[发明专利]一种大孔径钻孔护壁加固泥浆临界比重的测定方法

权利要求书

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v_n、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；

所述步骤一中，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h_i/m、地下水埋深Δl/m、天然重度γ_i、泊松比μ_i、各土层土体的粘聚力c_i和内摩擦角地下水位以下取浮重度γ_i'；并由土体泊松比确定第i层土的侧压力系数k_i；

k_i＝μ_i/1-μ_i (1)

式中：μ_i----第i层土的泊松比；

所述步骤二中，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单位面积上的竖向荷载q，kN/m²，

$q=\frac{(M_1+M_2)g}{s}---\left(3\right)$

所述步骤三中，相关参数的确定包括以下步骤：

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v_z，m/s，由式(4)确定钻杆与孔壁间隙面积S_n，m²：

$S_n=\frac{\mathrm{\π}}{4}({D_0}^2-D^2)---\left(4\right)$

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v_n，m/s：

$v_n=\frac{1.5v_Z{D}^2}{(D_0^2-D^2)}---\left(5\right)$

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；

所述步骤四中，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：

$\mathrm{\ω}=\frac{\[\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_j{h}_j+{\mathrm{\γ}}_i(z-\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_j)+q\]-2c_{i}A+{\mathrm{\γ}}_w{A}^2(z-\mathrm{\Δ}l)}{A^2\mathrm{\ρ}\[g(h+z-\mathrm{\Δ}h)-S_n{v_n}^2/2{\mathrm{\πD}}_0\]}---\left(6\right)$

式中：γ_j，γ_i----分别为第j层与第i层土的重度，kN/m³，其中j＝i+1

h_j，h_i----分别为第j层与第i层土的厚度m

D₀----钻孔设计直径

γ_w----水的重度：10kN/m³

Δl----地下水埋深，m

A----为第i层土体内摩擦角；

所述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)：

$f_i=\frac{({\mathrm{\γ}}_i+{\mathrm{\γ}}_w{A}^2)\[g(h+z-\mathrm{\Δ}h)-S_n{v_n}^2/2{\mathrm{\πD}}_0\]-g\[\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_j{h}_j+{\mathrm{\γ}}_i(z-\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_j)+q\]+2c_{i}Ag-{\mathrm{\γ}}_w{\mathrm{gA}}^2(z-\mathrm{\Δ}l)}{A^2\mathrm{\ρ}{\[g(h+z-\mathrm{\Δ}h)-S_n{v_n}^2/2{\mathrm{\πD}}_0\]}^2}---\left(7\right)$

b.各土层泥浆临界比重对应的钻孔深度z/m的确定：

对于一个设计钻孔，根据不同地层分界点自上而下划分钻孔深度，如第i层土上层面深度为Z_i(a)，下层面深度为Z_i(b)，并根据步骤一至步骤三所确定的参数及式(7)分别判断各土层中f_i取值的大小：

当f_i≤0时，泥浆临界比重随钻孔深度的增大而减小，第i层土层中泥浆临界比重对应的钻孔深度为第i层土的上层面深度，Z＝Z_i(a)；

当f_i≥0时，泥浆临界比重随钻孔深度的增大而增大，第i层土层中泥浆临界比重对应的钻孔深度为第i层土的下层面深度，Z＝Z_i(b)；

c.根据各土层中泥浆临界比重对应的钻孔深度Z_i/m，由式(8)分别确定各个土层的护壁泥浆比重，如第i层土护壁泥浆比重为：

${\mathrm{\ω}}_i=\frac{\[\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_j{h}_j+{\mathrm{\γ}}_i(z-\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_j)+q\]-2c_{i}A+{\mathrm{\γ}}_w{A}^2(z-\mathrm{\Δ}l)}{A^2\mathrm{\ρ}\[g(h+z-\mathrm{\Δ}h)-S_n{v_n}^2/2{\mathrm{\πD}}_0\]}---\left(8\right)$

d.对于土体重度大于20kN/m³的土层，需对该层土体坍塌破坏极限平衡应力状态进行验算：

$2k_i\[\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_j{h}_j+{\mathrm{\γ}}_i(z-\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_j)+q\]-p\≥\[\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_j{h}_j+{\mathrm{\γ}}_i(z-\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_j)+q\]\≥p---\left(9\right)$

p----护壁泥浆和地下水作用下在钻孔深度z处产生的压强，kPa；

若式(9)不成立，则将上一步中计算的ω_i值作为该土层的护壁泥浆比重；

$f_i=\frac{(2k_i{\mathrm{\γ}}_i+{\mathrm{\γ}}_w+{\mathrm{\γ}}_w{A}^2)\[g(h+z-\mathrm{\Δ}h)-S_n{v_n}^2/2{\mathrm{\πD}}_0\]-2k_{i}g\[\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_j{h}_j+{\mathrm{\γ}}_i(z-\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_j)+q\]+2c_{i}Ag-{\mathrm{\γ}}_{w}g(1+A^2)(z-\mathrm{\Δ}l)}{(1+A^2)\mathrm{\ρ}{\[g(h+z-\mathrm{\Δ}h)-S_n{v_n}^2/2{\mathrm{\πD}}_0\]}^2}---\left(10\right)$

$\mathrm{\ω}=\frac{2k_i\[\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_j{h}_j+{\mathrm{\γ}}_i(z-\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_j)+q\]-2c_{i}A+{\mathrm{\γ}}_w(1+A^2)(z-\mathrm{\Δ}l)}{(1+A^2)\mathrm{\ρ}\[g(h+z-\mathrm{\Δ}h)-S_n{v_n}^2/2{\mathrm{\πD}}_0\]}---\left(11\right)$

若式(9)成立，则采用式(10)、(11)分别代替式(7)、(8)按照步骤重新计算该土层的护壁泥浆比重。