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高压旋喷桩基本原理

高压旋喷桩是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进土层的预定位置后，利用高压泵将浆液以20～40MPa的高压射流从喷嘴中喷射出，冲击破坏土体，同时钻杆以一定速度渐渐向上提升，将浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固后，在土中形成一个固结体，即旋喷桩。它具有增加地基强度、提高地基承载力、止水防渗、减少支挡结构物土压力、防止砂土液化和降低土的含水量等多种功能。

 

高压旋喷桩的基本原理包括以下几方面：

（1）高压喷射流对土体的破坏作用

高压喷射流集中和连续地作用在土体上，其喷射作用力有喷射流动压、射流脉动负荷、水锤冲击力、空穴现象、水模效应、挤压力及气流搅动力等，其中以喷射动压作用为主。

 

喷射流在终结区域，能量衰减很大，不能直接冲击土体使土颗粒剥落，但能对有效射程的边界土产生挤压力，对四周土有压密作用，并使部分浆液进入土粒之间的孔隙间，使固结体与四周土紧密相依，不产生脱离现象。

 

（2）水泥土固结作用

高压喷射注浆所采用的固化剂，我国目前主要为水泥浆，根据工程需要可添加防止沉淀或加速凝结的外加剂。

 

当用于砂性土时，水泥土的固化原理类同于建筑上常用的水泥砂浆，具有很高的强度，固化时间也相对较短。

 

当用于粘性土时，由于水泥掺量有限，且粘粒具有很大的比表面积并含有一定的活性物质，所以固化原理比较复杂，硬化速度也比较缓慢。

 

• 水泥的水解和水化反应

水泥与水拌和后发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等化合物。这些化合物可溶于水，使水泥颗粒表面重新露出来，再与水发生反应，这样水溶液很快会达到饱和，析出一种胶质物体。这种胶质物体有一部分混在水中悬浮，然后包围在水泥微粒的表面，形成一层胶凝薄膜，并逐渐发展连接起来成为胶凝体，开始有胶粘的性质。

 

• 粘土颗粒与水泥水化物的作用

当水泥的各种水化物生成后，有的继续硬化形成水泥石骨架，有的则与周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应。水泥水化物的凝胶粒子的比表面积比原来水泥颗粒大1000倍左右，因而产生很大的表面能，有强烈的吸附活性，能使较大的土团粒进一步结合起来，形成水泥土的团粒结构，并封闭各土团之间的孔隙，形成坚固的连接。

 

• 水泥土网络结构

在高压喷射注浆过程中，土体被破坏粉碎成各种粒径的颗粒或各种大小的土团，它们之间被水泥浆填满。所以，在水泥土中形成一些水泥及细土颗粒较多的微区，而在大小土团内部则没有水泥。水泥的水解水化作用及其与土颗粒之间的作用，开始主要在微区内进行，不断在水泥和土颗粒的周围形成各种结晶体，不断地生成、延伸并交织在一起形成空间网络结构，大小土团被分割包围在这些骨架中间。随着土体逐渐被挤密，自由水也逐渐减少消失，形成一种特殊的水泥土骨架结构。

 

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高压旋喷桩适用条件

高压旋喷桩法适用于处理淤泥、淤泥质土、黏性土(流塑、软塑和可塑)、粉土以及砂土、黄土、素填土和碎石土等地基。当土中含有较多的大粒径块石，大量植物根茎或有较高的有机质时，应根据现场试验结果确定其适用性。此外，当遇到地下水流速过大、无填充物的岩溶地段和对水泥有严重腐蚀的地基时，不宜使用高压旋喷桩法。

 

高压旋喷桩对场地要求较低，在那些施工场地狭窄、净空低，或地基土上部土质坚硬下部软弱，或者施工期不能停止生产运营的情况，高压旋喷桩得到广泛应用。

 

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设计

（1）桩径和长度

高压旋喷桩的直径和长度与地层、选定的注浆管类型、喷射压力、提升速度、旋转速度有关，浅层桩径可根据开挖确定，深层桩直径难以判断，设计时根据经验确定，其设计直径按下表选用，定喷及摆喷的有效直径约为旋喷桩直径的1.0～1.5倍。

 

表1 旋喷桩直径

 

（2）桩的强度

加固体的强度取决于地基土质、喷射压力和置换程度，一般黏性土和黄土中固体单轴抗压强度可达5~10MPa，砂土和砂砾土中的固结体强度可达到8~20MPa。

 

