高压旋喷注浆固结体强度影响因素的研究

（山东正元建设工程有限责任公司，山东 淄博 255000）

高压旋喷注浆技术的应用主要是利用旋喷出来的固结体，加固粘性土、黄土以及人工填土等地层，而且固结体要达到一定的强度标准，使其能够让地基更加稳固。所以科学分析影响高压旋喷注浆固结体强度的因素，对于提高高压旋喷注浆技术的应用具有重要的工程意义。

1 土的工程性质对固结体强度的影响

在固结体的形成过程中，土体结构破坏后和浆液混合在一起，固凝形成为固结体，是固结体的组成材料，根据大量实验证明，固结体中土颗粒含量占50%，因此土体特性、如颗粒组成、粘粒含量、有机质含量以及含水量等对固结体强度的影响都很大，在粘性土中形成的固结体抗压度约在1MPa～5MPa之间：在砂类土中形成的强度约为5MPa～15MPa之间。所以说土体性质对固结体强度的形成起着决定性的作用。一般来说，砂类土及原土地基承载力较高的土，所形成的固结体强度也较高；淤泥以及泥质土（尤其含有有机质多的土）形成的固结体强度则较低。

表1 不同土层固结体强度对比

同一类土，含水量高则形成的固结体强度要低些。由于土体还是固结体的养护环境，土体的含水量和渗透性对固结体强度的形成有很大影响。当土体的含水量大而渗透性较小时，水泥土浆中多余的水分就无法向外渗透，必然会在固结体内形成孔隙，使固结体的强度降低。表1表示在不同地层中旋喷注浆所形成的固结体强度对比。

2 浆液材料的不同对固结体强度的影响

随着研究的逐渐深入，以及对高压旋喷注浆技术的重视，越来越多的浆液材料给在此项技术中得到了很好的应用。高压旋喷固结体主要成分就是硬化剂和土颗粒,经过两者的充分搅拌而成。固化剂的强度对土的固结体强度具有重要的影响。

（1）水泥种类和掺入比对固结体强度影响。经过研究得知，水泥种类和掺入量的多少对固结体的强度具有重要的影响。水泥水化的速度和水泥强度等级的高低以及水泥颗粒的粗细具有重要的关系。强度等级越高的水泥，颗粒就越是细腻，就更加能够加快水泥的水化速度。在相同的时间和相同的土质条件下，产生的胶凝粒子数量就会更多，在相同水灰比时形成的浆液就越稠。图1 为水灰比为1:1 时所用不同强度等级水泥浆液旋喷形成的固结体的抗压强度曲线。

图1 1.425硅酸盐水泥；2.425矿渣水泥；3.325矿渣水泥

从图1中可以看出，水泥强度等级越高，形成的固结体强度就越高，硅酸盐水泥形成的固结体强度要比矿渣水泥形成的高些。

随着水泥掺入比的不同，固结体的抗压强度也发生的相应的变化，水泥掺入量越高，固结体的抗压强度也随着变高。

表2 不同掺入比时固结体抗压强度的变化

（2）水灰比对固结体强度的影响。实践证明，合理的水灰比例对固结体强度具有重要的影响。过高的水灰比会降低固结体的密实度，而水灰比小于0.8的时候，就会导致施工管路和喷咀堵塞不能顺利施工。表3列出了在常见地层中进行旋喷施工时形成的固结体和原状土容重之比。

表3 固结体和原状土容重对比

从表3可以看出，当水灰比小于0.8时，浆液的可喷性较差，喷射效果不佳导致水泥土强度降低。原状土经过高压水的切割破坏后，固结体的强度反而比原状土的强度低。在实际工作中，为保证高压喷射注浆顺利施工及固结体的强度，一般的浆液水灰比例是1:1到1.5:1的范围之内。但是据多年的研究和实践证明，硅酸盐水泥完全水化的过程中，所需要的水量只是水泥用量的36%左右，往往实际施工过程中的用水量大大超过了需水量。这种情况导致水泥浆液中存有很多不必要的游离水，使固结体内部出现空隙，影响抗压强度[1]。

