一種以泡沫為添加劑的粘性地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良參數(shù)的選取方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種以泡沫為添加劑的粘性地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良參數(shù)的選取方法，屬于土壓平衡盾構(gòu)施工【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明通過曲線數(shù)學(xué)關(guān)系式擬合，得到液塑限與泡沫注入比的函數(shù)關(guān)系式以及坍落度與泡沫注入比、含水量的函數(shù)關(guān)系式。為了使盾構(gòu)掘進過程中便于有效地建立土壓平衡，基于粘性指數(shù)0.4～0.75的要求，構(gòu)建了含水量與泡沫注入比的關(guān)系式，并繪制關(guān)系曲線。在關(guān)系曲線坐標軸上，由最佳坍落度范圍確定最佳泡沫注入比范圍，進而依據(jù)含水量與泡沫注入比的關(guān)系式來確定最佳渣土含水量范圍。在現(xiàn)場應(yīng)用中，考慮土倉壓力對泡沫體積的影響、渣土松散系數(shù)以及原狀土水份，最終給出了土壓平衡盾構(gòu)每一環(huán)管片進尺渣土改良所需的泡沫劑用量和注水量。本發(fā)明所需開展的試驗操作簡單，試驗成本較低，可有效地用于現(xiàn)場施工。
【專利說明】一種以泡沬為添加劑的粘性地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良參 數(shù)的選取方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種以泡沫為添加劑的粘性地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良參數(shù)的選取 方法，屬于土壓平衡盾構(gòu)施工【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 土壓平衡盾構(gòu)施工具有安全性高、掘進速度快、對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點，特別是 隨著我國城市地鐵的發(fā)展，土壓平衡盾構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛，主要適用于粒徑小于〇.〇6mm 的顆粒質(zhì)量占渣土總量大于30%的地層中。在粘性地層土壓平衡盾構(gòu)施工過程中，為了便 于土倉內(nèi)建立土壓平衡、防止粘性渣土結(jié)泥餅、減小掘進推力、降低刀盤及螺旋輸送機的扭 矩而降低能耗，要求提高刀盤前地層及土倉內(nèi)渣土的流塑性、減小它們的摩擦系數(shù)，這就要 求對土壓平衡盾構(gòu)進行渣土改良。粘性地層渣土改良往往通過對渣土注射水、泡沫或聚合 物等添加劑來實現(xiàn)，其中以泡沫的使用最為廣泛。
[0003] 雖然土壓平衡盾構(gòu)自上世紀六十年代開始使用，許多學(xué)者和工程師開展了多方面 的研究，不斷提出新型渣土改良劑，研究渣土改良劑對盾構(gòu)工作行為的影響，對指導(dǎo)渣土改 良給出了指導(dǎo)。然而，迄今為止，渣土改良的參數(shù)選取還缺乏有力的理論指導(dǎo)，多數(shù)依賴于 現(xiàn)場嘗試，根據(jù)經(jīng)驗選取渣土改良方法和參數(shù)，遇到問題時對它們進行修改。這樣的嘗試往 往是以工程、人力資源的損失為代價的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種以泡沫為添加劑的粘性地層土壓平衡盾構(gòu) 漁土改良參數(shù)的選取方法。
[0005] 本發(fā)明一種以泡沫為添加劑的粘性地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良參數(shù)的選取方法 包括以下步驟：
[0006] 步驟一
[0007] 測量施工現(xiàn)場原狀土的含水量ωη ;
[0008] 步驟二
[0009] 選取泡沫劑，所述泡沫劑的發(fā)泡率FER > 10,所述泡沫劑所產(chǎn)生泡沫的半衰期 t50 ^ 5min ；
[0010] 步驟三
[0011] 按不同的泡沫注入比FIR，將選取的泡沫劑注入原狀土中，得到以一系列液限、塑 限試驗渣土，對這一系列實驗渣土進行液限、塑限試驗，得到實驗渣土的液限與泡沫注 入比的關(guān)系式〇^ = f(FIR);同時也得到實驗渣土的塑性指數(shù)Ip與泡沫注入比的關(guān)系式Ip =g (FIR)；
