黃 朝 煊

(浙江省水利水電勘測設(shè)計院，杭州 310002)

爆炸法處理軟土地基可分為爆炸擠密、爆炸固結(jié)以及爆炸置換幾種，主要在軟土、砂土等地基上進(jìn)行處理。最早Bathaih M H[1]在1932年對爆炸在土體中的物理化學(xué)作用進(jìn)行研究，1940年P(guān)rugh B J[2]對砂土地基采用爆炸擠密處理進(jìn)行了研究，之后，國內(nèi)外的眾多研究者[3-5]對爆炸法處理地基進(jìn)行了深入的研究，因此獲得豐富的資料和成果。但對于爆炸擠淤中需爆炸置換的淤泥深度D、爆炸置換的淤泥寬度以及炸藥用量控制等問題仍需深入研究。基于此，本文依托漩門三期圍墾工程，對爆炸擠淤置換法進(jìn)行技術(shù)總結(jié)，并對爆炸擠淤相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了探討。

爆炸擠淤置換法在國內(nèi)已有30 a以上的研究與應(yīng)用，目前已在浙江省多個工程(漩門三期圍墾工程、玉環(huán)中心漁港工程、三門縣洋市圍墾海堤工程)中應(yīng)用。

爆炸擠淤置換法是以控制拋填石料的加載高度、速率以及相關(guān)爆破技術(shù)為核心，將拋填石料擠入淤泥土中的施工方法，從而使得海堤斷面結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計穩(wěn)定斷面形式的要求。該施工法理論上是地基處理中換填法的延伸，爆炸擠淤置換法具有節(jié)約工程投資和加快工程施工進(jìn)度的優(yōu)點(diǎn)。

1 爆炸擠淤置換法

目前，在深淤泥灘涂面上建造海堤，其地基處理主要有2種方法：打設(shè)塑料排水板排水固結(jié)法[6-8]和爆炸擠淤置換法[9,10]。

爆炸擠淤置換法是利用拋填石料自重下沉到一定深度，然后通過埋設(shè)在拋填石料底部炸藥的爆炸作用，擠開底部淤泥土，使拋填石料逐次下沉并擠出部分淤泥，達(dá)到拋填石料與淤泥軟土之間置換的目的。其中炸藥的爆炸作用主要有以下幾個方面。

(1)爆炸排淤。炸藥爆炸產(chǎn)生的高溫、高壓以及沖擊波，使地基軟土破壞并被拋擲出去，在藥包附近形成較大的爆坑，達(dá)到排開淤泥的作用。

(2)堤身爆振下沉。炸藥爆炸產(chǎn)生巨大的沖擊波使得地基振動，堤身振動使得地基土中產(chǎn)生附加動應(yīng)力，進(jìn)而使得堤下地基軟土發(fā)生破壞而擠出，堤身下沉。

(3)爆炸使堤身密實(shí)。堤身拋填石料經(jīng)過多次爆炸振動作用，變得密實(shí)，堤身在后期運(yùn)行中的堤身壓縮量較小。

根據(jù)近幾年來的理論探討和工程實(shí)踐應(yīng)用，爆炸置換處理淤泥軟土的深度在多處已突破20 m，如：象山海軍護(hù)岸堤最大置換深度達(dá)26 m，福建可門電廠護(hù)岸最大置換深度達(dá)30 m以上，溫州市洞頭縣北岙后二期圍墾西圍堤最大置換深度達(dá)20 m，漩門三期圍墾工程置換深度為22 m。

通過相關(guān)工程實(shí)際對比分析，認(rèn)為爆炸擠淤置換法處理的海堤后期沉降小(“座落式”后期沉降5～10 cm，“懸浮式”后期沉降20～40 cm)，因此爆炸擠淤置換法比排水插板排水固結(jié)法更具優(yōu)勢。

爆炸擠淤置換法處理的海堤工程施工程序?yàn)椋嚎刂泣c(diǎn)測量定位→拋填石料→堤頭埋設(shè)炸藥及爆炸→堤身側(cè)面埋設(shè)炸藥及爆炸→外海側(cè)淤泥鼓包的清理→拋石護(hù)坦施工→護(hù)面理坡施工→碎石墊層鋪設(shè)→混凝土灌砌塊石施工→內(nèi)坡的土工布鋪設(shè)→閉氣土方填筑施工→漿砌塊石擋墻施工→背水坡土石界面反濾土工布鋪設(shè)→干砌石護(hù)坡施工→堤頂路面施工。 其中炸藥埋設(shè)示意圖見圖1。

