高壓噴射注漿法在淤泥及淤泥質(zhì)土中的應(yīng)用研究

孫建樂(lè)

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077）

高壓噴射注漿法在淤泥及淤泥質(zhì)土中的應(yīng)用研究

孫建樂(lè)*

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077）

分析了高壓噴射注漿法在淤泥及淤泥質(zhì)土中難以成樁的原因，并通過(guò)試驗(yàn)得出在水泥中加入粉煤灰可以提高固化土的強(qiáng)度，當(dāng)粉煤灰添加量為水泥0.3倍時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值，當(dāng)水泥量不足時(shí)，光靠增加粉煤灰的量不能使強(qiáng)度得到較大增長(zhǎng)。同時(shí)采用改型后的鉆頭，可以形成外為噴射攪拌、內(nèi)為機(jī)械攪拌的固結(jié)體，有利于在淤泥質(zhì)土中形成均勻固結(jié)體。

高壓噴射注漿；固化試驗(yàn)；鉆頭改型

1　概述

高壓噴射注漿法創(chuàng)始于日本，是從化學(xué)注漿法的基礎(chǔ)上采用高壓水射流切割技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的，以水泥為主要材料，加固土體的質(zhì)量高、可靠性好，具有增加地基強(qiáng)度、提高地基承載力、止水防滲、減少支擋建筑物土壓力、防止砂土液化和降低土的含水量等功能［1］。

淤泥和淤泥質(zhì)土是工程建設(shè)中經(jīng)常遇到的軟土，在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積并經(jīng)生物化學(xué)作用形成。當(dāng)土中含有較多的大粒徑塊石、大量植物根莖或有較高的有機(jī)質(zhì)時(shí)，以及地下水流速過(guò)大和已涌水的工程，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果確定其適用性。大量工程實(shí)踐表明，直接在含有較高有機(jī)質(zhì)的淤泥和淤泥質(zhì)土中采用常規(guī)的高壓噴射注漿法難以形成理想的固結(jié)體［2］，加固效果不明顯。

2　高壓噴射注漿技術(shù)

旋噴注漿法由于不斷改進(jìn)工藝和研制新型機(jī)具，旋噴技術(shù)有了較快的發(fā)展，自從單管旋噴法問(wèn)世以來(lái)，短短幾年內(nèi)，二重管旋噴法、三重管旋噴法以及多重管旋噴法相繼達(dá)到了實(shí)用程度。單管旋噴注漿法是利用鉆機(jī)等設(shè)備，把安裝在注漿管（單管）底部側(cè)面的特殊噴嘴，置入土層預(yù)定深度后，用高壓泥漿泵等高壓發(fā)生裝置，以20～30MPa左右的壓力，把漿液從噴嘴中噴射出去切割破壞土體，同時(shí)借助注漿管的旋轉(zhuǎn)和提升運(yùn)動(dòng)，使?jié){液與土體上崩落下來(lái)的土攪拌混合，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間凝固，便在土中形成圓柱狀的固結(jié)體，成柱直徑40～50cm，稱為CCP工法。如圖1所示。

根據(jù)旋噴工藝的要求，漿液應(yīng)具備以下特性：（1）有良好的可噴性；（2）有足夠的穩(wěn)定性；（3）氣泡少；（4）調(diào)劑漿液的膠凝時(shí)間；（5）有良好的力學(xué)性能；（6）無(wú)毒、無(wú)臭；（7）結(jié)石率高。水泥是最便宜的注漿材料，取材也比較容易，是旋噴注漿的基本材料。一般采用325號(hào)或425號(hào)硅酸鹽水泥?；瘜W(xué)漿液還未在國(guó)內(nèi)大規(guī)模地使用，僅在少數(shù)工程中應(yīng)用過(guò)丙凝、脈醛樹(shù)脂等作為噴射漿液。為提高漿液的流動(dòng)性和穩(wěn)定性，改變漿液的膠凝時(shí)間，或提高固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度，可在水泥漿中加入外加劑［3］。純水泥與摻入水玻璃的水泥漿的滲透系數(shù)見(jiàn)表1。

旋噴注漿機(jī)具設(shè)備主要由造孔、制漿和噴射等機(jī)具組成。采用的旋噴方式不同，機(jī)具設(shè)備也不同，主要包括鉆機(jī)、高壓泵、泥漿泵、空氣壓縮機(jī)、注漿管、噴頭、流量計(jì)、輸漿管、制漿機(jī)等。噴頭上的高壓噴嘴是影響高壓噴射效果的關(guān)鍵部件，其內(nèi)外徑的光潔度、熱處理的硬度很重要，但對(duì)內(nèi)孔的幾何尺寸、形狀要求更為嚴(yán)格。氣噴嘴的環(huán)形間隙大小及氣噴嘴與水噴嘴的同心度，對(duì)風(fēng)量、水射流的質(zhì)量影響很大，為此，必須保證制造精度，在施工中，也應(yīng)經(jīng)常檢測(cè)并保證其裝配精度。鉆機(jī)是旋噴注漿中完成鉆進(jìn)、旋轉(zhuǎn)、提升的重要設(shè)備，可選用震動(dòng)鉆或其它地質(zhì)鉆機(jī)，一般將地質(zhì)鉆機(jī)改裝后便可滿足施工要求。對(duì)于二管法、三管法的提升、旋轉(zhuǎn)或擺動(dòng)，可采用能自動(dòng)行走的全液壓噴射臺(tái)車（噴機(jī)）。高壓旋噴注漿法施工的步驟示意圖見(jiàn)圖2。

