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岩土研究院

高压喷射流对土体的作用

336 2022-03-14 10:10:35

高压喷射流冲切破坏土体的作用,随着土的物理力学性质和喷射环境的不同而不同,在数量上有较大的差别。喷射流破坏土的机理比较复杂,目前在理论上尚未充分探明,但可以透视旋喷的现象,分析出破坏土体的主要作用。

高压喷射注浆时,高压喷射流集中和连续地作用在土体上,其高压喷射破坏土体的机理可分解为喷流动压、喷射流的脉动负荷、水块的冲击力、空穴现象、水楔效应、挤压力和气流搅动等7种作用力,如图10.2.8所示。

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1.喷流动压

高压喷射流冲击土体时,由于能量高度集中冲击一个很小的区域,因而在这个区域内及其周围的土体和土结构的组织之间受到很大的压应力作用,当这些外力超过土颗粒结构的破坏临界数值,土体便受到破坏。

喷射流的流速与破坏力的关系∶

高压喷射法对土体的切割主要是高速的喷射流。而喷射流的破坏力 F可用下式表示

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可见,当P和A 为定值时,破坏力与流速的平方成正比。如果要获得大的破坏力,则需要通过高的压力产生大的流速,这也是高压喷射法通常要求保持 20MPa 以上压力的原因,这样的压力就使射流像刚体一样,冲击破坏土体,使土与浆液搅拌混合,凝固成圆柱状的固结体。压力越大。流速越大,则被坏力越大。切割、搅拌土体的范围也增加。固结体的体积也越大。

2.喷射流的脉动负荷

当喷射流不停地以脉冲式冲击土体时,土粒表面受到脉动负荷的影响,逐渐积累起残余变形,使土粒失掉平衡,从而促使了土的破坏。

3.水块的冲击力

由于喷射流断续地冲击土体,产生冲击力,促进破坏的进一步发展。4.空穴现象

当土体没有被射出孔洞时,喷射流冲击土体以冲击面上的大气压力为基础,产生压力变动.在压力差大的部位产生孔洞,呈现出类似空穴的现象,如图10.2.9所示。冲击面上的土体被气泡的破坏力所腐蚀,使冲击面破坏。此外,在空穴中,由于喷射流的激烈紊流,也会把较软弱的土体掏空,造成空穴扩大,使更多的土粒遭受破坏。

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5.水楔效应

当喷射流充满土层时,由于喷射流的反作用力,产生水楔。喷射流在垂直喷射流轴线的方向上,楔入土体的裂隙或薄弱部分中,这时喷射流的动压变为静压,使土发生剥落加宽裂隙。

6.挤压力

喷射流在终期区域,能量衰减很大,不能直接冲击土体使土粒剥落,但能对有效射程的边界土产生挤压力,对四周土有压密作用.并使部分浆液进入土粒之间的空隙里,使固结体与四周土紧密相依,不产生脱离现象。

7.气流搅动

在使用水(浆)和气同轴复合喷射时,空气流具有将已被水(浆)的高压喷射流破坏的土体,从土的表面迅速吹散的作用,使高压喷射流的喷射条件得以改善。喷射作用得以保持,阻力得以减小。能量消耗得以降低。因而高压喷射流的破坏能力得到增强.形成的旋喷固结体的直径较大。从图10.2.5也可以看出,高速空气具有防止水(浆)射流动压急剧衰减的作用。

上述7种作用力在喷射流的冲击点上同时产生作用,并使高压喷射流高能、高速集中和连续地作用于土体上,压应力和冲蚀等多种因素总是同时密集在压应力区域内发生效应。当这些外力超过土体结构的临界值后,土体便遭到破坏,由整体变成松散状,随着喷射流的连续冲切和移动,土体破坏的深度和范围不断扩大。