（岩土工程专业论文）高压喷射注浆法在卵石土层中的应用研究.pdf

西华大学硕士学位论文 高压喷射注浆法在卵石土层中的应用研究 岩土工程专业 研究生贾二红 指导教师王泽云( 教授) 摘要 高压喷射注浆法始创于日本，是在传统注浆法的基础上，应用水力采煤 工作中的高压水射流技术发展起来的。当时这种全新的施工法主要应用于软 土地基的加固处理。目前，该技术以不受施工场地限制、设备简单、施工方 便、速度快、节省材料、效率高、成本低、操作简单、适用范围广等优点， 在矿山工程、土木工程、水利工程、环境工程等不同领域都有广泛的应用。 高压喷射注浆法是地基处理的重要方法之一，其主要原理就是利用钻机 将带有喷嘴的注浆管钻进至土层预定深度后，高压设备以2 0 m p a 4 0 m p a 的压力把浆液或水从喷嘴中喷射出来，形成喷射流冲击破坏土层，当能量大、 速度快和脉动状的喷射流的动压超过土层的结构强度时，土颗粒便从土层中 剥落下来。一部分细小的土粒随浆液或水冒出地面，其余土粒在喷射流的冲 击力、离心力和重力等的作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例和 质量大小，有规律地重新排列。浆液凝固后，便在土层中形成一个水泥土固 结体，以达到加固地基的目的。 本文首先从高速喷射流的流体力学特性、注浆的作用机理和高压喷射固 结体的基本性状及其影响因素入手，研究了高压喷射注浆法加固地基的基本 原理。 然后以一高层住宅楼为依托，研究了高压喷射注浆法在卵石层中的应 用。地基设计过程中，本人结合工程地质条件、施工设备、注浆材料和工程 经验，合理选取了高压喷射注浆法的技术参数和布孔。同时还就高压喷射注 浆法的施工工艺、质量检验和施工中注意的问题等进行了较为详细的阐述。 西华大学硕士学位论文 通过载荷试验，表明高压喷射注浆法在卵石土层中加固地基的设计是成功 的。 最后利用a n s y s 有限元对卵石土层中高压旋喷单桩进行了数值模拟， 比较合理地选取了材料参数，相对准确地预测了卵石层中高压旋喷桩的沉降 变形和受力特性，验证高压旋喷桩设计得是否合理，并提出合理优化桩距的 思路。 本文关于高压喷射注浆法的参数选取、施工工艺和有限元数值模拟对卵 石土层采用该工法具有- 定的参考价值。 关键词：高压喷射注浆，地基加固，质量控制，数值模拟 h 西华大学硕士学位论文 a p p l i c a t i o ns t u d yo fh i g hp r e s s u r ej e tg r o u t i n g u n d e rc o n d i t i o n so fg r a v e ls o i l i t i o n s o t - m a j o r ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g g r a d u a t es t u d e n t ：j i ae r h o n g a d v i s o r ：p r o f w a n gz e y u n a b s t r a c t h i g hp r e s s u r ej e tg r o u t i n gw a sf o u n d e di 建j a p a n 。b a s e do nt h et r a d i t i o n a l g r o u t i n gm e t h o d ，w i t ht h ea p p l i c a t i o ni nt h eh y d r a u l i cm i n i n g ，h i g h p r e s s u r e w a t e rj e tt e c h n o l o g yd e v e l o p e d a tt h a tt i m e ，t h ec o n s t r u c t i o no ft h i sn e wm e t h o d o fr e i n f o r c e m e n ti sm a i n l yu s e dt od e a lw i t hs o f ts o i l a tp r e s e n t ，t h et e c h n o l o g y o u tf r o mt h ec o n s t r u c t i o ns i t ec o n s t r a i n t s ，w i t hm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss i m p l e e q u i p m e n t ，c o n v e n i e n t ，f a s t ，s a v i n gm a t e r i a l ，h i g he f f i c i e n c y ，l o wc o s t ，s i m p l e o p e r a t i o n ，t h ea p p l i c a t i o nc o m et o m o r ef i e l d sl i k em i n ee n g i n e e r i n g , c i v i l e n g i n e e r i n g ，h y d r a u l i ce n g i n e e r i n g ，e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n ge t c h i g hp r e s s u r ej e tg r o u t i n gm e t h o di so n eo ft h ei m p o r t a n tw a y st od e a lw i t h t h ef o u n d a t i o n h i g hp r e s s u r ej e tg r o u t i n gm e t h o d sm a i n 。