[0012] 步驟四
[0013] 按不同的泡沫注入比FIR、不同的含水量ω，將泡沫劑和水注入所取原狀土中，得 到一系列坍落度實驗用渣土，測量坍落度實驗用渣土的坍落度T，并建立坍落度T與泡沫注 入比FIR以及含水量ω的函數(shù)關(guān)系式：
[0014] T = q(FIR, ω) (I)
[0015] 根據(jù)土力學(xué)里粘稠指數(shù)I。的定義為：Ι。= (ω,-ω)/Ιρ，且在盾構(gòu)施工中，I。取值 為0. 4?0. 75,所以
[0016] ω = c〇L-(〇. 4 ?0· 75)IP = f(FIR)-(0. 4 ?0· 75) Xg(FIR) =h(FIR) (2)
[0017] 將式（2)代入式（1)中，得到坍落度T與泡沫注入比FIR的一元函數(shù)關(guān)系式：
[0018] T = q[FIR, h(FIR)] (3)
[0019] 根據(jù)式⑶繪制坍落度T與FIR的關(guān)系曲線圖，并在坍落度T與FIR的關(guān)系曲線圖 找出最佳坍落度T tjptimum的范圍；所述最佳坍落度Ttjptimum的范圍為15-20cm，優(yōu)選為16-18cm ;
[0020] 步驟五
[0021] 根據(jù)步驟四所得最佳坍落度Ttjptimum的范圍選取最佳坍落度T_iM范圍所對應(yīng)的最 佳泡沫注入比FIRtjptimmi的范圍，再將所得最佳泡沫注入比FIRtjptimum的范圍代入式（2)中得 出渣土最佳含水量Otjptimum的范圍；
[0022] 步驟六
[0023] 利用公式（4)計算出現(xiàn)場施工時，土壓平衡盾構(gòu)每進尺一環(huán)管片所需大氣壓條件 下泡沫體積V f為
[0024] Vf= (Pi -Vs-FIRoptiffl^PaVgA-P i Vg/K)/Pa (4)
[0025] 式⑷中
[0026] 為土壓平衡盾構(gòu)土倉壓力；
[0027] Pa為施工處大氣壓的壓力；
[0028] FIRtjptimum為所選取最佳坍落度Ttjptimum所對應(yīng)的最佳泡沫注入比；
[0029] Vs為土壓平衡盾構(gòu)每進尺一環(huán)管片所削切的渣土體積；所述Vs= JiD2L€/4,其中 D為盾構(gòu)開挖直徑，L為管片長度，ξ為原狀土的松散系數(shù)（即原狀土削切后形成未經(jīng)改良 的渣土體積與原狀土體積的比值）；
[0030] Vg為泡沫劑體積；
[0031] K為泡沫劑溶液濃度。
[0032] 由于/W，代入公式⑷后，得到土壓平衡盾構(gòu)每進尺一環(huán)管片所需泡沫 人 劑體積Vg:
[0033]

【權(quán)利要求】
1. 一種以泡沫為添加劑的粘性地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良參數(shù)的選取方法，其特征在 于，包括以下步驟： 步驟一 測量施工現(xiàn)場原狀土的含水量ωη; 步驟二 選取泡沫劑，所述泡沫劑的發(fā)泡率FER> 10,所述泡沫劑所產(chǎn)生泡沫的半衰期t50 ^ 5min； 步驟三 按不同的泡沫注入比FIR，將選取的泡沫劑注入原狀土中，得到以一系列液限、塑限試 驗渣土，對這一系列實驗渣土進行液限、塑限試驗，得到實驗渣土的液限與泡沫注入比 的關(guān)系式=f(FIR);同時也得到實驗渣土的塑性指數(shù)Ip與泡沫注入比的關(guān)系式Ip = g(FIR)； 步驟四 按不同的泡沫注入比FIR、不同的含水量ω，將泡沫劑和水注入所取原狀土中，得到一 系列坍落度實驗用渣土，測量坍落度實驗用渣土的坍落度Τ，并建立坍落度T與泡沫注入比 FIR以及含水量ω的函數(shù)關(guān)系式： T=q(FIR,ω) (I) 根據(jù)土力學(xué)里粘稠指數(shù)I。的定義為：Ι。= (ω^ω)/%，且在盾構(gòu)施工中，I。取值為 0. 4?0. 75,所以 ω=ωL- (〇· 4 ?0· 75)Ip =f(FIR) - (0· 4 ?0· 75)Xg(FIR) =h(FIR) (2) 將式（2)代入式（1)中，得到坍落度T與泡沫注入比FIR的一元函數(shù)關(guān)系式： T=q[FIR,h(FIR)] (3) 根據(jù)式（3)繪制坍落度T與FIR的關(guān)系曲線圖，并在坍落度T與FIR的關(guān)系曲線圖找 出最佳坍落度Ttjptimum的范圍；所述最佳坍落度T_iM的范圍為15-20cm; 步驟五 根據(jù)步驟四所得最佳坍落度Ttjptimum的范圍選取最佳坍落度Ttjptimmi范圍所對應(yīng)的最佳泡 沫注入比FIRtjptimum的范圍，再將所得最佳泡沫注入比FIRtjptimmi的范圍代入式（2)中得出渣 土最佳含水量 ^optimum的范圍； 步驟六 利用公式（4)計算出現(xiàn)場施工時，土壓平衡盾構(gòu)每進尺一環(huán)管片所需大氣壓條件下泡 沫體積Vf， Vf= (P^ .Vs-FIRoptiffl^PaVgA-PiVg/K)/Pa (4) 式⑷中 P'為土壓平衡盾構(gòu)土倉壓力； Pa為施工處大氣壓的壓力； FIR。