一種大孔徑鉆孔護(hù)壁加固泥漿臨界比重的測(cè)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及大型灌注粧鉆孔塌孔和孔壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與防治領(lǐng)域，特別涉及一種大 孔徑鉆孔護(hù)壁加固泥漿臨界比重的測(cè)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 粧基礎(chǔ)是增加地基整體穩(wěn)定性及提高地基承載力主要基礎(chǔ)加固工程之一。隨著工 業(yè)技術(shù)和工程建設(shè)的發(fā)展，粧基礎(chǔ)的工藝、設(shè)計(jì)方法、承載力等方面均有迅速的發(fā)展，粧基 礎(chǔ)具有較大的承載力、穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)不均勻沉降的能力，對(duì)不同地質(zhì)條件有較強(qiáng)的適應(yīng)能 力，是深基礎(chǔ)工程中應(yīng)用最多的一種基礎(chǔ)形式，按照施工方法可以概括為擠土粧和鉆孔灌 注粧。其中，鉆孔灌注粧以其承載力高、無(wú)擠土、施工時(shí)無(wú)振動(dòng)、噪音小和宜于在城市建筑物 密集地區(qū)使用等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，但鉆孔灌注粧施工過(guò)程中仍然存在著諸多問(wèn)題，其中鉆 孔灌注粧孔壁塌孔問(wèn)題尤為突出。塌孔問(wèn)題的出現(xiàn)不僅直接影響成粧質(zhì)量和工期，而且還 對(duì)灌注粧的安全施工及生命財(cái)產(chǎn)安全造成了潛在的威脅。因此，科學(xué)研究和有效解決灌注 粧孔壁塌孔的防治方法與技術(shù)，對(duì)確保成粧質(zhì)量及基礎(chǔ)工程建設(shè)的安全具有重要的理論意 義和工程實(shí)用價(jià)值。
[0003] 由于鉆孔灌注粧施工為地下隱蔽工程，施工場(chǎng)地本身地質(zhì)環(huán)境條件比較復(fù)雜，且 灌注粧孔壁穩(wěn)定性受多重因素與條件的影響與控制，包括自然因素、人為因素和工程因素， 如地層結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、地下水滲流作用、護(hù)壁泥漿、成孔工藝、施工機(jī)械等。其中，護(hù)壁泥漿濃 度及漿液比重是保證灌注粧孔壁穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵防治因素與條件。因此，在水文地質(zhì)條 件、成孔工藝與施工機(jī)械一定的條件下，在鉆孔施工過(guò)程中，通常采用控制護(hù)壁泥漿液面與 泥漿比重的方法平衡水土壓力，起到保持孔壁穩(wěn)定的作用。護(hù)壁泥漿的比重、黏度、流動(dòng)狀 態(tài)都與孔壁穩(wěn)定性有著密切的聯(lián)系，是保持孔壁穩(wěn)定的重要作用因素。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和 工程技術(shù)人員采用不同的方法對(duì)鉆孔灌注粧孔壁穩(wěn)定性與護(hù)壁泥漿之間的關(guān)系進(jìn)行了較 為系統(tǒng)的探索與研究，其中主要的代表性方法可以分為以下三類:一是力學(xué)分析方法，基于 彈塑性理論建立力學(xué)模型，對(duì)孔壁穩(wěn)定性進(jìn)行力學(xué)分析和安全系數(shù)的推算;二是數(shù)值分析 方法，采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析土體性質(zhì)、泥漿相對(duì)比重、孔深、孔徑等影響因素 與鉆孔灌注粧孔壁穩(wěn)定性的關(guān)系;三是工程經(jīng)驗(yàn)分析方法，工程技術(shù)人員根據(jù)已有施工經(jīng) 驗(yàn)，在粧基礎(chǔ)施工規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)泥漿比重、粘度等參數(shù)。上述方法中的力學(xué)分析方 法往往局限在理論層面對(duì)孔壁穩(wěn)定性的分析，沒有提出很好的防治措施，很難應(yīng)用于工程 實(shí)踐;數(shù)值分析方法計(jì)算過(guò)程較復(fù)雜，對(duì)孔壁土體的邊界條件、本構(gòu)關(guān)系要求比較嚴(yán)格，并 受地質(zhì)模型、簡(jiǎn)化的力學(xué)模型和力學(xué)參數(shù)的影響，計(jì)算結(jié)果較難做出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，也不易于 應(yīng)用到工程實(shí)踐;而工程經(jīng)驗(yàn)分析方法缺乏理論基礎(chǔ)，其分析方法尚無(wú)統(tǒng)一和明確的規(guī)定， 不能在灌注粧工程的鉆孔施工中廣泛的推廣和應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 鑒于上述方法在灌注粧鉆孔施工和穩(wěn)定性問(wèn)題評(píng)價(jià)與防治中存在的局限性，本發(fā) 明在系統(tǒng)的研究與分析影響鉆孔灌注粧孔壁穩(wěn)定性不利因素的耦合作用的基礎(chǔ)上，根據(jù)彈 塑性理論建立的灌注粧孔壁力學(xué)分析模型與孔壁失穩(wěn)判據(jù)，提出了一種大孔徑鉆孔護(hù)壁加 固泥漿臨界比重的測(cè)定方法，并運(yùn)用該方法可有效的確定鉆孔施工護(hù)壁泥漿的比重，以有 效的解決鉆孔灌注粧鉆孔施工的塌孔防治問(wèn)題。本發(fā)明的具體步驟如下：
