高壓噴射注漿法加固地基的作用機(jī)理探討

　　【摘 要】本文首先簡(jiǎn)介了旋噴樁加固地基的基本概念，旋噴樁在地基加固應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)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(jī)理。詳細(xì)的分析了旋噴漿液在土中的硬化機(jī)理。最后，對(duì)旋噴注漿法的可靠性進(jìn)行了探討。總之，使用優(yōu)質(zhì)的注漿材料和采用恰當(dāng)噴射技術(shù)參數(shù)以及合理的設(shè)計(jì)方案，旋噴樁復(fù)合地基就能取得良好的加固地基的效果。 

　　【關(guān)鍵詞】 注漿；復(fù)合地基；端阻力；摩阻力 
　　 
　　1. 引言 
　　 
　　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(lái)的一項(xiàng)新的地基加固方法，于1970年始于日本。它是利用工程鉆機(jī)鉆孔作為導(dǎo)孔，將帶有特殊噴嘴的噴射管插入設(shè)計(jì)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20～40 MPa的高壓流從噴嘴中噴出，沖擊切割土體。當(dāng)能量大、速度快、呈脈動(dòng)狀的噴射流的動(dòng)壓超過(guò)土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，土粒便從土體上剝落下來(lái)。一部分細(xì)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(chēng)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(dòng)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(dāng)土中含有較多的大粒徑塊石、堅(jiān)硬粘性土、大量植物根莖或有過(guò)多的用機(jī)質(zhì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果確定其使用程度。 
　　 
　　2. 旋噴樁加固技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 
　　 
　?。?）由于將水泥土與原地基軟土就地?cái)嚢杌旌希蚨勺畲笙薅鹊乩迷粒?nbsp;

　?。?）對(duì)周?chē)薪ㄖ挠绊戄^?。?nbsp;

　?。?）可按照不同的地基土的性質(zhì)及工程設(shè)計(jì)要求，合理選擇，設(shè)計(jì)比較靈活； 

　?。?）施工設(shè)備簡(jiǎn)單，管理方便，施工時(shí)無(wú)振動(dòng)，無(wú)污染，可在密集的建筑群中進(jìn)行施工，而且料源廣闊，價(jià)格低廉； 

　?。?）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(lèi)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； 

　?。?）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(dāng)高，具有一定的防滲功能； 

　?。?）固結(jié)強(qiáng)度高，單樁承載力較高； 

　?。?）與鋼筋混凝土樁基比，節(jié)省了大量的鋼材，降低了造價(jià)； 

　?。?）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。 
　　 
　　3. 水射流破土機(jī)理分析 
　　 
　　3.1 影響水射流破土效果的因素。水氣同軸噴射時(shí)，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(jí)配、抗剪強(qiáng)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(duì)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。空氣射流的速度越大，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(kuò)散減小，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(duì)土體的破壞作用。水射流破土效果，隨土介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)不同而變化。當(dāng)噴射初始時(shí)，被破壞土體處于三向受壓狀態(tài)，在水射流沖擊點(diǎn)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(shí)，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(yuǎn)遠(yuǎn)大于土體的自重應(yīng)力，因而在土體中少產(chǎn)生個(gè)剪切力；一是在距噴嘴較遠(yuǎn)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(gè)擠壓力。對(duì)于無(wú)粘性土，滲透作用占主導(dǎo)地位；對(duì)于粘性土，壓密起主要作用。 

　　當(dāng)水射流移動(dòng)進(jìn)入土顆粒之間時(shí)，土體因被切割而破壞。由于土質(zhì)的不均勻性，水射流首先進(jìn)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(lái)，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(huì)再發(fā)生破壞，這就是噴射樁體內(nèi)存在塊狀土的原因。 
　　 
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　　4. 高壓旋噴樁成樁機(jī)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(yīng)力和沖蝕等多種因素總是同時(shí)密集在壓應(yīng)力區(qū)域內(nèi)發(fā)生效應(yīng)。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?chē)娚渥{使用漿液作為噴射流；一重管?chē)娚渥{也以漿液作為噴射流，但在其外周裹著一圈空氣流形成復(fù)合噴射流；三重管?chē)娚浞ㄗ{，以水氣為復(fù)合噴射流并注漿填空；多重管?chē)娚渥{的高壓水射流把土沖空以漿液填充。以上四種注漿法所使用的漿液都隨時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸凝固硬化。 

　　固結(jié)體的形狀與噴嘴移動(dòng)的方向及持續(xù)噴射的時(shí)間有著密切的關(guān)系。當(dāng)噴嘴一面旋轉(zhuǎn)和提升時(shí)，便形成圓柱狀或異型圓柱狀固結(jié)體；當(dāng)噴嘴一面噴射一面提升時(shí)，便形成壁狀固結(jié)體。 

