高壓噴射注漿法加固地基的作用機理探討
發布時間：2010-01-14 共1頁
1. 引言
高壓噴射注漿法是在注漿法的基礎上，應用高壓噴射技術而發展起來的一項新的地基加固方法，于1970年始于日本。它是利用工程鉆機鉆孔作為導孔，將帶有特殊噴嘴的噴射管插入設計處理深度后，用高壓脈沖泵等高壓發生裝置，使漿液或水以20～40 MPa的高壓流從噴嘴中噴出，沖擊切割土體。當能量、速度快、呈脈動狀的噴射流的動壓超過土體結構強度時，土粒便從土體上剝落下來。一部分細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量小有規律的重新排列。待漿液凝固后，便在土中形成一固結體，固結體的形狀與噴射流移動方向有關。
高壓旋噴注漿法適用于處理淤泥、淤泥質粘土，粘性土、粉土、黃土、砂土、人工填土等地基。當土中含有較多的粒徑塊石、堅硬粘性土、量植物根莖或有過多的用機質時，應根據現場試驗結果確定其使用程度。
2. 旋噴樁加固技術的優點
（1）由于將水泥土與原地基軟土就地攪拌混合，因而可最限度地利用原土；
（2）對周圍原有建筑的影響較小；
（3）可按照不同的地基土的性質及工程設計要求，合理選擇，設計比較靈活；
（4）施工設備簡單，管理方便，施工時無振動，無污染，可在密集的建筑群中進行施工，而且料源廣闊，價格低廉；
（5）土體加固后重度變化不，粘性土固結體比原狀土輕約10%，但砂類土固結體可能比原狀土重10%左右，基本上輕于或接近原狀土的容量，較小的產生附加沉降；
（6）透氣透水性差，固結體內雖有一定的孔隙，但這些孔隙并不貫通，為封密型，而且固結體有一層較致密的硬殼，其滲透系數相當高，具有一定的防滲功能；
（7）固結強度高，單樁承載力較高；
（8）與鋼筋混凝土樁基比，節省了量的鋼材，降低了造價；
（9）根據上部結構的需要，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。 快把結構工程師站點加入收藏夾吧！
3. 水射流破土機理分析
3.1 影響水射流破土效果的因素。水氣同軸噴射時，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；與空氣射流的速度、方向及流量小等因素有關；與被破碎土體的密度、顆粒小及級配、抗剪強度等因素有關。
隨著噴射壓力增加，有效噴射距離增，但噴射流的流量對水射流壓力有較影響。水射流出口速度增加，所攜帶的能量增，破土效果提高。空氣射流的速度越，高壓水射流速度的衰減越小，空氣射流的流量增加，水射流的擴散減小，射流有效距離增，可取得較好的破土效果，因而成樁直徑增。
3.2 水射流對土體的破壞作用。水射流破土效果，隨土介質的物理力學性質不同而變化。當噴射初始時，被破壞土體處于三向受壓狀態，在水射流沖擊點表而，土體被水射流沖壓產生凹陷變形。
射流作用在土體表而時，將產生兩種作用力：一是在距噴嘴較近處，射流作用而積很小，壓力遠遠于土體的自重應力，因而在土體中少產生個剪切力；一是在距噴嘴較遠處，射流壓力不能使土體發生破壞，但可壓密土體并將部分射流液體擠入土體中，因而在土體中產生個擠壓力。對于無粘性土，滲透作用占主導地位；對于粘性土，壓密起主要作用。
當水射流移動進入土顆粒之間時，土體因被切割而破壞。由于土質的不均勻性，水射流首先進入孔隙中產生側向擠壓力，以裂隙為邊界塊土體被沖刷下來，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再發生破壞，這就是噴射樁體內存在塊狀土的原因。
4. 高壓旋噴樁成樁機理
由于高壓噴射流是高能高速集中和連續地作用于土體上，壓應力和沖蝕等多種因素總是同時密集在壓應力區域內發生效應。因此，噴射流具有沖擊切割破壞土體并使漿液與土攪拌混合的功能。
