淹没水射流土层扩孔方程

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2005.03.00M 第27卷第3期 北京科技大学学报 Vol.27 No.3 2005年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2005 淹没水射流土层扩孔方程 马飞张文明 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要运用水射流理论与土力学理论，建立了水射流士层扩孔方程.基于室内模拟实验， 研究了射流参数与扩孔效果的关系，并验证了水射流土层扩孔方程的正确性，结果表明，增 大射流流量比增大其压力对扩孔效果的提高更有效，实验参数，主要与扩孔时钻杆的运动 有关， 关键词淹没水射流：扩孔：方程：土层 分类号TP69:TU74 土层锚杆技术已广泛应用于巷道支护、深基 过渡段：它是一个很短的混合段，流动情况 础加固、边坡稳定、结构抗倾等岩土工程中四.普 极为复杂，在分析及计算中通常忽略不计， 通圆柱型土层锚杆是应用最早且使用最广泛的 主体段：也称完全发展段，速度相似段，在该 一种，比较适用于硬土层，对于软土层或要求锚 段中沿轴心线各横截面上的时均速度剖面出现 固力高的土层，锚固力往往达不到设计要求，水 了一定的相似性，均呈钟形分布，其大小随射流 射流土层扩孔技术是在土层中制作变径扩孔型 断面的扩展逐渐减小以保持总动量的不变 锚杆，该类锚杆在不加长或无法加长锚固段的情 N 况下，具有很高的极限承载力，特别适用于抗剪 强度低、压缩性高、透水性小的软粘性土层.水 射流土层扩孔是一项新技术，本文依托室内模拟 射流层 实验对其进行深入研究， 1淹没水射流几何结构特性 核心区混合层 淹没水射流是指具有一·定能量的水介质从 起始段 过渡段主体段从 喷嘴高速射入另一相对静止的水介质中流动的 图1淹没水射流几何结构 现象，其结构如图1所示3)】.根据流动的形态可 Fig.1 Geometry of submerged water jet 将淹没射流划分为三个区段：起始段、过渡段和 主体段是射流的主要工作区，其中，b为射流 主体段 的半宽度，也称射流边界层厚度：b2为半厚度， 起始段：从喷嘴出口到核心区末端的一段区 域.BCA所包围的区域称为核心区，其内各点的 表示流速4，等于轴心最大流速4，的12处的r 值.b和b2是表征射流特性的重要物理量. 速度大小、方向均相同，即等于喷嘴出口的速度 ,故该区又称等速核.核心区的边界BCA称为 2水射流对土体表面的作用力 射流内边界，BW与AM称为射流外边界，射流的 内边界和外边界之间的区域即为混合层，也称剪 图2为射流打击土体表面的情形，射流打击 切层或边界层，在其内存在速度梯度，因而产生 前的动量为pQu,打击后的动量为Qucosp.根据 雷诺应力. 动量定理，水射流作用在土体表面上的总作用 收稿日期：2005-03-15修回日期：2005-05-24 力F为： 作者简介：马飞(1968一.男，副教授

第2 7 卷 第 3 期 2 0 0 5 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f U n iv e r s ity o f S e i e . e e a n d Te c h n o lO gy B e ij in g V b l . 2 7 N o . 3 J u n . 2 0 0 5 淹没水射流土层扩孔方程 马 飞 张 文 明 北 京科技 大学土 木与环 境 工 程 学院 , 北 京 10 0 0 83 摘 要 运 用水 射流 理论与 土 力 学理论 , 建立 了水射流 土 层扩 孔方程 . 基 于 室 内模 拟实验 , 研 究 了射流参 数与扩 孔效 果 的关 系 , 并验证 了水射流 土层 扩孔方 程 的正 确性 . 结果表 明 , 增 大射流 流量 比 增大其 压 力对扩孔 效果 的提高 更有效 , 实验参 数 八主要 与扩孔 时钻杆 的运 动 有关 . 关键 词 淹没 水射 流 : 扩孔 ; 方程 ; 土层 分类号 T P 6 9 ; T LJ 7 4 土层 锚杆 技术 己广 泛应用 于巷 道支 护 、 深基 础 加 固 、 边坡 稳 定 、 结 构抗 倾等 岩土 工 程 中「1] . 普 通 圆 柱 型土 层锚 杆 是应 用 最 早且 使 用最 广泛 的 一种 , 比较适用 于 硬土 层 , 对 于软 土层 或要 求锚 固力 高的土 层 , 锚 固力往往 达 不到 设计要 求 . 