圖1 爆炸擠淤置換法中炸藥埋設(shè)示意圖

2 爆炸擠淤置換法控制性參數(shù)研究

《海堤工程爆炸擠淤置換法處理軟土地基技術(shù)規(guī)范》(DB33/T839-2011)(以下簡稱：浙江省地標(biāo)“DB33”)[11]分別對“座落式”和“懸浮式”2種爆炸處理斷面結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行初步表述，但對爆炸前拋填堆石體斷面結(jié)構(gòu)尺寸未作深入的定量說明，如爆炸前拋填堆石體寬度、最大處理深度以及拋填進(jìn)尺等。另外炸藥單藥包用藥量(或線藥量)、藥包埋深深度、藥包間距等，這些爆炸控制性參數(shù)選值范圍大，工程實(shí)際應(yīng)用中難以控制，參數(shù)選取具有較大的不確定性。

2.1 對拋填堆石體自重擠淤深度D0計算分析

對于爆炸擠淤置換法中拋填堆石體自重擠淤深度D0，可采用土體的極限平衡法分析得到，浙江省地標(biāo)“DB33”[11]附錄中也給出了相關(guān)方程，拋填堆石體自重擠淤深度D0與堆石填筑體厚度h、頂寬B、淤泥抗剪強(qiáng)度等滿足以下關(guān)系：

t>0.414B

(1)

式中：t為涂面淤泥厚度，m；B為填筑體頂寬度，m；cu為淤泥不排水抗剪強(qiáng)度，kPa；γ為填筑體平均密度；γs為淤泥的密度。

x3+3x2≈3.68x2-0.10x(0≤x≤0.5)

(2)

圖2 函數(shù)x3+3 x2高精度二次函數(shù)擬合曲線

從而得到拋填堆石體自重擠淤深度D0的直接計算式：

(3)

2.2 對爆炸擠淤置換法懸浮式結(jié)構(gòu)置換深D的建議

對于深淤泥地基上的“懸浮式”爆炸置換結(jié)構(gòu)海堤，需爆炸置換的淤泥深度D，浙江省地標(biāo)“DB33”[11]中“4.3.4”條認(rèn)為“按置換深度為堤原涂面以上總高度的2～2.5倍，最大腰寬為置換深度的2～3倍控制?！?，該條未考慮軟土地基的抗剪強(qiáng)度、淤泥層厚度等重要因素的影響，因此關(guān)于“懸浮式”結(jié)構(gòu)淤泥層置換深度D值選取時值得深入研究，筆者通過利用理正軟件進(jìn)行大量滑動穩(wěn)定計算[12]，得出半經(jīng)驗(yàn)性的淤泥層置換深度D擬合建議公式：

(4)

其中淤泥層抗剪強(qiáng)度修正參數(shù)分別為：

(5)

(6)

式中：H為涂面以上海堤的總高度，m；w為淤泥土層加權(quán)平均含水量，%；c為淤泥土層加權(quán)平均凝聚力，kPa；φ為淤泥土層加權(quán)平均摩擦角 ，(°)；h0為涂面至外海側(cè)第1級消浪平臺高度，m。

其中值得說明的是，爆炸擠淤置換法處理后，受淤泥土具有靈敏度的影響，地基淤泥土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)一般具有一定強(qiáng)度折減，因此建議本文中計算式(4)中地基土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)考慮該因素影響，根據(jù)浙江水利水電勘測設(shè)計院設(shè)計的浙江省省內(nèi)項(xiàng)目，其爆炸法處理后的淤泥土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)一般折減0.8～0.9倍。

2.3 其余參數(shù)估算

(1)堤頭爆破下沉平均高度D1估算式：

D1=K1(D-D0)

式中：K1為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取0.2～0.6。

(2)單藥包重量估算。給定每炮拋填進(jìn)尺b，考慮到本場址淤泥特性，以及因海堤堤心石均需水上船拋，給拋填進(jìn)尺控制造成困難，取b=8～10 m，估算式為：

