高压喷射灌浆和深层搅拌法加固技术

关键词：高压喷射灌浆深层搅拌加固一、高压喷射灌浆技术高压喷射法就是利用工程钻机钻孔至设计处理的深度后，用高压泥浆泵，通过安装在钻杆（喷杆）杆端置于孔底的特殊喷嘴，向周围土体高压喷射固化浆液(一般使用水泥浆液)，同时钻杆（喷杆）以一定的速度边旋转边提升，高压射流使一定范围内的土体结构破坏，并强制与固化浆液混合，凝固后便在土体中形成具有一定性能和形状的固结体。固结体的形状和喷射流的移动方向有关。一般分为旋转喷射(简称旋喷)，定向喷射(简称定喷)和摆动喷射(简称摆喷)。旋喷桩主要用于加固地基，提高地基的抗剪强度，改善地基土的变形性能，使其在上部结构荷载作用下，不至破坏或产生过大的变形。定喷固结体呈壁状，摆喷形成厚度较大的扇状固结体。定喷和摆喷通常用于地基防渗，改善地基土的水力条件及边坡稳定等工程。（一）加固机理高喷法如三管高喷法用压缩空气包裹高压喷射水流冲击破坏搅动土体，同时用低压灌浆泵灌入浆液，浆液被高压水、气射流卷吸带入，同时与被搅动土体混合形成固结体。加固地基，形成桩、板、墙的机理可用五种作用来说明：1.高压喷射流切割破坏土体作用喷流动压以脉冲形式冲击土体，使土体结构破坏出现空洞。2.混合搅拌作用钻杆在旋转和提升的过程中，在射流后面形成空隙，在喷射压力作用下，迫使土粒向与喷嘴移动相反的方向(即阻力小的方向)移动，与浆液搅拌混合后形成固结体。3.置换作用三重管高喷法又称置换法，高速水射流切割土体的同时，由于通入压缩空气而把一部分切割下的土粒排出灌浆孔，土粒排出后所空下的体积由灌入的浆液补入。4.充填、渗透固结作用高压浆液充填冲开的和原有的土体空隙，析水固结，还可渗入一定厚度的砂层而形成固结体。5.压密作用高压喷射流在切割破碎土体的过程中，在破碎带边缘还有剩余压力，这种压力对土层可产生一定的压密作用，使高喷桩体边缘部分的抗压强度高于中心部分。（二）基本种类按喷射介质及其管路多少可分为单管法、二管法、三管法等。1.单管旋喷法通过单根管路，利用高压浆液（20～30MPa），喷射冲切破坏土体，成桩直径为40～50cm。其加固质量好，施工速度快和成本低，但固结体直径较小。2.二管旋喷法在单管法的基础上又加以压缩空气，并使用双通道的二重灌浆管。在管的底部侧面有一个同轴双重喷嘴，高压浆液以20MPa左右的压力从内喷嘴中高速喷出，在射流的外围加以0.7MPa左右的压缩空气喷出。在土体中形成直径明显增加的柱状固结体，达80～150cm。3.三管旋喷法使用分别输送水、气、浆三种介质的三重灌浆管。高压水射流和外围环绕的气流同轴喷射冲切破坏土体，在高压水射流的喷嘴周围加上圆筒状的空气射流，进行水、气同轴喷射，可以减少水射流与周围介质的摩擦，避免水射流过早雾化，增强水射流的切割能力。喷嘴边旋转喷射，边提升，在地基中形成较大的负压区，携带同时压入的浆液充填空隙，就会在地基中形成直径较大、强度较高的固结体，起到加固地基的作用。（三）浆液材料水泥是喷射灌浆的基本材料，水泥类浆液可分为以下几种类型。1.普通型浆液一般采用普通硅酸盐水泥，不加任何外加剂，水灰比一般为0.8：1～1.5:1，固结体的抗压强度(28d)最大可达1.0～20MPa，适应于无特殊要求的工程。2.速凝－早强型适于地下水位较高或要求早期承担荷载的工程，需在水泥浆中加入氯化钙、三乙醇胺等速凝早强剂。掺入2%氯化钙的水泥－土的固结体的抗压强度为1.6MPa，掺入4%氯化钙后为2.4MPa。3.高强型喷射固结体的平均抗压强度在20MPa以上。可以选择高标号的水泥，或选择高效能的扩散剂和无机盐组成的复合配方等。在水泥浆中掺入2～4%的水玻璃，其抗渗性有明显提高。如工程以抗渗为目的，最好使用“柔性材料”。可在水泥浆液中掺入10～50%的膨润土(占水泥重量的面分比)。此时不宜使用矿渣水泥，如仅有抗渗要求而无抗冻要者，可使用火山灰水泥。（四）高压喷射灌浆工艺喷射范围应在现场通过试验确定。高喷固结体的范围大小与土的种类和其密实程度有较密切的关系，不同的喷射种类和喷射方式所形成的固结体大小也不相同。定喷的喷射能量集中，喷射范围较大，参见表5－6。