水 射流 土层 扩 孔技 术 是在 土 层 中制 作 变径 扩 孔 型 锚 杆 , 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 , 特 别适 用于 抗剪 强度低 、 压缩 性 高 、 透 水性 小 的软粘 性 土 层修1 . 水 射 流土层 扩孔 是一项 新技 术 , 本 文依 托室 内模拟 实验对 其进 行深 入研 究 . 过渡段 : 它是 一个 很短 的混 合段 , 流动情 况 极 为 复杂 , 在分 析及 计算 中通 常 忽略 不计 . 主体段 : 也称完 全发展 段 , 速度 相似 段 . 在该 段 中 沿轴 心线 各 横截 面 上 的 时均速 度 剖 面 出现 了一定 的相 似性 , 均 呈 钟形 分布 , 其 大 小随射 流 断 面 的扩展 逐渐 减小 以保 持 总动 量 的不变 . 1 淹 没水射 流几 何 结构 特 性 淹 没水 射 流 是指 具 有 一 定 能量 的水 介质 从 喷嘴 高速 射 入另 一 相对 静 止 的水 介质 中流动 的 现 象 , 其 结构 如 图 1 所 示 [3] . 根 据 流动 的形 态 可 将淹 没 射流 划分 为三 个 区 段 : 起 始段 、 过渡 段和 主 体段 . 起 始 段 : 从喷 嘴 出 口 到核 心 区末端 的一 段 区 域 . B CA 所包 围的 区 域称 为核 心 区 , 其 内各 点 的 速度 大 小 、 方 向均 相 同 , 即等于 喷 嘴 出 口 的速 度 “ 。 , 故该 区又 称等 速核 . 核心 区 的边 界 B CA 称 为 射 流 内边 界 , 刀N 与 AM 称 为射流 外 边界 , 射 流 的 内边 界和外 边 界之 间的区 域 即为混 合层 , 也称 剪 切 层或边 界 层 , 在其 内存 在速 度 梯度 , 因而产 生 雷 诺应 力 . 收稿 日期 : 2 0 0 5一3 一 15 修 回 日期 : 2 0 0 5一 5 一 2 4 作者 简介 : 马飞 ( 19 6 8一) , 男 , 副教授 起始段 过渡段 盆 主 体段 图 1 淹没 水射流 几 何结 构 F ig · I G 即m . t叮 o f s u b m e r g e d w a t e r j e t 主体段 是射 流 的主要 工 作 区 . 其 中 , b为射 流 的半 宽度 , 也称 射流 边 界层 厚度 ; b 2/ 为 半厚度 , 表 示 流速 ux 等 于 轴心 最 大 流速 ux ~ 的 1/ 2 处 的尸 值 . b 和 b 2/ 是表 征射 流特 性 的重要 物理 量 . 2 水射 流对 土 体 表面 的作 用 力 图 2 为射 流打 击土 体表 面 的情 形 , 射 流打 击 前 的动 量为p Q u , 打 击后 的动 量 为p Qcu os p . 根 据 动量 定 理 `叼 , 水 射 流作用 在 土体 表面 上 的总作 用 力 F 为 : DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 03. 004

Vol.27 No.3 马飞等：淹没水射流士层扩孔方程 ·269· 有关，而且还与土体参数有关.土体的临界破坏 压力是由土体本身参数惟一确定的，在射流扩孔 过程中，体现为一种抵抗力.本文直接引用东北 大学教授杜嘉鸿等人的观点和研究成果间.他们 认为，土体在射流作用下的临界破坏压力F与土 的渗透性、土颗粒粒径的大小以及土的密度等参 数有关，即： =a伦a (8) 图2水射流对土体表面的作用 式中，B为一常数，B=1.8×10；t为土的抗剪强 Fig.2 Water jet impact form on soil surface 度，kPa;do为土颗粒限定粒径，mm;ra为干土重 F=pOu(1-cosp) (1) 度，kNm3;k为土的渗透系数，ms;dk为土的 式中，p为水的密度，kgm:为射流流量，ms; 抗冲蚀强度.式（⑧）是由实验研究而得到的经验 4为射流流速，ms':p为射流冲击土体表面后离 公式，只与土体本身性质有关. 开土体表面的角度，°. 3.2射流扩孔方程 若令J=pQu,则 在射流打击下，土体发生破坏的必要条件是 F=八1-cosp) (2) 土体表面所受的射流作用力大于土体的临界破 在淹没射流流动过程中，由于周围环境流体 坏压力，故令 中的压强保持不变，因此在射流各断面上的压强 F=Fe (9) 均相同，等于周围环境流体的压强.