高壓旋噴注漿固結體強度影響因素的研究

（山東正元建設工程有限責任公司，山東 淄博 255000）

高壓旋噴注漿技術的應用主要是利用旋噴出來的固結體，加固粘性土、黃土以及人工填土等地層，而且固結體要達到一定的強度標準，使其能夠讓地基更加穩固。所以科學分析影響高壓旋噴注漿固結體強度的因素，對于提高高壓旋噴注漿技術的應用具有重要的工程意義。

1 土的工程性質對固結體強度的影響

在固結體的形成過程中，土體結構破壞后和漿液混合在一起，固凝形成為固結體，是固結體的組成材料，根據大量實驗證明，固結體中土顆粒含量占50%，因此土體特性、如顆粒組成、粘粒含量、有機質含量以及含水量等對固結體強度的影響都很大，在粘性土中形成的固結體抗壓度約在1MPa～5MPa之間：在砂類土中形成的強度約為5MPa～15MPa之間。所以說土體性質對固結體強度的形成起著決定性的作用。一般來說，砂類土及原土地基承載力較高的土，所形成的固結體強度也較高；淤泥以及泥質土（尤其含有有機質多的土）形成的固結體強度則較低。

表1 不同土層固結體強度對比

同一類土，含水量高則形成的固結體強度要低些。由于土體還是固結體的養護環境，土體的含水量和滲透性對固結體強度的形成有很大影響。當土體的含水量大而滲透性較小時，水泥土漿中多余的水分就無法向外滲透，必然會在固結體內形成孔隙，使固結體的強度降低。表1表示在不同地層中旋噴注漿所形成的固結體強度對比。

2 漿液材料的不同對固結體強度的影響

隨著研究的逐漸深入，以及對高壓旋噴注漿技術的重視，越來越多的漿液材料給在此項技術中得到了很好的應用。高壓旋噴固結體主要成分就是硬化劑和土顆粒,經過兩者的充分攪拌而成。固化劑的強度對土的固結體強度具有重要的影響。

（1）水泥種類和摻入比對固結體強度影響。經過研究得知，水泥種類和摻入量的多少對固結體的強度具有重要的影響。水泥水化的速度和水泥強度等級的高低以及水泥顆粒的粗細具有重要的關系。強度等級越高的水泥，顆粒就越是細膩，就更加能夠加快水泥的水化速度。在相同的時間和相同的土質條件下，產生的膠凝粒子數量就會更多，在相同水灰比時形成的漿液就越稠。圖1 為水灰比為1:1 時所用不同強度等級水泥漿液旋噴形成的固結體的抗壓強度曲線。

圖1 1.425硅酸鹽水泥；2.425礦渣水泥；3.325礦渣水泥

從圖1中可以看出，水泥強度等級越高，形成的固結體強度就越高，硅酸鹽水泥形成的固結體強度要比礦渣水泥形成的高些。

隨著水泥摻入比的不同，固結體的抗壓強度也發生的相應的變化，水泥摻入量越高，固結體的抗壓強度也隨著變高。

表2 不同摻入比時固結體抗壓強度的變化

（2）水灰比對固結體強度的影響。實踐證明，合理的水灰比例對固結體強度具有重要的影響。過高的水灰比會降低固結體的密實度，而水灰比小于0.8的時候，就會導致施工管路和噴咀堵塞不能順利施工。表3列出了在常見地層中進行旋噴施工時形成的固結體和原狀土容重之比。

表3 固結體和原狀土容重對比

從表3可以看出，當水灰比小于0.8時，漿液的可噴性較差，噴射效果不佳導致水泥土強度降低。原狀土經過高壓水的切割破壞后，固結體的強度反而比原狀土的強度低。在實際工作中，為保證高壓噴射注漿順利施工及固結體的強度，一般的漿液水灰比例是1:1到1.5:1的范圍之內。但是據多年的研究和實踐證明，硅酸鹽水泥完全水化的過程中，所需要的水量只是水泥用量的36%左右，往往實際施工過程中的用水量大大超過了需水量。這種情況導致水泥漿液中存有很多不必要的游離水，使固結體內部出現空隙，影響抗壓強度[1]。

