考虑全部施工参数与土体特性的高压旋喷桩直径确定方法

摘要

本发明提供了一种考虑全部施工参数与土体特性的高压旋喷桩直径确定方法，包括：第一步、施工现场地质勘测，第二步、确定射流破坏土体的极限切削距离，第三步、确定考虑喷嘴移动速度的折减系数，第四步、基于射流破坏土体的极限切削距离和考虑喷嘴移动速度的折减系数，针对单管法、二重管法和三重管法高压旋喷施工，确定高压旋喷桩的直径。本方法克服了现有方法中存在的参数缺乏物理意义、预测偏差大、桩径影响因素考虑不全、应用范围窄等缺点和不足，实现单管法、二重管法和三重管法高压旋喷桩直径的准确确定。

主权项

一种考虑全部施工参数与土体特性的高压旋喷桩直径确定方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步、施工现场地质勘测：1)在施工现场对需要加固的区域取土，测得土样的相对密度、含水率、密度，进而根据土体的相对密度、含水率和密度对需要加固的区域进行土层划分；2)通过试验得到粘性土的不排水抗剪强度或砂性土的抗剪强度；3)对土样进行粒度分析，得到其颗粒组成，并制成颗粒粒径分布图；第二步、确定射流破坏土体的极限切削距离，按下列公式确定：$x_L=\alpha \frac{d_0{v}_0}{v_L}$式中：x_L为射流破坏土体的极限切削距离；α为轴向衰减系数；d₀为喷嘴直径，通过阅读喷头设计图得到；v₀为射流喷嘴出口速度；v_L为土体临界破坏速度；第三步、确定考虑喷嘴移动速度的折减系数，按下述公式确定：$\eta =a_0{\left(\frac{v_{m0}}{v_m}\right)}^{a_1}{N}^{a_2}$式中：η为考虑喷嘴移动速度的折减系数；v_m为喷嘴的移动速度；N为重复喷射次数；v_m0为使得公式无量纲化所取得一个特值，取为0.071m/s；a₀,a₁和a₂为参数，通过做关于喷嘴的移动速度和重复喷射次数对高速射流对土体的切削距离影响的室内试验再回归分析的方法确定，分别取为a₀＝0.09、a₁＝0.14和a₂＝0.2；第四步、确定高压旋喷桩的直径：基于射流破坏土体的极限切削距离和考虑喷嘴移动速度的折减系数，针对单管法、二重管法和三重管法高压旋喷施工，按下列公式确定高压旋喷桩的直径：$D_0=2{\mathrm{\eta x}}_L+D_r=2a_0{\mathrm{\alpha N}}^{a_2}\frac{d_0{v}_0}{v_L}{\left(\frac{v_{m0}}{v_m}\right)}^{a_1}+D_r$式中：D₀为计算的旋喷桩直径；η为考虑喷嘴移动速度的折减系数；x_L为射流破坏土体的极限切削距离，D_r为钻喷杆直径；所述轴向衰减系数α满足下列公式：①单管法：$\alpha ={\alpha }_g=\frac{{\alpha }_w}{B}$②二重管法和三重管法：式中：α_g为高压水泥浆射流轴向衰减系数；α_w为当射流为水时的轴向衰减系数；B为考虑水与水泥浆两种不同射流性质差异的系数；ψ为考虑压缩空气增大作用的无量纲系数；所述考虑水与水泥浆两种不同射流性质差异的系数B按下述公式计算：$B=\sqrt{\frac{{\mu }_g/{\rho }_g}{{\mu }_w/{\rho }_w}}$式中：μ_g为水泥浆的表观粘度；ρ_g为水泥浆的密度；μ_w为水的表观粘度；ρ_w为水的密度；所述水泥浆的表观粘度μ_g按下述公式计算：μ_g＝0.007(W)^‑2式中：W是水泥浆的水灰比，通过施工设计方案得到；所述水泥浆的密度按下述公式计算：${\rho }_g=\frac{{\rho }_w{\rho }_c(1+W)}{{\rho }_w+{\mathrm{W\rho }}_c}$式中：ρ_c为水泥的密度；所述考虑压缩空气增大作用的无量纲系数按下述公式计算：$\psi =1+0.054\frac{p_a}{p_{atm}}$式中：p_a为压缩空气喷射压力，通过施工设计方案得到；p_atm为一个标准大气压值；所述射流喷嘴出口速度是水泥浆从喷嘴喷出时所具有的速度，按下述公式确定：$v_0=\frac{4Q}{{{\mathrm{M\pi d}}_0}^2}$式中：Q为喷射流体流量，通过施工设计方案得到；M为喷嘴个数；所述土体临界破坏速度是指射流能使土体产生破坏的最小速度，按下述公式计算：$v_L=\beta {\left(\frac{q_u}{p_{atm}}\right)}^k$式中：p_atm为一个标准大气压值；q_u为土体抵抗力，对于粘性土：q_u＝2c_u，对于砂性土：q_u＝2τ_f，c_u为不排水抗剪强度,τ_f为抗剪强度；k为经验系数，取0.5；β为土层特征速度；所述粘性土的不排水抗剪强度按下述公式计算：c_u＝(4.4‑6)N_SPT式中：c_u为不排水抗剪强度；N_SPT为标准贯入击数；所述砂性土的抗剪强度按下述公式计算：τ_f＝σ'_vtanφ'${\phi }^{\prime }=\sqrt{20\frac{N_{SPT}}{\sqrt{{\sigma }_v^{\prime }/98}}}+20$式中：τ_f为抗剪强度；σ'_v为土的有效应力；φ'为有效摩擦角；选取细颗粒含量和土颗粒平均粒径代表颗粒级配对β的影响，按下述分段函数确定：$\beta =\left\{\begin{array}{c}{b}_0{\left(\frac{M_c}{100}\right)}^{b_1}{\left(\frac{D_{50}}{D_f}\right)}^{b_2},5\le M_c\le 100\\ b_0{\left(\frac{5}{100}\right)}^{b_1}{\left(\frac{D_{50}}{D_f}\right)}^{b_2},0\le M_c\le 5\end{array}\right.$式中：M_c为土中细颗粒含量，由第一步制成的颗粒粒径分布图读出；D₅₀为土颗粒平均粒径，由第一步制成的颗粒粒径分布图读出；D_f为细颗粒粒径界限值，取为0.075mm；b₀,b₁和b₂为参数，通过做土中细颗粒含量和土颗粒平均粒径对土层特征速度影响的室内试验再回归分析的方法确定，分别取为b₀＝2.87，b₁＝0.4和b₂＝‑0.4；所述喷嘴的移动速度是喷嘴沿钻喷杆切线方向的速度，按下述公式计算：$v_m=\sqrt{{\left({\mathrm{\pi R}}_s{D}_r\right)}^2+v_s^2}$式中：R_s为旋转速度，通过施工设计方案得到；D_r为钻喷杆直径，对于单管、二重管和三重管高压旋喷工法，取值分别为60mm、76mm和90mm；v_s为提升速度，通过施工设计方案得到；所述重复喷射次数N是高压旋喷施工过程中水泥浆重复喷出喷嘴的次数，按下述公式计算：$N=M\frac{R_s}{v_s}{\mathrm{\Delta S}}_t$式中：M为喷嘴个数，ΔSt为提升间隔，取为5cm；R_s为旋转速度；v_s为提升速度。