#?為所選取最佳坍落度Ttjptimum所對應(yīng)的最佳泡沫注入比； Vs為土壓平衡盾構(gòu)每進尺一環(huán)管片所削切的渣土體積；所述Vs =πD2Lξ/4,其中D為 盾構(gòu)開挖直徑，L為管片長度，ξ為原狀土的松散系數(shù)； Vg為泡沫劑體積； K為泡沫劑溶液濃度。 由于& = 代入公式（4)后，得到土壓平衡盾構(gòu)每進尺一環(huán)管片進尺所需泡沫 劑體積Vg: 式（5)中，
K為泡沫劑溶液的濃度； FER為泡沫劑的發(fā)泡率； Vf為土壓平衡盾構(gòu)每進尺一環(huán)管片所需大氣壓條件下泡沫體積； P'為土壓平衡盾構(gòu)土倉壓力； Pa為施工處大氣壓的壓力； FIR。#?為所選取最佳坍落度Ttjptimum所對應(yīng)的最佳泡沫注入比； D為盾構(gòu)開挖直徑，L為管片長度，ξ為原狀土的松散系數(shù)（即原狀土削切后形成未經(jīng) 改良的渣土體積與原狀土體積的比值）； 步驟七 根據(jù)步驟五所得最佳含水量和步驟一所得原狀土本身的含水量ωη，根據(jù)公式 (6)計算得出來土壓平衡盾構(gòu)每進尺一環(huán)管片所需注水量Mw : Mw =JiD2Ly(ω〇ρ--"-ωη) (6) 式⑶中， D為盾構(gòu)開挖直徑； L為管片長度； Y為開挖前盾構(gòu)所處地層的干密度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以泡沫為添加劑的粘性地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良參 數(shù)的選取方法；其特征在于：根據(jù)現(xiàn)場掘進速率，確定泡沫劑的注入速率和水的注入速率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以泡沫為添加劑的粘性地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良參 數(shù)的選取方法；其特征在于：步驟三中，按不同的泡沫注入比FIR，將選取的泡沫劑注入原 狀土中，得到以一系列液限、塑限試驗渣土，對這一系列實驗渣土進行液限、塑限試驗，得到 實驗渣土的液限與泡沫注入比的關(guān)系曲線，根據(jù)關(guān)系曲線擬合結(jié)果，建立液限與泡沫注 入比的函數(shù)關(guān)系式〇^ =f(FIR);同時也得到實驗渣土的塑性指數(shù)Ip與泡沫注入比的關(guān)系 關(guān)系曲線，根據(jù)關(guān)系曲線擬合結(jié)果，建立塑限與泡沫注入比的函數(shù)關(guān)系式Ip =g(FIR)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以泡沫為添加劑的粘性地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良參 數(shù)的選取方法；其特征在于：步驟四中，按不同的泡沫注入比FIR、不同的含水量ω，將泡沫 劑和水注入所取原狀土中，得到一系列坍落度實驗用渣土，測量坍落度實驗用渣土的坍落 度Τ，得出建立坍落度T與泡沫注入比FIR以及含水量ω的關(guān)系曲線，根據(jù)關(guān)系曲線擬合結(jié) 果，建立坍落度T與泡沫注入比FIR以及含水量ω的函數(shù)關(guān)系式： T=q(FIR,ω) ⑴。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以泡沫為添加劑的粘性地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良參 數(shù)的選取方法；其特征在于：所述最佳坍落度Ttjptimmi的范圍為16-18cm。
【文檔編號】E21D9/06GK104453923SQ201410561509
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】王樹英, 陽軍生, 葉新宇, 肖超, 張細寶, 周純擇, 周錦強 申請人:中南大學(xué)