在这种条件 由此得到： 下，射流的总动量J在沿程的各个断面上保持常 n=R)品} (10) 量，且等于射流源初始总动量，即： 式中，d为喷嘴出口直径，m:d为扩孔直径，d2x, J=πR6p46=2npR (3) m:B为实验参数，B.=1C 式中，4w为喷嘴出口速度，ms':p为喷嘴出口压 式(10)即为水射流土层扩孔方程.该式建立 强，Pa:R,为喷嘴出口半径，m. 了射流参数与土体参数之间的联系，当给定土体 将式(3)代入式(2)，得： 参数、喷嘴直径和扩孔直径，即可求出射流扩孔 F=2π(1-coso)p,R腊 (4) 所需的最小系统压力， 若将射流半宽度b范围内的作用力记作Fb, 且忽略射流打击过程中的变化，可证明F,与F 4实验装置及实验方法 具有线性关系，即： F=CpoRi (5) 41室内模拟实验装置 其中，C为一常数.再将F除以作用面积S,得到 为了验证射流土层扩孔方程的正确性，分析 单位面积上的平均作用力，即： 射流参数与扩孔效果的关系，确定式(10)中实验 R=令--c (6) 参数B,在室内建立了模拟实验装置，其结构如 式中，C=C/m.由里夏特实验结果b/-0.1696,从 图3所示.来自高压泵组的高压水经转换接头进 而有 入钻杆，并由安装在钻杆上的两喷嘴射出，形成 瓦=C路 两束具有高能量的射流.油缸推动钻杆进退，皮 (7) 带轮带动钻杆旋转，并分别由变量泵和变量油马 式中，C。为实验常数：x为射流打击射程，m. 达控制其速度，钻孔时，钻杆边推进边旋转，钻孔 半宽度范围内的平均作用力F对分析射流 完成后进行扩孔.扩孔时，将钻头推进至所需深 扩孔效果和确定射流破土临界力具有重要意义， 度，然后打开高压节止阀，提供高压水.此时两喷 3水射流土层扩孔方程 嘴在钻杆的带动下形成旋转射流，进行环状扩 孔.与此同时向外提升钻杆，提升距离即为环状 31土体临界破坏压力 扩孔的厚度，而所扩环状孔的直径则与土体和射 在射流打击下，土体的破坏不仅与射流参数 流的参数等因素有关

Vb l.2 7 N 0 . 3 马飞 等 : 淹 没水射 流土 层扩 孔方 程 一 2 6 9 - 才 卫~ 止三三三一二二 有关 , 而 且 还 与土 体参 数有 关 . 土 体 的 临界破 坏 压 力是 由土 体本 身参数 惟 一确 定的 , 在射 流扩 孔 过 程 中 , 体现 为 一种 抵抗 力 . 本 文 直接 引用 东 北 大 学教 授杜 嘉 鸿等 人 的观 点和 研 究成 果 `51 . 他 们 认 为 , 土 体在 射流 作用 下的 临界破 坏压 力凡 与 土 的渗 透性 、 土 颗粒 粒径 的大 小 以及 土 的密度 等参 数有 关 , 即 : 一 2 叮 ’ ( 8 ) 图 2 水 射流对 土体 表面 的作 用 F ig . Z W血t e r j e t im P a e t fo r m 0 . 5 0 11 s u far e e F = 户Q u ( l 一 e o s 沪) ( l ) 式 中 , p 为水 的密度 , 掩 · m 一 , ; Q 为射流 流量 , m · s 一 ’ ; u 为射 流 流速 , m · s 一 , ; p 为 射 流冲 击土 体表 面 后离 开 土体 表面 的角 度 , “ . 若 令 J = P Q u , 则 F = j( l 一 e o s 势) (2 ) 在 淹没 射 流流 动过 程 中 , 由于周 围环 境流 体 中 的压 强保 持 不变 , 因此 在射 流各 断面 上 的压 强 均 相 同 , 等 于周 围环 境 流体 的 压强 . 在 这种 条 件 下 , 射流 的总动 量 J 在 沿 程 的各个 断 面上 保持 常 量 , 且等 于射 流 源初 始 总动 量 , 即 : J = 兀 R若户u 若二 2兀尸。 R若 (3 ) 式 中 , u 。 为喷 嘴 出 口 速 度 , m · s 一 , ; P 。 为 喷嘴 出 口 压 强 , M P a ; R 。 为喷 嘴 出 口 半径 , m . 将式 (3) 代 入式 (2 ) , 得 : F = 2 7t ( 1一 c o s 沪)P 。 R后 (4) 若将 射 流半 宽度 b 范 围内 的作用 力记 作 bF , 且 忽 略射 流打 击 过程 中毋 的变 化 , 可证 明凡与 F 具有 线性 关 系 , 即 : 凡 = C 尸。 R若 ( 5) 其 中 , C 为一 常数 . 再 将凡 除 以作 用 面积凡 , 得 到 单位 面积 上 的平 均作 用 力 , 即 : 只 一 李 一 尽 一 c 召弊孟 J b 兀 D Z D - (6 ) 式 中 , c ` = 口兀 . 由里夏 特 实验 结 果 bx/ = 0 . 