地基处理新技术—旋喷桩

地基处理新技术论文：浅论高压旋喷桩复合地基的基本特性姓名：郑清达学号：１４２０８１４０００６１班级：研１４２０班２０１５年１月浅论高压旋喷桩复合地基的基本特性郑清达（青岛理工大学土木工程学院，山东青岛266033）摘要：本文首先简介了高压旋喷桩复合地基的基本概念及主要特点，进而探讨了旋喷浆液在土中的喷射形态、喷射流构造及其硬化机理。在此基础上深入探讨了旋喷桩的桩土受力特性及其复合地基的加固机理，从理论上对高压旋喷桩复合地基的基本特性有了更清楚的了解。关键词:高压旋喷桩；复合地基；垂直荷载；基本特性中图分类号：TU472BasicCharacteristicsofHighPressureJetGroutingPileCompositeFoundationZHENGQing-da(QingdaoTechnologicalUniversity,AcademyofCivilEngineering,Shandong,Qingdao266033,China)Abstract:Firstly,thearticlemakeabriefintroductionofthebasicconceptsandthemaincharacteristicsofhighpressuregroutingpilecompositefoundation,andthendiscussestheChurningslurryinjectionformsinthesoil,thejetstructureandhardeningmechanism.Onthisbasis,thisarticlemakeafurtherdiscussiontomechanicalcharacteristicsofrotarychurningpileandreinforcementmechanismofcompositefoundation.Bystudyingthebasiccharacteristics,thisarticlemkeaclearerunderstandingtohighpressuregroutingpilecompositefoundationtheoretically.Keywords:Highpressurejetgrouting;Compositefoundation;Verticalload;Basicfeatures1旋喷桩复合地基概述高压喷射注浆法(HighPressureJetGrouting)是在注浆法的基础上，应用高压喷射技术而发展起来的一项新的地基加固方法，于1970年始于日本。它是利用工程钻机钻孔作为导孔，将带有特殊喷嘴的喷射管插入设计处理深度后，用高压脉冲泵等高压发生装置，使浆液或水以20~40MPa的高压流从喷嘴中喷出，冲击切割土体。当能量大、速度快、呈脉动状的喷射流的动压超过土体结构强度时，土粒便从土体上剥落下来。一部分细小的土粒被喷射的浆液所置换，随着液流被带到土面上(俗称冒浆)。其余的土粒与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例和质量大小有规律的重新排列。待浆液凝固后，便在土中形成一固结体，固结体的形状与喷射流移动方向有关。高压喷射注浆法适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或可塑粘性土、粉土、砂土、黄土、填土和碎石土等地基。对于含有较多的大粒径块石、大量植物根茎或较高有机质的地基土，以及地下水流量过大或已涌水的工程，应慎重考虑，应根据现场试验结果确定其适应性。用旋喷法加固的土体，其单轴抗压强度随施工方法和硬化剂的配料而异，高的可达8MPa。但其抗拉强度很低，故只适用于无拉应力情况下的地基处理。2旋喷桩复合地基加固机理2.1高压喷射流的基本形态高压喷射流是指从直径很小的孔（喷嘴）中喷射出来的水流。当喷射流的压力大时，水流具有很大的威力。在高压高速的条件下，喷射流具有很大的功率，即在单位时间里从喷嘴中喷出的喷射流具有很大的能量。