高压喷射注浆技术及其在软土地基处理中的应用研究

文章首先介绍了高压喷射注浆的概念和特点，然后从工程注浆设备、注浆材料、施工工艺流程和施工质量检查控制方面对高压喷射注浆技术进行了探讨，并结合工程应用实例进行了研究。

一、高压喷射注浆概述
　　高压喷射注浆法20世纪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土层的预定位置后，以高压设备使浆液或水成为20～40Mpa的高压射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。这种方法日本称作高压喷射注浆法。高压喷射注浆技术是由化学注浆结合高压射流切割技术发展起来，成为加固软弱土体的一种地基处理技术。
　　高压喷射注浆法的主要特征如下：
　　1．高压喷射注浆适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑或软塑粘性土、粉土、砂土、人工填土和碎石土等地基，因此，适用的地层较广。
　　2．由于固结体的质量明显提高，它既可用于工程新建之前，又可用于竣工后既有建筑物的托换工程，可不损坏建筑物的上部结构，有时甚至可不影响使用功能，运营照旧。
　　3．施工时只需在土层中根据工程需要钻某一规格的钻孔，便可在土中喷射成直径为0.4～2.5m的水泥土固结体，因而，施工时能贴近既有建筑物，成型灵活，施工简便。
　　4．浆液以水泥为主体，料源广阔。在地下水流速快、含有腐蚀性、土的含水量大或固结体强度要求高的情况下，则可在水泥中掺入适量的外加剂，以达到速凝、高强、抗冻、耐蚀和浆液不沉淀等效果。
二、高压喷射注浆技术研究
（一）工程施工设备、注浆材料
　　1．施工设备。主要由钻机和高压发生设备两大部分组成，由于喷射方式不同，单管、二重管和三重管旋喷作业所使用的机具类型和数量不同。
　　高压喷射注浆工艺要求所用钻机除有一般钻机的功能外，还要求具有带动注浆管以10～20r/min慢速提升功能。如所用钻机不具备上述两种功能，则需要改制或配备具有上述两种功能的旋喷机与钻机配合使用。专门为喷射注浆施工而设计的振动钻机有70改进型和76型两种。它们适用于标贯值小于40的淤泥土层、粘性土层、砂类土层和砂砾层。
　　高压发生设备主要有高压泵、泥浆泵、空压机、注浆管、高压胶管、液体流量计、风量计等。
　　2．注浆材料。高压喷射注浆用的材料分为主材与外加剂。主材为水泥，常使用的水泥有普通硅酸盐水泥、高早强水泥、低热水泥和抗硫酸盐水泥等。对于无特殊要求的工程，一般选用32.5级及以上的普通硅酸盐水泥。在使用之前，一般都要进行专门的检测。
（二）施工工艺研究
　　高压喷射注浆的施工工艺流程如图1所示：
 
