CN102607637A - 一种室内模拟高压旋喷技术切土效果的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种室内模拟高压旋喷技术切土效果的试验方法，步骤为：将取回的现场土样放入试验设备中；对需检验的旋转速度与提升速度排序，选择第一组旋转速度和提升速度，接通电源，依次开启试验设备，试验时孔隙水压力传感器会产生压力信号并被压力监测系统接收和记录，当旋喷杆旋转一圈后，第一组试验结束；第一组试验结束后，把土中的水排出，并将土体挖出，保持压力和流量不变，重复各组试验；将各组试验时的孔隙水压力数据平均值绘制成图。本发明可以实时监测不同旋喷杆旋转速度和提升速度条件下高压水切割土体效果的变化情况，从而获得最佳切割土体效果的旋转速度和提升速度，达到合理选择旋喷施工参数的目的。

Description

一种室内模拟高压旋喷技术切土效果的试验方法

技术领域

本发明涉及的是一种建筑工程技术领域的试验方法，具体是一种室内模拟高压旋喷技术切土效果的试验方法。

背景技术

随着我国基础建设的不断发展，高压旋喷施工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。高压旋喷施工技术是利用钻机等设备将钻喷杆打入地层，然后高压水泥浆通过高压注浆软管从钻喷杆上的入浆口进入钻喷杆，并由安装在钻喷杆上的喷嘴喷出切割土体，同时旋转钻喷杆，并以一定的提升速度将钻喷杆提升至地面，施工过程中喷射的水泥浆液与切割下来的土粒相互拌和，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)。高压旋喷技术施工参数主要包括喷射压力、流量、旋转速度、提升速度等，这些施工参数选择的合理与否对于地层的处理效果有着至关重要的影响，施工参数选择不合理不但会浪费施工资源，更有可能带来较差的地基处理效果，从而引起工程事故。

高压旋喷施工参数中，旋转速度和提升速度的选择既关系着施工效率的快慢，又关系着地基处理效果的好坏，然而在高压旋喷技术施工设计时对于这两者的考虑没有统一的规定或方法，基本都是依靠工程经验的，因而不确定性较高。国内在钻喷杆旋转速度与提升速度的改变对地基处理效果的影响方面的研究工作尚属于起步阶段，目前还缺乏在高压旋喷施工中合理的选择钻喷杆旋转速度和提升速度所带来的最佳切土效果方面的研究成果。

为了深入开展高压旋喷技术钻喷杆旋转速度和提升速度对地层处理效果的影响方面的研究工作，为满足高压旋喷实际施工中获得合理旋转速度和提升速度的需求，为达到实际施工中合理配置施工资源的目的，就必须具备一种室内模拟高压旋喷施工技术切土效果的试验方法，目前现有技术在这一领域中尚属空白。

发明内容

本发明所要解决的问题是填补了室内模拟高压旋喷切割土体效果技术方面的空白，提供一种室内模拟高压旋喷技术切土效果的试验方法，利用该试验方法可以实时监测不同旋喷杆旋转速度和提升速度条件下高压水切割土体效果的变化情况，从而获得最佳切割土体效果的旋转速度和提升速度，达到合理选择旋喷施工参数的目的。

为实现上述的目的，本发明所述的室内模拟高压旋喷技术切土效果的试验方法，包括如下步骤：

第一步，将取回的现场土样放入试验设备的箱式主体结构，在放土的过程中保证旋喷杆垂直及土面的平整；所述实验设备包括箱式主体结构、旋喷杆、移动套管系统、旋转动力系统、提升动力系统、供水系统、压力监测系统；

第二步，根据设计要求给出的几组高压旋喷施工中需要检验的旋转速度与提升速度进行排序，然后选择第一组旋转速度和提升速度，此组的提升速度作为提升动力系统的提升速度，此组的旋转速度作为旋转动力系统的旋转速度，接通电源，依次开启试验设备中的旋转动力系统、提升动力系统、压力监测系统、供水系统，旋喷杆提升、旋转的同时对土体进行切割，试验时孔隙水压力传感器会产生压力信号并被压力监测系统接收和记录，当旋喷杆旋转一圈后，第一组试验结束；

第三步，第一组试验结束后，通过箱式主体结构底部的出水口把土中的水排出，并将土体挖出，然后保持压力和流量不变，重复上述步骤进行余下各组试验；

第四步、将得到的各组试验时的孔隙水压力数据平均值绘制成图，横轴依次标为第一组、第二组、第三组......，纵轴标为相应的各组试验时的孔隙水压力数据平均值，从而确定高压旋喷施工中最佳旋转速度和提升速度组合。

本发明上述方法，在进行第一步之前，可以进行一些准备工作来明确现场的地质情况，即通过钻孔取土的方法在需要进行旋喷加固的区域获取施工现场土样，然后通过查阅待施工现场的工程地质勘察报告，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，用于做室内旋喷试验，取土量根据土箱体积确定，以不少于土箱体积的四分之三为宜。