表5－6高压喷射灌浆固结体的特性固结体特性喷灌方法单管法二管法三管法固结体有效直径(m)粘性土0N101.2±0.21.4±0.32.0±0.310N200.8±0.21.1±0.31.5±0.320N300.6±0.20.8±0.31.0±0.3砂土0N101.0±0.21.6±0.32.5±0.310N200.8±0.21.3±0.31.8±0.320N300.6±0.21.0±0.31.2±0.3砾砂20N300.6±0.21.0±0.31.2±0.3单向定喷有效长度(m)1.0～2.5单桩垂直极限荷载(kN)500～6001000～12002000单桩水平极限荷载(kN)30～40最大抗压强度(MPa)砂土10～20，粘性土2～6,砾砂8～20平均抗折强度/平均抗压强度1/5～1/10干土容重(kN/m3)砂土16～20,粘性土14～15,黄土13～5渗透系数(cm/s)砂土、砂砾10-5～10-7,粘性土10-6～10-7粘聚力(MPa)砂土0.4～0.5,粘性土0.7～1.0内摩擦角φ(o)砂土30～40,粘性土20～30标准贯入锤击数N砂土30～50,粘性土20～30弹性波(km/s)P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旋喷粘性土固结强度为0.3～6.0MPa，无粘性土固结强度为4～15MPa。对于防渗工程多采用定喷、摆喷，地层含的粒径较粗时多采用摆喷或旋喷。对处理深度大于20m的复杂地层最好按双排或三排布孔，使高喷桩形成堵水帷幕。孔距应为1.73R(R为旋喷固结体半径)，排距为1.5R时最经济。一般定喷、摆喷孔距为1.2～2.5m，旋喷为0.8～1.2m。高喷防渗效果一般可达10-5～10-6cm/s。高喷桩桩距应根据上部结构荷载、单桩承载力及土质情况而定。一般取桩距为S＝(3～4)d(d为旋喷桩直径)，桩的布置方式可选用矩形或梅花形布置。高喷灌浆施工钻孔的目的是将灌浆管插入预定的土层中，由下而上进行喷射作业。近来也有用振冲方式成孔直接进行喷射作业的方法。喷射时应注意以下事项：（1）灌浆深度大时，易造成上粗下细的固结体，影响固结体的承载能力或抗渗作用，因而需采用增大压力和流量或降低旋转和提升速度等措施补救；（2）当发现喷浆量不足而影响工程质量时，可采用复喷技术；（3）当冒浆量大于灌浆量的20%时，可采用提高喷射压力、缩小喷嘴直径、加快提升速度和旋转速度等措施，对冒出的浆液，可回收利用；（4）根据工程需要调节喷射压力和灌浆量，改变喷嘴移动方向和速度，控制喷射固结体的形状，即圆盘状、圆柱状、大底状、糖糊芦状、大帽状和墙壁状。（5）喷灌后的浆液有析水现象，可造成固结体顶部出现凹穴，对地基加固及防渗不利。为此，可采用静压灌浆或浆液中添加膨胀材料等措施预防。高压泵是高压喷射灌浆中的关键设备，要求压力和流量能在一定的范围内调节。额定流量为85～150L/min；额定压力为20～50MPa。表5－7高压喷射灌浆参数一览表高喷灌浆种类单管法二管法三管法适用土质砂土、粘性土、黄土、杂填土、小粒径砂砾浆液材料及配方以水泥为主材，加入不同的外加剂后具有速凝、早强、抗腐蚀、防冻等特性，常用水灰比为1:1，也可使用化学材料。高喷灌浆参数水压力(MPa)────20流量(L/min)────80～120喷嘴孔径(mm)及个数────2～3(1～2)空气压力(MPa)──0.70.7流量(m3/h)1～21～2喷嘴间隙(mm)及个数1～2(1～2)1～2(1～2)浆液压力(MPa)20200.2～3流量(L/min)80～12080～12080～150喷嘴孔径(mm)及个数2～3(2)2～3(1～2)10～2(1或2)灌浆管外径(mm)φ42或φ45φ42,φ50,φ75φ75或φ90提升速度(cm/min)20～2510～305～20旋转速度(r/min)约2010～305～20（五）高喷固结体的质量检测1）开挖检验：待浆液凝结具有一定的强度后，即可开挖检查固结体垂直度、形状和质量；2）钻孔检查：从固结体中钻取岩芯，进行室内物理力学性能试验。在钻孔中做压水或抽水试验，测定其抗渗能力；3）标准贯入试验：在旋喷固结体的中部可进行标准贯入试验。4）载荷试验：静载荷试验分垂直和水平静载荷试验两种。试验时，需在受力部位浇筑0.2～0.3m厚的混凝土层；5）围井试验：在板墙一侧增加喷孔，与板墙形成封闭围井，在井中进行压水和抽水两种试验，或观测井内外水位，多用于防渗效果检查。高压喷射灌浆加固地基技术主要适用于第四纪冲积层、残积层及人工填土等。对于砂类土、粘性土、黄土和淤泥等都能加固。但对砾石直径过大、含量过多及有大量纤维质的腐植土喷射质量稍差，有时甚至不如静压灌浆的效果。对地下水流速过大，喷射的浆液无法在灌浆管周围凝结，无填充物的岩溶地段，永冻土和对水泥有严重腐蚀的地基，均不宜采用高压喷射灌浆法。（六）高压喷射灌浆的特点高喷法具有成本较低，施工速度较快，固结体强度大，可靠性高等优点，与普通灌浆法相比又具有以下特点：高喷法是利用高速水流强制性地破坏土体形成固结体，在覆盖层中一般不存在可灌性问题；同时由于高速射流被限制在土体破碎范围内，因此浆液不易流失，能保证预期的加固范围和控制固结体的形状；能在钻孔中任何一段内施工，也可以在孔底或中部喷射，此外，也可以水平方向喷射和倾斜方向喷射施工；高喷法通常采用水泥浆液，不会造成环境和地下水的污染，且耐久性较好；施工噪音较小，单管和二管法施工较简便。二、深层搅拌法技术（水泥土加固法）

