深层淤泥土中高压旋喷桩浆液材料与施工工艺研究

（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450001）

随着施工技术的发展，注（灌）浆硬化和桩基加强承载力作为基底处理的方法，已经发展出多种施工工法。高压旋喷桩以其工艺简单，施工简便，施工原材来源广泛，成本低廉的特点，成为众多处理方案中应用较广泛、经济性较高的一种施工工法。在高压旋喷桩使用实践中发现，不同的基地在处理时需要不同的设计要求和工艺参数，不能“拿来主义”，需要因地制宜，适当优化。典型的如深层淤泥施工环境下，不恰当的设计要求和工艺参数，会造成原材的大量浪费，且桩体质量得不到保证。本文就深层淤泥高压旋喷桩施工浆液材料选择和施工工艺进行研究。

1 深层淤泥土一般性处理方法中常见问题探究

深层淤泥土处理属于隐蔽工程施工，且施工过程不可见，只能通过确保工艺参数和事后检查的手段，来对处理质量进行评估，监管措施缺乏，一旦出现质量问题，补救措施难以实施，进而造成严重的质量问题。

一般的深层淤泥土处理采用水泥搅拌桩的方式进行。深层淤泥地基属于软弱类基底，主要特征表现为地质不均匀，存在各种地质土层，给深层淤泥土施工造成了极大的困难，并容易产生各类施工问题[1]。水泥搅拌桩工法施工存在的问题主要为：

第一，水泥搅拌机下沉困难。由于深层淤泥土本身的性质，不均匀分布较坚硬的土层，水泥搅拌机在下沉过程中阻力增大；深层淤泥土中夹杂的石块和树根等坚硬和韧性较强的物质，也会搅拌机的下沉提供阻力。下称阻力的增大，容易造成搅拌机电机超负荷运行，电流值升高，一旦超过搅拌机电机的最大使用量程，将会造成搅拌机电机跳闸和停机。

第二，水泥搅拌机就位困难。由于深层淤泥土内含有多种物质，如果图纸黏性过大，水泥搅拌机将无法下沉至指定位置，需要增加搅拌机自重，施工过程较为繁琐。

第三，水泥搅拌机设计能力不能满足施工条件的高要求。对深层淤泥土进行准确的地质预报较为困难，水泥搅拌机设计工作能力、工作目的和技术参数不可能和施工场地的要求完全一致，导致水泥搅拌桩施工“先天不足”。

设备本身的问题和淤泥土自身的性质是客观存在的，因此，虽然水泥搅拌桩施工是最重要的深层淤泥处理方法，但限制条件也很大，不能简单沿用以往经验。

2 高压旋喷桩在深层淤泥土处理中的优势

高压旋喷桩作为地基处理的一种有效的手段，和传统的水泥搅拌桩相比，具有明显的差异。一般而言，高压旋喷桩的施工，首先钻孔至指定深度，再将装有特质合金喷嘴的注浆管下放到预定位置，利用高压射流浆液使土体剥离，浆液和剥离土混合而形成柱状（旋喷）圆断面桩。类似的还有摆喷、顶喷，也都是高压灌浆的喷射形式，和高压旋喷的施工工艺相同。水泥搅拌桩则是使用深层搅拌机，以机械旋转的方法搅动地层，同时灌入水泥浆液或喷入水泥干粉，同土体充分混合形成桩体。

水泥搅拌桩的施工，对施工场地具有一定要求，一般用于软土地基的改良。其成桩机械较大，制成的桩体水泥含量低，强度低，只能作为复合地基使用。相较而言，高压旋喷桩使用的钻机体积小、重量轻，制成的桩体水泥含量高，强度高，接近于混凝土桩。高压旋喷桩可在场地条件有限，承载力要求较高的环境下选用。

施工实践可知，采用高压旋喷桩处理地基，虽然成本提高一些，但在地层适应性和防渗加固性能方面方面，特别是在防渗施工中，高压喷射桩具有绝对优势，防渗效果明显。

3 深层淤泥高压旋喷桩浆液材料试验

3.1 试验设计

高压旋喷桩浆液的试验，在实验室进行。将高压旋喷桩实施区域的土壤和水泥浆液按照高压旋喷的模式拌合，对混合浆液制成的试块进行破坏性试验，以混合浆液强度作为判断和选择最适合浆液原材的依据。

为保证试验具有代表性，选择质地良好的深层淤泥土地段作为实验场地，深层淤泥土具有一定深度，且存在多种地质类别。

试验段高压旋喷桩的桩径设计为600mm，旋喷桩深度以桩端进入持力层内500mm 为准。旋喷桩布桩方式和施工流程如图1所示。试验土壤需从设计孔位取出。

图1 旋喷桩布桩方式和施工流程示意图

3.2 试验方案和结果

试验按照以下程序进行：1）确定高压旋喷桩试验位置；2）从设计孔位采集试验样品土壤；3）将样品土和一定配比的水泥浆液按照比例以高压旋喷的模式进行搅拌；4）混合浆液制备成试验试块；5）实验试块抗压试验，记录数据并分析实验结果。

为保证试验土符合策划的要求，对样品土取样孔位的地质成分进行分析，在层厚为0.4-18m 的地基中，主要分为淤泥以及淤泥质黏土，包含了黏粉粒、有机质以及植物的腐殖质等组分，含水量相对偏少，有机质含量偏高，符合实验要求。

试验样品土从土层的上中下三个位置取样，将样品土分别与普通水泥和矿渣水泥以高压旋喷模式进行拌合，并按照试验要求，将混合浆液制成多组试验样品，样品加入水泥胶砂制成尺寸为70.7mmx70.7mmx70.7mm 的块体。水泥浆液的配比如下：水泥用量：230kg/m，聚碳酸减水：2.0%，水灰比：1.0。参与试验试块的水泥用量按照浆液配比推算。