169 6 , 从 而有 、 一 c0 嗜 (7 ) 式 中 , 0C 为 实验 常数 ; x 为 射流 打击 射程 , m . 半 宽 度 范 围 内的 平均 作 用 力瓦 对 分 析 射 流 扩 孔 效果和 确定射 流破 土 临界 力具 有重要 意义 . 3 水射 流 土 层 扩 孔 方程 1 1 土 体 临界 破坏 压 力 在射 流 打击下 , 土体 的破 坏不 仅 与射流 参数 式 中 渭 为 一 常 数 渭 = 1 . x8 l0 13 汤 为 土 的 抗 剪 强 度 , kP a ; 民 。 为土 颗粒 限 定粒 径 , ~ ; 八 为干土 重 度 , 州 · m 一 , ; k 为土 的渗透 系数 , m · s 一 ` ; 而k/ 为土 的 抗 冲蚀 强度 . 式 ( 8) 是 由实验研 究 而得 到 的经 验 公式 , 只 与 土体 本身性质 有 关 . .3 2 射流 扩 孔方 程 在射 流 打击 下 , 土体 发生 破坏 的必 要条 件 是 土 体表 面 所 受 的射 流 作用 力大 于 土体 的临 界破 坏 压力 , 故令 虱 = cF , ( 9 ) 由此 得 到 : 。 了 而 、 一丫 d 、 _ 一 1 , , m p 。 一 戊瞬}刹 }言J ` ’ ( , o ) 式 中 , d0 为喷 嘴 出 口 直 径 , m ; d 为扩 孔直 径 , =d xZ , m ; 从为 实验 参数 , 八= 例OC . 式 ( 10) 即为水 射流 土层 扩 孔 方程 . 该 式建 立 了射流 参数 与土 体参 数之 间 的联 系 , 当给 定土 体 参 数 、 喷嘴 直径 和扩 孔 直径 , 即可 求 出射 流扩 孔 所 需 的最 小 系统 压力 . 4 实验 装 置 及 实 验 方法 .4 1 室 内模 拟实 验装 置 为 了验证 射 流土 层扩 孔方 程 的正确 性 , 分析 射 流参 数 与扩 孔效 果 的关 系 , 确 定 式 ( 10) 中实验 参 数几 , 在 室 内建立 了模 拟 实验 装 置 , 其 结构如 图 3 所 示 . 来 自高 压泵 组 的高压 水 经转换 接 头进 入钻 杆 , 并 由安装 在钻 杆 上 的两 喷嘴射 出 , 形成 两 束具 有 高能 量 的射流 . 油缸 推 动钻 杆进 退 , 皮 带轮 带动 钻杆 旋转 , 并 分别 由变量 泵和 变量 油 马 达控制 其速 度 . 钻孔 时 , 钻杆边 推进 边旋 转 , 钻孔 完成 后 进行 扩孔 . 扩孔 时 , 将 钻 头推 进至 所 需深 度 , 然后 打开 高压节 止 阀 , 提供 高压 水 . 此 时两喷 嘴在 钻 杆 的 带动 下 形成 旋 转射流 , 进行 环 状 扩 孔 . 与 此 同时 向外提 升 钻杆 , 提 升距 离 即为环 状 扩 孔 的厚度 , 而所扩 环状 孔 的直径 则与 土体和 射 流 的参数 等 因素 有关

·270* 北京科技大学学报 2005年第3期 76☑> 高压泵组 油缸 托盘 滑架 图3室内模拟实验装置 提升方向 Fig.3 Structure of a device for indoor simulation test 4.2实验方法 图4扩孔形状 水射流扩孔时，被冲蚀下来的大部分土体与 Fig.4 Outline of an enlarged bore 射流回水形成了泥浆，排出了孔外，无法精确计 量.为了定量分析扩孔效果，采用了间接计量方 5射流参数与扩孔效果 法，即以所扩环状孔体积大小来衡量扩孔效果. 具体测量方式是：当扩孔完成后，用石膏水浇注， 5.1压力与扩孔效果 待石膏凝固成型后取出，然后测量其尺寸，如图 由水射流理论可知，射流参数与喷嘴直径满 4所示，d为所扩环状孔直径，s为所扩环状孔厚 足下列关系： 度，其体积V即为所扩环状孔的大小，此外，该方 卫=xG影 (12) 法还能够观察到成孔的形状和质量. 式中，p为喷嘴流速系数，一般取0.97-0.98 v-axds (11) 实验中选定单个喷嘴流量=l5Lmin',根 在射流扩孔时，每次钻杆的提升位移都定为 据式(12)计算出实验所需的喷嘴直径和对应的射 30cm,以便于比较射流的扩孔效果.钻杆转速为 流压力，如表1， 10rmin',提速为l0 cm.min.