（岩土工程专业论文）高压喷射搅拌加固土体工艺的试验与研究.pdf

y4 7 7 0 0 9 北方交通大学工程硕士学位论文 摘要 f 近几年来，随着建筑物高度和复杂性的不断增加，对地基的要求越 来越高，大多数天然地基已不能满足需要，建筑物要么采用桩基础，要 么采用深基础；与此同时，建筑物基础部分的费用在整个工程中的比例 在不断地增大。为了降低基础部分的费用，国内外越来越多地采用土体 原位加固技术形成人工复合地基，以节约投资。 地基加固处理的方法很多，但水泥土桩原位加固地基是目前国内外 广泛采用的方法；国内应用较多的为粉喷桩法、深层搅拌桩法和旋喷桩 法。三种施工方法中前两种为一种类型，均为机械搅拌成桩，桩体的均 匀性不好，施】质量不易控制，加固后的地基承载力提高不明显；后一 种方法为高速射流搅拌成桩，桩体的均匀性好、强度相对较高，但存在 成桩直径小、材料浪费大等问题。斗 本研究综合以往各种水泥土桩施工工艺的优点，提出厂一种新的地 基原位加固处理施工工艺一高压喷射搅拌桩，该工艺成功地解决了水 泥土桩直径偏小、承载力低、材料浪费大、施工效率低等问题。本课题 进行了设备的研制、成桩工艺的试验、单桩竖向抗压静载试验、桩体材 料强度试验等方面的工作，并进行了工程应用。 通过各项试验结果和工程应用，高压喷射搅拌桩的桩体材料性质与 旋喷桩基本相同，可以说它足一种大直径的旋喷桩，其设计可以采用旋 喷桩的设计原则和设计规范；另一方面，因其成桩直径大大增加，在加 固相同面积地挂的情况f ，桩数可以大大减少，从而降低成本，且可以 加快整个工程的进度。 本课题为郑州铁路局“2 0 0 1 年铁路科学技术发展计划”项目f 分类 代码：0 1 g 0 0 。 关键词：高压喷射搅拌桩j 施工工艺地基加固，水泥土， 1 ! ! 查奎望奎兰三堡堡主兰堡堡苎一 a b s t r a c t m o s tn 砒u r a lg r o u n db a s e sc a nn o tm e e tt h ec o n s t r u c t i v en e e d sw i t h t h ec o n t i n u o u si n c r e a s i n go fh i g h n e s sa n dc o m p l e x i t yo fb u i l d i n g ，a n d h i g h e ra n dh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rg r o u n db a s ei nr e c e n ty e a r st h u s ，e i t h e r p i l eb a s eo rd e e pb a s ei sa d o p t e d a tt h es a m et i m e ，t h ee x p e n d i t u r ef o rt h e b a s eo fb u i l d i n gb e c o m e sm o r ea n dm o r ei no r d e rt or e d u c et h ec o s t ，m o r e a n dm o r ea r t i f i c i a l c o m p l e xg r o u n d b a s e b y t h e t e c h n i q u e o f s o i l c o n s o l i d a t i n go no r i g i n a lp o s i t i o ni sa d o p t e da th o m ea n da b r o a d t h e r ea r em a n yw a y st oc o n s o l i d a t eb a s ec o n s o l i d a t i n gg r o u n db a s e o no r i g i n a lp o s i t i o nb ys o i l - c e m e n tp i l ei sw i d e l yu s e da th o m ea n da b r o a d t h ew a y so fp o w d e rj e tp i l e ，d e e ps t i r r i n gp i l ea n dr e v o l v i n gj e tp i l ea r e p o p u l a ri nc h i n at h ef i r s tt w oa r ei nt h es a m et y p e ，a sm a c h i n e r ys t i r r i n g p i l ew h i l et h e ya r eu s e d ，t h eh o m o g e n e i t yo fp i l eb o d yi sn o tg o o d ，i ti s d i f f i c u l tt oc o n t r o le n g i n e e r i n gq u a l i t ya n dn o tm u c ht oi n c r e a s eb e a r i