高壓旋噴樁技術及其應用

朱旦育

摘要：高壓噴射樁技術具有適用性廣、施工簡便、安全可靠、樁身強度大、材源廣、成本低等特點，廣泛應用于建筑物地基加固、地基處理、防滲止水、邊坡防護和治理、堤壩防滲等方面，在國內外得到推廣和應用。

1.高壓旋噴樁技術概述

高壓旋噴樁是利用鉆機將旋噴注漿管及噴頭鉆置于樁底設計高程，將預先配制好的漿液通過高壓發生裝置使漿液成為20MPa左右或更高的高壓射流，從注漿管邊的噴嘴中高速噴射出來，形成一股能量高度集中的液流，沖擊切割土體，當噴射流的動壓超過土體結構強度時，土粒便從土體中剝離。一部分細小的顆粒隨漿液冒出地面，其余土粒在噴射流的沖擊力、離心力和重力的作用下，與漿液攪拌混合，噴射過程中，鉆桿邊旋轉邊提升，使漿液與土體充分攪拌混合，在土中形成一定直徑的柱狀固結體，從而使地基達到加固的目的。施工中一般分為兩個工作流程，即先鉆后噴，再下鉆噴射，然后提升攪拌，保證每米樁漿液的含量和質量。用高壓旋噴樁加固地基，不但能最大限度地利用原位土與固化劑的充分混合，形成復合地基，提高承載能力，而且施工簡便，成本低廉；無任何不良影響。

2.高壓旋噴注漿的成樁作用

2.1高壓噴射流對土體的破壞作用

高壓噴射流破壞土體的效能，隨著土體的物理力學性質的不同，在數量方面有較大的差異。噴射流破壞土體的機理比較復雜，透過旋噴的現象，可以分析其主要作用。高壓噴射流破壞土體的作用，可用以下主要因素來說明。

（1）噴流動區

高壓噴射流沖擊土體時，由于能量高度集中地沖擊一個很小的區域，因而在這個區域內及其周圍的土和土結構的組織之間，形成強大的壓應力作用，當這些外力超過土顆粒結構的破壞臨界值時，土體便受到破壞。由噴射流的運動方程可得出其理論破壞力公式：

式中， F—噴射流的破壞力（N）；

ρ—噴射流介質的密度（Ns2 /m4 ）

A—噴射流的截面積（噴咀出口）（m2）

Vm—噴射流的速度（m/s）。

從上式中可知，當噴射流介質密度和噴咀截面積一定時，則噴射流的破壞力和速度的平方成正比，而噴射壓力越高，則流速越大。因此用增加高壓泵的壓力，是增大高速噴射流的破壞力最合理的方法。

（2）噴射流的脈動負荷

當噴射流不停地脈沖式沖擊土體時，土粒表面受到脈動負荷的影響，逐漸積累起殘余變形，使土粒失掉平衡，從而促使了土的破壞。

（3）水流的沖擊力

由于噴射流斷續地錘擊土體，產生沖擊力，促進破壞的進一步發展。

（4）空穴現象

當土體沒有被射出孔洞時，噴射流沖擊土體以沖擊面上的大氣壓力為基礎，產生壓力變動，在壓力差大的部位產生孔洞，呈現出類似空穴的現象。在沖擊面上的土體被蒸氣泡的破壞壓所腐蝕，使沖擊面破壞。此外，在空穴中，由于噴射流的激烈紊流，也會把較軟弱的土體掏空，造成空穴擴大，使更多的土顆粒遭受剝離，使土體遭受破壞。

（5）水楔效應

當噴射流充滿土層時，由于噴射流的反作用力，產生水楔。噴射流在垂直于噴射流軸線的方向上，楔入土體的裂隙或薄弱部分中，這時噴射流的動壓變為靜壓，使土發生剝落加寬裂隙。

（6）擠壓力

噴射流在終了區域，能量衰減很大，不能直接沖擊土體使土粒剝落，但能對有效射程的邊界土產生擠壓力，對四周土有壓密作用，并使部分漿液進入土粒之間的空隙里，使固結體與四周土緊密相依，不產生脫離現象。

（7）氣流攪動

在水或漿與氣的同軸噴射作用下，空氣流使水或漿的高壓噴射流從破壞的土體上將土粒迅速吹散，使高壓噴射流的噴流破壞條件得到改善，阻力大大減少，能量消耗降低，因而增大了高壓噴射流的破壞能力。

