт изучалось к из-
менение водопроницаемости последнего. Результаты замеров притока воды
во взорванную выемку, а такие в контрольную траншею, отрытую в ненару-
шенном торфе показали, что образуемая взрывом уплотненная зона, несмот-
ря на свои небольшие до сравнению с условиями минеральных Грунтов раз-
меры, снижает фильтрацию торфа в пять раз и более. Снижение водопрони-
цаемости торфа в результате взрыва наблюдалось и визуально в выемках,
полученных взрывом в разное время и расположенных близко друг от друга.
В этом случае несмотря на тонкую перегородку между ними (1-1,5 м), раз-
ница в уровнях поддерживалась на протяжении 30 ч и более.
ГЛАВА ГУ. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ВЗРЫВНЫХ МЕТОДОВ ВКИВШЯ
РАБОТ В ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТАХ
I.	Действие взрыва на выброс горизонтально
заглубленного цилиндрического заряда ВВ^
Повышенные технологические требования к методам ведения взрывных
работ в различных горногеологических условиях' привели к необходимости
существенных изменений параметров заряда /67 и применения существующих
моделей сред для их теоретического обоснования. Использование М.А.Лав-
рентьевым /29, 3Q7 уравнений гидродинамики и методов-теории функций
комплексного переменного при исследовании действия взрыва на металлы
и 0.В.Власовым /б/ - па крепкие горные породы позволило решить ряд за-
дач /23, 24, 277 о поведении среды при взрыве как идеальной несжимаемой
жидкости.
Действительно, при взрыве возникают настолько большие давления, что
в ряде случаев можно пренебречь сжимаемостью, силами трения, прочностны-
ми и пластическими свойствами пористой ореды, где происходит взрыв, и
считать, что окружающая очаг взрыва среда является идеальной несжимаемой
жидкостью. Данная мэдель позволяет применить хорошо разработанную теорию
аналитических функций и выяснить характерные черты явлений, происходящих
при взрывных нагрузках.
Для решения задачи о действии взрыва на выброс горизонтально заглуб-
ленного цилиндрического заряда воспользуемся предложенной М.А.Лаврентье-
вым импульсной постановкой задач гидродинамики идеальной несжимаемой
жидкости. Задача решается методом конформных отображений без ограничений,
принятых при разработке метода условного цилиндра выброса /277-
Пусть на некоторой глубине h полупространства, занятого идеальной
несжимаемой жидкостью, расположен горизонтальный цилиндрический заряд
радиуса Гц (рис.П2,а). Здесь же показаны и другие величины, определяю-
щие форму воронки выброса. Для расчета основных параметров воронки сна-
чала найдем комплексный потенциал движения частиц жидкости под действием
начального потенциала Уд . Область комплексного потенциала <г> изображает-
ся прямоугольником (рис.112,б). Поскольку эта область симметрична, рас-
сматриваем только правую ее часть.
I Настояний параграф написан при участии И.А.Лучко.
163
Рис.112. Исходная область течения
(а) и область комплексного потен-
циала (б).
6
Рис.ИЗ. Вспомогательные полуплос-
кости.
Для получения решения задач	* if(jcy) отобразим
сначала верхнюю полуплоскость < (рис.ИЗ,а) на область ы с помэшью
функции /317	[ у
к'	(П.1)
где Yo~ начальный потенциал на линии АВ;	эллиптический интер-
вал первого рода с модулем ju ; К'- полный эллиптический интервал перво-
го рода с дополнительным вюдулем /и'.
Отобразим теперь область Z на концентрическое полукольцо
(рис.ИЗ,б). В результате получим отображаемую функцию в виде
Z (t ih
где	У- 1 - fl -<£*)(!-fl?)	rg	Го
r-----------;	;
! +J.JS *	~p2)
Далее полукольцо Z, преобразуем в прямоугольник Wn (рис.П4,б)
функцией	, (i+r)ih + (t-r)Z
п'	-(i-r)Z	(П.4)
(П.2)
(П.З)
Полученный прямоугольник На отобразим на полуплоскость 8т функ-
цией	9, /И
(П.5)
где модуль т ' определяется из соотношения
K'lnf = ля.	(П.6)
Полуплоскость 8П„ о точками D(O), ^7^), ^7‘~) отобразим на полуплос-
кость < о точками Л	С (О) дробно-линейной функцией
Следовательно, учитывая соотношения (П.1), (П.4), (1У.5), (1У.7),
искомое решение можно представить в виде
164
в,п^5пЧт
(1У.8)
где
I -	; fi =у/1 - т'г = т'1.
(ПЛ)
дифференцируя комплексный потенциал и по переменной согласно
(1У.8) и (ТУ.9), для комплексной скорости движения получаем
du _ -Z^o ih { 1 - f*)_____________
~3z~"tn	’ uy•
Рио.114. Преобразованная исходная область в концентрическое полу-
кольцо (а) и область комплексной скорости (б).
Приравнивая модуль комплексной скорости (ТУ.ТО) величине крити-
ческой скорости Ну и в соответствующих точках Л и М для радиуса
и глубины воронки выброса,получаем расчетные формулы в виде
jil / г<-1 \г l2h<fe rft IfH Хг
' r-i ’|Z-r 7 ’	r-l 7 ’
(ТУ.II)
где / и / определяются соотношениями (ТУ.З).
Полученные формулы позволяют рассчитывать основные параметры ворон-
ки выброса при известных начальном потенциале, величине критической ско-
рости и параметрах расположения заряда.
2.	Применение энергии взрыва заряда для снижения
фильтрации воды из каналов и водоемов
В практике гидромелиоративного строительства проводились работы
по уплотнению дна и стенок,каналов вз[ивами цепочек сосредоточенных за-
рядов ВВ. Предлагаемая технология состоит в применении для этих целей
горизонтальных удлиненных зарядов. Преимущества зарядов такого типа
fl, Qj заключаются в образовании в массиве грунта, окружающего канал,
более интенсивней и равномерной по всем направлениям уплотненной эоны
165
в результате создания при взрыве более равномерно распределенного поля
напряжений с пониженной относительно сосредоточенных зарядов интенсив-
ность!) затухания с расстоянием. Весьма существенны при атом временные
соотношения в пределах эпюры взрывной волны, распространявшейся в мас-
сиве. Исследования показали, что при равных абсолютных значениях макси-
мальных напряжений на фронте волны импульс волны, образующейся при взры-
ве зарядов с осевой симметрией, выше по сравнению с импульсом волны за-
рядов со сферической симметрией. Известно, что процесс деформирования
сжимаемых грунтов происходит главным образом за счет уменьшения их сво-
бодной пористости. При этом лишь определенная часть реботы по уменьшению
свободной пористости осуществляется на фронте максимальных напряжений
взрывной волны. Главней положительный эффект прохождения фронта максиму-
ма взрывной волны состоит в нарушении сцепления и цементационных связей
между частицами грунта. Значительная часть работы по макродефо ретрованию
грунта осуществляется в пределах импульса волны при параметрах напряже-
ний, существенно меньших максимальных значений на фронте, однако доста-
точных для перемещения частиц грунта нарушенной структуры и замещения
ими свободной пористости. Поэтому увеличение времени действия волны за-
рядов с цилиндрической симметрией относительно времени действия волны
зарядов со сферической симметрией увеличивает относительную деформацию
грунтового массива. Так, согласно экспериментальным данным радиус зоны
уплотнения сжимаемых грунтов при взрыве на выброс цилиндрического заря-
да выброса составляет (110-150)/^ , а при взрыве сферического - около
(40-50) г у .
Схемы создания уплотненной зоны, служащей противофильтрационным
экраном, взрывами горизонтальных удлиненных зарядов приведены на рис.115.
Пройденная механическим способом траншея заполняется водой и замачивает-
ся в течении определенного периода времени до достижения оптимальной
влажности грунта (время замачивания определяется типом грунта). Критери-
ем для определения оптимальной влажности при замачивании является дости-
жение условия максимальной деформативности грунта при равенстве прилагае-
мой динамической нагрузки. Косвенным показателем деформативности грунта
может служить радиус получаемой взрывом полости. На рис.116 приведено
изменение этого показателя для зарядов равного веса при разных значениях
объемной влажности и объемного веса скелета грунта. Видно, что оптимум
влажности растет о увеличением плотности грунта и находится в пределах
Ндпт=. 19 - 23%. По достижении оптимальной влажности производится взрыв
горизонтального удлиненного заряда, помещаемого в траншею.
Очевидно, что взрывные работы о целью создания противофильтрацион-
ных экранов могут проводиться и без предварительного замачивания грунта.
Однако в этом случае либо качество экрана будет худшим, либо увеличится
расход ВМ.
Расчет параметров заряда для взрывного уплотнения профильных соору-
жений базируется на предположении о существовании определенного контура
массива вокруг траншеи, на границе которого при производстве взрива
должно соблюдаться условие предельного равновесия. Этому условию соот-
ветствует равенство главных напряжений на фронте волны, генерируемой
166
Рис.116. Зависимость радиуса полу-
чаемой взрывом полости от влажности
Рис.115. Схемы создания противо-
фшьтрационных экранов взрывами
удлиненных горизонтальных заря-
дов:
а - одиночными; б - спарен-
ными.
грунта:
I “<«== J’4 г/сиЗ; 2 -Г„ в
1,45 Г/см8; 3 - Гм » 1,5 г/см8-;
4 - Гм*
взрывом заряда, предельному разрушающему сопротивлению Gs данного типа
грунта (для большинства сжимаемых грунтов ненарушенной структуры этот
показатель, полученный на установке одноосного динамического сжатия,
составляет 2-4 кГ/см2. Таким образом, задаваясь требуемой величиной
уплотненной эоны, считаем, что на ее внешней границе должно соблюдаться
условие предельного равновесия. Тогда при известном законе затухания
взрывных волн в грунте конкретного типа определяется требуемая мощность
взрыва: Сп * 0,5 10* гг, , где
 (1УЛ2)
Здесь	экспериментальные коэффициенты, зависящие от типа и естест-
венного состояния грунта (табл.20);Лу - величина уплотненной эоны, тре-
буемая для конкретных условий проведения работ по уплотнению дна,м.
Таблица 20
Значение коэффициентов я
______________Грунт_________________________4г_____________Лг_______
Песок водонасыщенный	600	1,05
Суглинок неводоаасыщенный	10-20	2,5-3
Глина неводонасншенная	4-6	2-3
Лесс неводонасыщенный	4-5	2,8
В общем случае, когда толша грунта, подлежащая уплотнению, состоит
лэ двух зон - первой (верхней) водонаполненной и второй (нижней относи-
тельно оси заряда) неводонаполненной, переходящей к естественной влажнос-
ти, радиус заряда определяется из совместного решения зависимостей, ха-
рактеризующих поле напряжений грунта соответствующей степени влажности.
16?
Г' » (______) ffaa,
*	\ kB1	’	(1У.13)
где Х2 - суммарная живность уплотненной зоны; лу- величина эоны уплот-
нения в водонаполненном грунте.
Существенное влияние на параметры и качество противофильтрационно-
го экрана оказывает способ установки заряда ВВ - непосредственно на дне
траншеи и в подвешенном состоянии. При выборе способа установки следует
учитывать два момента - уплотняющее действие взрыва и разрушительный
эффект в стенках траншеи, выражавшийся в оползневых и откольных явлениях.
Взрыв заряда в подвешенном состоянии под водой имеет те преимущества,
что при этом энергия передается грунтовому массиву более равномерно по
всем направлениям благодаря наличию такого идеального буферного агрега-
та, как вода. Кроме того, вода в этом случае принимает на себя действие
той части взрывной волны, которая носит наиболее ярко выраженный ударный
характер и является поэтому менее эффективной в реализации уплотняющего
действия. Кроме того, взрыв такого заряда создает в массиве грунта поле
напряжений примерно в два раза менее интенсивное по сравнению с полем,
созданным контактным взрывом равной мощности со всеми вытекающими отсю-
да последствиями. Поэтому при выборе способа установки заряда следует
учитывать весь комплекс вопросов, включающих уплотняющее действие взры-
ва, устойчивость выработок и стоимость работ. Так, при взрыве зарядов
ВВ в траншеях о более пологими откосами бортов, примерно соответствую-
щими углу естественного откоса для данного грунта, целесообразнее монти-
ровать заряды по дну выемки. Наоборот, при углах откоса большой крутиз-
ны целесообразнее идти по пути увеличения погонных расходов ВВ, устанав-
ливая заряды в подвешенном состоянии.