高压水由三柱塞 当土体参数、扩孔厚度和射流流量一定时， 高压泵组提供，其额定压力为50MPa,流量 由式(10(12)可推导出V与p的关系，即 L.min'. V=CIVpo (13) 表1由实验数据计算的B值 Table 1 Calculated B,values for experimental data 相同流量不同压力下(15L~min) 相同压力不同流量下(10MPa) de/mm po/MPa dicm 月./10 d山/mm Q/MPa d/cm B/10 20 3.3 22.3 2.24 1.0 6.5 19.0 2.34 L.7 6.3 26.4 2.21 1.2 9.4 23.1 2.28 1.5 10.4 29.1 2.34 1.5 14.7 287 2.31 1.4 13.7 31.7 2.26 1.8 21.2 35.4 2.19 13 18.5 33.5 2.35 2.0 26.1 39.2 2.20 式中，V为冲蚀体积，m:C,为与土体参数、扩孔厚 0.03 度、射流流量以及B,有关的常数.按表1中喷嘴直 径及对应的射流压力分别进行扩孔实验，得到相 同流量不同压力下的扩孔效果，其结果见图5. 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，其曲线走势基本与 0.01 1 468101214161820 式(13)相吻合，当压力增大到一定程度后，单纯增 压力，m/MPa 大射流压力对扩孔效果的提高明显减弱，工作效 图5射流压力与扩孔效果 率开始降低.扩孔厚度随压力的增大有减小趋 Fig.5 Effect of bore enlarging under different water jet pressures 势.另外，从外观上看，当压力增大到一定程度 5.2流量与扩孔效果 后，石膏形状开始变差，毛刺增多，且形状也越来 设定射流工作压力为10MPa,根据式(I2)计 越不规则，这些都与因压力增大而孔底残留土块 算出实验所需的喷嘴直径和对应的射流流量，如 的增多有关，直接影响到成孔质量和扩孔效果. 表1

一 2 7 0 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 5 年 第 3 期 图 3 室 内模 拟实验 装 t F ig . 3 S t r o c t u 代 o f a d e v i e e fo r i n d o o r s im u l a 6 o n t e s t .4 2 实验 方法 水 射流扩 孔 时 , 被冲蚀 下 来 的 大部 分土体 与 射流 回水 形成 了泥 浆 , 排 出 了孔外 , 无法精 确 计 量 . 为 了定 量分 析扩 孔效 果 , 采用 了间接 计量 方 法 , 即 以所 扩环 状 孔体积 大 小来 衡量 扩孔 效 果 . 具体 测量方 式是 : 当扩 孔完成 后 , 用 石 膏水浇注 , 待 石 膏凝 固 成型 后 取 出 , 然 后测 量其 尺寸 , 如 图 4 所 示 , d 为所 扩环 状孔 直径 , ` 为所 扩环 状孔 厚 度 , 其体 积 V 即为所扩 环状 孔 的大小 . 此外 , 该方 法 还能够 观 察到 成孔 的形 状和 质量 `61 . 图 4 扩孔形 状 F ig . 4 o u til . e o f a n e n l a r g e d b o 代 5 射 流参数 与扩 孔效 果 .5 1 压 力与扩 孔效 果 由水射 流理 论可 知 , 射 流 参数 与喷 嘴直径 满 足下 列 关系“ , : 。 一 , 1· ; 僵 ( ` 2 ) v 一 静 , , ( 1 1) 在射流 扩孔 时 , 每 次钻杆 的提 升位 移都 定 为 3 0 c m , 以便于 比较 射流 的扩 孔效 果 , 钻 杆转速 为 10 r · m i n 一 , , 提速 为 10 e m · m i n 一 , . 高压 水 由三柱 塞 高 压 泵 组 提 供 , 其 额 定 压 力 为 50 M P a , 流 量 L · m i n ’ _ 式 中 , 沪, 为喷嘴 流速 系 数 , 一般 取 .0 97 一 .0 98 . 实验 中选定 单 个喷 嘴流 量 Q 二 巧 L m i n 一 , , 根 据式 ( 12) 计 算 出实验所 需的喷 嘴直径 和对应 的射 流压 力 , 如 表 1 . 当土体 参数 、 扩 孔 厚度 和射 流流 量 一定 时 , 由式( 10 卜( 12) 可推 导 出 V与P 。 的关系 , 即 F = e l 寸万) ( 13 ) 表 1 由实 验数据 计算 的尽值 aT b l e 1 C a l e u l a t e d 尽 v a l u e s fo r e x P e ir m e n t a l d a t a 相 同 流 量 不同压 力下 (l S L m i n 一 ’ ) 相 同压 力 不同 流量 下 ( 10 M P a ) 端 / m m P 。 / M P a d / e m 尽/ 10 ,` 瑞 / nu Q / M P a d / e m 尽/ 10 , , J 峥0 弓. ù , j ù1, l e, 八勺八曰 . … 气`勺ù `,` 2 八U 1 7 . 42 … n 、, J 0ùIQ ù 勺`二、,l j 、 3 3 2 2 3 2 2 4 1 、 0 6 万 6 3 2 6 4 2 2 1 1 , 2 9 4 nU内z . 、乙 l 1 , 5 10 4 2 9 . 1 1 . 4 13 7 3 1 7 2 . 26 2 . 3 5 式中 , V 为冲 蚀体 积 , m , ; C 、 为与 土体 参数 、 扩 孔 厚 度 、 射 流流量 以及 刀 ,有 关的常 数 . 按表 l 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 的扩 孔效 果 , 其结 果 见 图 5 . 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 , 其 曲线走 势基 本与 式( 13) 相吻合 . 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 . 扩 孔 厚度 随压 力 的增 大 有 减 小趋 势 . 另外 , 从 外观 上看 , 当 压 力增 大 到一 定程度 后 , 石 膏形状 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 . 日 这 彩 0 . 0 2 耸 攀 凭 0 . o l L一 ~ 习一 - - -土 - - - - - 上一 一 J - - - - - 上 - 一人 J 一一一 一 L一 一一』 2 4 6 8 10 1 2 14 16 1 8 2 0 压 力 , P 。 / M P a 图 5 射流压 力与扩孔效 果 F ig · 5 E fe c t o f b 。代 e n l a r ig . g u n d e r d i们阮代n t w a t e r j e t P代s s u re s .5 2 流量 与扩 孔效 果 设 定射 流工 作压 力为 10 M P a , 根据 式 ( 12 ) 计 - 算 出实验 所需 的喷 嘴直 径和 对应 的射 流流 量 , 如 表 1

Vol.27 No.3 马飞等：淹没水射流土层扩孔方程 271 同理，当土体参数、扩孔厚度和射流压力 土力学实验测得其主要参数为r=16.69kNm, 定时，可导出V与Q的关系，即 d=0.0024mm,t=78.4kPa,k=4.3×10-°ms.将 V=C22 (14) 土体参数和表1实验数据代入式(10)，可得到不 式中，C为与土体参数、扩孔厚度、射流压力以及 同工况下的B值，也列于表1中. B有关的常数. 由表1可知，在钻杆转速为10rmin,提速为 实验结果由图6看出，相比于压力扩孔，流量 10 cm.min的扩孔条件下，B.的平均值为2.27× 扩孔曲线的梯度明显大于压力扩孔曲线，表明增 10,且B与射流参数P,Q无关.可通过实验证明 大流量更有利于扩孔效果的提高.其曲线基本上 B.主要与钻杆的转速和提速有关， 是线性的，与式(14)相符，证明了扩孔方程的正 确性，扩孔厚度随流量的增大基本上保持不变， 6结论 不同于压力扩孔，且成孔外形质量较好：其原因 (1)建立了水射流土层扩孔方程，并通过室内 是在保持射流压力一定的情况下，射流流量的提 模拟实验验证了该方程的正确性， 高，增强了射流的输运能力，使更多的孔底残留 (2)通过实验分析了射流参数与扩孔效果的 土块排出了孔外，因此获得的扩大体不仅较大而 关系，获得了增大射流流量比增大射流压力对扩 且质量高， 孔效果的提高更加有效的结果 0.04 (3)实验参数R与射流参数P,Q无关，主要与 扩孔时钻杆的运动有关， 参考文献 0.02 [1]程良奎，范景伦，韩军，等.岩土锚固，北京：中国建筑工业 是 出版社，2002 [2】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，2000,31(2)：91 0.00 [3]章梓雄，董曾南.粘性流体力学.北京：清华大学出版社， 5 10 15 20 25 30 1999 流量，Q/L~min [4]孙家骏.水射流切割技术。