（3）单桩竖向承载力

由于单桩承载力的差异很大，故在有条件的地方应尽量安排单桩承载力试验。若无法进行现场试验时，可按下列公式计算，取其中值小者：

式中：R_k——单桩竖向承载力标准值；

          f_cu.k——桩身试块的无侧限抗压强度平均值；

          η——强度折减系数，可取0.35-0.5；

          A_p——桩的平均截面积；

          d——桩的平均直径；

          n——桩长范围内所划分的土层数；

           h_i——桩周第i层土的厚度；

           q_si——桩周第i层土的摩擦力标准值；

           q_p——桩端天然地基土的承载力标准值；

（4）复合地基承载力设计

旋喷桩复合地基承载力应通过现场复合地基载荷试验确定。若无试验条件，可按下式计算并结合当地情况及与其土质相似工程的经验确定：

式中：f_sp，k——复合地基承载力标准值；

           A_p——桩的平均截面积；

           A_e——1根桩承担的处理面积；

          β——桩间天然地基土承载力折减系数，可根据试验确定，无试验资料时可取0.2-0.6；

           f_s,k——桩间土天然地基土的承载力标准值；

（5）复合地基变形计算

旋喷桩复合地基变形包括桩长范围内复合土层以及下卧层地基变形两部分，变形值应按国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2002)中的有关规定计算。其中，复合土层的压缩模量可按下式确定：

式中：E_ps——旋喷桩复合土层压缩模量；

           E_s——桩间土的压缩模量；

           E_p——桩体的压缩模量，可采用测定混凝土割线弹性模量的方法确定；

（6）布孔形式及孔距设计

加固地基一般都采用旋喷方式，旋喷桩的孔距应根据工程需要经计算确定，一般情况下可取旋喷桩设计直径的2~3倍，这样可以充分发挥桩间土的作用。布孔方式可采用正方形、矩形或三角形，或根据具体情况采用其他的布孔方式。

（7）褥垫层

在桩顶设置褥垫层，厚度取150~300mm，垫层材料可选用中砂、粗砂、级配砂石，最大粒径不大于20mm，密实度应大于0.9。

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施工流程及施工工法

（1）高压旋喷桩施工工法

自20世纪70年代单管法发明以来，随着高压旋喷桩在工程实践中的广泛应用，其施工工法有了很大的发展，由最初的单管法发展形成了双重管法?三重管法?多孔管法等一系列工法?

• 单管法

单管法是利用高压泵喷嘴中喷射出来的高压浆液冲击破坏岩土体，同时借助于注浆管的提升和旋转，使浆液与崩落土体混合搅拌并凝结，在土体中形成圆柱状固结体?其施工示意图如图1(a)所示?

• 二重管法

二重管法工作原理与单管法大致相同，只不过双重管法是使用双通道的二重注浆管，在喷射高压浆液的同时利用空压机在其外围喷射压缩空气?喷射的压缩空气可以减缓喷射流动压的衰减，使得其破坏土体的能量显著增大，最后形成的桩体直径也明显增加?其施工示意图如图1(b)所示?

图1 单管法、双重管法、三重管法施工示意图

• 三重管法

三重管法是在二重管法的基础上增加了高压水射流，其首先利用20-40MPa的高压水和0.7MPa的压缩空气组成的水汽同轴复合流切削破坏土体，同时利用空气的上升力将部分小土粒排出地面，形成较大空隙，然后再将浆液以1-5MPa的压力注入土体，凝固后形成大直径的固结体，如图1(c)所示?

（2）旋喷桩施工流程

旋喷桩的施工流程主要是分为钻机和制备水泥浆液两部分，施工流程图如图2所示。

图2 高压旋喷桩施工流程图

• 钻机就位

钻机安放在设计孔位上，作水平校正，使钻杆轴线垂直对准孔位，并固定好钻机。

• 钻孔

钻孔的目的是为了把注浆管置入到预定深度；钻孔方法可根据地层条件、加固深度和机具设备等确定；成孔后，应校验孔位、孔深及垂直度是否符合设计要求。

• 接长钻杆

成孔合格后即可下注浆管到预定深度。若使用76型或70型振动钻机，下注浆管与钻孔两道工序合二为一，钻孔与下注浆管同时完成;若使用地质钻机，则必须将钻杆拔出，钻机移位后，再将喷射装置就位。在下管之前，需进行地面试喷，检验喷射装置及水、气、浆发生装置是否正常。

