渦壓擠擴(kuò)機(jī)理應(yīng)用于地基處理的室內(nèi)試驗(yàn)研究

李春寶，薛世峰，俞然剛，張艷美，孫 翔，劉曉輝，趙致俊

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）a.儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院；b.規(guī)劃建設(shè)處，山東 青島 266580；2.萊西市建筑總公司，山東 青島 266600）

目前地基處理方法主要有：換土墊層法、振動(dòng)擠密法、排水固結(jié)法、置換法、加筋法、膠結(jié)法等［1－3］。上述方法在以往的地基處理中發(fā)揮了積極的作用，但都存在各種弊端阻礙了每種方法的廣泛推廣。如強(qiáng)夯法產(chǎn)生的噪音影響周圍居民的生產(chǎn)和生活，并且會(huì)引起對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，導(dǎo)致土體應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑改變以及土體工程性質(zhì)變異，或有可能誘發(fā)土體液化［4－5］；換土墊層法、置換法、加筋法工作量大，成本較高［6－7］；排水固結(jié)法周期較長(zhǎng)；膠結(jié)法質(zhì)量難以控制、保證［8－9］。基于以上原因，首次提出并驗(yàn)證了“渦壓擠擴(kuò)機(jī)理”，并將“渦壓擠擴(kuò)機(jī)理”應(yīng)用于地基處理。筆者設(shè)計(jì)了帶有渦壓葉片的鋼套管［10］，可在地面以下沿水平方向?qū)⒘鲬B(tài)混凝土渦壓擠擴(kuò)到需要加固的土層中，在該土層附近區(qū)域形成增強(qiáng)體，提高了該土層在水平方向和豎直方向抗剪強(qiáng)度，降低土體的壓縮性。該方法適用性強(qiáng)、處理深度大、簡(jiǎn)單易行、保證質(zhì)量、造價(jià)低廉。

1 渦壓擠擴(kuò)機(jī)理介紹

渦壓擠擴(kuò)機(jī)理是利用鋼套管在旋轉(zhuǎn)的過程中使渦壓腔內(nèi)的流態(tài)混凝土獲得動(dòng)能和靜壓能（其中靜壓能占主導(dǎo)），獲得靜壓能的流態(tài)混凝土經(jīng)過渦壓腔口被渦壓葉片擠壓到套管外的周圍土體中，使流態(tài)混凝土在深度土層位置向水平方向擠擴(kuò)。此機(jī)理已在中國(guó)石油大學(xué)（華東）巖土工程實(shí)驗(yàn)室內(nèi)得到驗(yàn)證（見圖1）。運(yùn)用渦壓擠擴(kuò)機(jī)理進(jìn)行地基處理的過程中，石子被擠入到周圍土體中形成擴(kuò)徑體，能夠有效地?cái)D密樁周土體；水泥漿被擠擴(kuò)帶入到周圍土體中與其凝結(jié)固化，起到了膠結(jié)土體的作用。樁體、擴(kuò)徑體和周圍的膠結(jié)土體形成的共同體使得地基土在水平方向和豎直方向的整體強(qiáng)度得到了大幅度提高。

2 渦壓擠擴(kuò)機(jī)理室內(nèi)試驗(yàn)

渦壓擠擴(kuò)機(jī)理的驗(yàn)證試驗(yàn)采用的擠擴(kuò)環(huán)境箱和渦壓套管等設(shè)備為自行設(shè)計(jì)的，委托中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)械加工廠制作（圖1）。鋼套管頂部設(shè)孔，作為扭矩扳手的施力點(diǎn)，鋼套管總高度為800mm，內(nèi)徑為100mm，壁厚5mm，距離鋼套管底部100mm處以上設(shè)置渦壓腔，渦壓腔的高度為120mm。擠擴(kuò)環(huán)境箱由1個(gè)底板、2個(gè)側(cè)壁板和1個(gè)蓋板組成（圖1（a）、（b）），2個(gè)側(cè)壁板所圍成的圓柱形箱體內(nèi)徑為800 mm，箱體高度為600mm。底板中心位置設(shè)有固定鋼套管的環(huán)箍，蓋板上設(shè)有固定鋼套管的圓孔，底板環(huán)箍的圓心與頂板圓孔的圓心同軸，以方便鋼套管順利旋轉(zhuǎn)。試驗(yàn)過程中，首先將2個(gè)側(cè)壁板與底板用螺栓固定好，將鋼套管底部放置在底板的環(huán)箍?jī)?nèi)；將粘性土或砂性土投放到擠擴(kuò)環(huán)境箱內(nèi)，并作夯實(shí)處理，以模擬真實(shí)的土質(zhì)環(huán)境；再將蓋板放置在側(cè)壁板上，使得鋼套管從蓋板中央的孔中穿出，使用螺栓將蓋板和側(cè)壁板固定好；將流態(tài)混凝土灌入到鋼套管內(nèi)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)扭矩扳手，帶動(dòng)鋼套管旋轉(zhuǎn)，鋼套管內(nèi)的流態(tài)混凝土即可通過渦壓腔口（圖1（c））被擠擴(kuò)到周圍土體中；擠擴(kuò)至預(yù)定的扭矩值時(shí)，拔出鋼套管；待混凝土強(qiáng)度≥50%時(shí)，將蓋板和其中的一個(gè)側(cè)壁板拆除掉，剝開粘性土或砂性土介質(zhì)，并用毛刷將樁體模型表面的殘留土質(zhì)刷掉，即可看到圖1（a）、（b）中所示的混凝土擴(kuò)徑部分。

