高壓噴射注漿法加固地基的作用機理

1、高壓噴射注漿法加固地基的作用機理本文首先簡介了旋噴樁加固地基的基本概念，旋噴樁在地基加固應用中的優(yōu)點。 進而探討了旋噴漿液在土中的噴射形態(tài)、噴射流構(gòu)造，以及高壓旋噴成樁機理。 詳細的分析了旋噴漿液在土中的硬化機理。最后，對旋噴注漿法的可靠性進行了 探討?？傊?，使用優(yōu)質(zhì)的注漿材料和采用恰當噴射技術(shù)參數(shù)以及合理的設計方案， 旋噴樁復合地基就能取得良好的加固地基的效果。引言高壓噴射注漿法是在注漿法的基礎上，應用高壓噴射技術(shù)而發(fā)展起來的一項新的 地基加固方法，于1970年始于日本。它是利用工程鉆機鉆孔作為導孔，將帶有 特殊噴嘴的噴射管插入設計處理深度后，用高壓脈沖泵等高壓發(fā)生裝置，使?jié){液 或水以204

2、0MPa的高壓流從噴嘴中噴出，沖擊切割土體。當能量大、速度快、 呈脈動狀的噴射流的動壓超過土體結(jié)構(gòu)強度時，土粒便從土體上剝落下來。一部 分細小的土粒被噴射的漿液所置換，隨著液流被帶到土面上（俗稱冒漿）。其余的 土粒與漿液攪拌混合，并按一定的漿土比例和質(zhì)量大小有規(guī)律的重新排列。待漿 液凝固后，便在土中形成一固結(jié)體，固結(jié)體的形狀與噴射流移動方向有關(guān)。高壓旋噴注漿法適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)粘土，粘性土、粉土、黃土、砂土、人 工填土等地基。當土中含有較多的大粒徑塊石、堅硬粘性土、大量植物根莖或有 過多的用機質(zhì)時，應根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果確定其使用程度。旋噴樁加固技術(shù)的優(yōu)點（1）由于將水泥土與原地基軟土就地攪拌

3、混合，因而可最大限度地利用原土；（2）對周圍原有建筑的影響較??；（3）可按照不同的地基土的性質(zhì)及工程設計要求，合理選擇，設計比較靈活；（4）施工設備簡單，管理方便，施工時無振動，無污染，可在密集的建筑群中 進行施工，而且料源廣闊，價格低廉；（5）土體加固后重度變化不大，粘性土固結(jié)體比原狀土輕約10%，但砂類土固 結(jié)體可能比原狀土重10%左右，基本上輕于或接近原狀土的容量，較小的產(chǎn)生附 加沉降；（6）透氣透水性差，固結(jié)體內(nèi)雖有一定的孔隙，但這些孔隙并不貫通，為封密 型，而且固結(jié)體有一層較致密的硬殼，其滲透系數(shù)相當高，具有一定的防滲功能；（7）固結(jié)強度高，單樁承載力較高；（8）與鋼筋商品混凝土樁基

4、比，節(jié)省了大量的鋼材，降低了造價；根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的需要，可靈活采取垂直噴射或傾斜噴射或水平噴射，使之 形成柱狀、壁狀、塊狀等加固形式。水射流破土機理分析3.1影響水射流破土效果的因素。水氣同軸噴射時，高壓水射流破碎土體的效果 與水射流出口壓力、噴射速度、噴嘴直徑、噴嘴形狀等因素有關(guān)；與空氣射流的 速度、方向及流量大小等因素有關(guān)；與被破碎土體的密度、顆粒大小及級配、抗 剪強度等因素有關(guān)。隨著噴射壓力增加，有效噴射距離增大，但噴射流的流量對水射流壓力有較大影 響。水射流出口速度增加，所攜帶的能量增大，破土效果提高?？諝馍淞鞯乃俣?越大，高壓水射流速度的衰減越小，空氣射流的流量增加，水射流的擴散減小，

