"П 02-82/ВНИИГ. Рекомендации по оценке плотности и возможности разжижения малосвязных грунтов методом взрывного зондирования"
(утв. Решением ВНИИГ имени Б.Е. Веденеева от 05.05.1982 N 2 и согласованы с Главниипроектом Минэнерго СССР)

Внесены ВНИИГом им. Б.Е. Веденеева, ЛПИ им. М.И. Калинина.

Утверждены ВНИИГом имени Б.Е. Веденеева решением N 2 от 5.05.82 г. и согласованы с Главниипроектом Минэнерго СССР.

В рекомендациях приведен метод испытания массивов водонасыщенных несвязных и малосвязных грунтов способом взрывного зондирования, особенности способа и область его применения. Даны рекомендации по выбору параметров взрывов, а также по оценке плотности и возможности разжижения несвязных грунтов по результатам взрывного зондирования.

Рекомендации предназначены для широкого круга инженеров, строителей, геологов, изыскателей, проектировщиков и производственников.

Рыхлые водонасыщенные малосвязные <1> грунты способны сравнительно легко переходить в разжиженное состояние. В разжиженном состоянии грунты приобретают способность растекаться. Особенно ярко процессы разжижения рыхлых малосвязных грунтов проявляются при действии динамических нагрузок.

--------------------------------

<1> Здесь и далее в Рекомендациях под термином "малосвязные" грунты следует понимать галечниковые и гравийные грунты, все виды песчаных грунтов, а также супеси.

Методов непосредственной оценки возможности разжижения песчаных грунтов в полевых условиях до 1951 г. не имелось, а методы определения плотности водонасыщенных крупнообломочных грунтов и песков путем устройства шурфов с водопонижением, опытных кессонов, замораживания грунта весьма трудоемки, дорогостоящи и в некоторых случаях малонадежны.

В 1950 - 1951 гг. в Лаборатории механики грунтов ЛПИ имени М.И. Калинина П.Л. Ивановым под руководством чл.-корр. АН СССР В.А. Флорина для исследования возможности разжижения песчаных водонасыщенных грунтов был предложен и разработан метод "стандартных" взрывов [1], основанный на использовании зарядов одинаковой массы, взрываемых в грунтах различной крупности и степени плотности сложения. Впоследствии эти исследования были продолжены под руководством П.Л. Иванова сотрудниками лаборатории. На различных этапах в них принимали участие Е.П. Акульшина, Л.Ш. Горелик, Н.Д. Красников, А.П. Крутов, А.Г. Кузовлев, В.А. Поспелов, А.Г. Соколов, Г.М. Синдюков, Г.Т. Трунков и другие.

Проведение широких исследований, организация опытных участков и производственное применение метода стали возможными благодаря участию в работах инженерно-геологических экспедиций института Гидропроект им. С.Я. Жука, Всесоюзного треста "Гидромеханизация", строительств Волжских ГЭС, Ленниипроекта, Ленвзрывпрома, треста ГРИИ (г. Ленинград) и ряда других организаций.

Первые опытные "стандартные" взрывы были проведены в 1951 г. на строительстве Волжской ГЭС им. В.И. Ленина. В 1952 - 1953 гг. они проводились в различных грунтовых условиях на строительствах Волжской ГЭС им. XXII съезда КПСС и Горьковской ГЭС. Опыты показали, что глубинные взрывы можно с успехом использовать для оценки плотности песчаных водонасыщенных грунтов и исследования возможности их разжижения.

В дальнейшем метод "стандартных" взрывов стал широко применяться. В течение 1954 - 1964 гг. Лабораторией механики грунтов ЛПИ методом "стандартных" взрывов были исследованы грунты Шульбинской (1957 г.), Братской (1958 г.), Чардаринской ГЭС (1964 г.) и в г. Дивногорске (1964 г.). Этот метод был с успехом использован на строительстве Саратовской ГЭС, при изысканиях в районах Нижне-Волжской ГЭС и Кызыл-Алекского гидроузла (р. Аму-Дарья), на строительстве Павлодарской и Калининской ТЭЦ, на строительстве Читинской ГРЭС.

На основе метода "стандартных" взрывов П.Л. Ивановым был предложен и разработан метод послойной оценки плотности и возможности разжижения малосвязных грунтов взрывами зарядов, распределенных по глубине исследуемой толщи грунта, названный методом взрывного зондирования [2]. Способ "стандартных" взрывов является частным случаем общего метода взрывного зондирования, предусматривающего применение глубинных, подводных и поверхностных зарядов.

В 1966 г. метод взрывного зондирования был впервые применен для исследования грунтов намывных территорий Васильевского острова в г. Ленинграде, а в 1967 г. при исследовании толщи просадочных песков - на полуострове Мангышлак.

Первый опыт применения метода взрывного зондирования с использованием подводных взрывов был проведен в порту г. Новороссийска (П.Л. Иванов, Г.Т. Трунков) в 1964 г. Затем в 1965 г. опытные работы по развитию этого метода были продолжены МИСИ (Г.Н. Смирнов, М.А. Фальк).

В 1958 - 1968 гг. И.В. Дудлером (МИСИ) проводились широкие исследования по сопоставлению результатов испытаний песчаных грунтов "стандартными" взрывами и ударным зондированием до и после действия взрыва [5, 6].

