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一位科技爱好者的喜悦与彷徨

 王国义 2023-04-09 发布于河北
        作为一名喜爱技术的人,尤其是喜爱盾构技术的人,从技术岗位到管理岗位,最终又认为技术更适合自己,回到主要以技术为主的岗位,有获得原创技术的喜悦与自豪感,也有现有社会并不太适合纯技术工作者的社会现象导致的彷徨。无论如何,追求技术,获得原创技术会带来喜悦,彷徨只存在偶尔。
        带来喜悦的原创技术主要有:
        一、盾构方面
        1、刮刀刀座保护刀的全球推广

        下图是全国乃至全球第一次使用刮刀刀座保护刀的刀盘。由于成都砂卵石地层的特殊性,不仅磨刀刃也磨损刀体和刀座。2009年第一次设计了镶嵌硬质合金块的刮刀刀座保护刀,有效保护了刮刀刀座,现已经推广至大部分的盾构机刀盘上。虽然,没有盾构生产厂家给专利费,但确实得到了全面推广。

刮刀刀座保护刀
        2、砂卵石地层盾构到达与始发处大管棚的应用
        砂卵石地层盾构始发与到达端由于车站长时间降水,地层中的部分砂被抽走,导致地层松散。盾构始发或到达时,刀盘的振动造成对地层扰动,由于振动会造成松散地层重组、密实,导致地表上方塌陷。2010年在成都地铁2号线一期红色村站首次采用始发端拱顶120度打设108mm直径大管棚,管与管之间中心距300mm,能够有效隔离振动与地层超挖。大管棚设计已全面应用于成都地铁施工中。
        3、通用渣土改良技术
        首次提出土压平衡盾构理想渣土应达到适当内摩擦角、低渗透率、高抗水分散性和高保水率的塑性状态。同时,泡沫+低浓度聚丙烯酰胺水溶液综合渣土改良技术能够达到理想渣土状态,达到即不容易喷涌也不容易结泥饼的效果。
砂卵石与泥岩复合地层渣土改良效果
        4、中盾注泥的应用
        由于现有盾构刀盘开挖直径大于盾体直径,隧道开挖面与盾体之间存在间隙。软弱地层(如漂卵石地层、淤泥质地层等)中,盾体上方间隙易造成地表沉降;盾构掘进时同步浆液、地下水沿间隙前窜,导致注浆量流失,管片注浆不饱满,掘进过程易喷涌;同步浆液窜流至盾体,导致盾体被凝固的浆液包裹等。受到克泥效工艺启发,创新设计强制搅拌设备,提出随着盾构掘进,同步在中盾周围注入塑性泥,解决由于盾构设计缺陷带来的难题。
中盾注泥填充示意图

中盾注泥设备

强制搅拌的泥

        5、同步注塑性双液浆

        现今常用的同步单液浆对管片浮力较大,向上浮力远大于管片自重等向下作用力,导致管片姿态超限,管片错台、破损与渗漏水。现常用方法是在盾尾后几环管片外部注水泥水玻璃浆防管片上浮,虽有一定效果但管片上浮现象无法有效避免。有的在盾尾注浆管处单液浆加入水玻璃,导致注浆管经常堵塞,无法全面推广。

        首次创新采用常规单液浆为A液,聚丙烯酰胺水溶液为B液的双液浆,在盾尾注浆管前混合,浆液由流体增稠为塑性体,管片所受浆液浮力大大降低,使用效果良好。

A液泵
B液泵‍‍‍‍
混合管‍‍‍‍
        从下图可以看出,注单液浆管片垂直姿态由盾尾处的-66mm上浮至脱出盾尾处的+44mm,上浮量达110mm;注塑性双液浆管片垂直姿态由盾尾处的-35mm上浮至脱出盾尾后的-15mm,上浮量只有20mm。说明注双液浆的上浮量远低于注单液浆。
注单液浆管片偏差
注双液浆管片偏差
        6、带压换刀压力可低于水头压力
        盾构带压开仓是土仓内的气体压力与原状土的水土压力相平衡,中间支撑介质是泥膜。原状土地层有一定的成拱性,当土骨架不需要平衡(也就是土骨架完全成拱),同时原地层孔隙水通过土骨架传递至泥膜的作用力为0时,土仓内的气体压力只需要与原状土中的孔隙水压力相平衡(见下图)。由于原状土给水度小于1,气体作用面积大于孔隙水通道面积,气体作用在泥膜上的力理论上等于孔隙水作用在孔隙水通道面积上的力就可以了。因此理论上带压开仓气体压力可小于孔隙水压力。这种现象在实际实用中是有许多案例的。当然,建立泥膜过程中为了保证泥浆向地层充分渗透,建立泥膜压力至少要大于地层孔隙水压力。下图只是截面示意图,泥膜外侧孔隙水通道是在整个截面范围内均匀布置的。
交界面示意图
        二、岩土方面
        1、首次提出岩土截面面积上自由水面积占比