При взрыве по обеим описанным схемам для наиболее полной передачи
энергии ВВ массиву необходимо, чтобы заряд ВВ работал в условиях, макси-
мально приближенных к условиям камуфлета. Для этого требуется, чтобы
уровень воды в траншее (м) относительно оси заряда составлял величину
Н6 = 0,?5у/Т„ 
Предварительные экспериментальные исследования, имевшие целью про-
верку эффективности описанной технологии в натурных условиях, были про-
ведены в суглинках Киевской обл. Они показали, что взрыв горизонтально-
го цилиндрического заряда в траншеях сечением 3-6 создает уплотнен-
ную зону, размеры которой по дну составляют (II0-I20) *) , а в откосах -
(70—80)	(мощность соответственно 2,4 и 1,5 - 1,6 м). Долговременные
измерения подтвердили высокую надежность экрана, поскольку фильтрация
воды из траншей осталась практически на постоянном уровне в течение
5 лет.
Опытно-промышленная проверка методов создания противофильтрационных
экранов в ирригационных сооружениях подводными взрывами осуществлялась
на участке Копетдагского распределительного канала Каракумской ороситель-
ной системы. Грунт (суглинок), в котором проходит канал, имеет макропо-
ристую структуру, поэтому при расчете радиус^ заряда учитывалась необхо-
димость не только поверхностного, но и глубинного уплотнения. Предвари-
тельные измерения фильтрации воды на участке канала показали, что для
168
надежного экранирования необходимо создание уплотненной зона мощностью
= 4,5+5,5 м в дне канала. Согласно этим требованиям и с учетом пара-
метров канала (сечение 16,2 - 17,2 м^, откосы 1:3) был принят горизон-
тальный цилиндрический заряд с заложением по дну. Радиус заряда, рас-
считанный по формулам (1У.12), (1У.13) при = 4 кг/см^, составил
4 ом (Ся для аммонита № 6 ХВ в кг/пог.м) .Грунт, окружавший канал, был
предварительно замочен до уровня, приблизительно соответствующего опти-
мальной влажности (при /гя= 1,49 г/см9), хотя непосредственно в стенках
канала влажность была несколько выше оптимальной.
После взрыва сечение канала увеличилось на 0,6 - 1,2 м^. По данным,
полученным после взрыва термостатно-весовым способом, построены зависи-
мости плотности и влажности грунта в уплотненной зоне(рис.117), из ко-
торых видно, что в эоне грунта, непосредственно примыкавшей к стенкам
выемки, имеет место незначительное уплотнение. Это объясняется, с одной
стороны, переувлажнением грунта в данной области перед взрывом, что обус-
ловливает развитие абсолютно меньших начальных деформаций, с другой, -
повышенной возможностью развития релаксации деформаций при разгрузке в
сторону свободной поверхности - к бортам канала. Максимальное уплотне-
ние грунта имеет место на расстоянии около 125	, после чего функция
/(вносит экспоненциальный характер.
Рис.117. Изменение плотности (I) и
влажности (2) грунта в уплотненной
зоне, полученной взрывом.
Исследования изменения фильтрационных свойств грунтов в уплотненной
зоне проводились до и после взрыва, для чего опытный участок канала отде-
лялся от системы перемычками. Замеры, выполненные с помощью геодезичес-
ких приборов, показали, что после образования противофильтрацнонного
экрана удельный расход воды из канала уменьшился в 13-14 раз (26 л/м8
в сутки против 342 л/м3 в сутки до взрыва).
Таким образом, описанная технология создания взрывом противофильтра-
ционных экранов в оросительных каналах позволяет во много раз сократить
затраты времени и средств для ее осуществления по сравнению о существую-
щими методами. Экономия при создании таких экранов составляет около
40 тыс.руб. на I км канала.
J69
3.	Использование зарядов камуфлета и выброса для
получения водозащитных экранов^
При вскрытии и разработке месторождение нередко приходится сталки-
ваться с необходимостью защиты карьера, оборудования и инженерных соору-
жений от воздействия на них грунтовых и естественных вод. Избыток влаги
в массиве особенно неблагоприятен в случае, если последний сложен не-
связными грунтами. Известно, что несвязные грунты практически любого
фракционного состава хорошо фильтруют воду, а поэтому в условиях сущест-
вования постоянной подпитки из водоемов или водоносных горизонтов они
практически по всей своей мощности находятся в водонасыщенном состоянии,
С подобным положением часто приходится сталкиваться при добыче не-
рудного сырья, поскольку многие карьеры разрабатывают залежи в бортах
рек и водоемов. Если породы, покрывающие коренное месторождение, нахо-
дятся выше уреза воды в близкорасположенных реках или водоемах, фильтра-
ция влаги происходит в породное поле через систему макро- и микротрещи-
новатости скального массива и влечет за собой необходимость увеличения
установленной мощности насосных установок.
Особо сложными являются случаи, когда на уровне или ниже уреза во-
да в водоемах находятся мягкие породы вскрыши карьеров. Ввиду наличия
постоянной подпитки они находятся во влагонасыщенном состоянии и их уда-
ление, а следовательно, вскрытие месторождения, обычными (механически-
ми) способами практически невозможно. При разработке месторождений в
подобных условиях вскрышные породы удаляются либо гидроспоообом, либо
после их осушения с помощью специальных водооградительных или водопони-
жающих систем, локализующих карьерное поле от поступления влаги извне
обычными способами.
Стоимость гидровскрышных работ еще недостаточно высока, а техноло-
гия громоздка, поскольку требует развития специального гидронапорного
и гвдротранспортного хозяйства, а также наличия значительных по размерам
и удаленных от карьера площадей под гидроотвалы. В ряде случаев, когда
вскрышные водооснащенные поля встречаются уже в процессе разработки мес-
торождения, переход на гидровскрышу влечет за собой большие капитальныеu
затраты и перестройку технологического цикла предприятий.
Технологическое мелиорирование грунтов вскрыши принципиально воз-
можно несколькими способами: искусственным изменением состава грунтов
введением различных добавок, регулированием уровня воды посредством дре-
нажных систем, хотя последнее малоэффективно ввиду наличия постоянной
подпитки, регулированием физического состояния грунтов, их технологичес-
кой переработкой и др. Вместе с тем, большинство указанных способов дают
наиболее существенный эффект при техническом мелиорировании грунтов ес-
тественной влажности либо при незначительном их влагонасыщении.
Применительно к грунтам повышенной влажности был разработан и апро-
бирован метод создания водооградительных экранов энергией взрыва в водо-
насышенных грунтах при наличии постоянной их подпитки.
1 Настоящий параграф написан при участии В.А.Плаксия.
170
При взрыве заряда в определенной области грунта, кая показано вы-
ше, происходит отгон воды и переупаковка твердой фазы с образованием
менее пористого массива на определенных расстояниях от очага взрыва.
Эта область грунта и должна служить водоупором, снижавшим в несколько
(до 10) раз фильтрацив воды и обеспечивавшим большую устойчивость мас-
сива. Такой водоупорный слой, создаваемый по контуру карьерного поля
или со стороны вероятного водопритока, отсекает пути миграции влаги и
создает условия для мелиорирования и последующей разработки грунта
обычными способами.
Для создания водоупорных экранов принципиально возможно применение
различных типов зарядов - плоских накладных, вертикальных и горизонталь-
ных удлиненных и т.д. Однако по ряду технологических преимуществ наибо-
лее целесообразно применять траншейные горизонтальные заряды.
Уплотненная зона, образуемая действием вертикальных и удлиненных
зарядов,- рассчитывается с учетом следующих основных предпосылок: взрыв
происходит в неограниченной среде, среду считаем изотропным упругим те-
лом, потенциальная энергия химического превращения взрывчатого вещества
полностью переходит в потенциальную энергию упругого деформирования грун-
та.
Потенциальная энергия упругой деформации грунта
/'‘JJft'oW,	(П.14)
где UV - элементарный объем; Ug- потенциальная упругая энергия единицы
объема.
Энергия Ug определяется следующим образом:
Uo = JHr£2-	(1У.15)
Здесь Ку - модуль объемного сжатия грунта. При этом
< = -------; £ =	, к в (п. 16)
2? 2 г
где 6 - модуль сдвига.
Рациональное напряжение изменяется с расстоянием от взрыва следующим
образом:	, г
,	(1У.17)
где экспериментальные коэффициенты, зависящие от типа грунта.
Проинтегрируем (1У.14) с учетом (1У.15) - (1У.17):
Z/к//д 	(ТУ.18)
О а	4 '
Энергия (1У.18) согласно принятым условиям должна быть равна энергии
химического разложения ВВ, т.е.
U.. 1Сл - гя r/fse ’	(ПЛЭ)
оВ " ВВ 9 у а а
где Ugg- удельная энергия конкретного ВВ; /дд- объемный вес ВВ.
Решая совместно (ТУ.18) и (ТУ.19) относительно радиуса полости,
/	2	2	\
получаем	/ Kg К? К2
Г" ” I USS Гвй )	‘	<1У-20)
Полагаем, что элементарный объем грунта из области, ограниченной
радиусом получаемой взрывом полости, полностью перемещается в уплотнен-
ную эону. Тогда закон сохранения массы для уплотнейнрй эоны записывает-
ся в общем виде как	171
7	9	П
я(хп '	/<.Я)гЯГ4Я,	(1У.21)
где />(Я)- текушая плотность в уплотненной зоне на расстоянии Я от
взрыва.
Решение уравнения (ГУ.21) относительно Яп аналитически затрудни-
тельно, поэтому вводим допущение, согласно которому деформация’ грунта
в уплотненной эоне постоянна и составляет
£ =7 - —,
т Гм
где Гм~ постоянная усредненная плотность грунта в уплотненной эоне.
Тоща закон сохранения массы запишется в виде
=	2	=	7	.	(17.22)
Решая (1У.22) относительно редцуоа уплотненной эоны с учетом (1У.20)
Получаем	/ к к2 \ ы
п  \2Л£м Чм ГйЯ / * '	(1у-23)
\ гп U 1 So /
Формула (17.23) позволяет определять радиус уплотненной зоны, об-
разуемой взрывом удлиненных цилиндрических зарядов камуфлетного дейст-
вия в зависимости от радиуса заряда, типа ВВ и свойств среды.
При действии взрыва на выброс ( траншейные горизонтальные заряды)
эона уплотнения грунта в бортах получаемой горизонтальной выемки изме-
няется с глубиной. Поэтому, следуя Г.И.Покровокому £$3}, для этого типа
зарядов введем в формулу (17.23) поправочный коэффициент, состоящий из
отношения иирины воронки Dg к ее глубине ftg , на которой неблвдается эо-
на максимальной деформации грунта.
Тогда формула (I7.2J)) приобретает вид
яп =, V' **—-г	ri •	<1у-24)
ивв fSt /	&
Выразим Dg через показатель действия взрыва ft и глубину эаложе-
JS = 2пМ •	(17.25)
Подставляя (17.25) в (17.24) и переходя от рндиуоа заряда и расходу
ВВ на I пог.м, получаем
х -[ V *7 *2
\ 2 Я Я/п 11 ts ?8t
Таким образом, формула (ГУ.26) позволяет рассчитывать размеры уп-
лотнеаной взрывом эоны в функции параметров заряда и свойств среды для
траншейных горизонтальных зарядов выброса. Используя (1У.24) и (ГУ.26),
можно также рассчитать заряд ВВ, исходя из требуемых размеров уплотненной
эоны применительно к конкретным условиям водоограждения.
Апробирование взрывного метода устройства водозащитных экранов в
обводненных несвязных грунтах с использованием энергии взрыва осуществля-
лось во вскрышных породах карьера * 4 треста "Укрцорстройматериалы".
Породы вскрыши карьера представлены мелкозернистыми водонасышенными пес-
ками типа плывунов (свободная пористость до 10% при плотности 1,9 г/см8).
Толща вскрилных пород мощность») до 18 м полностью обводнена (за иоключе-
172
нием верхнего слоя толщиной около 1-2 м). Существует постоянно дейст-
вующая подпитка пород из близкорасположенных лесных озер и протекающей
по контуру карьерного поля р.Рось. Водозащитный экран для предотвраще-
ния поступления влаги во вскрышное поле карьера создавался взрывом тран-
шейных зарядов выброса о образованием выработки по контуру поля со сто-
роны источников подпитки- По первому варианту заряд ВВ помещался в тран-
шеи глубиной 1,9 - 2,2 м и засыпался грунтом. Поскольку предельная мощ-
ность уплотненной зоны для данного конкретного случая определялась мощ-
ностью вскрыпных пород (До перехода в коренные изверженные породы), за-
ряд
рассчитывался о учетам приведении выше зависимостей по формуле
Л =	.	(1У.27)
п *)ПгНг I к2 X к2	/ п
V к;
Вес заряда в конкретных условиях составил 55 кг/пог.м при ^=6ш
Н = 1,9 м.