В 1979 - 1980 гг. Лабораторией механики грунтов ЛПИ было проведено взрывное зондирование хвостохранилища Маднеульского ГОК (А.П. Крутов, Л.Ш. Горелик, Л.В. Шульц, М.Г. Кривоногов).

Основным преимуществом разработанного метода является его надежность, так как появилась возможность оценить большой объем грунта, захваченного действием взрыва. Кроме того, этот метод отличает простота и небольшая стоимость работ, которые могут проводиться инженерно-геологическими экспедициями и строительными организациями без дополнительного специального оборудования одновременно с проведением своих основных изысканий. Для погружения зарядов используются скважины, пробуренные для отбора образцов грунта.

К некоторым недостаткам метода следует отнести: необходимость строгого выполнения правил техники безопасности [3], что затрудняет производство других работ в пределах опасной зоны, и необходимость полного или близкого к полному водонасыщению грунтов, т.е. возможность применения способа в зонах грунта, расположенных ниже горизонта воды.

Взрывное зондирование в настоящее время практически единственный прямой способ полевой оценки возможности разжижения малосвязных водонасыщенных грунтов.

Рекомендации (за исключением раздела 5) разработаны и составлены кафедрой Подземные сооружения, основания и фундаменты ЛПИ им. М.И. Калинина (П.Л. Иванов и А.П. Крутов). Раздел 5 разработан и составлен кафедрой Инженерная геология МИСИ им. В.В. Куйбышева (Л.Д. Белый, И.В. Дудлер). Рекомендации рассмотрены и подготовлены к печати Комплексной лабораторией грунтовых сооружений ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева (Н.Д. Красников, Л.А. Эйслер). При составлении окончательного текста учтены отзывы и замечания Ленинградского отделения института Гидропроект им. С.Я. Жука (А.А. Сорокин), научно-исследовательского сектора института Гидропроект (Ю.К. Зарецкий, А.Г. Чернилов), НИИ оснований и подземных сооружений им. Н.М. Герсеванова (В.А. Ильичев, В.И. Керчман) и Ленинградского треста ГРИИ (В.М. Фурса, И.Т. Мальцев).

Отзывы и замечания по работе просим высылать по адресу: 195220, Ленинград, Гжатская ул., 21. ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева.

1.1. Метод взрывного зондирования рекомендуется применять для исследования возможности разжижения и плотности водонасыщенных малосвязных грунтов как естественного сложения, так и уложенных каким-либо методом (намыв, отсыпка и др.).

Здесь и в дальнейшем в Рекомендациях для краткости применяется термин малосвязные грунты, включающий в себя: галечниковые и гравийные грунты, все виды песчаных грунтов, а также супеси.

1.2. В зависимости от расположения заряда относительно объема исследуемого грунта взрывное зондирование может производиться глубинными, подводными или поверхностными зарядами (рис. 1).

Зондирование глубинными взрывами осуществляется погружением заряда в грунт на глубину, обеспечивающую полное отсутствие выброса и существенного выпора грунта (рис. 1, а); зондирование подводными взрывами - опусканием зарядов в воду и взрывом их над поверхностью грунта (рис. 1, в). При необходимости исследования грунтов на небольшую глубину (до 3 м) могут проводиться взрывы накладных (поверхностных) зарядов (рис. 1, б).

1.3. Непосредственным назначением взрыва является создание динамического воздействия достаточной интенсивности, необходимого для нарушения структуры малосвязных грунтов. Нарушение структуры грунта при взрыве происходит вследствие прохождения по грунту ударной волны, образования и пульсации в грунте газового пузыря, действия фильтрационных сил. Определяющее влияние на возможность разрушения структуры песчаного грунта оказывает его начальное напряженное состояние, степень плотности сложения грунта (I_D) и развитие в нем структурных связей, в частности, упрочнения сцепления. Чем выше степень плотности и прочнее структурные связи, тем меньше возможность нарушения структуры грунта при взрыве.

1.4. В результате разрушения структуры малосвязного грунта возникает процесс переукладки частиц - уплотнение грунта, - сопровождаемый отжатием воды из пор грунта.

Разрушение структуры и стремление водонасыщенного грунта к уплотнению приводят к повышению давления воды, заполняющей поры, и переходу грунта в разжиженное состояние.

Явления, возникающие в водонасыщенных малосвязных грунтах в результате действия взрыва, в значительной мере зависят от соотношения времени действия взрывных волн и времени, необходимого для уплотнения и отжатия воды из пор грунта.

В гравийных, песчаных и тем более супесчаных грунтах за весьма короткий период действия взрыва практически не происходит существенного отжатия воды из пор грунта; взрыв непосредственно не вызывает уплотнения, а только разрушает структуру, приводя грунт в разжиженное состояние с пористостью разжиженной массы, равной пористости грунта до взрыва.

После разрушения структуры и разжижения грунта в течение достаточно длительного промежутка времени происходит переукладка частиц грунта под воздействием собственного веса. Поэтому приобретаемая новая степень плотности сложения грунта определяется только нарушением структуры и свойствами грунта. В частности, при полном разжижении вновь приобретаемая плотность сложения грунта не зависит от интенсивности взрывного воздействия. При этом каждой величине начальной степени плотности сложения грунта I_D соответствует своя определенная величина приращения степени плотности сложения грунта или величина относительной объемной деформации грунта . С уменьшением начальной степени плотности сложения грунта (I_D) величины и увеличиваются.