p r i n c i p l ei st ou s e n o z z l e sw i t had r i l l i n gr i gd r i l l i n gg r o u t i n gt u b et od e e ps o i l ，a n dt h e nt h e h i g h v o l t a g ee q u i p m e n tw i t ht h ep r e s s u r eo f2 0 m p a 4 0 m p aj e to u tt h es l u r r yo r w a t e rf r o mt h en o z z l e ，t h ej e ts t r e a mi m p a c tt h es o i lt od a m a g ei t 。w h e nt h e b i g e n e r g y ，f a s t ，t h ep u l s e - l i k ej e ts t r e a mo v e rt h ed y n a m i cp r e s s u r eo ft h es t r u c t u r a l s t r e n g t ho fs o i l ，t h es o i lp a r t i c l e sf a l l i n gd o w nf r o mt h ew h o l e p a r to ft h es m a l l s i z eo ft h es o i lw i l lo u tw i t ht h eg r o u n dw a t e ro rs e r o u s 。b u tt h er e m a i n i n gs o i li n t h ej e ts t r e a mi m p a c t ，c e n t r i f u g a lf o r c e a n dg r a v i t y ，w i l lm i x i n gw i t ht h es l u r r y m i x t u r e ，a n dr e a r r a n g er e g u l a r l yi nt h ep r i n c i p l eo fac e r t a i np r o p o r t i o no ft h e s l u r r ya n dt h eq u a l i t yo fs o i l 。a f t e rs e r o u ss o l i d i f i c a t i o n ，t h el a y e rf o r m e di na b o d y o fc e m e n t s o i lc o n s o l i d a t i o ni no r d e rt oa c h i e v et h e p u r p o s e o f s t r e n g t h e n i n gt h ef o u n d a t i o n f r o mt h eh i g h - s p e e dj e ts t r e a ma n df l u i dd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c so ft h e h l 西华大学硕士学位论文 m e c h a n i s mo fg r o u t i n ga n dc o n s o l i d a t i o no fh i g h - p r e s s u r ei n j e c t i o no ft h eb a s i c p h y s i c a lt r a i t s a n di t s i n f l u e n c i n gf a c t o r s ，u s i n gh i g hp r e s s u r ej e tg r o u t i n g t e c h n o l o g yt od e s i g na n dc o n s t r u c t i o nt h ef o u n d a t i o n ，t h i sp a p e rr e s e a r c ht h eh i g h p r e s s u r ej e tg r o u t i n gt e c h n o l o g ya n d t h eb a