黄土路基中爆炸空腔的填筑技术

王志鹏，李海超，张艳萍，廖克非，常 健

(1.军事交通学院 研究生管理大队，天津300161;2.军事交通学院 国防交通系，天津300161;

3.军事交通学院 学员旅，天津300161)

黄土占据我国西北、华北等地约64 万km2的疆土［1］，且分布厚度大，湿陷性严重。随着在黄土软基上修筑公路、铁路的增多，爆炸法［2］作为一种快速处理深厚黄土路基的方法而得到广泛重视。爆炸法属于动力挤密压实法，做法是在地基钻孔中埋入工业炸药，利用其爆炸能量和爆生气体压力使地基压密，并在爆炸空腔中填筑填料，压实后形成地基。本文在分析黄土中爆炸空腔特性和填筑要求的基础上，对爆后空腔的填筑材料和填筑工艺进行研究。

1 黄土中爆炸空腔特性和填筑要求

1.1 空腔成因及特性

黄土是一种由固体颗粒、水、孔隙气体组成的三相可压缩性介质，在爆炸荷载作用下容易产生较大变形。炸药爆炸产生105～106个大气压的高温高压爆生气体［3］，由于爆炸气体产物突然膨胀，当爆炸冲击波波阵面的压力大于土体强度时，黄土颗粒克服粒间阻力，产生与冲击波传播方向相同的位移，土体中的水分被挤出，空气被压缩逸出，就会在药包周围形成一个较为稳定的空腔(如图1 所示)。爆炸空腔壁特性表现为:短时间内干燥无水，腔壁土层硬化，甚至由于爆炸产生的高温使土体从松散结构转变为不可逆的再结晶块体，土体的凝聚力大幅度提高且短时间内不会塌陷。然而，由于黄土特殊的水理特性，决定了炸药在黄土中爆炸后的空腔壁具有特殊的遇水湿陷性。黄土产生湿陷的原因是黄土内部固有的特殊因素和外界适当的条件共同作用的结果，内部因素主要指它的特殊粒状架空结构及特殊组成成分，外界条件是指水和外力的作用。

图1 黄土中爆炸空腔形态

1.2 填料粒径要求

以河北承德道路施工为例，对于既有路面下的爆炸挤密施工，路面开孔直径只有150 mm(如图2 所示)，填料的尺寸应该进行严格的限制，理论上最大粒径不应超过开孔直径的1/4，因此需要利用特定尺寸的网筛进行筛选，填料的筛选和其他施工步骤可以同步进行以缩短工期。

图2 承德施工时的路面开孔

上述分析是以河北承德高填路基的爆炸挤密加固为背景的，因为考虑到对现有路面的保护，路面开孔较小。对于一般的黄土中爆炸挤密施工，根据挤密区域的大小和布药方式来确定开孔尺寸，一般为100 ～300 mm。

1.3 填筑时间要求

爆炸作用使得土体中的天然力场发生变化，破坏了原有的平衡状态，黄土颗粒在爆炸发生后通过自组织和自适应，形成了应力重新分布和结构的再调整。此时，若黄土路基的强度大于重新分布的应力，则将以“和平”的方式维持空腔状态，否则塌孔破坏。而对于黄土腔壁而言，因其特殊的物质组成和颗粒构造方式，尤其遇水湿陷时，其承载力几乎丧失。进一步分析爆后空腔壁的特性，爆后空腔壁由于暴露在空气中，又比较干燥，与地层中孔隙压力形成一定的压力差，使周围土体中的空气及水向空腔壁方向迁移，时间久了必然引起壁面地下水含量增大，造成湿陷塌方。因此，爆炸挤密法的填筑施工具有很强的时效性，即爆炸后要尽快填筑。另外，爆炸挤密法的施工还应避免选择在多雨水的季节进行。

