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岩土研究院

高压喷射注浆法加固地基的机理

363 2022-05-19 09:38:33

概 述

高压喷射注浆法创始于日本,是采用高压水射流切割技术而发展起来的。它以水泥为主要原料,加固土体的质量高,可靠性好,具有增加地基强度,提高地基承载力,止水防渗减少支挡建筑物土压力,防止砂土液化和降低土的含水量等多种功能。


高压喷射注浆,就是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后,用高压设备使浆液或水成为20 MPa左右的高压液流从喷嘴中喷射出来,冲击破坏土体。当能量大,速度快和呈脉动状的喷射流的动压超过土体结构强度时,土粒便从土体剥落下来。一部分细小的土粒随着浆液冒出地面.其余土粒在喷射流的冲击力、高心力和重力等作用下,与浆液搅拌混合,并按一定的浆土比例和质量大小有规律的重新排列。浆液凝固后.便在土中形成一个固结体。固结体的形状和喷射流移动方向有关,一般分为旋转喷射(简称旋喷)和定向喷射(简称定喷)两种注浆形式。作为地基加固,通常采用旋喷形式,使加固体在土中成为均匀的圆柱体或异形圆柱体。当前。高压喷射注浆法的基本种类有;单管法、二重管法、三重管法和多重管法等四种方法。它们各有特点,可根据工程要求和土质条件选用。


1.适用土质条件

高压旋喷注浆加固地基技术,主要适用于软弱土层,如第四纪的冲(洪)积层、残积层及人工填土等。这些正是建筑物地基常出现病害需要进行处理的地层。


2.工程使用范围

从固结体的目前性质来看,喷射注浆法宜作为地基加固和基础防渗之用。按用途,可分为增加地基强度、挡土围摄及地下工程建设、增大土的摩擦力及粘聚力,减小振动防止砂土液化、降低土的含水量、防渗帷幕防止洪水冲刷等土类工程二十个方面。


基本原理

加固地基的机理

1.高压喷射流对土体的破坏作用

高压喷射流破坏土体的效能,是随着土的物理力学性质的不同,在数量方面有较大的差异。啼射流破坏土的机理比较复杂。目前在理论上尚未充分查明,但可以透过旋喷的现象,分析出破坏土的主要作用。


高压喷射流冲击土体时。由于能量高度集中地冲击一个很小的区域,因而在这个区域内及其周围的土和土结构的组织之间,受到很大的压应力作用,当这些外力超过土颗粒结构的破坏临界数值,土体便受到破坏。


喷射流的流速与破坏力的关系;

高压喷射法对土体的切割主要是高速的喷射流,而喷射流的破坏力p可用下式表示。


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可见,破坏力当p和A为定值时,与流速的平方成正比。如果要获得大的破坏力,则需要通过高的压力产生大的流速,这也就思高压略射流通常要求保持20 MPa 以上压力的原因。压力愈高,流速愈大,则破坏力愈大,切割、搅拌土体的范围也越大。


2.高压旋喷成桩机理

由于高压喷射流是高能高速集中和连续作用于土体上,压应力和冲蚀等多种因素总是同时密集在压应力区域内发生效应,因此,喷射流具有冲击切割破坏土体并使浆液与土搅拌混合的功能。


单管喷射注浆使用浆液作为喷射流;二重管喷射注浆也以浆液作为喷射流,但在其外周裹着一圈空气流成为复合喷射流;三重管喷射法注浆,以水气为复合喷射流并注浆填空;多重管喷射注浆的高压水射流把土冲空以浆液填充。四者使用的浆液都随时间逐渐凝固硬化。


固结体的形状与喷嘴移动的方向和持续喷射的时间有密切的关系。旋喷注浆法固结土的过程详见图7-1。


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旋喷时,高压喷射流在地基中把土体切削破坏。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,离心力和重力的共同作用下,在横断面上土粒质量大小有规律地排列起来,小颗粒在中间部位居多,大颗粒多在外侧或边缘部分,形成了以浆液为主体、搅拌混合和压缩的渗透等部分,经过一定时间便凝固成强度较高渗透系数小的固结体。随着土质的不同,横断面的结构多少有些不同,如图7-2所示。由于旋喷体不是等颗粒的单体结构,固结质量不太均匀,通常中心的强度低,边缘部分强度高。


对大砾石和腐殖土的旋喷固结机理有别于砂类土和粘性土。在大砾石中,喷射流因砾石体大量重,不能切削颗粒或者使其移动和重新排列,如图7-3所示,喷射流只能通过其间隙,充满砾石周围的空隙。鉴于喷喷嘴的旋转,能使喷射流保持一定的方向性,浆液向四周挤压,其机理接近于所谓的渗透理论的机理,因而形成圆柱形加固的地基。对于腐殖土层,旋喷固结体的形状及它的性质,受植物纤维的粗细长短,含水量及土颗粒多少的影响很大。对纤维细短的腐殖土旋喷时,完全与在粘性土中的旋喷机理相同。然而对纤维粗长而数量多的腐殖土旋喷时,纤维质富于弹性,切削是困难的,但由于孔隙多,喷射流仍能穿过纤维体,形成圆柱形固结体,但纤维质多而密的部位,浆液少,固结体的均匀性较差。


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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,并把浆液灌进精中,从土体上冲落下来的土粒,一部分随着水流与气流被带出地面,其余的颗粒与浆液搅拌混合,最后形成一个板状固结体。固结体在砂质土中有一部分渗透层。粘性土则无。固结体的结构见图7-4。


3.水泥与土的固化原理

高压喷射采用的硬化剂,我国目前主要为水泥浆,并增添防止沉淀或加速凝结的外加剂。当地基为砂质土时,用水泥浆与砂混合显然可以得到较高的强度,在理论和实践上均早已得到证实。但当土质为软弱粘性土时,水泥浆与土混合后形成的强度特性则有所不同。


(1)旋喷固结体的网络结构分析

旋喷固结体是一种特殊的水泥土网络结构。水泥土的水化反应比纯水泥浆的反应复杂得多。由于水泥土是一种空间不均匀材料,在高压旋喷搅拌过程中,水泥和土被混合在一起,首先是土体被粉碎,随着压力的增加,土被打碎成各种粒径颗粒,在颗粒间被水泥浆所填满。水泥水化后,在土颗粒的周围形成了各种水化物结晶,它们不断地生长、伸延、特别是钙矾石的针状结晶很快地生长交织在一起形成空间的网络结构,土体被分割包围在这些水泥的骨架中间。随着土体逐渐被挤密,自由水也逐渐减少、消失,形成了一种特殊的水泥土骨架结构。土体的矿物成分和物理化学性质决定了水泥土的强度和结构形成过程的趋向。


(2)水泥土体间的物理化学作用

土和水泥水化物间的物理化学反应是以物理吸附和化学附着的相互作用的形式产生的,并且不可逆地吸收水泥水解作用的个别产物。首先是水泥熟料矿物水解时所分解出的氢氧化钙发生物理-化学作用。

但这些反应过程是比较缓慢的,当土中含有大量粗砂颗粒时,在很长的过程中,石英砂粒表面才能与水泥水化产物发生作用。一般条件下粘砂土和粉细砂就与Ca(OH);起强烈化学作用,并在水泥结石与矿物颗粒之间的接触表面上形成含水化合物,随着结晶的长大与土颗粒相搭接,形成空间网络结构,这就增加了水泥的强度。


(3)耐久性

旋喷固结体就其化学性质而言是稳定的。冻融、干湿循环试验结果表明,一般在-20℃条件下,固结体是抗冻的和抗干湿循环作用的。


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