[发明专利]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

摘要

本发明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。

主权项

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ω_n；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ω_L与泡沫注入比的关系式ω_L＝f(FIR)；同时也得到实验渣土的塑性指数I_P与泡沫注入比的关系式I_P＝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I_c的定义为：I_c＝(ω_L‑ω)/I_p，且在盾构施工中，I_c取值为0.4～0.75，所以ω＝ω_L‑(0.4～0.75)I_P＝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T_optimum的范围；所述最佳坍落度T_optimum的范围为15‑20cm；步骤五根据步骤四所得最佳坍落度T_optimum的范围选取最佳坍落度T_optimum范围所对应的最佳泡沫注入比FIR_optimum的范围，再将所得最佳泡沫注入比FIR_optimum的范围代入式(2)中得出渣土最佳含水量ω_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V_f，V_f＝(P′·V_s·FIR_optimum+P_aV_g/K‑P′V_g/K)/P_a    (4)式(4)中P′为土压平衡盾构土仓压力；P_a为施工处大气压的压力；FIR_optimum为所选取最佳坍落度T_optimum所对应的最佳泡沫注入比；V_s为土压平衡盾构每进尺一环管片所削切的渣土体积；所述V_s＝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；V_g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V_g：$V_g=\frac{\mathrm{\π}{D}^2\mathrm{L\ξK}\×{\mathrm{FIR}}_{\mathrm{optimum}}}{4(\mathrm{FER}-1)P_a/P^{\′}+4}---\left(\text{5}\right)$式(5)中，K为泡沫剂溶液的浓度；FER为泡沫剂的发泡率；V_f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；P_a为施工处大气压的压力；FIR_optimum为所选取最佳坍落度T_optimum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ω_optimum和步骤一所得原状土本身的含水量ω_n，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M_w：M_w＝πD²Lγ(ω_optimum‑ω_n)    (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。