1.5. При взрывах одиночных зарядов образуется зона разрушения структуры - разжижения (рис. 2) - и согласующаяся с этой зоной осадка поверхности грунта. Форма графика осадки имеет вид "блюдца" с характерным участком перегиба (зона A, рис. 2). С увеличением расстояния от заряда глубина зоны разрушения структуры - разжижения - уменьшается.

Расстояние, в пределах которого происходит достаточно равномерное уплотнение (осадка), принимается за радиус распространения основной зоны разрушения структуры грунта при взрыве, т.е. радиус эффективного действия заряда R в метрах, который близок к радиусу расположения характерной зоны A перегиба графика осадки поверхности.

Глубину равномерного изменения плотности грунта после взрыва следует считать глубиной эффективного действия заряда (h_уп).

1.6. Общая оценка возможности разжижения и плотности малосвязных грунтов производится на основании наблюдений за средней осадкой поверхности грунта в пределах R.

В целях более полного исследования плотности и возможности разжижения малосвязных грунтов взрывное зондирование одиночными зарядами следует производить несколько раз (два, три) в одном месте. Чем рыхлее исследуемый грунт, тем больше разница между осадками при первом, втором и третьем взрывах.

2.1. Для исследования грунтов методом взрывного зондирования необходимо выбрать наиболее ровный горизонтальный участок размером в плане не менее 15 x 15 м.

2.2. Желательно, чтобы горизонт грунтовых вод при зондировании глубинными и поверхностными взрывами был не больше 0,3 - 1,0 м от поверхности грунта ( глубины для мелкозернистых грунтов). При большей глубине залегания грунтовых вод наличие пригрузки слоем неводонасыщенного грунта следует учитывать для определения массы зарядов (п. 2.5) и расчетной глубины уплотнения (п. 2.9).

2.3. Для исследования плотности и устойчивости структуры малосвязных грунтов глубинными взрывами возможно использование заряда любой массы при условии, что глубина заложения заряда в грунт обеспечит взрыв максимального камуфлета. При взрывах зарядов в условиях максимального камуфлета степень разрушения структуры и возникновение явлений разжижения не зависят от массы заряда одного и того же вида ВВ. В этом случае массой заряда определяются только размеры зоны разрушения структуры и уплотнения грунтов. Эта особенность камуфлетных взрывов находится в соответствии с принципом геометрического подобия взрывов. Это, в свою очередь, определяет возможность использования взрывов для послойной оценки динамической устойчивости структуры толщи малосвязных водонасыщенных грунтов.

2.4. Глубина заложения зондировочного глубинного заряда (расстояние от поверхности грунта до центра заряда) определяется по мощности слоя исследуемого грунта (рис. 2, а):

где h - глубина заложения заряда, м;

h_уп - мощность исследуемого слоя, м.

Примечание. Здесь и далее все численные значения эмпирических коэффициентов даны как ориентировочные для всех видов песчаных грунтов. Для других видов малосвязных грунтов эти коэффициенты уточняются по данным пробных взрывов.

2.5. Масса глубинного заряда определяется из условия максимального камуфлета по зависимости

где C - масса заряда, кг;

h - глубина заложения заряда, м.

Если имеет место пригрузка слоем неводонасыщенного грунта (рис. 3, а) или слои грунта существенно отличаются по плотности от насыщенных водой песчаных грунтов, например, торф, плотные глины и др. (рис. 3, б), при определении массы заряда C по зависимости (2) следует вместо действительной глубины заложения заряда h подставлять приведенную глубину h_пр, определяемую по зависимости

где h₁, h₂ - толщина слоев неводонасыщенной пригрузки, плотной глины и др.;

, - плотность влажных (пригрузки) и насыщенных водой грунтов соответственно;

- плотность насыщенных песчаных грунтов, принимаемая равной 2 г/см².

Примечание. Здесь и в дальнейшем все эмпирические коэффициенты даны для случая применения эталонного ВВ - аммонита 6ЖВ. При использовании других ВВ массы зарядов необходимо определять как C_n = k_nC, где C - масса заряда из аммонита 6ЖВ; C_n - масса заряда из другого ВВ; k_n - коэффициент пересчета, меняющийся при наиболее распространенных ВВ от 0,8 до 1,3 (см. приложение 1).

2.6. Радиус эффективного действия заряда предварительно определяется по зависимостям:

для глубинных взрывов

для подводных взрывов

для поверхностных взрывов

Радиус эффективного действия уточняется по результатам замеров осадки поверхности грунта после взрыва (по расположению зоны A на рис. 2).

2.7. При зондировании подводными взрывами (рис. 2, б) назначение масс зарядов производится из условий недопустимости образования воронки выброса грунта и максимального камуфлета взрыва заряда в воде (т.е. из условия обеспечения необходимого слоя воды над зарядом).

Масса заряда, удовлетворяющая этим условиям, определяется по зависимости

где H - глубина воды, м.

Высота подвески заряда в воде над поверхностью грунта, обеспечивающая отсутствие воронки выброса, определяется по зависимости

где - высота подвески заряда над грунтом, м.

