高压喷射灌浆和深层搅拌法加固技术

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）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，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
0 1.2±0.2
1.4±0.3
2.0±0.3

10 0.8±0.2
1.1±0.3
1.5±0.3

20 0.6±0.2
0.8±0.3
1.0±0.3

砂 土
0 1.0±0.2
1.6±0.3
2.5±0.3

10 0.8±0.2
1.3±0.3
1.8±0.3

20 0.6±0.2
1.0±0.3
1.2±0.3

砾 砂
20 0.6±0.2
1.0±0.3
1.2±0.3

单向定喷有效长度(m)


1.0～2.5

单桩垂直极限荷载(kN)
500～600
1000～1200
2000

单桩水平极限荷载(kN)
30～40



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1.5～2.0

S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.