高壓噴射注漿法在工程中的應(yīng)用

高壓噴射注漿法在工程中的原理和應(yīng)用摘要：文章首先分析了高壓噴射注漿法的機(jī)理，并介紹了高壓噴射注漿法在地基加固工程中的具體應(yīng)用技術(shù)，針對(duì)施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題提出了處理措施。一、高壓噴射灌漿技術(shù)高壓噴射法就是利用工程鉆機(jī)鉆孔至設(shè)計(jì)處理的深度后，用高壓泥漿泵，通過安裝在鉆桿（噴桿）桿端置于孔底的特殊噴嘴，向周圍土體高壓噴射固化漿液（一般使用水泥漿液），同時(shí)鉆桿（噴桿）以一定的速度邊旋轉(zhuǎn)邊提升，高壓射流使一定范圍內(nèi)的土體結(jié)構(gòu)破壞，并強(qiáng)制與固化漿液混合，凝固后便在土體中形成具有一定性能和形狀的固結(jié)體。固結(jié)體的形狀和噴射流的移動(dòng)方向有關(guān)。一般分為旋轉(zhuǎn)噴射（簡(jiǎn)稱旋噴），定向噴射（簡(jiǎn)稱定噴）和擺動(dòng)噴射（簡(jiǎn)稱擺噴）。旋噴樁主要用于加固地基，提高地基的抗剪強(qiáng)度，改善地基土的變形性能，使其在上部結(jié)構(gòu)荷載作用下，不至破壞或產(chǎn)生過大的變形。定噴固結(jié)體呈壁狀，擺噴形成厚度較大的扇狀固結(jié)體。定噴和擺噴通常用于地基防滲，改善地基土的水力條件及邊坡穩(wěn)定等工程。高壓噴射注漿法是利用高壓水或漿液射流切割攪拌地層，同時(shí)射入水泥漿或復(fù)合漿液，形成新的凝結(jié)體，改變了原地層的結(jié)構(gòu)或全置換成新復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，提高承載力或原地基的防滲能力，達(dá)到加固地基和防滲的目的。其工藝是利用鉆機(jī)或其他造孔設(shè)備造孔，然后把帶有噴頭的注漿管下至土層的預(yù)定深度，由高壓水泵或高壓泥漿泵把漿液以10?25Mpa的高壓射流在噴嘴中射出，以沖擊和破壞預(yù)定深度地層的土體。該射流能量大，速度快，當(dāng)呈脈動(dòng)狀態(tài)的射流動(dòng)壓強(qiáng)度大于土體強(qiáng)度的時(shí)候，土粒便從原土體中剝落下來，一部分細(xì)小的土粒隨著漿液冒出地面，其余較粗的土粒在噴射流的沖擊力、離心力和重力作用下，與隨之射入的水泥漿等漿液滲攪混合后，按一定的漿土比例和質(zhì)量大小規(guī)律地重新排列，在土體中形成凝結(jié)體。噴射時(shí)，若一面提升一面旋轉(zhuǎn)，則形成柱狀體即旋噴樁，若一面提升一面按一定的方向角度擺動(dòng)，則形成墻狀體。（一）加固機(jī)理高噴法如三管高噴法用壓縮空氣包裹高壓噴射水流沖擊破壞攪動(dòng)土體，同時(shí)用低壓灌漿泵灌入漿液，漿液被高壓水、氣射流卷吸帶入，同時(shí)與被攪動(dòng)土體混合形成固結(jié)體。加固地基，形成樁、板、墻的機(jī)理可用五種作用來說明：1、 高壓噴射流切割破壞土體作用噴流動(dòng)壓以脈沖形式?jīng)_擊土體，使土體結(jié)構(gòu)破壞出現(xiàn)空洞。2、 混合攪拌作用鉆桿在旋轉(zhuǎn)和提升的過程中，在射流后面形成空隙，在噴射壓力作用下，迫使土粒向與噴嘴移動(dòng)相反的方向（即阻力小的方向）移動(dòng)，與漿液攪拌混合后形成固結(jié)體。3、 置換作用三重管高噴法又稱置換法，高速水射流切割土體的同時(shí)，由于通入壓縮空氣而把一部分切割下的土粒排出灌漿孔，土粒排出后所空下的體積由灌入的漿液補(bǔ)入。4、 充填、滲透固結(jié)作用高壓漿液充填沖開的和原有的土體空隙，析水固結(jié)，還可滲入一定厚度的砂層而形成固結(jié)體。5、壓密作用高壓噴射流在切割破碎土體的過程中，在破碎帶邊緣還有剩余壓力，這種壓力對(duì)土層可產(chǎn)生一定的壓密作用，使高噴樁體邊緣部分的抗壓強(qiáng)度高于中心部分。