n g c a p a c i t y o f g r o u n d b a s et h el a s t o n ei s s o i l c e m e m p i l e o f h i g h - s p e e d - j e t t i n gs t i r r i n gw h i l ei ti su s e d ，t h eh o m o g e n e i t yo f p i l eb o d yi s g o o da n dt h es t r e n g t hi sr e l a t i v e l yh i g h ，b u tt h ep i l ed i a m e t e ri ss m a l la n d m a t e r i a l sc o n s u m p t i o ni sg r e a t t h ea d v a n t a g e so fe n g i n e e r i n gt e c h n i q u eo fe v e r ys o i l c e m e n tp i l e a r ei n t e g r a t e df o rc o n s o l i d a t i n ga n dt r e a t i n gg r o u n db a s eo no r i g i n a lp o s i t i o n - - h i g h - p r e s s u r ej e ta n ds t i r r i n gp i l e ，i sw o r k e do u ti n t h i ss t u d y t h i s t e c h n i q u es u c c e s s f u l l ys o l v e st h ep r o b l e m so fl e s sp i l ed i a m e t e r ，l o wb e a r i n g c a p a c i t ya n de n g i n e e r i n ge f f i c i e n c y ，a n dg r e a tm a t e r i a l sc o n s u m p t i o ns o m e e q u i p m e n t sw e r ed e v e l o p e d ，t h et e s t so f p i l i n gt e c h n i q u e ，v e r t i c a l p r e s s u r e o fs i n g l ep i l ea n ds t r e n g t ho fm a t e r i a l su s e di nt h ep i l eb o d yw e r em a d e d u r i n go u rs t u d y 1 北方交通大学工程硕士学位论文 t h er e s u l t so ft e s t sa n da p p l i c a t i o ni np r o j e c t sh a v ep r o v e dt h a tt h e c h a r a c t e r i s t i co fp i l eb o d yo fh i g h p r e s s u r ej e ta n ds t i r r i n gp i l ei sa l m o s t t h es a m ea st h a to f r e v o l v i n gj e tp i l ei no t h e rw o r d s ，h i g h p r e s s u r ej e ta n d s t i r r i n gp i l e i so t h e rk i n do fl a r g ed i a m e t e rr e v o l v i n gj e tp i l ei tc a nb e d e s i g n e da c c o r d a n c ew i t ht h ep r i n c i p l e sa n dr u l e so fr e v o l v i n gj e tp i l e b e c a u s et h ep i l i n gd i a m e t e ri sl a r g e r ，t h ep i l eq u a n t i t yc a nb er e d u c e dg r e a t l y t h u s ，t h ec o s tc a nb er e d u c e da n dt h ep r o c e s so fp r o j e c tc a nb es p e e d e du p t h i sr e s e a r c hp r o j e c tw a sl i s t e di n “2 0 0 1 r a i l w a ys c i e n t i f i ca n d t e c h n i c a ld e v e l o p m e n tp l a n ”o fz h e n g z h o u r a i l w a ya d m i n i s t r a t i o n ( c l a s s i f i c a t i o nc o d e ：0 1 g 0 1 ) k e yw o r d s ：h i g h 。