單管噴射注漿使用漿液作為噴射流；一重管噴射注漿也以漿液作為噴射流，但在其外周裹著一圈空氣流形成復合噴射流；三重管噴射法注漿，以水氣為復合噴射流并注漿填空；多重管噴射注漿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間增長而逐漸凝固硬化。
固結體的形狀與噴嘴移動的方向及持續噴射的時間有著密切的關系。當噴嘴一面旋轉和提升時，便形成圓柱狀或異型圓柱狀固結體；當噴嘴一面噴射一面提升時，便形成壁狀固結體。
礫石和腐硝土的旋噴固結機理有別于砂類土和粘性土。在礫石中，噴射流因礫石的體量重，不能切割顆粒或者使其移動和重新排列，噴射流只能通過其空隙，充滿周圍的空隙。鑒于噴嘴的旋轉能使噴射流保持一定的方向性，漿液向四周擠壓，其機理接近于所謂的滲透理論的機理，因而形成圓柱形加固的地基。對于腐硝土層，旋噴固結體的形狀及它的性質，受植物纖維的粗細長短，含水量及土顆粒多少的影響很。對纖維細短的腐硝土旋噴時，完全和在粘性土中的旋噴機理相同。然而對纖維粗長且數量多的腐硝土旋噴時，由于纖維質富有彈性，切削是困難的。但由于其孔隙較多，噴射流仍可穿過纖維體，形成圓柱形固結體。但在纖維質多而密的部位，漿液相對較少，固結體的均勻性較差。
定噴時，高壓噴射灌漿的噴嘴不旋轉，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，并把漿液灌進槽中。從土體上沖落下來的土粒，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，最后形成個板狀固結體。固結體在砂質土中有一部分滲透層，但在粘性土則沒有。
5. 旋噴漿液在土中的硬化機理
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。旋噴固結體是一種特殊的水泥——土骨架結構，水泥土的水反應要比純水泥漿復雜的多。
由于水泥土是一種空間不均勻材料，在高壓旋噴攪拌過程中，水泥和土混合在一起，土顆粒間被水泥漿所填滿。水泥水化后在土顆粒的周圍形成各種水化物的結晶，它們不斷生長，特別是鈣礬石的針狀結晶，很快的生長交織在一起，形成空間的網絡結構，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構。固結體強度隨時間增長的機理可分別從水泥的水化硬化作用、水泥-土空間結構的形成、以及水泥與土之間的長期物理化學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生化學反應，生成一系列結晶，隨時間增長結晶過程不斷趨于完整，這些結晶是水泥石強度的主要來源。水泥的加入已從根本上改變了土體結構，水泥包裹在土顆粒表面，并把它們粘在一起形成整體。在短時間內，土粒周圍充滿了水泥凝膠體。隨時間增長，水泥凝膠體結晶，并逐漸充滿土體的空隙，土體與水泥形成特殊的水泥-土骨架結構，土的強度也隨之得以改善。水泥凝膠體的結晶過程是較緩慢的，因此，固結體的強度會在較長時間內持續增長。
由水泥的各種成分所生成的膠質膜逐漸發展連接成膠質體，即表現為水泥的初凝狀態，隨著水化過程的不斷發展，凝膠體吸收水分并不斷擴，產生結晶體。結晶體與膠質體相互包圍滲透，并達到一種穩定狀態，這就是硬化的開始。水泥的水化過程是一個長久的過程，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，膠質體凝固結晶充滿為止。在這個過程中，固結體的強度將不斷提高。
6. 旋噴注漿法的可靠性