Глубина воды, обеспечивающая камуфлетность взрыва в воде, определяется как

где h_k - глубина погружения заряда в воду, м.

2.8. При зондировании поверхностными зарядами масса определяется из зависимости

где h_уп - мощность слоя исследуемой толщи грунта.

2.9. При массах зарядов, определяемых по зависимостям (2), (6), (9), глубина исследуемого слоя грунта

а) для глубинных взрывов:

б) для подводных взрывов:

в) для поверхностных взрывов:

Если имеется пригрузка неводонасыщенным грунтом (более 0,3 - 0,5 м), расчетная глубина разрушения структуры и разжижения (h'_уп) меньше, чем определяемая по формуле (10). Расчетную глубину разжижения (h'_уп) в этом случае следует определять с учетом высоты капиллярного насыщения грунта (h_кап на рис. 3, а).

При наличии слоев неразжижаемых грунтов (плотных глин, суглинков и др.) расчетная глубина h'_уп (рис. 3, б) также уменьшается по сравнению с подсчитанной по формулам (10), (11) и (12).

3.1. Конструкция зарядов назначается в зависимости от типа применяемого ВВ и способа взрывного зондирования. В случае применения гигроскопических ВВ конструкция заряда должна надежно обеспечивать гидроизоляцию ВВ от воды (с учетом глубины его погружения). Заряды из гигроскопических ВВ следует помещать в оболочки, изготовленные из металла, стекла, резины, пластмассы и др. Все швы и отверстия для ввода проводов и детонирующего шнура должны быть тщательно гидроизолированы (рис. 4).

Использование водостойких ВВ не требует гидроизоляции зарядов, что значительно облегчает производство работ.

3.2. При зондировании глубинными взрывами заряды изготавливаются преимущественно цилиндрической формы высотой не больше трех-четырех диаметров. В отдельных случаях заряды заданной массы могут заранее отливаться в виде цилиндра в заводских условиях. В случае спуска зарядов в заранее погруженные обсадные трубы диаметр заряда должен быть на 20 - 25 мм меньше внутреннего диаметра трубы. Применение патронированного аммонита 6 ЖВ или плавленного ВВ (тротил) требует, чтобы заряды складывались из отдельных патронов или шашек (рис. 5, 6). При изготовлении зарядов из гранулированного или порошкообразного тротила необходимо применять оболочки, создающие форму цилиндра.

3.3. Конструкция зарядов при подводных взрывах аналогична конструкции зарядов при глубинных взрывах, но нет необходимости в создании правильной формы заряда. Так, заряды из гранулированного тротила и водостойкого аммонита могут помещаться в мешках, а для зарядов из гигроскопических ВВ можно использовать любые емкости, обеспечивающие гидроизоляцию на заданной глубине. Желательно, чтобы при подводных взрывах заряд был с меньшим соотношением высоты и диаметра (например 1:1).

3.4. Накладные заряды при зондировании поверхностными взрывами желательно изготовлять из наиболее дешевых ВВ, помещая их в мягкие оболочки. Форма заряда должна обеспечивать плотное его прилегание к поверхности грунта, причем ширина заряда должна быть больше его высоты.

3.5. Погружение зарядов в грунт при зондировании глубинными взрывами может осуществляться в заранее пробуренные скважины; в инвентарную трубу, погружаемую в грунт с помощью вибропогружателя, подмывом, забивкой обсадной трубы.

3.6. Для погружения зарядов в грунт можно использовать буровые скважины с обсадными трубами. При глубине погружения до 5 - 8 м может применяться ручное ударно-вращательное бурение, на большую глубину - самоходные буровые установки (например, УБП-30 и АВБ 1 М). Скважина в песчаных грунтах с учетом образующихся "пробок" должна быть пробурена на 1 - 1,5 м ниже глубины заложения заряда. Для ликвидации "пробок" или их уменьшения на конечных этапах бурения следует производить подлив воды в скважины. Заряд погружается в скважину и фиксируется на заданной глубине креплением веревки к копру. После погружения заряда обсадные трубы извлекают, при этом следует внимательно следить, чтобы заряд не поднимался вместе с трубами.

3.7. Погружение обсадных труб может производиться с помощью вибропогружателя. Вибропогружатель, прикрепленный к верху обсадной трубы, монтируется на кране.

Обсадная труба снабжается оставляемым в грунте или раскрывающимся наконечником.

После погружения трубы заряд вставляется в обсадную трубу; при работающем вибропогружателе труба извлекается, а наконечник вместе с зарядом остается в грунте, или труба поднимается при раскрытом наконечнике.

3.8. Погружение обсадной трубы можно производить с помощью подмыва грунта под напором, для чего к обсадной трубе подсоединяется шланг. Труба краном ставится в вертикальное положение, после чего в нее подается вода. Когда труба погружена на проектную отметку, подача воды прекращается, в трубу опускается заряд, а труба извлекается из грунта.

Погружение зарядов подмывом можно производить при помощи штанговой гидроиглы. Заряд прикрепляется крючками-пружинами к гидроигле, затем подается вода и производится погружение заряда. После погружения на заданную глубину подача воды прекращается и игла выдергивается. Заряд срывается с крючков и остается в грунте.

