高压旋喷桩施工技术

高压旋喷桩施工技术李明华主要内容一、适用范围六、设计承载力二、基本原则七、浆量计算三、加固机理八、强度要求四、成桩机理九、工艺流程五、工艺设计要求十、操作要点概念：高压旋喷桩，是以高压旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层与土体混合，形成连续搭接的水泥加固体。优点：施工占地少、振动小、噪音较低，缺点：容易污染环境，成本较高，对于特殊的不能使喷出浆液凝固的土质不宜采用。一、适用范围(1)适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或可塑黏性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地基。(2)含有较多的大粒径块石、坚硬黏性土、含大量植物根茎或有过多的有机质时，对淤泥和泥炭土以及已有建筑物的湿陷性黄土地基的加固，根据试验确定其适用程度。并确定其适用性和技术参数。•(3)对基岩和碎石土中的卵石、块石、漂石呈骨架结构的地层，地下水流速过大和已涌水的地基工程，地下水具有侵蚀性，应慎重使用。•(4)可用于既有建筑和新建建筑的地基加固处理、深基坑止水帷幕、边坡挡土或挡水、基坑底部加固、防止管涌与隆起、地下大口径管道围封与加固、地铁工程的土层加固或防水、水库大坝、海堤、江河堤防、坝体坝基防渗加固、构筑地下水库截渗坝等工程。二、基本原则(1)注浆形式分旋喷注浆、摆喷注浆和定喷注浆等3种。可采用单管法、二管法和三管法，加固体形状可分为圆柱状、扇形块状、壁状和板状。(2)适用性定喷适用于粒径≯20mm的松散地层；摆喷适用于粒径≯60mm的松散地层；大角度摆喷适用于粒径≯100mm的松散地层；旋喷适用于卵砾石地层及基岩残坡积层。•(3)因地制宜，综合考虑各种因素，合理制定方案。•(4)制定方案时，应掌握场地及周边建筑的历史和现状等资料。•(5)方案确定后，进行现场试验、试验性施工确定施工参数及工艺。•(6)试验场地选择有代表性地段。三、加固机理利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进土层的预定位置后，以高压设备使浆液或水、（空气）成为20～40MPa的高压射流从喷嘴中喷射出来，冲切、扰动、破坏土体，同时钻杆以一定速度逐渐提升，将浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固后，在土中形成一个圆柱状固结体（即旋喷桩），以达到加固地基或止水防渗的目的。可采用单管法、二管法和三管法。1、单管法：单层喷射管，仅喷射水泥浆。高压泥浆泵浆桶水箱搅拌机水泥仓旋喷固结体注浆管钻机喷头图1单管旋喷注浆示意图•2、二重管法：又称浆液气体喷射法，是用二重注浆管同时将高压水泥浆和空气两种介质喷射流横向喷射出，冲击破坏土体。在高压浆液和它外圈环绕气流的共同作用下，破坏土体的能量显著增大，最后在土中形成较大的固结体。浆桶水箱搅拌机水泥仓旋喷固结体注浆管钻机喷头图2二重管旋喷注浆示意图空压机高压泥浆泵•3、三重管法：是一种浆液、水、气喷射法，使用分别输送水、气、浆液三种介质的三重注浆管，在以高压泵等高压发生装置产生高压水流的周围环绕一股圆筒状气流，进行高压水流喷射流和气流同轴喷射冲切土体，形成较大的空隙，再由泥浆泵将水泥浆以较低压力注入到被切割、破碎的地基中，喷嘴作旋转和提升运动，使水泥浆与土混合，在土中凝固，形成较大的固结体，其加固体直径可达2m。浆桶水箱搅拌机水泥仓旋喷固结体注浆管钻机喷头图3三重管旋喷注浆示意图空压机高压泥浆泵高压清水泵喷射注浆法的加固半径和许多因素有关，其中包括：喷射压力P；提升速度S；被加固土的抗剪强度τ；喷咀直径d和浆液稠度B。加固范围与喷射压力P、喷咀直径d成正比，与提升速度S、土的抗剪强度τ和浆液稠度B成反比。加固体强度与单位加固体中的水泥掺入量和土质有关。四、成桩机理（1）高压喷射流切割破坏土体作用。