s i cp r i n c i p l e s o fr e i n f o r c e m e n t f o u n d a t i o n b a s e do nah i g h r i s er e s i d e n t i a lb u i l d i n gp r o j e c t ，s t u d i e dt h eh i g hp r e s s u r e j e tg r o u t i n ga p p l i c a t i o n i nt h e g r a v e ll a y e r r e f e r e n c e t ol o c a l g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s ，c o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t ，r o u t i n gm a t e r i a l sa n de n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e ， ar e a s o n a b l et e c h n o l o g yp a r a m e t e r so fh i g hp r e s s u r ej e tg r o u t i n ga n dt h eh o l e s l o c a t i o n ss e l e c t e d ，t h ed e s i g ne x e c u t e d a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h e c o n s t r u c t i o n o fh i g h p r e s s u r eje tg r o u t i n gp r o c e s s ，q u a l i t yi n s p e c t i o n a n d c o n s t r u c t i o ni s s u e sa t t a c h e dt om o r ea t t e n t i o n t h r o u g ht h el o a dt e s t ，i n d i c a t i n g t h a th i g hp r e s s u r ej e tg r o u t i n gr e i n f o r c e m e n ti nt h eg r a v e ll a y e ri nt h ed e s i g no f t h ef o u n d a t i o ni ss u c c e s s f u l f i n a l l y ，u s i n ga n s y sp r o c e d u r et oe x e c u t e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e s i n g l ep i l e i n g r a v e ll a y e r b a s e d o nr e a s o n a b l em a t e r i a l p a r a m e t e r s ，t h e s e t t l e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fd e f o r m a t i o na n df o r c en u m e r i c a ls i m u l a t i o na r e a c c u r a t er e l a t i v e l y t h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt ov e r i f yt h e d e s i g no ft h e h i g hp r e s s u r eje tg r o u t i n gp i l ei sr e a s o n a b l e ，r e a s o n a b l eo p t i m i z a t i o n o fp i l e s p a c i n gi d e a si ss u g g e s t e da l s o t h i sa r t i c l e sr e s e a r c ho nt h eh i g hp r e s s u r ej e tg r o u t i n g ，e s p e c i a l l yt h e s e l e c t i o no fr e a s o n a b l ed e s i g np a r a m e t e r s ，c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e sa n df i n i t e e l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h eg r a v e ll a y