p r e s s u r ej e ta n ds t i r r i n gp i l e e n g i n e e r i n gt e c h n i q u e g r o u n df o u n d a t i o nc o n s o l i d a t i n g s o i l - c e m e n t 2 第1 章绪论 1绪论 1 1 引言 地基分为天然地基和人工地基，凡是建筑物基础直接建造在未经加 固的天然土层上，这种地基称为天然地基；若天然地基不能满足上部建 筑物的要求，事先经过人工加固处理，然后再修建基础，这种地基称为 人工地基。从广义方面讲，软弱地基是指不能满足建筑物需要的天然地 基；从狭义方面讲，软弱地基是指一些承载力较低、变形较大的特殊天 然地基，如填土、湿陷性黄土、软土、膨胀土、冻胀土等地基，这些地 基一般需要经过加固处理后才能修建建筑物。对工程领域来说，软弱地 基的概念是广义的，指一切需要加固处理的天然地基。 地基的承载力、稳定性及变形是反映地基强弱的主要指标。地基的 强弱不仅决定基础的类型及其尺寸的大小，也影响到上部结构的设计。 承载力高、变形小的地基可以采用较简单的基础形式和较小的尺寸；而 承载力低、变形大的地基则需要采用复杂的基础形式和较大的尺寸，上 部结构也需要进行相应的处理。地基与基础是一统一体，从优化设计方 面考虑，二者合理的匹配关系决定着结构的合理性和投资的经济化。 随着建筑物高度和复杂性的不断增加，对地基的要求越来越高，大 多数天然地基已不能满足需要，建筑物要么采用桩基础，要么采用深基 础或人工地基；与此同时，建筑物基础部分的费用在整个工程中的比例 在不断地增大。为了降低基础部分的费用，国内外越来越多地采用土体 原位加固技术形成人工复合地基，以节约投资。 近几年来，随着地基加固技术的不断进步，地基加固的手段越来越 多，土体加固的深度也越来越深，加固后的地基承载力大大增加，而工 后沉降变形却大大降低，这使得人工地基可以满足不同类型建筑物的需 要，许多原需深基础或桩基础的建筑物改用地基加固。另一方面，一般 的地基加固施工简单方便，工期较短，费用也较低。因此，近几年来的 人工地基的应用在迅速扩展。 常用的地基加固处理方法，按其作法和性质，可以分为以下三种类 1 北方交通大学工程硕士学位论文 型m ，：( 1 ) 换土：挖去软弱土用比较好的土来代替。如灰土垫层、砂土 换填等。( 2 ) 土的压密：利用各种方法使土密实，降低土的孔隙率从而 提高土的强度，减少土的压缩变形。如各种机械压实法、堆载预压和砂 桩预压法、真空预压法、灰土桩挤密法、碎石桩挤密法等。( 3 ) 土的胶 结：利用化学方法使地基土颗粒胶结，增加土的强度和不透水性。如热 加固法、灌浆法、搅拌法和旋喷法等。前两种地基加固方法的加固深度 有限，承载力提高不明显，一般用于承载力要求不高、工后沉降要求不 严的建筑物中；后两种加固方法形成的人工地基应用较多，该方法可根 据需要形成不同深度、不同强度的地基，可以控制建筑物的工后沉降， 是目前采用的主要地基加固方法。 水泥土桩加固后的人工地基也称为复合地基，它是水泥土桩和天然 地基的复合体，二者共同承载，变形相同；它不考虑地基土的固结、沉 降变形等作用，以强度较高、压缩变形较小的水泥土桩来提高整个复合 地基的强度。复合地基承载力的高低取决于地基土的性质、水泥土桩的 强度、加固深度以及置换率等。 1 2 水泥土桩加固地基技术的现状 目前，水泥土桩是地基加固处理采用较为广泛的一种方法，它是利 用水泥作胶结固化材料，在原位实现水泥与土体的搅拌、混合，硬凝后 形成水泥土固结体，起到加固地基土的作用。从其成桩的方法可以分为 粉喷桩法、深层搅拌法、高压喷射注浆法等。 1 2 1粉喷桩法 粉喷水泥土桩为机械搅拌成型，其主要设备为钻机、空压机、灰罐、 计量装置等。施工时一般采用直径5 0 0 r a m 的钻头边钻进边搅拌土体，同 时空压机将水泥粉从搅拌翅吹出、拌和掺入到土体中，水泥吸水硬化与 土体结合形成水泥、土互层的固结体，起到加固地基的作用。粉喷桩的 主要优点是设备简单，施工速度快，价格便宜。其主要缺点一是成桩直 径( 一般为5 0 0 m m ) 较小；二是桩体为水泥与土互层，均匀性较差，在荷 载作用下变形较大，其应用现在仅限于标准承载力较小( f 。1 8 0 k p a ) 的 2 北方交通大学工程硕士学位论文 复合地基；三是施工时质量不易控制，经常出现水泥混合不匀、断桩等 现象，在含水量较小的土中和砂类土中成桩效果较差，造成的工程事故 较多。因此，上海、北京、天津、江苏、浙江等省市已明令禁止粉喷桩 用于永久性工程。粉喷桩现在多应用于承载力要求不高的房屋地基和大 面积地基的加固处理。京九线开铁路路基加固的先河，阜阳一九江段中 约有2 6 k m 软土路基采用该方法进行加固。现在许多高速公路路基、涵 洞地基等也采用该方法进行加固。 