由于高压喷射流的压力衰减得很快，所以即使喷射压力很高也不能达到高效率地破坏土体地目的。但另一方面，当高压喷射流向外喷射高速，高压的气流时，有效的喷射距离将明显增加。根据不同的工程的使用要求，高压喷射注浆一般有如下几种形式：单管喷射流—为单一的高压水泥浆液喷射流。它是利用钻机等设备，把安装在注浆管底部侧面的特殊喷嘴，置入土层预定的深度，用高压泥浆泵以大于25kPa的压力，把浆液从喷嘴射出，破坏土体，并使浆液和土体搅拌混合。同时喷浆管不断旋转提升，在土中形成柱状固结体。在日本简称为CCP工法（ChemicalChurningPattern）。二重管喷射流—为复合式高压喷射流。它是在高压喷射流的外部，环绕压缩空气喷射流，即复合式高压喷射。可使破坏土体的能量增大，固结体直径增加。在日本简称为JSG工法（JumboSpecialPile）。三重管喷射流—为复合式高压喷射流。它是由高压水和外部环绕的压缩空气或一定压力的浆液组成喷射流。破坏土体的能量较以上二者都大。在日本简称为CJP工法（ColumnJetPile）。2.2旋喷浆液在土中的硬化机理高压喷射所采用的硬化剂主要是水泥，并在其中增添防治沉淀或加速凝固的外加剂。旋喷固结体是一种特殊的水泥－土骨架结构，水泥土的水反应要比纯水泥浆复杂的多。由于水泥土是一种空间不均匀材料，在高压旋喷搅拌过程中，水泥和土混合在一起，土颗粒间被水泥浆所填满。水泥水化后在土颗粒的周围形成各种水化物的结晶，它们不断生长，特别是钙矾石的针状结晶，很快的生长交织在一起，形成空间的网络结构，土体被分隔包围在这些水泥的骨架中。随着土体的不断被挤密，自由水也不断减少，甚至消失，形成了一种特殊的水泥土骨架结构。2.3高压旋喷桩成桩机理由于高压喷射流是高能高速集中和连续地作用于土体上，压应力和冲蚀等多种因素总是同时密集在压应力区域内发生效应。因此，喷射流具有冲击切割破坏土体并使浆液与土搅拌混合的功能。单管喷射注浆使用浆液作为喷射流；二重管喷射注浆也以浆液作为喷射流，但在其外周裹着一圈空气流形成复合喷射流；三重管喷射法注浆，以水气为复合喷射流并注浆填空；多重管喷射注浆的高压水射流把土冲空以浆液填充。以上四种注浆法所使用的浆液都随时间增长而逐渐凝固硬化。固结体的形状与喷嘴移动的方向及持续喷射的时间有着密切的关系。当喷嘴一面旋转和提升时，便形成圆柱状或异型圆柱状固结体；当喷嘴一面喷射一面提升时，便形成壁状固结体。旋喷时，高压喷射流在地基中，把土体切削破坏。其加固范围就是以喷射距离加上渗透部分或压缩部分的长度为半径的圆柱体。一部分细小的土粒被喷射的浆液所置换，随着液流被带到地面上（俗称冒浆），其余的土粒与浆液搅拌混合。在喷射动压，离心力和重力的共同作用下，在横断面上土粒按质量大小有规律地排列起来，小颗粒在中部位居多，大颗粒多在外侧或边缘部分，分别形成浆液主体、搅拌混合、压缩和渗透等部分，经过一定时间便凝固成强度较高而渗透系数小的固结体。随着土质的不同，横断面的结构多少有些不同。由于旋喷体不是颗粒的单体结构，固结质量不太均匀，通常中心的强度低，边缘部分强度高。大砾石和腐殖土的旋喷固结机理有别于砂类土和粘性土。在大砾石中，喷射流因砾石的体大量重，不能切割颗粒或者使其移动和重新排列，喷射流只能通过其空隙，充满周围的空隙。鉴于喷嘴的旋转能使喷射流保持一定的方向性，浆液向四周挤压，其机理接近于所谓的渗透理论的机理，因而形成圆柱形加固的地基。对于腐殖土层，旋喷固结体的形状及它的性质，受植物纤维的粗细长短，含水量及土颗粒多少的影响很大。对纤维细短的腐殖土旋喷时，完全和在粘性土中的旋喷机理相同。然而对纤维粗长且数量多的腐殖土旋喷时，由于纤维质富有弹性，切削是困难的。但由于其孔隙较多，喷射流仍可穿过纤维体，形成圆柱形固结体。但在纤维质多而密的部位，浆液相对较少，固结体的均匀性较差。定喷时，高压喷射灌浆的喷嘴不旋转，只作水平的固定方向喷射，喷嘴逐渐向上提升，便在土中冲成一条沟槽，并把浆液灌进槽中。