试验试块的试验结果如表1所示。

表1 水泥土室内配方抗压强度与单桩竖向承载力特征值

3.3 实验结果分析

从表1的实验数据可以发现，不论是普通水泥还是矿渣水泥，单桩竖向承载力的设计值比估算值都要小得多[2]。不同深度的水泥土，抗压强度略有变化，但变化不大;不同品种的水泥土，最终抗压强度的差异也不是很大，似乎可以证明水泥品种的不同对成桩的抗压强度影响不大。施工中，如果对抗压强度的要求不是很严格，可以根据经济性原则选择水泥。

在对不同品种水泥桩体的其它性能进行分析时发现，普通水泥和矿渣水泥差异明显。同样是水泥土抗压强度，在浆液混合的早期，矿渣水泥浆液的强度要低于普通水泥的浆液强度，但是矿渣水泥由于其组分内含有矿渣物质，吸收的水量较多，干缩量较大，其强度也随之增快，在后期的矿渣水泥浆液强度要大于普通水泥浆液强度。

研究发现，水泥土的硬化机理和过程如下：水泥土在混合过程中，和水发生化学反应和物理作用，硬化的形成表明水泥与土之间形成了内部的网络结构。以高压旋喷桩模式拌合，水泥-土体系中的土被高压压碎切割，将原本不均匀的水泥-土体系分分散的更加均匀，土在水泥体系中混合的更好。可以通过改变旋喷压力来控制水泥-土体系的强度，旋喷压力的不同，土的颗粒大小和形状也不同，造成土在水泥土体系中的分散程度和颗粒间的间隙不一样，进而影响水泥浆的填充效果，直观表现就是获得的水泥-土体系的强度不一样。

矿渣水泥浆液的适用性优于普通水泥，从硬化机理和微观角度分析，可以得出以下结论。在矿渣水泥体系中，由于矿渣水泥还存在某些其他物质，在水泥与土进行充分搅拌的过程中，淤泥土中黏土组分包含的一些矿物成分与水泥中的Ca（OH）2发生化学反应，物质接触面之间形成一种强而有力的界面，改善了两者的界面张力，使得两者之间咬合力更强，形成一种加强颗粒。在高压旋喷的高压作用之下，水泥土中的矿渣颗粒变得更加均匀与细小，在水泥水合物的包裹下，形成一种水化物晶体。这些晶体会随着水泥土体系硬化的进程慢慢生长，并会与黏土中存在的加强颗粒进行连接，组成一种密而集的空间网状结构，使水泥土的强度变大。这种变化就是矿渣水泥浆液与普通水泥浆液强度差异的主要原因。

4 高压旋喷桩施工工艺的确定

4.1 高压旋喷桩施工工艺

高压旋喷桩施工主要分为单管法、二重管法和三重管法。三种工法的作用机理不同，所需的注浆材料不同，施工注浆量不同，需根据实际需要进行工法选择。

本试验着重对单管法高压旋喷桩施工工艺进行研究。实践证明，按照下述的施工工艺进行高压旋喷桩施工，较为科学合理，质量可控：安装钻机-引孔-插导管-输送注浆液-调整仪器参数-喷射作业-取插管-清洗喷射管-复位机具-封堵孔口。

4.2 高压旋喷桩施工机具

经过对实验区域的考察分析，采用单管法工艺时，试验选择普通型的76钻机引孔。76 型钻机的优势还在于能够将钻孔和下管到两者整合在一起同时作业，减少工序，节约时间，提高效率。

采用其它工法进行施工时，已经有一套成熟的施工工艺和配套的高效率施工设备，施工者需因地制宜，本文不再叙述。

4.3 高压旋喷桩喷射浆液压力选择

使用高压旋喷桩施工，为了获得最佳的质量，关键问题就是控制好喷射流的压力，使其与需要的工艺参数比配[3]。理论研究表明，高压旋喷桩的射流速度与破坏能力有很大关系，通常情况下显正比关系。根据施工经验，如无特殊的施工要求条件，旋喷桩射流施工压力应大于20MPa。本次试验，对旋喷桩的射流压力和成桩质量进行统计和分析，发现射流压力在20-24MPa时，成桩效果较为理想。

4.4 高压旋喷桩喷嘴直径的选择

高压旋喷桩的喷嘴大小与射流速度有很大的关系。研究表明，在相同的喷射压力下，喷嘴的直径越小，射流的切割能力越强，水泥-土体系的混合效果越好。研究还发现，喷嘴直径与喷射压力不适配时，会造成以下不良后果：一方面造成切割能力不足，无法保证浆液与土体颗粒达到良好的混合效果；另一方面可能会对高压旋喷桩机器造成极大的损伤。在本试验中，为了确定最适合的旋喷桩喷嘴，对直径为2.0mm、2.2mm、2.4mm、2.6mm 的喷嘴进行施压测试，分析喷射后的水泥-土体系的效果，最终选用2.2mm 的喷嘴用于本次试验。

4.5 高压旋喷桩施工复喷工艺

对于成桩质量不能达到预期效果的桩体，采用复喷的手段进行补充和加强。试验表明，复喷施工的施工工艺和技术参数应与初喷相同，才能保证原有的结构不被破坏。复喷时需要保证高压喷头的位置和停留时间，才能让高压射流充分切割质量缺陷部位的土体，形成水泥土体系再混合。

5 总结

高压旋喷桩是目前深层淤泥地基处理的一种重要的作业方式。高压旋喷桩使用的钻机体积小重量轻，制成的桩体水泥含量高，强度高，接近于混凝土桩，可在场地条件有限，要求承载力较高的条件下选用。