专利名称：基于圆形自由紊动射流理论的高压旋喷桩直径确定方法
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，Shikizaki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IOcm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
权利要求
1.一种基于圆形自由紊动射流理论的高压旋喷桩直径确定方法，其特征在于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、密度试验以及粒度分析试验，分别得到无侧限抗压强度、土样的含水量、各土层的湿密度以及土样颗粒粒径分布图；第二步、根据第一步的施工现场土层划分信息和地质信息，进一步确定土层特征破坏速度和临界破坏速度；第三步、根据高压旋喷施工设计方案，获得高压旋喷施工参数和水泥浆在喷嘴出口处的流速，所述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；第四步、根据高压旋喷施工设计方案，获得水泥浆的水灰比、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；第五步、收集喷头外径参数，结合上述步骤得到的水泥浆流速沿喷射距离的衰变系数， 喷嘴的内径，水泥浆在喷嘴出口处的流速，以及土层临界破坏速度，根据以下公式获得高压旋喷桩的直径其中 是喷头外径，α是水泥浆流速沿喷射距离的衰变系数，Cltl是喷嘴的内径，Vtl是水泥浆在喷嘴出口处的流速，vL 土层临界破坏速度。
2.根据权利要求1所述的基于圆形自由紊动射流理论的高压旋喷桩直径确定方法，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述的基于圆形自由紊动射流理论的高压旋喷桩直径确定方法，其特征在于，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IOcm的圆柱状试件，每层土不少于三个试件，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。
4.根据权利要求1所述的基于圆形自由紊动射流理论的高压旋喷桩直径确定方法，其特征在于，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" = 0.3+0.061^ ,其中η ·是土层特征破坏速度，Mc是土层的<75 μ m细颗粒含量，由第一步制成的颗粒粒径分布图读出。
5.根据权利要求1所述的基于圆形自由紊动射流理论的高压旋喷桩直径确定方法，其特征在于，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
6.根据权利要求1所述的基于圆形自由紊动射流理论的高压旋喷桩直径确定方法，其特征在于，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
7.根据权利要求1所述的基于圆形自由紊动射流理论的高压旋喷桩直径确定方法，其特征在于，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
8.根据权利要求1所述的基于圆形自由紊动射流理论的高压旋喷桩直径确定方法，其特征在于，所述水泥浆流速沿喷射距离的衰变系数满足公式
全文摘要
本发明公开一种基于圆形自由紊动射流理论的高压旋喷桩直径确定方法，该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。
文档编号E02D33/00GK102373718SQ20111031461
公开日2012年3月14日 申请日期2011年10月17日 优先权日2011年10月17日
发明者沈水龙, 王志丰, 许烨霜 申请人:上海交通大学