考慮全部施工參數(shù)與土體特性的高壓旋噴樁直徑確定方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種考慮全部施工參數(shù)與土體特性的高壓旋噴樁直徑確定方法，包括：第一步、施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘測(cè)，第二步、確定射流破壞土體的極限切削距離，第三步、確定考慮噴嘴移動(dòng)速度的折減系數(shù)，第四步、基于射流破壞土體的極限切削距離和考慮噴嘴移動(dòng)速度的折減系數(shù)，針對(duì)單管法、二重管法和三重管法高壓旋噴施工，確定高壓旋噴樁的直徑。本方法克服了現(xiàn)有方法中存在的參數(shù)缺乏物理意義、預(yù)測(cè)偏差大、樁徑影響因素考慮不全、應(yīng)用范圍窄等缺點(diǎn)和不足，實(shí)現(xiàn)單管法、二重管法和三重管法高壓旋噴樁直徑的準(zhǔn)確確定。
【專利說明】考慮全部施工參數(shù)與土體特性的高壓旋噴粧直徑確定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種建筑工程【技術(shù)領(lǐng)域】的方法，具體是一種同時(shí)考慮全部施工參 數(shù)與土體特性的單管、二重管和三重管高壓旋噴樁直徑確定方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國土木工程建設(shè)的不斷發(fā)展，高壓旋噴技術(shù)作為一種施工操作相對(duì)簡單的 地基處理方法已得到了廣泛的應(yīng)用，如隧道工程、基坑工程。高壓旋噴技術(shù)是以旋轉(zhuǎn)的噴頭 噴出高速射流切削土體，然后水泥漿與切削下來的部分土體混合形成水泥土混合物，經(jīng)過 一段時(shí)間的化學(xué)反應(yīng)后固化，最后形成高壓旋噴樁。由于高壓旋噴成樁過程是一個(gè)極其復(fù) 雜的過程，因而其成樁直徑的預(yù)測(cè)一直是高壓旋噴技術(shù)設(shè)計(jì)階段的一個(gè)難題。傳統(tǒng)的高壓 旋噴樁直徑確定方法是基于現(xiàn)場(chǎng)開挖得到的高壓旋噴樁直徑的測(cè)試值而總結(jié)出來的經(jīng)驗(yàn) 性方法，即有如下二類：（1)完全經(jīng)驗(yàn)公式法；(2)半理論半經(jīng)驗(yàn)方法。完全經(jīng)驗(yàn)公式法中的 計(jì)算參數(shù)由日本工程師通過室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析得到，既沒有很好的確定參數(shù)方法，所 提參數(shù)又缺乏較為明確的物理意義，不能直接應(yīng)用于我國的高壓旋噴工程設(shè)計(jì)。半理論半 經(jīng)驗(yàn)方法則基于圓形自由紊動(dòng)射流理論與土體抵抗射流沖刷理論，一般將射流沖刷破損土 體的范圍作為高壓旋噴樁的直徑，但該方法考慮的樁徑影響因素不夠全面，且僅能計(jì)算單 管法高壓旋噴施工，難以直接用于確定二重管和三重管高壓旋噴樁的直徑。
[0003] 對(duì)現(xiàn)有的文獻(xiàn)進(jìn)行檢索后發(fā)現(xiàn)，中國發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枮镃N201110314616. 2，發(fā)明 名稱：基于圓形自由紊動(dòng)射流理論的高壓旋噴樁直徑確定方法。該專利雖然提出了考慮 土質(zhì)條件和旋噴施工參數(shù)的高壓旋噴施工技術(shù)生成加固體的直徑確定方法，但是該專利提 出的射流軸向衰減系數(shù)對(duì)單管法高壓旋噴樁直徑計(jì)算適用，而對(duì)二重管法和三重管法高壓 旋噴施工，采用該軸向衰減系數(shù)計(jì)算不能得到正確的樁徑預(yù)測(cè)值。Dabbagh等在2002年 發(fā)表的文章《Soilerosionbyacontinuouswaterjet》通過室內(nèi)試驗(yàn)證明土層特征 速度隨著土中細(xì)顆粒含量與作用時(shí)間的增大而增大，但僅選取細(xì)顆粒含量來計(jì)算土層特 征破壞速度，沒有考慮高壓旋噴樁成樁直徑隨著土顆粒的粒徑減小而減小，土層特征破壞 速度隨土顆粒粒徑的減小而增大。Yoshida等在1991年發(fā)表的文章《Effectofnozzle traverserateandnumberofpassesoncuttingsoilutilizingwaterjetforwider application》中通過試驗(yàn)證明高速射流對(duì)土體的切削距離隨著噴射時(shí)間的增大會(huì)有所增 大，而沒有考慮決定射流噴射時(shí)間的兩個(gè)因素噴嘴移動(dòng)速度和重復(fù)噴射次數(shù)對(duì)極限切削距 離的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有方法中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種同時(shí)考慮全部施工參數(shù)與土體 特性的高壓旋噴樁直徑確定方法，該方法克服了現(xiàn)有方法中存在的參數(shù)缺乏物理意義、預(yù) 測(cè)偏差大、樁徑影響因素考慮不全、應(yīng)用范圍窄等缺點(diǎn)和不足，實(shí)現(xiàn)單管法、二重管法和三 重管法高壓旋噴樁直徑的準(zhǔn)確確定。