В результате взрыва была получена профильная выемка сечением 30 м^,
размеры которой приведены на рис.Пв. Как видно из рисунка, в дне выем-
ки водонасыщенный несвязный грунт (плывун) расположен почти у самого
контура; с удалением от вертикальной оси выемки уровень плывуна отходит
от ее контура, приближаясь на определенных расстояниях к естественному
уровню залегания (кривая 2). Это свидетельствует о том, что в бортах
выемки произошла деформация грунтовых слоев с отгоном жидкой фазы. Более
поздние изменения (кривая 3) указывают на дальнейшее понижение уровня
воды в бортах выемки, причем не только со стороны массива, но и со сторо-
ны источников влаги.
Рис.118. Профиль горизонтальной Рис.119..Схема к расчету параметров
экранирующей выемки, образованной	экрана.
взрывом:
I - уровень грунтовых вод до
взрыва; г - го же после взрыва;
3 - то же через 4 месяца.
Дополнительным свидетельством наличия уплотненной эоны вокруг выем-
ки служат замеры уровня воды в ней. Непосредственно после взрыва в ре-
зультате перераспределения остаточных напряжений в грунтовом массиве,
окружающем заряд, происходит вытеснение части воды в отдаленные слои
грунта и выемку. Такое явление отмечено и в неводонасышенных грунтах, но
в меньшей мере. В нашем эксперименте уровень воды в выемках после взрыва
составил 0,4 м и далее практически не изменялся, т.е. фильтрации воды из
окружающего грунта в выемку или из выемки в борта ее не происходило.
I7M
Некоторые колебания уровня воды можно отнести лишь за счет атмосферных
осадков и испарения.
Отмеченные факты свидетельствуют о том, что созданная взрывом эона
служит достаточно надежным водоупором, препятствующим фильтрации воды
из источников подпитки.
‘Следует отметить, что описанная технология пригодна лишь в тех слу-
чаях, когда мощность вскрышных пород, подлежащих мелиорированию, не пре-
вышает 6-7 м, поскольку при большей мощности производство взрывных работ
траншейными зарядами технически сложно в связи с увеличением потребной
глубины траншей. Для этих условий отработана и прошла апробирование ме-
тодика устройства экрана в виде непрерывной цепочки шурфов на полную
глубину вскрыши. Шурфы образуются в мягких породах действием взрыва вер-
тикальных удлиненных зарядов камуфлета. Известно, что при взрыве таких
зарядов в массиве грунта образуется полость (шурф), радиус которой мож-
но определить из выражения
гп - Кгр	,	(1У.28)
где Кгр - коэффициент, учитывавший свойства грунта, или показатель кон-
систенции; г - коэффициент, характеризующий свойства ВВ.
Коэффициент Кзависит главным образом от пластических свойств
грунта и определяется следующим образом;
<"•“>
где Nr- влажность на пределе текучести, %.
Как и в ранее описанной технологии (с использованием горизонталь-
ных траншейных зарядов), вокруг шурфов взрывом создается уплотненная
эона, размеры которой составляют (80-140)	. Таким образом, экран, соз-
даваемый взрывом вертикальных цилиндрических зарядов, состоит из шурфов,
диаметр которых приблизительно равен 10 диаметрам заряда, и зон уплотне-
ния вокруг них. Определяющим параметром экрана при заданном расходе ВВ
на I пог.м скважины является расстояние между ними. Это расстояние долж-
но выбираться так, чтобы эоны уплотнения, получаемые при взрыве, взаим-
но перекрывались (рис.119).
В общем виде, принимая п=КнКп'л пользуясь известными соотношения-
ми, можно записать
1 ~ 
(1У.30)
Поскольку при Вн-~ 0	— /(^коэффициент выражает степень перекры-
тия эон уплотнения. Считая на основе анализа зависимости (1У.30), что
при 0,75 создается практически плоский фронт уплотнения на его гра-
нице, получаем выражение для определения расстояния между скважинами в
экране
^ = 1,32^	(1У.31)
или с учетом , выраженного через расход ВВ на I пог.м вертикального
удлиненного заряда, а при Вп = 100 Zj
Вр- 1,85у/£ 
Экспериментальная проверка метода осуществлялась на участке покрыли
Ольшаницкого карьера при глубине последней 10 м и более. Скважины для
174
размещения зарядов бурилась станком типа УРБ-2А на полную ижность
вскрыши. Поскольку массив представлял собой недонасыщенный песок, пере-
межающийся с глинистыми прослойками, скважины бурились с глинистым раст-
вором консистенции 1:6. Раствор в процессе бурения при вращении бурово-
го става цементировал стенки скважин, придавая им необходимую устойчи-
вость. Заряд монтировался из шашек тротила (Т-400) путем нанизывания
их на две нити ДИ. В скважину заливалось жидкое стекло, которое взрывом
иньектировалось в уплотненную зону грунта с целью ее консолидации. Рас-
стояние между скважинами рассчитывалось по формуле (1У.31) и составляло
3,5-4,0 м. В результате взрывов зарядов по описанной технологии был об-
разован экран обшей протяженностью около 150 м.
Чтобы определить эффективность уплотнявшего действия взрыва верти-
кальных зарядов проводились специальные исследования. Использовался ме-
тод сейсмокаротажа, основанный на известной зависимости между скоростью
распространения фронта возмущения в среде (в данном случае в грунте) и
ее плотностью. Измерения проводились в обычной схеме. Датчики типа СПЭД
посылались в специально пробуренные скважины глубиной 3 м, на этой же
глубине производился взрыв заряда ВВ весом 1,2 кг. Результаты обработки
осциллограмм, полученных на осциллографе Н-700, приведены на рис.120.
Рис.120. Изменение скорости фронта
упругих волн в уплотненной зоне.
Видно, что в ближней эоне взрыва имеет место разуплотненная область
грунта (зона пониженных скоростей распространения фронта возмущения).
Эту зону можно отождествить с областью тиксотропного разжижения грунта,
известной в практике производства взрывных работ в водонасыщенных грун-
тах. Далее имеет место зона повышенных скоростей, достигающая максимума
на расстояниях порядка 7-8 м от оси заряда, после чего скорости начина-
ют уменьшаться до уровня, характеризующего естественное состояние грунта
(1700 м/сек). Таким образом, данные экспериментальных исследований поз-
волили установить наличие вокруг заряда ВВ уплотненной взрывом эоны (эо-
на повышенных скоростей), параметры которой, по имеющимся данным, позво-
ляют снизить фильтрацию воды в пять - семь раз.
175
4. Использование энергии взрыва при мелиоративном
строительстве в водонасыщенных минеральных
грунтах
В настоящее время можно констатировать, что объемы работ в водона-
сышенных грунтах по сравнению с объемами работ в грунтах естественно-
воздушной влажности значительно меньше. Причиной этого является как не-
достаточная изученность самих эффектов, вызываемых в обводненных грунтах
действием взрывных нагрузок, так и отсутствие ввиду этого разработанных
методов инженерных расчетов параметров производства взрывных работ.
Поскольку большинство аналитических решений до действию зарядов ВВ
в водонасыщенных грунтах, в том числе и приведенное выше, базируются
лишь на учете силового параметра взрывных волн, процессы, сопутствующие
развитию воронок выброса, описываются недостаточно полно, а поэтому точ-
ность выполняемых с их поиэшью расчетов часто не отвечает поставленной
задаче. Кроме того, конечные выражения таких решений в большинстве сво-
ем имеют сложный вид, что затрудняет их использование в инженерной прак-
тике. Поэтому на современном этапе развития теоретических работ в ряде
случаев оправдан эмпирический подход к расчету действия взрыва, который
предусматривает получение из натурных иэдельных экспериментов простых
инженерных зависимостей между параметрами заряда ВВ и создаваемых взры-
вом инженерных сооружений. Связь между этими параметрами в наиболее об-
щих случаях устанавливается через определенные физические константы
грунта.
Ниже приведены результаты подобных натурных исследований, выполнен-
ных в водонасыщенной супеси.
Отметим обший характер действия одиночного заряда выброса в грун-
тах. Общепринятая схема действия зарядов в грунте предусматривает учас-
тие двойного механизма - выброса и уплотнения. В соответствии с этим и
объем выемки слагается в общем виде из объема грунта, выбрасываемого за
пределы выемки, и объема, достигаемого после уплотнения грунта под дей-
ствием взрыва. Для сухих грунтов видимый объем выемки мало отличается
от фактически получаемого при оптимальных показателях действия взрыва,
т.е. обратная подсыпка выемки грунтов незначительна. При технологичес-
ких взрывах и обводненных грунтах видимые размеры выемок (глубина и
объем) значительно меньше фактических. Как правило, видимая глубина
соответствует глубине заложения заряда (/^), т.е. выработка преимущест-
венно формируется за счет объема грунта, первоначально расположенного
над зарядом и выбрасываемого им за пределы контура. Существенного прира-
щения видимой глубины выемки под зарядом в результате уплотняющего дей-
ствия, характерного для общей схемы действия взрыва, в обводненных грун-
тах не происходит (по полученным данным, исключение составляют условия,
когда заряд ВВ располагается выше уровня стояния грунтовых вод). Объем,
ограниченный по глубине разностью между фактической и видимой глубиной
выемки, состоит из грунта, находящегося в тиксотропно-превращенном сос-
тоянии, и частично из грунта, оползающего с бортов в связи с потерей не-
которым его объемом устойчивости. Кроме того, какая-то часть выбрасывае-
мого взрывом грунта возвращается в выемку под действием силы тяжести,
176
однако это количество существенно не зависит от степени его водонасы-
шенности.
В структурно-физическом отношении заполняющий выемку грунт представ-
ляет собой тиксотропное тело с отсутствующими связями мевду элементами
структуры. Обратная тиксотропия или консолидация грунта такого типа
осуществляется в результате оттока влаги, который может длиться долгое
время (до месяца).
Придание выемке соответствующего устойчивого профиля может проис-
ходить вследствие самоочистки тиксотропной массы при эксплуатапии, а
также при повторном взрыве в уже образованной выемке горизонтального
цилиндрического заряда, размещаемого к тиксотропной массе. Эксперимен-
тальными исследованиями показано, что размер] тиксотропной зоны зави-
сят от глубины заложения оси горизонтального цилиндрического заряда от-
носительно дневной поверхности и уровня стояния грунтовых вод. Общая
закономерность состоит в том, что с увеличением глубины заложения раз-
внраженные через отношение видимой глубины тран-
), увеличиваются (рис.121).
меры тиксотропной зоны,
шеи к фактической
Рис.121. Зависимость отношения/^ Рис.122. Влияние расположения заря-
и показателя действия взрыва л да, относительно уровня грунтовых
от глубины заложения заряда.	вод, на сечение выемки.
Г.М.Ляховым /33, 34/ при взрывании в водонасыщенных песках было об-
наружено уменьшение зоны тиксотропного разжижения и времени пребывания
песка в разжиженном состоянии при уменьшении глубины заложения сферичес-
ких зарядов. По-ввдимому, это явление связано о общим ослаблением дей-
ствия взрыва на массив грунта. Отмечено также, что при расположении за-
ряда ВВ ниже уровня грунтовой воды во всех случаях в выемках образуется
определенный объем тиксотропной массы грунта. При расположении заряда
на уровне капиллярной каймы и выше разжижения грунта не наблюдается.
Поэтому в ряде случаев заряд, располагаемый несколько выше уровня грун-
товых вод, при меньшем обеспечивает получение более глубокой выемки
по сравнению с более заглубленным зарядом , однако располагаемым
в пределах водонасншенной массы грунта (рис.1^2). Так, при взвывании
контурных траншей на Ольшаницком карьере горизонтальный заряд располагал-
177
ся на глубине 1,9 м, а уровень грунтовой води находился на глубине
2,1 - 2,2 м, т.е. заряд находился в пределах капиллярной каймы. Грунт
чроработался взрывом нн глубину а - 4,5 м, что значительно ниже уровня
грунтовых вод, однако профиль траншеи был устойчивым, сползания ее бор-
тов не наблюдалось, тиксотропное разжижение по дну и в бортах отсут-
ствовало.
На рис.123 приведены зависимости, характеризующие изменение основ-
ных параметров траншей,полученных взрывами горизонтальных зарядов выбро-
са в водонасышенной супеси. Из рисунка следует, что фактическая глуби-
на горизонтальных выемок увеличивается с увеличением глубины заложения
заряда неоднозначно. При увеличении до (30-40)/^ имеет место интен-
сивный рост глубины к простреливаемость водонасышенной супеси находится
примерно на одном и том же уровне, причем по сравнении, например, с суг-
линками естественно-воздушной влажности она выше на 40 - 50%. С увели-
чением более (40-50) простреливаемость уменьшается, рост факти-
ческой глубины выемок в связи с увеличением замедляется, хотя измене-
ния знака кривизны или характера функции = п () достичь не удалось.