5、 射流有效距離增大，可取得較好的破土效果，因而成樁直徑增大。3.2水射流對土體的破壞作用。水射流破土效果，隨土介質(zhì)的物理力學性質(zhì)不同 而變化。當噴射初始時，被破壞土體處于三向受壓狀態(tài)，在水射流沖擊點表而， 土體被水射流沖壓產(chǎn)生凹陷變形。射流作用在土體表而時，將產(chǎn)生兩種作用力：一是在距噴嘴較近處，射流作用而 積很小，壓力遠遠大于土體的自重應力，因而在土體中少產(chǎn)生個剪切力；一是在 距噴嘴較遠處，射流壓力不能使土體發(fā)生破壞，但可壓密土體并將部分射流液體 擠入土體中，因而在土體中產(chǎn)生個擠壓力。對于無粘性土，滲透作用占主導地位； 對于粘性土，壓密起主要作用。當水射流移動進入土顆粒之間時，土體因被切割而破

6、壞。由于土質(zhì)的不均勻性， 水射流首先進入大孔隙中產(chǎn)生側(cè)向擠壓力，以裂隙為邊界大塊土體被沖刷下來， 翻滾到射流壓力較小處而停止。因此該處射流壓力較小土塊不會再發(fā)生破壞，這 就是噴射樁體內(nèi)存在塊狀土的原因。高壓旋噴樁成樁機理由于高壓噴射流是高能高速集中和連續(xù)地作用于土體上，壓應力和沖蝕等多種因 素總是同時密集在壓應力區(qū)域內(nèi)發(fā)生效應。因此，噴射流具有沖擊切割破壞土體 并使?jié){液與土攪拌混合的功能。單管噴射注漿使用漿液作為噴射流；一重管噴射注漿也以漿液作為噴射流，但在 其外周裹著一圈空氣流形成復合噴射流；三重管噴射法注漿，以水氣為復合噴射 流并注漿填空；多重管噴射注漿的高壓水射流把土沖空以漿液填充。以上

7、四種注 漿法所使用的漿液都隨時間增長而逐漸凝固硬化。固結(jié)體的形狀與噴嘴移動的方向及持續(xù)噴射的時間有著密切的關(guān)系。當噴嘴一面 旋轉(zhuǎn)和提升時，便形成圓柱狀或異型圓柱狀固結(jié)體；當噴嘴一面噴射一面提升時，便形成壁狀固結(jié)體。大礫石和腐硝土的旋噴固結(jié)機理有別于砂類土和粘性土。在大礫石中，噴射流因 礫石的體大量重，不能切割顆?；蛘呤蛊湟苿雍椭匦屡帕?，噴射流只能通過其空 隙，充滿周圍的空隙。鑒于噴嘴的旋轉(zhuǎn)能使噴射流保持一定的方向性，漿液向四 周擠壓，其機理接近于所謂的滲透理論的機理，因而形成圓柱形加固的地基。對 于腐硝土層，旋噴固結(jié)體的形狀及它的性質(zhì)，受植物纖維的粗細長短，含水量及 土顆粒多少的影響很大。對纖

8、維細短的腐硝土旋噴時，完全和在粘性土中的旋噴 機理相同。然而對纖維粗長且數(shù)量多的腐硝土旋噴時，由于纖維質(zhì)富有彈性，切 削是困難的。但由于其孔隙較多，噴射流仍可穿過纖維體，形成圓柱形固結(jié)體。 但在纖維質(zhì)多而密的部位，漿液相對較少，固結(jié)體的均勻性較差。定噴時，高壓噴射灌漿的噴嘴不旋轉(zhuǎn)，只作水平的固定方向噴射，噴嘴逐漸向上 提升，便在土中沖成一條溝槽，并把漿液灌進槽中。從土體上沖落下來的土粒， 一部分隨著水流與氣流被帶出地而，其余的顆粒與漿液攪拌混合，最后形成個板 狀固結(jié)體。固結(jié)體在砂質(zhì)土中有一部分滲透層，但在粘性土則沒有。旋噴漿液在土中的硬化機理高壓噴射所采用的硬化劑主要是水泥，并在其中增添防治沉

