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岩土研究院

高压旋喷加固机理

402 2022-05-05 09:41:51

一、高压喷水破坏土体

高压喷射破坏土体的机理可以主要归纳为以下几类;

流动压——高压喷射流冲击土体时,由于能量高度集中地作用于一个很小的区域,这个区城内的土体结构受到很大的压力作用,当这些外力超过土的临界破坏压力时,土体便发生破坏。

高压喷射流的破坏力p可以表达为∶

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可见破坏力与流量和流速的积成正比,或和流速的平方、喷嘴的面积成正比。压力越大、流量越大则破坏力也越大。

喷射流的脉动负荷-—当喷射流不停地脉冲式冲击十体时,土粒表面受到脉动负荷的影响,逐渐积累起残余变形,使土粒失去平衡而发生破坏。

水块的冲击力-—由于喷射流继续锤击土体产生冲击力,促进破坏的进一步发展。空穴现象——当土体没有被射出孔洞时,喷射流冲击十体以冲击面的大气压为基础、产牛压力变动。在压力差大的部位产生空洞.呈现出类似容穴的现象,在冲击面上的土体被气

泡的破坏力所腐蚀,使冲击面破坏。此外,空穴中由于喷射流的激流激烈紊流,也会把较软的土体掏空,造成空穴破坏,使更多的土粒发生破坏。

水楔效应——当喷射流充满土层,由于喷射流的反作用力,产生水楔,楔入土体裂隙或薄弱部分,这时喷射流的动压变为静压,使土体发生剥落裂隙加宽。

挤压力一——喷射流在终期区城能量衰减很大,不能直接破坏土体,但能对有效射程的边界十产生挤压力。对四周土有压密作用,并使部分浆液进人土粒之间的空隙里,使固结体与四周土紧密相依,不产生脱离现象。

气流搅动——空气流具有将已被水或浆液的高压嘶射流破坏了的土体。从七的表面迅速吹散的作用,使喷射流的作用得以保持,能量消耗得以减少,因而增大了高压喷射流的破坏能力。单管喷射注浆使浆液作为喷射流;二重管喷射注浆也使浆液作为喷射流,但在其四周又包裹了一层空气,成为复合喷射流;三重管以水气为复合喷射流并注浆填空;三者使用的浆液都随时间凝固硬化。其加固的范围就是喷射距离加上渗透部分或挤压部分。加固过程中一部分细小的十颗粒被浆液所置换。随着浆液被带到地面上(即冒浆),其余的土粒与浆液混合。在喷射动压、离心力和重力的作用下。在槽断面上按土粒质量的大小。有规律的排列起来。小颗粒在中部居多,大颗粒在外侧或边缘部分。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、渗遗系数较小的固结体。通常中心部分强度低;边缘部分强度高。

对大砾石和腐殖十的旋喷固结机理有别于砂土和粘土。在大砾石中,喷射流因砾石的体大量重,不能将其切削和使其重新排列,喷射流只能通过空隙,使空隙被浆液充填。由于喷射压力可使浆液向四周挤压,其加固的机理类似于渗透注浆。对于腐殖土层,旋喷固结体的形状和性质受植物纤维粗细长短、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,和在粘土中的旋喷机理相同,面对于纤维粗长量多的腐殖土,由于纤维具有弹性,切削是困难的,但由于空隙多,喷射流仍能穿过纤维体,形成圆柱形固结体,只是纤维多而密的部分

浆液少,固结体的均匀性较差。

二、水泥与土的固化机理

高压喷射所采用的硬化剂主要是水泥,并增添防治沉淀或加速凝固的外加剂。旋喷固结体是一种特殊的水泥一土网络结构,水泥土的水化反应要比纯水泥浆复杂得多。

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,土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的结晶。它们不断地生长,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,土体被分隔包围在这些水泥的骨架中,随着土体的不断被挤密,自由水也不断减少、消失,形成了种特殊的水泥土骨架结构。

水泥的各种成分所生成的胶质膜逐渐发展连接为胶质体。即表现为水泥的初凝状杰,随着水化过程的不断发展,凝胶体吸收水分并不断扩大,产生结晶体。结晶体与胶质体相互包围渗透,并达到一种稳定状态,这就是硬化的开始。水泥的水化过程是一个长久的过程,水化作用不断地深入到水泥的微粒中,直到水分完全被吸收,胶质凝固结晶充满为止。在这个过程中,固结体的强度将不断提高。

