[发明专利]基于泡沫与土颗粒相互作用的泡沫改良土渗透性预测方法

说明书

本发明公开了一种基于泡沫与土颗粒相互作用的泡沫改良土渗透性预测方法,基于泡沫改良土中泡沫与土颗粒的相互作用(即土颗粒对于泡沫有效渗流通道数量的影响)，利用纯泡沫渗流理论，并将流体在泡沫改良土孔道中渗流的考虑为泊肃叶流动，建立了一种泡沫改良土充分改良条件下的渗透系数预测方法。由于土和泡沫均为粒径高度不均一的颗粒集合体，选取其各自的有效粒径d₁₀作为其在渗透系数计算过程中的有效粒径。本专利可为盾构隧道施工过程中泡沫改良砂性渣土渗透性的预测提供科学方法，同时对不同级配砂性地层的泡沫改良参数选取提供指导，从而有效规避盾构在富水地层中掘进喷涌的风险。

技术领域

本发明属于盾构隧道工程施工技术领域，尤其涉及一种基于泡沫改良土渗透性预测方法。

背景技术

盾构掘进过程中要求产生的渣土具有良好的流塑性、较好的抗渗性、合适的可压缩性、较低的粘附性及较小的内摩擦角。其中渣土抗渗性的保证是盾构安全掘进的关键因素，如果渣土抗渗性改良不到位，极易诱发螺旋输送机喷涌，产生较大的渗透力，不利于掌子面的稳定，并引起地表沉降甚至失稳，因此在盾构掘进过程中需要通过渣土改良在盾构前方形成一道饼状的“不透水层”。常见的渣土改良剂有泡沫、膨润土泥浆和高分子聚合物，由于价格低廉、制备简便等优点，泡沫在渣土改良中应用最广。

然而，由于泡沫自身的不稳定性，泡沫改良土的渗透性实际上表现为一定地时变性，即在渗透初期泡沫改良土的渗透系数在较低水平稳定一段时间，其后渗透系数随时间逐渐增长，并最终趋于稳定。因此，为防止盾构掘进过程中喷涌的出现，泡沫改良土的渗透系数应维持在10^-6～10^-5m/s以下。众多学者对于泡沫改良土的渗透性进行了探究。泡沫改良土的基本组成为土与用于对其进行改良的泡沫，其中土的粒径大小对改良土渗透性有重要影响。泡沫对砂性土的渗透性改良效果较好，对于粉土和卵石土改良效果较差。

目前对于泡沫改良土渗透性的研究绝大多数停留在试验结果的定性分析阶，Bezuijen et al(A Decade of Progress.GeoDelft 1995-2005(pp.41-47))将Blake-Kozeny方程引入泡沫改良土渗透性的计算，但其假定条件具有局限性，且在泡沫改良土改良孔隙率较小时预测误差较大，因此截至目前鲜有关于泡沫改良土渗透系数有效计算理论的研究成果。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种过程简单、逻辑清晰、实用性高的一种基于泡沫与土颗粒相互作用的泡沫改良土渗透性预测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于泡沫与土颗粒相互作用的泡沫改良土渗透性预测方法，包括如下步骤：

步骤1：计算泡沫体系中柏拉图通道界面当量直径D

步骤2：依据步骤1得到的柏拉图通道界面当量直径D，计算泡沫体系中单柏拉图通道的流量q

步骤3：计算泡沫改良土有效渗流通道数量

其中，泡沫改良土中总的有效渗流通道数量s采用如下公式进行计算：

其中：d_10,s为土颗粒的有效粒径，d_10,f为泡沫的有效粒径，p 为泡沫改良土的孔隙度，S为泡沫改良土土样横截面积；

步骤4：根据步骤2和步骤3得到的流量q和有效渗流通道数量s，得到泡沫改良土渗透系数的表达式：

k＝AB

式中：为土中有效渗流通道的总面积(sW)占整个泡沫改良土截面积(S)的比例；为泡沫中单柏拉图通道的平均渗透系数；β表示泡沫相对土颗粒的细度；γ为水的重度；μ为水的动力粘度；i为渗流的水力梯度，W为单柏拉图通道截面积。