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種同時(shí)考慮全部施工參數(shù)與土體特性的高壓旋 噴樁直徑確定方法，所述方法通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0006] 第一步、施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘測(cè)，具體的：
[0007] 1)在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)需要加固的區(qū)域取土，測(cè)得土樣的相對(duì)密度、含水率、密度，進(jìn)而 根據(jù)土體的相對(duì)密度、含水率和密度對(duì)需要加固的區(qū)域進(jìn)行土層劃分；
[0008] 2)通過試驗(yàn)得到粘性土的不排水抗剪強(qiáng)度或砂性土的抗剪強(qiáng)度；
[0009] 3)對(duì)土樣進(jìn)行粒度分析，得到其顆粒組成，并制成顆粒粒徑分布圖；
[0010] 第二步、確定射流破壞土體的極限切削距離，具體的：
[0011] 在高壓旋噴施工中，假設(shè)噴嘴噴出的流體與周圍流體的性質(zhì)相同，則高壓旋噴施 工中高速流體從噴嘴噴出后的速度分布模式滿足圓形自由紊動(dòng)射流理論，射流軸線上的速 度隨著距噴口的距離的增大會(huì)不斷的衰減，根據(jù)土體破壞理論，當(dāng)衰減到土體臨界破壞速 度時(shí)，土體不再發(fā)生破壞，此時(shí)對(duì)應(yīng)的最大距離即為極限切削距離，射流破壞土體的極限切 削距離可按下列公式確定：
[0012]

【權(quán)利要求】
1. 一種考慮全部施工參數(shù)與土體特性的高壓旋噴樁直徑確定方法，其特征在于，包括 如下步驟： 第一步、施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘測(cè)： 1) 在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)需要加固的區(qū)域取土，測(cè)得土樣的相對(duì)密度、含水率、密度，進(jìn)而根據(jù) 土體的相對(duì)密度、含水率和密度對(duì)需要加固的區(qū)域進(jìn)行土層劃分； 2) 通過試驗(yàn)得到粘性土的不排水抗剪強(qiáng)度或砂性土的抗剪強(qiáng)度； 3) 對(duì)土樣進(jìn)行粒度分析，得到其顆粒組成，并制成顆粒粒徑分布圖； 第二步、確定射流破壞土體的極限切削距離，按下列公式確定：
式中為射流破壞土體的極限切削距離；α為軸向衰減系數(shù)；Cltl為噴嘴直徑，通過閱 讀噴頭設(shè)計(jì)圖得到；ν〇為射流噴嘴出口速度為土體臨界破壞速度； 第三步、確定考慮噴嘴移動(dòng)速度的折減系數(shù)，按下述公式確定：
式中：Π 為考慮噴嘴移動(dòng)速度的折減系數(shù)；Vni為噴嘴的移動(dòng)速度；N為重復(fù)噴射次數(shù)； vmQ為使得公式無量綱化所取得一個(gè)特值，取為0. 〇71m/s ;%，ai和a2為參數(shù)，通過做關(guān)于噴 嘴的移動(dòng)速度和重復(fù)噴射次數(shù)對(duì)高速射流對(duì)土體的切削距離影響的室內(nèi)試驗(yàn)再回歸分析 的方法確定，分別取為a Q = 0· 09、B1 = 0· 14和a2 = 0· 2 ; 第四步、確定高壓旋噴樁的直徑： 基于射流破壞土體的極限切削距離和考慮噴嘴移動(dòng)速度的折減系數(shù)，針對(duì)單管法、二 重管法和三重管法高壓旋噴施工，按下列公式確定高壓旋噴樁的直徑：
式中=Dtl為計(jì)算的旋噴樁直徑；η為考慮噴嘴移動(dòng)速度的折減系數(shù)；為射流破壞土 體的極限切削距離，^為鉆噴桿直徑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮全部施工參數(shù)與土體特性的高壓旋噴樁直徑確定方法， 其特征在于，所述軸向衰減系數(shù)α滿足下列公式：
式中：a g為高壓水泥漿射流軸向衰減系數(shù)；a w為當(dāng)射流為水時(shí)的軸向衰減系數(shù)；B為 考慮水與水泥漿兩種不同射流性質(zhì)差異的系數(shù)；Ψ為考慮壓縮空氣增大作用的無量綱系 數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的考慮全部施工參數(shù)與土體特性的高壓旋噴樁直徑確定方法， 其特征在于，所述考慮水與水泥漿兩種不同射流性質(zhì)差異的系數(shù)B按下述公式計(jì)算：