1 2 2 深层搅拌桩法 深层搅拌桩的原理与粉喷桩法基本相同，均通过机械搅拌将水泥与 土混合在一起，硬凝后形成水泥土固结体。二者的区别在于一是钻机不 同，深层搅拌钻机的两个钻头为部分重叠、直径7 0 0 r a m 的搅拌翅，其单 桩处理面积为0 7 1m 2 ；二是深层搅拌用的是泥浆泵、喷射的是水泥浆， 而粉喷用的是空压机、喷出的是水泥粉。深层搅拌桩的性质近似于粉喷 桩，其缺点也近似于粉喷桩。现在多应用于新建房屋复合地基、隔水防 渗、基坑支护等工程；因其设备较庞大且成桩深度( 一般l 1 0 o m ) 有限， 工程应用中受到一定的限制。 用粉喷桩法在含水量较小的土中和砂类土中不易成桩，现在有许多 工程将喷粉改为喷水泥浆，其原理与深层搅拌桩相同。因此，一些书籍 和刊物中也将采用这种方法形成的桩叫深层搅拌桩。 1 2 3 高压喷射注浆法 高压喷射注浆法是利用拌浆系统、高压注浆泵、钻机等设备将水泥 浆变成可以旋转、上下移动的高速射流，利用射流的强大动能将土体切 割、破碎、拌和，使水泥浆均匀地与原位土体混合在一起，硬凝后形成 水泥土固结体，起到加固地基、隔水、防渗等作用。根据不同的工程需 要，可以灌注成块状、壁状、圆柱状，也可群桩灌注成墙体、坝体等结 构物，工程中应用较广的为圆柱状，即高压旋喷桩。 旋喷桩根据其成桩工艺的不同分为单管旋喷桩、双重管旋喷桩和三 重管旋喷桩。单管的意思是钻杆为单重，仅通过水泥浆。其主要设备有 拌浆系统、高压管路、高压注浆泵、钻机等，成桩时利用旋转的高速水 1 北方交通大学工程硕士学位论文 泥浆射流切割、破碎、拌和土体，其成桩直径在6 0 0 m m 左右。 双重管的意思是钻杆为双重管，分别通过水泥浆和压缩空气。其主 要设备比单管旋喷桩多一台空压机，多一套送风管路。成桩时利用旋转 的高速水泥浆射流切割、破碎、拌和土体，同时在水泥浆射流外裹一压 缩空气流，以约束射流，防止射流过早扩散衰减，使射流的破坏半径增 大，相应地增大成桩直径，其成桩直径在8 0 0 r a m 左右。 三重管的意思是钻杆为三重管，分别通过水、水泥浆和压缩空气。 其主要设备比双重管旋喷桩又多出一台泥浆泵，多出一套送浆管路。成 桩时利用旋转的高速水射流切割、破碎土体，同时在水射流外裹一压缩 空气流，以约束射流，防止水射流过早扩散衰减；再利用泥浆泵将水泥 浆压入、填充、拌和于浆体中。该工艺利用水射流的破坏力强于水泥浆 射流的特点，以扩大成桩直径；但因水的用量较大，形成的水泥土强度 较低，个别含水量较大的土层中甚至出现不硬凝的现象，起不到加固土 体的作用，反起到破坏的作用。该工艺的成桩直径在9 0 0 m m 左右。 双重管和三重管旋喷桩因其设备较多，且一般需要先进行钻孔作 业，施工效率较低，现在应用的很少；单管旋喷桩因设备简单，施工简 便易行，价格低廉，目前在大量地推广应用，工程界所谓的旋喷桩一般 指该种工艺形成的水泥土桩。 旋喷桩的主要优点是材质均匀性好、强度高，一般土质中形成的桩 体2 8 天无侧限抗压强度值在3 m p a 左右，其单桩极限承载力可达1 0 0 0 k n 以上，复合地基的承载力标准值可达到5 0 0 k p a 。其次是弹性模量高，压 缩变形小，其弹性模量值约为同等强度混凝土弹性模量的1 1 0 ；经多次 单桩和复合地基试验，在设计荷载作用下，旋喷桩复合地基的沉降量一 般小于5 m m 。从这些数值可以看出，旋喷桩的桩体强度和弹性模量远远 大于土体的强度和压缩模量，也远大于粉喷桩和深层搅拌桩的桩体强度 和压缩模量。 旋喷桩的主要缺点一是成桩直径小，一般土体中成桩仅为6 0 0 m m 左右；二是水泥用量大，一般情况下在2 0 0 k g m 左右；三是材料浪费大， 在饱和地基土中形成直径7 0 0 m m 的桩，其水泥的利用率仅为6 0 左右。 4 j ! 互茎堡奎堂三里堡主兰垡笙茎 13 本论文要研究的问题 水泥土桩因早期强度较低，设计时一般按桩体材料强度控制计算， 桩体的承载能力主要取决于桩体的直径和水泥土的强度。水泥土强度的 提高有一定的限度，以大大增加水泥的掺入量来提高水泥土的强度往往 得不偿失；而桩体的承载力与其直径的平方成正比，即：p o n d 2 ，因此， 在正常的施工条件下如何扩大水泥土桩的直径以增加其承载能力是 个急需解决的实际工程问题。 日本在水泥土桩施工设备方面的研究与开发较早，其开发的机械设 备类型较多且应用广泛，不仅有陆地施工用的机械设备，也有海底软土 加固处理应用的机械设备；其开发应用的“高压交叉喷射与复合搅拌工 法”是将射流喷射搅拌与机械搅拌相结合，成桩直径可达2 0 0 0 m m 以上， 且具排泥量小、质量可靠、成本低等优点。根据我国水泥土桩施工机械 的现状和查新调查，大直径水泥土桩的研究与应用在我国尚属空白。 基于以上的问题，提出高压喷射搅拌桩施工工艺的试验与研究，以 解决粉喷桩、深层搅拌桩桩体均匀性差、承载力低和旋喷桩直径偏小的 问题。高压喷射搅拌桩的原理是将喷嘴外移，即将喷嘴安装在钻头的搅 拌翅端或立轴上，实现高速射流影响范围的改变，扩大桩体的直径。其 作用是机械搅拌和高压喷射搅拌同时进行，桩的外半部分为完全高压喷 射搅拌，里半部分为机械搅拌和高压喷射搅拌的复合，最终效果接近于 高压喷射搅拌。