滑雪运动在我国起步较晚，我国70%左右的滑雪场都是在2000年以后建成的 ^[1]。随着高山滑雪场数量的递增，高山滑雪赛道的修建将是关乎赛道安全运营的重要前提 ^[2]。在大多数山地、丘陵地区施工过程中，一般需开山填谷、高填深挖，大量产生和使用了碎石土 ^[3]。山区开挖过程中产生的碎石土多由工程爆破或机械开挖形成。工程碎石土具有不均匀性、密度值离散、密度代表值不确定、欠固结、孔隙率高、渗透性大、颗粒强度大等主要特点 ^[4,5]。目前碎石土回填施工已广泛用于机场建设、填海造陆、山区公路施工等工程 ^[6]，尽管取得了大量经验，但对碎石土地层致密加固的机理认识还不够深入，很多工程设计与施工还停留在凭借经验和案例参照的阶段，也存在不少失败的项目和教训 ^[7]，如重庆江北机场跑道的道槽区部分有冲沟，填方达10多m，虽经分层碾压至道槽部位，并在上层用强夯法进行处理，但在填方地段仍然出现大面积不均匀沉降，对使用造成很大影响 ^[8]。

　　 目前碎石土加密的处置方式有冲击式压路机碾压、强夯法等，然而对于大坡度碎石土回填滑雪赛道，亟待提出安全、高效的致密方法和措施。本文针对高山滑雪中心D2回填赛道，开展爆破致密技术探讨，依托数值模拟软件FLAC3D构建数值分析模型，开展爆破挤密机制模拟分析，并综合现场研究验证爆破挤密技术是否满足高山滑雪赛道沉降及承载力要求。

　　 第24届冬季奥林匹克运动会将在我国北京市和张家口市联合举行。国家高山滑雪中心第2标段由4条雪道和11条技术道路组成。雪道总长度6 168m，技术道路总长度9 875m。其中D2赛道为碎石土回填碾压致密赛道，最大填方高度22m，如图1所示。

　　 为分析评价爆破产生的高温高压气体对爆破孔周围碎石土的挤压致密效果，本文依托大型数值模拟软件FLAC3D建立三维数值模型，如图2所示。

　　 模型长14.11m(x方向)，宽14.11m(y方向)，高10m(z方向)，爆破孔直径为110mm，整个模型包含33 600个单元和35 301个节点，六面体单元尺寸为0.3m。

　　 在爆破等动力分析时，炮孔爆轰压力多采用半经验、半理论的三角形脉冲荷载，典型的三角形荷载如图3所示。

　　 三角形荷载表达式如下:

　　 式中:P_e为等效脉冲峰值;f(t)为时间滞后函数。

　　 因此，选取炮孔爆轰压力进行相关计算时，需要确定2大要素:爆轰压力峰值和爆轰压力升、降压时间。

　　 基于广义胡克定律，提出考虑温度变化和孔隙变化的有效应力方程为:

　　 式中:δ_ij为克罗内克符号，当i=j时其值为1，当i≠j时，其值为0;为体积模量;α^T为关于含水率和孔隙率的体积热膨胀系数，其表达式可表述为:

　　 式中:α^T_dry为土体干热膨胀系数;Φ为土体的孔隙率;S_w为土体的含水率;ρ_w和ρ_s分别为水的密度和土体干密度。

　　 对于考虑第一不变量的Drucker-Prager模型，其屈服方程为:

　　 式中:I₁为第一不变量;J₂为第二不变量;α和k为黏聚力c₁和内摩擦角φ的关系式:

　　 根据等熵气体定律，爆破温度会随着气体压力的变化而变化，其方程为:

　　 式中:P(t)为不同时刻的爆破气体压力;P₀为爆破峰值压力;T(t)为对应时刻的爆破温度;T₀为爆破最高温度，通常在岩土体爆破过程中取T₀=3 000℃;γ为气体比热容。

　　 通过室内试验，高山滑雪中心回填碎石土的物理力学参数如图4和表1所示。

　　 模拟时间设置为1.5s，经过284 638步的计算分析，距爆孔不同距离的土体位移云图如图5所示。

　　 同时，爆破过程中，爆破孔初始核心温度可达3 000℃，因此爆破过程中爆破高温气体产生的热膨胀特性也是重点考虑的因素，通过数值模拟分析，爆破孔的温度云图如图6所示。

　　 通过提取温度云图数据可知，距离爆破孔不同距离处的温度值不同，其衰减规律如表2所示。

　　 根据碎石的热膨胀特征，爆破孔周围土体体积膨胀云图如图7所示。

　　 综上所述，考虑到土体在爆破挤密和爆破高温膨胀的影响，土体的复合位移云图和密实度云图如图8,9所示。

　　 图8,9分析可知，在爆破孔半径3m范围处，土体最大变形量>2cm，同时土体密实度达到95%以上的半径为2.5m。

　　 为有效验证爆破挤密技术的可行性，开展了爆破挤密的现场试验。使用2号岩石乳化炸药，具体装药结构与形式如图10所示。

　　 现场爆破挤密后的成孔效果如图11所示。

　　 为准确测量爆破挤密前孔径的变化，现场进行了爆破后扩孔径的测量，测量原理与现场测量如图12所示。

　　 通过测量，爆破孔在爆破前后的孔径数据如表3所示。

　　 分析表3可知，爆破后爆破孔孔径被扩大了1.3～2.9倍，表明爆破对爆破孔周围的土体起到较好的加密效果，现场试验结果与数值模拟结果相互验证，证明爆破挤密技术的可行性。同时对于爆破孔可填筑混凝土，形成桩基础式的复合基础。

　　 本文对传统机械碾压技术无法实现高山滑雪中心碎石土回填赛道安全高效挤密的问题，创新性地提出爆破致密技术，并采用数值模拟的方法进行了系统分析，得到的主要结论如下。

　　 1)爆破致密技术的处置深度由碎石土的爆破孔的成孔及装药深度决定，因此可以一次性处置较大深度的回填碎石土，大大提高了致密效率。

　　 2)通过数值模拟，结果显示直径110cm的爆破孔在其周围2.5m半径范围内的致密程度可达95%。根据土体路基规范，单孔爆破挤密有效范围半径为2.5m。

　　 3)对于爆破后形成的爆破空腔可及时填筑商品混凝土，形成桩基础样式的复合地基，回填赛道的承载性能与抗滑性能都将得到显著提高。