3.9. Погружение зарядов может производиться в обсадной трубе, забиваемой в грунт с помощью крана, снабженного сваебойным оборудованием. Обсадная труба поднимается и ставится в вертикальное положение, труба заправляется в наголовник, а на нижний конец трубы одевается наконечник, предотвращающий попадание в нее грунта. Труба забивается в грунт, с нее снимается наголовник и опускается заряд, затем труба выдергивается.

3.10. Для контроля за погружением заряда на проектную отметку необходимо на шнуре, привязанном к заряду, сделать метку на расстоянии, равном глубине погружения заряда. После вытаскивания обсадной трубы из скважины метка должна быть на уровне поверхности грунта или немного ниже.

3.11. При зондировании подводными взрывами заряды подвешиваются на поплавках. Поплавки могут быть выполнены из металла в виде буев или дерева и пенопласта. Деревянные поплавки изготавливаются из обрезков бревен в зависимости от требуемой грузоподъемности (массы заряда в воде) длиной 50 - 100 см. Поплавки должны иметь рымы для подвески зарядов.

Заряды ВВ подвешиваются к поплавкам на установленной расчетом (7) высоте над поверхностью грунта. В случае значительных скоростей течения воды фиксация зарядов производится с помощью привязанного к заряду груза, укладываемого на поверхность грунта (рис. 7).

3.12. В процессе погружения глубинных зарядов с помощью бурения следует вести описание грунтов. Из характерных горизонтов берутся пробы грунта для определения лабораторным путем основных физико-механических характеристик малосвязных грунтов (механический состав, предельные плотности грунта и коэффициент фильтрации). Отмечается положение грунтовых вод.

4.1. Основным критерием динамической устойчивости структуры, возможности разжижения и плотности водонасыщенных несвязных грунтов при взрывном зондировании является средняя относительная осадка поверхности грунта в пределах R от места погружения заряда.

Дополнительными критериями являются: соотношение средних осадок поверхности грунта в пределах R после трех или двух последовательных взрывов одинаковых зарядов и результаты визуального наблюдения за выходом отжимаемой из грунта воды, образованием трещин и т.п.

4.2. Наблюдение за осадками осуществляется путем геодезического контроля (нивелировка).

При зондировании глубинными и поверхностными зарядами на поверхности грунта по двум взаимноперпендикулярным направлениям разбивается нивелировочная сеть и устанавливаются марки (рис. 8). Простейшие марки это забитые деревянные колья. Возможно также применение небольших плит и геодезических марок. Следует отметить, что при близком расположении горизонта грунтовых вод и при переходе поверхностной зоны грунта в разжиженное состояние деревянные колышки могут всплыть, а плиты и марки утонуть в грунте. В этом случае нивелировку необходимо вести непосредственно по грунту, устанавливая рейку рядом с колышком или маркой, что, однако, несколько снижает точность замера осадки. Марки устанавливаются через 1 м на расстоянии до 10 м от устья скважины, а далее - до расстояния 20 м через 2 м.

При зондировании подводными взрывами наблюдение за осадкой производится по плитам, уложенным на поверхность исследуемого грунта (рис. 7). Размер плит - реперов в плане рекомендуется 0,7 x 0,7 м.

4.3. Опорные реперы при проведении нивелировки должны быть вынесены за пределы зоны исследуемого участка, на расстояние не менее 20R от места взрыва заряда.

4.4. Нивелировка должна производиться до и после каждого взрыва. До взрыва ее следует начинать не ранее, чем через 2t_уп после предыдущего взрыва. Время уплотнения непригруженного слоя (h_уп) можно ориентировочно определить по зависимости

где k - коэффициент фильтрации грунта;

e₁ и e₂ - коэффициенты пористости грунта до и после уплотнения взрывами.

При проведении первых опытных взрывов время уплотнения (t_уп) уточняется по результатам замера осадок поверхности грунта во времени.

4.5. В результате обработки данных нивелировки определяются:

а) средняя осадка S поверхности грунта в пределах R от места взрыва;

б) относительная осадка поверхности грунта по зависимости

где S - средняя осадка в пределах R;

h_уп - зона разрушения, которая в случаях, предусмотренных п. 2.9, принимается равной h'_уп;

в) максимальная осадка без учета участка устья скважины (1 - 2 м);

г) средний (по 4 лучам) радиус распространения осадки (осадка большая 1 см);

д) соотношение средних осадок при трех последовательных взрывах.

4.6. Для оценки возможности разжижения, структурной прочности и плотности сложения песчаных грунтов в зависимости от средней относительной осадки при взрывах зондировочных зарядов следует использовать табл. 1.

4.7. Соотношение осадок поверхности, происшедших в результате ряда последовательных взрывов, также характеризует начальную плотность сложения и способность к уплотнению несвязных грунтов. Чем больше разница средних осадок поверхности грунтов после двух-трех последовательных взрывов, тем рыхлее грунт и тем больше возможность возникновения значительных зон разрушения структуры и разжижения грунта. Ориентировочно соотношения приведены в табл. 1. При наличии ярко выраженных структурных связей осадка после второго взрыва в результате их разрушения может быть больше, чем после первого (рис. 9).