　　大礫石和腐硝土的旋噴固結(jié)機(jī)理有別于砂類(lèi)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?dòng)和重新排列，噴射流只能通過(guò)其空隙，充滿(mǎn)周?chē)目障?。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(jī)理接近于所謂的滲透理論的機(jī)理，因而形成圓柱形加固的地基。對(duì)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(xì)長(zhǎng)短，含水量及土顆粒多少的影響很大。對(duì)纖維細(xì)短的腐硝土旋噴時(shí)，完全和在粘性土中的旋噴機(jī)理相同。然而對(duì)纖維粗長(zhǎng)且數(shù)量多的腐硝土旋噴時(shí)，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(guò)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(duì)較少，固結(jié)體的均勻性較差。 

　　定噴時(shí)，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(jìn)槽中。從土體上沖落下來(lái)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(gè)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(méi)有。 
　　 
　　5. 旋噴漿液在土中的硬化機(jī)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淀或加速凝固的外加劑。旋噴固結(jié)體是一種特殊的水泥——土骨架結(jié)構(gòu)，水泥土的水反應(yīng)要比純水泥漿復(fù)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(guò)程中，水泥和土混合在一起，土顆粒間被水泥漿所填滿(mǎn)。水泥水化后在土顆粒的周?chē)纬筛鞣N水化物的結(jié)晶，它們不斷生長(zhǎng)，特別是鈣礬石的針狀結(jié)晶，很快的生長(zhǎng)交織在一起，形成空間的網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)度隨時(shí)間增長(zhǎng)的機(jī)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(zhǎng)期物理化學(xué)變化等方面加以解釋。水泥中四種基本礦物熟料分別與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一系列結(jié)晶，隨時(shí)間增長(zhǎng)結(jié)晶過(guò)程不斷趨于完整，這些結(jié)晶是水泥石強(qiáng)度的主要來(lái)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(shí)間內(nèi)，土粒周?chē)錆M(mǎn)了水泥凝膠體。隨時(shí)間增長(zhǎng)，水泥凝膠體結(jié)晶，并逐漸充滿(mǎn)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(qiáng)度也隨之得以改善。水泥凝膠體的結(jié)晶過(guò)程是較緩慢的，因此，固結(jié)體的強(qiáng)度會(huì)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)增長(zhǎng)。

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　　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(guò)程的不斷發(fā)展，凝膠體吸收水分并不斷擴(kuò)大，產(chǎn)生結(jié)晶體。結(jié)晶體與膠質(zhì)體相互包圍滲透，并達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)，這就是硬化的開(kāi)始。水泥的水化過(guò)程是一個(gè)長(zhǎng)久的過(guò)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(mǎn)為止。在這個(gè)過(guò)程中，固結(jié)體的強(qiáng)度將不斷提高。 
　　 
　　6. 旋噴注漿法的可靠性 
　　 
　　高壓噴射注漿用高達(dá)20~40MPa壓力，其沖擊破壞土體的能量十分巨人，對(duì)粘性上和砂土都能沖切破壞。凡是高壓水射流能沖動(dòng)土粒的土，都能進(jìn)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(dāng)噴射技術(shù)參數(shù)以及合理的設(shè)計(jì)，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(qiáng)力破壞土體，有效破壞的距離較大，待水泥漿與土粒硬化后，即形成一個(gè)固結(jié)體。 

　　固結(jié)體的直徑(長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)混凝土無(wú)侵蝕)環(huán)境中，強(qiáng)度不斷增加，強(qiáng)度增加率延續(xù)至10年以上。經(jīng)實(shí)測(cè)10年可增加1.5倍乃至更高。 

　　因此，只要在對(duì)混凝土無(wú)侵蝕的地下水和不受凍(即凍結(jié)溫度不低于負(fù)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(qiáng)高壓噴射注漿構(gòu)造的旋噴排樁、復(fù)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?jī)?yōu)良旋噴排樁系由多個(gè)旋噴單樁連接而成，防滲帷幕亦是由多個(gè)定噴、擺噴或旋噴的單體組成。它們不是同時(shí)噴成，但是不存在新老連接不好的問(wèn)題。防滲帷慕的穩(wěn)定性較好。 

　　因?yàn)楦邏簢娚淞鞯哪芰烤薮?，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。 

　　6.2.2 旋噴復(fù)合地基的質(zhì)量有保證。 旋噴復(fù)合地基由多個(gè)不相連的旋噴樁組成。旋噴時(shí)其主體為有一定直徑和體形的旋噴樁，還有一部分連在旋噴樁外面的支體，支體是因土的裂縫造成，其數(shù)量、粗細(xì)(厚薄)和長(zhǎng)短與土的裂隙狀況及噴射技術(shù)參數(shù)有關(guān)。也就是說(shuō)，旋噴復(fù)合地基不但有旋噴樁，在樁之間的土中還有若干支體固結(jié)體，它們?cè)谝欢ǔ潭壬细纳屏藰堕g土的物理力學(xué)性能，從而加大了復(fù)合地基的承載力，減小了地基的沉降量。 
　　 
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