一种大孔径钻孔护壁加固泥浆临界比重的测定方法技术

本发明专利技术涉及大型灌注桩钻孔塌孔和孔壁稳定性评价与防治领域，特别涉及一种大孔径钻孔护壁加固泥浆临界比重的测定方法，主要解决目前的分析方法往往局限在理论层面，难以应用于工程实践或者缺乏理论基础，难以推广应用的问题。发明专利技术的具体包括如下步骤：钻孔灌注桩工程地基土体物理力学参数的勘察与测定；孔口周围堆载对孔壁产生的竖向荷载的确定；提钻时护壁泥浆向下流动速度vn等相关参数的确定；一定钻孔深度z(m)处护壁泥浆临界比重的确定；不同钻孔深度土层护壁泥浆比重的确定；钻孔施工护壁泥浆临界设计比重的确定。本发明专利技术能够科学而有效的确定护壁泥浆比重与防治灌注桩孔壁塌孔问题，提高施工质量、降低施工成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及大型灌注桩钻孔塌孔和孔壁稳定性评价与防治领域，特别涉及一种大孔径钻孔护壁加固泥浆临界比重的测定方法。
技术介绍
桩基础是增加地基整体稳定性及提高地基承载力主要基础加固工程之一。随着工业技术和工程建设的发展，桩基础的工艺、设计方法、承载力等方面均有迅速的发展，桩基础具有较大的承载力、稳定性和协调不均匀沉降的能力，对不同地质条件有较强的适应能力，是深基础工程中应用最多的一种基础形式，按照施工方法可以概括为挤土桩和钻孔灌注桩。其中，钻孔灌注桩以其承载力高、无挤土、施工时无振动、噪音小和宜于在城市建筑物密集地区使用等优点被广泛应用，但钻孔灌注桩施工过程中仍然存在着诸多问题，其中钻孔灌注桩孔壁塌孔问题尤为突出。塌孔问题的出现不仅直接影响成桩质量和工期，而且还对灌注桩的安全施工及生命财产安全造成了潜在的威胁。因此，科学研究和有效解决灌注桩孔壁塌孔的防治方法与技术，对确保成桩质量及基础工程建设的安全具有重要的理论意义和工程实用价值。由于钻孔灌注桩施工为地下隐蔽工程，施工场地本身地质环境条件比较复杂，且灌注桩孔壁稳定性受多重因素与条件的影响与控制，包括自然因素、人为因素和工程因素，如地层结构与性质、地下水渗流作用、护壁泥浆、成孔工艺、施工机械等。其中，护壁泥浆浓度及浆液比重是保证灌注桩孔壁稳定性的一个关键防治因素与条件。因此，在水文地质条件、成孔工艺与施工机械一定的条件下，在钻孔施工过程中，通常采用控制护壁泥浆液面与泥浆比重的方法平衡水土压力，起到保持孔壁稳定的作用。护壁泥浆的比重、黏度、流动状态都与孔壁稳定性有着密切的联系，是保持孔壁稳定的重要作用因素。目前，国内外学者和工程技术人员采用不同的方法对钻孔灌注桩孔壁稳定性与护壁泥浆之间的关系进行了较为系统的探索与研究，其中主要的代表性方法可以分为以下三类：一是力学分析方法，基于弹塑性理论建立力学模型，对孔壁稳定性进行力学分析和安全系数的推算；二是数值分析方法，采用有限元软件进行数值模拟，分析土体性质、泥浆相对比重、孔深、孔径等影响因素与钻孔灌注桩孔壁稳定性的关系；三是工程经验分析方法，工程技术人员根据已有施工经验，在桩基础施工规范规定的范围内调节泥浆比重、粘度等参数。上述方法中的力学分析方法往往局限在理论层面对孔壁稳定性的分析，没有提出很好的防治措施，很难应用于工程实践；数值分析方法计算过程较复杂，对孔壁土体的边界条件、本构关系要求比较严格，并受地质模型、简化的力学模型和力学参数的影响，计算结果较难做出准确的评价，也不易于应用到工程实践；而工程经验分析方法缺乏理论基础，其分析方法尚无统一和明确的规定，不能在灌注桩工程的钻孔施工中广泛的推广和应用。
技术实现思路