3 施工技術參數對固結體強度的影響

高壓旋噴注漿技術的主要技術參數包括噴咀的幾何形式以及尺寸、高壓噴射流注漿壓力，鉆機的旋轉和提升速度等，它們對旋噴注漿固結體強度有很大影響。

3.1 噴咀的形狀和大小因素對固結體強度的影響

噴嘴形狀對噴射效果的影響，已有不少試驗結果。圖2所示為一種比較適用的噴嘴構造。噴嘴的直線部分L和噴嘴總長度I均可按噴嘴直徑的比例確定。如果長度不足，則形成須絮流。

圖2 噴嘴的合理形狀

此外，噴嘴的角度和加工精度，對噴射流的特性均有顯著影響。

圖3 噴嘴加工質量對噴射流的影響

圖3所示為兩種加工質量不同的噴嘴，在相同的噴射壓力下形成不同射流。當噴嘴加工質量良好時（圖3a），可以形成良好的水束，反之則不能形成水束（圖3b），土體切削效果也不理想。由此可見，形狀合理、加工精密優質噴嘴，對噴射加固的范圍有著重要的影響。

3.2 噴射流壓力對固結體強度的影響

噴射流的破壞力隨著速度的提升而逐漸提升。在實際的工作過程中，利用加大泵壓來增加噴射流流量和流速，才能使得噴射流的破壞力達到工作的要求。因此，要求對提升對設備和材料的要求準則。一般情況下，在高壓噴射注漿工作中，一般載能介質泵都是用20-40兆帕左右的壓力[2]。

根據流體力學，射流流速（v0）、壓力（P）、流量（Q）很噴咀直徑（d）之間存在著下列關系：

由此可以看出，在流量一定的情況下，只有相應地減少d的數值，即噴嘴直徑的大小，才能提高v0和p的數值，才能達到良好的噴射效果。

3.3 鉆機旋轉和提升速度對固結體強度的影響

當旋轉噴射時，射流方向垂直于旋轉軸，以噴咀為中心形成圓盤形破壞帶。射流在L半徑處的線速度即為橫向速度，此時橫移速度是相對半徑大小而變化的，圓形破壞帶的直徑與旋轉速度呈正比關系。噴咀一邊旋轉一邊提升，即沿旋轉軸方向螺旋狀上升。其噴嘴移動示意圖如圖4和噴嘴旋轉提升三維示5所示。

圖4 噴咀移動示意圖

圖5 噴嘴旋轉提升三維示意圖

由圖中可以看出，要使射流束破壞土體呈連續狀態，提升速度v的最大值為：每旋轉一周，噴咀提升的高度正好等于射流在L半徑處的有效擴散寬度DL。若提升速度大于該值，則在L范圍內的土體不能連續破壞，無法形成連續樁，不同的旋轉速度對應不同的最大提升速度[3]。在最大提升速度下，射流對原位土體只產生一次破壞，根據成樁作用原理，結構破壞后的土體還要靠射流進一步的破壞，并與漿液攪拌混合，既能形成已定的直徑的樁體又能保證成樁質量。這要靠增加重復破壞次數即降低提升速度來實現。

旋轉速度和提升速度之間有相互制約關系，在實際工作中，如果鉆機的提升速度過快，會在很大程度上減少固結體的直徑大小。一旦這些土塊和漿液進行攪拌混合，就會嚴重影響固結體的抗壓強度。

4 結語

隨著地基基礎工程行業技術人員對影響固結體強度的不同因素的不斷探索，逐漸形成一套根據設計方案的不同而使用不同施工方案的完整的工作系統，使固結體的強度逐漸符合設計要求。在實際的施工作業中，通過對地層的了解掌握、漿液材料的控制，以及對鉆機的旋轉速度和提升速度的控制等，通過多個環節的合理調配，確保固結體的抗壓強度。因此，對影響高壓旋噴注漿固結體強度的主要因素研究，具有重要的實際意義和作用。

[1]徐平,張敏霞,丁亞紅.高壓旋噴注漿加固設計及應用[J].山西建筑,2009,35(13):94-95.

[2]雷崇紅,孫樹銘.高壓旋噴注漿技術及其應用[J].鐵道建筑,2004,(05):42-45.

[3]孫家學等.影響注漿結石體強度的因素分析[J].金屬礦山,1992,4:94-95.