D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.06.022 第30卷第6期 北京科技大学学报 Vol.30 No.6 2008年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun·2008 水射流土层扩孔技术及影响因素 马飞) 高国华)王萍辉)王涛)张森) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)天津大学管理学院，天津300072 摘要分析了水射流土层扩孔参数，建立了射流参数与土体参数的关系·通过实验，研究了射流参数和钻杆运动参数对扩 孔效果的影响·结果表明：提高扩孔效果必须增大射流功率，在射流作用力大于土体临界破坏力的条件下，增大射流流量比增 大射流压力更加有效：合理地匹配钻杆运动参数更有利于扩孔效果的提高·工程应用证明，运用水射流扩孔技术制作多环扩 孔型锚杆是可行的，锚杆承载力明显提高 关键词土层；扩孔：水射流：影响因素；射流参数：锚杆 分类号TP69:TU74 Water jet soil reaming technology and its influencing factors MA Fei).GAO Guohua),WA NG Pinghui2).WANG Tao),ZHA NG Miao) 1)School of Civil and Environmental Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Management.Tianjin University.Tianjin 300072.China ABSTRACI Water jet soil reaming parameters were analyzed based on the water jet theory and the soil mechanical theory.Some re- lationships between waterjet parameters and soil parameters were established.The effects of water jet parameters and drill motion pa- rameters on the soil reaming were investigated by an indoor test.The experimental results show that it is necessary to increase water- jet power for enhancing the soil reaming effect.Increasing the water jet flow quantity has more obvious effect on the reaming than in- creasing the water jet pressure while the water jet impact force exceeds the soil critical breaking force.Reasonable matching the rota- tion speed and vertical speed of the drill pipe has more favorable effect on the soil reaming.It is feasible through engineering applica- tion that the water jet soil reaming technology is applied to making multi-ring type anchors in engineering.and the bearing capacity of the anchors is significantly improved. KEY WORDS soil:reaming:water jet;influencing factor:water jet parameters:anchor 水射流土层扩孔是运用水射流技术在普通钻孔 推广应用奠定基础. 成型的基础上沿孔深再形成若干个扩大环的一种特 殊扩孔方法，该扩孔方法多用于空间受限的边坡支 1水射流土层扩孔参数 护和基础加固工程中】.与机械扩孔相比，水射 土体的临界破坏压力与土的渗透性、抗剪强度、 流扩孔具有柔性切割、柔性破碎兼有清洗等多种功 土颗粒粒径的大小以及土的密度等参数有关[山.在 能，克服了机械扩孔中清渣困难、刀具易卡死等难 水射流打击下，土体发生破坏的条件是土体表面所 题，特别适用于含有砾石等杂质的非均匀回填土层· 受的射流作用力必须大于土体的临界破坏压力，由 目前水射流土层扩孔技术还处在探索阶段，工作参 此得到： 数仅凭经验确定，缺乏系统的研究)]，本文从水射 p0=月 d60 -2 2一1 流土层扩孔参数入手，通过实验研究影响水射流土 k do rd (1) 层扩孔的因素，分析提高扩孔效果的措施，为进一步 式中，po为射流出口压力，MPa;为土的抗剪强 收稿日期：2007-04-25修回日期.2007-06-28 度，kPa;dso为土颗粒限定粒径，mm;ra为干土重 基金项目：新世纪优秀人才支持计划资助项目(No·NCET一O7一 度，kNm-3;k为土的渗透系数，ms1;d6o/k为土 0068) 的抗冲蚀强度：do为喷嘴出口直径，m;d为扩孔直 作者简介：马飞(1968一)男教授，博士， E-mail:yeke@ces.ustb-edu-en 径，m;B为实验参数.式(1)为水射流土层扩孔方