喷射流动压以脉冲形式冲击破坏土体，使土体出现空穴，土体裂隙扩张。（2）混合搅拌作用。钻杆在旋转提升过程中，在射流后部形成空隙，在喷射压力下，迫使土粒向着与喷咀移动方向相反的方向（即阻力小的方向）移动位置，与浆液搅拌混合形成新的结构。（3）升扬置换作用（三重管法）。高速水射流切割土体的同时，由于通入压缩气体而把一部分切下的土粒排出地上，土粒排出后所留空隙由水泥浆液补充。（4）充填、渗透固结作用。高压水泥浆迅速充填冲开的沟槽和土粒的空隙，析水固结，还可渗入砂层一定厚度而形成固结体。（5）压密作用。高压喷射流在切割破碎土层过程中，在破碎部位边缘还有剩余压力，并对土层可产生一定压密作用，使旋喷桩体边缘部分的抗压强度高于中心部分。旋喷桩固结体情况图4所示。渗透部分搅拌混合部分硬化剂主体部分图4旋喷桩体固结情况图压缩部分五、工艺设计要求1.加固体直径的确定旋喷桩直径与现场土质、土体强度和喷射压力、流量、提升速度和浆液稠度等诸多因素有关，应通过现场试验确定。当无试验资料时可参考表1选用。表1旋喷桩直径参考值（m）注：表中N为标准贯入实测锤击数喷注种类土的类别单管法二重管法三重管法粘性土0＜N＜51.2±0.21.6±0.32.5±0.310＜N＜200.8±0.21.2±0.31.8±0.320＜N＜300.6±0.20.8±0.31.2±0.3砂土0＜N＜101.0±0.21.4±0.32.0±0.310＜N＜200.8±0.21.2±0.31.5±0.320＜N＜300.6±0.21.0±0.31.2±0.3砂砾20＜N＜300.6±0.21.0±0.31.2±0.3•2.布置形式–桩的平面布置形式需根据加固的目的给予考虑，分离布置的单桩可用于基础的承重，排桩、板墙可用作防水帷幕，整体加固则常用于防止基坑底部的涌土或提高土体的稳定性，水平封闭桩可用于形成地基中的水平隔水层。图5为一般桩的平面布置形式。六、设计承载力（1）按桩身强度计算容许承载力。［P］=a［σ］A式中［P］——桩的容许承载力（kN）；a——桩体材料的强度折减系数，a=0.4～0.5；［σ］——桩体材料7cm×7cm×7cm试件的室内平均抗压强度（kPa）；A——桩的横断面积。•（2）按土体强度计算桩身容许承载力。–［P］=ｕΣfili+A［R］•式中［P］——桩的容许承载力（kN）；•ｕ——桩身截面周长，按桩的直径计算（m）；•fi——各土层的容许摩阻力（kPa）；•li——各土层的厚度（m）；•A——桩底支承面积，按桩的直径计算（m）；•［R］——桩尖处的地基容许承载力（kPa）。•（3）复合地基承载力。•••式中——复合地基的容许承载力（kPa）；•［P］——单桩承载力（kPa）；•［R］——桩间土天然地基承载力（kPa）；•Ae——一根桩分担的荷载面积；•Ap——一根桩的断面积；•A——天然地基承载力折减系数，当不考虑桩间土作用时为0。。1comePePPaRAAA七、浆量计算•浆量计算有两种方法，即体积法和喷量法，取大者作为设计喷射浆量。–体积法：–喷量法：根据计算所需的喷浆量和设计的水灰比，即可确定水泥的使用数量。(1)HQqV2201122(1)44DDeQKhKh式中Q——需要的喷浆量（m3）；De——旋喷固结体直径（m）；D0——注浆管直径（m）；K1——填充率，0.75～0.9；h1——旋喷长度（m）；K2——未旋喷范围土的填充率，0.5～0.75；h2——未旋喷长度（m）；β——损失系数，0.1～0.2；ν——提升速度（m/min）；H——喷射长度（m）；q——单位喷浆量（m3/m）。八、强度要求•旋喷桩设计要求，成桩28天后抽芯取样进行无侧限抗压强度试验，•抽检数为2%，并不小于2根，其无侧限抗压强度不得小于设计要求；•地基加固后，复合地基承载力不得小于设计要求。九、工艺流程泥浆排放处理钻机就位调整钻架角度钻孔插管试喷高压喷射注浆作业喷射结束拔管桩机移位机具清理准备工作制浆一级过滤二级过滤高压泵对浆液加压启动高压清水泵、空压机供水、风图6施工工艺流程图十、操作要点1.