基于圆形自由紊动射流理论的高压旋喷桩直径确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种建筑工程技术领域的方法，具体是一种高压旋喷施工技术生成加固体的直径确定方法。

背景技术

随着我国基础建设的不断发展，高压旋喷技术已经在地下工程中得到了广泛的应用，如基坑围护桩、盾构机进出洞的加固等。高压旋喷技术是将水力采煤中的高压水射流技术的原理与化学注浆技术相结合，以高压水泥浆喷射并冲击土层，浆液与土粒相互拌和，在地层中经化学反应后形成坚固的圆柱状固结体（该加固体一般称为旋喷桩）。然而高压旋喷技术施工设计方面长期存在着一个问题，即关于旋喷桩直径的准确确定，现有的一些方法大多数基于工程经验，不确定性较高。考虑到旋喷桩的形成过程，旋喷桩直径的影响因素可以简单的分为两类：1）土质条件；2）旋喷施工参数。关于土质条件的影响，可以从土的颗粒级配、相对密度、不排水抗剪强度等方面进行考虑，1984年Miki在其发表的文章《Technical progress of the jet grouting method and its newest type》中通过试验证明旋喷桩直径随着土层不排水抗剪强度的增大而减小；1993年Bell在其发表的文章《Jet grouting》中总结了一系列现场试验，并提出了旋喷桩直径随着土层颗粒大小的减小而减小。关于旋喷施工参数对旋喷桩直径产生的影响，基本都是依据工程经验，并没有较为明确的物理意义。然而在旋喷技术设计阶段，旋喷桩的直径又是一个很重要的考虑因素，直接影响地基的处理效果，因此迫切需要一种可以准确确定旋喷桩直径的方法，这样就可以更加合理的配置资源，从而给施工设计带来巨大的便利。

经对现有的技术文献检索发现，Shibazaki在2003年发表了文章《State of practice of jet grouting》，给出了一个经验性的确定方法。由于该方法纯粹依靠作者在日本的施工经验，不确定性很高，并且该方法在土性和旋喷施工参数方面的考虑也不够全面，因而很难应用到我国的旋喷工程实践中去。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种高压旋喷桩直径的确定方法，通过地质调查的方法确定土层参数，由此确定土层的临界破坏速度，并根据施工参数确定水泥浆在喷嘴出口处的流速以及水泥浆流速沿喷射距离的衰变系数，最终准确的确定高压旋喷桩直径，从而给高压旋喷设计施工带来方便。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：

第一步、通过钻孔取土的方法对需要加固的区域进行土层划分，随后获取施工现场土样进行室内常规土工试验，得到施工现场土层划分信息和地质信息；

所述的获取施工现场土样是指：用厚壁取土设备，在施工现场从地面至桩的设计深度的1.5倍取土，用于做室内常规土工试验，取土量根据试件量确定，以每层土不少于三个试件为宜；

所述室内常规土工试验是指：无侧限抗压强度试验，含水量测定试验，密度试验，粒度分析试验。其中：

所述的无侧限抗压强度试验是指：首先把土样制成直径为3.91cm高度为10cm的圆柱状试件，每层土不少于三个试件为宜，试验时，将圆柱形试样放在无侧限压力仪中，在不加任何侧向压力的情况下施加垂直压力，直到使试件剪切破坏为止，剪切破坏时试样所能承受的最大轴向压力称为无侧限抗压强度，该试验过程称为无侧限抗压强度试验。

所述的含水量测定试验是指：通过烘干土样得到土样的含水量。

所述的密度试验是指：通过环刀法等密度试验方法测得各土层的湿密度，并计算相应的重度。

所述的粒度分析试验是指：采用激光粒度仪对取回的土样进行粒度分析试验，得到其颗粒组成，并制成颗粒粒径分布图。

第二步、确定土层特征破坏速度和临界破坏速度。

所述土层的破坏速度是指：水泥浆使土层发生破坏所具有的速度。

所述土层特征破坏速度是指：当土层无侧限抗压强度等于一个标准大气压时的土层的破坏速度，土层特征破坏速度满足公式：，

其中：是土层特征破坏速度，M_c是土层的细颗粒含量(<75μm)，可以由第一步制成的颗粒粒径分布图读出。

所述土层临界破坏速度是指：水泥浆使土层发生破坏所具有的最小速度，土层临界破坏速度满足公式：，

其中：v_L是土层临界破坏速度，η是土层特征破坏速度，q_u是土层无侧限抗压强度，p_atm是一个标准大气压强。

第三步、确定高压旋喷施工参数和水泥浆在喷嘴出口处的流速。

所述的高压旋喷施工参数是指：水泥浆的流量、喷头上喷嘴的个数和喷嘴的内径。

所述的水泥浆的流量：通过施工设计方案可以得到。

所述的喷头上喷嘴的个数：通过阅读喷头设计图可以得到。

所述的喷嘴的内径：通过阅读喷头设计图可以得到。

所述的水泥浆在喷嘴出口处的流速是指：水泥浆从喷嘴喷出时所具有的速度，水泥浆在喷嘴出口处的流速满足公式：，

其中：v₀是水泥浆在喷嘴出口处的流速，Q是水泥浆的流量，M是喷头上喷嘴的个数，d₀是喷嘴的内径。

第四步、确定水泥浆的水灰比、水泥的密度、水泥浆的密度、水泥浆动力粘滞系数和水泥浆流速沿喷射距离的衰变系数。

所述水泥浆的水灰比是指：拌制水泥浆时所用的水和水泥的重量之比，可以通过高压旋喷施工设计方案得到。

所述水泥的密度可以由水泥提供商处得到，或者采用容量瓶密度测量法对水泥密度进行测定，水泥的密度一般为3150kg/m³左右。

所述水泥浆的密度是指：按照设计水灰比拌制完水泥浆的密度，满足公式：

，

其中：ρ_g是水泥浆的密度，W是水泥浆的水灰比，ρ_c是水泥的密度，ρ_w是水的密度，一般取为1000kg/m³.