水射流土层扩孔技术及影响因素 马 飞1） 高国华1） 王萍辉2） 王 涛1） 张 淼1） 1） 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 2） 天津大学管理学院天津300072 摘 要 分析了水射流土层扩孔参数建立了射流参数与土体参数的关系．通过实验研究了射流参数和钻杆运动参数对扩 孔效果的影响．结果表明：提高扩孔效果必须增大射流功率在射流作用力大于土体临界破坏力的条件下增大射流流量比增 大射流压力更加有效；合理地匹配钻杆运动参数更有利于扩孔效果的提高．工程应用证明运用水射流扩孔技术制作多环扩 孔型锚杆是可行的锚杆承载力明显提高． 关键词 土层；扩孔；水射流；影响因素；射流参数；锚杆 分类号 TP69；TU74 Water jet soil reaming technology and its influencing factors MA Fei 1）GA O Guohua 1）W A NG Pinghui 2）W A NG T ao 1）ZHA NG Miao 1） 1） School of Civil and Environmental EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） School of ManagementTianjin UniversityTianjin300072China ABSTRACT Water jet soil reaming parameters were analyzed based on the water jet theory and the soil mechanical theory．Some relationships between water-jet parameters and soil parameters were established．T he effects of water jet parameters and drill motion parameters on the soil reaming were investigated by an indoor test．T he experimental results show that it is necessary to increase waterjet power for enhancing the soil reaming effect．Increasing the water jet flow quantity has more obvious effect on the reaming than increasing the water jet pressure while the water jet impact force exceeds the soil critical breaking force．Reasonable matching the rotation speed and vertical speed of the drill pipe has more favorable effect on the soil reaming．It is feasible through engineering application that the water jet soil reaming technology is applied to making mult-i ring type anchors in engineeringand the bearing capacity of the anchors is significantly improved． KEY WORDS soil；reaming；water jet；influencing factor；water jet parameters；anchor 收稿日期：2007-04-25 修回日期：2007-06-28 基金项目：新世纪优秀人才支持计划资助项目（No．NCET－07－ 0068） 作者简介：马 飞（1968－）男教授博士 E-mail：yeke＠ces．ustb．edu．cn 水射流土层扩孔是运用水射流技术在普通钻孔 成型的基础上沿孔深再形成若干个扩大环的一种特 殊扩孔方法该扩孔方法多用于空间受限的边坡支 护和基础加固工程中［1－2］．与机械扩孔相比水射 流扩孔具有柔性切割、柔性破碎兼有清洗等多种功 能克服了机械扩孔中清渣困难、刀具易卡死等难 题特别适用于含有砾石等杂质的非均匀回填土层． 目前水射流土层扩孔技术还处在探索阶段工作参 数仅凭经验确定缺乏系统的研究［3］．本文从水射 流土层扩孔参数入手通过实验研究影响水射流土 层扩孔的因素分析提高扩孔效果的措施为进一步 推广应用奠定基础． 1 水射流土层扩孔参数 土体的临界破坏压力与土的渗透性、抗剪强度、 土颗粒粒径的大小以及土的密度等参数有关［4］．在 水射流打击下土体发生破坏的条件是土体表面所 受的射流作用力必须大于土体的临界破坏压力由 此得到： p0＝βsτ2 f d60 k －2 d d0 2 r －1 d （1） 式中p0 为射流出口压力MPa；τf 为土的抗剪强 度kPa；d60为土颗粒限定粒径mm；rd 为干土重 度kN·m －3 ；k 为土的渗透系数m·s －1 ；d60／k 为土 的抗冲蚀强度；d0 为喷嘴出口直径m；d 为扩孔直 径m；βs 为实验参数．式（1）为水射流土层扩孔方 第30卷 第6期 2008年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．6 Jun．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．06．022