• 旋喷

将注浆管下到预定深度后，检验喷射方向摆动角度，进行地下试喷，一切正常后即可自下而上进行喷射作业。施工中注意检查浆液初凝时间、水气浆流量及压力、提升速度、旋摆速度、喷射方向等参数是否符合设计要求，并及时做好记录，绘制作业过程曲线。

• 冲洗钻机

喷射作业完成后，将注浆泵的吸浆管移到水箱内，在地面上喷射，以便把泥浆泵、注浆管和软管内的浆液全部排除，防止残存水泥浆堵塞管路。

 

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检验

（1）检验内容

• 固结体的几何特征，如固结体深度、高度、竖直度、断面形状及尺寸；

• 固结体物理力学及化学性能，如强度特性、防渗性、单桩或复合地基的承载力、变形模量、抗渗系数、抗冻性、耐久性能和抗溶蚀能力；

• 固结体物理性状，如整体性、均匀性、固结体之间搭接状况；

• 高压喷射注浆效果检验：单桩竖向、水平向承载力、复合地基承载力或防渗堵水帷幕的抗渗效果等；

• 工程质量测定：结构物的沉降观测，以及水工建筑物渗水量的测定。

（2）检验部位

检验点应布置在下列部位:

• 荷载大的部位；

• 施工中出现异常情况的部位；

• 地质情况复杂可能对高压旋喷注浆产生影响的部位。

质量检验应在旋喷施工结束4周后进行。

（3）检验方法

高压喷射注浆工程质量检验采用检查监理记录及施工记录、现场检验和室内试验等方法。

• 工程监理

这是一种中间质量检验方法，是确保高压喷射注浆工程质量的重要环节。现场质量监理实行24h跟班跟组制度，全程跟踪监测施工工艺及技术参数，做好钻孔记录表、制浆记录表喷射注浆表和监理日记等记录，及时发现并解决问题。

• 沉降监测

若使用高压喷射注浆处理已有结构物或邻近有建筑物时，应在施工期间进行沉降观测。对于重要的或对沉降有严格限制的结构，还应在使用期间进行沉降观测，用以评价地基加固效果和作为使用维护的依据。

• 现场检验

高压喷射注浆工程完成后，不论其规模大小，均应进行现场检验。检验量为高压喷射施工总孔数的2~5%，少于20孔的工程，至少要检验两个孔。检验不合格者，应在不合格孔位附近进行补喷或采取有效补救措施，然后再进行检验。检验点的位置应重点布置在工程的关键位置，喷射注浆时出现过异常现象和地质复杂的地段亦应检验。

高压喷射注浆固结体强度较低，28d的强度仅在2~10MPa之间，且强度的增长速度较慢。检验应在喷射注浆28d后进行，以防由于固结体强度不高时，因检验而受到破坏，影响检验的可靠性。

（4）现场检测方法

现场质量检验方法的选择，应结合具体情况确定。

• 浅部开挖检查

高压喷射注浆完毕待凝固具有一定强度后方可开挖。由于固结体完全暴露出来，因此可检查固结体顶高程、相邻孔段固结体的搭接状况、固结体几何形状和尺寸，从外观上判断固结体水泥含量及其均匀性，也可截取固结体进行室内试验。

• 钻孔取芯试验

可在已旋喷好的固结体中钻取芯样来观察其固结整体性、均匀性，并将芯样做成标准试件进行室内力学物理特性试验，以求得到强度特性，鉴定是否符合设计要求。

• 标准贯人试验

标准贯入试验一般在距注浆孔中心0.15 ~ 0.20m处进行，对N值应进行不同贯人深度的修正。

• 动力触探试验

对固结体和桩间土的质量，可用加固前后的动力触探结果进行对比试验，确定加固效果。

• 平板载荷试验

在进行载荷试验之前，应对固结体的加载部位进行加强处理，以防加载时固结体受力不均匀而损坏。

• 孔内载荷试验

包括气压或液压膨胀法和载荷板法。气压或液压膨胀法是在钻孔中用气压或液压使胶囊膨胀，从胶囊的膨胀量可知地层的横向荷重和位移关系，因而可求得变形系数和地层反力系数。载荷板法是在钻孔中设置平载荷板，一般以φ 107mm的地质套管作为传力杆，荷重加在套管上面。从其变形和荷重的关系,得到承载力和沉降量。

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结语

文章论述了旋喷桩工法，虽然在机场飞行区应用不多，但是随着我国改扩建机场增多，为了充分利旧，因此在航站区应用会逐渐增加。

 

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