（二）基本種類按噴射介質(zhì)及其管路多少可分為單管法、二管法、三管法等。1、 單管旋噴法通過單根管路，利用高壓漿液（20?30MPa）,噴射沖切破壞土體，成樁直徑為40?50cm。其加固質(zhì)量好，施工速度快和成本低，但固結(jié)體直徑較小。2、 二管旋噴法在單管法的基礎(chǔ)上又加以壓縮空氣，并使用雙通道的二重灌漿管。在管的底部側(cè)面有一個(gè)同軸雙重噴嘴，高壓漿液以20MPa左右的壓力從內(nèi)噴嘴中高速噴出，在射流的外圍加以0.7MPa左右的壓縮空氣噴出。在土體中形成直徑明顯增加的柱狀固結(jié)體，達(dá)80?150cm。3、 三管旋噴法使用分別輸送水、氣、漿三種介質(zhì)的三重灌漿管。高壓水射流和外圍環(huán)繞的氣流同軸噴射沖切破壞土體，在高壓水射流的噴嘴周圍加上圓筒狀的空氣射流，進(jìn)行水、氣同軸噴射，可以減少水射流與周圍介質(zhì)的摩擦，避免水射流過早霧化，增強(qiáng)水射流的切割能力。噴嘴邊旋轉(zhuǎn)噴射，邊提升，在地基中形成較大的負(fù)壓區(qū)，攜帶同時(shí)壓入的漿液充填空隙，就會(huì)在地基中形成直徑較大、強(qiáng)度較高的固結(jié)體，起到加固地基的作用。（三） 漿液材料水泥是噴射灌漿的基本材料，水泥類漿液可分為以下幾種類型。1、 普通型漿液一般采用普通硅酸鹽水泥，不加任何外加劑，水灰比一般為0.8：1?1.5:1,固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度（28d）最大可達(dá)1.0?20MPa,適應(yīng)于無特殊要求的工程。2、 速凝－早強(qiáng)型適于地下水位較高或要求早期承擔(dān)荷載的工程，需在水泥漿中加入氯化鈣、三乙醇胺等速凝早強(qiáng)劑。摻入2%氯化鈣的水泥－土的固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度為1.6MPa，摻入4%氯化鈣后為2.4MPa。3、 高強(qiáng)型噴射固結(jié)體的平均抗壓強(qiáng)度在20MPa以上?？梢赃x擇高標(biāo)號(hào)的水泥，或選擇高效能的擴(kuò)散劑和無機(jī)鹽組成的復(fù)合配方等。在水泥漿中摻入2?4%的水玻璃，其抗?jié)B性有明顯提高。如工程以抗?jié)B為目的，最好使用“柔性材料”?？稍谒酀{液中摻入10?50%的膨潤(rùn)土（占水泥重量的面分比）。此時(shí)不宜使用礦渣水泥，如僅有抗?jié)B要求而無抗凍要者，可使用火山灰水泥。（四） 高壓噴射灌漿工藝噴射范圍應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)通過試驗(yàn)確定。高噴固結(jié)體的范圍大小與土的種類和其密實(shí)程度有較密切的關(guān)系，不同的噴射種類和噴射方式所形成的固結(jié)體大小也不相同。定噴的噴射能量集中，噴射范圍較大，參見表5－6。表5－6高壓噴射灌漿固結(jié)體的特性固結(jié)體特性噴灌方法單管法二管法三管法固結(jié)01.2±0.21.4±0.32.0±0.3體有粘性土100.8±0.21.1±0.31.5±0.3效直200.6±0.20.8±0.31.0±0.3徑(m)砂土01.0±0.21.6±0.32.5±0.3

100.8±0.21.3±0.31.8±0.3200.6±0.21.0±0.31.2±0.3礫砂200.6±0.21.0±0.31.2±0.3單向定噴有效長(zhǎng)度（m）1.0?2.5單樁垂直極限荷載（kN）500?6001000?12002000單樁水平極限荷載（kN）30?40最大抗壓強(qiáng)度（MPa）砂土10?20,粘性十2?6,礫砂8?20平均抗折強(qiáng)度/平均抗壓強(qiáng)度1/5?1/10干土容重（kN/m3）砂十16?20,粘性土14?15.黃十13?5滲透系數(shù)（cm/s）砂十、砂礫10-5?10-7?