3 施工技术参数对固结体强度的影响

高压旋喷注浆技术的主要技术参数包括喷咀的几何形式以及尺寸、高压喷射流注浆压力，钻机的旋转和提升速度等，它们对旋喷注浆固结体强度有很大影响。

3.1 喷咀的形状和大小因素对固结体强度的影响

喷嘴形状对喷射效果的影响，已有不少试验结果。图2所示为一种比较适用的喷嘴构造。喷嘴的直线部分L和喷嘴总长度I均可按喷嘴直径的比例确定。如果长度不足，则形成须絮流。

图2 喷嘴的合理形状

此外，喷嘴的角度和加工精度，对喷射流的特性均有显著影响。

图3 喷嘴加工质量对喷射流的影响

图3所示为两种加工质量不同的喷嘴，在相同的喷射压力下形成不同射流。当喷嘴加工质量良好时（图3a），可以形成良好的水束，反之则不能形成水束（图3b），土体切削效果也不理想。由此可见，形状合理、加工精密优质喷嘴，对喷射加固的范围有着重要的影响。

3.2 喷射流压力对固结体强度的影响

喷射流的破坏力随着速度的提升而逐渐提升。在实际的工作过程中，利用加大泵压来增加喷射流流量和流速，才能使得喷射流的破坏力达到工作的要求。因此，要求对提升对设备和材料的要求准则。一般情况下，在高压喷射注浆工作中，一般载能介质泵都是用20-40兆帕左右的压力[2]。

根据流体力学，射流流速（v0）、压力（P）、流量（Q）很喷咀直径（d）之间存在着下列关系：

由此可以看出，在流量一定的情况下，只有相应地减少d的数值，即喷嘴直径的大小，才能提高v0和p的数值，才能达到良好的喷射效果。

3.3 钻机旋转和提升速度对固结体强度的影响

当旋转喷射时，射流方向垂直于旋转轴，以喷咀为中心形成圆盘形破坏带。射流在L半径处的线速度即为横向速度，此时横移速度是相对半径大小而变化的，圆形破坏带的直径与旋转速度呈正比关系。喷咀一边旋转一边提升，即沿旋转轴方向螺旋状上升。其喷嘴移动示意图如图4和喷嘴旋转提升三维示5所示。

图4 喷咀移动示意图

图5 喷嘴旋转提升三维示意图

由图中可以看出，要使射流束破坏土体呈连续状态，提升速度v的最大值为：每旋转一周，喷咀提升的高度正好等于射流在L半径处的有效扩散宽度DL。若提升速度大于该值，则在L范围内的土体不能连续破坏，无法形成连续桩，不同的旋转速度对应不同的最大提升速度[3]。在最大提升速度下，射流对原位土体只产生一次破坏，根据成桩作用原理，结构破坏后的土体还要靠射流进一步的破坏，并与浆液搅拌混合，既能形成已定的直径的桩体又能保证成桩质量。这要靠增加重复破坏次数即降低提升速度来实现。

旋转速度和提升速度之间有相互制约关系，在实际工作中，如果钻机的提升速度过快，会在很大程度上减少固结体的直径大小。一旦这些土块和浆液进行搅拌混合，就会严重影响固结体的抗压强度。

4 结语

随着地基基础工程行业技术人员对影响固结体强度的不同因素的不断探索，逐渐形成一套根据设计方案的不同而使用不同施工方案的完整的工作系统，使固结体的强度逐渐符合设计要求。在实际的施工作业中，通过对地层的了解掌握、浆液材料的控制，以及对钻机的旋转速度和提升速度的控制等，通过多个环节的合理调配，确保固结体的抗压强度。因此，对影响高压旋喷注浆固结体强度的主要因素研究，具有重要的实际意义和作用。

[1]徐平,张敏霞,丁亚红.高压旋喷注浆加固设计及应用[J].山西建筑,2009,35(13):94-95.

[2]雷崇红,孙树铭.高压旋喷注浆技术及其应用[J].铁道建筑,2004,(05):42-45.

[3]孙家学等.影响注浆结石体强度的因素分析[J].金属矿山,1992,4:94-95.