e r ，h a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a l m e a n i n ga n ds i g n i f i c a n c ei nu s i n gh i g hp r e s s u r ej e tg r o u t i n gt e c h n o l o g yi nt h i s g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s k e y w o r d s ：h i g hp r e s s u r ej e tg r o u t i n g ， f o u n d a t i o nr e i n f o r c e m e n t ， q u a l i t yc o n t r o l ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 7 1 作者签名：鬣：窆l 昨。明g 日 新妣咖自哗 西华大学硕士学位论文 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密酎适用本授权书。 ( 请在以上口内划4 ) 学位论文作者签名：秀址指导教师签名： 日期：o q - 喏、限 日期：。7 ，莎。、g 西华大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 概述 高压喷射注浆法始创于日本，是在化学注浆法的基础上，采用高压水射流 切割技术发展起来的。它彻底改变了化学注浆法的浆液配方和工艺措施的传统 作法，采用水泥浆为主要原料，加固土体的质量高、可靠性好，具有提高地基 承载力、止水防渗、减少建筑物的沉降或不均匀沉降、减少支挡建筑物土压力、 防止砂土液化和基础冲刷，以及降低土的含水量等多种功能。 我国自1 9 7 2 年引进以来，近百项的工程实践均取得了良好的社会效益和 经济效益。现在，高压喷射注浆法已成为我国常用的一种施工方法，并已列入 建筑地基处理技术规范1 1 l 。 1 2 高压喷射注浆法的发展 1 9 6 6 年，日本的n i t 公司( n a k a n i s h i i n s t i t u t e t e c h n o o g yc o ，l t d ) 在 大阪地下铁道的开挖工程中，先用冻结法施工，由于冻结融化，造成了重大事 故，后改为静压注浆施工。在注浆过程中，浆液沿土层交界面大量溢走，不能 完全达到加固地基和止水的目的。为解决这一问题，中西涉先生在静压注浆基 础上，创新地采用水力采煤技术，以高压水泥浆喷射冲击土体，将打碎的土粒 和水泥浆液混合搅拌，在土层中形成圆柱状固结体，当连成群体后地基起到 良好的加固和止水防渗作用，解决了大阪地下铁道的难题，同时也创造出一种 全新的施工法，这就是单管喷射注浆法1 2 1 。以后，高压喷射注浆法就开始向大 直径、多方向喷射和控制桩形的方向发展。 为了不断满足大直径、低成本和快施工的需求，在2 0 世纪7 0 年代中期， 日本又开发出利用同轴双喷嘴的同时输入高压浆液和压缩空气两种介质的复 合喷射流的二管法，继而又创造出高压水和高压空气复合喷射流和低压管水泥 浆的三管法；从8 0 年代开始，日本先后开发了较大直径旋喷桩或能够控制桩 形的s u p e rj e t 工作法、s s s m a n 工作法、r j p 工作法、m j s 工作法和有搅拌 作用的喷射注浆法，如：c c p vi 作法，c c p h 工作法和j m m 工作法，形成 西华大学硕士学位论文 了搅拌注浆和纯喷射注浆两大体系。其中，p o p 工作法被认为是最佳工作法， 因为其技术先进、设备少和易于操作。 日本始终保持着高压喷射注浆的世界领先地位。在国外除日本外，欧美、 东亚、中东及台湾和香港都有不少的工程实例。欧洲引进日本喷射工法后，在 施工机械有自己独特的特点，如在隧道工程中有不少采用水平旋喷桩加固的实 例，并形成了喷射注浆技术标准【3 1 。泰国和新加坡都是在地下工程中应用喷射 注浆法较多的国家。中东的埃及，在开罗地铁建设中大量使用喷射注浆加固法， 成为世界上单项工程中应用喷射注浆加固工程量最大的项目之一。美国引进喷 射注浆技术后，有一相当快速的发展过程。现在喷射注浆法在美国的基础托换 工程、隧道工程、水利工程中均有广泛应用。 我国是在日本后研究开发和应用较早的国家。我国自7 0 年代末起在建筑 物基础托换处理，工业建筑的基坑工程以及水利建设工程开始应用高压喷射注 浆法。9 0 年代随着我国大规模建设工程的发展，在上海、北京、广州等大城市 的地下工程建设中及长江三峡等重大水利工程中的应用，高压喷射注浆法在我 国迅速扩展。 高压喷射注浆法引进初期，我国主要研究高压喷射注浆法的喷射施工工艺 参数和施工中返出的大量泥浆的处理，在高压喷射注浆施工工艺及设备获得改 善和改进后，同时能满足工程需要的情况下，开始偏向加固机理、设备创新和 工艺创新等比较细致的工作研究。 徐奇珍( 1 9 8 4 ) 【4 j 通过室内模拟试验和现场旋喷试验，从抗渗性、抗冻性、 抗腐蚀性等指标分析旋喷桩的耐久性。 