高壓噴射注漿用高達20~40MPa壓力，其沖擊破壞土體的能量十分巨人，對粘性上和砂土都能沖切破壞。凡是高壓水射流能沖動土粒的土，都能進行高壓噴射注漿加固，只要按照正確的順序施工、使用優質水泥等注漿材料和采用恰當噴射技術參數以及合理的設計，即可獲得優良的加固地基和防滲帷幕墻。
6.1 固結體的可靠性高。高壓噴射注漿是以高壓噴射流強力破壞土體，有效破壞的距離較，待水泥漿與土粒硬化后，即形成一個固結體。
固結體的直徑（長度）受土層影響外表呈凸凹不規則狀，硬土的固結直徑（長度）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，固結體在良好的（對混凝土無侵蝕）環境中，強度不斷增加，強度增加率延續至10年以上。經實測10年可增加1.5倍乃至更高。
因此，只要在對混凝土無侵蝕的地下水和不受凍（即凍結溫度不低于負200C）的條件下，固結體的質量可靠，可作為永久性地基和防滲帷幕。
6.2 高壓噴射注漿構筑物的可靠性強高壓噴射注漿構造的旋噴排樁、復合地基、地下防滲帷幕等形式的構筑物的質量較好。
6.2.1 旋噴排樁及防滲帷幕整體的連接質量優良旋噴排樁系由多個旋噴單樁連接而成，防滲帷幕亦是由多個定噴、擺噴或旋噴的單體組成。它們不是同時噴成，但是不存在新老連接不好的問題。防滲帷慕的穩定性較好。
因為高壓噴射流的能量巨，只要新老固結體能相連接，新固結體的噴射流能把老固結體表面沖擊的非常干凈，硬化后新老固結體連為一體。
6.2.2 旋噴復合地基的質量有保證。 旋噴復合地基由多個不相連的旋噴樁組成。旋噴時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，其數量、粗細（厚薄）和長短與土的裂隙狀況及噴射技術參數有關。也就是說，旋噴復合地基不但有旋噴樁，在樁之間的土中還有若干支體固結體，它們在一定程度上改善了樁間土的物理力學性能，從而加了復合地基的承載力，減小了地基的沉降量。
高壓噴射注漿法是在注漿法的基礎上，應用高壓噴射技術而發展起來的一項新的地基加固方法，于1970年始于日本。它是利用工程鉆機鉆孔作為導孔，將帶有特殊噴嘴的噴射管插入設計處理深度后，用高壓脈沖泵等高壓發生裝置，使漿液或水以20～40 MPa的高壓流從噴嘴中噴出，沖擊切割土體。當能量、速度快、呈脈動狀的噴射流的動壓超過土體結構強度時，土粒便從土體上剝落下來。一部分細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量小有規律的重新排列。待漿液凝固后，便在土中形成一固結體，固結體的形狀與噴射流移動方向有關。
高壓旋噴注漿法適用于處理淤泥、淤泥質粘土，粘性土、粉土、黃土、砂土、人工填土等地基。當土中含有較多的粒徑塊石、堅硬粘性土、量植物根莖或有過多的用機質時，應根據現場試驗結果確定其使用程度。
2. 旋噴樁加固技術的優點
（1）由于將水泥土與原地基軟土就地攪拌混合，因而可最限度地利用原土；
（2）對周圍原有建筑的影響較小；
（3）可按照不同的地基土的性質及工程設計要求，合理選擇，設計比較靈活；
（4）施工設備簡單，管理方便，施工時無振動，無污染，可在密集的建筑群中進行施工，而且料源廣闊，價格低廉；
（5）土體加固后重度變化不，粘性土固結體比原狀土輕約10%，但砂類土固結體可能比原狀土重10%左右，基本上輕于或接近原狀土的容量，較小的產生附加沉降；
（6）透氣透水性差，固結體內雖有一定的孔隙，但這些孔隙并不貫通，為封密型，而且固結體有一層較致密的硬殼，其滲透系數相當高，具有一定的防滲功能；
（7）固結強度高，單樁承載力較高；
（8）與鋼筋混凝土樁基比，節省了量的鋼材，降低了造價；
（9）根據上部結構的需要，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。 快把結構工程師站點加入收藏夾吧！