1.4 承载能力要求

黄土表现为非均质且多孔的骨架式结构，又由于形成过程中的原生层理构造，导致了黄土的各向异性以及物理力学性质的不均匀性。特殊的结构和物理性质决定了黄土的承载能力偏弱，是一种病害多发的路基材料。因此，爆炸挤密法的作用就是依靠爆炸的能量挤走原来的软弱介质，填充入新的承载力强的介质。这种置换作用和挤密碎石桩、挤密混凝土桩［4］的原理类似，只不过挤密桩靠的是施加外力作用，爆炸挤密法利用的是爆炸能量。爆后空腔的填筑尽量选用本身强度大、不易压缩的填料，如级配碎石、砂等，而不宜选用需要进一步压实的承载力较弱的填料。

2 黄土中爆炸空腔填筑材料选择

2.1 一般级配粒料

河北承德爆破施工中采用的填料是级配碎石。级配碎石由于其破碎率适当，大小粒径搭配，既有大粒径石料形成空间骨架，又有小粒径石料填充骨架的空隙，容易形成密实结构。级配碎石由于自重大，形状较规则，直接用小桶倾倒的施工方法是可行的，另外砂也可以采取这种直接倾倒方法。这两种填料强度大、密实度高、透水性强、原料易得，并且填筑方式操作简单、迅速，且不容易引起塌孔，是较理想的填筑材料。

施工中采用体积为0.007 065 m3的统一规格量筒盛装碎石，对空腔进行填筑。记录碎石体积(见表1)，得到空腔的体积，绘制散点图及线性拟合结果如图3 所示。

表1 填筑碎石体积

拟合得到的爆炸空腔体积与炸药量的关系为

式中:V为爆炸空腔体积，m3;x为炸药用量，kg。

从上述分析可以看出，炸药在黄土路基中爆炸，其空腔体积与炸药量之间存在一定的线性关系，该结论可以为爆后空腔的填筑施工提供一定的参考。

图3 爆炸空腔体积与炸药量关系

2.2 粉煤灰等粉料

粉煤灰是煤炭燃烧之后所排放的烟气细灰，它是煤电厂排出的主要固体废料。粉煤灰具有多孔结构和球形粒径的特点，质量较轻、孔隙多且颗粒均匀，具有相当高的水稳性和无黏结性，在松散的状态下具有较好的渗透性，是一种较为良好的路基填筑材料。由于自重较轻，粉煤灰应用在软土路堤地段，可以减轻软土地基的附加应力，从而减少总沉降并能提高路堤稳定性。而且粉煤灰在路基填筑时是可以以混合料的形式存在的，多为二灰土、二灰碎石等拌合物，具有强度高、稳定性好、渗透性好的特点。需要注意的是，粉煤灰在外力的荷载作用下，可以产生一定的压缩，比相同黏度的土的压缩变形小，但比起级配碎石和砂石，其压缩性较大。又因为粉煤灰颗粒自重较轻，不能直接采用倾倒法填筑爆炸空腔，可以配合小型振捣设备进行施工。

2.3 生石灰、水泥等化学固化剂

对于需要加固的软土地基，根据原土的物理和化学性质，选用合适的固化剂，经拌匀、压实处理往往可以达到所需要的性能指标。常用的无机固化剂有生石灰、水泥、水玻璃等，有机固化剂包括有机高分子固化剂和生物酶类固化剂。

生石灰作为固化剂用于土体加固，是利用生石灰的吸水、膨胀、放热作用以及石灰与土的物理化学作用，改善填料与周围土体的物理力学性质，达到路基加固的目的。掺入的石灰最好选用已经充分磨细的生石灰粉，且石灰质量需满足三级以上质量要求。

水泥用于软土地基加固一般采用水泥土搅拌法，可以用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、黏性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。用水泥加固软土时，水泥颗粒表面的矿物很快与填料中的水分发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等化合物。当水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成水泥石骨架，有的与周围具有一定活性的黏土颗粒发生离子交换和团粒化作用，双重作用使土体强度提高。

在爆炸空腔的填筑过程中，可以适当应用无机固化剂配合其他填料一并使用。但化学固化剂发生作用的时间周期较长，且都是涉及含水的地下施工，操作难度较大，容易引起塌孔，不适用于时效性要求很高的软基加固。