4.8. Для выделения наиболее рыхлых участков слоя малосвязного грунта и дифференцированной оценки устойчивости структуры грунта по глубине слоя следует проводить зондировочные взрывы зарядов различной массы на различных глубинах (рис. 10, а), определяемых по зависимости (2). Чтобы обеспечить отсутствие заметного влияния взрыва первого заряда (C₁) на результаты испытания слоя грунта вторым зарядом большей массы (C₂), они должны проводиться в точках, удаленных одна от другой в плане на расстояние, больше чем 2(R₁ + R₂). Определяя после каждого взрыва средние осадки S₁ и S₂, можно по выражению (14) подсчитать относительную осадку слоя h'_уп при взрыве меньшего заряда, а затем определить относительную осадку участка слоя мощностью h"_уп - h'_уп при взрыве большего заряда:

Аналогично для заряда массой C₃ в соответствии с рис. 10, а определяется

и т.д.

Увеличивая массу последовательно взрываемых зондировочных зарядов и подсчитав относительные осадки по выражению (15), можно оценить изменение уплотняемости и устойчивости структуры по глубине массива грунта. По результатам испытания строится график взрывного зондирования (рис. 10, б), т.е. график изменения относительной осадки по глубине. По этим данным и табл. 1 оценивается динамическая устойчивость структуры, возможность разжижения и степень плотности сложения отдельных слоев грунта по глубине.

4.9. Назначая различные массы зарядов с соблюдением условий формул (4), (5), (6), зондирование по глубине можно провести подводными взрывами (рис. 11).

5.1. Оценку динамической устойчивости малосвязных грунтов взрывным зондированием целесообразно осуществлять в комплексе с другими полевыми методами и лабораторными исследованиями.

При этом расширяется информация о составе, строении, состоянии и свойствах изучаемых грунтов. Определение показателей динамической устойчивости водонасыщенных малосвязных грунтов разными методами обеспечивает контроль и повышает надежность получаемых результатов.

5.2. В дополнение к взрывному зондированию возможно применение и других методов:

испытание водонасыщенных песков динамическим зондированием до и после взрывов для косвенной оценки их плотности, прочности и динамической устойчивости;

изучение водонасыщенных песков методом радиоактивного каротажа (гамма-гамма и нейтрон-нейтронный каротаж) для определения плотности грунта до и после взрыва с отбором образцов песка нарушенной структуры для определения предельной плотности грунта и последующего расчета степени плотности сложения грунта I_D;

установка глубинных марок для замера осадок исследуемого слоя грунта по глубине после взрыва;

испытание песков штампами, статическим зондированием, вращательным срезом и прессиометром до и после взрывов.

5.3. Опытные работы в месте взрыва зондировочного заряда проводятся в соответствии со схемой, приведенной на рис. 8.

Расположение точек (вертикалей) радиоактивного каротажа и динамического зондирования от места взрыва заряда на различных радиусах и глубинах заложения марок обусловлено стремлением уточнить радиус эффективного действия заряда (R) и глубину зоны разрушения структуры, разжижения и уплотнения грунта (h_уп). Аналогично могут располагаться точки испытания штампами, вращательным срезом и др.

Повторные испытания методом радиоактивного каротажа следует начинать не ранее чем через (2 - 3)t_уп после взрыва. Повторение испытания динамическим зондированием, штампами и вращательным срезом следует производить только после полного и уверенного окончания всех процессов консолидации грунта после взрыва (не ранее 3t_уп после взрыва, желательно через несколько дней и даже недель).

5.4. В качестве дополнительных показателей динамической устойчивости водонасыщенных песков целесообразно использовать данные о характере и степени изменения их плотности сложения и прочности, полученные на основании данных радиоактивного каротажа и динамического зондирования.

В этом случае дополнительными критериями возможности их разжижения и степени плотности сложения являются:

среднее значение условного динамического сопротивления песков динамическому зондированию P_{д. средн} <1> в пределах h_уп;

минимальное значение условного динамического сопротивления P_{д. мин} (для любого интервала по глубине h_уп, большего или равного 1 м);

степень плотности сложения грунта I_D:

где e и - соответственно коэффициент пористости и плотность сухого грунта в естественном сложении по данным радиоактивного каротажа;

e_макс, и e_мин, - то же, соответственно в предельно рыхлом и предельно плотном сложении по данным лабораторного определения этих величин;

относительное приращение величины условного динамического сопротивления после взрыва:

где P_{д. средн} и P'_{д. средн} - среднее условное динамическое сопротивление в пределах h_уп до и после взрыва.

--------------------------------

<1> Величина P_д вычисляется согласно ГОСТ 19912-74 "Грунты. Метод полевого испытания динамическим зондированием".

При прочих равных условиях в зависимости от степени плотности сложения песков и развитости в них структурных связей после взрыва наблюдаются три характерных случая.

Пески рыхлые и средней плотности, неупрочненные и слабоупрочненные. После взрыва существенно уплотняются и повышают свою прочность, что фиксируется по относительному приращению сопротивления динамическому зондированию.

Пески средней плотности, упрочненные (с развитыми структурными связями). Уплотнение после взрыва незначительное, но достаточное, чтобы компенсировать частичное разрушение структурных связей и сохранить общую прочность неизменной.

Пески плотные и средней плотности. В таких песках после взрыва в результате разрушения структурных связей наблюдается снижение прочности, т.е. уменьшение сопротивления зондированию.

5.5. Количественные критерии P_{д. средн}, P_{д. мин}, для оценки категории динамической устойчивости, возможности разжижения и степени плотности сложения водонасыщенных песков приведены в табл. 1.

