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爆炸加固软土地基作用机理的试验研究

2016-12-01 09:24:19.0 责任编辑:崔玮娜

孟海利  张志毅  杨年华  薛  里  邓志勇

(中国铁道科学研究院,北京,100081)

摘要:爆炸加固软土地基是一种新型的软基处理技术,对其进行深入细致的研究具有重要的理论意义和实践意义。本文采用模型试验对爆炸加固软土地基排水固结原理进行了研究,对饱和软黏土的爆炸效应研究,得出了炸药在饱和软黏土中爆炸的不同作用区域,试验结果可以看出爆炸可以加速饱和软黏土的排水固结,对深层的软基作用效果更明显。另外该技术在两合线、宁启铁路、佛山和顺-北滘公路进行了实际应用,取得了良好的效果,其优势得到了充分的体现。

关键词:爆炸动力固结法;软土地基;超静孔隙水压;沉降

 

1引言

在我沿海地区、内河两岸以及有湖泊分布的地方广泛分布着软土[1]。软土一般具有高含水量、大孔隙比、低强度、高压缩性、灵敏性和触变性等特点,其物理力学性质变化较大,并且各地区的软土性质也不尽相同[2,3]。在软土上修建公路、铁路、高层建筑、机场、码头及水库等建(构)筑物时,会出现竖向变形不均、变形趋于稳定的时间长、工后沉降突出等问题。 因此,在软土地基上施工时,必须采取一定措施对其进行加固处理。

目前,无论采用何种措施对软土地基进行处理,如何控制软土地基的稳定性和变形量,已成为工程界普遍关注的问题。对软土地基加固处理方法做出正确的选择,快速有效地提高软土的承载力,不仅关系到整个建设工程的质量、进度,也是降低工程造价的重要途径之一。

近年来随着工程建设的迅猛发展,需要不断寻求新的、高效的软基处理方法。爆破专家和土力学专家各自发挥其专业特长,将爆炸和软土地基处理紧密结合起来,提出了一种新型的软基处理方法——爆炸动力固结法[4]

爆炸法处理软土地基的基本思路如图1所示[5,6]。首先在软基表面铺设砂垫层,作为水平排水通道;然后在软土内部设置竖向排水通道(如塑料排水饭、袋装砂井、砂桩等),使地基内部构成完整畅通的排水网路;再填土至交工面标高(含预留沉降量),作为爆炸处理的上覆荷载;待由填土产生的沉降基本稳定后,在深层软基中钻取深孔,将炸药置于需加固处理的深度,并选择爆炸参数,进行一次或数次爆炸,装药结构采用导爆索串联间隔装药方式;土体在爆炸荷载作用下产生超静水压力,加之上覆荷载的约束,使部分孔隙水利用预先设置的排水通道排除土体,在此过程中,进行地表沉降、软土强度等土工观测;待地基达到稳定要求,爆炸处理完成。

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长期以来,中国铁道科学院一直致力于爆炸加固软黏土地基的机理研究,通过一系列模型和现场试验,发现通过改变软黏土的排水条件,利用炸药爆炸产生的高能量瞬变动荷载引起软土扰动,并结合一定的上覆荷载,可降低软土层的压缩性,减少在设计荷载作用下的沉降量,同时又能提高软土层的抗剪强度,达到软土地基固结的效果,爆炸动力固结是一种有效的软基处理方法[7,8]

2模型试验研究

2.1试验的实现方法

试验是在钢筋混凝土爆炸池中进行的,使用的软土为海相淤泥。爆炸池形状为圆柱形,内径2.0m,壁厚30cm,净高2.4m。刚性爆炸池可以保证土体沉降是体变而不是形变。

试验采用的方法和步骤与现场处理软基的工法基本相同,即在软土地基上设置排水通道,施加上覆荷载,并使其在此荷载作用下产生固结,然后在软土中埋设炸药进行爆炸,使软土地基进一步排水固结。整个试验装置如图2和图3所示。