.586 北京科技大学学报 第30卷 程.由该式可以看出，水射流土层扩孔参数主要 包括钻杆转速、钻杆提速v1和钻杆提升位移s, 包括射流参数和土体参数，且二者存在内在的联系， 为得到射流参数与扩孔效果的关系，钻杆运动参数 而实验参数月主要与钻杆运动参数有关]. 必须保持常数，其值见表2.高压水由三柱塞高压泵 2射流参数与扩孔效果 组提供，其额定压力为50MPa,流量75Lmin1. 表1土体参数 与水射流土层扩孔效果有关的因素很多，本文 Table 1 Soil parameters 主要研究在土体参数已知的条件下，射流参数、钻杆 ra/(kN'm-3) deo/mm t/kPa k/(nms) 运动参数与扩孔效果的关系.为此，在室内搭建了 16.69 0.0024 78.4 4.3 实验装置，其构造、工作原理和实验方法同文献[5]， 压力和流量是射流的两个基本参数，其大小决 表2钻杆运动参数 定了射流的工作能力·由水射流理论可知，射流参 Table 2 Motion parameters of the drill pipe 数与喷嘴直径满足下列关系[们： n/(r'min) v1/(cm'min s/cm 10 10 30 0=版6、 (2) 2.1压力与扩孔效果 式中，4为喷嘴流量系数，一般取0.950.96. 实验中选定单个喷嘴流量Q=15Lmin,根 式(2)表明，射流压力、射流流量和喷嘴孔径之 据式（②）计算出实验所需的喷嘴直径和对应的射流 间是相互关联的，在研究单一参数与扩孔效果的关 压力，如表3.其中，V为表示射流扩孔效果的冲蚀 系时，必须考虑其他两个参数的影响， 体积可： 实验中选用同一种粉质粘性土，均匀、可塑且饱 和，经土力学实验测得土体参数如表1，并假设实验 v=ind's (3) 过程中土体参数不变，射流扩孔时，钻杆运动参数 式中，s为钻杆提升位移，也是扩孔长度，m, 表3实验数据 Table 3 Experimental data 0=15L'min-1 Po=10 MPa do/mm Po/MPa d/em V/m3 do/mm Q/(L'min-1) d/em V/m3 2.0 3.3 22.3 0.0119 1.0 6.5 19.0 0.0086 1.7 6.3 26.4 0.0165 1.2 9.4 23.1 0.0126 1.5 10.4 29.1 0.0198 1.5 14.7 28.7 0.0194 1.4 13.7 31.7 0.0231 1.8 21.2 35.4 0.0298 1.3 18.5 33.5 0.0254 2.0 26.1 39.2 0.0363 当土体参数和钻杆运动参数一定时，按表3中 0.04 喷嘴直径及对应的射流压力分别进行扩孔实验，得 到相同流量不同压力下射流压力与扩孔效果的关系 复003 曲线，如图1所示. 实验结果表明，在射流流量一定时，冲蚀体积随 射流压力的增大而增大，当压力增大到一定程度 后，单纯增大射流压力对扩孔效果的提高明显减弱， 0.01 工作效率开始降低，另外，从外观上看，当压力增大 2 68101214161820 压力，P/MPa 到一定程度后，成孔形状开始变差，毛刺增多，且形 状也越来越不规则，这些都与因压力增大而孔底残 图1射流压力与扩孔效果关系 留土块的增多有关，直接影响到成孔质量和扩孔 Fig.I Relation between the reaming effect and the water jet pres- 效果 sure
程［5］．由该式可以看出水射流土层扩孔参数主要 包括射流参数和土体参数且二者存在内在的联系 而实验参数 βs 主要与钻杆运动参数有关［5］． 2 射流参数与扩孔效果 与水射流土层扩孔效果有关的因素很多本文 主要研究在土体参数已知的条件下射流参数、钻杆 运动参数与扩孔效果的关系．为此在室内搭建了 实验装置其构造、工作原理和实验方法同文献［5］． 压力和流量是射流的两个基本参数其大小决 定了射流的工作能力．由水射流理论可知射流参 数与喷嘴直径满足下列关系［6］： Q＝μπd 2 0 p0 8ρ （2） 式中μ为喷嘴流量系数一般取0∙95～0∙96． 式（2）表明射流压力、射流流量和喷嘴孔径之 间是相互关联的在研究单一参数与扩孔效果的关 系时必须考虑其他两个参数的影响． 实验中选用同一种粉质粘性土均匀、可塑且饱 和经土力学实验测得土体参数如表1并假设实验 过程中土体参数不变．射流扩孔时钻杆运动参数 包括钻杆转速 n、钻杆提速 v1 和钻杆提升位移 s 为得到射流参数与扩孔效果的关系钻杆运动参数 必须保持常数其值见表2．高压水由三柱塞高压泵 组提供其额定压力为50MPa流量75L·min －1． 表1 土体参数 Table1 Soil parameters rd／（kN·m －3） d60／mm τf／kPa k／（nm·s －1） 16∙69 0∙0024 78∙4 4∙3 表2 钻杆运动参数 Table2 Motion parameters of the drill pipe n／（r·min －1） v1／（cm·min －1） s／cm 10 10 30 2∙1 压力与扩孔效果 实验中选定单个喷嘴流量 Q＝15L·min －1根 据式（2）计算出实验所需的喷嘴直径和对应的射流 压力如表3．其中V 为表示射流扩孔效果的冲蚀 体积［5］： V ＝ 1 4 πd 2 s （3） 式中s 为钻杆提升位移也是扩孔长度m． 