高壓旋噴注漿固結(jié)體強(qiáng)度影響因素的研究

（山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司，山東 淄博 255000）

高壓旋噴注漿技術(shù)的應(yīng)用主要是利用旋噴出來的固結(jié)體，加固粘性土、黃土以及人工填土等地層，而且固結(jié)體要達(dá)到一定的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，使其能夠讓地基更加穩(wěn)固。所以科學(xué)分析影響高壓旋噴注漿固結(jié)體強(qiáng)度的因素，對于提高高壓旋噴注漿技術(shù)的應(yīng)用具有重要的工程意義。

1 土的工程性質(zhì)對固結(jié)體強(qiáng)度的影響

在固結(jié)體的形成過程中，土體結(jié)構(gòu)破壞后和漿液混合在一起，固凝形成為固結(jié)體，是固結(jié)體的組成材料，根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)證明，固結(jié)體中土顆粒含量占50%，因此土體特性、如顆粒組成、粘粒含量、有機(jī)質(zhì)含量以及含水量等對固結(jié)體強(qiáng)度的影響都很大，在粘性土中形成的固結(jié)體抗壓度約在1MPa～5MPa之間：在砂類土中形成的強(qiáng)度約為5MPa～15MPa之間。所以說土體性質(zhì)對固結(jié)體強(qiáng)度的形成起著決定性的作用。一般來說，砂類土及原土地基承載力較高的土，所形成的固結(jié)體強(qiáng)度也較高；淤泥以及泥質(zhì)土（尤其含有有機(jī)質(zhì)多的土）形成的固結(jié)體強(qiáng)度則較低。

表1 不同土層固結(jié)體強(qiáng)度對比

同一類土，含水量高則形成的固結(jié)體強(qiáng)度要低些。由于土體還是固結(jié)體的養(yǎng)護(hù)環(huán)境，土體的含水量和滲透性對固結(jié)體強(qiáng)度的形成有很大影響。當(dāng)土體的含水量大而滲透性較小時，水泥土漿中多余的水分就無法向外滲透，必然會在固結(jié)體內(nèi)形成孔隙，使固結(jié)體的強(qiáng)度降低。表1表示在不同地層中旋噴注漿所形成的固結(jié)體強(qiáng)度對比。

2 漿液材料的不同對固結(jié)體強(qiáng)度的影響

隨著研究的逐漸深入，以及對高壓旋噴注漿技術(shù)的重視，越來越多的漿液材料給在此項(xiàng)技術(shù)中得到了很好的應(yīng)用。高壓旋噴固結(jié)體主要成分就是硬化劑和土顆粒,經(jīng)過兩者的充分?jǐn)嚢瓒?。固化劑的?qiáng)度對土的固結(jié)體強(qiáng)度具有重要的影響。

（1）水泥種類和摻入比對固結(jié)體強(qiáng)度影響。經(jīng)過研究得知，水泥種類和摻入量的多少對固結(jié)體的強(qiáng)度具有重要的影響。水泥水化的速度和水泥強(qiáng)度等級的高低以及水泥顆粒的粗細(xì)具有重要的關(guān)系。強(qiáng)度等級越高的水泥，顆粒就越是細(xì)膩，就更加能夠加快水泥的水化速度。在相同的時間和相同的土質(zhì)條件下，產(chǎn)生的膠凝粒子數(shù)量就會更多，在相同水灰比時形成的漿液就越稠。圖1 為水灰比為1:1 時所用不同強(qiáng)度等級水泥漿液旋噴形成的固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度曲線。

圖1 1.425硅酸鹽水泥；2.425礦渣水泥；3.325礦渣水泥

從圖1中可以看出，水泥強(qiáng)度等級越高，形成的固結(jié)體強(qiáng)度就越高，硅酸鹽水泥形成的固結(jié)體強(qiáng)度要比礦渣水泥形成的高些。

隨著水泥摻入比的不同，固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度也發(fā)生的相應(yīng)的變化，水泥摻入量越高，固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度也隨著變高。

表2 不同摻入比時固結(jié)體抗壓強(qiáng)度的變化

（2）水灰比對固結(jié)體強(qiáng)度的影響。實(shí)踐證明，合理的水灰比例對固結(jié)體強(qiáng)度具有重要的影響。過高的水灰比會降低固結(jié)體的密實(shí)度，而水灰比小于0.8的時候，就會導(dǎo)致施工管路和噴咀堵塞不能順利施工。表3列出了在常見地層中進(jìn)行旋噴施工時形成的固結(jié)體和原狀土容重之比。

表3 固結(jié)體和原狀土容重對比

從表3可以看出，當(dāng)水灰比小于0.8時，漿液的可噴性較差，噴射效果不佳導(dǎo)致水泥土強(qiáng)度降低。原狀土經(jīng)過高壓水的切割破壞后，固結(jié)體的強(qiáng)度反而比原狀土的強(qiáng)度低。在實(shí)際工作中，為保證高壓噴射注漿順利施工及固結(jié)體的強(qiáng)度，一般的漿液水灰比例是1:1到1.5:1的范圍之內(nèi)。但是據(jù)多年的研究和實(shí)踐證明，硅酸鹽水泥完全水化的過程中，所需要的水量只是水泥用量的36%左右，往往實(shí)際施工過程中的用水量大大超過了需水量。這種情況導(dǎo)致水泥漿液中存有很多不必要的游離水，使固結(jié)體內(nèi)部出現(xiàn)空隙，影響抗壓強(qiáng)度[1]。