从土体上冲落下来的土粒，一部分随着水流与气流被带出地面，其余的颗粒与浆液搅拌混合，最后形成一个板状固结体。固结体在砂质土中有一部分渗透层，但在粘性土则没有。3旋喷桩复合地基的特性3.1高压旋喷桩的力学性质桩的强度取决于土体的性质和浆材等，在粘性土中的桩强度成倍小于在砂性土中的桩强度。桩的强度随龄期的增长而增大；随水泥掺合量的增加而增大；随掺入的水泥强度等级提高而提高；在一定的粒度范围内，水泥的细度越高，桩强度越高；桩的水泥掺合比相同时，其强度随天然土样的含水量提高而降低；有机质含量愈高，其阻碍水泥水化作用愈大，桩强度降低愈多；土体的pH值越低，桩强度愈低。由于旋喷桩固结体外表粗糙，并且本身抗压强度较高，因此具有较大的承载力。一般固结体直径越大，承载力越高。破坏应变值随侧压力的增大而增大；提高侧压力，减小水灰比，破坏变形减小，桩体刚性增强；水灰比大于等于1的情况下，增大侧压力，则破坏应变增大，属于剪切破坏，说明旋喷桩的水泥土仍属于土的性质；同一侧压力情况下，减小水灰比，则旋喷桩的破坏应变减小，说明承载力的提高。随水灰比的减小，侧压力对强度的平均影响能力逐渐减弱。3.2在垂直荷载作用下的性状桩与桩间土和褥垫层一起形成复合地基，复合地基中的桩、土受力有其特殊性.3.2.1桩、土受力特性当基础承受垂直荷载作用时，桩和桩间土都要发生变形。桩的模量远比土的模量大，桩比土的变形小。由于基础下面设置了一定厚度的褥垫层，桩可以向上刺入。伴随这一变化过程，垫层材料不断调整补充到桩间土上，以保证在任一荷载作用下桩和桩间土都始终参与工作。3.2.2桩周摩阻力变化特征桩周摩阻力是桩周土对桩身沉降和变形的综合阻力。当荷载较小时，摩阻力随荷载的增加而增加，当荷载达到某一数值后，趋于一个常数，似乎这段桩身在孔壁中滑动一样；二是沿着桩长，桩壁与桩周土之间的摩阻力，由上到下逐级发挥出来。当第一段桩周的摩阻力趋于一个常数后，第二段的摩阻力便急剧增加，彼此循环，桩周土逐步参与工作，最后才将外力传到桩底，摩阻力的作用呈阶梯状发挥。旋喷桩桩周摩阻力之所以有这样的特征与它的成桩机理有关系，高压旋喷桩桩壁与桩周土的接触方式与其他方法所成的桩不同，在其成桩过程中，高压水流边旋转切割土体边向上提升，因此它的形状像“葫芦状”，使桩壁分段嵌入桩周土中。因此，所成的桩在荷载作用下发生沉降时，所产生的摩阻力远大于仅靠摩擦所产生的阻力，所以其摩阻力要比一般桩基大得多，能大幅度提高复合地基承载力。3.2.3桩、土荷载分担比随着荷载的增加，桩承担的荷载占总荷载的百分比逐渐增加，土承担的荷载占总荷载的百分比逐渐减小。3.3.3桩传递轴向应力的特征高压旋喷桩复合地基，受垂直荷载作用后，桩顶的沉降、桩间土表面的沉降以及基础的沉降均不相同。在某一深度Z0范围内，土的位移大于桩的位移，土对桩产生的摩擦力方向与桩的沉降方向一致，即为负摩擦力。在Z0处桩与土的位移相等，该断面所处位置为中性点。当ZZ0时，桩的位移大于土的位移，土对桩产生的是正摩擦力。所以桩传递轴向应力的特征为:在中性点以上，桩的轴向应力随着深度的增加而增大，中性点以下的轴向应力随着深度的增加而减小。3.3旋喷桩复合地基的特性旋喷桩加固技术，有其独特的优点，介绍如下：（1）由于将水泥土与原地基软土就地搅拌混合，因而可最大限度地利用原土；（2）对周围原有建筑的影响较小；（3）可按照不同的地基土的性质及工程设计要求，合理选择，设计比较灵活；（4）施工设备简单，管理方便，施工时无振动，无污染，可在密集的建筑群中进行施工，而且料源广阔，价格低廉；（5）土体加固后重度变化不大，粘性土固结体比原状土轻约10%，但砂类土固结体可能比原状土重10%左右，基本上轻于或接近原状土的容量，较小的产生附加沉降；（6）透气透水性差，固结体内虽有一定的孔隙，但这些孔隙并不贯通，为封密型，而且固结体有一层较致密的硬壳，其渗透系数相当高，具有一定的防渗功能；（7）固结强度高，单桩承载力较高；（8）与钢筋混凝土桩基比，节省了大量的钢材，降低了造价；（9）根据上部结构的需要，可灵活采取垂直喷