一种以泡沫为添加剂的粘性地层土压平衡盾构渣土改良参数的选取方法技术

本发明专利技术涉及一种以泡沫为添加剂的粘性地层土压平衡盾构渣土改良参数的选取方法，属于土压平衡盾构施工技术领域。本发明专利技术通过曲线数学关系式拟合，得到液塑限与泡沫注入比的函数关系式以及坍落度与泡沫注入比、含水量的函数关系式。为了使盾构掘进过程中便于有效地建立土压平衡，基于粘性指数0.4～0.75的要求，构建了含水量与泡沫注入比的关系式，并绘制关系曲线。在关系曲线坐标轴上，由最佳坍落度范围确定最佳泡沫注入比范围，进而依据含水量与泡沫注入比的关系式来确定最佳渣土含水量范围。在现场应用中，考虑土仓压力对泡沫体积的影响、渣土松散系数以及原状土水份，最终给出了土压平衡盾构每一环管片进尺渣土改良所需的泡沫剂用量和注水量。本发明专利技术所需开展的试验操作简单，试验成本较低，可有效地用于现场施工。

【技术实现步骤摘要】
一种以泡沬为添加剂的粘性地层土压平衡盾构渣土改良参 数的选取方法
本专利技术涉及一种以泡沫为添加剂的粘性地层土压平衡盾构渣土改良参数的选取 方法，属于土压平衡盾构施工
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技术介绍
土压平衡盾构施工具有安全性高、掘进速度快、对周边环境影响小等优点，特别是 随着我国城市地铁的发展，土压平衡盾构的应用越来越广泛，主要适用于粒径小于〇.〇6mm 的颗粒质量占渣土总量大于30%的地层中。在粘性地层土压平衡盾构施工过程中，为了便 于土仓内建立土压平衡、防止粘性渣土结泥饼、减小掘进推力、降低刀盘及螺旋输送机的扭 矩而降低能耗，要求提高刀盘前地层及土仓内渣土的流塑性、减小它们的摩擦系数，这就要 求对土压平衡盾构进行渣土改良。粘性地层渣土改良往往通过对渣土注射水、泡沫或聚合 物等添加剂来实现，其中以泡沫的使用最为广泛。 虽然土压平衡盾构自上世纪六十年代开始使用，许多学者和工程师开展了多方面 的研究，不断提出新型渣土改良剂，研究渣土改良剂对盾构工作行为的影响，对指导渣土改 良给出了指导。然而，迄今为止，渣土改良的参数选取还缺乏有力的理论指导，多数依赖于 现场尝试，根据经验选取渣土改良方法和参数，遇到问题时对它们进行修改。这样的尝试往 往是以工程、人力资源的损失为代价的。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供一种以泡沫为添加剂的粘性地层土压平衡盾构 渔土改良参数的选取方法。 本专利技术 包括以下步骤： 步骤一 测量施工现场原状土的含水量ωη ; 步骤二 选取泡沫剂，所述泡沫剂的发泡率FER > 10,所述泡沫剂所产生泡沫的半衰期 t50 ^ 5min ； 步骤三 按不同的泡沫注入比FIR，将选取的泡沫剂注入原状土中，得到以一系列液限、塑 限试验渣土，对这一系列实验渣土进行液限、塑限试验，得到实验渣土的液限与泡沫注 入比的关系式〇^ = f(FIR);同时也得到实验渣土的塑性指数Ip与泡沫注入比的关系式Ip =g (FIR)； 步骤四 按不同的泡沫注入比FIR、不同的含水量ω，将泡沫剂和水注入所取原状土中，得 到一系列坍落度实验用渣土，测量坍落度实验用渣土的坍落度T，并建立坍落度T与泡沫注 入比FIR以及含水量ω的函数关系式： T = q(FIR, ω) (I) 根据土力学里粘稠指数I。的定义为：Ι。= (ω,-ω)/Ιρ，且在盾构施工中，I。取值 为0. 4?0. 75,所以 ω = c〇L-(〇. 4 ?0· 75)IP = f(FIR)-(0. 