表3 实验数据 Table3 Experimental data Q＝15L·min －1 p0＝10MPa d0／mm p0／MPa d／cm V／m 3 d0／mm Q／（L·min －1） d／cm V／m 3 2∙0 3∙3 22∙3 0∙0119 1∙0 6∙5 19∙0 0∙0086 1∙7 6∙3 26∙4 0∙0165 1∙2 9∙4 23∙1 0∙0126 1∙5 10∙4 29∙1 0∙0198 1∙5 14∙7 28∙7 0∙0194 1∙4 13∙7 31∙7 0∙0231 1∙8 21∙2 35∙4 0∙0298 1∙3 18∙5 33∙5 0∙0254 2∙0 26∙1 39∙2 0∙0363 当土体参数和钻杆运动参数一定时按表3中 喷嘴直径及对应的射流压力分别进行扩孔实验得 到相同流量不同压力下射流压力与扩孔效果的关系 曲线如图1所示． 实验结果表明在射流流量一定时冲蚀体积随 射流压力的增大而增大．当压力增大到一定程度 后单纯增大射流压力对扩孔效果的提高明显减弱 工作效率开始降低．另外从外观上看当压力增大 到一定程度后成孔形状开始变差毛刺增多且形 状也越来越不规则这些都与因压力增大而孔底残 留土块的增多有关直接影响到成孔质量和扩孔 效果． 图1 射流压力与扩孔效果关系 Fig．1 Relation between the reaming effect and the water jet pressure ·586· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第6期 马飞等：水射流土层扩孔技术及影响因素 .587 2.2流量与扩孔效果 由水射流理论可知，射流作用力F。可表示 设定射流工作压力为10MPa,根据式(2)计算 为： 出实验所需的喷嘴直径和对应的射流流量，如表3 所示， Fi=Co podi (6) 采用同样的实验方法，在射流压力一定的条件 将式(2)和(5)代入式(6)，可得到F。的另一种 下，由实验可得到射流流量与扩孔效果的关系曲线， 表达形式： 如图2所示 (7) 0.04 式中，C0、C0为实验常数 0.03 由式(4)可看出，增大射流压力p0或射流流量 0.02 Q,等同于增大射流功率，射流的扩孔效果与射 流功率密切相关，即：射流功率增大，则扩孔效果提 0.01 高；射流功率减小，则扩孔效果降低 05 10 152025 如果仅提高某一射流参数，而射流功率N得不 30 流量，Q/(Lmin) 到同步提高，比如提高射流压力p0的同时降低了 射流流量Q,即使N保持不变，由式(T)可知，此时 图2射流流量与扩孔效果关系 射流打击力F。减小，扩孔效果降低，所以，要提高 Fig.2 Relation between the reaming effect and the water jet flow 扩孔效果，必须增大射流功率 由图2可知，相比于压力扩孔，流量扩孔曲线的 增大射流功率有两种途径：一是在流量不减小 梯度明显大于压力扩孔曲线，表明增大流量更有利 的情况下增大射流压力；二是在压力不减小的情况 于扩孔效果的提高，不同于压力扩孔的是扩孔长度 下增大射流流量、，但二者的作用机理不同，扩孔效 随流量的增大基本上保持不变，而且成孔外形质量 果也不同 较好，其原因是在保持射流压力一定的情况下，射流 射流压力主要提供切割、破碎土体的作用力，而 流量的提高，增强了射流的输运能力，使更多的孔底 流量起到冲刷土体、运输废渣的作用，压力的提高 残留土块排出了孔外，因此获得的扩大体不仅较大 加大了对土体的破坏力，增大了射流的射程，从而得 而且质量高. 到更大的扩孔直径，流量的提高增大了射流的作用 2.3射流功率与扩孔效果 面积，使得单位时间内有更多的土体受到了冲蚀，提 以上分析表明：增大射流压力或流量，均能提高 高了打击效率；流量的提高使得射流能够克服更大 扩孔效果，但两者对土体破坏的作用机理存在不同 的阻力，间接地得到更大的射程，提高扩孔直径；另 之处；在射流作用力大于土体临界破坏力的条件下， 外，流量的提高也增强了射流的搬运能力，减少孔底 增大射流流量比增大射流压力对扩孔效果的提高更 残余土块的堆积量，从而获得更大的冲蚀体积.因 加有效. 此，在射流作用力大于土体临界破坏力的条件下，流 为了从理论上加以说明，这里引入射流功率和 量比压力起着更重要的作用 比能两个概念 若从比能角度分析，在同等效果条件下，增大射 定义射流功率为「] 流流量比增大压力耗能要少，比能小，扩孔效率高· N=poQX103 (4) 3钻杆运动与扩孔效果 式中，N为射流（消耗）功率，kW 比能是反映水射流工作效率的物理量，将比能 在射流扩孔过程中，钻杆的运动包括旋转和提 定义为冲蚀单位质量土体所需消耗射流能量的比 升，因而连接在钻杆上的喷嘴所做的运动为螺旋运 值90，即： 动，是旋转与提升的合运动，其速度的大小影响到射 A=品，- 流对某点的持续作用时间 N (5) 若令喷嘴运动速度为，则： 式中，入为射流比能，poQ为射流消耗的功率，△m/△t v=v1十v2 (8) 为单位时间内的冲蚀质量， 式中，y为喷嘴运动速度，ms;v1为钻杆提升速
