旋喷桩的加固机理.doc

高压旋喷桩复合地基的加固机理和施工工艺 （作者：祝岁吾 西北有色勘测工程公司，陕西 西安） 摘要：高压旋喷桩是近年来发展起来的一项土体加固新技术；它是利用钻机设备产生的高压，将水泥浆喷射到土体，使水泥固结体与桩间土形成一种新的复合地基，从而提高地基土的承载力；高压旋喷桩复合地基承载力不但与土体的物理力学性质有关，也与本身材料及施工工艺密切相关；复合地基质量检测是检验工程质量的重要环节。 关键词：旋喷注浆 复合地基 成桩机理 加固机理 施工程序 旋喷工艺 注浆材料 水灰比 质量检测 旋喷注浆是近年来发展起来的一项土体加固新技术。它是利用工程钻机，将旋喷注浆管置于预定的地基加固深度，通过钻杆旋转，徐徐提升钻头，将已经配置好的浆液，用一定的压力从喷嘴中喷射液流，冲击土体，把土和浆液搅拌成混合体，随后凝聚固结，形成一种新的有一定强度的人工地基，这一整套地基加固方法，称为旋喷注浆加固地基技术，简称旋喷技术。 旋喷注浆加固地基的深度，主要取决于钻机设备的适应性能（不仅仅是机械性能）；土体固结的半径，主要取决于旋喷时喷射的搅动半径；土体加固强度，主要取决于浆液与土质的性质和凝固过程。这三方面因素，既有相互配合又有相互制约的特征，要掌握这项新技术，首先要从这三大因素着手，然后进一步掌握三大因素的相互关系。施工前，必须根据工程的具体条件和技术状态来选择喷射的各种性能参数。施工过程中，还要不断地取样进行分析，以保证工程质量，满足设计要求，这样，才能收到应有的技术经济效果。 1. 旋喷注浆的成桩作用 1.1 高压喷射流对土体的破坏作用 高压喷射流破坏土体的效能，随着土的物理力学性质的不同，在数量方面有较大的差异。喷射流破坏土体的机理比较复杂，透过旋喷的现象，可以分析其主要作用。高压喷射流破坏土体的作用，可用以下主要因素予以说明： （1）喷流动压 高压喷射流冲击土体时，由于能量高度集中地冲击一个很小的区域，因而在这个区域内及其周围的土和土结构的组织之间，形成强大的压应力作用，当这些外力超过土颗粒结构的破坏临界值时，土体便受到破坏。由喷射流的运动方程可得出其理论破坏力公式： （1.1） 式中，F——喷射流的破坏力（N）；ρ——喷射流介质的密度（Ns2/m4）； A——喷射流的截面积（喷咀出口）（m2）；Vm——喷射流得速度（m/s） （2.1） 式中：fsp,k——复合地基承载力标准值（kPa）；fs,k——桩间土地基承载力标准值（kPa）； Ae——一根桩承担的处理面积（m2）；Ap——桩的平均截面积（m2）； β——桩间土承载力折减系数0～1； Rdk——单桩竖向承载力标准值，通过现场载荷试验确定，也可按有关公式计算（kN）。 到目前为止，国内外对桩间土承载力提高的机理尚没有进行系统研究，通过宣大线和京秦线高压旋喷注浆工程实践，初步认为其机理有以下几个方面：①因旋喷桩的存在，使得软弱土层在荷载作用下由原来的无侧限状态转变为有一定的边界条件的应力状态，从而提高了桩间土的强度；②由于旋喷桩在自重作用下对桩周围有一定的挤密压实作用，及桩的侧壁摩擦阻力，也使得桩周围的软弱土层承载力提高；③旋喷结束后，当水泥土混合浆液尚未凝结时，这种浆液将产生挤压力，对四周土有压密作用，并使部分浆液进入土粒之间的空隙中，形成“脉”状、“板”状水泥结石体，这种情况在开挖检查中比较明显。 依据旋喷理论，喷嘴出口处压力可用下式计算： （2.2） 式中：po——喷嘴出口压力；r——水的重度，取9800N/m3； υo——喷嘴出口流速，一般取160m/s；g——重力加速度，取9.8m/s2。 则： po=9800×1602/(2×9.8)=12.8×106(Pa) 喷嘴在介质中喷射时，压力衰减的规律可近似采用下式计算： （2.3） 式中：HO——喷嘴出口处的压力水头（m）；HL——距离为L时，轴侧压力的水头（m）； d——喷嘴直径0.28cm。 对于宣大高速公路旋喷桩直径为0.70m，对于京秦高速公路旋喷桩直径为0.80m，在桩与桩间土的位置上喷射压力分别为： 式中：HO值由上式计算值PO换算求出；d——喷嘴直径为0.28cm；L——为桩与桩间土的界面到桩中心的距离，为0.35cm与0.40cm。 计算结果表明：在桩体边缘，由喷射所产生的压力为0.98MPa于0.71MPa。 除此之外，当水泥土混合浆液尚未凝结时，仍处于流体状态，则一根桩8m长的旋喷桩的底部压力为： （2.4） 其中：γ——水泥土混合浆