鉴于上述方法在灌注桩钻孔施工和稳定性问题评价与防治中存在的局限性，本专利技术在系统的研究与分析影响钻孔灌注桩孔壁稳定性不利因素的耦合作用的基础上，根据弹塑性理论建立的灌注桩孔壁力学分析模型与孔壁失稳判据，提出了一种大孔径钻孔护壁加固泥浆临界比重的测定方法，并运用该方法可有效的确定钻孔施工护壁泥浆的比重，以有效的解决钻孔灌注桩钻孔施工的塌孔防治问题。本专利技术的具体步骤如下：步骤一：钻孔灌注桩工程地基土体物理力学参数的勘察与测定对钻孔灌注桩工程施工场区进行勘察测定该区域各土层厚度hi(m)；地下水埋深Δl(m)。并通过土工试验测定天然重度γi(地下水位以下取浮重度γi')、泊松比μi、各土层土体的粘聚力ci、内摩擦角由侧压力系数与土体泊松比的关系确定第i层土的侧压力系数ki；ki＝μi/1-μi(1)式中：μi----第i层土的泊松比步骤二：孔口周围堆载对孔壁产生的竖向荷载的确定测定钻孔桩机活动半径R(m)，将钻孔桩机工作面积简化为环形工作面，由式(2)确定旋挖桩机工作占用面积：S=π[R2-(D02)2]---(2)]]>式中：s----钻孔桩机工作占用面积(m2)D0----钻孔设计直径(m)测定钻孔桩机整机工作重量M1(kg)及钻孔弃土质量M2(kg)；灌注桩钻孔孔口周围堆载简化为均布荷载，由式(3)确定孔口周围堆载对孔壁产生的竖向荷载q(kN)：q=(M1+M2)gs---(3)]]>式中：g----重力加速度，一般取值为10m/s2步骤三：提钻时护壁泥浆向下流动速度vn等相关参数的确定1)提钻时护壁泥浆向下流动速度的测定首先，测定钻孔桩机工作时的平均提钻速度vz(m/s)，由式(4)确定钻杆与孔壁间隙面积Sn(m2)：Sn=π4(D02-D2)---(4)]]>式中：D0----钻孔设计直径(m)D----钻孔桩机钻杆直径(m)其次，确定提钻过程中泥浆通过钻杆与孔壁间隙的速度vn(m/s)(详见原理1)：vn=1.5vZD2(D02-D2)---(5)]]>2)测定泥浆液面高出水平地面的高度h(m)及提钻过程中泥浆液面下降最大高度Δh(m)。步骤四：一定钻孔深度z(m)处护壁泥浆临界比重的确定根据土力学中的Mohr-Coulomb屈服准则及孔壁土体的极限平衡条件，确定一定钻孔深度z(m)处护壁泥浆比重ω(原理2、原理3)：ω=[Σj=0i-1γjhj+γi(z-Σj=0i-1hj)+q]-2ciA+γwA2(z-Δl)A2g[(h+z-Δh)-Snvn2/2πD0]---(6)]]>式中：γj，γi----分别为第j层与第i层土的重度(kN/m3)，其中j＝i+1hj，hi----分别为第j层与第i层土的厚度mD0----钻孔设计直径γw----水的重度：10KN/m3Δl----地下水埋深(m)为第i层土体内摩擦角步骤五：不同钻孔深度土层护壁泥浆比重的确定1)根据护壁泥浆比重ω与深度z的关系式(6)，确定泥浆比重对钻孔深度的导函数，式(7)：fi=[γi+γwA2][(h-Δh)-Snvn2/2πD0]-[Σj=0i-1γjhj-γiΣj=0i-1hj+q]+2ciA+γwA2ΔlA2g[(h+z-Δh)-Snvn2/2πD0]2---(7)]]>2)各土层泥浆临界比重对应的钻孔深度z(m)的确定(原理4)：对于一个设计钻孔，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大孔径钻孔护壁加固泥浆临界比重的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：勘察与测定钻孔灌注桩工程地基土体物理力学参数；步骤二：确定孔口周围堆载对孔壁产生的竖向荷载；步骤三：确定提钻时护壁泥浆向下流动速度vn、泥浆液面高出水平地面的高度h及提钻过程中泥浆液面下降最大高度Δh；步骤四：确定一定钻孔深度z处护壁泥浆临界比重；步骤五：确定不同钻孔深度土层护壁泥浆比重；步骤六：确定钻孔施工护壁泥浆临界设计比重：钻孔施工护壁泥浆临界设计比重为各土层的护壁泥浆临界设计比重的最大值。