徐州：中国矿业大学出版社， 图6射流流量与扩孔效果 1992 Fig.6 Effect of bore enlarging with different water jet flows [】李范山，杜嘉鸿，施小博，等，射流破土机理研究及其工程 应用，流体机械，1997,25(2)：26 53实验参数B,的确定 [6]马飞，张文明，张卫钢，等，水射流技术在多环扩孔中的 实验土体为粉质粘土，均匀、可塑、饱和，经 应用及试验研究.金属矿山，2000(7)：3 Equation of soil bore enlarging with submerged water jet and experimental study MA Fei,ZHANG Wenming Civil and Environmental Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The equation of soil bore enlarging with water jet was established based on the water jet theory and soil mechanical theory.Through indoor simulation test,the relationship between water jet parameters and bore- enlarging effect was studied.The results showed that the equation of soil bore enlarging with water jet is correct. Increasing the water jet flow quantity has more obvious effect on bore enlarging than increasing the water jet pres- sure.The experimental parameter B.is mainly related to the lifting speed and the rotational speed of the drill pipe. KEY WORDS submerged water jet;bore enlarging;equation;soil

从】 12 N . 7 0 . 马飞 等 3 : 淹 没水射 流土 层扩 孔方 程 一 2 1 7 - 同理 , 当土 体参 数 、 扩 孔厚 度和 射流 压 力一 定 时 , 可 导 出 V 与 Q 的关 系 , 即 V = G Q ( 14 ) 式 中 , G 为与 土体 参数 、 扩 孔厚度 、 射 流压 力 以及 从 有 关 的常数 . 实验 结果 由 图6 看 出 , 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 . 其 曲线基 本上 是线 性 的 , 与式 ( 14 ) 相 符 , 证 明 了扩 孔方 程 的正 确 性 . 扩 孔 厚度 随流量 的增 大 基本 上保 持 不变 , 不 同于压 力扩 孔 , 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 . 0 , 04 厂~ 一 一 — ~ 一 — ~ — — - 一一一一 — - 土 力 学 实 验 测 得 其 主 要 参 数 为八= 16 . 69 kN · m 一 , , 风 。 = 0 . 0 0 2 4 m m , rt = 7 8 . 4沙 a , k = 4 . 3 x l 0 一 , m · s 一 ’ . 将 土体 参 数和 表 1 实验 数据 代 入式 ( 10 ) , 可得 到不 同工 况 下 的八值 , 也列 于表 1 中 . 由表 1 可知 , 在 钻杆转 速 为 10 r · m i n 一 , , 提速 为 I O c m · m in 一 ’ 的扩 孔 条 件 下 , 从 的平 均 值 为 .2 27 、 ’l0 ’ , 且八 与射 流参 数p 。 , Q无 关 . 可通 过 实验 证 明 从 主要 与钻 杆 的转速 和 提速 有 关 . 飞 二 霎 。 . 02 爱 灸 0 . 