3 黄土中爆炸空腔填筑工艺

3.1 级配碎石直接倾倒法

级配良好的碎石，混合均匀后，利用其自身重力直接倾倒的方法，实际的施工效果证明可以达到有效的密实。在填筑级配碎石的过程中，可以间断性地用软尺测量孔深，以把握施工进度，当填筑快结束时，视情进行一定程度的捣实，以加强挤密效果(如图4 所示)。但在使用过程中，一定要注意操作的范围和强度，避免引起爆腔塌陷。

图4 直接倾倒法填筑级配碎石

3.2 小型振捣设备配合填筑法

对于一般意义上的地下深层爆破，因为土体受动力压缩的响应时间较炸药爆轰时间长得多，可以认为柱形药包全长同时起爆［5］。然而，由于地下介质的不均匀性，爆炸产生的空腔往往会呈现“串珠状腔体”，这种腔体形状采取直接倾倒法往往效果不佳。借鉴混凝土施工中的小型振捣设备(如图5 所示)，提出孔内深层小直径振捣设备配合填筑法。这种填筑工艺采用高能量的振捣设备进行振密，不仅使得填料十分密实，而且受到振捣之后的填料对腔壁周土施加侧向挤压力，增大了侧壁摩擦阻力，使得腔壁与填料产生很大侧向约束的“抱紧”作用。配合填筑灰土、粉煤灰等粉料，边填筑边振实，或者填筑一层填料，振实一层，直到填料填满空腔。这种方式科学有效地解决了直接填筑粉料不易密实的缺点，但涉及施工器械多，振捣器需要专业人员进行操作，所需施工时间较长。该工艺在操作过程中，同样要注意振动的范围和强度，避免塌孔。

图5 插入式振捣设备

3.3 部分注浆法

河北承德爆炸挤密法施工时，在爆腔内填筑了级配碎石之后，对部分爆腔进行了注浆操作。其作用原理是先填筑级配碎石，再灌注水泥浆，碎石水泥浆成桩后，与路基土体共同承担荷载，成为刚性桩复合地基，大大提高原地基的密实度和承载能力。

但是作为道路工程上的路基处理，成桩后会造成路基刚度不匀，成桩部分是刚性的，而未成桩部分是柔性的，使得行程颠簸，一段时间后还会出现路面下沉量不一，引发次生灾害，影响行车。因此，本文提出部分注浆法，即采用分步填筑:第一步，先向深层爆破空腔内填筑级配良好的碎石，然后注入水泥浆液，让其固结成刚性墩;第二步再向孔径内注满碎石、砂或粉煤灰等轻质填料，从路面开孔进行有效夯实，形成散料桩。这样既保证了爆腔密实，又避免了近路面路基刚度不匀，是一种较为理想的填筑工艺。不足之处是由于分步施工，而且填料种类不一，使得工期延长、时间成本较高。

4 结 语

黄土路基中爆炸空腔的填筑技术，作为黄土中爆炸施工的重要步骤，直接决定了施工效率和加固效果。参考河北承德的爆炸挤密施工，从黄土中爆炸空腔的成因和特性分析入手，对爆后空腔的填料提出了粒径、填筑时间、承载能力3 方面要求，对可以作为空腔填料的材料进行了分类研究，并提出了与不同填料相适应的级配碎石直接倾倒法、小型振捣设备配合填筑法和部分注浆法填筑工艺，研究成果可以对黄土中爆炸空腔的填筑施工提供一定的指导和借鉴作用。

［1］ 邵生俊，王婷. 一种深厚湿陷性黄土地基的处理方法:ZL200610041776.3［P］.2008.

［2］ 孙连军，冯勇. 地基处理方法综述［J］. 山西建筑，2007，33(4):141-142.

［3］ 林大能，王小林，員永峰，等.爆炸挤压成井药量估算的理论与实践［J］.湘潭矿业学院学报，2003，18(3):21-24.

［4］ 朱明，范建华.浅谈软土地基处理方法及施工工艺［J］.山西建筑，2009(1):26-28.

［5］ 林大能，胡伟.爆炸挤压成腔中的不耦合效应研究［J］.煤炭学报，2002，27(2):144-147.