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2.2试验测试内容

模型试验共进行以下四个方面的测试。

(1)炸药在软土中爆炸后,形成的冲击荷载对周围土体产生强烈的挤压作用,土体将受到严重的扰动:为了反映爆炸荷载对饱和软土的作用强度,在药包周围埋设加速度传感器,对爆炸荷载引起饱和软土的加速度进行测试。

(2)采用原位测试的方法观测爆炸前后土体强度的变化情况。原位测试包括十字板剪切和静力触探两种。

(3)观测爆炸法处理软土地基过程中孔隙水压力的变化情况。因爆炸处理过程软土中孔隙水压力经历了高速变化和缓慢消散两个过程,故选用了动、静态两套测试系统。孔隙水压力的测试采用KY-2型压阻式孔隙水压传感器,动态水压信号的采集使用UB0X-1型振动记录仪,静态的数据采集则使用DTC-20lOA型多通道测试数显仪。

(4)观测地甚处理过程中不同时刻的沉降量,沉降量通过观测预先埋设在土体表面的沉降标得到。

2.3试验方案

试验采用普通导爆索作为条形药包,8号电雷管从顶部引爆。共进行了不同炸药量。不同上覆荷载、不同爆炸次数以及多孔爆炸等20余组模拟试验。从分析机理角度上讲,每组试验结果所得结论是相同的,因此,下面只给出了不同炸药单耗的试验参数(见表1)

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2.4试验结果及分析

2.4.1  爆炸荷载下饱和软土的变化特征

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炸药在软土中爆炸后,距药包不同区域的土体的变化特征不同。炮孔周围的土体由于受到爆炸冲击波和爆生气体的径向挤压作用,内部孔隙被压缩,形成一个爆炸空腔。图4所示为引爆一根半导爆索在淤泥中形成的空腔,。空腔直径平均约15cm。

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空腔以外一定区域内的软土,结构遭到破坏,表现出液态特征。图5所示为引爆一根半导爆索,距离药包40cm处测得的加速度波形,这与水中和含水量200﹪的泥浆中爆炸测得的加速度波形图(如图6和图7所示)极为相似,表明软土在爆炸荷载作用瞬间呈现流体特征。土体产生的加速度与药量有关,药量越大,相同位置处土体产生的加速度越大。原位测试结果表明爆后该区域软土的强度明显降低,说明该区域软土的结构性受到较大程度的损伤,但随着孔隙水的排出,软土强度得到恢复,最终将超过原来的强度值。我们将该区域定义为触变损伤区。

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触变损伤区以外一定范围的软土,由于受爆破地震波的影响,强度也有所降低,但也没有触变损伤区那么明显。该区域测得的加速度波形如图8所示,表明软土在爆破地震波的作用下做弹性振动。

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根据以上分析,饱和软土中的爆炸效应可以分为3个区域,如图9所示,即空腔区、触变损伤区和振动影响区。空腔区是爆炸产生的高温高压的作用结果,空腔的直径与药量成正比,约为20倍的药包直径,爆炸空腔在后期压力作用下将回缩;触变损伤区是受冲击扰动的主要作用范围,损伤区半径与药量之间的关系为R=0.123 1129145431.jpg  ,这一区域是爆炸加固软土地基的主要作用区域;振动区则受地震波影响,范围较大。

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2.4.2  爆炸荷载作用下孔隙水压的变化规律

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图10给出了爆炸瞬间动态水压典型波形图。可以看出在爆炸荷载作用的瞬间,孔隙水压力骤然升高,大约是爆前的2~3倍,由于爆炸荷载是一个瞬间的动荷载,当爆炸荷载消失后,孔隙水压力迅速下降,整个过程所用时间非常短,仅有几十毫秒。孔隙水压下降后回落不到爆前的数值,而是比爆前有了较大幅度的提高,并能维持一段时间。