根据不同的地质情况和工程需要，可以采用不同长度搅 拌翅的钻头以形成不同直径的桩体，实现桩体直径的基本可控。 高压喷射搅拌桩综合旋喷桩与深层搅拌桩的优点，其桩体材料的性 质接近于旋喷桩，而其成桩直径可以大大增加。这样，在加固相同面积 地基的情况下，桩数可以大大减少，从而降低成本，减少材料的浪费， 且可以加快整个工程的进度。 苎! 童壹垦堕堑堡堂壁塑塑三塑墨! 塑型一 2 高压喷射搅拌桩的施工机具的研制 2 1 试验设备的选择 从应用研究的角度来讲，其主要目标是直接的工程应用。因此，设 备的逸型在满足试验所需耍条件的情况下，应尽可能选择目前应用较多 的施工机械。 根据水泥土桩施工机械的发展状况，现在粉喷钻机的应用最为广 泛，其功能除可进行粉喷桩及其改进的深层搅拌桩的施工外，也可以进 行旋喷桩的施工。因此，试验选择铁道部武汉工程机械研究所生产的 p h 一5 d 大扭矩型喷粉桩机；高压泥浆泵采用原旋喷桩施工应用的天津聚 能高压泵厂生产的x p b 9 0 b 高压注浆泵。 2 1 1p h 一5 d 大扭矩型钻机主要技术参数“2 3 ( 1 ) 地基加固深度： 2 0 m ( 2 ) 搅拌成桩直径： 5 0 0 1 0 0 0 m m ( 3 ) 钻杆正反转速： 正7 1 22 l3 45 2r m i n 反8 1 42 54 06 2r m n ( 4 ) 钻杆进升速度： ( 5 ) 钻进最大扭矩 ( 6 ) 进给提升力： ( 7 ) 钻杆规格： ( 8 ) 纵向单步行程 ( 9 ) 横向单步行程 ( 1 0 ) 支腿接地比压 ( 1 1 ) 主电机功率： ( 1 2 ) 油泵电机功率 正慢0 l 1 60 1 9 7 0 3 4 7 0 8 5 0 0 5 5 2 正快0 2 0 l0 3 4 7 0 6 1 1 0 9 7 2l4 9 7 m m i n 反慢0 1 7 30 2 3 20 4 0 81 0 0 00 6 5 0 反快0 2 4 10 4 0 8 0 7 1 91 7 6 11 1 4 4 m m i n 5 5 2 8k n m 1 5 6 8k n 口1 2 5 1 2 5 r a m 1 2 m 0 5 m 2 6 9 k p a 4 5 k w 4 k w 7 i ! 查銮望盔兰三堡婴主兰垡堡塞 ( 1 3 ) 整机重量： 1 3 0 0 0 k g 根据不同的工程需要，可以选择不同的桩体直径和桩体强度。桩体 直径可以通过搅拌翅长度和钻杆提升速度的调整来解决；而桩体的材料 强度则可以通过调整喷咀的数量、水泥浆的稠度和钻杆的提升速度来解 决。当然，两者的调整范围是有一定的限度的。 根据以往旋喷桩的成桩情况，要想使桩体材质均匀、整体性较好， 灌注时钻杆的提升速度不宜大于3 0 c m m i n 。因此，钻杆的灌注提升速度 以选择前两档为宜。 2 1 2 x p b - 9 0 b 高压注浆泵主要技术参数“” ( 1 ) 作用形式：卧式往复单作用柱塞式 ( 2 ) 柱塞数量：3 个 ( 3 ) 柱塞直径：4 5 m m ( 4 ) 工作行程： 1 2 0 m m ( 5 ) 输入转速：6 0 0 1 3 2 0 r m ir l ( 6 ) 额定功率： 9 0 k w ( 7 ) 最大排出流量：9 5 l m i n ( 8 ) 最大工作压力：4 0 m p a ( 9 ) 整机重量：3 5 0 0 k g 高压泵工作时的压力决定射流的速度和水泥浆的流量，相应地影响 桩体的直径和水泥的掺入量。较低的工作压力混同于搅拌桩，形不成类 似于旋喷桩的桩体材料；而较高的工作压力则会引起机械配套困难等一 系列问题。因此，根据以往旋喷桩的施工经验及现场试验和我国目前机 械工业的水平，高压泵的工作压力在1 5 3 0 m p a 之间是较为合适的。 2 2 高压喷射搅拌钻头的研制与改型 高压喷射搅拌钻头是该施工工艺的关键，其工程可行性决定着此项 研究的成败。该钻头的主要技术特点为：钻头立轴为中空结构，与之相 连的搅拌翅也是中空结构；水泥浆从钻杆进入钻头立轴，然后进入搅拌 翅；喷咀安装在钻头搅拌翅的端部或立轴上。依据该创意而制造出的钻 8 北方交通大学工程硕士学位论文 头已获得国家实用新型专利。 施工时搅拌翅端部喷咀的作用与旋喷桩相同，为喷射搅拌作用；立 轴上的喷咀的喷射搅拌作用和搅拌翅的机械搅拌作用相混合。从节省水 泥等材料的角度讲，立轴上也可不要喷咀。在此情况下，翅端部喷咀喷 射搅拌形成的多余水泥土浆液内返，在搅拌翅的机械搅拌下与土混合形 成搅拌固结体，这样形成的桩体材料外为喷射搅拌、内为机械搅拌，一 般情况下材质为外硬内软。 根据上述原理研制的第l 代钻头为固定式，搅拌翅长度为2 5 0 m m ， 其有效搅拌直径为6 0 0 m m ，其成桩直径在1 0 0 0 m m 左右。该钻头的尺寸接 近原粉喷桩使用的钻头，可以应用在各种型号的粉喷桩钻机上。应用此 种钻头进行了第1 次成桩工艺试验以及济南铁路局东莱线k 4 1 + 1 8 4 桥下 游拦砂坝工程的施工。 根据实际的工程应用，钻头部分的磨损毁坏主要是搅拌翅翼的毁 坏，这造成施工时频繁更换钻头；另外，考虑到地基土软硬不一的情况， 钻头的搅拌翅长度应该可以调整，形成尽可能大直径的桩体，以提高施 工的效率。