При глубине заложения заряда свыше (55-60) простреливаемость водона-
снщенной супеси примерно равна простреливаемости сравниваемого суглинка
в неводонаснщенном состоянии, поскольку глубина выемок становится при-
мерно одинаковой.
Рис.124. Изменение основных
параметров выемок от расстоя-
ния между спаренными заряда-
ми ВВ: сплошные кривые - во-
донасышенный грунт: штрихо-
вые - неводонасыщенный.
Рио.123. Влияние глубины
заложения заряда на удельный
расход ВВ и параметры обра-
зуемых выемок в радиусах
заряда.
Характер изменения видимой глубины выемок определяется приведенны-
ми выше данными об изменении размеров тиксотропной зоны в водонасышенном
минеральном грунте. Поэтому вначале до значений = (30-40) видимая
глубина увеличивается, а затем уменьшается; выемки все больше заполняют-
ся тиксотропной массой, грунтом, оплывающим из бортов выемок и частично
возвращающимся под действием силы тяжести.
178
Зависимость размера полураствора горизонтальной траншеи от глубины
заложения заряда (см.рис.123) характерна наличием оптимума при Aj =
(30-40)	, причем этот оптимум практически совпадает со значениями
глубины заложения заряда в неводонасышенннх суглинках. Абсолютные же
размеры ширины горизонтальных траншей, получаемых в водонасышенной су-
песи взрывом почти в два раза превосходят аналогичный параметр для не-
водонасышенных грунтов примерно того хе объемного веса при тех хе зна-
чениях .
Удельный расход ВВ, характеризующий энергоемкость выброса, имеет
минимум в области значений = (30-40)	(0,6 - 0,65 кг/м3), не пре-
вышая при других значениях I кг/м3, что в два раза и более меньше по
сравнению с грунтами естественно-воздушной влажности той хе плотности
и в 3-3,5 раза меньше, чем в пересушенных грунтах типа суглинков, супе-
сей и глин.
Показатель действия взрыва для рассматриваемых грунтов изменяется
в соответствии с изменением рассмотренных выше параметров и уменьшается
при заглублении заряда относительно уровня дневной поверхности (см.
рис.125).
Суммируя приведенные выше данные об изменении основных технологи-
ческих параметров выемок, образуемых в водонасыщенном минеральном грун-
те действием взрыва горизонтальных траншейных зарядов, отмечаем область
оптимальных значений глубины заложения заряда	(30-40)-^ . Это
значение епг соответствует показателю действия взрыва п= 2,2+3, удель-
ному расходу ВВ 0,6 - 0,65 кг/м3 и наибольшему полураствору траншеи по
верху //2 = (90т95)	.
Аналитические зависимости, характеризующие изменение рассмотренных
величин для водонасыщенного минерального грунта, записываются в ваде
П = 75 - 0,96;	(1У.32)
С„= 0,95 п2Н}г.	(1У.ЗЗ)
В практике производства технологических взрывов в грунтах часто
встречаются задачи, требующие получения выемок значительной ширины (до
100 м и более) при отношении глубины к ширине по верху 1:5+1:8. Получение
таких выемок взрыванием одного траншейного заряда практически невозможно.
В этих случаях выемки формируются взрывом друх или нескольких зарядов,
располагаемых параллельно.
На рис.124 показано изменение основных параметров выемок, получен-
ных спаренными зарядами в водонасыщенных супесях, в зависимости от рас-
стояния между ними т^=а/М. Следует иметь в виду, что увеличение рас-
стояния между зарядами выше /лу= 3 в водонасцщенном грунте приводит к
образованию существенного по размерам порога между выемками, т.е. о этих
значений заряды все больше начинают действовать как самостоятельные.
Из рис.124 следует, что в видимая и фактическая глубины выемки незначи-
тельно уменьшаются с ростом расстояния между двумя одновременно взрывае-
мыми зарядами, а ширина по верху и по низу имеет максимум в области
2+2,5, причем максимум для обводненных грунтов смешен в сторону
больших расстояний по сравнению с необводненными.
179
Известно, что одним из способов, повышающих эффективность взрыва
в сухих грунтах, является применение воздушных оболочек и промежутков
/6, 35/. При равном весе заряда применение оболочек увеличивает объемы
получаемых взрывом выемок на 20-30%. Нами были проведены исследования
с использованием воздушных оболочек при взрывании горизонтальных заря-
дов в водонасыщенных минеральных грунтах (супеси). Подрывались заряды
одинаковых длины и веса при одной и той же глубине заложения относитель-
но дневной поверхности. Оболочка создавалась из рукава полиэтиленовой
пленки, в которой закачивался воздух. Объем воздушной оболочки изменял-
ся от 50 до 630% относительно объема горизонтального заряда. Эффектив-
ность действия оболочек определялась по измерениям параметров образуе-
мых выемок и массовым смещениям грунта вблизи заряда, записываемым дат-
чиками ВБП-Ш в массиве на глубине расположения заряда. Эталонными слу-
жили данные взрыва равного по мощности заряда без воздушной оболочки.
Рис. 126. Изменение смешений и ско.
ростей смешений для выделенного
сечения массива в зависимости от
величины воздушной оболочки.
Рис.125. Изменение сечений выемок
в зависимости от величины воздушной
оболочки (ВО).
На рис.125 приведено изменение сечений выемок, а на рис.126 - сме-
щений и скоростей смешений для выделенного сечения массива (200) в
зависимости от величины воздушной оболочки. Из анализа рис.125 следует,
что существуют определенные значения соотношения при которых
разница между видимым сечением и фактическим	минимальна (0; 150-
200 , 420-500%). Поскольку сечение определяется величинами и /^,,в
данном случае имеют место минимальные размеры тиксотропных эон грунта.
Из сопоставления рис.125 и 126 видно, что имеется определенное качест-
венное подобие в зависимости- смещений, скоростей смешений и сечений
выемок от величины оболочки. Так, при наращивании объема оболочки от
нуля до определенных пределов наблюдается рост перечисленных параметров,
затем их уменьшение, а затем увеличение в определенном диапазоне соотно-
шений Значение первого максимума не намного отличается от тех же
значений, полученных для грунтов естественно-воздушной влажности /7, 87,
и объясняется, по-видимому тем же эффектом - снижением пиковых эначе-
180
вий начальных давлений продуктов детонации, реализуемых на контакте с
породным массивом,и увеличением времени действия импульса. Второй мак-
симум связан, вероятно, о характерным расположением заряда ВВ в оболоч-
ке (рис.127), откуда предполагается наличие кумулятивного эффеита, кон-
центрации напряжений в сторону свободной поверхности, что приводит к
направленному изменению потока энергии ВВ по оечению. Это пространствен-
ное перераспределение потока энергии влияет как на кинематические (сме-
щение, скорость смещения), так и на деформативные (размеры зоны тиксо-
тропного состояния) параметры и определяет размеры получаемых выемок.
Не оценивая приведенные данные как
бесспорные, полагаем, что они свиде-
тельствуют о значительном влиянии
конструкции заряда и режима приложе-
ния к массиву взрывного импульса на
технологические параметры создавае-
мых взрывом инженерных сооружений.
Остановимся на некоторых резуль-
татах опытно-промышленных работ по
использованию взрыва горизонтальных
траншейных зарядов ВВ в минеральных
водонасышенных грунтах. Опытно-про-
мышленные взрывы проводились на строи-
тельстве Камышево-Караванинского вод-
ного тракта Лимансиого р-на Астрахан-
ской обл. и водопроводящего канала
рыбхоза "Локтыши" в пойме р.Лань в
Белоруссии^.
Рис.127. Расположение заряда
ВВ (I) в воздушной оболочке (2).
Первые работы были обусловлены необходимостью срочного ввода кана-
ла в эксплуатацию и неблагоприятными гидрологическими условиями местнос-
ти для выполнения работ механическим способом. Отметка дна канала нахо-
дится ниже уровня грунтовых вод на 2,0 - 2,5 м. Проектное поперечное
сечение канала на данном участке длиной 1,1 км составляло 180-210 м^.
Грунты трассы представлены суглинками на глубину до 3 м, ниже - глина-
ми до 5,0 - 5,5 м, а под глиной - песками, насыщенными водой. Второй
опыт был обусловлен необходимостью проверки возможности получения вые-
мок, не требупцих механической доработки, с поперечным сечением 100 м^
и более взрывным способом в водонасыщенных грунтах.
Трассы канала на отдельных участках пересекали надпойменную терра-
су и флювиогинальную равнину. Абсолютные отметки колебались в пределах
150 - I(Ю м, причем наиболее низкие были приурочены к поймам рек.Грунты
представлены торфом,оторфованными минеральными отлоиениями,илом,песками
различного гранулометрического состава, супесями, суглинками. На опытном
участке трассы канала с поверхности залегает торф мощностью 0,3 - 1,2 м.
Пески залегают под торфом ‘с поверхности, а на отдельных участках пере-
крыты аллювиальными супесями мощностью 0,5 - 1,0 м. Пески преимуществен-
но мелкие и пылеватые с линзами и прослоями на разной глубине средних,
Б проведении опытных работ принимали участие Б.П.Андреев и
В.Д.Бигдаш.
181
крупных, гравилйстых оупесей, суглинков и илов. Мощность песчаной тол-
щи колеблется от 0,9 до 12 м и белее. Илы в толще песков встречаются
обычно в виде маломощных линз, но в некоторых местах достигают 2 м.
Грунтовые воды в период проведения работ (летний период), залегали на
глубине 0,2 - 0,4 м. Коэффициент фильтрации вскрытых по трассе песков
колебался от 0,00019 до 0,0443 см/сек.
Проектами предумвт [жвало сь строительство участков каналов мето-
дом непрерывных траншейных зарядов выброса. В качестве взрывчатых ве-
ществ для проведения взрывных работ на участке Камышово-Караваненского
водного тракта применялся игданит, изготовленный на месте из аммиачной
селитры и дизельного топлива. На участке водопроводящего канала рыбхоза
"Локтыши" заряд составлялся из списанных боевых зарядных отделений (БЗО)-
1 торпед и мин. Взрывчатым веществом БЗО является смесь тротила, гексо-
гена и аллюминия.
Инициирующими зарядами предусматривались тротиловые шашки, вес ко-
торых составлял около 1% веса основного заряда.
Технология производства работ согласно проекту сводилась к следую-
щему. С помзшью экскаватора (обратная лопата или драглайн) проходилась
щель (эаряднан траншея) по оси будущего канала на расчетную глубину, за-
висящую от свойств грунта. В водонасыщенных грунтах и при применении не-
водоустойчивых ВВ дно зарядной траншеи устраивалось выше уровня грунто-
вых вод на 10 - 20 ом. На дно траншеи укладывался заряд, устанавливались
боевики, щель засыпалась, монтировалась взрывная сеть, и заряд подрывал-
ся.
Погонный вес заряца рассчитывался по приведенным выше зависимостям.
Для этого параметры и л приняты из следующих условий: линия наимень-
шего сопротивления из соотношения W^=b/2n\ глубина зарядной траншеи -
меньше линии наименьшего сопротивления на 0,5 - 1,9 м ввиду высокого
уровня грунтовых вод, а также использования неводоустойчивого ВВ - игда-
вита, который при полном насыщении водой теряет свои взрывные свойства.
Показатель действия взрыва Л для сжимаемых грунтов принят равным 3,5,
а для несжимаемых - 4. Такая величина показателя действия взрыва обус-
ловлена необходимостью получения проектных откосов нанала 1:3 и ширины
по верху 30 - 50 м при глубине его в сжимаемых грунтах 6 - 8 м, в несжи-
маемых - 3,5 - 4,0 м и соответственно шириной по низу 6 и 15 м.
При проведении опытных работ были допущены отступления от проектных
данных. Ввиду поднятия урожя грунтовых вод выше разведочных данных, за-
ряд был улоиен выше проектных отметок на 0,2 - 0,8 м (рис.128). Заряд
состоял из мешков селитры, установленных на дно траншеи вплотную друг
к другу с последующей заливкой дизельного топлива. Проектный расход иг-
даяитн на I пог.м составил в среднем 700 кг. В результате проведения
трех взрывов получен участок канала длиной 1,1 км с объемом выемки
187 тыс.м9. Полученные параметры выемки обеспечивали проектное сечение
канала.