【技术特征摘要】
1.一种大孔径钻孔护壁加固泥浆临界比重的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：勘察与测定钻孔灌注桩工程地基土体物理力学参数；
步骤二：确定孔口周围堆载对孔壁产生的竖向荷载；
步骤三：确定提钻时护壁泥浆向下流动速度vn、泥浆液面高出水平地面的高度h及提钻
过程中泥浆液面下降最大高度Δh；
步骤四：确定一定钻孔深度z处护壁泥浆临界比重；
步骤五：确定不同钻孔深度土层护壁泥浆比重；
步骤六：确定钻孔施工护壁泥浆临界设计比重：钻孔施工护壁泥浆临界设计比重为各土
层的护壁泥浆临界设计比重的最大值。
2.根据权利要求1所述的一种大孔径钻孔护壁加固泥浆临界比重的测定方法，其特征在
于，步骤一中，勘察与测定钻孔灌注桩工程地基土体物理力学参数包括：土层厚度hi(m)、
地下水埋深Δl(m)、天然重度γi(地下水位以下取浮重度γi')、泊松比μi、各土层土体的粘
聚力ci和内摩擦角；并由土体泊松比确定第i层土的侧压力系数ki；
ki＝μi/1-μi(1)
式中：μi----第i层土的泊松比。
3.根据权利要求1所述的一种大孔径钻孔护壁加固泥浆临界比重的测定方法，其特征在
于，步骤二中，孔口周围堆载对孔壁产生的竖向荷载的确定包括以下步骤：
a.测定钻孔桩机活动半径R(m)，确定旋挖桩机工作占用面积S；
b.测定钻孔桩机整机工作重量M1(kg)及钻孔弃土质量M2(kg)；灌注桩钻孔孔口周围堆
载简化为均布荷载，确定孔口周围堆载对孔壁产生的竖向荷载q(kN)，
q=(M1+M2)gs---(3).]]>4.根据权利要求1所述的一种大孔径钻孔护壁加固泥浆临界比重的测定方法，其特征在
于，步骤四中，一定钻孔深度z处护壁泥浆临界比重根据土力学中的Mohr-Coulomb屈服准
则及孔壁土体的极限平衡条件确定：
ω=[Σj=0i-1γjhj+γi(z-Σj=0i-1hj)+q]-2ciA+γwA2(z-Δl)A2g[(h+z-Δh)-Snvn2/2πD0]---(6)]]>式中：γj，γi----分别为第j层与第i层土的重度(kN/m3)，其中j＝i+1
hj，hi----分别为第j层与第i层土的厚度m
D0----钻孔设计直径
γw----水的重度：10KN/m3Δl----地下水埋深(m)
A----为第i层土体内摩擦角。
5.根据权利要求1所述的一种大孔径钻孔护壁加固泥浆临界比重的测定方法，其特征在
于，步骤五中不同钻孔深度土层护壁泥浆比重的确定包括以下步骤：
a.根据护壁泥浆比重ω与深度z的关系式(6)，确定泥浆比重对钻孔深度的导函数式(7)：
fi=[γi+γwA2][(h-Δh)-Snvn2/2πD0]-[Σj=0...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺可强，张志豪，张嘉鑫，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37