依据此思路，对钻头进行了改进，研制出第2 代拼装式钻头。 首先一次铸造成型直径5 0 0 m m 的母体，包括立轴和对称的短翅；加工成 型后在母体的短翅上再连接不同长度的搅拌翅，以形成不同搅拌直径的 钻头；两侧连接的搅拌翅长度可以不等，其喷咀的影响范围各不相同； 外接搅拌翅更换灵活，加工简单，较好地解决了实际的工程需要。应用 此种钻头于2 0 0 1 年l o 月1 8 日进行了第2 次成桩工艺试验，计灌注高 压喷射搅拌桩7 根，其钻头的搅拌直径为5 0 01 5 0 0 m m ，成桩直径为 】3 0 0 2 0 0 0 m m 。 9 苎! 童 壹里堕塾堂堂丝盟垡壁三苎望堕一 3 高压喷射搅拌桩的成桩工艺试验 因试验设备较多，现场原型试验耗资较大，两次成桩工艺试验均结 合工程项目进行，即在工程项目完毕后在现场进行设想的试验内容，这 样既达到了研究的目的，又节省的大量的课题经费。 3 ，1 第1 次成桩工艺试验 3 1 1试验目的 本次试验的主要目的有三个方面，一是检验高压喷射搅拌桩成桩工 艺的可行性；二是与旋喷桩进行对比研究，从承载力、桩体材料的性质、 水泥等材料的利用率、施工速度等方面进行比较；三是就试验中出现的 问题进行后续设备的改进和成桩工艺的改进试验。 3 1 2 试验地点 本次试验地点选在郑州铁路局铁道家园住宅小区9 号楼北侧，i 号 试验桩距离9 号楼基坑边约2 0 m ，地质情况与9 号楼地基土类似。9 号 楼为1 2 层复式现浇混凝土框架短肢墙结构，基础为筏板；采用旋喷桩 复合地基，设计桩径5 0 0 r a m ，有效桩长9 o m ，桩距1 2 1 2 m ，复合地 基的基本承载力为2 9 0 k p a 。为了与旋喷桩进行比较研究，试验桩的桩端 与9 号楼的旋喷桩处于同一标高上，也即位于同一土层中；试验桩的布 置情况见图3 1 。 3 1 3 地质情况 根据工程地质勘察报告，本工程所处场地土层分布情况如下。 ( 1 ) 粉土：表层主要为建筑垃圾，其下为黄褐、灰褐色粉土，中密， 稍湿，有腥臭味；层底埋深l _ o 2 o m ，平均层厚1 4 4 m 。 ( 2 ) 粉土：黄褐、灰褐色，中密，稍湿，可见螺壳碎片、姜石，有 腥臭味；层底埋深2 5 6 2 m ，平均层厚2 6 7 m ，f 产ll o k p a 。 ( 3 ) 粉土一粉细砂：黄褐、灰褐色，中密，稍湿，有螺壳碎片，含 1 1 j ! 查銮望查兰三堡堡主堂焦堡茎 少量3 c m 左右的姜石；本层发育有呈透镜体状粉细砂，中密，稍湿；层 底埋深6 2 8o m ，平均层厚31 9 m ，f k = 1 9 0 k p a 。 一 北 弓 9 号 1 号2 号 高 屡 ，、， 、 住 () 宅 p n m l h ” 楼 图31 试桩布置示意图 ( 4 ) 粉土：黄褐、灰褐色，密实，稍湿，有较多白色蠕虫状钙质条 纹，含少量3 c m 左右的姜石；有强烈刺激性气味；层底埋深7 9 1 0 8 0 m ， 平均层厚2 5 3 m ，f k = 1 6 0 k p a 。 ( 5 ) 粉土夹粉砂：褐黄、灰褐色，密实，稍湿，有螺壳碎片和少量 姜石；有强烈刺激性气味；层底埋深1 1 5 1 2 8 m ，平均层厚2 7 4 m ， f k = 2 3 0 k p a 。 ( 6 ) 粉土：褐黄、灰褐色，密实，稍湿，含粒径3 c m 左右姜石；有 刺激性气味；层底埋深1 2 8 1 3 6 m ，平均层厚0 9 4 m ，f k = 1 9 0 k p a 。 ( 7 ) 粉土：褐黄色，青灰色，密实，稍湿，含粒径l 3 c m 姜石： 有刺激性气味；层底埋深1 4 6 t 6 5 0 m ，平均层厚2 3 3 m ，f k = 2 6 0 k p a 。 ( 8 ) 粉土：褐黄色，密实，稍湿，含少量粒径2 c m 左右的姜石；层 底埋深1 5 5 2 1 o m ，平均层厚3 0 5 m ，f k = 1 7 5 k p a 。 ( 9 ) 粉质粘土( 含姜石结核) ：红褐色，含灰黑色条纹、黑色小颗粒， 硬塑；层底埋深1 4 6 2 4 7 m ，平均层厚4 3 7 m ，f k = 2t o k p a 。 ( 1 0 ) 粉质粘土一粉土：褐红色，含较多黑色条纹、黑色小颗粒， 含粒径3 c m 左右的姜石；层底埋深2 8 o 3 2 9 m ，平均层厚7 3 6 m ， 1 2 i ! 查銮遇查堂三堡堡主堂垡堡苎一 f k = 2 2 0 k p a 。 ( 1 1 ) 粉质粘土：黄褐色、浅肉红色，坚硬，含粒径0 5 l o c m 的 钙质结核约1 03 0 ；层底埋深3 2 o 3 4 o m ，平均层厚1 6 6 m ， f k = 3 2 0 k p a 。 ( i 2 ) 粉质粘土：浅肉红色、红褐色，硬塑坚硬，含约5 粒径2 c m 左右的姜石；钻至4 0 m 未揭穿，f k = 3 0 0 k p a 。 勘察期间地下水稳定在自然地面下1 3 5 1 4 1l m ，地下水类型属第 四系松散岩类孔隙潜水。本场地土为中硬土，建筑场地类别为i i 类，地 基土不具液化性。 根据地质剖面图，试验桩体处于粉土和粉细砂土层中；各土 层力学性能指标见表3 1 。 