粘性十10-6?10-7粘聚力（MPa）砂土0.4?0.5,粘性土0.7?1.0內(nèi)摩擦角（P（o）砂土內(nèi)摩擦角（P（o）砂土30?40,粘性土20?30標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N砂土30?50,粘性土20?30P波 砂土2?3,粘性土1.5?2.0S波 砂土1.0?1.5,粘性土0.8?1.0旋噴粘性土固結(jié)強(qiáng)度為0.3?6.0MPa,無粘性土固結(jié)強(qiáng)度為4?15MPa。對(duì)于防滲工程多采用定噴、擺噴，地層含的粒徑較粗時(shí)多采用擺噴或旋噴。對(duì)處理深度大于20m的復(fù)雜地層最好按雙排或三排布孔，使高噴樁形成堵水帷幕?？拙鄳?yīng)為1.73R（R為旋噴固結(jié)體半徑），排距為1.5R時(shí)最經(jīng)濟(jì)。一般定噴、擺噴孔距為1.2?2.5m,旋噴為0.8?1.2m。高噴防滲效果一般可達(dá)10-5?10-6cm/s。高噴樁樁距應(yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載、單樁承載力及土質(zhì)情況而定。一般取樁距為S=（3?4）d（d為旋噴樁直徑），樁的布置方式可選用矩形或梅花形布置。高噴灌漿施工鉆孔的目的是將灌漿管插入預(yù)定的土層中，由下而上進(jìn)行噴射作業(yè)。近來也有用振沖方式成孔直接進(jìn)行噴射作業(yè)的方法。噴射時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：（1） 灌漿深度大時(shí)，易造成上粗下細(xì)的固結(jié)體，影響固結(jié)體的承載能力或抗?jié)B作用，因而需采用增大壓力和流量或降低旋轉(zhuǎn)和提升速度等措施補(bǔ)救；（2） 當(dāng)發(fā)現(xiàn)噴漿量不足而影響工程質(zhì)量時(shí)，可采用復(fù)噴技術(shù)；（3） 當(dāng)冒漿量大于灌漿量的20%時(shí)，可采用提高噴射壓力、縮小噴嘴直徑、加快提升速度和旋轉(zhuǎn)速度等措施，對(duì)冒出的漿液，可回收利用；（4） 根據(jù)工程需要調(diào)節(jié)噴射壓力和灌漿量，改變噴嘴移動(dòng)方向和速度，控制噴射固結(jié)體的形狀，即圓盤狀、圓柱狀、大底狀、糖糊蘆狀、大帽狀和墻壁狀。（5） 噴灌后的漿液有析水現(xiàn)象，可造成固結(jié)體頂部出現(xiàn)凹穴，對(duì)地基加固及防滲不利。為此，可采用靜壓灌漿或漿液中添加膨脹材料等措施預(yù)防。高壓泵是高壓噴射灌漿中的關(guān)鍵設(shè)備，要求壓力和流量能在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。額定流量為85?150L/min；額定壓力為20?50MPa。表5－7高壓噴射灌漿參數(shù)一覽表高噴灌漿種類單管法二管法三管法適用土質(zhì)砂土、粘性土、黃土、雜填土、小粒徑砂礫漿液材料及配方以水泥為主材，加入不同的外加劑后具有速凝、早強(qiáng)、抗腐蝕、防凍等特性，常用水灰比為1:1，也可使用化學(xué)材料。高噴灌漿參數(shù)水壓力(MPa)20流量(L/min)80?120噴嘴孔徑(mm)及個(gè)數(shù)2?3(1?2)空氣壓力(MPa)0.70.7流量(m3/h)1?21?2噴嘴間隙(mm)及個(gè)數(shù)1?2(1?2)1?2(1?2)漿液壓力(MPa)20200.2?3流量(L/min)80?12080?12080?150噴嘴孔徑(mm)及個(gè)數(shù)2?3(2)2?3(1?2)10?2(1或2)灌漿管外徑(mm)屮42或申45屮42,屮50,屮75屮75或屮90提升速度(cm/min)20?2510?305?20旋轉(zhuǎn)速度(r/min)約2010?305?20五)高噴固結(jié)體的質(zhì)量檢測(cè)1)開挖檢驗(yàn)：待漿液凝結(jié)具有一定的強(qiáng)度后，即可開挖檢查固結(jié)體垂直度、形狀和質(zhì)量；)鉆孔檢查：從固結(jié)體中鉆取巖芯，進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)性能試驗(yàn)。