一种高压水平旋喷施工引起土体变形的确定方法
【专利摘要】本发明提供了一种高压水平旋喷施工引起土体变形的确定方法，包括如下步骤：第一步、通过钻孔取土的方法对施工场地进行土层划分，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，确定各土层土性及相应土层的厚度H；对各层土体的有效粘聚力、有效内摩擦角、不排水剪切强度、重度、弹性模量及泊松比取平均值；第二步、判断多根水平旋喷桩施工时各根单桩引起土体中任一点的应力状态；第三步，确定单根水平旋喷桩施工时土体中任一点的位移；第四步、确定多根水平旋喷桩施工时土体中任一点的变形量。本发明综合考虑高压水平旋喷桩施工过程中各种可能因素，可直接预测水平旋喷施工引起周围土体的变形。
【专利说明】-种高压水平旋喷施工引起土体变形的确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种建筑工程【技术领域】的方法，具体地，涉及一种高压水平旋喷施工 引起土体变形的确定方法。
【背景技术】
[0002] 高压旋喷施工技术是以旋转的喷头喷出高速流体一边切削土体一边使水泥浆液 与切碎的士体混合，经化学反应后形成坚固的加固士柱，强度可达数兆帕以上。该工法由日 本NIT的中西涉博士发明，最初是简单的单管法（也称CCP工法），其后又开发了二重管法、 三重管法等。单管法仅喷射水泥浆液；二重管法以压缩空气同轴包裹高压水泥浆液切割土 体并两者相互混合，使加固体直径比单管法有较大的提高；三重管法以压缩空气同轴包裹 高压水流首先切割土体，形成较大直径的碎士空隙，再以泥浆泵注入水泥浆填充与混合，使 加固体直径比前两种方法有了极大的提高。之后又开发了超级旋喷技术、双高压旋喷技术、 交叉喷射旋喷技术、双液旋喷技术等，使生成桩直径越来越大。我国自70年代末成功开发 高压旋喷施工技术后，该工法在国内较多工程领域得到了广泛的应用，如水利工程防渗墙、 城市地下工程、边坡稳定、码头、桥梁基处等。也逐步开发了各种直径的旋喷桩施工方法。 然而伴随着生成桩径越来越大，高压旋喷施工期间对周围环境的影响也越来越明显，如产 生较大的超孔隙水压力或者周围土体产生较大的变形。旋喷施工引起的土体变形会对附近 的建筑物或者地下管线等产生一定的影响，稍有不慎，就会酿成工程事故，造成生命财产损 失。因此，预测和控制高压旋喷施工引起的土体变形是旋喷技术设计与施工阶段需要考虑 的一项重要内容。
[0003] 经对现有的技术文献检索发现，目前主要通过经验估算或者数值方法确定高 压旋喷施工引起的土体变形。但前者未能正确考虑地基土的强度和变形参数，而后者 对于施工过程的模拟有一定的局限性。高压旋喷施工引起土体变形的影响因素主要 是旋喷施工参数（如注浆压力、注浆量和喷嘴移动速度）和土性参数（如强度和弹 性模量）。Chai 等在其发表的文章 "Lateral displacement of ground caused by soil-cement columns installation''(Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2005, 131 (5) :623-632)中基于全无限空间的柱形及球形圆孔扩张理论，提 出了预测水泥土桩施工引起桩周土体侧向位移的半经验半理论方法，但是该方法不能定量 地考虑注浆压力这个重要因素的影响，且该方法是基于垂直施工搅拌桩而言的，不适用于 水平施工的桩体，因此有必要在水平旋喷施工引起土体变形预测方法上进行创新，以提出 应用性较强的水平旋喷施工引起土体变形的确定方法。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高压水平旋喷施工引起土体变 形的确定方法，该方法通过地质调查确定场地的土层参数，然后用半无限平面内圆孔受均 布力作用的复变函数解答来确定单根水平旋喷桩引起土体的位移，最后基于叠加原理确定 多根水平旋喷桩施工引起土体变形，从而为高压水平旋喷施工保护提供依据。
[0005] 为实现以上目的，本发明提供一种高压水平旋喷施工引起土体变形的确定方法， 包括如下步骤：
[0006] 第一步、通过钻孔取土的方法对施工场地进行土层划分，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，确定各土层土性及相应 土层的厚度Η ;对各层土体的有效粘聚力、有效内摩擦角、不排水剪切强度、重度、弹性模量 及泊松比取平均值；
[0007] 所述的获取施工现场土样是指：用厚壁取土设备，在施工现场地面至旋喷桩设计 深度取土，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 且；
[0008] 所述的室内常规土工试验是指：密度试验、三轴试验和常规单向压缩试验，其中：
[0009] 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Y ;
[0010] 所述的三轴试验是指：通过固结不排水试验确定砂土的有效粘聚力c'和有效内 摩擦角V，以及黏土的不排水剪切强度c u ;通过三轴剪力仪测定土的静止侧压力系数K。， 通过以下公式确定土的泊松比v :
[0011]
【权利要求】