圖1　單管旋噴注漿示意圖

表1　純水泥與摻入水玻璃的水泥漿的滲透系數(shù)

圖2　高壓旋噴注漿法施工示意圖

3　淤泥固化土試驗(yàn)對(duì)比研究

由于淤泥及淤泥質(zhì)土含水量大，透水性差，采用高壓噴射法在處理淤泥及淤泥質(zhì)土?xí)r，單純的使用純水泥漿固化處理這種方法不但存在土體受壓后固結(jié)問(wèn)題，還存在漿液本身的固結(jié)問(wèn)題，漿液固結(jié)后如有多余的水分，它在土內(nèi)無(wú)法排出，造成在淤泥中難以成樁和固結(jié)體強(qiáng)度偏低的問(wèn)題［4］。

3.1試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

主注漿材料選用水泥，水泥為陜西秦嶺水泥有限公司生產(chǎn)的《秦嶺牌》32.5普通硅酸鹽水泥。同時(shí)，在水泥中加入粉煤灰可以促進(jìn)水泥的固化效果?？紤]在水泥中加入一定量的粉煤灰，本試驗(yàn)所用的粉煤灰為大唐略陽(yáng)電廠的粉煤灰，主要成分是飛灰，約占2/3，以及各種鈣基化合物，約占1/3，研究其與水泥組合的效果，尋找其最佳的添加量。在水泥中加入粉煤灰不但可以解決淤泥固化的問(wèn)題，而且也減少了粉煤灰堆存量。本試驗(yàn)所用淤泥為典型沉積淤泥，屬于第四系沉積層（Qm），根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定其界限含水率、比重、容重，其基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表2所示。粉煤灰的主要化學(xué)組成如表3所示。

本試驗(yàn)所用的淤泥中草根等雜質(zhì)，為不影響試驗(yàn)精度，在試驗(yàn)之前先對(duì)淤泥過(guò)lmm篩，將淤泥中的雜質(zhì)濾出。①攪拌：攪拌以人工方式強(qiáng)制攪拌，轉(zhuǎn)速為100r/min，加入固化材料后攪拌5min裝模。②模具：做強(qiáng)度試樣的模具為標(biāo)準(zhǔn)的混凝土試模150mm× 150mm×150mm。③制樣：做無(wú)側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)固化強(qiáng)度的制樣方法是：將原狀土烘干后再按天然含水量將固化材料按設(shè)計(jì)配比直接摻入土中，將固化材料與軟土強(qiáng)行攪，攪拌5min，分3層裝入模具，每層振動(dòng)2min后，再裝下一層，直到裝滿。④養(yǎng)護(hù)：養(yǎng)護(hù)置于恒溫恒濕箱中，養(yǎng)護(hù)條件為濕度RH=90%～100%，溫度20℃± 2℃。養(yǎng)護(hù)24h脫模，脫模后試樣在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)，直到設(shè)計(jì)齡期。⑤試驗(yàn)：對(duì)于各個(gè)齡期，不同配比的試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

表2　物理力學(xué)指標(biāo)淤泥土

表3　粉煤灰的化學(xué)成分

3.2純水泥漿—淤泥固結(jié)體的強(qiáng)度特性

通過(guò)對(duì)淤泥及淤泥質(zhì)土的不同摻灰量、不同齡期的水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，分析水泥土的強(qiáng)度特征，為淤泥質(zhì)軟土加固處理的設(shè)計(jì)參數(shù)的確定提供試驗(yàn)依據(jù)。室內(nèi)試驗(yàn)是將原狀土烘干后再按天然含水量將水泥直接摻入土中，將水泥粉與軟土強(qiáng)行攪拌，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蠓謩e制備試驗(yàn)所需的無(wú)側(cè)限抗壓試樣，第二天脫模后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室里養(yǎng)護(hù)，對(duì)齡期7、14、21、28d的無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)。無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　純水泥漿—淤泥固結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.3水泥—粉煤灰復(fù)合漿—淤泥固結(jié)體的強(qiáng)度特性

為了對(duì)比純水泥漿和水泥—粉煤灰復(fù)合漿對(duì)加固淤泥及淤泥質(zhì)土的不同效果，又通過(guò)對(duì)淤泥及淤泥質(zhì)土的不同摻灰量、不同齡期的水泥—粉煤灰復(fù)合漿—淤泥固結(jié)體的無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，分析其的強(qiáng)度特征，與單純的純水泥漿—淤泥固結(jié)體強(qiáng)度做對(duì)比，為淤泥質(zhì)軟土加固處理時(shí)的加固材料的優(yōu)化選擇提供試驗(yàn)依據(jù)。無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　水泥—粉煤灰復(fù)合漿—淤泥固結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

