高压旋喷桩技术及其应用

朱旦育

摘要：高压喷射桩技术具有适用性广、施工简便、安全可靠、桩身强度大、材源广、成本低等特点，广泛应用于建筑物地基加固、地基处理、防渗止水、边坡防护和治理、堤坝防渗等方面，在国内外得到推广和应用。

1.高压旋喷桩技术概述

高压旋喷桩是利用钻机将旋喷注浆管及喷头钻置于桩底设计高程，将预先配制好的浆液通过高压发生装置使浆液成为20MPa左右或更高的高压射流，从注浆管边的喷嘴中高速喷射出來，形成一股能量高度集中的液流，冲击切割土体，当喷射流的动压超过土体结构强度时，土粒便从土体中剥离。一部分细小的颗粒随浆液冒出地面，其余土粒在喷射流的冲击力、离心力和重力的作用下，与浆液搅拌混合，喷射过程中，钻杆边旋转边提升，使浆液与土体充分搅拌混合，在土中形成一定直径的柱状固结体，从而使地基达到加固的目的。施工中一般分为两个工作流程，即先钻后喷，再下钻喷射，然后提升搅拌，保证每米桩浆液的含量和质量。用高压旋喷桩加固地基，不但能最大限度地利用原位土与固化剂的充分混合，形成复合地基，提高承载能力，而且施工简便，成本低廉；无任何不良影响。

2.高压旋喷注浆的成桩作用

2.1高压喷射流对土体的破坏作用

高压喷射流破坏土体的效能，随着土体的物理力学性质的不同，在数量方面有较大的差异。喷射流破坏土体的机理比较复杂，透过旋喷的现象，可以分析其主要作用。高压喷射流破坏土体的作用，可用以下主要因素来说明。

（1）喷流动区

高压喷射流冲击土体时，由于能量高度集中地冲击一个很小的区域，因而在这个区域内及其周围的土和土结构的组织之间，形成强大的压应力作用，当这些外力超过土颗粒结构的破坏临界值时，土体便受到破坏。由喷射流的运动方程可得出其理论破坏力公式：

式中， F—喷射流的破坏力（N）；

ρ—喷射流介质的密度（Ns2 /m4 ）

A—喷射流的截面积（喷咀出口）（m2）

Vm—喷射流的速度（m/s）。

从上式中可知，当喷射流介质密度和喷咀截面积一定时，则喷射流的破坏力和速度的平方成正比，而喷射压力越高，则流速越大。因此用增加高压泵的压力，是增大高速喷射流的破坏力最合理的方法。

（2）喷射流的脉动负荷

当喷射流不停地脉冲式冲击土体时，土粒表面受到脉动负荷的影响，逐渐积累起残余变形，使土粒失掉平衡，从而促使了土的破坏。

（3）水流的冲击力

由于喷射流断续地锤击土体，产生冲击力，促进破坏的进一步发展。

（4）空穴现象

当土体没有被射出孔洞时，喷射流冲击土体以冲击面上的大气压力为基础，产生压力变动，在压力差大的部位产生孔洞，呈现出类似空穴的现象。在冲击面上的土体被蒸气泡的破坏压所腐蚀，使冲击面破坏。此外，在空穴中，由于喷射流的激烈紊流，也会把较软弱的土体掏空，造成空穴扩大，使更多的土颗粒遭受剥离，使土体遭受破坏。

（5）水楔效应

当喷射流充满土层时，由于喷射流的反作用力，产生水楔。喷射流在垂直于喷射流轴线的方向上，楔入土体的裂隙或薄弱部分中，这时喷射流的动压变为静压，使土发生剥落加宽裂隙。

（6）挤压力

喷射流在终了区域，能量衰减很大，不能直接冲击土体使土粒剥落，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。

（7）气流搅动

在水或浆与气的同轴喷射作用下，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，使高压喷射流的喷流破坏条件得到改善，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。