施工准备（1）补勘与调查。补充地质勘探，了解地基土的性质、埋藏条件。（2）材料准备。材料、成品、半成品、构配件进场验收和复试要求灌浆材料，主要是水泥和水，必要时加入少量外加剂。水泥一般为425号普通硅酸盐水泥。水的pH值在5～10之间。（3）取原状土送试验室。根据补充勘探资料，在选择的试验工点加固范围内的各代表性地层用薄壁取土器采取必需数量的原状土送试验室，对取得的土样在进行试验之前应妥善保存，使土样的物理和化学性能尽可能保持不变。（4）室内配合比试验。确定施工喷浆量、水灰比。一般水灰比可取1.0～1.5。为改善水泥土的性能、防沉淀性能和提高强度，可适当掺入木质素磺硫钙、石膏、三乙醇胺、氯化钠、氯化钙、硫酸钠、陶土、碱等外掺剂。若试验之前土样的含水量发生了变化，应调整为天然含水量。（5）试桩试验。根据室内试验确定的施工喷浆量、水灰比制备水泥浆液在试验工点打设数根试桩，并根据试桩结果，调整加固料的喷浆量，确定搅拌桩搅拌机提升速度、搅拌轴回转速度、喷入压力、停浆面等施工工艺参数。（6）现场清理。清除地表0.3m厚的种植土，杂物，并将原地面整平，填出路拱，施作临时排、截水设施，并在施工范围以外开挖废泥浆池以及施工孔位至泥浆池间的排浆沟。（7）施工放样。按设计要求完成施工放样，用木桩定出桩位，用白石灰作出明显标识。2.主要施工机具、设备1)地质成孔设备:地质钻机、潜孔钻机、冲击回转钻机、水井磨盘钻机、振冲设备等。2)搅拌制浆设备:搅灌机、搅拌机、灰浆搅拌机、泥浆搅拌机、高速制浆设备等。3)供气、供水、供浆设备:空压机、高压水泵、高压浆泵、中压浆泵、灌浆泵等。4)喷射注浆设备:高压喷射注浆机、旋摆定喷提升装置、喷射管喷头喷咀装置等。5)控制测量检测设备:测量仪、测量尺、水平尺、测斜仪、密度仪、压力表、流量计等。2.操作工艺(1)测量放线按施工图和坐标网点测量放出施工轴线。(2)确定孔位:在施工轴线上确定孔位，编上桩号、孔号、序号，依据基准点进行测量各孔口地面高程。(3)钻机造孔:可采用泥浆护壁回转钻进、冲击套管钻进和冲击回转跟管钻进等方法。1)主钻杆对准孔位，钻机要垫平稳牢固。2)钻孔口径应大于喷射管外径20～50mm。3)造孔每钻进5m测量机身水平和立轴垂直1次，4)泥浆容重一般为1.1～1.25g/cm3。5)钻进过程中随时注意地层变化，6)孔终孔深度应大于开喷深度0.5～1.0m，7)详细填写钻孔记录(4)测量孔深:终孔时测量钻具长度，孔深＞20m时，孔内测斜。(5)下喷射管:验收钻孔、下喷射管前检查：1)测量喷射管长度2)调整喷射压力：即设计喷射压力＋管路压力。3)试喷，调准喷射方向和摆动角度4)确定防止喷嘴堵塞措施(6)搅拌制浆:确保均匀、连续地拌制浆液。1)搅拌时间，使用高速搅拌机≮60s；使用普通搅拌机≮180s。2)存放时间，＜2.5h。3)过筛后使用，并定时检测其密度。4)制浆材料误差应不大于5%。5)浆液温度应保持在5～40℃。6)需要加适量外加剂及掺合料构时，通过试验确定。(7)供水供气:高压水和压缩气的流量、压力满足设计要求。(8)喷射注浆:自下而上连续作业。喷头可分单嘴、双嘴和多嘴。1)喷嘴达到设计标高，即可喷射注浆。2)开喷一切正常后，开始提升。3)压力突降或骤增，须查明原因，及时处理。4)拆卸喷射管时，需下落搭接复喷，搭接长度≮0.2m。5)因故中断后，进行复喷，搭接长度≮0.5m。6)中断超过初凝时间，进行扫孔，复喷搭接长度≮1m。7)孔内漏浆，停止提升，直至不漏浆为止。8)严重漏浆，停止喷射，提出喷射管，采取堵漏措施。(9)冒浆:孔口冒浆量的大小，能反映被喷射切割地层的注浆效果。冒浆尽可能利用。1)单、两管法，冒浆不回收利用。2)单、两管法，冒浆量小于注浆量的20%时为正常现象，超过20%或完全不冒浆时，采取以下措施:»a.当地层中有较大空隙引起不冒浆时，可在浆液中掺合适量的速凝剂，缩短固结时间，使浆液在一定的土层范围内凝固，也可