圖1 渦壓擠擴(kuò)機(jī)理的試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)所采用的粘性土物理力學(xué)性能指標(biāo)［11］：孔隙比e＝0.675，天然重度r＝19.2kN／m3，含水量w＝22.5%，塑性指數(shù)Ip＝16.2，液性指數(shù)IL＝0.15，壓縮系數(shù)a1－2＝0.14MPa－1，標(biāo)貫擊數(shù) N＝18，屬于中等偏低壓縮性土。模型樁的直徑d為100mm，最大擴(kuò)徑部分的直徑D為200mm，在渦壓擠擴(kuò)過程中所需要的扭矩通過扭矩扳手測(cè)量，以扭矩為控制指標(biāo)，待扭矩扳手上的數(shù)據(jù)分別顯示50、100、150、200、250N·m 時(shí)停止旋鈕，待混凝土強(qiáng)度≥50%時(shí)，將擠擴(kuò)環(huán)境箱拆開，測(cè)量擴(kuò)徑的尺寸Δr，Δr為擴(kuò)徑部分的半徑增加量，將Δr與模型樁直徑d的比值定義為擴(kuò)徑比。扭矩與擴(kuò)徑尺寸Δr之間的關(guān)系（見圖2），最大擴(kuò)徑比為0.5。

試驗(yàn)中所采用的砂性土物理力學(xué)性能指標(biāo)［12］：其w＝20.6%，N＝21擊，r＝20.0kN／m3，屬中等偏低壓縮性土，為中密狀態(tài)。模型樁的直徑d為100mm，最大擴(kuò)徑部分的直徑D為220mm。采用粘性土介質(zhì)中的測(cè)試方法實(shí)施砂性土介質(zhì)的擠擴(kuò)試驗(yàn)，扭矩與擴(kuò)徑尺寸之間的關(guān)系（見圖3），最大擴(kuò)徑比為0.6。

圖2 粘性土介質(zhì)中扭矩－Δr關(guān)系圖

圖3 砂性土介質(zhì)中扭矩－Δr關(guān)系圖

由扭矩－Δr關(guān)系圖可知：Δr的大小與施加在鋼套管上的扭矩呈非線性關(guān)系，且決定于土的壓縮性。當(dāng)土在彈塑性區(qū)域范圍內(nèi)被充分?jǐn)D壓時(shí)，曲線最初是平緩上升，后期曲率突然變大，在擠擴(kuò)的后期即使增大扭矩也難以繼續(xù)擴(kuò)徑，此時(shí)的扭矩為渦壓擠擴(kuò)的極限扭矩。這時(shí)的土體最為密實(shí)，抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大，達(dá)到地基處理的目的。

3 渦壓腔內(nèi)流態(tài)混凝土流動(dòng)形態(tài)的分析

鋼套管內(nèi)混凝土是通過渦壓葉片（圖1（c））擠擴(kuò)到周圍土體中的，為了建立混凝土在渦壓腔內(nèi)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)渦壓過程中混凝土可能出現(xiàn)的流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行分析。根據(jù)渦壓腔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和渦壓原理，建立混凝土流動(dòng)分析模型，得到混凝土在渦壓腔內(nèi)的動(dòng)力學(xué)模型。

渦壓腔內(nèi)的混凝土流動(dòng)狀態(tài)較為復(fù)雜，并不是單純的軸向流動(dòng)和徑向流動(dòng)，而是兩種運(yùn)動(dòng)復(fù)合的紊流運(yùn)動(dòng)。要得到理論模型，需將這種復(fù)雜的流動(dòng)狀態(tài)予以簡(jiǎn)化。提出假設(shè)［13］：由于渦壓腔內(nèi)設(shè)置了渦壓葉片，且流態(tài)混凝土受到重力的作用，可將渦壓腔內(nèi)混凝土的運(yùn)動(dòng)軌跡分解為兩部分，一部分為沿渦壓腔體軸向的豎向運(yùn)動(dòng)（圖4（a）），另一部分為與渦壓腔體軸線垂直的水平方向運(yùn)動(dòng)（圖4（b））。渦壓葉片驅(qū)使混凝土向渦壓腔外水平方向擴(kuò)散［14－15］。

由于鋼套管內(nèi)部灌滿了流態(tài)混凝土，在重力的作用下，在渦壓腔的上部位置產(chǎn)生較大的靜壓力。鋼套管在旋轉(zhuǎn)的過程中，渦壓腔內(nèi)的流態(tài)混凝土被不斷地渦壓到周圍土體中，形成負(fù)壓，渦壓腔將不斷的“吞吸”上部的流態(tài)混凝土進(jìn)入腔體。所以，流態(tài)混凝土在鋼套管和渦壓腔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)可認(rèn)為是連續(xù)穩(wěn)定的。

圖4 渦壓腔內(nèi)部混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡

4 結(jié)論

提出并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)驗(yàn)證了“渦壓擠擴(kuò)機(jī)理”，使用自制的擠擴(kuò)環(huán)境箱在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分別對(duì)粘性土和砂性土進(jìn)行了擠擴(kuò)試驗(yàn)，定義了“渦壓擠擴(kuò)機(jī)理”中所用到的擴(kuò)徑比和極限扭矩，結(jié)果表明：通過渦壓擠擴(kuò)方法可使模型樁的直徑擴(kuò)大1倍以上，實(shí)現(xiàn)了擠密土體、增加土體抗剪強(qiáng)度的目的。通過建立混凝土流動(dòng)分析模型，得到混凝土在渦壓腔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖。證實(shí)了渦壓腔內(nèi)混凝土的流動(dòng)趨勢(shì)為混凝土向腔體外渦壓擠擴(kuò)的假設(shè)。隨著對(duì)“渦壓擠擴(kuò)機(jī)理”進(jìn)行更深入的研究，亦可將其應(yīng)用到抗壓樁、抗拔樁、錨桿、泥漿護(hù)壁以及石油鉆井領(lǐng)域的固井方面。

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