所述主体结构包括一个圆柱形土箱，用于盛放试验土体，土箱内侧设有孔隙水压力传感器，测定试验时的压力变化，孔隙水压力传感器数量不少于8个，土箱外侧底部设有一个出水口，该出水口由水龙头控制，所述出水口试验时关闭。

所述的旋喷杆是一根钢管，两端密封，钢管顶部设有旋转动力设备固定架，上部设有一个入水口，下部设有一个喷水口，旋喷动力设备固定架，用于连接和固定旋喷动力设备，入水口用于输入试验所需高压水，喷水口用于喷出高压水。

所述的移动套管系统包括两组完全相同的可移动套管，每组可移动套管包括两根套在一起的钢管，直径一大一小，直径小的钢管两端密封，一端设有橡胶皮，一端设有旋转动力设备固定架，大直径钢管一端设有固定架，用于试验时与地面固定，一端设有环形垫片，环形垫片直径与小钢管直径相同，该垫片用于防止小直径钢管拔出，并使得小直径只能套在大直径钢管中滑动。

所述的旋转动力系统用于为旋喷杆获得旋转速度提供动力，该旋转动力系统包括旋喷动力设备和与提升动力系统连接设备，旋转动力设备可以使旋喷杆旋转，可调节旋喷杆的转速，该旋转动力设备可以是通过调节频率控制转速的马达，提升动力系统连接设备用于使旋喷杆旋转的同时可以获得提升速度，可以是钢丝绳。

所述的提升动力系统用于为旋喷杆获得提升速度提供动力，包括提升动力设备，提升传力设备和提升设备固定装置，提升动力设备可以是通过调节频率控制转速的马达，提升传力设备可以是由若干个固定的滑轮构成，至少3个，其中一个滑轮上装有提升动力设备固定架，用于连接提升动力设备，使得滑轮获得转动的动力，提升设备固定装置用于固定提升动力设备和提升传力设备。

所述的供水系统可以显示水的压力和流量并且与旋喷杆上的入水口连接，该供水系统可由水压传感器、水压压力表、电磁流量计、高压水泵依次连接构成，水压传感器一端与旋喷杆的入水口连接。

所述的压力监测系统可与孔隙水压力传感器连接，实时监测并记录受力数据，该压力监测系统可以包括信号转换设备和计算机，该计算机内部装有实时监测系统，通过信号转换设备与孔隙水压力传感器连接。

本发明填补了室内模拟高压旋喷切割土体效果技术方面的空白，通过提出的室内模拟高压旋喷技术切土效果的试验方法，把高压水输入旋喷杆并模拟高压旋喷施工时的旋转提升喷射，并实时监测孔隙水压力上传感器的受力数据，从而实现对不同旋转速度和提升速度条件下切割土体效果的试验测量，并进而确定对高压旋喷现场施工有利的施工参数。

附图说明

图1为本发明实施例中使用的试验设备示意图。

图中：

1-高压水泵2-电磁流量计3-水压压力表4-水压传感器

5-提升设备固定钢板6-固定螺栓7-提升动力马达8-定滑轮

9-土箱出水口10-大直径钢管11-土箱12-计算机

13-信号转换设备14-孔隙水压力传感器15-旋转动力马达

16-旋转动力马达固定钢板17-旋喷杆

18-孔压水压力传感器数据连接线19-高压软管20-旋喷杆入水口

21-旋喷杆喷水口22水龙头23-小直径钢管24-固定螺栓

25-环形垫片26-钢丝绳27-固定螺栓28-固定螺栓

图2为本发明实施例的不同组的切土效果对比图。

具体实施方式

下面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。

本实施例以下步骤进行：

第一步、通过查阅待施工现场工程地质勘察报告明确现场地质情况：最上面一层(0.0～1.6m)为回填土层；其下层(1.6～15.5m)粘质粉土层；再下层(15.5～25.2m)是软粘土层，再下一层(25.2～35.2m)为较硬的粉质粘土层。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，土层的无侧限抗压强度：粘质粉土大致为50-60kPa，软粘土大致为65-110kPa。

第二步、连接各个试验设备，包括主体结构、旋喷杆、移动套管系统、旋转动力系统、提升动力系统、供水系统、压力监测系统。

如图1所示，所述主体结构包括一个圆柱形土箱11，用于盛放试验土体，土箱内侧设有孔隙水压力传感器14，测定试验时的压力变化，土箱外侧底部设有出水口9，该出水口由水龙头22控制，试验时出水口9关闭；

所述的旋喷杆17，两端密封，旋喷杆17顶部用固定螺栓与旋转动力马达15，旋喷杆17上部设有一个入水口20，下部设有一个喷水口21，入水口20用于输入试验所需高压水，喷水口21用于喷出高压水；