刘瑞甲等( 1 9 9 7 ) 1 5 l 通过模型试验改变复合地基模型的参数，对旋喷注浆形 成的复合地基进行载荷试验，得出竖向荷载作用下复合地基的承载特性和规 律。 。 李晓鄂等( 2 0 0 2 ) 【6 】通过室内试验对固结体抗压强度、弹性模量和抗渗性能 进行试验研究，提出成桩强度的估算方法。 何润芝等( 2 0 0 2 ) 【7 j 用s e m 对高压喷射注浆水泥土的固化原理进行分析，通 过纯水泥固结体和掺入以膨润土为主的外加剂的水泥土固结体的对比，分析得 出：外加剂等量取代水泥质量分数的2 0 ，能提高水泥土抗压强度4 0 以上， 同时提高抗渗性能。 王云等( 2 0 0 3 ) 【8 】通过试验研究压力大、流量大的新二管法，并在块石含量 2 西华大学硕士学位论文 高、粒径大的地层中取得良好的加固防渗效果，还可用于动水的环境中。扩大 高压喷射注浆法的应用范围。 赖国伟等( 2 0 0 3 ) 9 l 基于现有工程试验资料，将高压旋喷凝结体分成成芯凝 结体和不成芯凝结体两组材料，提出了深厚覆盖层高压旋喷凝结体的统计力学 模型。该模型不仅能反映成芯凝结体的小尺度力学性质，还能反映不成芯凝结 体的力学性质，也可考虑试验钻孔中不同芯样获得率的影响。应用随机模拟理 论，给出了大体积高喷体内，成芯凝结体与不成芯凝结体的空间位置及各小尺 度力学参数的抽样方法。结合弹塑性有限元和随机模拟两种方法，建立了高喷 体宏观力学性质的计算机模拟方法。 杨飞( 2 0 0 3 ) 1 1 0 j 对复合地基中旋喷水泥土桩的有效桩长进行探讨。分析表明： 当旋喷桩只加固到一定深度的土层时，旋喷桩的承载力主要由桩侧摩阻力承 担，外加荷载沿深度方向的传递是有界限的，该界限就是旋喷水泥土桩的有效 桩长。 鲍建荣( 2 0 0 7 ) 【1 1 】通过工程地基加固实例，对高压旋喷扩底桩和高压旋喷桩 ( 非扩底) 进行现场试验，比较了高压旋喷扩底桩和高压旋喷桩在力学机理和承 载力上的异同。试验表明：高压旋喷扩底桩对桩周土体的加固效果明显，特别 是对扩底部分的持力层，加固效果更为明显。 陈杰刚等( 2 0 0 7 ) 1 1 2 j 通过有限元法对高压旋喷扩底桩进行数值模拟，得出高 压旋喷扩底桩的变形和应力示意图，进而深入分析高压旋喷扩底桩承载特性。 最后通过对有限元计算结果和现场载荷试验及桩土应力比的实测数据进行对 比，验证数值模拟是可行的。 施工机具方面，由于工程机械制造水平的限制，我国应用最多的是三管法。 自9 0 年代后期，二管法的应用才得到发展。但当前我国的设备较陈旧，施工 方法落后和工效低，已不能满足国内的建设要求，更难以打入国际市场，因此 更新设备、采用先进工法势在必行。 1 3 问题提出和研究意义 高压喷射注浆法是一种具有多功能的地基加固方法。从施工方法、加固质 量到适用范围，与静压注浆法有所不同，与其他地基处理方法相比，也有其独 到之处。其主要技术优势如下： 3 西华大学硕士学位论文 1 、适用范围广 高压喷射注浆法既可用于工程新建前，又可用于工程竣工后的托换工程， 可以保证建( 构) 筑物的上部结构，而且能保证施工时已有建( 构) 筑物的正常使 用。 2 、施工简便 施工时只需在土层中钻一直径为5 0 m m 或3 0 0 m m 的孔，就可在土体中喷 射成直径为o 4 4 o m 的固结体，因而可贴近已有建筑物基础进行施工，成型 灵活。 3 、固结体形状的可控性 调整旋喷速度、提升速度、喷射压力，也可更换喷嘴孔径改变流量，将固 结体设计成所需要的形状。 4 、可垂直、倾斜和水平喷射 地面上常采用垂直喷射注浆，但在隧道、矿山井巷工程、地下铁道等建设 中，采用倾斜和水平喷射注浆。 5 、耐久性较好 软弱地基能得到稳定的加固效果并且耐久性良好，故常用于永久性工程的 地基加固。 6 、料源广阔 浆液以水泥为主，化学材料为辅。一般地基处理工程中可使用料源广泛、 价格低廉的普通硅酸盐水泥。还可在水泥中掺加粉煤灰，使废料得到充分利用， 同时还降低材料成本。 7 、浆液集中、很少流失 喷射时，大部分浆液聚集在喷射流的范围内，一般不会流窜到较远的地方； 一小部分浆液会因喷射参数不合理而沿着管壁冒出地面。 8 、设备简单、管理方便 全套设备结构紧凑、体积小、机动性强，占地少，可在狭窄和低矮的空间 旌工。施工管理简便，在喷射过程中，通过量测喷射压力、吸浆量及冒浆情况 间接得知喷射效果和出现的问题，进而及时调整喷射参数或改变工艺，保证固 结质量。 9 、生产安全 高压设备上有安全阀或自动停机装置，当压力超过规定值，阀门便自动开 4 西华大学硕士学位论文 启或自动停机，不会因堵塞升压造成爆炸事故。 1 0 、无公害 施工时机具振动小，噪声低，对周围建筑物不会产生振动影响、噪声污染 和公害。更不会污染饮用水源【1 3 1 。 随着工艺与技术的发展，高压喷射注浆法广泛应用于各种工程。它不仅大 量应用于粘土层及砂砾卵石层，而且在大粒径、强透水的卵石或漂石层中进行 了一定的应用。目前，对在漂石层的应用存在不同的认识，但对在砂砾卵石层 认为是可行的。只是依据不同地层的胶结状态、颗粒级配和密实度来选取合理 的施工工艺及喷射参数，尤其粒径大小是选择施工方案应考虑的关键因素。