[0005] 步驟一:鉆孔灌注粧工程地基土體物理力學(xué)參數(shù)的勘察與測(cè)定
[0006] 對(duì)鉆孔灌注粧工程施工場(chǎng)區(qū)進(jìn)行勘察測(cè)定該區(qū)域各土層厚度Iu(Hi);地下水埋深 Δ l(m)〇
[0007] 并通過(guò)土工試驗(yàn)測(cè)定天然重度γ i(地下水位以下取浮重度γ i'）、泊松比yi、各土 層土體的粘聚力Ci、內(nèi)摩擦角的。
[0008] 由側(cè)壓力系數(shù)與土體泊松比的關(guān)系確定第i層土的側(cè)壓力系數(shù)k1;
[0009] ki=yi/l-yi (I)
[0010]式中:yi--第i層土的泊松比
[0011 ]步驟二:孔口周圍堆載對(duì)孔壁產(chǎn)生的豎向荷載的確定
[0012]測(cè)定鉆孔粧機(jī)活動(dòng)半徑R(m)，將鉆孔粧機(jī)工作面積簡(jiǎn)化為環(huán)形工作面，由式(2)確 定旋挖粧機(jī)工作占用面積：
[0014]式中：S----鉆孔粧機(jī)工作占用面積(m2)
[0015] Do――鉆孔設(shè)計(jì)直徑(m)
[0016]測(cè)定鉆孔粧機(jī)整機(jī)工作重量Mi(kg)及鉆孔棄土質(zhì)量M2(kg);灌注粧鉆孔孔口周圍 堆載簡(jiǎn)化為均布荷載，由式(3)確定孔口周圍堆載對(duì)孔壁產(chǎn)生的豎向荷載q(kN):
)
[0018] 式中：g----重力加速度，一般取值為l〇m/s2
[0019] 步驟三:提鉆時(shí)護(hù)壁泥漿向下流動(dòng)速度^等相關(guān)參數(shù)的確定
[0020] 1)提鉆時(shí)護(hù)壁泥漿向下流動(dòng)速度的測(cè)定
[0021] 首先，測(cè)定鉆孔粧機(jī)工作時(shí)的平均提鉆速度V z (m / s )，由式(4)確定鉆桿與孔壁間 隙面積Sn(m2):
[0023] 式中：Do鉆孔設(shè)計(jì)直徑(m)
[0024] D――鉆孔粧機(jī)鉆桿直徑(m)
[0025]其次，確定提鉆過(guò)程中泥漿通過(guò)鉆桿與孔壁間隙的速度％(!11/8)(詳見原理1):
[0027] 2)測(cè)定泥漿液面高出水平地面的高度h(m)及提鉆過(guò)程中泥漿液面下降最大高度 Δ h(m)〇
[0028] 步驟四：一定鉆孔深度z(m)處護(hù)壁泥漿臨界比重的確定
[0029] 根據(jù)土力學(xué)中的Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則及孔壁土體的極限平衡條件，確定一定鉆 孔深度z(m)處護(hù)壁泥漿比重ω (原理2、原理3):
[0031]式中：Yj，Yi――分別為第j層與第i層土的重度(kN/m3)，其中j = i+l
[0032] hj，hi----分別為第j層與第i層土的厚度m
[0033] Do--鉆孔設(shè)計(jì)直徑 [0034] γ w--水的重度：10KN/m3
[0035] Δ 1--地下水埋深(m)
與為第i層土體內(nèi)摩擦角
[0037]步驟五:不同鉆孔深度土層護(hù)壁泥漿比重的確定
[0038] 1)根據(jù)護(hù)壁泥漿比重ω與深度z的關(guān)系式(6)，確定泥漿比重對(duì)鉆孔深度的導(dǎo)函 數(shù)，式⑴：
[0040] 2)各土層泥楽;臨界比重對(duì)應(yīng)的鉆孔深度z(m)的確定(原理4):
[0041] 對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)鉆孔，根據(jù)不同地層分界點(diǎn)自上而下劃分鉆孔深度，如第i層土上層 面深度SZ1U),下層面深度為Z 1(Id)，并根據(jù)步驟一至步驟三所確定的參數(shù)及式(7)分別判 斷各土層中h取值的大小：
[0042] 當(dāng)6<0時(shí)，泥漿臨界比重隨鉆孔深度的增大而減小，第i層土層中泥漿臨界比重 對(duì)應(yīng)的鉆孔深度為第i層土的上層面深度，Z = Z1U);
[0043] 當(dāng)6 2 0時(shí)，泥漿臨界比重隨鉆孔深度的增大而增大，第i層土層中泥漿臨界比重 對(duì)應(yīng)的鉆孔深度為第i層土的下層面深度，Z = Z1(Id)i3
[0044] 3)根據(jù)各土層中泥漿臨界比重對(duì)應(yīng)的鉆孔深度?"!!!），由式(8)分別確定各個(gè)土層 的護(hù)壁泥漿比重，如第i層土護(hù)壁泥漿比重為：
[0046] 式中：γ」，Yl――分別為第j層與第i層土的重度(kN/m3)，其中j = i+l
[0047] ---分別為第j層與第i層土的厚度(m)
[0048] Do--鉆孔設(shè)計(jì)直徑
[0049] γ w--水的重度:10KN/m3
[0050] Δ I--地下水埋深(m)
_,為第i層土體內(nèi)摩擦角
[0052] 4)對(duì)于土體重度大于20(kN/m3)的土層，需對(duì)該層土體坍塌破壞極限平衡應(yīng)力狀 態(tài)(式9)進(jìn)行驗(yàn)算(原理3):
[0054] p----護(hù)壁泥漿和地下水作用下在鉆孔深度z處產(chǎn)生的壓強(qiáng)(Kp)
[0055]若式(9)不成立，則將第(1)步中計(jì)算的Co1值作為該土層的護(hù)壁泥漿比重。