表31 土层承载力标准值与压缩模量 土层号一1 1 l 承载力标准值f k ( k p a ) 1 1 01 4 5 1 9 0 1 6 02 3 0 1 9 0 2 6 0 1 7 52 2 0 压缩模量e ( m p 。) 6 21 1 5 1 2 2 1 0 3 1 8 2 1 1 41 851 0 01 55 3 1 4 试验桩灌注情况 试验利用搅拌直径为6 0 0 m m 的钻头，喷咀按3 种方式组合，采用目 前旋喷桩常用的施工技术参数进行灌注。下钻时根据地层情况采用快慢 不同的速度，软地层速度快，硬地层速度慢。下钻时采用清水，泵压 i o m p a ，至桩底端约1 0 m 时更换为水泥浆，同时泵压升至2 0 l p a ，下钻 到桩底标高后稍停，然后开始提升，直至桩顶标高。 l 号桩灌注过程中因修理高压泵，所用时间较长，水泥的用量也不 太准确，其正常灌注情况下的水泥用量应与2 号桩接近，灌注过程中出 浆量很少；2 号桩灌注过程中，前期不出浆，钻头提升至离地面65 m 处 开始冒出泥块，水泥含量较低，判断为下钻时未搅拌碎的土块；3 号桩 的出浆情况与2 号桩相似，冒出的基本为泥土块。 本次试验于2 0 0 1 年1 月1 5 日1 9 ：0 0 开始，至2 0 0 1 年1 月1 6 日8 ：0 0 结束，共灌注试验桩3 根，每根长度1 2o m 。 各试桩灌注的详细情况见表3 2 。 1 3 北方交通大学工程硕士学位论文 表32 试桩灌注情况表 桩号 123 喷嘴配置翅2 5翅2 5 翅28 ( m m )轴2 2翅2 2 灌注桩长( m ) 1 2 o1 2 o 1 20 下旋转速度( r m i n ) 2 52 52 5 试验 下钻速度( c m m i n ) 约4 0 8 约4 0 8约4 0 8 钻 泵压( m p a ) 1 0l o 1 0 提旋转速度( r m i n ) 1 41 4 1 4 参数 提升速度( o m m i n )2 3 22 3 22 32 升泵压( m p a )2 02 02 0 试验开始( 时：分)1 9 ：0 00 2 ：2 8 0 5 ：0 0 时间 结束( 时：分) 0 1 ：1 4 0 4 ：0 20 7 ：3 8 水泥浆水灰比1 0 ：1 o 水泥用量( k g ) 4 7 5 0 3 4 0 02 2 0 0 单位水泥用量( k g 姬) 3 9 6 2 8 31 8 3 水泥平均含量( k g m 3 ) 4 4 9 3 3 52 1 7 3 1 5 试验桩情况 试验结束后2 天对桩进行了局部开挖检查，结果发现：桩体硬凝较 好，轮廓清晰，3 根试桩直径均超过1 0 m ，基本达到了设想的目标。 单桩竖向抗压静载试验前，桩头部约1 o m 全部挖出，然后凿除了 桩头，从测量及凿除的情况看：3 根试桩的直径均为1 0 6 0 m m ，上下均匀： 因土质为粉，桩体内基本没有泥土块，说明土体破碎较好，拌和较为 均匀；试桩与周围土体的结合类似于旋喷桩，土体有压密的现象；1 号 试桩的截面呈现水泥青灰色，其水泥含量明显大于2 号、3 号试桩，2 号试桩的截面土黄色相对较浅，而3 号试桩的截面颜色为土黄色；3 根 试桩的强度明显高于周围的土体，1 个月后洋镐不容易刨动。 l 号试验桩的照片见图3 2 所示。 1 4 i ! 查銮望奎堂三翌雯主兰笪堡苎一 图321 号试验桩照片 3 1 6 试验结论 ( 1 ) 试验桩灌注过程中机械设备基本正常，满足施工的各项要求， 说明该成桩工艺可以直接应用于工程中去。 ( 2 ) 试桩的直径与预期的搅拌加喷射的影响范围相吻合；桩体材料 基本均匀，强度较高，没有粉喷桩的水泥与土分层固结的现象，与旋喷 桩的材质近似。 ( 3 ) 3 根试桩的直径均为1 0 6 0 m m ，说明在喷咀直径变化不大的情况 下对成桩直径的影响不大。 ( 4 ) 从2 号、3 号试桩的情况看，桩体截面范围内材质有所不同， 表现为外高内低，与设想的喷射搅拌范围的水泥含量高、中心机械搅拌 的水泥含量低相吻合；正常施工时钻头上的喷咀以均匀布置为宜。 ( 5 ) 根据不同的设计要求，可以配置不同个数或不同直径的喷咀， 采用不同水灰比的水泥浆以调整水泥的掺入量。 ( 6 ) 从3 根试验桩灌注过程中的出浆量来看，其与旋喷桩相比大大 1 5 j ! 立銮望奎堂三型堡主兰篁堡塞 减少，说明材料的利用率大幅度提高，这不但减少了材料的浪费，而且 减少r 废水泥土清理的费用。 ( 7 ) 从桩体的截面看，3 号试桩呈现土黄色，表明水泥含量明显偏 小；根据粉喷桩和旋喷桩的水泥使用情况，高压喷射搅拌桩的水泥含量 不宦低于2 0 0 k g m 3 。 3 2 第2 次成桩工艺试验 3 2 1试验目的 第1 次成桩工艺试验说明，该施工工艺是完全可行的，可以应用于 工程中去。2 0 0 1 年7 月至l o 月在济南铁路局东莱线k 4 1 + 1 8 4 桥下游进 行了拦砂坝的施工。施工中出现的主要问题是钻头搅拌翅翼磨损太快， 频繁更换钻头造成施工速度下降，成本升高，效率降低。