3. 水射流破土機理分析
3.1 影響水射流破土效果的因素。水氣同軸噴射時，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；與空氣射流的速度、方向及流量小等因素有關；與被破碎土體的密度、顆粒小及級配、抗剪強度等因素有關。
隨著噴射壓力增加，有效噴射距離增，但噴射流的流量對水射流壓力有較影響。水射流出口速度增加，所攜帶的能量增，破土效果提高。空氣射流的速度越，高壓水射流速度的衰減越小，空氣射流的流量增加，水射流的擴散減小，射流有效距離增，可取得較好的破土效果，因而成樁直徑增。
3.2 水射流對土體的破壞作用。水射流破土效果，隨土介質的物理力學性質不同而變化。當噴射初始時，被破壞土體處于三向受壓狀態，在水射流沖擊點表而，土體被水射流沖壓產生凹陷變形。
射流作用在土體表而時，將產生兩種作用力：一是在距噴嘴較近處，射流作用而積很小，壓力遠遠于土體的自重應力，因而在土體中少產生個剪切力；一是在距噴嘴較遠處，射流壓力不能使土體發生破壞，但可壓密土體并將部分射流液體擠入土體中，因而在土體中產生個擠壓力。對于無粘性土，滲透作用占主導地位；對于粘性土，壓密起主要作用。
當水射流移動進入土顆粒之間時，土體因被切割而破壞。由于土質的不均勻性，水射流首先進入孔隙中產生側向擠壓力，以裂隙為邊界塊土體被沖刷下來，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再發生破壞，這就是噴射樁體內存在塊狀土的原因。
4. 高壓旋噴樁成樁機理
由于高壓噴射流是高能高速集中和連續地作用于土體上，壓應力和沖蝕等多種因素總是同時密集在壓應力區域內發生效應。因此，噴射流具有沖擊切割破壞土體并使漿液與土攪拌混合的功能。
單管噴射注漿使用漿液作為噴射流；一重管噴射注漿也以漿液作為噴射流，但在其外周裹著一圈空氣流形成復合噴射流；三重管噴射法注漿，以水氣為復合噴射流并注漿填空；多重管噴射注漿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間增長而逐漸凝固硬化。
固結體的形狀與噴嘴移動的方向及持續噴射的時間有著密切的關系。當噴嘴一面旋轉和提升時，便形成圓柱狀或異型圓柱狀固結體；當噴嘴一面噴射一面提升時，便形成壁狀固結體。
礫石和腐硝土的旋噴固結機理有別于砂類土和粘性土。在礫石中，噴射流因礫石的體量重，不能切割顆粒或者使其移動和重新排列，噴射流只能通過其空隙，充滿周圍的空隙。鑒于噴嘴的旋轉能使噴射流保持一定的方向性，漿液向四周擠壓，其機理接近于所謂的滲透理論的機理，因而形成圓柱形加固的地基。對于腐硝土層，旋噴固結體的形狀及它的性質，受植物纖維的粗細長短，含水量及土顆粒多少的影響很。對纖維細短的腐硝土旋噴時，完全和在粘性土中的旋噴機理相同。然而對纖維粗長且數量多的腐硝土旋噴時，由于纖維質富有彈性，切削是困難的。但由于其孔隙較多，噴射流仍可穿過纖維體，形成圓柱形固結體。但在纖維質多而密的部位，漿液相對較少，固結體的均勻性較差。
定噴時，高壓噴射灌漿的噴嘴不旋轉，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，并把漿液灌進槽中。從土體上沖落下來的土粒，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，最后形成個板狀固結體。固結體在砂質土中有一部分滲透層，但在粘性土則沒有。
5. 旋噴漿液在土中的硬化機理
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。旋噴固結體是一種特殊的水泥——土骨架結構，水泥土的水反應要比純水泥漿復雜的多。