4 ?0· 75) Xg(FIR) =h(FIR) (2) 将式（2)代入式（1)中，得到坍落度T与泡沫注入比FIR的一元函数关系式： T = q[FIR, h(FIR)] (3) 根据式⑶绘制坍落度T与FIR的关系曲线图，并在坍落度T与FIR的关系曲线图 找出最佳坍落度T tjptimum的范围；所述最佳坍落度Ttjptimum的范围为15-20cm，优选为16-18cm ; 步骤五 根据步骤四所得最佳坍落度Ttjptimum的范围选取最佳坍落度T_iM范围所对应的最 佳泡沫注入比FIRtjptimmi的范围，再将所得最佳泡沫注入比FIRtjptimum的范围代入式（2)中得 出渣土最佳含水量Otjptimum的范围； 步骤六 利用公式（4)计算出现场施工时，土压平衡盾构每进尺一环管片所需大气压条件 下泡沫体积V f为 Vf= (Pi -Vs-FIRoptiffl^PaVgA-P i Vg/K)/Pa (4) 式⑷中 为土压平衡盾构土仓压力； Pa为施工处大气压的压力； FIRtjptimum为所选取最佳坍落度Ttjptimum所对应的最佳泡沫注入比； Vs为土压平衡盾构每进尺一环管片所削切的渣土体积；所述Vs= JiD2L€/4,其中 D为盾构开挖直径，L为管片长度，ξ为原状土的松散系数（即原状土削切后形成未经改良 的渣土体积与原状土体积的比值）； Vg为泡沫剂体积； K为泡沫剂溶液浓度。 由于/W，代入公式⑷后，得到土压平衡盾构每进尺一环管片所需泡沫 人 剂体积Vg: 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以泡沫为添加剂的粘性地层土压平衡盾构渣土改良参数的选取方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一测量施工现场原状土的含水量ωn；步骤二选取泡沫剂，所述泡沫剂的发泡率FER≥10，所述泡沫剂所产生泡沫的半衰期t50≥5min；步骤三按不同的泡沫注入比FIR，将选取的泡沫剂注入原状土中，得到以一系列液限、塑限试验渣土，对这一系列实验渣土进行液限、塑限试验，得到实验渣土的液限ωL与泡沫注入比的关系式ωL＝f(FIR)；同时也得到实验渣土的塑性指数IP与泡沫注入比的关系式IP＝g(FIR)；步骤四按不同的泡沫注入比FIR、不同的含水量ω，将泡沫剂和水注入所取原状土中，得到一系列坍落度实验用渣土，测量坍落度实验用渣土的坍落度T，并建立坍落度T与泡沫注入比FIR以及含水量ω的函数关系式：T＝q(FIR,ω)    (1)根据土力学里粘稠指数Ic的定义为：Ic＝(ωL‑ω)/Ip，且在盾构施工中，Ic取值为0.4～0.75，所以ω＝ωL‑(0.4～0.75)IP＝f(FIR)‑(0.4～0.75)×g(FIR)＝h(FIR)    (2)将式(2)代入式(1)中，得到坍落度T与泡沫注入比FIR的一元函数关系式：T＝q[FIR,h(FIR)]    (3)根据式(3)绘制坍落度T与FIR的关系曲线图，并在坍落度T与FIR的关系曲线图找出最佳坍落度Toptimum的范围；所述最佳坍落度Toptimum的范围为15‑20cm；步骤五根据步骤四所得最佳坍落度Toptimum的范围选取最佳坍落度Toptimum范围所对应的最佳泡沫注入比FIRoptimum的范围，再将所得最佳泡沫注入比FIRoptimum的范围代入式(2)中得出渣土最佳含水量ωoptimum的范围；步骤六利用公式(4)计算出现场施工时，土压平衡盾构每进尺一环管片所需大气压条件下泡沫体积Vf，Vf＝(P′·Vs·FIRoptimum+PaVg/K‑P′Vg/K)/Pa    (4)式(4)中P′为土压平衡盾构土仓压力；Pa为施工处大气压的压力；FIRoptimum为所选取最佳坍落度Toptimum所对应的最佳泡沫注入比；Vs为土压平衡盾构每进尺一环管片所削切的渣土体积；所述Vs＝πD2Lξ/4，其中D为盾构开挖直径，L为管片长度，ξ为原状土的松散系数；Vg为泡沫剂体积；K为泡沫剂溶液浓度。