在鉆孔中做壓水或抽水試驗(yàn)，測(cè)定其抗?jié)B能力；)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)：在旋噴固結(jié)體的中部可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。)載荷試驗(yàn)：靜載荷試驗(yàn)分垂直和水平靜載荷試驗(yàn)兩種。試驗(yàn)時(shí)，需在受力部位澆筑0.2?0.3m厚的混凝土層；)圍井試驗(yàn)：在板墻一側(cè)增加噴孔，與板墻形成封閉圍井，在井中進(jìn)行壓水和抽水兩種試驗(yàn)，或觀測(cè)井內(nèi)外水位，多用于防滲效果檢查。高壓噴射灌漿加固地基技術(shù)主要適用于第四紀(jì)沖積層、殘積層及人工填土等。對(duì)于砂類土、粘性土、黃土和淤泥等都能加固。但對(duì)礫石直徑過大、含量過多及有大量纖維質(zhì)的腐植土噴射質(zhì)量稍差，有時(shí)甚至不如靜壓灌漿的效果。對(duì)地下水流速過大，噴射的漿液無法在灌漿管周圍凝結(jié)，無填充物的巖溶地段，永凍土和對(duì)水泥有嚴(yán)重腐蝕的地基，均不宜采用高壓噴射灌漿法。(六)高壓噴射灌漿的特點(diǎn)高噴法具有成本較低，施工速度較快，固結(jié)體強(qiáng)度大，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，與普通灌漿法相比又具有以下特點(diǎn)：高噴法是利用高速水流強(qiáng)制性地破壞土體形成固結(jié)體，在覆蓋層中一般不存在可灌性問題；同時(shí)由于高速射流被限制在土體破碎范圍內(nèi)，因此漿液不易流失，能保證預(yù)期的加固范圍和控制固結(jié)體的形狀；能在鉆孔中任何一段內(nèi)施工，也可以在孔底或中部噴射，此外，也可以水平方向噴射和傾斜方向噴射施工；高噴法通常采用水泥漿液，不會(huì)造成環(huán)境和地下水的污染，且耐久性較好；施工噪音較小，單管和二管法施工較簡(jiǎn)便。高壓噴射注漿法是在注漿法的基礎(chǔ)上，應(yīng)用高壓噴射技術(shù)而發(fā)展起來的一項(xiàng)新的地基加固方法。它與其它地基處理的方法相比，具有適用范圍廣，施工簡(jiǎn)便，具有較好的耐久性等特點(diǎn)，不失為眾多地基處理方法中的一種好的地基處理方法。施工機(jī)具高壓噴射注漿的施工機(jī)具，主要由高壓泥漿泵及鉆機(jī)兩部分組成。由于采用的噴射方式不同，單管、二重管和三重管旋噴作業(yè)所使用的機(jī)具類型和數(shù)量不同，主要包括鉆機(jī)、高壓泵、泥漿泵、空氣壓縮機(jī)、注漿特種鉆桿、注漿管、噴嘴、高壓膠管、輸漿管、流量計(jì)、漿液攪拌機(jī)等。施工工藝參數(shù)單管法及雙管法的高壓水泥漿和三管法高壓水的壓力原則上應(yīng)大于20MPa。高壓噴射注漿的主要材料為水泥，宜采用強(qiáng)度等級(jí)為30級(jí)及以上的普通硅酸鹽水泥。根據(jù)需要可加入適量的外加劑及摻合料。外加劑和摻合料的用量，通過試驗(yàn)確定。水泥漿液的水灰比視工程地質(zhì)特點(diǎn)或?qū)嶋H工程要求確定，可取0.8?1.5，常用1.0。高壓噴射注漿的施工工序?yàn)闄C(jī)具就位、貫入噴射管、噴射注漿、拔管和沖洗等。噴射孔與高壓注漿泵的距離不宜大于50m，鉆孔的位置與設(shè)計(jì)位置的偏差不得大于50mm。實(shí)際孔位、孔深和每個(gè)鉆孔內(nèi)的地下障礙物、洞穴、涌水、漏水及與巖土工程勘察報(bào)告不符等情況均應(yīng)詳細(xì)記錄。