0 0 七es 一一一~ - - - - 占 - -一一一 5 10 15 2 0 2 5 3 0 流量 , Q / L · m i n 一 , 图 6 射 流流 量与扩 孔效果 iF .g ` E月兔e t o f b o 碑 e n al 嗜 n g 喇比 d i fe 碑. t w a 加r j e t n o挑 .5 3 实验 参数戊 的确定 实验 土 体为 粉质 粘 土 , 均匀 、 可 塑 、 饱 和 , 经 6 结 论 ( l) 建立 了水射 流土 层扩孔 方程 , 并 通过 室 内 模拟 实验 验 证 了该方 程 的正 确性 . ( 2) 通 过 实验 分 析 了射 流 参 数 与扩 孔 效 果 的 关 系 , 获得 了增 大射流 流量 比增 大射流 压 力对扩 孔 效果 的提 高更加 有 效 的结果 . (3) 实验 参数从与射 流 参数p 。 , Q无 关 , 主要 与 扩孔 时钻 杆 的运 动有 关 . 参 考 文 献 【1 程 良奎 , 范景伦 , 韩 军 , 等 . 岩土 锚 固 . 北京 : 中 国建筑工 业 出 版社 , 2 0 0 2 2[] 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 , 2 0 0 , 3 1( 2) : 91 3[ ] 章梓雄 , 董 曾南 . 粘 性流 体力学 北 京 : 清 华大学 出版社 , 19 9 9 4[ 」 孙 家骏 . 水 射流切 割技术 , 徐 州 : 中国矿 业大学 出版社 , 19 9 2 砖] 李 范 山 , 杜嘉鸿 , 施 小博 , 等 . 射流破 土 机 理研究 及其工 程 应用 . 流体 机械 , 19 9 7 , 2 5 (2 ) : 2 6 16 ] 马飞 , 张文 明 , 张 卫 钢 , 等 . 水 射流 技术在 多环扩 孔 中的 应 用及 试验研 究 . 金属矿 山 , 2 0 0 0 (7) : 3 E q u at i o n o f 5 0 11 b o r e e n l agr i n g w iht s ub m e gr e d w at e r j e t an d e xP e r im e n t a l s tu dy 五更刁eF i , Z 厅」刃G 肠 n 脚 ign C i v il an d nE v ior mn e ant l E n g i n e e r in g S c h o o l , U n i v ers ity o f s e i e n e e an d eT e hn o l o留 B e ij i n g , B e ij i n g l 0 0 0 8 3 , C h i n a A B S T R A C T hT e e q u a tl o n o f s o il b o re e n 1 a gr i n g w iht w at e r j e t w as e s tab li s h e d b as e d o n ht e w at er j e t ht e o ry an d 5 0 11 m e e h ian e a l ht e o ry . T hr o u g h i n d o o r s而 u lat i o n t e s t , ht e r e l at i o n s h i P b e wt e e n w at e r j e t P amr e t e r s an d b o r e - e n l a r g in g e fe e t w a s s ut d i e d . hT e r e s u lt s s h o w e d ht at t h e e qu at i o n o f 50 11 b o r e e n l agr ign iw ht w at er j e t 1 5 e o er e t . nI e er as i n g ht e w at e r j e t fl o w q u ant i yt h a s m o er o b v i o u s e fe e t o n b o r e e n l agr i n g t h an i n e r e as 1 n g ht e w at e r j e t P r e s - s ur e . hT e e xP e ir m e nt a l P ar am e t e r 八 1 5 m ia n l y r e l at e d t o ht e l i ft i n g s P e e d an d th e or t at i o an l s P e e d o f th e 面 11 P IP e . K E Y W O R D S s ub m e gr e d w at e r j et ; b o r e e n l a r g i n g ; e q aut i o n : 5 0 11