式中：K2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取0.2～0.4；b為每炮進(jìn)尺， m；Q為單藥包重量，kg。

采用該公式對旋門三期圍墾工程進(jìn)行驗(yàn)算分析(見圖3)，實(shí)際設(shè)計置換淤泥深D=22.5 m，采用本文公式計算推薦值21.7 m，與設(shè)計值基本吻合，因此本文式(3)、式(4)具有一定參考價值。

圖3 漩門三期爆炸擠淤置換法典型海堤斷面(單位：m)

3 爆炸擠淤置換法在漩門三期圍墾工程中的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

漩門三期圍墾工程位于玉環(huán)縣東北的漩門灣，緊靠玉環(huán)縣政府所在地珠港鎮(zhèn)，東瀕東海，南接珠港坎門，西鄰蘆浦，北靠龍溪、干江2鎮(zhèn)。工程主要任務(wù)是增加陸域土地資源，改善水環(huán)境及城市周邊防潮排澇條件。

工程圍區(qū)涂面高程為-4～2 m，圍區(qū)總面積0.453 萬hm2，為Ⅲ等工程。主要由海堤和排澇閘組成，海堤設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇設(shè)計高潮位與同頻率風(fēng)浪組合，允許部分越浪；水閘擋潮設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇設(shè)計高潮位與同頻風(fēng)浪組合。初設(shè)概算投資為10.7 億元。

海堤總長5 352 m，分3段：坎門海堤，從半邊山經(jīng)鳥籠嶼至目魚嶼，長325 m，涂面高程-2.5～1.0 m(1985國家高程基準(zhǔn)，下同)；珠港海堤，位于目魚嶼與沖坦嶼之間，長4 077 m，涂面高程-4.2～-3.0 m；干江海堤，從沖坦嶼至木杓頭南側(cè)，堤長950 m，涂面高程0～-3.5 m。工程布置示意圖見圖4。

圖4 漩門三期圍墾工程布置示意圖

坎門海堤地基主要由表部的淤泥、碎塊石和下部的基巖等組成。堤基表部的淤泥及碎塊石厚度較薄，厚度一般小于2 m，工程地質(zhì)條件較好。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，珠港、干江海堤地基主要由Ⅰ層淤泥夾粉土、Ⅰsil層淤泥、Ⅱ?qū)佑倌?、Ⅲ層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、Ⅳ層黏土夾粉細(xì)砂等組成，需要進(jìn)行地基處理。

石料場選擇宮后山和炮臺山，巖性為流紋質(zhì)角礫凝灰?guī)r、鉀長花崗巖、凝灰?guī)r及熔結(jié)凝灰?guī)r等，新鮮巖石致密堅硬，根據(jù)所取巖石的室內(nèi)試驗(yàn)成果：塊石密度為2 571～2 684 kg/m3，新鮮巖石極限抗壓強(qiáng)度84～127 MPa，軟化系數(shù)為0.78～0.86，巖石開挖級別一般為Ⅹ～Ⅺ級。

3.2 海堤結(jié)構(gòu)及施工

海堤采用土石堤，即外側(cè)采用石壩擋潮，內(nèi)側(cè)采用海涂泥閉氣。由于工程處于強(qiáng)風(fēng)浪區(qū)，海堤外坡上部結(jié)構(gòu)選用牢固可靠的整體式埋石混凝土重力直墻，坎門、珠港海堤防浪墻頂高程為10.5m，干江海堤防浪墻頂高程為9.0 m。外坡在高程4.0 m設(shè)有消浪平臺，消浪平臺以下為1∶1.8的斜坡至堤腳。外坡及堤腳采用扭王字塊保護(hù)。

堤頂混凝土直墻內(nèi)側(cè)設(shè)7.0 m寬的交通公路。公路內(nèi)側(cè)為閉氣土方，閉氣土方頂高程為6.0 m，在2.5 m高程設(shè)5 m寬的平臺，平臺以上為1∶4的斜坡，以下為1∶15的斜坡至涂面。