 

深层搅拌法是利用水泥作为固化剂，通过特别的深层搅拌机械，在地基深处就地将软土和水泥（浆液或粉体）强制搅拌后，水泥和软土将产生一系列物理—化学反应，使软土硬结改性。改性后的软土强度大大高於天然强度，其压缩性，渗水性比天然软土大大降低。

 

（一）加固机理

 

软土与水泥采用机械搅拌加固的基本原理，是基于水泥加固土的物理化学反应过程。减少了软土中的含水率，增加了颗粒之间的粘结力，增加了水泥土的强度和足够的水稳定性。在水泥加固土中，由於水泥的掺量较小，一般占被加固土重的10～15％。水泥的水化反应完全是在具有一定活性的介质——土的围绕下进行，所以硬化速度较慢且作用复杂。

（二）水泥土的主要特性

 

1.物理性质水泥土的容重与天然土的容重相近，但水泥土的比重比天然土的比重稍大。

 

2.无侧限抗压强度水泥土的无侧限抗压强度一般为300～400kPa，比天然软土大几十倍至百倍，但影响水泥土无侧限抗压强度的因素很多，如水泥掺入量、龄期、水泥标号、土样含水率和有机质含量以及外掺剂等等。

 

为了降低工程造价，可以采用掺加粉煤灰的措施。掺加粉煤灰的水泥土，其强度一般比不掺粉煤灰的高。不同水泥掺入比的水泥土，当掺入与水泥等量的粉煤灰后，强度均比不掺粉煤灰的提高10％，因此采用深层搅拌法加固软土时掺入粉煤灰，不仅可消耗工业废料，还可提高水泥土的强度。

（三）施工技术

 

1.加固型式

 

根据目前的深层搅拌法施工工艺，搅拌桩可布置成柱状、壁状和块状三种型式，在堤防上用于地基加固，主要采用桩式，而用于防渗加固，应采用壁状式，壁状式是将相邻搅拌桩部分重叠搭接即成为壁状加固型式，组成水泥土挡墙，这种挡墙具有较高的抗渗性能，可以形成良好的隔水帷幕。

 

2.施工工艺

 

（1）湿法施工

 

主要的施工机械为深层搅拌机。深层搅拌法的施工主要可分为定位、预搅下沉、制备水泥浆、提升喷浆搅拌、重复上下搅拌、清洗等几个步骤。

 

（2）干法施工

 

干法是采用水泥粉料，由空气输送，通过搅拌叶片旋转产生的空隙部位喷出，并随着搅拌叶片的旋转均匀分布在整个空隙轨道面内，进而和原位地基土搅拌并混合在一起。施工机械主要是钻机、粉体发送器、空气压缩机、搅拌钻头等。

 

施工工序主要为1）柱体对位2）下钻3）钻进结束4）提升喷粉5）提升结束桩形成体等几个步骤。

 

（四）适用范围

 

深层搅拌法最适宜加固各种成因的饱和软粘土，常用于淤泥、淤泥质土、粘土、亚粘土等地质的加固，成桩深度可达30m，采用多头小直径桩成墙深度可达18m。

 

在堤防除险加固工程中，深层搅拌桩适用于处理软基堤防上滑坡段的。同时，还可以组成截渗墙，取得较好的防渗效果。

 

（五）深层搅拌法主要优点

 

1.加固效果好，加固方式灵活，适用面广

深层搅拌法可采用不同的加固型式、不同的桩长和置换率以满足不同土质条件和不同荷载要求的加固目的。对河道这种区域狭长、地质条件复杂，对沉降要求较高的工程比较适宜。采用搅拌桩挡土墙作为河岸边坡支护不仅能够保证边坡稳定，还具有防渗功能。

2.施工速度快

一般来说，每台深层搅拌机建造搅拌桩截渗墙的工效达13.2m2/台·时。

3.可充分利用原软土，无弃土问题

深层搅拌法是一种原位加固技术，可充分利用原状土，无弃土问题。

4.造价较低

每延长（截面积0.71m3）的深层搅拌桩的造价约为100元左右，按成墙厚度0.22m计,每平方米成墙造价为70余元，比采用垂直铺塑截渗、混凝土墙截渗、高喷水泥土墙截渗的造价低。