第九章、高压喷射注浆法2

1第九章高压喷射注浆法第一节概述高压喷射注浆法是60年代后期创始于日本，它是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后，以高压设备使浆液或水成为20MPa左右的高压流从喷嘴中喷射出来，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。固结体的形状和喷射流移动方向有关。一般分为旋转喷射(简称旋喷)、定向喷射(简称定喷)和摆动喷射(简称摆喷)三种型式如图9·1·1所示。图9·1·1高压喷射注浆的三种形式旋喷法施工时，喷嘴一面喷射一面旋转并提升，固结体呈圆柱状。主要用于加固地基，提高地基土的抗剪强度，改善土的变形性质；也可组成闭合的帷幕，用于截阻地下水流和治理流砂。旋喷法施工后，在地基中形成的圆柱体称为旋喷桩。定喷法施工时，喷嘴一面喷射一面提升，喷射的方向固定不变，固结体形如板状或壁状。摆喷法施工时喷嘴一面喷射一面提升，喷射的方向呈较小角度来回摇动，固结体形如较厚的墙板状。定喷及摆喷两种方法通常用于基坑防渗、改善地基土的水流性质和稳定边坡等工程。一、高压喷射注浆法的工艺类型当前高压喷射注浆法的基本工艺类型有：单管法、二重管法、三重管法和多重管法等四种方法。（一）单管法单管旋喷注浆法是利用钻机把安装在注浆管(单管)底部侧面的特殊喷嘴，置入土层预定深度后，用高压泥浆泵等装置，以20Mpa左右的压力，把浆液从喷嘴中喷射出去冲击破坏土体，同时借助注浆管的旋转和提升运动，使浆液与从土体上崩落下来的土搅拌混合，经一定时间凝固，便在土中形成圆柱状的固结体，如图9·1·2所示。这种工法日本称为CCP工法：2图9·1·2单管旋喷注浆示意图(二)二重管法使用双通道的二重注浆管。当二重注浆管钻进到土层的预定深度后，通过在管底部侧面的一个同轴双重喷嘴，同时喷射出高压浆液和空气两种介质的喷射流冲击破坏土体。即以高压泥浆泵等高压发生装置喷射出20Mpa左右压力时浆液，从内喷嘴中高速喷出，并用0.7Mpa左右压力把压缩空气，从内喷嘴中高速喷出。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，喷嘴一面喷射一面旋转和提升，最后在土中形成圆柱状固结体。固结体的直径明显增加如图9·1·3所示。这种方法日本称为JSG工法。图9·1·3二重单管旋喷注浆示意图(三)三重管法使用分别输送水、气、浆三种介质的三重注浆管。在以高压泵等高压发生装置产生20MPa左右的高压水喷射流的周围，环绕一股0.7MPa左右的圆筒状气流，进行高压水喷射流和气流同轴喷射冲切土体，形成较大的空隙，再另由泥浆泵注入压力为2～5MPa的浆液填充，喷嘴作旋转和提升动，最后便在土中凝固为直径较大的圆柱状固结体如图9·1·4所示。这种方法日本称CJP工法。图9·1·4三重管旋喷注浆示意图3(四)多重管法这种方法首先需要在地面钻—个导孔，然后置人多重管，用逐渐向下运动的旋转超高压力水射流(压力约40MPa)，切削破坏四周的土体，经高压水冲击下来的土和石成为泥浆后，立即用真空泵从多重管中抽出。如此反复地冲和抽，便在地层中形成一个较大的空间。装在喷嘴附近的超声波传感器及时测出空间的直径和形状，最后根据工程要求选用浆液、砂浆、砾石等材料进行填充：于是在地层中形成一个大直径的柱状固结体，在砂性土中最大可达4m，如图9·1·5所示，这种方法日本称为sss-MAN工法。图9·1·5多重管旋喷示意图二、高压喷射注浆法的特征及适用范围（一）高压喷射注浆法的特征1、适用范围较广。由于固结体的质量明显提高，它既可用于新建工程也可用于竣工后的托换工程。2、施工简便。只需在土层中钻一个孔径为50mm或300mm的小孔，便可在土中喷射成直径为0.4～4.0m的固结体，因而在施工时能贴近已有建筑物，成型灵活。3、可控制固结体形状。在施工中可调整旋喷速度和提升速度、增减喷射压力或更换喷嘴孔径改变流量，使固结体形成工程设计所需要的形状。