 
图1  高压喷射注浆的施工工艺流程
　　1．孔位放点。在孔位放点中，应根据设计需要的精度选择相应的测量仪器，其孔位误差不得超过±50mm。在施工期间，须在场地不受影响位置设置或保存几个平面及高程控制点，并加以保护，作为基准点使用。
　　2．喷射就位并钻孔。将钻机移至设计的孔位上，使钻头对准孔位中心。同时为保证钻孔达到设计要求的垂直度，钻机就位后，调整液压支腿的高度使钻机水平，并使其钻杆轴线垂直对准钻孔中心位置，钻杆垂直度要求不得大于1.5%。钻孔的目的是将注浆管置入到预定的地层中。
　　3．喷射注浆。当钻进到设计深度后，严格按照施工指定的参数，由上而下进行喷射注浆。施工过程中，必须时刻注意检查浆液初凝时间、注浆流量、压力、旋转提升速度等参数是否符合设计要求，并做好记录。
　　4．冲洗器具。在插管喷射过程中，要注意防止被堵，在拆卸或安装注浆管时要快。水、气、浆的压力和流量必须符合设计值，否则要拔管清洗，再重新进行插管和旋喷。施工完毕，应把注浆管等机具设备冲洗干净，管内、机内不得残存水泥浆。
　　5．回填注浆。喷射注浆完成后，由于浆液的析水作用，一般固结体均有不同程度的收缩，使固体顶部出现一个凹穴，容易造成加固地基与建筑物基础结合不紧密或脱空现象。为防止这种现象的出现，可采取回灌冒浆或用水灰比为0.6的水泥浆补藻。
（三）质量检查与控制
　　1．质量检查的内容。做好质量检验是保证工程质量的重要一环。高压旋喷体的强度增长较慢，检验时间应在注浆完成后6周进行，以避免因检验不当而使固结体遭受破坏，影响检验的可靠性。
　　固结体的整体性和均匀性；固结体的有效直径；固结体的垂直度；固结体的强度等。检验点的数量为施工注浆孔数的2%～5%，对于不足20孔的工程，至少应检验2个点，不合格者应进行补喷。检验点的位置主要是：建筑荷载大的部位；帷幕中心线上等可能对高压喷射注浆质量产生影响的部位。
　　2．质量检查的方法。（1）开挖检查：高喷完毕，待凝固具有一定强度后即可进行开挖检查。因开挖量较大，一般限于表层2m左右。开挖后由于固结体完全暴露，因此，较能全面地检查喷射固结体质量，同时也可检查固结体垂直度和固结体形状。（2）钻孔取芯：在已旋喷好的固体中钻取岩芯，观察判断其固结体整体性和固结体的长度，并将其做成标准试件进行室内物理力学性能试验，鉴定其是否符合设计要求。（3）静载荷试验：施工完毕，一般28天后要进行单桩和复合地基静载荷试验，根据试验结果评价单桩承载力是否满足设计要求。（4）小应变动力测试：可以对桩的完整性（断裂、离析等都属于不合格的缺陷桩）和承载力进行普查。通过小应变动力测试，可以对桩身质量评价分为以下四种类型：1）完整桩：施工质量优良的完整桩的速度波形应光滑，有明显的桩底反射信号，波速正常，桩身混凝土平均波速较高；2）缺陷桩：缺陷桩的波形曲线存在较明显的异常，实测曲线、波形特征是在桩身缺陷处产生与激振脉冲相同位的第一时间到达t反射时间较为明显，但整桩波速不会下降，与完整桩波较为一致。该桩桩径1.2m，桩长41.0m，在5m处表现为缩径缺陷；3）断桩：断桩的波形曲线存在明显的波峰，且桩底信号不明显断桩实测曲线、波形与其它缺陷桩的波形是不一样，因为断桩所在位置，应力波无法往下传播，主要原因在断裂处空气的波阻抗无穷大于混凝土波阻抗，而实测波形多次反射，反射时间间隔一致，并对反射信号就会自由震荡慢慢的衰减下去，故无法找出桩底反射。根据该工程桩身平均波速，求得该桩在18.0m断桩。
三、应用研究
（一）项目概况
　　某高层住宅楼项目位于市内，周围建筑物林立。拟建住宅楼主楼为地下一层，地上十八层。本工程基础采用钢筋混凝土筏板基础，地基采用高压旋喷桩处理后的复合地基。场地地貌单元属于黄河冲积平原，场地地形基本平坦。场地内地层除地表有0.5～1.1m厚的杂填土外，从上至下共有三套地层，第6～10层为低压缩性土，其余各层为中等压缩性土。
　　场地内地下水属潜水类型，地下水稳定水位在地表以下约6.1m，地下水对钢筋砼不具有侵蚀性。场地土为中软场地土，场地内不存在可液化地层。
（二）高压旋喷桩复合地基设计
1．设计参数。
（1）桩端持力层的选择。根据岩土工程勘察报告，考虑按侧摩阻力和端阻力计算的单桩承载力略大于按水泥土强度计算的单桩承载力的要求，确定以分布稳定、低压缩性、密实状态的第10层粉土作为桩端持力层。
（2）桩径、桩长及桩身强度。处理范围的土层主要是粉土和粉质粘土。据此，当采用单管旋喷施工工艺时，桩径一般采用D=600mm。根据地下底板埋深和桩端持力层的要求，选择有效桩长L=11.50m，桩间距为1.4m，布桩方式为正方形，平均桩径为600mm，面积置换率为14.42%。
2．注浆材料的选择及配比。本次高压喷射注浆主要是以强化地基为目的，选用的注浆材料为水泥。根据该项目的地质条件，选择注浆材料主要从工艺及设备上考虑，水泥本身质量要求颗粒细，稳定性好，强度高即可，不需往水泥中加入其它掺合料。即选择普通硅酸盐强度等级为32.5级的水泥即可。
　　水泥浆液的水灰比越小，高压喷射注浆处理地基的强度越高。在生产中因注浆设备的原因，水灰比大小时，喷射有困难，易堵塞喷嘴及加快高压泵柱塞的老化。故常选用0.8～1.5左右。本工程由于地质层条件相对较好，取水灰比为0.9。
（三）高压喷射注浆施工
　　采用单管分喷工艺，其特点是高压清水切割与高压注浆分两步进行。高压喷射注浆施工要求如下：
1．钻进过程中，采用清水旋喷成孔，当钻头钻进距桩底标高1m后，需先喷一分钟再以一定的转速和提升速度自下而上喷射注浆。
2．在喷浆过程中，严格控制旋喷压力、提升速度、旋转速度和喷浆量等技术指标，并做好详细记录。如果出现压力骤降、骤升、不冒浆或冒浆量过大等异常情况，应及时查明原因，及时采取复喷等补救措施。
3．送浆要均匀。如果在喷射注浆过程中出现钻头被堵塞现象，或钻机及高压泵等出现故障而被迫停机时，并且发现停喷应立即处理；修钻机时，应将送浆管等机具中的余浆用清水冲洗干净，以免造成下次钻进成桩时管路堵塞。再次喷浆，重复搭接的长度不得小于1m，以防止断桩。
4．注浆完毕，若发现桩顶部位沉降较大，必要时可在原孔位采取冒浆回灌或二次注浆等措施。
四、结语
　　近年来，随着软土地基处理技术的发展，高压旋喷桩软土地基显示出较大的优越性，成为在市区内处理高层及小高层地基基础的较优方案，值得广大施工技术人员深入研究。