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岩土研究院

单液高压喷射加固机理

246 2022-01-19 09:44:51

一、单液高压喷射流的构造

单管旋喷注浆使用高压喷射水泥浆流和多重管的高压水喷射流,它们的射流构造可用高压水连续喷射流在空气中的模式予以说明(图4.7-1)

单液高压喷射流沿其中心轴划分为保持出口压力的初期区域、紊流发达的主要区域,和喷射水变成不连续喷流的终期区域三部分。

初期区域包括喷射核和迁移区。高压喷射流在喷嘴出口处的流速分布是均匀的,轴向动压是常数,保持速度均匀的部分向前面逐渐愈来愈小,当达到某一位置后,断面上的流速分布不再是均匀的,速度分布保持均匀的这一部分称为喷射核。在喷射核的末端有一个过渡区,其喷射流的扩散宽度稍有增加,轴向动压有所减小,这个过渡区称为迁移区。初期区域的长度 z。是喷射流的一个重要参数,可据此判断破碎土体和搅拌的效果。

在初期区域后为主要区域,在这一区域内,轴向动区陡然减弱,速度进一步降低,它的扩散率为常数,书散宽度与距离的平方根成正比,在土中喷射时 喷射流与十在本区域内搅拌混合。

在主要区域后为终期区域,终期区域内的喷射流,处于能量衰竭状态,宽度很大,在空气中喷射时,在此区域水滴成雾状,与空气混合在一起,最后消失在大气中。

喷射加固的有效喷射长度为初期区域长度和主要区域长度之和,如有效喷射长度愈长,则搅拌土的距离愈大,亦即喷射加固体的直径也愈大。

二、高压喷射流的压力衰减

在空气中和水中喷射得到的压力与距离的关系曲线,如图4.7-2所示。喷射流在空气中喷射水时∶

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(二)水(或浆)、气同轴喷射流对土的破坏作用单射流虽然具有巨大的能量,但由于压力在土中急剧衰减,因此破坏土的有效射程较短,致使旋喷固结体的直径较小。

当在喷嘴出口的高压水喷射流的周围加上圆简状空气射流,进行水、气同轴喷射时,空气流使水(或浆}的高压喷射流从破环的土体上将土粒迅速吹散,使高压喷射流的喷射破坏条件得到改善,阻力大大减少,能量消耗降低,因面增大了高压喷射流的破坏能力,形成的旋喷固结体的直径较大。图4.7-4 为不同类型喷射流中动水压力与离喷嘴的距离关系,表明高速空气具有防止高速水射流动压急剧衰减的作用。

旋喷时,高压喷射流在地基中将土体切削破坏,其加固范围就是喷射距离加上渗透部分或压缩部分的长度为半径的圆柱体。一部分细小的土粒被喷射的浆液所置换,随着浆液流被带到地面上(俗称冒浆),其余的土粒与浆液搅拌混合。在喷射动压力、离心力和重力的共同作用下,在固结体的横断面上土粒按质量大小有规律池排列起来,小颗粒在中部居多,大颗粒多数在外侧或边缘部分,形成了浆液主体搅拌混合,压缩和渗透等部分,经过一定时间便凝固成强度较高渗透系数较小的固结体。随着土质的不同,横断面结构也多少有些不同,由于旋喷体不是等颗粒的单体结构,固结质量也不匀,通常是中心部分强度低,边缘部分强度高。

定喷时,高压喷射注浆的喷嘴不旋转,只作水平的固定方向喷射,并逐渐向上提升,便在土中冲成一条沟槽,并把浆液灌进槽中,最后形成一个板状固结体,它在砂性土中有一部分渗透层;而在粘性土中却无这一部分渗透层。

(三)水泥与土的固化机理

水泥与水搅拌后,首先产生铝酸三钙水化物和氢氧化钙,它们可溶于水中,但溶解度不高,很快就达到饱和,这种化学反应连续不断地进行,就析出一种胶质物体,这种胶质物体有一部分混在水中悬浮,后来就包围在水泥微粒的表面,形成一层胶凝薄膜。所生成的硅酸二钙水化物几平不溶于水,只能以无定形体的胶质包围在水泥微粒的表层,另一部分渗入水中。由水泥各种成分所生成的胶凝膜,逐渐发展起来成为胶凝体,此时表现为水泥的初凝状态,开始有胶粘的性质。此后。水况各成分在不缺水和不干涸的;清况下,继续不断地按上述水化程序发展、增强和扩大,从而产生下列现象∶(1)胶凝体增大并吸收水分,使凝固加速结合更密;(2)由于微晶(结晶核)的产生进而生出结晶体,结晶体与胶凝体相互包围渗透并达到一种稳定状态,这就是硬化的开始;(3)水化作用继续深入到水泥微粒内部,使未水化部分再参加以上的化学反应,直到完全没有水分以及胶质凝固和结晶充盈为此。但无论水化时间持续多久,很难将水泥微粒内核全部水化,因而水化过程是一个非常长久的过程。