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图11所示为爆炸荷载作用后,土体产生的超静孔隙水压力的变化情况。从图1l中可以看出,爆后土体产生了超静孔隙水压力,并且距离药包越近,超静孔隙水压力越大。超静孔隙水压力随时间的推移而逐渐消散,最终消散至零。整个消散过程分两个阶段:一是快速消散阶段,在超静孔隙水压力大于10kPa时,消散速度较快,大约用时为100~120h;二是缓慢消散阶段,在超静孔隙水压力小于10kPa后,消散逐渐变缓,占整个消散过程的2/3。,爆炸瞬间产生的超静水压力与药量和距离的关系为   1129145432.jpg  

2.4.3  爆炸荷载下沉降量的变化规律

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图12给出了爆炸前后土体沉降量的变化曲线。可以看出土体在40kPa的上覆荷载作用下达到平衡,然后实施爆炸,土体再一次产生沉降,这表明在相同的上覆荷载作用下,爆炸可使土体产生二次沉降。且沉降量明显。与超静孔隙水压的消散规律相对应,爆后土体的沉降速度也分为两个阶段,前5~8天沉降速度较快,沉降量大,为快速沉降阶段,然后沉降速度变慢,沉降量逐渐减小,形成缓慢沉降阶段,该阶段持续时间较长。单药包爆炸后,距离药包越近,软土的沉降量越大,致使土体断面沉降呈现锅底形。

2.4.4爆炸作用下软土地基强度变化规律

分别在距爆源25cm和75cm处测定爆前及爆后不同时刻的贯入阻力ps,贯入阻力随时间及土层深度的变化曲线如图13所示。

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由图13可知,在爆源近区,爆后瞬间土体的强度急剧降低,表现为静力触探贯入阻力几乎为0,随着时间的增加,在爆后11天和25天,贯入阻力较爆前都明显增强;在爆源远区,爆炸瞬间软土的强度受影响较小,表现为静力触探贯入阻力较爆前变化不大,随着时间的增加,在爆后11天和25天,贯入阻力较爆前也都有明显的提升。总之,土体承载力随着爆后固结时间的增加而逐渐增强。

3现场试验研究

3.1西(安)一合(肥)铁路试验段

西合线DK299+500~DK299+550段爆炸处理深层软土地基的试验场地长30m、宽20m、下覆深度为7.5m的含淤泥质土。试验过程如下:首先在试验场地预埋沉降板和孔隙水压力传感器,地表再覆盖3m厚填土,爆炸孔和排水砂井呈梅花形布置,炮孔至排水砂井的间距为1.5m,炮孔内间隔不耦合装药(总药量2kg),逐孔分次起爆。爆后进行了孔隙水压力测量、土样物理力学试验、标准贯入试验、静力触探试验和沉降量观测,验证爆炸处理效果(见表2)。

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3.1.1  单孔爆炸的作用效果

三次单孔爆炸试验显示,爆后砂井中均有快速排水和冒泡现象,约持续15min。炮孔的平均空腔体积为原孔的8.8倍,半径为爆前的3.0倍。由此可知,单孔爆炸对周边软土具有一定的挤密破坏作用,爆炸产生的冲击波扰动影响范围也较大。

3.1.2爆后孔隙水压力变化情况

在爆炸场地中心距离炮孔 1.5m、埋深7.5m处布设了钢铉式孔隙水压力传感器,实际测得爆炸后孔隙水压力变化曲线如图14所示。图14中两个峰值为两次爆炸产生,由图可知孔隙水压力在4Oh内有明显衰减,但在很长一段时间内仍保持较高超静孔隙水压力,能产生持久排水固结沉降。在爆后12h之内,孔隙水大量涌出地表或流向袋装砂井,其孔隙水压衰减很快;随后进入孔隙水缓慢排除阶段,孔隙水压也缓慢降低。孔隙水压力的变化过程从原理上充分证明爆炸作用可促进、加快固结沉降。