При применении штампов, испытании крыльчаткой и другими способами подобные критерии должны разрабатываться дополнительно.

6.1. Работы по взрывному зондированию должны выполняться с безусловным соблюдением правил техники безопасности в соответствии с требованиями "Единых правил безопасности при взрывных работах".

6.2. Установление безопасных расстояний от места взрыва до сооружений производится в соответствии с "Едиными правилами безопасности при взрывных работах". Для случаев, не предусмотренных "Едиными правилами", необходимо предварительное проведение специальных исследований для определения безопасных расстояний.

Впервые взрывное зондирование в варианте "стандартных" взрывов было применено в 1951 - 1953 гг. [1, 2] для испытания песчаных грунтов на островах Волги в районах строительства Волжских ГЭС (Волжская им. В.И. Ленина, Волжская им. XXII съезда КПСС, Горьковская). Зондирование производилось зарядами ВВ (аммонит) массой 5 кг и глубиной заложения 4,5 м. Там же проводились испытания "стандартными" взрывами намытых надводным и подводным способами волжских песков. На ряде участков велся контроль степени плотности сложения песков путем отбора с водопонижением или замораживанием образцов ненарушенной структуры из шурфов. В дальнейшем аналогичные исследования проводились на строительстве Братской, Чардаринской ГЭС, в створе плотины Шульбинской ГЭС и др. Примеры испытаний грунтов "стандартными" взрывами приведены в табл. 3, а полученная для мелкозернистых песков связь степени плотности сложения грунта I_D с относительной осадкой - на рис. 12.

В качестве примера ниже приводится описание одного из "стандартных" взрывов на пляже небольшой протоки Волги в районе строительства Волжской ГЭС им. В.И. Ленина.

Речной пляж сложен кварцевыми, мелкозернистыми однородными песками средней окатанности, в толще которых встречаются выклинивающиеся тонкие прослойки ила. Горизонт грунтовых вод близок к поверхности (0,3 - 0,5 м).

Погружение зарядов ВВ производилось в пробуренные скважины с обсадными трубами диаметром 150 мм. Заряды из аммонита массой 5 кг помещались в жестяные цилиндрические коробки и тщательно изолировались от воды (рис. 4). После погружения заряда на глубину 4,5 м трубы извлекались и скважины заплывали песком.

По двум взаимно перпендикулярным лучам на расстоянии 15 - 20 м от устья скважины была разбита нивелировочная сеть (рис. 8).

Через несколько секунд после взрыва, а иногда сразу же происходил выход газов взрыва, и наблюдалась осадка поверхности песка, сопровождавшаяся отжатием воды. Местами вода выходила на поверхность концентрированными потоками в виде гейзеров, образуя характерные конусы выноса разжиженного песка. Фонтаны отжимаемой из грунта воды образовались в устье скважины и на расстояниях до 15 м от места взрыва, причем выход воды продолжался в течение 10 - 20 мин. Основная часть поверхности оседала за 4 - 5 мин после взрыва, но благодаря наличию илистых прослоек небольшое смещение поверхности продолжалось в течение нескольких часов. В пределах верхней неводонасыщенной части грунта из-за осадки поверхности наблюдалось образование сети концентрических по отношению к устью скважины трещин, которые прослеживались в некоторых случаях на расстоянии 20 м от места взрыва.

На рис. 13 и 14 показаны осадки по одному из лучей. После первого взрыва средняя осадка в радиусе 5 м от устья скважины достигала 18 см. При последующих взрывах явления повторялись, но носили затухающий характер. Интенсивность и время отжатия воды существенно сократилось.

Результаты взрывного зондирования в различных условиях показали яркое проявление разжижения в намытых под воду песках (рис. 15).

1. В качестве примера послойного взрывного зондирования приведен график результатов испытания толщи пылеватых песков на участке намыва территории в дельте р. Невы (рис. 16). Для детального исследования грунта на глубину 6 - 7 м заряды массой от 0,5 до 5,0 кг последовательно взрывались на расстоянии, обеспечивающем отсутствие их взаимного влияния. По величинам средних осадок (табл. 4) и расчетной глубине зондирования, используя зависимости (14) и (15), был построен график взрывного зондирования (рис. 16). Как можно заметить, в результате взрывного зондирования на этом участке выделяются более динамически устойчивые естественные пески и супеси , находящиеся под слоем свеженамытых в воду пылеватых песков .

2. В районе полуострова Мангышлак методом взрывного зондирования исследовались просадочные мелкозернистые пески, которые перед взрывами водонасыщались путем заливки обвалованных участков водой. До насыщения водой из шурфов отбирались пробы ненарушенной структуры (рис. 17, в). В результате взрывного зондирования четко подтвердилось (рис. 17, б) наличие более плотного слоя песка на глубине порядка 4 м и малая устойчивость структуры песка до глубины 3 м.

3. Результаты взрывного зондирования толщи пылеватых песков и супесей хвостохранилища Маднеульского горнообогатительного комбината (рис. 18) свидетельствуют об очень однородной по динамической устойчивости и чрезвычайно рыхлой структуре пылеватых песков-хвостов зоны подводного намыва. Взрывы зарядов массой 1, 3 и 5 кг проводились вблизи прудковой зоны водохранилища. Данные об осадках глубинных реперов показали, что глубина зоны разрушения структуры по сравнению с приводимой в формуле (1) увеличилась до 2,5h. В расчетных размерах зоны h_уп также учтена зона капиллярного насыщения грунта, которая принята по данным натурных наблюдений 1,5 - 2,0 м.