综合考虑地质 因素和施工中出现的问题，对钻头进行了改进，研制出第2 代拼装式钻 头；该钻头在不同的土质中可以采用不同的组合形式，以形成尽可能大 直径的桩体，提高施工效率。 本次试验采用拼装式钻头，主要检验扩大桩体直径的可行性。限于 高压泵流量的限制，试验采用一个或两个喷咀，但其在搅拌翅上的安装 位置不同。 3 2 2 试验地点和地质情况 本次试验地点位于山东省莱芜市郊东莱线k 4 1 + 1 8 4 桥下游主河床 中。河床为砂质，上部约2 5 m 为中、粗砂，局部为砾砂：砂层f 有约 1 o m 厚砂卵石层；砂卵石层下有约2 0 m 厚砂层和岩石风化层，局部夹 粉质粘土；最下层为基岩。 3 2 3 试验桩灌注情况 本次试验于2 0 0 1 年l o 月1 8 日进行，共灌注试验桩7 根，桩长均 为2 o r e ；因水泥浆用量相对较少和砂土较强的渗透性，各桩几乎没有多 余的废浆冒出。 试验方案及试验结果见表3 3 。 1 6 北方交通大学工程硕士学位论文 一 表33 第二次成桩工艺试验方案 试验桩号 l 234 567 钻头配置形式 5 0 +5 0 + 5 0 +5 0 +5 0 5 0 +5 0 + 母体十长翅+ 短划 0 + 00 + 0l o + o 2 0 + 03 0 + 04 0 + l o5 0 + 2 0 ( c m ) 钻头搅拌直径 5 05 07 0 9 01 1 0l3 01 5 0 ( c m ) 喷咀个数 ij222 2 2 喷咀配置 轴22轴2 2k 翅25长翅25长翅25 翅25翅25 ( n u n ) 翅25翅25短翅2 2短翅22短翅22 两个喷咀影响 范围之投影距离 0o2 93 93 03 03 0 ( c n l ) 射流未喷射范围 ( 桩中心未喷直径)5 0 5 0 1 2 1 2 5 0 7 0 9 0 ( c m ) 预估短翅上 喷咀影响之范围 00 2 42 43 03 03 0 ( c l n ) 预估长翅上 2 53 02 52 5 2 52 52 5 喷咀影响之范围 ( c m ) 3 03 5 3 03 03 03 03 0 灌注压力( m v a ) 2 03 02 02 02 02 02 0 提升速度 2 02 02 02 02 02 0 2 0 ( c m m i n ) 灌注桩长( m ) 2 02 02 002 020 2 0 水灰比 l2 ：1i2 ：ll2 ：1l2 ：1l21l2 ：l 121 ( 重量比) 水泥用量 1 5 01 8 03 2 03 2 03 2 03 2 0 3 2 0 ( k g m ) 1 7 北方交通大学工程硕士学位论文 续表33 预估桩体直径 l l o1 2 0 1 3 0 1 5 0 1 7 01 9 02 1 0 r c m 、 实际桩体直径 1 2 51 4 01 4 51 5 01 6 02 0 02 0 0 ( e r a ) 实际单桩截面积 12 315 4l6 5l7 720 131 431 4 ( m 。) 实际水泥含量 1 2 21 1 7 1 9 4i8 11 5 921 0 2 ( k g m 3 ) 3 2 4 试验桩情况 桩体硬凝后进行了开挖检查，结果发现：7 根试桩硬凝均较好，轮 廓清晰，桩体直径在1 2 5 0 2 0 0 0 m m 之间；因为砂土的缘故，桩体截面 内水泥含量均匀，没有明显的差别，说明土体喷射搅拌和机械搅拌均起 到了作用，水泥浆和砂土拌和较为均匀；桩与周围砂土的结合类似于旋 喷桩，土体有压密的现象。各试桩照片见图3 3 所示。 ( a ) 1 号试桩照片 1 8 北方交通大学工程硕士学位论文 ( c ) 3 号试桩照片 1 9 北方交通大学工程硕土学位论文 ( e ) 5 号试桩照片 2 0 北方交通大学工程硕士学位论文 ( g ) 7 号试桩照片 图33 第2 次成桩工艺试验1 7 号桩照片 2 l j ! 塑奎望奎堂三堡堡主堂! 皇堡塞 3 2 5 试验结论 f n 采用装配式钻头实现桩径的改变是可行的，利用该方法基本可 以实现高压喷射搅拌桩桩径的控制，即可以根据不同的工程需要，设计 不同直径的桩体。 r 2 1 从试验情况看，p h 一5 1 ) 大扭矩型钻机因底盘尺寸和支腿等问题， 其成桩直径不宜大于1 5 0 0 r a m 。 ( 3 ) 从1 号、2 号试桩的对比发现，高压泵压力的提高可以扩大桩 体的直径，但其提高是有限的，与外延喷咀以扩大桩体直径的效果相比， 不具有工程的应用价值。 ( 4 ) 在实际工程中，可以调整喷咀的数量和钻杆的提升速度来实现 桩体中水泥含量的变化，以满足不同工程对桩体材料强度的需求。 ( 5 ) 根据旋喷桩多年的施工经验，桩体材料强度一般为设计的控制 因素，因此，应在可能的情况下增加水泥的用量以提高桩体的强度。结 合目前的施工设备状况，列出表3 4 所示的常见的技术参数的组合；对 重大工程在施工前可以先进行试验，然后确定施工技术参数。 表34 高压喷射搅拌桩施工技术参数建议方案 序号 123456 钻头配置形式 5 0 +5 0 +5 0 +5 0 +5 0 +5 0 + 母体+ 长翅+ 短翅 o + d 1 0 + 02 0 + i ) 3 0 + 0 4 u + j05 0 + 2 0 r c m l 钻头