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3.1.3爆炸后沉降观测

根据试验场地分区,本次试验共埋设了10个沉降板,中间的4号点沉降时程曲线如图15所示,爆炸引起的沉降十分显著,爆炸后仍有3~5天的明显沉降期,第一天的沉降最为显著,这一过程与超静孔隙水压力消散过程相对应。另外爆炸次数对沉降量的影响尤为重要。

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3.1.4标准贯入试验和静力触探试验

在爆前和爆后45天进行了轻型标贯试验对比,N10击数比爆前提高了1.8倍(见表3)。爆后静力触探试验指标见表4,由此可知爆炸加固处理后,含淤泥质软弱土层的强度指标有所提高,承载力提高20%,压缩模量提高了20%。

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3.2宁启铁路试验段

2003年在宁启铁路DK172+000~DK172+100里程段进行的爆炸加固软土地基试验,地质条件为:表层硬壳厚度2~3m;下覆淤泥质软土,厚度6~7m。为对比不同上覆荷载对爆炸加固软土地基效果的影响,试验区段被分为四段:第一段为无上覆堆载试验段;第二段表层堆载50cm厚土;第三段表层堆载100cm厚土;第四段表层堆载150cm厚土(如图16所示)。根据试验要求,铺设覆盖土前预先设置袋装砂井,砂井间距1.5m,深9m。

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第一段做小规模爆炸试验,每孔装药量1.5kg,第二段到第四段爆炸孔间距3m,深度9m,每孔装药量2.0~2.4kg,第三、四段按隔孔方式分成两次爆炸,爆炸间隔时间为l天。

3.2.1  爆炸产生地表沉降

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由图17可见,四段试验地表沉降具有明显的共同特征:5天内地表沉降较显著,其后为缓慢持续沉降,沉降量相对较小。但各试验段爆炸后沉降效果仍有不同:第四段3天内共沉降140mm,地表沉降量最大;第一、二、三段3天内各沉降80mm、83mill、103mm,说明上覆堆载量越大,爆炸后地表沉降量也越大。

3.2.2室内试验结果

本次试验分别在爆前、爆后一周、爆后两个月、爆后九个月取土样四次,并对56个试样进行剪切试验和压缩实验,结果见表5。对此表明,土样的压缩系数在爆炸16天后变化非常明显,,已经从高压缩性土转化为中压缩性土,压缩模量和压缩系数都有同样的变化情况,说明爆炸对促进土体固结作用较显著。

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3.3佛山和顺一北滘公路试验段

2004年5月在佛山和顺一北滘公路干线公路K3+550~K3+720段再次进行爆炸加固软土地基试验。根据勘查报告,其软弱地层发育,主要是上覆2~4m的粉土或粉砂层,下卧中粗砂层,中间为冲积形成的淤泥和淤泥质士,整体呈“夹心饼”状。

爆炸试验段设计选取了170m长一段路基进行对比试验。以中间隔离带为分界,其中半幅45m宽、170m长路基进行爆炸动力固结试验,相邻半幅路基采用堆载预压处理。实验段各分区平面图如图18所示。

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试验地段路基设计填土总高度3.0m,其中砂垫层厚度0.8m,填土1.7m,预留沉降量填土0.5m。6-2号区段爆炸处理时共埋设90个炮孔,其中36个炮孔间距为3.6m,单孔装药量3.4kg,炸药单耗0.02kg/m3;54个炮孔间距为5.4m,单孔实际装药量为7.6kg,炸药单耗0.022kg/m3;8-2号区段爆炸处理时共埋设48个炮孔,炮孔间距为4.m,单孔实际装药量为6.2kg,炸药单耗0.03kg/m3。爆炸动力固结典型断面如图19所示。

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3.3.1  爆后表面效应观测

两次爆炸后均出现了涌水现象,部分孔的出水量很大,集水井水量也有较大的增加,平时7min左右抽一次水,现在2min左右就达到需进行抽水的水位。集水井内涌水现象一直持续了5天左右。