珠港和干江海堤地基均為深厚的淤泥和淤泥質(zhì)土，需要進(jìn)行地基處理。爆炸擠淤置換法處理軟土地基具有施工進(jìn)度快，工后沉降小的優(yōu)勢。圖5為炸藥埋設(shè)簡圖，圖6為爆炸現(xiàn)場圖及爆炸后拋石落底深度探測試驗(yàn)，圖7為根據(jù)實(shí)際布孔鉆探推測爆填石料工后成形斷面示意圖，結(jié)果表明實(shí)際施工成形斷面與設(shè)計斷面基本一致，差異主要體現(xiàn)在實(shí)際成形斷面底座比原設(shè)計稍寬厚。

圖5 漩門三期圍墾工程炸藥埋設(shè)

圖6 漩門三期圍墾工程爆炸現(xiàn)場

圖7 爆填石料實(shí)際鉆探推測與原設(shè)計對比(單位：m)

3.3 爆炸擠淤置換法前后海堤地基淤泥土力學(xué)參數(shù)變化

靈敏度表示黏土對結(jié)構(gòu)擾動的靈敏程度，為原狀試樣的不排水強(qiáng)度與相同含水量下重塑試樣的不排水強(qiáng)度之比。靈敏度越大，表示黏土結(jié)構(gòu)擾動后強(qiáng)度影響越大。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，靈敏度小于2為低靈敏土，靈敏度2～4為中靈敏土，靈敏度大于4為高靈敏土。

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)勘探檢測，爆炸擠淤置換法施工前后，漩門三期地基土物理力學(xué)指標(biāo)對比見表1、表2。

表1 爆炸擠淤置換法前后海堤地基(Ⅱ?qū)?力學(xué)參數(shù)變化

表2 爆炸擠淤置換法前后海堤地基土(Ⅲ層)力學(xué)參數(shù)變化

通過對爆炸前后的淤泥土(Ⅱ?qū)佑倌嗤痢ⅱ髮佑倌噘|(zhì)黏土)力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行對比分析可知，由于浙江沿海灘涂結(jié)構(gòu)性淤泥軟土具有一定靈敏度，爆炸法處理后的淤泥土強(qiáng)度一般有所降低，其中Ⅱ?qū)佑倌嗤帘ǚㄊ┕ず蟮挠倌嗤翉?qiáng)度折減0.89，Ⅲ層淤泥質(zhì)黏土爆炸法施工后的淤泥土強(qiáng)度折減0.88，為相關(guān)工程設(shè)計提供技術(shù)參考。

4 結(jié)論與建議

本文對爆炸擠淤置換法處理海堤淤泥地基進(jìn)行了分析說明，并以浙江省水利水電勘測設(shè)計院設(shè)計的漩門三期圍墾工程為例進(jìn)行案例介紹，主要結(jié)論如下。

(1) 結(jié)合相關(guān)技術(shù)規(guī)程，如《海堤工程爆炸擠淤置換法處理軟土地基技術(shù)規(guī)范》(DB33/T839-2011)、《爆炸法處理水下地基和基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》(JTJ258-98)，對爆炸擠淤置換法的技術(shù)特點(diǎn)、施工方式等進(jìn)行說明，認(rèn)為爆炸擠淤置換法具有處理地基置換深度深、范圍大以及施工進(jìn)度快等顯著優(yōu)勢特點(diǎn)，爆炸擠淤置換法是地基處理中換填法的延伸。

(2) 根據(jù)土力學(xué)理論，對自重擠淤深度D0和懸浮式結(jié)構(gòu)置換深度D進(jìn)行理論推導(dǎo)分析，并分別給出了具有實(shí)用性的理論計算式，通過工程案例驗(yàn)證，結(jié)果表明本文所提公式的計算值與實(shí)測值基本一致。

(3) 以漩門三期圍墾工程為例，對爆炸擠淤置換法進(jìn)行詳細(xì)分析，認(rèn)為爆炸擠淤置換法比普通排水板處理固結(jié)法具有施工進(jìn)度快、工后沉降小的優(yōu)勢。為了驗(yàn)證實(shí)際爆炸成形斷面與原設(shè)計斷面的差異，通過現(xiàn)場鉆探分析，結(jié)果表明實(shí)際爆炸成形斷面與設(shè)計斷面基本一致。通過對爆炸前后的淤泥土力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行對比分析，認(rèn)為爆炸法處理后的淤泥土強(qiáng)度一般有所降低，其爆炸法施工后的淤泥土強(qiáng)度折減一般為0.8～0.9，為相關(guān)工程設(shè)計提供技術(shù)參考。

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