所述的水泥浆动力粘滞系数是指：水泥浆流体中切应力与流速梯度的比例常数，满足公式：，

其中：ν_g是动力粘滞系数，W是水泥浆的水灰比。

所述水泥浆流速沿喷射距离的衰变系数满足公式：

，

其中：α是水泥浆流速沿喷射距离的衰变系数，ρ_g是水泥浆的密度，ρ_w是水的密度，一般取为1000kg/m³，ν_g是水泥浆动力粘滞系数，ν_w是水的动力粘滞系数，一般取为0.001Pa·s。

第五步、确定喷头外径和高压旋喷桩的直径。

所述喷头外径可以通过喷头设计图得到。

所述高压旋喷桩的直径满足公式：

，

其中：D₀是喷头外径，α是水泥浆流速沿喷射距离的衰变系数，d₀是喷嘴的内径，v₀是水泥浆在喷嘴出口处的流速，v_L土层临界破坏速度。

本发明依托于圆形自由紊动射流理论，综合考虑了高压旋喷桩施工时，土层以及高压旋喷施工参数对高压旋喷桩直径的影响，避免先前纯经验确定高压旋喷桩直径的不可靠性。本发明在实际应用中，对传统的方法优势主要是对高压旋喷桩直径的判断预测更为准确，并且方法简单。本发明适用于高压旋喷施工设计中确定高压旋喷加固体直径的问题。

附图说明

图1为本发明实施例土层颗粒粒径分布图。

图2为本发明实施例确定的高压旋喷直径与实测值的对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例：

本实施例为采用高压旋喷技术加固地层来说明高压旋喷桩直径的确定方法，本实施例中没有特别说明的操作，参照发明内容中已经给出的方法进行，在此不在赘述。

本实施例具体如下所述：

某高压旋喷加固地基场地位于上海，该区地下水位浮动于地表面以下1-2m，高压旋喷桩设计桩长20m，桩顶位于地表以下2m，桩底位于地表22m。

第一步、明确现场地质情况：最上面一层（0.0～1.6 m）为回填土层；其下层（1.6～15.5 m）粘质粉土层；再下层（15.5～25.2 m）是软粘土层，再下一层（25.2～35.2 m）为较硬的粉质粘土层，得到土层颗粒粒径分布图，如图1所示。施工区域土层含水量大致为20-40%。施工区域主要涉及到粘质粉土层和软粘土层，把两层土土样做成无侧限抗压试件，各5个，进行无侧限抗压试验，得到该土层的无侧限抗压强度：粘质粉土为50-60kPa，软粘土为65-110kPa。施工区域土层重度分布为16.5-17.5kN/m³。

第二步、确定土层特征破坏速度和临界破坏速度。

由图1土层颗粒粒径分布图可以得到不同土层的细颗粒含量(<75μm)，粉质粘土为91.5%，软粘土为99%，则相应的的土层特征破坏速度为5.79m/s和6.24m/s；一个标准大气压取101.325kPa，确定不同土层临界破坏速度：粘质粉土为4.07-4.46m/s，软粘土为5.00-6.50m/s。

第三步、确定高压旋喷的施工参数和水泥浆在喷嘴出口处的流速。

根据高压旋喷施工设计方案，确定水泥浆的流量为0.0015m³/s，喷嘴的内径为0.0028m，喷头上喷嘴的数量为1个。则水泥浆在喷嘴出口处的流速为：243.73m/s。

第四步、确定水泥浆的水灰比、水泥的密度、水泥浆的密度、水泥浆动力粘滞系数和水泥浆流速沿喷射距离的衰变系数。

根据高压旋喷施工设计方案水泥浆的水灰比为1:1，水泥的密度取为3150kg/m³，水的密度取为1000kg/m³，则水泥浆的密度为1520 kg/m³，水泥浆的动力粘滞系数为0.0069Pa·s，水的动力粘滞系数取为0.001 Pa·s，则可以得到水泥浆流速沿喷射距离的衰变系数为7.51。

第五步、确定喷头外径和高压旋喷桩直径。

根据喷头设计图可以得到喷头的外径为0.08m，如图2，采用本方法确定的不同土层的高压旋喷直径：粘质粉土层为2.38-2.60m,平均2.49m；软粘土层为1.66-2.13m，平均1.895m，而实测值：粘质粉土层2.30-2.60m，软粘土层为1.70-2.00m。

如图2所示，本发明实施例确定的高压旋喷直径与实测值的对比图，可以看出，本实施例可以准确的确定高压旋喷桩的直径，相比以前单纯依靠经验的方法，更科学，更准确，给高压旋喷技术的施工设计带来了很大的方便。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。