由于代入公式(4)后，得到土压平衡盾构每进尺一环管片进尺所需泡沫剂体积Vg：Vg=πD2LξK×FIRoptimum4(FER-1)Pa/P′+4---(5)]]>式(5)中，K为泡沫剂溶液的浓度；FER为泡沫剂的发泡率；Vf为土压平衡盾构每进尺一环管片所需大气压条件下泡沫体积；P′为土压平衡盾构土仓压力；Pa为施工处大气压的压力；FIRoptimum为所选取最佳坍落度Toptimum所对应的最佳泡沫注入比；D为盾构开挖直径，L为管片长度，ξ为原状土的松散系数(即原状土削切后形成未经改良的渣土体积与原状土体积的比值)；步骤七根据步骤五所得最佳含水量ωoptimum和步骤一所得原状土本身的含水量ωn，根据公式(6)计算得出来土压平衡盾构每进尺一环管片所需注水量Mw：Mw＝πD2Lγ(ωoptimum‑ωn)    (6)式(6)中，D为盾构开挖直径；L为管片长度；γ为开挖前盾构所处地层的干密度。...

【技术特征摘要】
1. 一种以泡沫为添加剂的粘性地层土压平衡盾构渣土改良参数的选取方法，其特征在 于，包括以下步骤： 步骤一 测量施工现场原状土的含水量ωη; 步骤二 选取泡沫剂，所述泡沫剂的发泡率FER> 10,所述泡沫剂所产生泡沫的半衰期t50 ^ 5min； 步骤三 按不同的泡沫注入比FIR，将选取的泡沫剂注入原状土中，得到以一系列液限、塑限试 验渣土，对这一系列实验渣土进行液限、塑限试验，得到实验渣土的液限与泡沫注入比 的关系式=f(FIR);同时也得到实验渣土的塑性指数Ip与泡沫注入比的关系式Ip = g(FIR)； 步骤四 按不同的泡沫注入比FIR、不同的含水量ω，将泡沫剂和水注入所取原状土中，得到一 系列坍落度实验用渣土，测量坍落度实验用渣土的坍落度Τ，并建立坍落度T与泡沫注入比 FIR以及含水量ω的函数关系式： T=q(FIR,ω) (I) 根据土力学里粘稠指数I。的定义为：Ι。= (ω^ω)/%，且在盾构施工中，I。取值为 0. 4?0. 75,所以 ω=ωL- (〇· 4 ?0· 75)Ip =f(FIR) - (0· 4 ?0· 75)Xg(FIR) =h(FIR) (2) 将式（2)代入式（1)中，得到坍落度T与泡沫注入比FIR的一元函数关系式： T=q[FIR,h(FIR)] (3) 根据式（3)绘制坍落度T与FIR的关系曲线图，并在坍落度T与FIR的关系曲线图找 出最佳坍落度Ttjptimum的范围；所述最佳坍落度T_iM的范围为15-20cm; 步骤五 根据步骤四所得最佳坍落度Ttjptimum的范围选取最佳坍落度Ttjptimmi范围所对应的最佳泡 沫注入比FIRtjptimum的范围，再将所得最佳泡沫注入比FIRtjptimmi的范围代入式（2)中得出渣 土最佳含水量 ^optimum的范围； 步骤六 利用公式（4)计算出现场施工时，土压平衡盾构每进尺一环管片所需大气压条件下泡 沫体积Vf， Vf= (P^ .Vs-FIRoptiffl^PaVgA-PiVg/K)/Pa (4) 式⑷中 P'为土压平衡盾构土仓压力； Pa为施工处大气压的压力； FIR。#?为所选取最佳坍落度Ttjptimum所对应的最佳泡沫注入比； Vs为土压平衡盾构每进尺一环管片所削切的渣土体积；所述Vs =πD2Lξ/4,其中D为 盾构开挖直径，L为管片长度，ξ为原状土的松散...

【专利技术属性】
技术研发人员：王树英，阳军生，叶新宇，肖超，张细宝，周纯择，周锦强，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43