2.2高压旋喷桩的成桩机理

高压旋喷桩的成桩机理也可用五种作用来说明。

（l）切割破坏作用。高压喷射流的喷射动压以脉冲形式冲击土体，使土体结构破坏出现空洞。

（2）置换作用。高压喷射流边旋转边以一定的速度缓慢提升，被切削下来的一部分细小土粒被浆液置换发生升扬作用。

（3）混合搅拌作用。钻杆在旋转和提升的过程中，在射流后面形成空隙，在喷射压力作用下，迫使土粒向与喷嘴移动方向相反的方向（即阻力小的方向）移动，与浆液搅拌混合后形成固结体。

（4）渗透固结作用。高压浆液充填冲开的和原有的土体空隙后，析水固结。

（5）压密作用。高压喷射流在切割破碎土体的过程中，在破碎带边缘还有剩余压力，这种压力对土层产生一定的压密作用，使高压旋喷桩桩体边缘部分的抗压强度高于中心部分。

3.高压旋喷桩主要优点及适用范围

所谓高压旋喷注浆法是利用钻机等设备，把安装在注浆管底部侧面的特殊喷咀，置入土层预定深度后，用高压泥浆泵等高压发生装置，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，使浆液与土体上崩落下来的土搅拌混合，经过一定时间凝固，便在土中形成圆柱状的固结体，即旋喷桩。

（1）高压旋喷桩的主要优点

①设备简单，施工方便：只须钻机及高压泥浆泵等简单设备就可施工，操作简单，移动灵活，只须在土层中钻一直径50mm的小孔，便可成直径为400-800mm的桩体。

② 桩体强度高：据有关资料报导，在亚粘土中，桩径为800mm的桩，桩长，允许承载力可达90-130吨。当浆液为水泥浆时，粘性土桩体抗压强度可达5-10MPa，砂类土桩体抗压强度可达10-20 MPa。

③ 有稳定的加固效果和较好的耐久性能，而且施工速度快，和预制打入桩、混凝土灌注桩相比较，工期约可缩短-。

④ 料源广阔：一般采用325或425普通硅酸盐水泥即可，掺入适量外加剂，以达到速度、强度、抗冻、耐蚀和浆液不沉淀等效果。此外，还可以在水泥中加入适量的粉煤灰，这样即利用了废料，又降低了成本。

⑤ 生产安全，无公害：高压设备上有安全阀或自动停机装置，当压力超过规定时，阀门便自动开启泻浆、降压或自动停机。旋喷桩所使用的钻机及高压泥浆泵等机具振动很小，噪音也较低，不会对周围建筑物带来振动的影响和产生噪音公害，水泥浆也不存在污浊水域、毒化饮用水源的问题。

（2）高压旋喷桩的适用范围

①适用工程范围：由于旋喷桩具有上述优点，因而在工业与民用建筑的地基处理及加固、矿山井巷工程、矿井防治水，加固路基及桥梁、治理滑坡及流砂等工作中得到广泛应用。

②适用的土质条件：由于高压旋喷桩使用的压力大，产生的喷射流的能量大、速度快，当它连续和集中地作用在土体上时，压应力和冲蚀等多种因素便在很小的区域内产生效应，对从粒径很小的细粒土到颗粒直径较大的卵石、碎石土，几乎各类土质，无论其软硬，均有巨大的冲击破坏和搅动作用，使注入的浆液和土拌合均匀，凝固为新的固结体。高压喷射注浆法适用于处理淤泥、淤泥质土、粘性土、黄土、砂土、人工填土和碎石土地基，并解决了小颗粒土不易注浆加固的难题。对卵石粒径为20-200mm、含量为30%的砂砾土，喷射效果较好。但对于含有大量根茎、大量大粒径块石或坚硬粘性土的地层，因喷射流可能受到削弱，冲击破碎力急剧下降，影响处理效果。而对于含有过多有机质的土层，则处理效果取决于固结体的化学稳定性和固结体强度，应根据现场试验结果确定其适用程度。对地下水流速过大，浆液无法在注浆管周围凝固的情况，对无填充物的岩溶地段、永冻土以及对水泥有严重腐蚀的地基，则不宜采用高压旋喷桩。endprint