9、淀或加速凝固的外加 劑。旋噴固結(jié)體是一種特殊的水泥一一土骨架結(jié)構(gòu)，水泥土的水反應要比純水泥 漿復雜的多。由于水泥土是一種空間不均勻材料，在高壓旋噴攪拌過程中，水泥和土混合在一 起，土顆粒間被水泥漿所填滿。水泥水化后在土顆粒的周圍形成各種水化物的結(jié) 晶，它們不斷生長，特別是鈣磯石的針狀結(jié)晶，很快的生長交織在一起，形成空 間的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，土體被分隔包圍在這些水泥的骨架中。隨著土體的不斷被擠密， 自由水也不斷減少，甚至消失，形成了一種特殊的水泥土骨架結(jié)構(gòu)。固結(jié)體強度 隨時間增長的機理可分別從水泥的水化硬化作用、水泥-土空間結(jié)構(gòu)的形成、以 及水泥與土之間的長期物理化學變化等方面加以解釋。水泥中四種基本礦

10、物熟料 分別與水發(fā)生化學反應，生成一系列結(jié)晶，隨時間增長結(jié)晶過程不斷趨于完整， 這些結(jié)晶是水泥石強度的主要來源。水泥的加入已從根本上改變了土體結(jié)構(gòu)，水 泥包裹在土顆粒表面，并把它們粘在一起形成整體。在短時間內(nèi)，土粒周圍充滿 了水泥凝膠體。隨時間增長，水泥凝膠體結(jié)晶，并逐漸充滿土體的空隙，土體與 水泥形成特殊的水泥-土骨架結(jié)構(gòu)，土的強度也隨之得以改善。水泥凝膠體的結(jié) 晶過程是較緩慢的，因此，固結(jié)體的強度會在較長時間內(nèi)持續(xù)增長。由水泥的各種成分所生成的膠質(zhì)膜逐漸發(fā)展連接成膠質(zhì)體，即表現(xiàn)為水泥的初凝 狀態(tài)，隨著水化過程的不斷發(fā)展，凝膠體吸收水分并不斷擴大，產(chǎn)生結(jié)晶體。結(jié) 晶體與膠質(zhì)體相互包圍滲透，并

11、達到一種穩(wěn)定狀態(tài)，這就是硬化的開始。水泥的 水化過程是一個長久的過程，水化作用不斷的深入到水泥的微粒中，直到水分完 全被吸收，膠質(zhì)體凝固結(jié)晶充滿為止。在這個過程中，固結(jié)體的強度將不斷提高。旋噴注漿法的可靠性 高壓噴射注漿用高達2040MPa壓力，其沖擊破壞土體的能量十分巨人，對粘性 上和砂土都能沖切破壞。凡是高壓水射流能沖動土粒的土，都能進行高壓噴射注 漿加固，只要按照正確的順序施工、使用優(yōu)質(zhì)水泥等注漿材料和采用恰當噴射技 術(shù)參數(shù)以及合理的設計，即可獲得優(yōu)良的加固地基和防滲帷幕墻。6.1固結(jié)體的可靠性高。高壓噴射注漿是以高壓噴射流強力破壞土體，有效破壞 的距離較大，待水泥漿與土粒硬化后，即形成

12、一個固結(jié)體。固結(jié)體的直徑（長度）受土層影響外表呈凸凹不規(guī)則狀，硬土的固結(jié)直徑（長度） 要小一些，高壓噴射注漿的整體性、均勻性都要高于一般的靜壓灌漿。此外，固 結(jié)體在良好的（對商品混凝土無侵蝕）環(huán)境中，強度不斷增加，強度增加率延續(xù)至 10年以上。經(jīng)實測10年可增加1.5倍乃至更高。因此，只要在對商品混凝土無侵蝕的地下水和不受凍（即凍結(jié)溫度不低于負200C） 的條件下，固結(jié)體的質(zhì)量可靠，可作為永久性地基和防滲帷幕。6.2高壓噴射注漿構(gòu)筑物的可靠性強高壓噴射注漿構(gòu)造的旋噴排樁、復合地基、 地下防滲帷幕等形式的構(gòu)筑物的質(zhì)量較好。6.2.1旋噴排樁及防滲帷幕整體的連接質(zhì)量優(yōu)良旋噴排樁系由多個旋噴單樁連 接而成，防滲帷幕亦是由多個定噴、擺噴或旋噴的單體組成。它們不是同時噴成，但是不存在新老連接不好的問題。防滲帷慕的穩(wěn)定性較好。因為高壓噴射流的能量巨大，只要新老固結(jié)體能相連接，新固結(jié)體的噴射流能把 老固結(jié)體表面沖擊的非常干凈，硬化后新老固結(jié)體連為一體。6.2.