所述的移动套管系统包括两组两根套在一起的钢管，小直径钢管23和大直径钢管10，小直径钢管23两端密封，一端设有橡胶皮，一端设有旋转动力设备固定架16，大直径钢管10一端依靠固定螺栓24与地面固定，一端设有环形垫片25，该垫片用于防止小直径钢管23拔出，并使得小直径钢管23只能套在大直径钢管10中滑动；

所述的旋转动力系统包括旋转动力马达15和与提升动力系统连接钢丝绳26；

所述的提升动力系统包括提升动力马达7，三个提升传力定滑轮8和提升设备固定板5，其中一个定滑轮上装有提升动力马达固定架27，用于连接提升动力设备，使得滑轮获得转动的动力；

所述的供水系统由水压传感器4、水压压力表3、电磁流量计2、高压水泵1依次用高压软管19连接构成，水压传感器4一端与旋喷杆17的入水口20连接；

所述的压力监测系统由信号转换设备13和计算机12，信号转换设备通过数据线18与土箱内侧的孔隙水压力传感器14相连，计算机12内部装有实时监测系统，可以处理信号转换设备13输入的试验数据。

具体连接步骤如下：

(1)通过固定螺栓24把移动套管固定于地板，随后通过旋转动力马达钢板16固定旋转动力马达15，然后通过固定螺栓28连接与固定旋转动力马达15和旋喷杆17；如图1所示，固定3个定滑轮8于提升设备固定钢板5，通过固定螺栓6把提升设备固定钢板5固定于地板，用钢丝绳26把3个定滑轮与旋转动力马达连接起来。

(2)通过高压软管19将水压传感器4、水压压力表3、电磁流量计2、高压水泵1连接起来，然后把高压软管19与旋喷杆上部的入水口20连接，并将高压水泵1连接到水源，最后把旋转动力马达15、提升动力马达7、高压水泵1、电磁流量计2、计算机12和信号转换设备13接通电源。

第三步、室内旋喷试验。

(1)将取回的现场土样放入土箱，所放土量约为土箱体积的四分之三，在放土的过程中保证旋喷杆垂直及土面的平整。

(2)设计要求给出七组高压旋喷施工中需要检验的旋转速度与提升速度：分别为转速5rpm和提升速度5cm/min、转速10rpm和提升速度10cm/min、转速10rpm和提升速度15cm/min、转速10rpm和提升速度5cm/min、转速15rpm和提升速度10cm/min、转速15rpm和提升速度15cm/min、转速15rpm和提升速度20cm/min；排序为第一组到第七组，然后选择第一组转速5rpm和提升速度5cm/min，调节提升动力系统中提升动力马达转速为20rpm可以使得旋喷杆达到的5cm/min提升速度，此组的旋转速度5rpm作为旋转动力系统的旋转动力马达旋转速度。开启计算机12和信号转换设备13，随后同时开启旋转动力马达15、提升动力马达7、高压水泵1。试验开始后，水压压力表3和电磁流量计2就可以得到输入高压水的压力和流量。根据提升动力马达7采用的频率，就可以得到旋喷杆17的提升速度，旋转动力马达15采用的频率就可以得到旋喷杆的旋转速度。高压水由高压软管19通过入水口20进入旋喷杆17，并由喷水口21喷出，孔隙水压力传感器14也会得到压力信号，并经由信号转换设备13转换成数字信息输入计算机12，得到第一组试验孔隙水压力数据平均值为25.2kPa。

(3)第一组试验结束后，通过土箱底部的出水口把土中的水排出，并将土体全部挖出。然后保持压力为5MPa，流量为10l/min，重复第三步中各个步骤进行余下各组试验，分别得到余下各组的孔隙水压力平均值为37.8kPa、22.3kPa、19.6kPa、29.7kPa、21.1kPa、11.4kPa。

第四步、将得到的各组试验时的孔隙水压力数据平均值绘制成图，横轴依次标为第一组、第二组、第三组、第四组、第五组、第六组、第七组，纵轴标为相应的各组试验时的孔隙水压力数据平均，25.2kPa、37.8kPa、22.3kPa、19.6kPa、29.7kPa、21.1kPa、11.4kPa，如图2，从而确定高压旋喷施工中最佳旋转速度和提升速度组合为第二组，即转速10rpm和提升速度10cm/min。

本发明填补了室内模拟高压旋喷切割土体效果技术方面的空白，能实现对不同旋转速度和提升速度条件下切割土体效果的试验测量，并进而确定高压旋喷施工中最佳旋转速度和提升速度组合。

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。

Claims (10)