但 至今，对如何来确定砂砾卵石层的施工方案，尚缺乏统一的理论和规范【1 4 1 ，为 此，本文试图探讨高压喷射注浆法在卵石土层中的应用。通过数值模拟卵石土 层中高压旋喷单桩进行研究，数值模拟不仅可以比较准确地预测地基的沉降变 形和旋喷桩的受力特性，而且可以验证设计的是否合理，并为相似条件下的工 程提供参考价值。 1 4 本文的主要工作 本人首先从高速喷射流的流体力学特性、注浆的作用机理和高压喷射固结 体的基本性状及其影响因素入手，研究了高压喷射注浆法加固地基的基本原 理。 然后以成都一高层住宅楼为依托，研究了高压喷射注浆法在卵石层中的应 用。在地基设计过程中，本人结合工程地质条件、施工设备、注浆材料和工程 经验，合理选取了高压喷射注浆法的技术参数和布孔。同时还就高压喷射注浆 法的施工工艺、质量检验和施工中注意的问题等进行了较为详细的阐述。通过 载荷试验，表明高压喷射注浆法在卵石土层中加固地基的设计是成功的。 最后利用a n s y s 有限元对卵石土层中高压旋喷单桩进行了数值模拟，比 较合理地选取了材料参数，相对准确地预测了卵石层中高压旋喷桩的沉降变形 和受力特性，验证高压旋喷桩设计的是否合理，并提出合理优化桩距的思路。 5 西华大学硕士学位论文 2 高压喷射注浆加固地基的基本机理 2 1 高速喷射流的力学特性 高压喷射流是经高压发生装置产生巨大能量后，通过一定形状的喷嘴，用 一种特定的流体运动方式，以很高的速度连续喷射出能量高度集中的液体射 流。 高压水连续射流的速度和功率按下列公式计算： l y o 。驴 ( 2 1 ) 转换得 q 7 2 p 。譬 ( 2 2 ) 铝 式中： 1 2 0 一喷嘴出口流速( n l s ) ； p 一喷嘴入口压力( p a ) ； ) ，水的重度( 蛐3 ) ； 妒一喷嘴流速系数，良好的圆锥形喷嘴妒- - 0 9 7 ； g 重力加速度( 9 8 m s 2 ) 高压水喷流的流量计算公式为： 已知流量q f o r o ，据式( 2 - 1 ) 得 q ；眠吼2 9 p ( 2 3 ) y， 式中：q 一流量( m 3 s ) ： r 一喷嘴出口面积( m 2 ) ； ，一流量系数，圆锥形喷嘴一0 9 5 。 喷射流在高压高速条件下会产生很大的功率，也就是从喷嘴中射出的喷射 流在单位时间内具有很大的能量，假设某个力在时间t 内作的功为a ，其功率 为： n = a t( 2 4 ) 设喷嘴压力作功为彳，见图2 1 【4 】。作用在活塞上的总压力p 一矿伊为活 塞承压面积) ，推动活塞移动距离三，即a p l p f l p w ( w 为气体体积) ， 喷射流的功率为： 6 西华大学硕士学位论文 n=at=pwt；pq(2-5) 将式( 2 3 ) 代入式( 2 5 ) ，并按1k w = 1 0 0 0 n m s ，整理得出功率计算式j n = 印3 心d 0 2x 1 0 。9 ( 2 6 ) 式中：一喷射流的功率( 1 ； d o 一喷嘴直径( 锄) ； p 泵的压力( p a ) 。 f i g 2 - 1j e ts t r e a mw o r kd i a g r a m 图2 - 1 喷射流做功示意图 若喷射流的压力分别为1 0 m p a 、2 0 m p a 、3 0 m p a 、4 0 m p a 、5 0 m p a ，喷嘴 出口为3 m m ，则速度和功率如表2 1 t 1 5 】所示。 表2 - 1 喷射流的速度和功率 t a b l e2 1s p e e da n dp o w e mo f j e ts t r e a m 喷嘴压力喷嘴出口孔径 流速系数， 流量系数 射流速度喷射功率 p 鹂d o ( c m )v o ( m s )n ( k w ) 1 0 x 1 0 60 3 00 9 6 30 9 4 61 3 68 5 2 0 x 1 0 6o 3 00 9 6 30 9 4 61 9 22 4 1 3 0 x 1 0 6o 3 0o 9 6 30 9 4 62 4 34 4 4 4 0 x 1 0 6o 3 0o 9 6 30 9 4 62 8 06 8 3 6 5 0 x 0 6o 3 00 9 6 3o 9 4 63 1 39 5 4 7 西华大学硕士学位论文 注：流量系数和流速系数为收敛圆锥1 3 。2 4 喷嘴的水力试验值 2 2 高压喷射流的种类及其构造和特性 高压发生装置产生的喷射流有三种流态：连续喷射流、连续脉冲喷射流及 间隙喷射流1 3 j 。国内外高压喷射注浆所采用的高压发生装置多为双缸双作用活 塞往复式高压泵和三缸单作用活塞往复式高压泵。由于活塞是变速运动，每一 瞬间的流量也随之变化，因此产生的高压喷射流为连续脉冲运动的射流。 高压喷射流按其在介质喷射中的构造不同分为：单液高压喷射流和水气同 轴喷射流两种类型。单管法和多管法属于前一类型，二管法和三管法属于后一 类型。 2 2 1 单液高压喷射流的构造 水在静止的空气中喷射时，随着速度的增加，其流态呈水束一层流一纵向 摆动紊流一横向摆动紊流_ 喷雾变化。高压喷射流的构造沿着射流中心轴，分 为初期区域、主要区域和终期区域，高压喷射流的构造见图2 2 1 1 5 l 。 