4、可垂直、倾斜和水平喷射。通常在地面上进行垂直喷射注浆，但在隧道、矿山井巷工程地下铁道等建设中，亦可采用倾斜和水平喷射注浆。5、耐久性较好。6、料源广阔。浆液以水泥为主体。在地下水流速快或含有腐蚀性元素、土的含水量大或固结体强度要求高的情况下，则可在水泥中捶人适量的外加剂，以达到速凝、高强、抗冻、耐蚀和浆液不沉淀等效果。47、设备简单。高压喷射注浆全套设备结构紧凑、体积小、机动性强、占地少、能在狭窄和低矮的空间施工。（二）高压喷射注浆法的工程应用范围1、增加地基强度。⑴提高地基承载力，整治已有建筑物沉降和不均匀沉降的托换工程；⑵减少建筑物沉降，加固持力层或软弱下卧层；⑶加强盾构法和顶管法的后座，形成反力后座基础。2、挡土围堰及地下工程建设。⑴保护邻近建、构筑物；⑵保护地下工程建设；⑶防止基坑底部隆起。3、增大土的摩擦力和黏聚力。⑴防止小型坍方滑坡；⑵锚固基础。4、减少振动、防止液化。⑴减少设备基础振动；⑵防止砂土地基液化。5、降低土的含水量。⑴整治路基翻浆冒泥；⑵防止地基冻隆。6、防渗帷幕。⑴河堤水池的防漏及坝基防渗；⑵帷幕井筒；⑶防止盾构和地下管道漏水漏气；⑷地下连续墙补缺；⑸防止涌砂冒水。第二节加固机理一、高压水喷射流性质高压水喷射流是通过高压发生设备，使它获得巨大能量后，从一定形状的喷嘴，用一种特定的流体运动方式，以很高的速度连续喷射出来的，能量高度集中的一股液流。在高压高速的条件下，喷射流具有很大的功率，即在单位时间内从喷嘴中射出的喷射流具有很大的能量，其功率与速度和喷射流的压力的关系如表9·2·1所示。5喷射流的速度与功率表9·2·1喷嘴压力（pa）喷嘴出口孔径d0(cm)流速系数φ流量系数μ射流速度v0(m/s)喷射功率N(kW)10×1060.300.9630.9461368.520×1060.300.9630.94619224.130×1060.300.9630.94624344.440×1060.300.9630.94628068.350×1060.300.9630.94631395.4注：流量系数和流速系数为收敛圆锥体13o24’角喷嘴的水力实验值。从上表可见，虽喷嘴的出口孔径只有3mm，由于喷射压力为10、20、30、40和50MPa，它们是以136、192、243、280和313m／s的速度连续不断地从喷嘴中喷射出来，它们的喷射功率分别为8.5、24、44、68和95KW。二、高压喷射流的种类和构造高压喷射注浆所用的喷射流共有四种：(1)单喷射流为单一的高压水泥浆喷射流；(2)二重管喷射流为高压浆液喷射流与其外部环绕的压缩空气喷射流，组成为复合式高压喷射流；(3)三重管喷射流由高压水喷射流与其外部环绕的压缩空气喷射流组成，亦为复合式高压喷射流；(4)多重管喷射流为高压水喷射流。以上四种喷射流破坏土体的效果不同，但其构造可划分为单液高压喷射流和水(浆)、气同轴喷射流二种类型。（一）单液高压喷射流的构造单管旋喷注浆使用高压喷射水泥浆流和多重管的高压水喷射流，它们的射流构造可用高压水连续喷射在空气中的模式，如图9·2·1所示予以说明。高压喷射流可由三个区域所组成：即保持出口压力P0的初期区域A、紊流发达主要区域B和喷射水变成不连续喷流的终期区域C等三部分。图9·2·1高压喷射流构造在初期区域中，喷咀出口处速度分布是均匀的，轴向动压是常数，保持速度均匀的部6分向前面逐渐愈来愈小，当达到某一位置后，断面上的流速分布不再是均匀的了。速度分布保持均匀的这一部分称为喷射核(即E区段)，喷射核末端扩散宽度稍有增加，轴向动压有所减小的过渡部分称为迁移区(即D区段)。初期区域的长度是喷射流的一个重要参数，可据此判断破碎土体和搅拌效果。在初期区域后为主要区域，在这一区域内，轴向动压陡然减弱，喷射扩散宽度和距离平方根成正比，扩散率为常数，喷射流的混合搅拌在这一部分内进行。在主要区域后为终期区域，到此喷射流能量衰减很大，末端呈雾化状态，这一区域的喷射能量较小。