高壓噴射注漿法在淤泥及淤泥質土中的應用研究

孫建樂

（中煤科工集團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土中的應用研究

孫建樂*

（中煤科工集團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土中難以成樁的原因，并通過試驗得出在水泥中加入粉煤灰可以提高固化土的強度，當粉煤灰添加量為水泥0.3倍時強度達到最大值，當水泥量不足時，光靠增加粉煤灰的量不能使強度得到較大增長。同時采用改型后的鉆頭，可以形成外為噴射攪拌、內為機械攪拌的固結體，有利于在淤泥質土中形成均勻固結體。

高壓噴射注漿；固化試驗；鉆頭改型

1　概述

高壓噴射注漿法創始于日本，是從化學注漿法的基礎上采用高壓水射流切割技術而發展起來的，以水泥為主要材料，加固土體的質量高、可靠性好，具有增加地基強度、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］。

淤泥和淤泥質土是工程建設中經常遇到的軟土，在靜水或緩慢的流水環境中沉積并經生物化學作用形成。當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質時，以及地下水流速過大和已涌水的工程，應根據現場試驗結果確定其適用性。大量工程實踐表明，直接在含有較高有機質的淤泥和淤泥質土中采用常規的高壓噴射注漿法難以形成理想的固結體［2］，加固效果不明顯。

2　高壓噴射注漿技術

旋噴注漿法由于不斷改進工藝和研制新型機具，旋噴技術有了較快的發展，自從單管旋噴法問世以來，短短幾年內，二重管旋噴法、三重管旋噴法以及多重管旋噴法相繼達到了實用程度。單管旋噴注漿法是利用鉆機等設備，把安裝在注漿管（單管）底部側面的特殊噴嘴，置入土層預定深度后，用高壓泥漿泵等高壓發生裝置，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，同時借助注漿管的旋轉和提升運動，使漿液與土體上崩落下來的土攪拌混合，經過一定時間凝固，便在土中形成圓柱狀的固結體，成柱直徑40～50cm，稱為CCP工法。如圖1所示。

根據旋噴工藝的要求，漿液應具備以下特性：（1）有良好的可噴性；（2）有足夠的穩定性；（3）氣泡少；（4）調劑漿液的膠凝時間；（5）有良好的力學性能；（6）無毒、無臭；（7）結石率高。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號或425號硅酸鹽水泥?；瘜W漿液還未在國內大規模地使用，僅在少數工程中應用過丙凝、脈醛樹脂等作為噴射漿液。為提高漿液的流動性和穩定性，改變漿液的膠凝時間，或提高固結體的抗壓強度，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見表1。

旋噴注漿機具設備主要由造孔、制漿和噴射等機具組成。采用的旋噴方式不同，機具設備也不同，主要包括鉆機、高壓泵、泥漿泵、空氣壓縮機、注漿管、噴頭、流量計、輸漿管、制漿機等。噴頭上的高壓噴嘴是影響高壓噴射效果的關鍵部件，其內外徑的光潔度、熱處理的硬度很重要，但對內孔的幾何尺寸、形狀要求更為嚴格。氣噴嘴的環形間隙大小及氣噴嘴與水噴嘴的同心度，對風量、水射流的質量影響很大，為此，必須保證制造精度，在施工中，也應經常檢測并保證其裝配精度。鉆機是旋噴注漿中完成鉆進、旋轉、提升的重要設備，可選用震動鉆或其它地質鉆機，一般將地質鉆機改裝后便可滿足施工要求。對于二管法、三管法的提升、旋轉或擺動，可采用能自動行走的全液壓噴射臺車（噴機）。高壓旋噴注漿法施工的步驟示意圖見圖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

圖2　高壓旋噴注漿法施工示意圖

3　淤泥固化土試驗對比研究

由于淤泥及淤泥質土含水量大，透水性差，采用高壓噴射法在處理淤泥及淤泥質土時，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問題，還存在漿液本身的固結問題，漿液固結后如有多余的水分，它在土內無法排出，造成在淤泥中難以成樁和固結體強度偏低的問題［4］。

3.1試驗材料和試驗方法

主注漿材料選用水泥，水泥為陜西秦嶺水泥有限公司生產的《秦嶺牌》32.5普通硅酸鹽水泥。同時，在水泥中加入粉煤灰可以促進水泥的固化效果?？紤]在水泥中加入一定量的粉煤灰，本試驗所用的粉煤灰為大唐略陽電廠的粉煤灰，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題，而且也減少了粉煤灰堆存量。本試驗所用淤泥為典型沉積淤泥，屬于第四系沉積層（Qm），根據室內試驗測定其界限含水率、比重、容重，其基本物理力學性質指標如表2所示。粉煤灰的主要化學組成如表3所示。