ab f 一f - 一一d 一，龇。 l 二 -1 _ 一 0 5 时，随着空气速度的增加，水射流的有效射程不 明显增加，故施工中宜控制在m = 0 5 加6 。 水气同轴喷射时，高压射流还与空气流量大小有关：喷射长度随空气流量 的增加而增加。 2 3 高压喷射注浆的作用机理 2 3 1 高压喷射流对土体的破坏作用 高压喷射流破坏土体的机理包括喷流动压、喷射流的脉动负荷、喷射流的 冲击力、射流的空蚀现象、水楔效应、挤压力和气流搅动七种作用力。 1 、喷流动压 高压喷射流冲击土体时，会以很高的能量集中冲击一较小的区域，进而该 区域内及其周围的土体之间受到压应力作用，当土颗粒结构的破坏临界值被超 过后，土体就会破坏【1 7 1 。 高压喷射法对土体切割主要是因为高速喷射流。据动量定律，喷射流破坏 力f 为： f p 跏。( 2 - 1 2 ) 式中：删坏力，n ； p 喷射流介质的密度，k 咖3 ； q - 一喷射流的流量，m 3 s ： y 。一喷射流的平均速度，m s 。 一 由于q v m a ； 故 f p a v 2( 2 1 3 ) 式中：a o 喷射流截面面积，试2 。 喷射流介质密度p 一定，破坏力，和平均流速y 。的平方成正比。喷射面 积一定，提高喷射压力，可获得较大的破坏力。压力越高，流速就越大，进而 破坏力也越大，切割、搅拌土体的范围越广。 2 、喷射流的脉动负荷 射流喷出介质( 水、气、浆) 因受原动机( 空压机、高压水泵、泥浆泵) 及介 质在管路中运动特性的影响，常出现周期性的振动现象，使喷出的压力难以恒 定不变，又因地层情况多变，射流冲切土层远近、深浅不均，阻力大小不一， 从而引起喷射流对土体的压力随时间的周期性变化而出现时大时小现象，即产 西华大学硕士学位论文 生脉动负荷。当喷射流不断地以脉冲式冲击土体时，土粒表面受到脉冲负荷的 影响，逐渐积累起残余变形，使土粒丧失平衡，从而破坏土层【1 8 l 。 3 、喷射流的冲击力 由于喷射流断续地冲击土体，产生冲击力，促进土层破坏的进一步发展【1 8 1 。 4 、射流的空蚀现象 射流束喷在土层上，由于喷压大小的变化及上层距喷嘴远近的不同，土层 产生的压力大小也随之变化，加上射流在土粒表面产生水流，而土粒大小不均 匀，使部分颗粒上的压力降低而呈现空蚀现象，使土体受到破坏。此外，高压 喷射流本身呈激烈的紊流状态，也对土层产生空蚀现象，土粒不断被剥离下来， 使土层受到破坏【1 9 1 。 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 喷射流轴线的方向上，楔入土体的裂隙或薄弱部分中，此时喷射流的动压变为 静压，使土体发生剥落加宽裂刚1 7 1 。 6 、挤压力 喷射流在终期区域，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体产生挤压力，对四周土体有压密作用，并使部分浆液进 入土粒之间的裂隙里，使固体与四周土紧密相依，不产生脱离现象1 1 7 1 。 7 、气流搅动 在使用水或浆与气的同轴喷射作用时，空气流使水或浆的高压喷射流将破 坏土体上的土粒吹散，喷射流的喷射破坏条件得到改善，阻力减小，能量消耗 降低，从而增大高压喷射流的破坏能力1 1 8 l 。 上述七种作用力在射流的冲击点上同时产生作用，土体受高压射流高能、 高速集中和连续作用，压应力区域受压应力和冲蚀等多种因素同时作用。当这 些外力超过土体结构的临界值后，土体便会破坏，从整体到松散，随喷射流的 连续冲切和移动，土体的破坏深度和范围就不断扩大。 2 3 2 高压喷射注浆法的成桩机理 单管喷射注浆以浆液作为喷射流：二管喷射注浆同样以浆液作为喷射流， 但在其外周裹着一圈空气流成为复合流；三管喷射注浆以水气为复合喷射流并 1 4 西华大学硕士学位论文 注浆填充；多管喷射注浆的水射流把土冲空以浆液填充。四者作用中的浆液都 随时间逐渐凝结硬化。 在高压喷射注浆加固过程中，固结体的形状与喷嘴的方向和持续喷射的时 间有关。当喷嘴一边旋转一边提升时，就形成圆柱状或异形圆柱状固结体；当 喷嘴一边喷射一边提升时，就形成壁状固结体。高压喷射注浆固结体的形成如 图2 6 。 顺序 因素 操作 状态 f i g 2 - 6h j g hp r e s s u r ej e tg r o u t i n gi n d u r a t i o nf o r m i n gd i a g r a m m a t i cs k e t c h 图2 - 6 高压喷射注浆固结体形成示意图 1 、旋喷成桩的机理 在旋喷注浆过程中，高压喷射流在旋转的同时缓慢上升，把土体冲切破坏， 扩大钻孔，其加固的范围就是喷射距离加上渗透部分或挤压部分的长度成为半 径的圆柱体。剥落下来的部分细小土颗粒被浆液置换，随浆液被带到地面上( 冒 浆) ，其余的土粒与浆液混合。在喷射动压、离心力和重力的共同作用下，横 断面上的土粒按其质量大小有规律地排列，小颗粒土多在中部，大颗粒土多在 外侧和边缘部分( 四周未被剥落的土粒则被挤密压缩) ，形成浆液主体、搅拌混 合、压缩和渗透层等部分，成为一种新型的水泥土网状结构i 冽，如图2 7 1 2 1 j 。 