2∙2 流量与扩孔效果 设定射流工作压力为10MPa根据式（2）计算 出实验所需的喷嘴直径和对应的射流流量如表3 所示． 采用同样的实验方法在射流压力一定的条件 下由实验可得到射流流量与扩孔效果的关系曲线 如图2所示． 图2 射流流量与扩孔效果关系 Fig．2 Relation between the reaming effect and the water jet flow 由图2可知相比于压力扩孔流量扩孔曲线的 梯度明显大于压力扩孔曲线表明增大流量更有利 于扩孔效果的提高．不同于压力扩孔的是扩孔长度 随流量的增大基本上保持不变而且成孔外形质量 较好其原因是在保持射流压力一定的情况下射流 流量的提高增强了射流的输运能力使更多的孔底 残留土块排出了孔外因此获得的扩大体不仅较大 而且质量高． 2∙3 射流功率与扩孔效果 以上分析表明：增大射流压力或流量均能提高 扩孔效果但两者对土体破坏的作用机理存在不同 之处；在射流作用力大于土体临界破坏力的条件下 增大射流流量比增大射流压力对扩孔效果的提高更 加有效． 为了从理论上加以说明这里引入射流功率和 比能两个概念． 定义射流功率为［7］： N＝ p0Q×103 （4） 式中N 为射流（消耗）功率kW． 比能是反映水射流工作效率的物理量将比能 定义为冲蚀单位质量土体所需消耗射流能量的比 值［9－10］即： λ＝ p0Q Δm／Δt ＝ N Δm／Δt （5） 式中λ为射流比能p0Q 为射流消耗的功率Δm／Δt 为单位时间内的冲蚀质量． 由水射流理论可知［5－6］射流作用力 Fb 可表示 为： Fb＝C0 p0d 2 0 d 2 （6） 将式（2）和（5）代入式（6）可得到 Fb 的另一种 表达形式： Fb＝C′0 Q p0 d 2 或 Fb＝C′0 N d 2 p0 （7） 式中C0、C′0 为实验常数． 由式（4）可看出增大射流压力 p0 或射流流量 Q等同于增大射流功率 N射流的扩孔效果与射 流功率密切相关即：射流功率增大则扩孔效果提 高；射流功率减小则扩孔效果降低． 如果仅提高某一射流参数而射流功率 N 得不 到同步提高比如提高射流压力 p0 的同时降低了 射流流量 Q即使 N 保持不变由式（7）可知此时 射流打击力 Fb 减小扩孔效果降低．所以要提高 扩孔效果必须增大射流功率． 增大射流功率有两种途径：一是在流量不减小 的情况下增大射流压力；二是在压力不减小的情况 下增大射流流量．但二者的作用机理不同扩孔效 果也不同． 射流压力主要提供切割、破碎土体的作用力而 流量起到冲刷土体、运输废渣的作用．压力的提高 加大了对土体的破坏力增大了射流的射程从而得 到更大的扩孔直径．流量的提高增大了射流的作用 面积使得单位时间内有更多的土体受到了冲蚀提 高了打击效率；流量的提高使得射流能够克服更大 的阻力间接地得到更大的射程提高扩孔直径；另 外流量的提高也增强了射流的搬运能力减少孔底 残余土块的堆积量从而获得更大的冲蚀体积．因 此在射流作用力大于土体临界破坏力的条件下流 量比压力起着更重要的作用． 若从比能角度分析在同等效果条件下增大射 流流量比增大压力耗能要少比能小扩孔效率高． 3 钻杆运动与扩孔效果 在射流扩孔过程中钻杆的运动包括旋转和提 升因而连接在钻杆上的喷嘴所做的运动为螺旋运 动是旋转与提升的合运动其速度的大小影响到射 流对某点的持续作用时间． 若令喷嘴运动速度为 v则： v＝v1＋v2 （8） 式中v 为喷嘴运动速度m·s －1 ；v1 为钻杆提升速 第6期 马 飞等： 水射流土层扩孔技术及影响因素 ·587·
.588 北京科技大学学报 第30卷 度，ms1;v2为喷嘴所处位置圆周线速度，ms1. 侧设计为连续墙护坡结构，其余三侧均采用土层锚 从提高扩孔直径角度，v1和v2越小越好，这样 杆拉结形式的护坡桩结构，若水射流土层扩孔技术 射流对单位土体的持续作用时间长，但是此时的比 在现场试验成功，则部分土层锚杆将采用水射流多 能较大，射流的工作效率不高，钻杆提升速度1的 环扩孔型锚杆结构，如图4. 大幅降低得到的只是扩孔直径缓慢的增大，却影响 到整个冲蚀体积的提高，因此，如何使射流在比能 较小的范围内工作，又能得到较大的冲蚀体积，这就 扩孔距离 需要合理配置钻杆的转速和提速参数 扩大体间距 图3为钻杆（喷嘴）转动半周时的射流剖面，依 素砼垫层 据黏性流体力学理论8]，射流的扩散角&，=24°，则 D=2Ltan12°，所以 +Q 锚杆孔 扩大体 1=0.85L或=16.24 g (9) 锚固体 Q 锚杆杆筋 式(9)表明最合理的转速与提速之间存在着一 定的内在联系，主要与射流切割深度L和钻杆直径 图4多环扩孔型锚杆结构图 d2有关，从图3中还可看出：最合理提速也是可工 Fig.4 Structure of a multi ring type anchor 作的最大提速：若大于它，则射流剖面将不连续，中 现场试验设计了10m长的锚杆6根，锚杆埋入 间出现间断，在其中的土体将得不到切割破坏，这样 段长度为7m,自由段3m,在这6根锚杆中，2根布 将形成片状的空室，扩孔质量极差，应避免这种情况 置在基坑西侧，4根布置在南侧，1号锚杆不做扩孔， 的发生 2号锚杆有两个扩大环，3号锚杆和4号锚杆有一个 扩大环，5号、6号锚杆有三个扩大环.试验锚杆所 处土层为粉质黏性土，含水量心为21.6%（质量分 孔内壁 数)，干重度ra=16.7kNm-3,限定粒径d6o= 喷嘴{ 0.0024mm,液性指数11=0.27，孔隙比e=0.646, v,个 饱和度S,=91%,抗剪强度=48.5kPa,渗透系数 k=7.34nms-1,压缩系数am-2为0.23MPa1,压 喷嘴 缩模量E,=7.69MPa. 4.1射流工作参数的确定 钻杆中心 由式(1)可知，射流工作参数与土体参数、扩孔 直径d、喷嘴孔径do以及钻杆运动参数有关，试验 图3喷嘴转动半周时的射流剖面 中，选用do=2.0mm的角型空化喷嘴，钻杆运动参 Fig.3 Section of the water jet flow when the nozle turns a half circle 数同表2，此时对应的B为2.27×10，将上述参 在工程实践中，可先在给定射流压力P0和流 数代入式(1)，得到表4工作参数值.本试验设计扩 量Q的情况下，通过模拟实验得到射流切割破坏深 孔直径为500mm,其对应的射流工作压力为 度L(或称扩孔半径)与钻杆转速n的关系曲线，再 18.7MPa,射流流量为71.4Lmin1. 由L、n得到v1,从而确定出合理的转速与提速. 