При проведении опытно-промышленных взрывов на участках канала Но-
вая Лань (перепуск) и водопроводяшего канала Я I глубина зарядной тран-
шеи составила оголо 2,5 м. Большей глубины достичь било невозможно из-
182
sa оплывания стенок. Черва 2-3 ч после проходки глубина аарндиой тран-
шей становилась равной 1,5 - I,в м и заполнялась частично водой. По ис-
течении 10 - 12 ч траншея заполнялась водой до уровня ее стояния в грун-
те. Средний поговный расход ВВ составил 190 кг, глубина заложенных БЗО -
в среднем 1,8 м. Боевики устанавливались черва 5-10 изделий. Вес одно-
го боевика составлял 2,5 - 4,0 кг. После установки боевики присыпались
грунтом вручную, а вся траншея засыпалась бульдозером. В местях заполне-
ния водой на полную глубину траншея не засыпалась.
Рис.128. Проектные сечения полученного взрывом канала Камы-
шово-Караванинского тракта.
Взрывная сеть состояла из двух нитей ДЕ с присоединенными к ней
выводами ДЕ от боевиков, инициируемых двумя последовательно присоединен-
ными электродетонаторами.
В результате подрыва трех зарядов получено два участка канала,
длиной 140 и 180 м с общим объемом выемки 38 000 м3 при проектном объе-
ме на этих участках 29 000 мэ.
Проведенные опытно-промышленные взрывы показали пригодность взрыв-
ной технологии с применением непрерывных траншейных зарядов игданита
для строительства выемок в минеральных грунтах, насыщенных водой на вы-
соту до 40# глубины канала, а также списанных боеприпасов, в том числе
БЗО мин и торпед, в водонасыщенных грунтах на всю глубину выемки.
Результаты указанных взрывов подтвердили преимущества взрывного
способа строительства каналов: высокую скорость проходки, сокращение
числа занятых на этих работах землеройных машин. При тщательной разработ-
ке и внедрении поточного метода ведения работ с применением дешевых ВВ
(игданитов) и списанных боеприпасов стоимость I м3 разработанного грун-
183
та можно довести до стоимости разработки механическим способом, а в от-
дельных случаях и до более низкой.
5. Взрывные работы в органо-минеральных
водонасыщенных грунтах^
Основными видами работ в водонасыщенных органо-минеральных грунтах,
выполняемых при помощи энергии взрыва, являются проходка дренажных трав-
вей при мелиорировании земель, проходка водоспускных и воднотранспорт-
ных каналов, посадка насыпей на минеральное дно болот при строительстве
дорог в сложных условиях, ускорение процесса осушения заболоченных и
эаторфо ванных площадей микровзрывами по осушаемым площадям и ряд других
прикладных работ в мелиорации и строительстве.
Расчет параметров заряда ВВ и выбор их конструкции осуществляются
с учетом конкретных геологических условий и технологических требований
объекта.
Для проведения взрывных работ о целью получения каналов и траншей
могут использоваться система сосредоточенных зарядов и непрерывные го-
ризонтальные заряды выброса. Известны общие преимущества горизонталь-
ных непрерывных зарядов по сравнению с сосредоточенными как в плане
уплотняющего эффекта, так и по технологическим признакам. Однако при
ведении взрывных работ на болотах приходится считаться с малой прохо-
димостью техники на этих грунтах, а поэтому использование машин и меха-
низмов для проходки траншей под горизонтальные заряды зачастую становит-
ся маловероятным либо исключается вообще. Поэтому, если к создаваемым
взрывом траншеям и каналам не предъявляются жесткие требования в отно-
шении ровности дна, выгоднее использовать пепочки сосредоточенных сква-
жинных зарядов, так как создание выемок такими зарядами проще. Во всех
остальных случаях, если проектная глубина канала обеспечивается возмож-
ностями землеройной техники по глубине заложения зарядной траншеи, сле-
дует применять горизонтальные непрерывные заряды ВВ.
Н.М.Сытым на основании большого количества экспериментальных взры-
вов в обводненных, в том числе и заболоченных, грунтах /5з7 предложены
. эмпирические зависимости, связывающие параметры траншей и горизонталь-
ных зарядов из пироксилиновых порохов:
при проектной глубине траншеи до 1,5 м
f ,	(П.ЗЗ)
при проектной глубине более 1,5 и
1,9Hy/Hlm+lrTr ,	(ТУ.34)
где п‘- показатель откоса бортов траншей; л- отношение ширины канала
по дну к его глубине (проект).
Глубина заложения заряда определяется ооответственио
= °’ ’5y/df, ;	(1У.35)
И =	.	(П.36)
К.А.Седокур, исследуя грунты влажностью около 90^, рекомендует
следующие зависимости /467: оптимальная глубина заложения заряда
1 Настоящий параграф написан при участии В.А.Пурина.
18-1
: ПРИ оптимальном глубина траншеи Н = 23	; ширина
траншеи по верху b = 100 d{ ; ширина по низу bj = 24 d^ , расход ВВ
(порох) на I м9 выброшенного грунта при d* = 25 мм,- = 0,3 кг/м3;
при d^ = ВО мм, 0,7 кг/м3. При поперечное сечение траншеи
5= 0,746 НЬ,	""Г	(11.37)
диаметр наряда дан получения проектного профиля
4 ° \! ~h~Hb ’	(17,38’
где рп - объемный вео пороха.
Ю.А.Химерии уточняет зависимости, предложенные Н.М.Сытым, следую-
щим образом /6О7:	,	,—,
d}-3Hy/(n^nr :	(ТУ.39)
Д' = 0,52yJH2(n't1) j '.	(ТУ.40)
При произведении взрывных работ по торфяникам разной степени разло-
женности рекомендуется пользоваться такие другими эмпирическими соотно-
шениями /19/. Погонный вес горизонтального заряда определяется по фор-
МуЛ®	Сп=Ак^2М,
п С } '	(П.41)
где - коэффициент, зависящий от свойств грунта, для ореднеразложен-
ного торфа Z, = 0,5 + 0,7; М - функция показателя действия взрыва п ,
М - п2+ 0,4 (п-1).	(ТУ.42)
Видимая глубина выемки * К, где Лс* ° /сж у/~С^ ; кек =
0,35+0,45 для среднеразложенного торфа.
Нами были проведены исследования с целью нахождения оптимальных
значений , п, q и других характерных параметров при взрыве сосредо-
точенных зарядов в торфах со степенью разложенности 10-15. Постановка
экспериментов со сосредоточенными-зарядами объясняется тем, что в тор-
фах отрабатывалась новая технология получения зарядных траншей. Подры-
вались заряды тротила весом 0,2 и 0,4 кг при дубине их заложения отно-
сительно дневной поверхности = 5+15 (Л£=-^Л; г^= 0,053	).
Из рис.129 видно, что имеет место облает/оптимальных глубин зало-
жения заряда Л^ = 8+II г* , при соблюдении которых взрывом образуются
выемки с максимальными размерами при минимальной энергоемкости выброса.
Удельный расход ВВ на I м3 выброса для торфов степенью разложенности
10-15 составляет от 0,2 до 0,4 кг/м3, что почти в два раза меньше, чем
для водонасыщенных минеральных грунтов, в частности описанных выше су-
песей, и намного меньше, чем для грунтов естественно-воздушной влажнос-
ти. Отсюда очевидно роль ослабляющего действия воды на степень связан-
ности грунта. Для торфов более высокой степени разложения следует ожи-
дать еще большего снижения удельного расхода взрывчатых материалов.
Показатель действия взрыва в пределах оптимальных соотношений выброса
для этих грунтов равен 2 - 2,5.
Сравнивая полученные нами данные с данными, например, К.А.Седоку-
ра, приведенными выше, обнаруживаем их хорошую сходимость: оптимальная
глубина заложения заряда 8+11/^ ; при оптимальном глубина
выемки Н = 18+24	; ширина выемки по верху Ъ= 2К ~ 60/^ . Таким обра-
185
зон, имеется лишь некоторое расхождение в размерах подучаемых взрывом
выемок по верху (60 /у и 100 zj ). Последнее объясняется тем, что иссле-
дованный в наших опытах торф имел в верхней части дерновый слой мощ-
ность!) 8-10 см, что уменьшало раствор воронов выброса.
Рио.129. Изменение глубины ворон- Рис.130. Посадка насыпи о помощью
ки, радиуса по верху, удельного удлиненных горизонтальных зарядов:
расхода ВВ и показателя действия I - насыпь; 2 - заряд ВВ; 3 - ос-
взрыва от глубины заложения за- нование дорожного полотна.
ряда.
Используя совокупность точек изменения показателя действия взрыва
от глубины заложения заряда, получим связывающую их эмпирическую зави-
симость
П‘1,О5Й'’’2г.	(1У.43)
Решая относительно веса сферического заряда, в абсолютных значениях,
имеем
= п .	(1У.44)
Остановимся на некоторых прикладных задачах, решаемых в водонасы-
щенных органо-минеральных грунтах с использованием взрыва.
При строительстве автомобильных дорог на малоустойчивых грунтах
(заболоченные и заторфованные участки местности) возникает необходимость
удалить из профиля дороги по всему сечению полотна на полную глубину
неустойчивые водонасыщенные грунты и заместить этот объем кондиционным
минеральным грунтом, чаще всего песком. Целесообразность применения
взрывных методов особенно подкрепляется тем, что в этих случаях из тех-
нологического цикла можно исключить громоздкую, малопроходимую землерой-
ную технику. Водонасыщенные грунты мощностью до 4-6 м могут удаляться
из профиля полотна взрывом на выброс удлиненных горизонтальных зарядов
с боковой посадкой в образующуюся выемку (траншею) насыпей из кондицион-
ного грунта (рис.130). Преимущество такого способа посадки насыпей со-
186
стоит в том,что создаются условия для наиболее полного выброса обводнен-
ного грунта и равномерного нарушения соотояния предельного равновесия
его по фронту сажаемого объема грунта. Кроме того, создаются предпосыл-
ки для проведения работ большими заходками L , поскольку ограничением
длины заряда, а следовательно, и мощности взрыва являются лишь условия
безопасности по сейсмическому действию взрыва.
В зависимости от проектной ширины дороги для ее полной посадки
применяется несколько заходок с использованием горизонтальных зарядов
выброса. Максимальная ширина эаходки Л при оптимальном весе I пог.и
заряда и глубине его заложения до 4 м, чего до соответствующим расче-
там с учетом простреливаемэсти водонасншенного грунта достаточно для
обработки слоя мощностью до 6 м, составляет IB - 20 м. Увеличение ши-
рины разовой посадки сверх указанной сопровождается нерациональным пе-
рерасходом ВВ.
Для указанной глубины болот (4 - 6 м), а такие для органо-минераль-
ных грунтов высокой степени разложенности более 25 и при большей глуби-
не (до 7 - 6 м) используются также технологии, основанные на разжижении
этих грунтов действием взрывных волн сосредоточенным зарядом небольшой
мощности с посадкой минеральной насыпи через слой болотистого грунта
под действием силы тяжести путем многократного повышения проницаемости
слоя торфа при действии взрыва.
Рис.131. Схема посадки насыпи сос-
редоточенными зарядами небольшой
мощности:
а - фронтальная посадка с опе-
режавшим забоем; б - посадка сплош-
ной насыпи зарядами разжижения.
Рис. 132. Конструкция зарядов в
скважинах при разной гдубине тор-
фянистого слоя.
На рис.131 показаны некоторые технологические схемы производства
работ таким способом. Существенным преимуществом пооадки с использова-
нием сосредоточенных зарядов по рассматриваемой технологии является не-
значительный расход ВИ. За pnc.J32 показаны конструкция зарядов в сква-
жинах при разной глубине торфянистого слоя.
Расстояния между сосредоточенными зарядами в скважинах по высоте,
так же как ж расстояния между скважинами в плане, рассчитываются при
условии, что взрыв заряда радиусом гу в грунте создает поле напряжений
с известным законом затухания с расстоянием интенсивности силового пара-
метра на фронте б" . Тогда желаемые расстояния равны удвоенному радиусу
Xj , на котором напряжения на фронте волны равны характерному раэрушя)-
шему сопротивлению данного типа грунта <7.
5’	(1У>45)
При схемах проведения взрывных работ и конструкциях зарядов, при-
веденных на рис.131, 132, эти расстояния для торфов средней и выше сред-
ней степени разложеннрсти (более 25) при глубине слоя до 7 м и весе
одиночного заряда до 1,5 кг составляют 1,5 - 2м.
Опытные и промышленные посадки дорожных насыпей, выполненные Ли-
товским управлением дорожного строительства о участием авторов, показа-
ли, что стоимость дорожного полотна на минеральное дно с применением
схем, приведенных на рис.131, не превышает 0,25 - 0,3 руб/м3, Однако
их применение ограничено, как указывалось выше, глубиной торфов не бо-
лее 6 - 6 м и возможно для торфов со степенью разложенности не ниже 25.