4. Примером использования метода зондирования подводными взрывами могут служить опыты, выполненные под руководством Г.Н. Смирнова (МИСИ) <1> в районе мыса Шисхарис (вблизи Новороссийска).

--------------------------------

<1> Смирнов Г.Н., Фальк М.А. Оценка динамической прочности грунтов основания портовых гидротехнических сооружений методом взрывного зондирования. - Труды координационных совещаний по гидротехнике: Динамические свойства грунтов и сейсмостойкость гидротехнических сооружений/ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 1973, с. 101 - 105.

Глубина воды в месте зондирования менялась в пределах от 17 до 19 м. В основании до глубины около четырех метров залегали заиленные мелкозернистые пески с включением ракушки и ракушечного детрита. По данным пенетрации толща рыхлых отложений менялась от 3,4 до 6,1 м. Места взрывов совпадали с расположением соответствующих станций пенетрации.

Заряды массой от 5,7 до 40 кг (табл. 5) подвешивались к буйку и взрывались над поверхностью грунта. Измерение осадок поверхности дна производилось водолазами с помощью двадцатиметровой мерной рейки, имеющей отверстия через 1 м для линейки с ценой деления 1 см. Рейка крепилась в центре к предварительно забитому на глубину 1 м металлическому штырю, а ее концы укладывались на бетонные блоки, установленные в направлениях север-юг и восток-запад. Положение рейки при промерах контролировалось закрепленными на ней компасом и жидкостным уровнем. Промеры дна выполнялись непосредственно перед взрывом и не раньше, чем через три часа после него (рис. 19).

Три последовательных взрыва зарядов в одной точке (станции) массой 5,7 кг каждый привели к накоплению затухающей осадки (рис. 19). Соотношение средней осадки при первом и втором взрывах (табл. 5) было 1,9, т.е. больше 1,4 по критерию табл. 1.

По величине средних осадок в пределах всей зоны действия взрыва (R_макс) зарядов различной массы и по расчетной глубине разрушения структуры (h_уп), определяющейся по зависимости (11), был построен график взрывного зондирования толщи по глубине. Подсчет относительных осадок слоев производился по формулам (14) и (15). Например:

Кроме измерений осадок перед каждым взрывом и после него производилось тщательное обследование дна. Во всех опытах на поверхности дна до взрыва был крупнозернистый песок и отдельные камни размером до 20 - 30 см. Кроме того, перед взрывом заряда массой 5,7 кг под зарядом и в радиусе 1 и 1,3 м были установлены чугунные болванки массой 25 кг (7 x 12 x 36 см). После взрыва чугунные болванки и камни в пределах воронок оседания не были обнаружены, а поверхность воронок была покрыта мелкозернистым грунтом. На дне наблюдался слой долгооседающей белесоватой мути. Все воронки оседания имели плавные очертания, ни при одном из взрывов не было обнаружено выброса грунта.

В результате по соотношению осадок при последовательных взрывах и по величине относительной осадки в соответствии с предложенными критериями (табл. 1) все слои грунта от поверхности дна до глубины 5 м, т.е. практически вся толща рыхлых отложений были отнесены к грунтам с неустойчивой или слабоустойчивой структурой: рыхлым, способным переходить в разжиженное состояние.

Следует отметить некоторую условность обработки результатов опытов, вызванную приближенностью оценки величины глубины разрушения структуры при взрыве (h_уп) по сугубо ориентировочной зависимости (11). Установка глубинных реперов или другие методы контроля h_уп позволили бы в этих и подобных опытах получить более достоверные значения .

Однако характер и величины осадок поверхности, особенно максимальных в центре воронки оседания (рис. 19, б и табл. 4), бесспорно свидетельствуют, что при массе заряда больше 13 кг и тем более больше 24 кг зона разрушения структуры и уплотнения не увеличивалась по глубине, а только расширялась в плане. Таким образом, можно уверенно утверждать, что дно акватории сложено по крайней мере двумя слоями (рис. 20): верхним, обладающим малой динамической устойчивостью структуры, и нижним с высокоустойчивой структурой (т.е. по табл. 1 имеется слой категории I и подстилающий слой категории IV).

1. Иванов П.Л. Разжижение песчаных грунтов. - Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 260 с.

2. Иванов П.Л. Уплотнение несвязных грунтов взрывами. - Л.: Госстройиздат, 1967. - 170 с.

3. Единые правила безопасности при взрывных работах. - М.: Недра, 1972. - 306 с.

4. Афонин В.Г., Гейман Л.М., Комир В.М. Справочное руководство по взрывным работам в строительстве. - Киев: Будiвельник, 1974. - 382 с.

5. Дудлер И.В., Дуранте В.А., Смирнов С.Д. Опыт применения ударного зондирования для исследования грунтов в энергетическом строительстве СССР. - М.: Информэнерго, 1978.

6. Дудлер И.В. Комплексные исследования грунтов полевыми методами. - М.: Стройиздат, 1979.