经过一段时间就会凝固成强度高、渗透系数小的旋喷桩固结体。旋喷桩中 心的浆液成分多、土粒成分小，外层部分土粒数量多、质量大，呈同心圆状， 其表现为硬壳。固结体各部分的水泥含量和强度不同。资料表明：旋喷桩的平 西华大学硕士学位论文 均抗压强度约为半径0 8 倍处的强度。粘性土和砂类土中形成的固结体横断面 结构不同。砂土中，旋喷桩外圈有一浆液渗透层；粘性土中，则没有渗透层， 如图2 8 1 n l 。在纵断面上，当地层不均匀呈多层分布时，部分质量大的土粒， 在固化前，受重力作用而下沉，部分细小的土粒会上浮，作垂直交换。若上部 土层为砂砾，下部为粘性土，旋喷后，粘性土部位的旋喷桩不是土浆混合物。 土粒垂直交换如图2 9 1 2 1 j 。 f i g 2 - 7j e tg r o u t i n gp i l es o i lp a r t i c l ea r r a n g e m e n tg r a p h 图2 - 7 旋喷桩土粒排列图 f i g 2 - 8j e tg r o u t i n gi n d u r a t i o nc r o s ss e c t i o nm a p 图2 - 8 旋喷固结体横断面图 ( a ) 砂土( b ) 粘性土 1 浆液主体部分2 搅拌混合部分3 压缩部分4 一渗透部分5 硬壳 1 6 西华大学硕士学位论文 f i g 2 - 9s o i lp a r t i c l ec o m m u t a t i v ed i a g r a mo f j e tg r o u t i n gi n d u r a t i o np r o f i l e 图2 - 9 旋喷固结体纵断面土粒交换图 f i g 2 - 1 0d i r e c t i o n a lj e ti n d u r a t i o nc r o s ss e c t i o n a ls t r u c t u r ed i a g r a m 图2 1 0 定喷固结体横断面结构图 2 、定喷成桩的机理 定喷时，喷嘴只做固定方向喷射，并逐渐向上提升，在土中冲切成一沟槽， 1 7 西华大学硕士学位论文 把浆液灌进槽中，从土体上冲落下来的土粒，一部分随着水流与气流被带出地 面，其余的土粒与浆液搅拌混合，最后形成一个板状固结体。固结体在砂质土 中有_ 部分渗透层，粘性土中则无。固结体的结构如图2 1 0 2 1 1 。 3 、砾石层中的成桩机理 在砾石中，喷射流因砾石的体大量重，不能切削颗粒或使其移动和重新排 列，如图2 1 1 1 2 ，喷射流只能在压力作用下充填砾石的裂隙和土的孔隙，排挤 出孑l 隙中的自由水和气体，基本上不改变砾石的结构和体积，其固化机理同静 压注浆中的渗透注浆理论接近。 f i g 2 - 1 1f l o w i n gc h a r to fg r a v e ll a y e rj e ts t r e a m 图2 1 1 砾石层喷射流流动图 4 、腐殖土中的成桩机理 在腐殖土中进行高压喷射注浆时；固结体的形式及其性质与植物纤维粗细 长短、含水量及土颗粒多少有关。在含细纤维的腐殖土中喷射注浆时，纤维的 影响很小，成桩( 壁) 机理与粘性土中相同。在含粗纤维不太多的腐殖土中喷射 注浆时，射流会穿过纤维之间的空隙而形成预定形状的固结体；在纤维粗长月 数量多的腐殖土中喷射注浆时，由于纤维富于弹性，切削是困难的，但因空隙 多，喷射流仍能穿过纤维之间的空隙而形成预定形状的固结体；在粗长纤维密 集部位，射流受严重阻碍而破坏力大为降低，固结体难以形成预定形状，强度 明显受影响，且浆液少、均匀性较差。 2 3 3 水泥与土的固化原理 我国高压喷射主要使用水泥浆，并添加防止沉淀或加速凝结的外加剂。当 1 8 西华大学硕士学位论文 地基为砂质土时，用水泥浆与砂混合能得到较高的强度，在理论和实践上均已 得到证实。但当土质为软弱粘性土时，水泥浆与土混合后强度形成的特性则有 所不同。 1 、旋喷固结体的网络结构分析 旋喷固结体是一种特殊的水泥土网络结构。水泥土的水化反应比纯水泥浆 反应要复杂得多。 由于水泥土是一种空间不均匀材料，在旋喷搅拌过程中，水泥和土被混合 在一起，首先土体被粉碎，随着压力的增加，土被打碎成各种粒径的颗粒，在 颗粒间被水泥浆所填充。水泥水化后，在土颗粒周围形成各种水化物结晶，它 们不断地生长、伸延，特别是钙矾石的针状结晶很快生长交织在一起，形成空 间网络结构，土体被分割包围在这些水泥的骨架中间，随着土体逐渐被挤密， 自由水会逐渐减少、消失，最后形成一种特殊的水泥土骨架结构。 土体的矿物成分和物理化学性质决定了水泥土的强度和结构形成过程的 趋向。 2 、水泥与土的固化 水泥与水拌合后，首先产生铝酸三钙水化物和氢氧化钙，它们溶于水，但 溶解度不高，很快就达到饱和，该化学反应连续不断地进行，会有一种胶质物 体析出。胶质物体一部分悬浮于水中，后来包围在水泥微粒的表面，形成一层 胶凝膜，生成的硅酸二钙水化物难溶于水，只能以无定形体的胶质包围在水泥 微粒的表层，一部分渗入水中。 水泥各种成分所生成的胶凝膜，逐渐发展连接起来成为胶凝体，这就是水 泥的初凝状态，开始有胶粘性。此后，水泥各成分在不缺水