喷射加固的有效喷射长度为初期区域长度和主要区域长度之和，若有效喷射长度愈长；则搅拌土的距离愈大，喷射加固体的直径也愈大。（二）高压喷射流的压力衰减在空气中和水中喷射得到的压力与距离的关系曲线，如图9·2·2所示。图9·2·2喷射流在中心轴上的压力分布曲线喷射流在空气中喷射水时：xxppcm0(9·2·1)喷射流在水中喷射水时：20)(xxppcm(9·2·2)式中cx——初期区域的长度，m；x——喷射流中心轴距喷咀距离，m；0p——填咀出口压力，kPa；mp——喷流中心轴上距喷咀x距离的压力，kPa。7根据试验结果：在空气中喷射时cx=(75～100)d0在水中喷射对x=(6～6.5)d0式中d0——喷咀直径。当压力高达10～40MPa的喷射流在介质中喷射时，压力的衰减规律也可近似地采用下列经验公式：nmxpKdp05.00(9·2·3)式中K，n——系数（适用于x=50～300d0）。（三）水(浆)、气同轴喷射流的构造二重管旋喷注浆同轴喷射流，与三重管旋喷注浆的水、气同轴喷射流除喷射介质不同外，都是在喷射流的外围同轴喷射圆筒状气流，它们的构造基本相同。现以水、气同轴喷射流为代表，分析其构造。在初期区域A内，水喷流的速度保持喷咀出口的速度，但由于水喷射与空气流相冲撞及喷咀内部表面不够光滑，以至从喷咀喷射出的水流较紊乱，再加以空气和水流的相互作用，在高压喷射水流中形成气泡，喷射流受到干扰，在初期区域的末端，气泡与水喷流的宽度一样。在迁移区域D内，高压水喷射流与空气开始混合，出现较多的气泡。在主要区域B内，高压水喷射流衰减，内部含有大量气泡，气泡逐渐分裂破坏，成为不连续的细水滴状，同轴喷射流的宽度迅速扩大。水(浆)、气同轴喷射流的初期区域长度可用以下经验公式表示0048.0Vxc（9·2·4）式中V0——初期流速，m／s。旋喷时，若高压水、气同轴喷射流的初期速度为20m／s，则初期区域长度xc≈0.10m，而以高压水喷射流单独喷射时，xc仅为0.015m，可见，水、气同轴喷射的初期区域长度增加了近6倍。三、加固地基的机理(一)高压喷射流对土体的破坏作用破坏土体的结构强度的最主要因素是喷射动压，根据动量定律，在空气中喷射时的破坏力为：mQVp(9·2·5)8式中p——破坏力，kgm／s2；ρ——密度，kg／m3；Q——流量，m3／s，Q=VmA；Vm——喷射流的平均速度，m／s。2mAVp(9·2·6)式中A——喷咀断面积，m2。亦即破坏力对于某一种密度的液体而言，是与该射流的流量Q、流速Vm和乘积成正比。而流量Q又为喷咀断面积A与流速Vm的乘积。所以在一定喷嘴面积A的条件下，为了取得更大的破坏力，需要增加平均流速，也就是需要增加旋喷压力，一般要求高压脉冲泵的工作压力在20MPa以上，这样就使射流象刚体一样，冲击破坏土体，使土与浆液搅拌混合，凝固成圆柱状的固结体。喷射流在终期区域，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空隙里，使固结体与四周土紧密相依，不产生脱离现象。(二)水(浆)、气同轴喷射流对土的破坏作用单射流虽然具有巨大的能量，但由于压力在土中急剧衰减，因此破坏土的有效射程较短，致使旋喷固结体的直径较小。当在喷咀出口的高压水喷流的周围加上圆筒状空气射流，进行水、气同轴喷射时，空气流使水或浆的高压喷射流从破坏的土体上将土粒迅速吹散，使高压喷射流的喷射破坏条件得到改善，阻力大大减少，能量消耗降低，因而增大了高压喷射流的破坏能力，形成的旋喷固结体的直径较大，图9·2·3所示，为不同类喷射流中动水压力与距离的关系，表明高速空气具有防止高速水射流动压急剧衰减的作用。图9·2·3喷射流轴上动水压力与距离的关系1—高压喷射流在空中单独喷射；2—水、气同轴喷射流在水中喷射；3—高压喷射流在水中单独喷射旋喷时，高压喷射流在地基中，把土体切割破坏。其加固范围就是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