Для сравнения укажем, что фактическая стоимость удаления торфяного слоя
глубиной до 5 м при механической выемке драглайнами с разгрузкой на сто-
рону составляет по отчетным данным дорожно-строительных организаций
Литовской ССР 0,57 руб/м3, а с перевозкой в отвалы - 0,85 руб/м3.
При мощности водонасышелннх органо-минеральных грунтов, подлежащих
удалению из основания дорожного полотна, свыше 7 - 8 м применение всех
описанных методов с использованием взрыва (горизонтальных зарядов, взры-
вов разжижения) сложно, а в большинстве случаев и неосуществимо, поэто-
му в этих случаях применяются лишь вертикальные скважинные и котловые
заряды выброса. Следует отметить, что при глубине болотного слоя свыше
6 - 6 м не могут быть использованы и все известные механические способы
удаления грунта из основания дороги, поэтому применение взрыва в таких
условиях является практически единственно реализуемым техническим реше-
нием. Так, при производстве посадок на глубоких болотах (до 16 - 18 м)
при строительстве дорог Вильнюс-Рига и Вильнюо-Каунас применялся метод
взрывной посадки камерными зарядами с фронтальным и боковым забоями.
На рис.133 показана технологическая схема боковой посадки дорожной
насыпи на участке дороги Каунас-Вильсок (от IK 187+20 до ГК 189+10).
Участок посадки представлял собой заболоченную местность с глубиной
болота 5 - 18 м. Общая ширина посадки составляла более I0U м, поэтому
посадка производилась несколькими заходками. Расстояние между заходка-
ми изменялось в зависимости от глубины скважин и мощности котлового за-
ряда в широких пределах - 25 - 60 м. Расстояния между скважинами (котло-
выми зарядами) изменялось в той же зависимости от 4 до 8 м. Заряды
взрывались сериями по 6 - 8 шт., причем общий вес зарядов в серии дости-
гал почти 6 т. Заряд ВВ состоял из мешков аммонита № 6 ЖВ, которые опу-
скались в скважину непосредственно после окончания ее проходки. Суммар-
ный вес заряда в скважине достигал почти 1400 кг, боевики устанавлива-
лись непосредственно в мешки.
188
Рис.133. Схема боковой посадки дорожной насыпи.
При взрыве серии зарядов выбрасываемый объем грунта немедленно
заполнялся посадочным материалом. Под действием взрыва и подпора сажае-
мого минерального грунта происходило интенсивное оттеснение водны из
торфяника на свободную поверхность со сжатием пространственного скеле-
та торфа в массиве (сокращением его пористости), поэтому объем посадки
был всегда больше объема грунта, выбрасываемого действием взрыва (рас-
четного) .
Приведенными экспериментальными исследованиями было показано, что
максимальные линейные размеры выемок (радиус воронок и их объем) при
взрывах одиночных сосредоточенных зарядов в торфах имеют место при глу-
бине заложения заряда = 0,5 - О,6у'7г (см.рис.129). Оптимальный по-
казатель действия взрыва при этом составляет 2,3 - 2,7. При таких пара-
метрах заряда удельный расход ВВ минимальный, он равен для среднеразло-
женных торфов 0,25 - 0,35 кг/м3. Однако взрывание серии зарядов этих
параметров для посадки технологически нецелесообразно, так как при этом
между зарядами в массиве грунта остаются значительные объемы невыброшен-
ного грунта. Последнее исключается технологическими требованиями, т.е.
посадка должна быть сплошной на полную глубину по всему профилю дорож-
ного полотна. Для устранения невыбрасываемых порогов расстояния между
зарядами были значительно сокращены. Это позволило несколько сократить
вес одиночных зарядов относительно расчетных при оптимальных величинах
/1^ и п , однако в целом энергонасышенность массива была относительно
высокой - средний удельный расход ВВ составлял 0,7 - 0,8 кг/м3. Исходя
из принятых конструктивных особенностей применявшиеся заряды нельзя
считать классическими зарядами выброса; их действие в массиве следует
рассматривать с точки зрения как выброса, так и рыхления (разжижения).
Примером фронтальной посадки насыпей котловыми зарядами выброса могут
служить взрывные работы на участке 16-го километра дороги Вильпюс-Рига.
189
Встреченное на этом участке болото глубиной 4 — В м бело пройдено опере-
жающим забоем от IE 166+25 до IE 169+30. Шаг заходки изменялся от 4 до
6 м и примерно соответствовал глубине болота, вес одиночного заряда сос-
тавлял 4 - 200 кг, а вес заряда в посадочной серии доходил до 1000 кг
ВВ; расстояние между зарядами в серии било 3 - 7 м. Стоимость взрывной
посадки насыпей с использованием взрыва котловых зарядов на глубоких
болотах составляла в среднем 0,57 руб/м3.
На участках автодорог, пройденных посадкой минерального грунта взры-
вом на устойчивое дно болот, были проведены контрольные измерения во вре-
мени по заполнению основания полотна и соответствия этого заполнения
проектным требованиям. Установлено, что на первой стадии заполнение про-
филя неполное как по'глубине (по краям полотна), так и по самому профилю.
Однако с течением времени (один месяц) происходит дополнительная усадка
грунта за счет консолидационного уплотнения и оттока влаги ; вытеснением
болотного грунта за пределы проектного профиля и полным егг заполнением.
В ряде случаев для ликвидации отдельных линз болотного грунта, главным
образом по краям полотна, проводились взрывы одиночных зарядов, однако
объем таких работ сравнительно невелик и в целом технологию взрывной по-
садки следует считать весьма эффективной. Поэтому объем посадочных работ
с использованием энергии взрыва, например, в Литовской ССР составляет бо-
лее I млн.м9.
Анализ процесса осушения торфяных залежей с помощью системы дренаж-
ных канав свидетельствует о наличии двух принципиально различных этапов
осушения. На первом этапе из грунта удаляется свободная гравитационная
влага /4/. Отток всего или почти всего количества влаги такого типа про-
исходит в течение первых 7-10 дней с момента проходки дренажных канав,
и за это время проектная просадка осушаемого участка осуществляется при-
мерно на 50%. На втором этапе происходит отток из торфа определенного
количества внутриклеточной влаги, в результате чего массив просаживает-
ся на всю проектную глубину, однако второй этап длится от одного года до
двух, а иногда и более лет. При этом в грунте остается еше некоторое ко-
личество внутриклеточной влаги и полностью капиллярная.
Для ускорения процесса отжатия воды целесообразно по площади осушае-
мого участка использовать микровзрывы зарядов камуфлетного действия.
Взрывные волны, распространяющиеся в водонасыщенном грунте, как отмеча-
лось выше, производят определенное разрушение клеток структурообразова-
теля, переводя воду, заключенную в них, в свободно-гравитационное сос-
тояние. Такому же преобразованию в отношении связности подвергается и
капиллярная вода. Таким образом, обрабатывая осушаемую плошадь микровзры-
вами, можно резко ускорить отгон воды из торфяной залежи.
Взрывные работы проводятся после естественного дренирования гравита-
ционной влаги (спустя 7-10 дней после начала осушительных работ). Расстоя-
ние между зарядами, вес которых должен быть не более 0,2 кг) рассчитыва-
ется по зависимости (1У.45); при этом принимаются заряды камуфлетного
действия, поскольку они оказывают наименьшее уплотняющее действие в во-
донасышенных торфяниках. Расположение зарядов ВВ в плане должно осущест-
вляться по шахтной схеме с мгновенным подрывом всех зарядов либо при не-
осуществимости такой схемы - с очередностью подрыва из центра к границам
осушаемого участка.
190
Выше отмечалось, что в ряде случаев целесообразность применения
взрыва при проходке каналов и других технологических выемок в водонаон-
шенных грунтах связана не с самим проведением взрывных работ, а главным
образом с трудностями создания в таких грунтах устойчив^ зарядных вые-
мок. Эти трудности связаны с плохой проходимостью тяхелой землеройной
техники, оплыванием выемок в процессе проходки или сразу после нее, ма-
лой устойчивостью их по времени. Авторами были проведены эксперименты
по апробированию элементов технологии образования зарядных траншей в
водонасыщенных органо-минеральных грунтах с использованием гидромонитор-
ной струи и энергии взрывн. Основная цель эксперимента заключалась в про-
верке возможности применения гидроструи для проходки зарядных шпуров, оп-
ределения оптимального расстояния между зарядами и глубины их заложения
для получения зарядных траншей большой протяженности. Для этого была ис-
Дользована мотопомпа МП-600 с напором 60 м вод.ст., производительностью
Б00 л/мип. Зумпф для установки заборного шланга образовался с помощью
взрыва шашки тротила Т-400 на дне дренажной канавы. Вода от насоса к на-
садке подавалась по брезентовым рукавам диаметром 500 мм и длиной 20-75 м.
Рабочее давление при выходе струи с насадки равнялось 4,5 - 5 кг/с№.
Зарядные шпуры проходили по оси проектируемой траншеи. Время воздействия
струи на грунт для образования шпура глубиной 0,6 - О,В м и диаметром
30 мм составляло 10 - 12 сек. Заряды готовились вручную. Из плотной бума-
ги сворачивали трубки диаметром 25 мм и в них засыпали водоустойчивый
аммонит Л 6 IB, вес заряда составлял 200 г. В результате взрыва цепочки
таких зарядов в грунте образовывались траншейные выемки, пригодные для
размещения в них горизонтальных цилиндрических зарядов ВВ.
Рис.134. К расчету параметров зарядов.
191
На рис.134 приведены зависимости, отражающие изменения характерных
параметров получаемых взрывом траншей. Специфическая форма заряда (дли-
на патрона ВВ составляла около 25 см) обусловила некоторое изменение
оптимальных значений параметров отдельных воронок выброса от проведен-
ных выше. Так, оптимальная глубина заложения таких зарядов (их центра
симметрии) составляет 14 - 15	. При этом глубина выемки Н = 30,
а диаметр (ширина по верху) £ = 70/^ .
Для оценки оптимальных параметров расположения точечных зарядов,
т.е. расстояния между ними а , был принят показатель уй'/, равный от-
ношению глубины выемки по гребню между отдельными ворони^ии сосредото-
ченных зарядов к максимальной глубине траншеи, т.е. ju = . Опыты по-
казали, что при Л > (40445) имеет место гребень между отдельно об-
разуемыми воронками, увеличивающийся во всем исследованном диапазоне
расстояний. При Л < 40 гребень практически отсутствует,^7-- I и даль-
нейшее сближение зарядов ведет лишь к нерациональному увеличению удель-
ных расходов ВВ (на рис.134 расход ВВ отнесен к I пог.м траншеи).
Совместный анализ зависимостей, приведенных на рис.134, показывает,
что к выбору расстояния между сосредоточенными зарядами, используемыми
при создании траншей, следует подходить с учетом нескольких факторов.
Например, если образуемая траншея используется в качестве зарядной для
размещения основного горизонтального заряда, необходимо максимально про-
рабатывать ее по глубине, т.е. ju' должно стремиться к единице, хотя
при этом получаем несколько заниженные параметры самой траншеи; а также
увеличиваем расход ВВ. Если хе получаемая взрывом цепочек зарядов тран-
шея включается в работу как воднотранспортный тракт, то следует приме-
нять глубину заложения заряда в пределах оптимальных значений по И и b ,
поскольку гребни разрушаются проточной водой.
Наблюдения за устойчивостью образованных взрывом траншей, выполнен-
ные путем замера параметров полученных взрывом выемок спустя месяц пос-
ле их образования, показали лишь незначительное уменьшение глубины вые-
мок (на 8 - 12%), что свидетельствует об их достаточно хорошей устойчи-
вости во времени.
На основании хронометража отдельных операций рассчитана производи-
тельность бригады из двух взрывников при проходке траншей описанным спо-
собом. Расчет показал, что за 8 ч два взрывника могут обеспечить необхо-
димые операции для образования 250 м зарядной траншеи,
В практике руслорагулировочных работ весьма часты случни.когда не-
обходимо оперативно спрямить участок реки.перекрыть один из рукавов и т.д.
Особенно остро такие вопросы стоят тогда, когда река может в довольно
небольшие промежутки времени менять русло, отдаляясь от заборных соору-
жений ирригационных систем. В таких условиях требуется быстрое строи-
тельство подводящих магистралей между рекой и водозабором. Эти и другие
подобные работы наиболее целесообразно проводить с помощью взрыва. Од-
нако, поскольку грунты на таких участках всегда находятся в водонасы-
шенном состоянии, часто возникают непреодолимые трудности при проходке
зарядных траншей по причинам, названным выше.