3 施工技術(shù)參數(shù)對固結(jié)體強(qiáng)度的影響

高壓旋噴注漿技術(shù)的主要技術(shù)參數(shù)包括噴咀的幾何形式以及尺寸、高壓噴射流注漿壓力，鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)和提升速度等，它們對旋噴注漿固結(jié)體強(qiáng)度有很大影響。

3.1 噴咀的形狀和大小因素對固結(jié)體強(qiáng)度的影響

噴嘴形狀對噴射效果的影響，已有不少試驗(yàn)結(jié)果。圖2所示為一種比較適用的噴嘴構(gòu)造。噴嘴的直線部分L和噴嘴總長度I均可按噴嘴直徑的比例確定。如果長度不足，則形成須絮流。

圖2 噴嘴的合理形狀

此外，噴嘴的角度和加工精度，對噴射流的特性均有顯著影響。

圖3 噴嘴加工質(zhì)量對噴射流的影響

圖3所示為兩種加工質(zhì)量不同的噴嘴，在相同的噴射壓力下形成不同射流。當(dāng)噴嘴加工質(zhì)量良好時（圖3a），可以形成良好的水束，反之則不能形成水束（圖3b），土體切削效果也不理想。由此可見，形狀合理、加工精密優(yōu)質(zhì)噴嘴，對噴射加固的范圍有著重要的影響。

3.2 噴射流壓力對固結(jié)體強(qiáng)度的影響

噴射流的破壞力隨著速度的提升而逐漸提升。在實(shí)際的工作過程中，利用加大泵壓來增加噴射流流量和流速，才能使得噴射流的破壞力達(dá)到工作的要求。因此，要求對提升對設(shè)備和材料的要求準(zhǔn)則。一般情況下，在高壓噴射注漿工作中，一般載能介質(zhì)泵都是用20-40兆帕左右的壓力[2]。

根據(jù)流體力學(xué)，射流流速（v0）、壓力（P）、流量（Q）很噴咀直徑（d）之間存在著下列關(guān)系：

由此可以看出，在流量一定的情況下，只有相應(yīng)地減少d的數(shù)值，即噴嘴直徑的大小，才能提高v0和p的數(shù)值，才能達(dá)到良好的噴射效果。

3.3 鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)和提升速度對固結(jié)體強(qiáng)度的影響

當(dāng)旋轉(zhuǎn)噴射時，射流方向垂直于旋轉(zhuǎn)軸，以噴咀為中心形成圓盤形破壞帶。射流在L半徑處的線速度即為橫向速度，此時橫移速度是相對半徑大小而變化的，圓形破壞帶的直徑與旋轉(zhuǎn)速度呈正比關(guān)系。噴咀一邊旋轉(zhuǎn)一邊提升，即沿旋轉(zhuǎn)軸方向螺旋狀上升。其噴嘴移動示意圖如圖4和噴嘴旋轉(zhuǎn)提升三維示5所示。

圖4 噴咀移動示意圖

圖5 噴嘴旋轉(zhuǎn)提升三維示意圖

由圖中可以看出，要使射流束破壞土體呈連續(xù)狀態(tài)，提升速度v的最大值為：每旋轉(zhuǎn)一周，噴咀提升的高度正好等于射流在L半徑處的有效擴(kuò)散寬度DL。若提升速度大于該值，則在L范圍內(nèi)的土體不能連續(xù)破壞，無法形成連續(xù)樁，不同的旋轉(zhuǎn)速度對應(yīng)不同的最大提升速度[3]。在最大提升速度下，射流對原位土體只產(chǎn)生一次破壞，根據(jù)成樁作用原理，結(jié)構(gòu)破壞后的土體還要靠射流進(jìn)一步的破壞，并與漿液攪拌混合，既能形成已定的直徑的樁體又能保證成樁質(zhì)量。這要靠增加重復(fù)破壞次數(shù)即降低提升速度來實(shí)現(xiàn)。

旋轉(zhuǎn)速度和提升速度之間有相互制約關(guān)系，在實(shí)際工作中，如果鉆機(jī)的提升速度過快，會在很大程度上減少固結(jié)體的直徑大小。一旦這些土塊和漿液進(jìn)行攪拌混合，就會嚴(yán)重影響固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度。

4 結(jié)語

隨著地基基礎(chǔ)工程行業(yè)技術(shù)人員對影響固結(jié)體強(qiáng)度的不同因素的不斷探索，逐漸形成一套根據(jù)設(shè)計方案的不同而使用不同施工方案的完整的工作系統(tǒng)，使固結(jié)體的強(qiáng)度逐漸符合設(shè)計要求。在實(shí)際的施工作業(yè)中，通過對地層的了解掌握、漿液材料的控制，以及對鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和提升速度的控制等，通過多個環(huán)節(jié)的合理調(diào)配，確保固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度。因此，對影響高壓旋噴注漿固結(jié)體強(qiáng)度的主要因素研究，具有重要的實(shí)際意義和作用。

[1]徐平,張敏霞,丁亞紅.高壓旋噴注漿加固設(shè)計及應(yīng)用[J].山西建筑,2009,35(13):94-95.

[2]雷崇紅,孫樹銘.高壓旋噴注漿技術(shù)及其應(yīng)用[J].鐵道建筑,2004,(05):42-45.

[3]孫家學(xué)等.影響注漿結(jié)石體強(qiáng)度的因素分析[J].金屬礦山,1992,4:94-95.