3.3.2  沉降量

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由图20和图21可见,6-2号区段爆炸后连续观测了两个月,在此期间沉降量不断增加,沉降速率每天在5mm之内,但到第40天后,沉降量增加值逐渐变小,60天时,沉降基本稳定,最小值为162mm,最大值为200mm,平均沉降量180.2mm。8-2号区段在爆后持续观测显示,到第55天后,沉降量基本稳定,最大值维持在256mm。

3.3.3  孔隙水压力

在6-2号区段埋设了3个孔隙水压力传感器(如图22所示),埋设位置分别为原软土层下6m、9m及12m。1号和3号孔压观测传感器的超静孔压变化曲线如图23所示。

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在爆炸后的极短时间内(2h),超静孔隙水压力峰值上升很快,达到一个最高点(73.27kPa),然后开始急剧下降(5~10天内)超静孔压值下降幅度很大,之后缓慢回落。

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图24所示为8-2号区段爆炸后超静孔隙水压力变化曲线。1号、3号曲线正常,均在爆炸后的极短时间内(约1h)超静孔隙水压力达到一个最高点,然后开始急剧下降,5天后超静孔压值下降到1kPa以下。

上述实验数据表明,爆炸后超静孔隙水压力峰值上升很快,1~4h基本达到最高点,之后开始急剧下降,5~10天后超静孔压值下降幅度很大,之后缓慢回落。这与地表沉降的发展曲线进本一致,超静孔隙水压力急剧消散的过程,即为地表发生急剧沉降的过程。

3.3.4爆炸区与堆载预压区工程效果对比分析

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对比图25和图26可见,6-1号区段实测沉降量355mm,6-2号区段平均沉降量为453mm。由此可得出如下结论:

(1)爆炸段的总沉降量大于堆载预压段,说明因爆炸产生的地基沉降并不完全等效于堆载预压。

(2)经过爆炸后再堆载,在此荷载作用下,经爆炸后地基产生的沉降要明显小于未经爆炸处理地段,说明爆炸对消除沉降有明显的作用。

4机理分析

由模型和现场试验结果可以看出,炸药在软土地基中爆炸,形成的冲击波和爆轰气体对周围土体产生强大的挤压作用,土体受到挤压而产生塑性变形,根据有效应力原理,爆炸产生的压应力主要由土体中的孔隙水承担,由于土体中孔隙水的压缩性很小,且爆炸压力又具有瞬时性,孔隙水来不及向外流出,故瞬间产生较高的超静孔隙水压力。同时爆炸对土体扰动后,软土结构遭到破坏,强度明显降低,有效应力减小,上覆荷载又重新作用到孔隙水上,这是超静孔隙水压力升高的另一个重要原因。在爆炸冲击波的传播过程中,由于土体中的水和土颗粒的两种介质引起不同的振动效应,两者的动应力差大于土颗粒的吸附能时,土颗粒周围的弱结合水从颗粒间析出,产生动力水聚集。由于土体结构遭到破坏,土黏粒之间的相对位置与离子及水分子的定向排列被打乱,粒间的吸引作用也被削弱,近似于形成裂隙,这就使得渗透系数骤增,形成良好的排水通道。在超静孔隙水压力作用下,土体中的孔隙水向竖向排水砂井处流动、聚集,并通过砂井排出地表,超静孔隙水压力不断消散,在上覆荷裁作用下,土体也逐渐沉降固结,形成新的结构,土体的强度得到恢复和提高,从而达到加固软土地基的目的。

爆炸法加固软土地基的过程实质上是爆炸动力排水固结的过程。这一过程可分为如下两个阶段:

(1)爆炸荷载作用阶段。在爆炸瞬间,强大的冲击波和爆生气体对周围土体产生作用,在离药包较近的波动影响范围内,瞬间产生超静孔隙水压力,离药包越近,产生的超静孔隙水压力越大。由于爆炸作用破坏了土体结构,使软土中的部分弱结合水转化为自由水,同时也使土体的渗透系数增大,这为土体快速排水固结提供了条件。此作用过程极为短暂。