Нами была опробована возможность получения зарядных траншей посред-
ством гидромониторной струи. Опытную проходку траншей осуществляли по
192
дну дренажной канавы под слоем воды высотой 0,5 - 0,6 м. Грунт по дну
канавы представлен среднезернистым плотно с пеня ним песком. Струю воды
из насадки направляли под углом 75-80° ко дау и перемещали вдоль оси
создаваемой щели оо скоростью 40-45 м/ч. Струя воды, разрыхляя частицы
грунта, выбрасывала их, образуя щель. Напор воды при выходе из насадки
был равен 4 - 5 ат. В результате образовалась устойчивая щель с верти-
кальными стенками глубиной до 0,6 м и шириной до 10-15 см, что свиде-
тельствует о принципиальной возможности проходки зарядных траншей гидро-
струями в сыпучих водонасыщенных грунтах и о целесообразности дальней-
ших экспериментальных исследований в этом направлении.
6. Особенности ведения взрывных работ по
обводненным грунтам в зимнее время^
Непрерывный рост объема строительных работ в мягких грунтах вызы-
вает необходимость выполнения земляных работ в зимнее время при мерзлом
состоянии грунта, что имеет свои особенности.
Мерзлая порода представляет собой многофазную систему, объединен-
ную в единый конгломерат структурным сцеплением, в которой обязательно
содержится вода в твердой и жидкой дозах. Качественным отличием мерзлой
породы от талой является присутствие в первой льда, а от скальной - на-
личие жидкой фазы - незамерзшей воды, заключенной между льдом и мине-
ральным скелетом грунта. От толщины прослойки зависит структурное сцеп-
ление и прочность мерзлой породы. Увеличение толщины слоя незамерзшей
воды снижает прочность связи льда с минеральной прослойкой.
Содержание в мерзлых грунтах жидкой фазы при данных термодинамичес-
ких условиях зависит от величины удельной поверхности, хишческого и ми-
нералогического состава и физико-химических процессов, происходящих как
на границе раздела фаз и компонентов, так и внутри отдельной фазы. Сог-
ласно данным табл.21 с увеличением удельной поверхности минерального
скелета количество незамерэшей воды при одной и той же температуре уве-
личивается. Количество незамерэшей воды в мерзлых грунтах зависит также
от величины отрицательной температуры. Из табл.22 [37] видно, что при
температуре от -0,5 до -0,6°С количество незамерэшей воды больше макси-
мальной гигроскопичности и близко к максимально-молекулярной влагоемкос-
ти. При температуре -30°С содержание незамерзшей воды приближается к
количеству прочносвязной воды. Ближе всего соответствует максимальной
Таблица 21
Содержание незамерзшей воды в различных мерзлых породах, % /4§7
Грунт	Температура. °C					
	-0,2	от -1,2 до -1,4	от -2,0 до -2,5	от -5,0 до -5,5	от -10,0 до -10,5	от -30,0 до -32,0
Глина: каолиновая	32.5	6,4	2,6		0,9	
бентонитовая (аскангель) 51.4		43', 2	39,5	35,2	35,2	18,0
Суглинок	17.1	-	12,0	11,0	9.2	-
1 Настоящий параграф написан при участии В.В.Постнова.
193
2
Содержание нез вмерзшей воды в мерзлых грунтах в зависимости от изменения
отрицательной температуры /37}
Таблица 22
Грунт	Категория влаги, % к весу сухого грунта			Неэамерзшая вода, % к весу сухой породы							
	Прочно- связная вода	Максималь- ная гигро- скопич- ность	Макси- мальная молеку- лярная влагоем- кость	от -0,2 до -0,3	от -0,5 до -0,6	от -1,0 до -1,3	от -2,0 ДО -2,6	от -4,5 ДО -5,1	от -10,0 до -10,5	от -30,0 до -32,0	от -50 до -51
Песок кварцевый	-	0,3	0,5	0,3	0,2	0,2	0,2	0,0	-	-	-
" пылеватый	1.6	1.8	2,2	-	3,9	3,9	3,6	3,1	3,0	-	-
Супесь тяжелая пылеватая	5,3	6,2	13,4	13,6	9,2	9,1	8,5	7,6	7,5	-	-
Суглинок покров- ный тяжелый	6,8	9,0	15,5	18,1	14,1	12,9	10,9	10,8	9,3	6,8	-
Глина пылеватая	8,5	11,4	23,4	-	21,7	15,9	14,9	13,4	13,1	-	-
• юрская	15,6	24,5	35,0	41,2	34,2	30,1	29,9	25,0	20,7	17,8	14,8
гигроскопичности содержание незамерзшей воды при температуре около
-10°С. При температуре около 0 количество незамерзшей воды превышает
величину максимальной молекулярной влагоемкости (пленочной влаги). Та-
ким образом, вначале вымерзает свободная вода, не связанная поверхност-
ными силами, затем переходит в лед наиболее удаленная от минерального
скелета вода и при очень вязких температурах вымерзает мономолекулярннй
олой.
Образование льда в грунтах сопровождается их упрочнением, так как
сцепление между льдом и частицами минерального скелета выше сцепления
между самими частицами, если между ними нет тонкого слоя воды толщиной
в одну-две молекулы. В результате миграции воды к центрам кристаллиза-
ции происходит обезвоживание и увеличение объема системы, сближение
частиц, внутриагрегатное уплотнение и изменение активной поверхности,
что отражается на свойствах грунта.
Значительное влияние на механическую прочность грунта оказывает
степень его водонасышенности, причем наибольшей прочности соответствует
влажность, равная максимальной молекулярной влагоемкости. При меньших
значениях влажности прочность мерзлого грунта ниже максимально возможной,
так как цементирующее действие льда не проявляется полностью ввиду нали-
чия пор, не заполненных водой. При влажности, превышающей максимальную
влагоемкость, в грунте при замерзании наибольшее влияние на прочность
оказывает структура льда. Для структуры кристаллической решетки льда ха-
рактерна очень слабая водородная связь, обусловливающая сцепление его
молекул, т.е. прочность. Это улучшает реологические свойства льда, делает
его подвижным, уменьшает вязкость и, увеличивая текучесть, приближает лед
в этом отношении к жидкости. Предел упругости льда достаточно мал, упру-
гие и пластические свойства проявляются совместно и зависят от скорости
приложения нагрузок, что наглядно представляет табл.23.
Зависимость сопротивления в грунтах от скорости
прилагаемой нагрузки
Таблица 23
Грунт	Естественная влажность,%	Температура °C	Сопротивление, sT/cir	
			кратковремен- ное	предельно длительное
При сжатии				
Супесь легкая	20-24	-4,0	33-36	5,0
" тяжелая	32-35	-4,0	16-18	2*0-3,0
		При срезе		
Песок	15,0	-2,5	17,0	5,0
Суглинок пылеватый	22,0	-0,5	4,8	1,7
я	W	22,0	-6,0	28,0	6,8
Глина	35	-0.5	4,6	1,1
	35	-10,0	13,0	6,8
Из сказанного можно сделать вывод, что при разработке мерзлых грун- •
тов с использованием энергии взрыва на параметры выемок, оборудованных
пбдрывом, будут вонять те же свойства, что и при разработке талых грун-
тов: плотность, пористость, влажность, консистенция (пластичность),
а также температура, связанные с ней количество незамерзшей воды и дли-
тельность прилагаемой нагрузки.
196
Определение физико-механических и физико-химических свойств грун-
тов необходимо проводить в теплое время года. Для замера температуры
мерзлого грунта следует бурить температурные скважины на всю глубину
предполагаемой разработки. По величине температуры и характеристике
грунта можно определить количество незамерэшей воды и иметь данные о
механической прочности грунта.
Большое значение для повышения эффективности взрывных работ в зим-
нее время приобретает увеличение длительности приложения взрывной на-
грузки, т.е. времени действия взрывного импульса, что может быть выпол-
нено применением гранулированных В0, имеющих более широкую зону хими-
ческой реакции, и зарядов с воздушными промежутками. Благодаря работам
в зимнее время можно применять дешевые неводоустойчивые ВВ - игданиты и
гранулиты. При разработке грунтов в зимнее время энергию взрыва можно
применять не только для выброса, но и для рыхления мерзлых пород, что
может быть выполнено методами шпуровых скважинных и горизонтальных ци-
линдрических зарядов. Этими методами производят, как правило, рыхление
их перед разработкой механическим способом. Методы шпуровых и щелевых
зарядов применяют обычно при глубине промерзания грунтов до 2 м. При
большой глубине промерзания шпуровой метод может быть использован для
послойной выемки мерзлого грунта. Шпуры бурятся ручными перфораторами
и электросверлами. В последнее время для этих целей находят применения
другие термобуры на сжатом воздухе.
Сущность метода щелевых зарядов заключается в следующем. В мерзлом
грунте шеленарезной машинкой проводится выработка шириной 6-10 см, глу-
биной до 2 - 2,5 м, которая по ходу нарезки заполняется ВВ и засыпается
забойкой. Взрывание производится с помощью ДШ. Для увеличения эффектив-
ности взрыва и снижения выхода негабарита некоторые авторы /54/ реко-
мендуют по обе стороны от зарядной шели по контуру разрушаемого объема
проходку дополнительных компенсационных щелей. Для нарезных работ приме-
няются, как правило, буровые машины и траншейные экскаваторы. Основные
параметры наиболее распространенных машин, используемых для нарезки ще-
лей, приведены в табл.24.
При глубине промерзания более 2 м или при большой площади разраба-
тываемого мерзлого грунта для взрывания применяется метод скважинных
зарядов, позволяющий добиться высокой степени механизации буровых работ.
Шпуры и скважины обычно имеют недобур величиной до 10% глубины шпура и
располагаются в шахматном порядке, расстояние мевду зарядами в ряду при-
нимается равным 1-1,5 глубины шпура или скважины, а между рядами -
0,75 - 1,0 глубины. При рыхлении грунта в траншеях узкого сечения для
сохранения стенок траншеи глубина шпуров не должна превышать ширины тран-
шеи по верху.
Величина зарядов ВВ, размещаемых в шпурах или скважинах, необходи-
мых для взрывания мерзлых грунтов, определяется по формулам и зависи-
мостям расчета зарядов при взрывах в связных нескальных грунтах в теплое
время. Удельный расход ВВ составляет 0,5 - 0,7 кг/м3 в зависимости от
категории грунта.
При разработке мерзлых грунтов энергия взрыва может применяться
также на строительстве открытых выемок взрывом на выброс удлиненных го-
ризонтальных цилиндрических зарядов.
196
Характеристика буровых машин для нарезки щелей в мерзлом грунте
Таблица 24
Параметр	Шеленарезные машины							
	Магнито- строя	Центроспец- мэнтажа	СУ-12 (Москва)	Нефтеспец- строя	УРМГ-60 .	БЭТН-353	БЭТН-124	БС-100
Тип базовой машины	Т-352	с-юо	ЭТУ-354	С-100	ТДТ-60	'ТУ-353	ЭТН-124	С-100
Мощность двигателя,л.с.	54	100	62	100	60	54	48	100
Число буров	2	2	3	I и 2	I	I и 2	I	I
Глубина щели (максималь- ная), м	2,5	1,7	1,5	1,6	1,3	1,3	1.2	2,1
Расстояние между бура- ми, мм	1000	700	370	900	-	600		-
Скорость движения режу- щей цепи, м/сек	0,6	1,37	1,1	1,07-1,37	1,55-3,06	1,8	1,49-2,44	1,45-2,8
Скорость движения рабо- чей машины, м/ч	10-110	62-200	205	до 130	7-82	20-186	6-300	20-210
Скорость движения манев- ровой машины, км/ч	I,8-5,2	2,3-10,1	5,2	2,3-10,1	1,28-6,8	1,8-5,2	1,28-6,8	2,36-7,5
Техническая производи- тельность (максимальная' м/ч	7-10	до 65	до 80	до 100	48-78	20-150	20-102	10-140

Зарядная траншея проводится многоковшовыми или роторными экскава-
торами, приспособленными для проходки траншей в мерзлых грунтах. Для
этого на ковшах укреплен режущий инструмент в виде клыков,зубьев или ко-
ронок, армированных твердых сплавов (табл.25).