2.2高壓旋噴樁的成樁機理

高壓旋噴樁的成樁機理也可用五種作用來說明。

（l）切割破壞作用。高壓噴射流的噴射動壓以脈沖形式沖擊土體，使土體結構破壞出現空洞。

（2）置換作用。高壓噴射流邊旋轉邊以一定的速度緩慢提升，被切削下來的一部分細小土粒被漿液置換發生升揚作用。

（3）混合攪拌作用。鉆桿在旋轉和提升的過程中，在射流后面形成空隙，在噴射壓力作用下，迫使土粒向與噴嘴移動方向相反的方向（即阻力小的方向）移動，與漿液攪拌混合后形成固結體。

（4）滲透固結作用。高壓漿液充填沖開的和原有的土體空隙后，析水固結。

（5）壓密作用。高壓噴射流在切割破碎土體的過程中，在破碎帶邊緣還有剩余壓力，這種壓力對土層產生一定的壓密作用，使高壓旋噴樁樁體邊緣部分的抗壓強度高于中心部分。

3.高壓旋噴樁主要優點及適用范圍

所謂高壓旋噴注漿法是利用鉆機等設備，把安裝在注漿管底部側面的特殊噴咀，置入土層預定深度后，用高壓泥漿泵等高壓發生裝置，以20MPa左右的壓力，把漿液從噴嘴中噴射出去，沖擊破壞土體。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，即旋噴樁。

（1）高壓旋噴樁的主要優點

①設備簡單，施工方便：只須鉆機及高壓泥漿泵等簡單設備就可施工，操作簡單，移動靈活，只須在土層中鉆一直徑50mm的小孔，便可成直徑為400-800mm的樁體。

② 樁體強度高：據有關資料報導，在亞粘土中，樁徑為800mm的樁，樁長，允許承載力可達90-130噸。當漿液為水泥漿時，粘性土樁體抗壓強度可達5-10MPa，砂類土樁體抗壓強度可達10-20 MPa。

③ 有穩定的加固效果和較好的耐久性能，而且施工速度快，和預制打入樁、混凝土灌注樁相比較，工期約可縮短-。

④ 料源廣闊：一般采用325或425普通硅酸鹽水泥即可，摻入適量外加劑，以達到速度、強度、抗凍、耐蝕和漿液不沉淀等效果。此外，還可以在水泥中加入適量的粉煤灰，這樣即利用了廢料，又降低了成本。

⑤ 生產安全，無公害：高壓設備上有安全閥或自動停機裝置，當壓力超過規定時，閥門便自動開啟瀉漿、降壓或自動停機。旋噴樁所使用的鉆機及高壓泥漿泵等機具振動很小，噪音也較低，不會對周圍建筑物帶來振動的影響和產生噪音公害，水泥漿也不存在污濁水域、毒化飲用水源的問題。

（2）高壓旋噴樁的適用范圍

①適用工程范圍：由于旋噴樁具有上述優點，因而在工業與民用建筑的地基處理及加固、礦山井巷工程、礦井防治水，加固路基及橋梁、治理滑坡及流砂等工作中得到廣泛應用。

②適用的土質條件：由于高壓旋噴樁使用的壓力大，產生的噴射流的能量大、速度快，當它連續和集中地作用在土體上時，壓應力和沖蝕等多種因素便在很小的區域內產生效應，對從粒徑很小的細粒土到顆粒直徑較大的卵石、碎石土，幾乎各類土質，無論其軟硬，均有巨大的沖擊破壞和攪動作用，使注入的漿液和土拌合均勻，凝固為新的固結體。高壓噴射注漿法適用于處理淤泥、淤泥質土、粘性土、黃土、砂土、人工填土和碎石土地基，并解決了小顆粒土不易注漿加固的難題。對卵石粒徑為20-200mm、含量為30%的砂礫土，噴射效果較好。但對于含有大量根莖、大量大粒徑塊石或堅硬粘性土的地層，因噴射流可能受到削弱，沖擊破碎力急劇下降，影響處理效果。而對于含有過多有機質的土層，則處理效果取決于固結體的化學穩定性和固結體強度，應根據現場試驗結果確定其適用程度。對地下水流速過大，漿液無法在注漿管周圍凝固的情況，對無填充物的巖溶地段、永凍土以及對水泥有嚴重腐蝕的地基，則不宜采用高壓旋噴樁。endprint