式中：μ g為水泥漿的表觀粘度；P g為水泥漿的密度；μ w為水的表觀粘度；P w為水的 密度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的考慮全部施工參數(shù)與土體特性的高壓旋噴樁直徑確定方法， 其特征在于，所述水泥漿的表觀粘度μ g按下述公式計(jì)算： μ g = 0. 007 (W) 式中：W是水泥漿的水灰比，通過施工設(shè)計(jì)方案得到； 所述水泥漿的密度按下述公式計(jì)算：
式中：P。為水泥的密度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的考慮全部施工參數(shù)與土體特性的高壓旋噴樁直徑確定方法， 其特征在于，所述考慮壓縮空氣增大作用的無量綱系數(shù)按下述公式計(jì)算：
式中：pa為壓縮空氣噴射壓力，通過施工設(shè)計(jì)方案得到；Patm為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的考慮全部施工參數(shù)與土體特性的高壓旋噴樁直徑 確定方法，其特征在于，所述射流噴嘴出口速度是水泥漿從噴嘴噴出時(shí)所具有的速度，按下 述公式確定：
式中：Q為噴射流體流量，通過施工設(shè)計(jì)方案得到；M為噴嘴個(gè)數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的考慮全部施工參數(shù)與土體特性的高壓旋噴樁直徑 確定方法，其特征在于，所述土體臨界破壞速度是指射流能使土體產(chǎn)生破壞的最小速度，按 下述公式計(jì)算：
式中：Patm為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值；qu為土體抵抗力，對(duì)于粘性土 ：? = 2cu，對(duì)于砂性土 ： qu = 2 τ f，Cu為不排水抗剪強(qiáng)度，τ f為抗剪強(qiáng)度；k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取0. 5 ; β為土層特征速 度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的考慮全部施工參數(shù)與土體特性的高壓旋噴樁直徑確定方法， 其特征在于，所述粘性土的不排水抗剪強(qiáng)度按下述公式計(jì)算： cu = (4. 4-6) Nspt 式中：Cu為不排水抗剪強(qiáng)度；Nspt為標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)； 所述砂性土的抗剪強(qiáng)度按下述公式計(jì)算： τ f = σ ' vtan Φ '
式中：τ f為抗剪強(qiáng)度；σ ' v為土的有效應(yīng)力；φ '為有效摩擦角； 選取細(xì)顆粒含量和土顆粒平均粒徑代表顆粒級(jí)配對(duì)β的影響，按下述分段函數(shù)確定：
式中：Μ。為土中細(xì)顆粒含量，由第一步制成的顆粒粒徑分布圖讀出；D5tl為土顆粒平均 粒徑，由第一步制成的顆粒粒徑分布圖讀出；Df為細(xì)顆粒粒徑界限值，取為0. 075mm ;bQ，Id1 和b2為參數(shù)，通過做土中細(xì)顆粒含量和土顆粒平均粒徑對(duì)土層特征速度影響的室內(nèi)試驗(yàn)再 回歸分析的方法確定，分別取為N = 2. 87, Id1 = 0. 4和b2 = -0. 4。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的考慮全部施工參數(shù)與土體特性的高壓旋噴樁直徑 確定方法，其特征在于，所述噴嘴的移動(dòng)速度是噴嘴沿鉆噴桿切線方向的速度，按下述公式 計(jì)算：
式中=Rs為旋轉(zhuǎn)速度，通過施工設(shè)計(jì)方案得到； ^為鉆噴桿直徑，對(duì)于單管、二重管和三重管高壓旋噴工法，取值分別為60mm、76mm和 90mm ； Vs為提升速度，通過施工設(shè)計(jì)方案得到。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的考慮全部施工參數(shù)與土體特性的高壓旋噴樁直徑 確定方法，其特征在于，所述重復(fù)噴射次數(shù)N是高壓旋噴施工過程中水泥漿重復(fù)噴出噴嘴 的次數(shù)，按下述公式計(jì)算：
式中：M為噴嘴個(gè)數(shù)，Λ St為提升間隔，取為5cm ;RS為旋轉(zhuǎn)速度；vs為提升速度。
【文檔編號(hào)】E02D33/00GK104234046SQ201410452452
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月5日
【發(fā)明者】崔慶龍, 沈水龍, 許燁霜, 王志豐, 胡冰冰 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)