表4扩孔直径与射流工作参数 4工程实例 Table 4 Water jet parameters corresponding to reaming diameter d/mm po/MPa 0/(Lmin 1) 北京某商厦地上12层，地下4层，基坑开挖深 400 12.0 57.2 450 15.2 64.4 度19.9m,由于建设征地面积有限，业主强烈要求 500 18.7 71.4 在有限的空间内获得最大的地下室使用面积，而紧 挨基坑南侧和西侧均有正在使用的商用楼，使该基 4.2水射流多环扩孔型锚杆制作工序 坑的开挖与施工成了一大难题，采用常规的土钉喷 制作工序如下：钻机就位→钻杆、旋转接头、高 锚网支护方法无法满足业主的要求.经充分研究和 压管及泵安装→钻孔（正常钻孔）→扩孔（钻杆退出 论证，决定采用钻孔桩与连续墙护坡技术，即基坑西 时高压水射流扩孔)→插入钢绞线索→压浆→拉拔
度m·s －1 ；v2 为喷嘴所处位置圆周线速度m·s －1． 从提高扩孔直径角度v1 和 v2 越小越好这样 射流对单位土体的持续作用时间长但是此时的比 能较大射流的工作效率不高钻杆提升速度 v1 的 大幅降低得到的只是扩孔直径缓慢的增大却影响 到整个冲蚀体积的提高．因此如何使射流在比能 较小的范围内工作又能得到较大的冲蚀体积这就 需要合理配置钻杆的转速和提速参数． 图3为钻杆（喷嘴）转动半周时的射流剖面．依 据黏性流体力学理论［8］射流的扩散角 αz＝24°则 D＝2Ltan12°所以 v1 n ＝0∙85L 或 v1 v2 ＝16∙24 L dz （9） 式（9）表明最合理的转速与提速之间存在着一 定的内在联系主要与射流切割深度 L 和钻杆直径 dz 有关．从图3中还可看出：最合理提速也是可工 作的最大提速；若大于它则射流剖面将不连续中 间出现间断在其中的土体将得不到切割破坏这样 将形成片状的空室扩孔质量极差应避免这种情况 的发生． 图3 喷嘴转动半周时的射流剖面 Fig．3 Section of the water jet flow when the nozzle turns a half circle 在工程实践中可先在给定射流压力 p0 和流 量 Q 的情况下通过模拟实验得到射流切割破坏深 度 L （或称扩孔半径）与钻杆转速 n 的关系曲线再 由 L、n 得到 v1从而确定出合理的转速与提速． 4 工程实例 北京某商厦地上12层地下4层基坑开挖深 度19∙9m．由于建设征地面积有限业主强烈要求 在有限的空间内获得最大的地下室使用面积而紧 挨基坑南侧和西侧均有正在使用的商用楼使该基 坑的开挖与施工成了一大难题采用常规的土钉喷 锚网支护方法无法满足业主的要求．经充分研究和 论证决定采用钻孔桩与连续墙护坡技术即基坑西 侧设计为连续墙护坡结构其余三侧均采用土层锚 杆拉结形式的护坡桩结构．若水射流土层扩孔技术 在现场试验成功则部分土层锚杆将采用水射流多 环扩孔型锚杆结构如图4． 图4 多环扩孔型锚杆结构图 Fig．4 Structure of a mult-i ring type anchor 现场试验设计了10m 长的锚杆6根锚杆埋入 段长度为7m自由段3m．在这6根锚杆中2根布 置在基坑西侧4根布置在南侧1号锚杆不做扩孔 2号锚杆有两个扩大环3号锚杆和4号锚杆有一个 扩大环5号、6号锚杆有三个扩大环．试验锚杆所 处土层为粉质黏性土含水量 w 为21∙6％（质量分 数）干重度 rd ＝16∙7kN·m －3限定粒径 d60＝ 0∙0024mm液性指数 IL＝0∙27孔隙比 e＝0∙646 饱和度 Sr＝91％抗剪强度τf＝48∙5kPa渗透系数 k＝7∙34nm·s －1压缩系数 a1－2为0∙23MPa －1压 缩模量 Es＝7∙69MPa． 4∙1 射流工作参数的确定 由式（1）可知射流工作参数与土体参数、扩孔 直径 d、喷嘴孔径 d0 以及钻杆运动参数有关．试验 中选用 d0＝2∙0mm 的角型空化喷嘴钻杆运动参 数同表2此时对应的βs 为2∙27×1011［5］将上述参 数代入式（1）得到表4工作参数值．本试验设计扩 孔直 径 为 500mm其 对 应 的 射 流 工 作 压 力 为 18∙7MPa射流流量为71∙4L·min －1． 表4 扩孔直径与射流工作参数 Table4 Water jet parameters corresponding to reaming diameter d／mm p0／MPa Q／（L·min －1） 400 12∙0 57∙2 450 15∙2 64∙4 500 18∙7 71∙4 4∙2 水射流多环扩孔型锚杆制作工序 制作工序如下：钻机就位→钻杆、旋转接头、高 压管及泵安装→钻孔（正常钻孔）→扩孔（钻杆退出 时高压水射流扩孔）→插入钢绞线索→压浆→拉拔 ·588· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第6期 马飞等：水射流土层扩孔技术及影响因素 .589 试验， 响，结果表明：要提高扩孔效果，必须增大射流功 4.3试验结果 率；在射流作用力大于土体临界破坏力的条件下，增 水射流多环扩孔型锚杆制作完成后，采用1MN 大射流流量比增大射流压力对扩孔效果的提高更加 穿心千斤顶和高压电动油泵进行拉拔试验，检验试 有效. 验锚杆的极限承载力，拉拔时，逐级增加载荷，初始 (2)钻杆运动参数对扩孔效果有影响，但它们 载荷为30kN,每级增加30kN,在每一级加载过程 之间存在着合理的匹配关系， 中，当抗拔位移量超过前一级位移量的2倍即认为 (3)现场试验表明，运用水射流扩孔技术制作 锚杆破坏，其极限载荷取前一级的载荷量，6根锚 多环扩孔型锚杆是可行的，大大提高了锚杆的极限 杆的试验载荷与位移关系如图5所示. 