1.一种室内模拟高压旋喷技术切土效果的试验方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，将取回的现场土样放入试验设备的箱式主体结构，在放土的过程中保证旋喷杆垂直及土面的平整；所述实验设备包括箱式主体结构、旋喷杆、移动套管系统、旋转动力系统、提升动力系统、供水系统、压力监测系统；

第二步，根据设计要求给出的几组高压旋喷施工中需要检验的旋转速度与提升速度进行排序，然后选择第一组旋转速度和提升速度，此组的提升速度作为提升动力系统的提升速度，此组的旋转速度作为旋转动力系统的旋转速度，接通电源，依次开启试验设备中的旋转动力系统、提升动力系统、压力监测系统、供水系统，旋喷杆提升、旋转的同时对土体进行切割，试验时孔隙水压力传感器会产生压力信号并被压力监测系统接收和记录，当旋喷杆旋转一圈后，第一组试验结束；

第三步，第一组试验结束后，通过箱式主体结构底部的出水口把土中的水排出，并将土体挖出，然后保持压力和流量不变，重复上述步骤进行余下各组试验；

第四步、将得到的各组试验时的孔隙水压力数据平均值绘制成图，横轴依次标为第一组、第二组、第三组......，纵轴标为相应的各组试验时的孔隙水压力数据平均值，从而确定高压旋喷施工中最佳旋转速度和提升速度组合。

2.根据权利要求1所述的室内模拟高压旋喷技术切土效果的试验方法，其特征在于，在第一步之前，通过钻孔取土的方法在需要进行旋喷加固的区域获取施工现场土样，然后通过查阅待施工现场的工程地质勘察报告，得到施工现场土层划分信息和地质信息。

3.根据权利要求1所述的室内模拟高压旋喷技术切土效果的试验方法，其特征在于，所述主体结构包括一个圆柱形土箱，用于盛放试验土体，所放土量为土箱体积的四分之三，土箱内侧设有孔隙水压力传感器，测定试验时的压力变化，孔隙水压力传感器数量不少于8个，土箱外侧底部设有一个出水口，该出水口由水龙头控制，所述出水口试验时关闭。

4.根据权利要求1所述的室内模拟高压旋喷技术切土效果的试验方法，其特征在于，所述的旋喷杆是一根钢管，两端密封，钢管顶部设有旋转动力设备固定架，上部设有一个入水口，下部设有一个喷水口，旋喷动力设备固定架，用于连接和固定旋喷动力设备，入水口用于输入试验所需高压水，喷水口用于喷出高压水。

5.根据权利要求1所述的室内模拟高压旋喷技术切土效果的试验方法，其特征在于，所述的移动套管系统包括两组完全相同的可移动套管，每组可移动套管包括两根套在一起的钢管，直径一大一小，直径小的钢管两端密封，一端设有橡胶皮，一端设有旋转动力设备固定架，大直径钢管一端设有固定架，用于试验时与地面固定，一端设有环形垫片，环形垫片直径与小钢管直径相同，该垫片用于防止小直径钢管拔出，并使得小直径只能套在大直径钢管中滑动。

6.根据权利要求1所述的室内模拟高压旋喷技术切土效果的试验方法，其特征在于，所述的旋转动力系统用于为旋喷杆获得旋转速度提供动力，该旋转动力系统包括旋喷动力设备和与提升动力系统连接设备，旋转动力设备使旋喷杆旋转，可调节旋喷杆的转速，该旋转动力设备是通过调节频率控制转速的马达，提升动力系统连接设备用于使旋喷杆旋转的同时可获得提升速度。

7.根据权利要求1或6所述的室内模拟高压旋喷技术切土效果的试验方法，其特征在于，所述的提升动力系统用于为旋喷杆获得提升速度提供动力，包括提升动力设备，提升传力设备和提升设备固定装置，其中提升动力设备通过调节频率控制转速的马达。

8.根据权利要求7所述的室内模拟高压旋喷技术切土效果的试验方法，其特征在于，所述提升传力设备是由至少3个固定的滑轮构成，其中一个滑轮上装有提升动力设备固定架，用于连接提升动力设备，使得滑轮获得转动的动力，提升设备固定装置用于固定提升动力设备和提升传力设备。

9.根据权利要求1所述的室内模拟高压旋喷技术切土效果的试验方法，其特征在于，所述的供水系统显示水的压力和流量并且与旋喷杆上的入水口连接，该供水系统由水压传感器、水压压力表、电磁流量计、高压水泵依次连接构成，水压传感器一端与旋喷杆的入水口连接。

10.根据权利要求1或9所述的室内模拟高压旋喷技术切土效果的试验方法，其特征在于，所述的压力监测系统与孔隙水压力传感器连接，实时监测并记录受力数据，该压力监测系统包括信号转换设备和计算机，该计算机内部装有实时监测系统，通过信号转换设备与孔隙水压力传感器连接。

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