固结体抗冻和抗干湿循环,在一般一20℃条件下,凝固后的固结体是稳定的,因此在冻结温度不低于一20℃条件下;固结体可用于永久性工程。

加固土性状

一、直径

旋喷加固体的直径与土的种类和密实程度有着密切的关系,表 11-1为旋喷加固体直径的经验值。

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二、固结体形状

在均质土中旋喷的固柱体比较匀称。在非均质土或裂隙土中,圆柱体的表面可能长出翼片。由于旋喷的脉动和提升速度不均匀,固结体外表很粗糙。三重管旋喷的固结体受气流影响,在粘土中外表格外粗糙。固结体的形状可以通过喷射参数来加以控制。在深度大的土中如果不采用其他的措施,旋喷固结体可能出现上粗下细的形状。

三、固结体的密度

固结体内部的土粒少并含有一定量的气泡,所以固结体的重量较轻。和原状土的密度接近。粘性土固结体比原状土轻约 10%;但砂类土固结体也可能比原状土重 10%左右。

四、固结体强度

固结体强度的大小取决于土体的性质和旋喷的材料。软粘土的固结体强度成倍小于砂类土固结体强度。旋喷固结体的强度在横断面上,中心较低外侧较高。与土交界的边缘处有一圈坚硬的外壳。

固结体的抗拉强度一般是抗压强度的1/5~1/10。固结体的物理力学参数详见表100

11-2。

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固结体强度是不均匀的,不均匀性主要来自三个方面∶

结石体内土的干重量和水泥重量之比称为土灰比。首先是旋喷桩体不同部位的结石体内的土灰比不同,一般桩的顶部1~3m 的范围内土灰比较大,可达 2~3,向下土灰比趋于稳定,约为0.5~0.8。从桩中心到桩边缘,土灰比的值也是由大变小;施工方法、土层内的含水量均可影响到总水灰比值。水泥浆液的泌水沉降对水灰比影响很大,泌水会使桩顶部的水灰比大大高于桩下部;在冬季施工时,还可能存在因环境温度影响导致桩顶部的区城的温度较低,造成桩身强度的不均匀。

对三种水泥、各种配合比的净浆试件和固结体试件进行了强度试验,结果列于表 11-3。从表中可以看到,使用硫铝酸盐水泥并加入速凝剂,快凝早强效果明显。

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五、旋喷浆液的凝结时间

影响制品浆液凝结时间的主要因素有;水泥品种、环境温度、水灰比及外加剂。不同种类水泥的凝结时间差别很大,它和水泥的化学组成有关,如高铝水泥和硫铝酸盐水泥是速凝性的、而和渣水泥比-一般的雅酸盐水派凝结要慢、不同厂蒙生产的水沥费结时间相差也很大。

六、透气透水性

固结体的透气透水性差,其渗透系数可达10-8~10-7(cm/s)。

地质勘察

旋喷法加固方案设计前需进行以下的调查准备工作;一、工程地质勘探和土质调查

其中包括所在区域的工程地质概况,基岩形态、埋深和物理力学性质,各土层层面状态,土的种类和颗粒组成,化学成分、有机质和腐殖酸含量,天然含水量,液限、塑限、c值,φ值,N 值,抗压强度,裂隙通道和洞穴情况等。资料中要附有各钻孔的柱状图和地质剖面图。钻孔间距按一般建筑物详细勘查时的要求进行,但当水平方向变化较大时,宜适当加密孔距。用旋畴体作端承桩时,应注意持力层顶面的起伏变化情况。用作康擦桩时。应注意土层的不均匀性,有无软弱夹层。作端承桩时应钻至持力层下 2~3m。如在此范围内有软弱下卧层,应予钻穿,并达到厚度不小于3m 的密实土层。如需计算沉降,应至少钻至压缩层下限。作摩擦桩时,钻孔不应小于设计深度。

二、水文地质情况

水文地质情况包括地下水位高程;各层土的渗透系数;近地沟、暗河的分布和连通情况;地下水特性;硫酸根和其他腐烛性物质的含量;地下水的流量和流向等。土质和水质调查试验项目见表11-4。

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三、环境调查

包括地形地貌,施工场地的空间大小和地下结构、地下管线、地下障碍物的情况,材料和机具的运输道路,排污条件和周雨重要的结构物、保护性结构物、民居等的情况。

四、室内试验和现场试验

为了解喷射注浆后固结体可能具有的强度,决定浆液合理的配合比,必须取现场的各层土样,按不同的含水量和浆液配合比进行室内配方试验,优选出最合理的浆液配方。

对规模较大及较重要的工程,设计完成后。要在现场进行成桩试验,春明旋喘固结体的强度和直径.验证设计的可靠性和安全度。