  饱和土截面主要由土骨架面积和自由水面积两部分组成。为了准确区分这两部分面积,引入土的给水度参数。给水度(μ)定义:饱和的土壤或岩层在重力作用下排出的水量与土壤或岩层体积的比值。饱和均质土每个截面的自由水面积相同,自由水体积就是所有自由水面积的叠加(见下图)。推导出饱和土截面中自由水面积与总面积比值为μ

饱和土土骨架与自由水分开示意图

2、地下建筑浮力计算优化

地下建筑所受自由水浮力是通过饱和土自由水通道和饱和土中土颗粒两部分面积经混凝土垫层传递到建筑物底板。

地下建筑浮力示意图

如果将混凝土垫层重力忽略不计,地下建筑所受浮力为:

注意:地下建筑所受浮力主要与底板下的给水度有关,取底板下的地层最大给水度值。

3、达西定律的优化

由于饱和土过水面积为μA,根据达西定律可优化单位时间流量Q:

4、渗透力的优化

按照自由水面积为μA并考虑渗流方向重新推导渗透力公式。

饱和土渗流条件下截面示意图

优化后的渗透力公式为:

5、水土侧压力统一计算

通过引入岩土给水度,优化的竖直应力计算公式为:

但计算基坑静止侧压力时,土骨架面积上基坑侧是无孔隙水压的(见下图),基坑外侧的孔隙水作用力是无内侧孔隙水作用力平衡的,那么基坑侧的支撑力需额外增加作用力平衡基坑内侧土骨架面积上所承受的孔隙水作用力的传递力。

基坑侧土颗粒力平衡示意图

从而得到水土侧压力统一计算公式为:

对于传递系数k如何确定需进一步探讨。水土侧压力统一计算肯定是正确的,但如何精确计算还需进一步研究与探讨。

5、有效应力的优化

笔者认为有效应力应该是截面上土颗粒所承受作用力在总截面上的平均应力。

优化的有效应力计算公式为:

6、朗肯土压力计算公式的优化

如下图所示,微小单元土体,主动土压力()是指挡土墙在墙后土体作用下向前发生移动,致使墙后填土的应力达到极限平衡状态时,墙后土体施于墙背上的土压力。微小单元土体,被动土压力()是指挡土墙在某种外力作用下向后发生移动而推挤填土,致使墙后土体的应力达到极限平衡状态时,填土施于墙背上的土压力。微小单元土体,静止土压力()是指挡土墙不发生任何方向的位移,墙后土体施于墙背上的土压力。

当挡土墙所受外力小于静止土压力()时,挡土墙在墙后土体作用下向前开始发生移动,静止土压力()是挡土墙水平向不发生移动的最大平衡压力。因此,水平向发生移动,最大主应力()为,最小主应力()为。当挡土墙所受外力大于静止土压力()并逐渐增大时,挡土墙在外力作用下向后发生移动而推挤填土,填土水平向发生变形,当水平向作用压力产生的侧压力大于自重应力时土体开始竖直向上产生变形。当土压力值达到时竖直向上变形达到极限平衡状态。由于假设土在各个方向都呈相同各向异性,那么水平向作用压力产生的侧压力等于自重应力时水平向作用压力为,此作用压力是填土竖直向不发生向上移动的最小平衡压力。因此,竖直向发生移动,最大主应力()为,最小主应力()为

土单元应力状态

7、优化了主动、被动状态应力圆并提出了平衡应力圆

朗肯主动、被动状态应力圆如下图:

优化的主动、被动与平衡应力圆如下图:

 以上盾构方面与岩土方面的技术都与以前技术有所不同,如果被大众所接受,必将推动技术的进步。

 彷徨是什么?中国现处于发展中国家,行政与技术无法分开,行政职务事务性事情太多,不可能有时间去研究技术,只是听别人说,技术无法达到顶级。一个只干技术,岗位级别不高,谁都能指使你,你哪有时间去研究原创技术,这也是现阶段很多人不是在本职岗位上研究技术而是想方设法从事管理岗位的原因。即能研究喜爱的技术又能不被他人呼来唤去,还能完成自己的本职工作,这是笔者一直追求的目标,也是彷徨之所在。

无论是喜悦还是彷徨,在人生长河中只是一瞬,好也好,坏也罢,评论在后人。

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