承载力 360 参考文献 270 [1]Cheng L K.Fan JL.Han J.et al.Ground Anchorage.Beijing: China Architecture Building Press,2002 (程良奎，范景伦，韩军，等。岩土错固.北京：中国建筑工业出 6 180 ×1号锚杆 版社，2002) ▲2号锚杆 ?3号锚杆 [2]Liu H B.Zhang J,Liu X F.Study of application of reaming an- ◆4号锚杆 chor bar hoped with multi-rings in foundation shoring.Archit 90 米5号锚杆 ●一6号锚杆 Technol,.2000,31(2).91 (刘洪斌，张军，刘晓峰。多环扩孔型锚杆在基坑支护工程中的 30 60 90 应用研究.建筑技术，2000,31(2)：91) 位移，s/mm [3]Liang Y P.Sun D L,Dong G F.Research on bore hole enlarging technology with high water jet.Coal Sci Technol.2001.29 图5试验荷载与位移关系 (10):28 Fig.5 Relationship between the test load and the displacement (梁运培，孙东玲，董钢锋.高压水射流扩孔技术的研究，煤炭 从图5可以看出，当荷载加至150kN时，1号 科学技术，2001,29(10)：28) 锚杆发生了破坏，故其极限承载力为120kN.2号 [4]Du J H.Li F S,Wang J.et al.A study on soil breaking mecha- nism of rotary jet grouting and application of geotechnical engi- 锚杆带两个扩大环，在荷载为270kN时，未发生破 neering.Geol Praspect,1997.33(2):48 坏，但其位移增量几乎达到了破坏的极限值，因而其 (杜嘉鸿，李范山，王杰，等.旋喷注浆破土机理研究及岩土工 极限承载力应为270kN,3号、4号锚杆带有一个扩 程应用，地质与勘探，1997,33(2)：48) 大环，在荷载增至270kN时已发生了破坏，所以其 [5]Ma F.Zhang W M.Equation of soil bore enlarging with sub- 极限承载力为240kN.5号、6号锚杆带有三个扩大 merged water jet.JUniv Sci Technol Beijing.2005.27(3):268 (马飞，张文明，淹没水射流土层扩孔方程.北京科技大学学 环，在所有试验锚杆中它们的环数最多，从拉拔结果 报，2005,27(3)：268) 看，其极限承载力至少300kN,是所有锚杆中承载 [6]Shen Z H.Theory and Technology of Water let.Dongying:Chi- 力最大的.与1号普通锚杆相比，具有一个扩大环 na University of Petroleum Press,1998 的扩大头型锚杆比等长的普通锚杆的极限承载力提 (沈忠厚.水射流理论与技术.东营：石油大学出版社，1998) [7]Chen Y F.The theoretical analysis of beat efficiency of high pres- 高60%；拥有二个环锚杆的极限承载力比等长的普 sure water jet.Cleaning World.2006,22(10):32 通锚杆的极限承载力提高约80%，带有三个环锚杆 (陈玉凡·高压水射流打击效率理论分析，清洗世界，2006,22 的极限承载力比等长的普通锚杆的极限承载力至少 (10):32) 提高100%. [8]Chwang AT,Dong Z N.Viscous Fluid Mechanics.Beijing:Ts- 通过现场对比试验可以看出，运用水射流扩孔 inghua University Press,1999 (章梓雄，董曾南·黏性流体力学。北京：清华大学出版社， 技术制作多环扩孔型锚杆是可行的，该类锚杆在不 1999) 加长或无法加长锚固段的情况下，具有很高的极限 [9]Vijay MM,Zou C.Hu S G.et al.A study of the practicality of 承载力，比较适用于空间受限的边坡支护和基础加 cavitating water jet//Proceedings of the 11th International Sym- 固工程中，各参数之间的合理匹配关系仍需进一步 posium on let Cuting Technology.St.Andrews,1992:75 研究 [10]Jiang Y C.Ning Y L.Hu S G.Calculation and experimental comparison for conical nozzles in submerged cavitating water jet 5结论 JUniv Shanghai Sci Technol.1999.21(4):212 (蒋彧澄，宁原林，胡寿根.淹没水射流锥形喷嘴的计算分析 (1)通过实验分析了射流参数对扩孔效果的影 与试验比较.上海理工大学学报，1999,21(4)：212)