本試驗所用的淤泥中草根等雜質，為不影響試驗精度，在試驗之前先對淤泥過lmm篩，將淤泥中的雜質濾出。①攪拌：攪拌以人工方式強制攪拌，轉速為100r/min，加入固化材料后攪拌5min裝模。②模具：做強度試樣的模具為標準的混凝土試模150mm× 150mm×150mm。③制樣：做無側限強度試驗測固化強度的制樣方法是：將原狀土烘干后再按天然含水量將固化材料按設計配比直接摻入土中，將固化材料與軟土強行攪，攪拌5min，分3層裝入模具，每層振動2min后，再裝下一層，直到裝滿。④養護：養護置于恒溫恒濕箱中，養護條件為濕度RH=90%～100%，溫度20℃± 2℃。養護24h脫模，脫模后試樣在養護箱內養護，直到設計齡期。⑤試驗：對于各個齡期，不同配比的試樣進行無側限抗壓強度試驗。

表2　物理力學指標淤泥土

表3　粉煤灰的化學成分

3.2純水泥漿—淤泥固結體的強度特性

通過對淤泥及淤泥質土的不同摻灰量、不同齡期的水泥土的無側限抗壓試驗，分析水泥土的強度特征，為淤泥質軟土加固處理的設計參數的確定提供試驗依據。室內試驗是將原狀土烘干后再按天然含水量將水泥直接摻入土中，將水泥粉與軟土強行攪拌，充分攪拌均勻后分別制備試驗所需的無側限抗壓試樣，第二天脫模后在標準養護室里養護，對齡期7、14、21、28d的無側限抗壓試驗。無側限抗壓試驗結果見表4。

表4　純水泥漿—淤泥固結體強度試驗結果

3.3水泥—粉煤灰復合漿—淤泥固結體的強度特性

為了對比純水泥漿和水泥—粉煤灰復合漿對加固淤泥及淤泥質土的不同效果，又通過對淤泥及淤泥質土的不同摻灰量、不同齡期的水泥—粉煤灰復合漿—淤泥固結體的無側限抗壓試驗，分析其的強度特征，與單純的純水泥漿—淤泥固結體強度做對比，為淤泥質軟土加固處理時的加固材料的優化選擇提供試驗依據。無側限抗壓試驗結果見表5。

表5　水泥—粉煤灰復合漿—淤泥固結體強度試驗結果

4　高壓噴射鉆頭的研制與改型

淤泥中往往含有有機質，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機械攪拌將水泥與土混合在一起，硬凝后形成水泥土固結體；而高壓噴射注漿法是利用拌漿系統、高壓注漿泵、鉆機等設備將水泥漿變成可以旋轉、上下移動的高壓射流，利用射流的強大動能將土體切割、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體。

基于對深層攪拌法和高壓噴射注漿法的綜合應用，對現有的高壓噴射鉆頭予以改型。改型鉆頭（圖3）的主要技術特點為：鉆頭立軸為中空結構，與之相連的攪拌翅也是中空結構；水泥漿從鉆桿進入鉆頭立軸，然后進入攪拌翅；噴嘴安裝在鉆頭攪拌翅的端部或立軸上。施工時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械攪拌作用相混合。從節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返，在攪拌翅的機械攪拌下與土混合形成攪拌固結體，這樣就形成了樁體材料外為噴射攪拌、內為機械攪拌的固結體。

圖3　改進鉆頭示意圖

該改型鉆頭在2004年首次應用于靖遠電廠三期擴建工程旋噴樁地基處理工程。首先通過高壓射流破壞土體，然后通過機械攪拌使樁體均勻。開挖結果表明：樁體上下均勻，結構致密。

5　結論

通過對室內試驗數據對比分析，以及鉆頭改型研制后的工程實踐，可以得出以下結論：

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

（2）水泥與粉煤灰有一個最優的組合，當粉煤灰添加量為水泥0.3倍時強度達到最大值。

（3）當水泥量為525.0kg/m3時，其強度單靠增加粉煤灰的量，強度增加不明顯。而在612.5kg/m3水泥中添加粉煤灰，其強度增長較明顯。就是說在水泥—粉煤灰復合型固化材料試驗中，主材水泥起主導作用，它也存在一個最小的添加量。當水泥量不足時，光靠增加粉煤灰的量不能使強度得到較大增長。

（4）對深層攪拌法和高壓噴射注漿法綜合應用，對現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、內為機械攪拌的固結體，有利于在淤泥淤泥質土中形成均勻固結體。

［1］徐至鈞，全科政.高壓噴射注漿法處理地基［M］.北京：機械工業出版社，2004.

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

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

［4］張春雷.淤泥固化土力學性質及固化機理研究［D］.河海大學碩士學位論文，2003.

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煤炭科學研究總院西安分院技術創新基金項目（2005FYCX010）。

孫建樂（1981-），男（漢族），陜西周至人，工程師，現從事基建管理工作。