Таблица 25
Характеристика моделей роторных экскаваторов
Параметр	Типовые модели			Специализированные юдели		
	ЭТР-160	ЭТР-200	ЭТР-220	для строи- тельства водовода	для рабо- ты в мерзлых и скаль- ных грун- тах	для про- мышлен- ного строи- тельст- 	ва	
Ширина тран- шеи (макси- мальная),	м	0,6	1,2	1,5	1,2	1,6	0,85 Сменный ро- тор, м	0,6	0,9	1,2	-	- Глубина тран- шеи (макси- мальная), м	1,6	2	2,2	3	2,2	2,2 Теоретическая производитель- ность, мэ/ч	300	600	800	800	1200	450 Мощность двига- теля, л.с.	75	130	220	250	420	108 Вес машины, т	18	2В	35	35	50	25						
Технология работ практически не отличается от принятой при разра-
ботке наскальных пород в обычных условиях. Глубина зарядной траншеи
зависит от требуемой глубины открытой выемки. Если толщина промерзания
грунта больше требуемой глубины, то заряд закладывается на этой глуби- *
не. В случае, если глубина выемки превышает толщину мерзлого слоя, за-
ряд укладывают на границе мерзлой и талой эон. Расчет заряда ведется
только о учетом выброса грунта, находящегося выше уровня заложения за-
ряда. Видимая глубина выемки увеличивается в результате уплотнения та-
лого грунта.
ЛИТЕРАТУРА
I.	А к у т и в Г.К. Проведение выработок в мягких снимаемых грун-
тах уплотнением их энергией взрыва. Изд-во АН УССР, К., I960.
2.	Аль гшу - - - ’ " - -	---- ---- " •
3.	А л ь т ш у
4.	Ама--
"Недра”
школа",
1957.
i P я н
. . . 1969.
5. Банник
". " . 1972.
6. В л а с о в
М.,
К
лер
лер
Л.С.
г.и.
О.Е.
1	ПОД—J5U ЛП J *Л'1 . Ц. ,
Л.В. и др. - 1ЭТФ, I95S, 34, 4.
Л.В. и др. - ЛЭТФ, 1962 , 32, I.
Прочность и деформируемость торфяных грунтов
Основы технической мелиорации грунтов. "Выща
Основы теории действия взрыва. Изд. ВИА, Ы.,
7.	В о в к А.А., Черный Г.И., Смирнов А.Г. Основы
взрывной проходки подэеьиых выработок. "Наукова думка", К., 1966.
8.	В о в к А.А. и др. Основы динамики грунтов и ее практические
приложения. "Наукова думка", К., 1968.
9.	В о в к А. А., Смирнов А.Г., Благодаренко D.I.-
Фиэико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1974,2.
10.	Гаек Ю.В., Ш у м и л о В.А. - В кн.: Взрывное дело, 57/14.
"Недра", И., 1965.
П.Гуменский Б.М. Основы физико-химии глинистых грунтов
и их использование в строительстве, Стройиэдат, М., 1965.
12.	Данилов а Г.Н. Влияние типа ВВ и свойств пластичных грун-
тов на сейсмический эффект взрыва. Информ, вып. В-61, ИГЛ им.А.А.Ско-
чинского, М., 1969.
13.	Д в а й т Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические фор-
мулы. "Наука", М., 1970.
14.	Денисов Н.Я. Природа прочности и деформации грунтов.
Стройиэдат, М., 1972.
15.	Евст ропов Н.А. Взрывные работы в строительстве. Строй-
иэдат, М., 1965.
16.	Эве ре в И.Н., Ляхов Т.С. Иэв. АН СССР. ОТН. Механика
и машиностроение, I960, 4»
17.	3 л а т и н Н.А. - ГГФ, 1961, 31, 8.
18.	Златин Н.А. - ЗТФ, 1963, 33, 2.
19.	Инструкция по ведение взрывных работ на болотах. Изд. НИИСК
Госстроя СССР, М., 1964.
20.	Котляревский В.А. ПМТФ, 1962 , 3.
21.	Коул Р. Подводные взрывы. ИЛ, М., 1950.
22.	К о ч и н Н.Е., К и б е ль И. А., Роде Н.В. Теоретическая
гидромеханика. 4.1. ОГИЗ, М., 1948.
23.	Кузнецов В.М. - ПМТФ, I960, 3.
24.	Кузнецов В.М. - ПМТФ, 1962, 3.
25.	Кузьмина Н.В. и др. - В кн.: Тр. Ин-та физики Земли
АН СССР, 21 (183). Изд-во АН СССР, М., 1962.
26.	Кушнарев Д.М. Новая технология буровзрывных работ в
мелиоративном и водохозяйственном строительстве. Обзорная информация
М 3. Изд. ЦБНТП Минводхоэа СССР, 1971.
27.	Кушнарев Д.М. - В кн.: Использование взрыва в народном
хозяйстве. Ч.З. "Наукова думка", К., 1970.
28.	Лаврентьев М.А. - УМН, 1937, 12, 4.	.
29.	Лаврентьев М.А., Кузнецов В.М., Шер В.Н.-
В кн.: Совет пр народнохозяйственному использованию взрыва, 17.
Изд-во СО АН СССР, 1961.	,
30.	Лаврентьев М.А., Шабаш Б.В. Методы теори функ-
ций комплексного переменного. ФиЗматгиз. М., 1958.
199
31.	Л а.в р и к В.И., Савенков В.И. Справочник по конформ-
ным отображениям. М., "Пашкова думка", К., 1970.
32.	Лейбенэон С.Л. - Движение природных жидкостей и газов
в пористой среде. Гостехиэдат. M.-JI., 1947.
33.	Л я х о в Г.М. Основы динамики взрыва в грунтах и жидких сре-
дах. "Недра'', М., 1962.
34.	Ляхов Г.М., Полякова Н.И, Волны в плотных средах
и нагрузки на сооружения. "Недра", М., 1967.
35.	Марченко Л.Н. Увеличение эффективности взрыва при до-
бывании полезных ископаемых. "Недра", М., 1965.
36.	М о с и н е ц В.Н. Энергетические и корреляционные связи про-
цесса разрушения пород взрывом. Изд-во АН КиргССР, Фрунзе, 1963.
37.	Нерсесова З.А. - В кн.: Материалы по лабораторным
исследованиям мерзлых грунтов, 2. Изд-во АН СССР, М., 1954.
38.	Николаевский В.Н. и др. Механика насыщенных порис-
тых сред. "Наука", М., 1970.
39.	Покровский Г.И. - Взрыв. "Недра". М., 1967.
40.	Р а х м а т у Лм: и н Х.А. - ПММ, 19Й6, 2&, 2.
41.	Рулев Б.Г. - В кн.: Сейсмические исследования для строи-
телей. "Наука", М., 1971.
42.	Рулев Б.Г., Харин Д.А. - В кн.: Сейсмическое дейст-
вие промышленных взрывов. Информ, вып. В-161, ИГЛ им.А.А.Скочиасгсго,
43.	Рулев Б.Г. - В кн.: Взрывное дело, 64/21. "Недра", М.,
1968.
44.	Саваренский Е.Ф., К и р н о о Д.Н. Элементы сейсмо-
логии и сейсмометрии. Гостехиэдат, М., 1955.
45.	Савельев Б.А. Физика, химия и строение природных льдов
и мерзлых горных пород. Изд-во МГУ, М., 1971.
46.	С е д о к у р К.А. Справочник по буровзрывным работам. Гос-
стройиздат, М., Г9ь1.
47.	Сергеев	Е.М.	и	др.	- Вестник МГУ, серия	геолог.	Г963,	3.
48.	Сергеев	Е.М.	-	В кн.: Глины, их минералогия,	свойства	и
практическое значение, "Наука". М., Г970.
49.	С л е з и И н	А.Н.	-	ДАН	СССР, Г95Г, 79, 5.
50.	Слезкин	А.Н.	-	ДАН	СССР, 1954, gfi, 2.
51.	Слезкин А.Н. Динамика вязкой несжимаемой жидкости. Гос-
техиздат, М., Г96Г.
52.	Ст а н ю к о вич К.И. Неу становившееся движение сплошной
среды, ГИТТЛ, М.. Г955.
53.	Сытый Н.М. Опыт разработки подводных траншей взрывным ме-
тодом. Изд. ВНИИСТ Главгаэа СССР, М., 1962.
54.	Тарновский Ю.К. Механизированная разработка грунта в
зимнее время. Стройиздат, М., 1970.
55.	Токмаков В.А. Аппаратура и методика сейсмометрических
наблюдений. "Наука", М., 1967.
56.	Фортье А. Механика суспензий, ИЛ, М., Г97Г.
57.	Ханукаев А.Н. Энергия волн напряжений при разрушении
пород взрывом. Госгортехиэдат, М., Г962.
58.	X а р и н Д.А. и др. - В кн.: Тр. ИФЗ АН СССР, 36 (203), М.,
1965.
59.	Харин Д.А. и др. О влиянии глубины источника на сейсмичес-
кий эффект взрывов. Информ, вып. В-Г61, ИГД им.А.А.Скочинского, М..Г966.
60.	Х и м е р и к В.А. Строительство каналов взрывным способом н
водонасыщенных грунтах с применением пороховых отходов. Изд-во АН УССР,
6Т.	Х ристофоров Б.Д. - ПМТФ, Г962, 6.
62.	Царицын В.В. Технологическое разрушение горных пород.
"ТехнТка , К., 1964.
63.	Ц ы т о в и ч Н.А. Механика грунтов. Госстройиздат, М., 1963.
64.	Цветков В.И. - ШПФ, 1962 , 5.
ИЛ М^' 1934К 6 Я’’ Э М Д 6 Та^лицы ФУНИЧИЙ с формулами и кривыми,
66.	С • и р b е 1 1 S.D, - /icta metallurgies, 1953, 1, 6.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие......................................................    3
Глава I. Основные положения динамики плотных сред................... 5
I.	Динамическое уплотнение пластичных торных пород ....	5
2.	Обобщенная модель породного массива ..................... 15
3.	Частные случаи обобщенной модели, аппрокоимирупцие овой-
отва различных пород в некоторых областях напряженного
состояния ....... ............................. .	....... 22
4.	Частные модели породного массива ........................ 25
5.	Классификация горнотехнических задач по условию примене-
ния моделей породного массива..............................  27
Глава П. Экспериментальные исследования параметров волн напряже-
ний и деформаций при взрыве зарядов в грунтах...................	31
I.	Методы изучения напряженно-деформированного состояния
грунтового массива при действии на него взрывных волн 31
2.	Экспериментальные исследования волн возмущений оо сфе-
рическим и цилиндрическим фронтом .......................... 34
3.	Исследование необратимых деформаций грунтового массива 50
4.	Исследование микродеформаций связных грунтов при дей-
ствии взрывных волн........................................  71
5.	Влияние конструкции заряда и свойства грунта на его
динамическое деформирование ................................ 89
Глявя П1. Физические основы взрывного деформирования водонасы-
щенных грунтов ......................................... 100
I.	Объемная сжимаемость при взрывном деформировании. . , .	100
2.	О составляющих волнового поля вблизи заряда ВВ ....	107.
3.	Временные соотношения силовых и кинематических парамет-
ров волновых процессов вблизи заряда ВВ ................... 112
201
4.	Движение двухкомпонентной ореды за фронтом ударной
BOjnw.................................................   117
5.	Экспериментальные исследования взрывных волн в водона-
аыденных грунтах......................................  .	. 127
6.	Остаточные деформации массива водонасыщенного грунта под
действием взрыва..........................................	• 147
Глава О, Исследование и разработка взрывных методов ведения ра-
бот в водонасыщенных грунтах .............................. 163
I.	Действие взрыва на выброо горизонтально заглубленного
цилиндрического заряда ВВ ................................. 163
2.	Применениеэнергии взрыва заряда для снижения фильтра-
ции воды из каналов и водоемов ............................ 165
3,	Использование зарядов камуфлета и выброса для получе-
ния водозащитных экранов .................................  170
4.	Использование энергии взрыва при мелиоративном строи-
тельстве в водонасыщенных минеральных грунтах ............. 176
5.	Взрывные работы в органо-минеральных водонасыщенных
грунтах.................................................... 184
6.	Оообеннооти ведения взрывных работ по обводненным
грунтам в	зимнее время ................................ 193
Литература.......................................................199
Алексей Ануфриевич Вовк
Альберт Германович Смирнов
Виктор Георгиевич Кравец
ДИНАМИКА ВОДОНАСЫЩЕННЫ ГРУНТОВ
Печатается по постановлению ученого совета
Института геотехнической механики АН УССР
Редактор Н.К.Ситник, А.Н.Кириллова
Художественный редактор И.II.Савицкая
Оформление художника В.В.Лисовского
Технический редактор Р.Э.Хазирова
Корректор С.В.Лисицына
Подписало к печати 12.П 1975 г. БФ 00948. Бумага офс.Л 2. 60x90 I/I6.
Усл. печ. листов 12,75. Уч.-изд. листов 14,97. Тираж 1150. Зак.
Изд. № 218. Цена I руб. 66 коп.
Издательство "Наукова думка". Киев, Репина, 3.
Киевская типография научной книги республиканского производственного
объединения "Полиграфкнига" Госкомиздата УССР, Киев, Репина, 4.