當(dāng)噴射注漿管貫人土中，噴嘴達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，即可噴射注漿。在噴射注漿參數(shù)達(dá)到規(guī)定值后，隨即分別按旋噴、定噴或擺噴的工藝要求，提升噴射管，由下而上噴射注漿。噴射管分段提升的搭接長(zhǎng)度不得小于100mm。根據(jù)國內(nèi)實(shí)際工程的應(yīng)用實(shí)例，高壓水泥漿液流或高壓水射流的壓力宜大于20MPa,氣流的壓力以空氣壓縮機(jī)的最大壓力為限，通常在0.7MPa左右，低壓水泥漿的灌注壓力通常在1.0?2.0MPa左右。采用旋轉(zhuǎn)提升噴射方式時(shí)，一般提升速度為0.005?0.25m/rain，旋轉(zhuǎn)速度可取10?20r/mino對(duì)需要局部擴(kuò)大加固范圍或提高強(qiáng)度的部位，可采用復(fù)噴措施。施工程序及要點(diǎn)盡管各種高壓噴射注漿法所注人的介質(zhì)種類和數(shù)量不同，但其施工程序卻基本一致，均按照自下而上的工序進(jìn)行施工。①鉆（引）孔。鉆孔的目的是為將噴射注漿管插入預(yù)定的地層中，鉆孔方法視地層地質(zhì)情況、加固深度、機(jī)具設(shè)備等條件而定。鉆進(jìn)深度可達(dá)30m以上，當(dāng)遇到較堅(jiān)硬的土層時(shí)宜采用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔，一般在二重管和三重管旋噴法施工中，采用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔。②插管。鉆孔完成后，應(yīng)及時(shí)將噴射注漿管插入地層預(yù)定深度，插管與鉆孔兩道工序一般合二為一，但使用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔完成后，必須拔出巖芯管，插入噴射管。在插管過程中，為防止泥砂堵塞噴嘴，可邊射水、邊插管，水壓力一般不超過1MPa，壓力過高易將孔壁射塌。③噴漿。根據(jù)土質(zhì)、土類、地下水等環(huán)境調(diào)整噴漿壓力、流量、旋轉(zhuǎn)提升速度等，自下而上噴射注漿。根據(jù)工程需要進(jìn)行原位第二次噴射（復(fù)噴），復(fù)噴時(shí)噴射流沖擊的對(duì)象為第一次噴射的漿土混合體，噴射流所遇阻力小于第一次噴射，有增加固結(jié)體直徑的效果。④補(bǔ)漿。噴射的漿液與土攪拌混合后的凝固過程中，由于漿液的析水作用，一般均有不同程度的收縮，造成在固結(jié)體頂部凹陷，對(duì)地基的加固和防滲堵水極為不利。目前一般采用直接從噴射孔口注入漿液填滿收縮空洞，或采用二次注漿的方法對(duì)固結(jié)體頂部進(jìn)行第二次注漿。常見問題及其處理對(duì)策①冒漿。在噴射注漿過程中，噴射沖擊破壞土層所產(chǎn)生的部分細(xì)小土粒隨一部分漿液沿著注漿管管壁冒出地面。通過對(duì)冒漿的觀察，可以及時(shí)了解土層狀況、噴射的大致效果和噴射參數(shù)的合理性等。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，冒漿（內(nèi)有土粒、水及漿液）量小于注漿量20者為正常現(xiàn)象，超過20或完全不冒漿時(shí)，應(yīng)查明原因并采取相應(yīng)措施。減小冒漿的措施有：一是提高噴射壓力；二是適當(dāng)減小噴嘴直徑；三是加快提升和旋轉(zhuǎn)速度等。出現(xiàn)不冒漿或斷續(xù)冒漿時(shí)，若系土質(zhì)松軟則視為正?，F(xiàn)象，可適當(dāng)進(jìn)行復(fù)噴；若系附近有空洞、通道，則應(yīng)不提升注漿管繼續(xù)注漿直至冒漿為止，或拔出注漿管待漿液凝固后重新注漿。②固結(jié)體不完整。高壓噴射注漿完畢后，或在噴射注漿過程中因故中斷，均可能產(chǎn)生加固地基與建筑物