1. 一种高压水平旋喷施工引起土体变形的确定方法，其特征在于，包括如下步骤： 第一步、通过钻孔取土的方法对施工场地进行土层划分，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，确定各土层土性及相应土层 的厚度Η ;对各层土体的有效粘聚力、有效内摩擦角、不排水剪切强度、重度、弹性模量及泊 松比取平均值； 第二步、判断多根水平旋喷桩施工时各根单桩引起土体中任一点的应力状态即塑性区 或弹性区； 第三步，根据第二步的应力状态确定单根水平旋喷桩施工时土体中任一点的位移； 根据第二步判断任一点的应力状态： (1)该点应力状态为弹性区时； 确定单根水平旋喷桩施工时弹性区中任一点的X轴方向的位移和y轴方向的位移 uyk ;x、y轴满足平面直角坐标系； 所述的X轴方向的位移uxk满足以下公式：
所述的y轴方向的位移uyk满足以下公式：
式中复变解析函数Φ (Z)满足以下公式：
式中复变解析函数Ψ (Z)满足以下公式：
式中导数Φ'（Z)满足以下公式：
其中：Re和Im分别表示取实部和虚部，Z为复变函数，Z = x+iy ; u为泊松比，E为弹 性模量，ξ满足以下公式
Md满足以下公式
σ p为旋 喷施工引起的塑性区边界处应力；h为单根旋喷桩中心到地表的距离；i为复变函数的虚部 单位； 所述的〇1)按以下步骤计算： ① 根据第一步判断土层的土性：当土层为黏土时，采用步骤②进行计算；当土层为砂 土时，采用步骤③进行计算； ② 土层为黏土，σρ满足以下公式：
其中：cu为不排水抗剪强度，〇 V(1为土体的总应力； ③ 土层为砂土，σ p满足以下公式：
式中的柱形圆孔扩张系数F,满足以下公式：
式中的柱形圆孔扩张系数F。满足以下公式：
式中的修正刚度系数满足以下公式：
式中的L满足以下公式：
式中的平均正应力P。满足以下公式：
式中的土体总应力σ vQ满足以下公式：
其中：u为泊松比；c'为土的有效粘聚力；f为土的有效内摩擦角；KQ为静止侧压力 系数和L分别为第j层土的厚度及重度，N为土层层数，由第一步确定； (2)该点应力状态为塑性区时； 确定单根水平旋喷桩施工时塑性区任一点的X轴方向的位移uxk和y轴方向的位移 Uyk ; 所述的X轴方向的位移uxk满足以下公式：
所述的y轴方向的位移uyi满足以下公式：
其中：Uxp、Uyp分别为塑性区与弹性区交界上点的X轴方向位移和y轴方向位移，根据第 三步⑴计算得到； 第四步、确定多根水平旋喷桩施工时土体中任一点的变形量； 所述的多根水平旋喷桩施工时土体中任一点的变形量包括：X轴方向的位移ux、y轴方 向的位移uy，X、y轴方向与第三步同； 所述的X轴方向的位移ux满足以下公式：
所述的y轴方向的位移uy满足以下公式：
其中：η为水平旋喷桩的数量；uxk、uyk分别为第k根桩施工时土体任一点的水平位移和 垂直位移，米用第二步和第二步确定。
2. 根据权利要求1所述的一种高压水平旋喷施工引起土体变形的确定方法，其特征在 于，第一步中：所述的获取施工现场土样是指：用厚壁取土设备，在施工现场地面至旋喷桩 设计深度取土，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。
3. 根据权利要求1所述的一种高压水平旋喷施工引起土体变形的确定方法，其特征在 于，第一步中：所述的室内常规土工试验是指：密度试验、三轴试验和常规单向压缩试验， 其中： 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Y ; 所述的三轴试验是指：通过固结不排水试验确定砂土的有效粘聚力c'和有效内摩擦 角供'，以及黏土的不排水剪切强度cu ;通过三轴剪力仪测定土的静止侧压力系数K。，通过以 下公式确定土的泊松比V :
所述的常规单向压缩试验是指：通过常规单向压缩仪测得土体的压缩模量Es，通过以 下公式确定土体弹性模量E: E = (1-2K0 v)Es。
4. 根据权利要求1-3任一项所述的一种高压水平旋喷施工引起土体变形的确定方法， 其特征在于，第二步中所述单桩引起土体中任一点的应力状态包括：塑性区和弹性区，按以 下步骤进行判断： ①确定单根旋喷桩中心到土体中任一点的距离r 所述的r满足以下公式：
其中：x、y为土体中任一点的X、y轴坐标值，h为单根旋喷桩中心到地表的距离，X轴 为地表，y轴通过每根旋喷桩中心； ② 确定单根旋喷桩施工引起的塑性区半径Rp 所述的Rp满足以下公式：
式中的单位长度旋喷桩施工时高压泵注入土层的能量Ein满足以下公式：
其中：E为土的弹性模量；α p为修正系数，与土性条件相关；β M为考虑高压浆注入土 体的过程中消耗能量的折减系数；Pg为高压泵注入水泥浆的喷射压力；Qg为高压泵注入的 水泥浆流量；v s为喷嘴提升速度； ③ 判断单桩引起土体中任一点的应力状态：当r>Rp时，该点应力状态为弹性区；当 R'KRp时，该点应力状态为塑性区；R。为单根旋喷桩的半径。
5. 根据权利要求4所述的一种高压水平旋喷施工引起土体变形的确定方法，其特征在 于，αρ为修正系数，取值范围为：砂土 〇. 5,粉土 1.0?1. 25,黏土 1. 25?1. 5。
6. 根据权利要求4所述的一种高压水平旋喷施工引起土体变形的确定方法，其特征在 于，取值为0.8。
【文档编号】G06F19/00GK104123433SQ201410228453
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2014年5月27日
【发明者】沈水龙, 武永霞, 许烨霜, 王志丰 申请人:上海交通大学