试验． 4∙3 试验结果 水射流多环扩孔型锚杆制作完成后采用1MN 穿心千斤顶和高压电动油泵进行拉拔试验检验试 验锚杆的极限承载力．拉拔时逐级增加载荷初始 载荷为30kN每级增加30kN．在每一级加载过程 中当抗拔位移量超过前一级位移量的2倍即认为 锚杆破坏其极限载荷取前一级的载荷量．6根锚 杆的试验载荷与位移关系如图5所示． 图5 试验荷载与位移关系 Fig．5 Relationship between the test load and the displacement 从图5可以看出当荷载加至150kN 时1号 锚杆发生了破坏故其极限承载力为120kN．2号 锚杆带两个扩大环在荷载为270kN 时未发生破 坏但其位移增量几乎达到了破坏的极限值因而其 极限承载力应为270kN．3号、4号锚杆带有一个扩 大环在荷载增至270kN 时已发生了破坏所以其 极限承载力为240kN．5号、6号锚杆带有三个扩大 环在所有试验锚杆中它们的环数最多从拉拔结果 看其极限承载力至少300kN是所有锚杆中承载 力最大的．与1号普通锚杆相比具有一个扩大环 的扩大头型锚杆比等长的普通锚杆的极限承载力提 高60％；拥有二个环锚杆的极限承载力比等长的普 通锚杆的极限承载力提高约80％带有三个环锚杆 的极限承载力比等长的普通锚杆的极限承载力至少 提高100％． 通过现场对比试验可以看出运用水射流扩孔 技术制作多环扩孔型锚杆是可行的该类锚杆在不 加长或无法加长锚固段的情况下具有很高的极限 承载力比较适用于空间受限的边坡支护和基础加 固工程中．各参数之间的合理匹配关系仍需进一步 研究． 5 结论 （1） 通过实验分析了射流参数对扩孔效果的影 响．结果表明：要提高扩孔效果必须增大射流功 率；在射流作用力大于土体临界破坏力的条件下增 大射流流量比增大射流压力对扩孔效果的提高更加 有效． （2） 钻杆运动参数对扩孔效果有影响但它们 之间存在着合理的匹配关系． （3） 现场试验表明运用水射流扩孔技术制作 多环扩孔型锚杆是可行的大大提高了锚杆的极限 承载力． 参 考 文 献 ［1］ Cheng L KFan J LHan Jet al．Ground A nchorage．Beijing： China Architecture ＆ Building Press2002 （程良奎范景伦韩军等．岩土锚固．北京：中国建筑工业出 版社2002） ［2］ Liu H BZhang JLiu X F．Study of application of reaming anchor bar hoped with mult-i rings in foundation shoring． A rchit Technol200031（2）：91 （刘洪斌张军刘晓峰．多环扩孔型锚杆在基坑支护工程中的 应用研究．建筑技术200031（2）：91） ［3］ Liang Y PSun D LDong G F．Research on bore hole enlarging technology with high water jet． Coal Sci Technol200129 （10）：28 （梁运培孙东玲董钢锋．高压水射流扩孔技术的研究．煤炭 科学技术200129（10）：28） ［4］ Du J HLi F SWang Jet al．A study on soil breaking mechanism of rotary jet grouting and application of geotechnical engineering．Geol Prospect199733（2）：48 （杜嘉鸿李范山王杰等．旋喷注浆破土机理研究及岩土工 程应用．地质与勘探199733（2）：48） ［5］ Ma FZhang W M．Equation of soil bore enlarging with submerged water jet．J Univ Sci Technol Beijing200527（3）：268 （马飞张文明．淹没水射流土层扩孔方程．北京科技大学学 报200527（3）：268） ［6］ Shen Z H．Theory and Technology of Water Jet．Dongying：China University of Petroleum Press1998 （沈忠厚．水射流理论与技术．东营：石油大学出版社1998） ［7］ Chen Y F．The theoretical analysis of beat efficiency of high pressure water-jet．Cleaning World200622（10）：32 （陈玉凡．高压水射流打击效率理论分析．清洗世界200622 （10）：32） ［8］ Chwang A TDong Z N．V iscous Fluid Mechanics．Beijing：Tsinghua University Press1999 （章梓雄董曾南．黏性流体力学．北京：清华大学出版社 1999） ［9］ Vijay M MZou CHu S Get al．A study of the practicality of cavitating water jet∥ Proceedings of the11th International Symposium on Jet Cutting Technology．St．Andrews1992：75 ［10］ Jiang Y CNing Y LHu S G．Calculation and experimental comparison for conical nozzles in submerged cavitating water jet． J Univ Shanghai Sci Technol199921（4）：212 （蒋 澄宁原林胡寿根．淹没水射流锥形喷嘴的计算分析 与试验比较．上海理工大学学报199921（4）：212） 第6期 马 飞等： 水射流土层扩孔技术及影响因素 ·589·