(2)动力排水固结阶段。爆炸过后,土体中保持一定的超静孔隙水压力,在此压力作用下,土体中的孔隙水迅速汇集并排出地表。在这一阶段中,初期的排水速度快,排水量大,超静孔隙水压力消散也快,后期排水速度和排水量逐渐变小,孔隙水压力消散缓慢。与此相对应,在上覆荷载的作用下,土体沉降固结,先期沉降量大,后期逐渐减小。在此过程中,土颗粒之间的位置逐渐靠近,形成新的结合水膜和结构连接,土体的渗透系数逐渐变小,由于黏性土具有触变特性,土体的强度得到恢复与提高。软土的动力排水固结阶段大约持续30天左右。

5应用前景

目前,软土地基加固处理方法很多,从原理上基本可分为两大类:一类是置换法,即将软弱土全部或部分移开,然后回填更高强度的材料,使地基承载力提高,例如爆炸挤淤法、置换拌入法等就是充分利用了这一原理;另一类是压实法,即使软弱土原地固结密实,以提高承载力,此类方法包括排水固结法、强夯法等。对于浅层软土而言,置换回填成本较低,常规的作用力也能使浅层软土固结密实。但当软土厚度达到一定深度时,置换法处理成本会显著增高;强夯法因其作用力难以达到深部,固结效果较差,而堆载预压又存在处理周期长,大量堆载成本高,后期还需外运超载体等问题。

爆炸排水固结法是在爆炸荷载作用下,并结合一定的上覆荷载和竖向排水砂井,使软土地基动力排水固结的方法。由于需要一定的上覆荷载,这与堆载预压法相近,同时它又是在爆炸荷载下使软土动力固结,这又与强夯法的作用原理相似。堆载预压法加固软土地基的时间长,一般都在6个月以上,且需要大量的堆载物,软基处理完毕后还需将超载体运走,成本高。强夯法的加固深度一般在5m以内,对厚度大的软土加固效果较差。与堆载预压和强夯法相比,爆炸法处理软土地基具有以下三个显著特点:

(1)炸药在设置有排水通道的软土地基中爆炸产生高能量瞬变荷载使土体结构发生变化,软土中超静孔隙水压力急剧上升、缓慢消散,并与上覆荷载的作用使土体快速排水固结,从而缩短软基的处理周期。

(2)药包布置成条形,并分布在整个软土处理深度范围,炸药爆炸后的动载能量均匀分布在处理深度的土体内部,不受加固深度的影响,因此从理论上推断,爆炸动力固结法的加固深度是不受限制的。

(3)在相同上覆荷载下,采用爆炸法处理的软土地基比堆载预压法处理的地基的沉降量大。如果在处理后的地基上再堆同样的荷载,经爆炸处理后的地基产生的沉降要明显小于未经爆炸处理的地基,这表明爆炸可以代替一定的超载。

基于以上三个优点,爆炸法必将在软土地基处理工程中得到广泛的应用,且能产生巨大的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]孙更生,郑大同.软土地基与地下工程[M].上海:同济大学出版社,1984.

[2]吴邦颖,张师德,陈绪禄.软土地基处理[M].北求:中国铁道出版社,1995.

[3]孙均.岩土材料流变及其工程应用[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.

[4]孟海利.爆炸动力固结法加固软土地基的试验研究[R].北京:中国铁道科学研究院,2008:l~2.

[5]深层软弱地基爆炸法加固处理试验研究报告[R].北京:中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,2002.

[6]佛山市和顺一北滘公路干线软基试验段研究报告[R].铁道部科学研究院佛山院研究报告,2005.

[7]杨年华,张志毅,蔡德钩,等.上覆堆载压力对爆炸法加固深层软弱地基效果的影响[C]//第8届中国工程爆破学术经验交流会论文集,2004:10.

[8]邓志勇.爆夯动力固结法加固软土地基试验及机理研究[D].北京:北京科技大学,2006.

摘自《中国爆破新进展》