由于水泥土是一種空間不均勻材料，在高壓旋噴攪拌過程中，水泥和土混合在一起，土顆粒間被水泥漿所填滿。水泥水化后在土顆粒的周圍形成各種水化物的結晶，它們不斷生長，特別是鈣礬石的針狀結晶，很快的生長交織在一起，形成空間的網絡結構，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構。固結體強度隨時間增長的機理可分別從水泥的水化硬化作用、水泥-土空間結構的形成、以及水泥與土之間的長期物理化學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生化學反應，生成一系列結晶，隨時間增長結晶過程不斷趨于完整，這些結晶是水泥石強度的主要來源。水泥的加入已從根本上改變了土體結構，水泥包裹在土顆粒表面，并把它們粘在一起形成整體。在短時間內，土粒周圍充滿了水泥凝膠體。隨時間增長，水泥凝膠體結晶，并逐漸充滿土體的空隙，土體與水泥形成特殊的水泥-土骨架結構，土的強度也隨之得以改善。水泥凝膠體的結晶過程是較緩慢的，因此，固結體的強度會在較長時間內持續增長。
由水泥的各種成分所生成的膠質膜逐漸發展連接成膠質體，即表現為水泥的初凝狀態，隨著水化過程的不斷發展，凝膠體吸收水分并不斷擴，產生結晶體。結晶體與膠質體相互包圍滲透，并達到一種穩定狀態，這就是硬化的開始。水泥的水化過程是一個長久的過程，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，膠質體凝固結晶充滿為止。在這個過程中，固結體的強度將不斷提高。
6. 旋噴注漿法的可靠性
高壓噴射注漿用高達20~40MPa壓力，其沖擊破壞土體的能量十分巨人，對粘性上和砂土都能沖切破壞。凡是高壓水射流能沖動土粒的土，都能進行高壓噴射注漿加固，只要按照正確的順序施工、使用優質水泥等注漿材料和采用恰當噴射技術參數以及合理的設計，即可獲得優良的加固地基和防滲帷幕墻。
6.1 固結體的可靠性高。高壓噴射注漿是以高壓噴射流強力破壞土體，有效破壞的距離較，待水泥漿與土粒硬化后，即形成一個固結體。
固結體的直徑（長度）受土層影響外表呈凸凹不規則狀，硬土的固結直徑（長度）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，固結體在良好的（對混凝土無侵蝕）環境中，強度不斷增加，強度增加率延續至10年以上。經實測10年可增加1.5倍乃至更高。
因此，只要在對混凝土無侵蝕的地下水和不受凍（即凍結溫度不低于負200C）的條件下，固結體的質量可靠，可作為永久性地基和防滲帷幕。
6.2 高壓噴射注漿構筑物的可靠性強高壓噴射注漿構造的旋噴排樁、復合地基、地下防滲帷幕等形式的構筑物的質量較好。
6.2.1 旋噴排樁及防滲帷幕整體的連接質量優良旋噴排樁系由多個旋噴單樁連接而成，防滲帷幕亦是由多個定噴、擺噴或旋噴的單體組成。它們不是同時噴成，但是不存在新老連接不好的問題。防滲帷慕的穩定性較好。
因為高壓噴射流的能量巨，只要新老固結體能相連接，新固結體的噴射流能把老固結體表面沖擊的非常干凈，硬化后新老固結體連為一體。
6.2.2 旋噴復合地基的質量有保證。 旋噴復合地基由多個不相連的旋噴樁組成。旋噴時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，其數量、粗細（厚薄）和長短與土的裂隙狀況及噴射技術參數有關。也就是說，旋噴復合地基不但有旋噴樁，在樁之間的土中還有若干支體固結體，它們在一定程度上改善了樁間土的物理力學性能，從而加了復合地基的承載力，減小了地基的沉降量。