4　高壓噴射鉆頭的研制與改型

淤泥中往往含有有機(jī)質(zhì)，一般噴射注漿后所形成的均勻性較差。深層攪拌法的原理是通過(guò)機(jī)械攪拌將水泥與土混合在一起，硬凝后形成水泥土固結(jié)體；而高壓噴射注漿法是利用拌漿系統(tǒng)、高壓注漿泵、鉆機(jī)等設(shè)備將水泥漿變成可以旋轉(zhuǎn)、上下移動(dòng)的高壓射流，利用射流的強(qiáng)大動(dòng)能將土體切割、破碎、拌和，使水泥漿均勻地與原位土體混合在一起，硬凝后形成水泥固結(jié)體。

基于對(duì)深層攪拌法和高壓噴射注漿法的綜合應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)有的高壓噴射鉆頭予以改型。改型鉆頭（圖3）的主要技術(shù)特點(diǎn)為：鉆頭立軸為中空結(jié)構(gòu)，與之相連的攪拌翅也是中空結(jié)構(gòu)；水泥漿從鉆桿進(jìn)入鉆頭立軸，然后進(jìn)入攪拌翅；噴嘴安裝在鉆頭攪拌翅的端部或立軸上。施工時(shí)攪拌翅部噴嘴的作用與旋噴樁相同，為噴射攪拌作用；立軸上的噴嘴的噴射攪拌作用和攪拌翅的機(jī)械攪拌作用相混合。從節(jié)省水泥等材料的角度講，立軸上也可不要噴嘴。在此情況下，翅端部噴嘴噴射攪拌形成的多余水泥漿液內(nèi)返，在攪拌翅的機(jī)械攪拌下與土混合形成攪拌固結(jié)體，這樣就形成了樁體材料外為噴射攪拌、內(nèi)為機(jī)械攪拌的固結(jié)體。

圖3　改進(jìn)鉆頭示意圖

該改型鉆頭在2004年首次應(yīng)用于靖遠(yuǎn)電廠三期擴(kuò)建工程旋噴樁地基處理工程。首先通過(guò)高壓射流破壞土體，然后通過(guò)機(jī)械攪拌使樁體均勻。開(kāi)挖結(jié)果表明：樁體上下均勻，結(jié)構(gòu)致密。

5　結(jié)論

通過(guò)對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，以及鉆頭改型研制后的工程實(shí)踐，可以得出以下結(jié)論：

（1）在水泥中加入粉煤灰可以提高固化土的強(qiáng)度。摻加量在53～245kg/m3時(shí)，7d強(qiáng)度最高可達(dá)到981.7kPa，比單一添加水泥時(shí)提高了34%。28d最高可達(dá)到2449.1kPa，比單一添加水泥時(shí)提高了45%。

（2）水泥與粉煤灰有一個(gè)最優(yōu)的組合，當(dāng)粉煤灰添加量為水泥0.3倍時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值。

（3）當(dāng)水泥量為525.0kg/m3時(shí)，其強(qiáng)度單靠增加粉煤灰的量，強(qiáng)度增加不明顯。而在612.5kg/m3水泥中添加粉煤灰，其強(qiáng)度增長(zhǎng)較明顯。就是說(shuō)在水泥—粉煤灰復(fù)合型固化材料試驗(yàn)中，主材水泥起主導(dǎo)作用，它也存在一個(gè)最小的添加量。當(dāng)水泥量不足時(shí)，光靠增加粉煤灰的量不能使強(qiáng)度得到較大增長(zhǎng)。

（4）對(duì)深層攪拌法和高壓噴射注漿法綜合應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)有的高壓噴射鉆頭予以改型，采用改型后的鉆頭，可以形成外為噴射攪拌、內(nèi)為機(jī)械攪拌的固結(jié)體，有利于在淤泥淤泥質(zhì)土中形成均勻固結(jié)體。

［1］徐至鈞，全科政.高壓噴射注漿法處理地基［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］張旭芝，符飛躍，王星華.南京地鐵軟—流塑淤泥質(zhì)地層劈裂注漿試驗(yàn)研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2004（1）.

［3］ 藍(lán)恒春.高壓噴射注漿法在軟弱土地基處理中的應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2004（8）：26-27.

［4］張春雷.淤泥固化土力學(xué)性質(zhì)及固化機(jī)理研究［D］.河海大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003.

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1004-5716（2016）07-0012-04

2015-11-09

2015-11-25

煤炭科學(xué)研究總院西安分院技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2005FYCX010）。

孫建樂(lè)（1981-），男（漢族），陜西周至人，工程師，現(xiàn)從事基建管理工作。