高压喷射注浆法在淤泥及淤泥质土中的应用研究

2016-09-18孙建乐

西部探矿工程 2016年7期

关键词：质土水泥浆淤泥

孙建乐

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077）

高压喷射注浆法在淤泥及淤泥质土中的应用研究

孙建乐*

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077）

分析了高压喷射注浆法在淤泥及淤泥质土中难以成桩的原因，并通过试验得出在水泥中加入粉煤灰可以提高固化土的强度，当粉煤灰添加量为水泥0.3倍时强度达到最大值，当水泥量不足时，光靠增加粉煤灰的量不能使强度得到较大增长。同时采用改型后的钻头，可以形成外为喷射搅拌、内为机械搅拌的固结体，有利于在淤泥质土中形成均匀固结体。

高压喷射注浆；固化试验；钻头改型

1　概述

高压喷射注浆法创始于日本，是从化学注浆法的基础上采用高压水射流切割技术而发展起来的，以水泥为主要材料，加固土体的质量高、可靠性好，具有增加地基强度、提高地基承载力、止水防渗、减少支挡建筑物土压力、防止砂土液化和降低土的含水量等功能［1］。

淤泥和淤泥质土是工程建设中经常遇到的软土，在静水或缓慢的流水环境中沉积并经生物化学作用形成。当土中含有较多的大粒径块石、大量植物根茎或有较高的有机质时，以及地下水流速过大和已涌水的工程，应根据现场试验结果确定其适用性。大量工程实践表明，直接在含有较高有机质的淤泥和淤泥质土中采用常规的高压喷射注浆法难以形成理想的固结体［2］，加固效果不明显。

2　高压喷射注浆技术

旋喷注浆法由于不断改进工艺和研制新型机具，旋喷技术有了较快的发展，自从单管旋喷法问世以来，短短几年内，二重管旋喷法、三重管旋喷法以及多重管旋喷法相继达到了实用程度。单管旋喷注浆法是利用钻机等设备，把安装在注浆管（单管）底部侧面的特殊喷嘴，置入土层预定深度后，用高压泥浆泵等高压发生装置，以20～30MPa左右的压力，把浆液从喷嘴中喷射出去切割破坏土体，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，成柱直径40～50cm，称为CCP工法。如图1所示。

根据旋喷工艺的要求，浆液应具备以下特性：（1）有良好的可喷性；（2）有足够的稳定性；（3）气泡少；（4）调剂浆液的胶凝时间；（5）有良好的力学性能；（6）无毒、无臭；（7）结石率高。水泥是最便宜的注浆材料，取材也比较容易，是旋喷注浆的基本材料。一般采用325号或425号硅酸盐水泥。化学浆液还未在国内大规模地使用，仅在少数工程中应用过丙凝、脉醛树脂等作为喷射浆液。为提高浆液的流动性和稳定性，改变浆液的胶凝时间，或提高固结体的抗压强度，可在水泥浆中加入外加剂［3］。纯水泥与掺入水玻璃的水泥浆的渗透系数见表1。

旋喷注浆机具设备主要由造孔、制浆和喷射等机具组成。采用的旋喷方式不同，机具设备也不同，主要包括钻机、高压泵、泥浆泵、空气压缩机、注浆管、喷头、流量计、输浆管、制浆机等。喷头上的高压喷嘴是影响高压喷射效果的关键部件，其内外径的光洁度、热处理的硬度很重要，但对内孔的几何尺寸、形状要求更为严格。气喷嘴的环形间隙大小及气喷嘴与水喷嘴的同心度，对风量、水射流的质量影响很大，为此，必须保证制造精度，在施工中，也应经常检测并保证其装配精度。钻机是旋喷注浆中完成钻进、旋转、提升的重要设备，可选用震动钻或其它地质钻机，一般将地质钻机改装后便可满足施工要求。对于二管法、三管法的提升、旋转或摆动，可采用能自动行走的全液压喷射台车（喷机）。高压旋喷注浆法施工的步骤示意图见图2。

图1　单管旋喷注浆示意图

表1　纯水泥与掺入水玻璃的水泥浆的渗透系数

图2　高压旋喷注浆法施工示意图

3　淤泥固化土试验对比研究

由于淤泥及淤泥质土含水量大，透水性差，采用高压喷射法在处理淤泥及淤泥质土时，单纯的使用纯水泥浆固化处理这种方法不但存在土体受压后固结问题，还存在浆液本身的固结问题，浆液固结后如有多余的水分，它在土内无法排出，造成在淤泥中难以成桩和固结体强度偏低的问题［4］。

3.1试验材料和试验方法

主注浆材料选用水泥，水泥为陕西秦岭水泥有限公司生产的《秦岭牌》32.5普通硅酸盐水泥。同时，在水泥中加入粉煤灰可以促进水泥的固化效果。考虑在水泥中加入一定量的粉煤灰，本试验所用的粉煤灰为大唐略阳电厂的粉煤灰，主要成分是飞灰，约占2/3，以及各种钙基化合物，约占1/3，研究其与水泥组合的效果，寻找其最佳的添加量。在水泥中加入粉煤灰不但可以解决淤泥固化的问题，而且也减少了粉煤灰堆存量。本试验所用淤泥为典型沉积淤泥，属于第四系沉积层（Qm），根据室内试验测定其界限含水率、比重、容重，其基本物理力学性质指标如表2所示。粉煤灰的主要化学组成如表3所示。

本试验所用的淤泥中草根等杂质，为不影响试验精度，在试验之前先对淤泥过lmm筛，将淤泥中的杂质滤出。①搅拌：搅拌以人工方式强制搅拌，转速为100r/min，加入固化材料后搅拌5min装模。②模具：做强度试样的模具为标准的混凝土试模150mm× 150mm×150mm。③制样：做无侧限强度试验测固化强度的制样方法是：将原状土烘干后再按天然含水量将固化材料按设计配比直接掺入土中，将固化材料与软土强行搅，搅拌5min，分3层装入模具，每层振动2min后，再装下一层，直到装满。④养护：养护置于恒温恒湿箱中，养护条件为湿度RH=90%～100%，温度20℃± 2℃。养护24h脱模，脱模后试样在养护箱内养护，直到设计龄期。⑤试验：对于各个龄期，不同配比的试样进行无侧限抗压强度试验。

表2　物理力学指标淤泥土

表3　粉煤灰的化学成分

3.2纯水泥浆—淤泥固结体的强度特性

通过对淤泥及淤泥质土的不同掺灰量、不同龄期的水泥土的无侧限抗压试验，分析水泥土的强度特征，为淤泥质软土加固处理的设计参数的确定提供试验依据。室内试验是将原状土烘干后再按天然含水量将水泥直接掺入土中，将水泥粉与软土强行搅拌，充分搅拌均匀后分别制备试验所需的无侧限抗压试样，第二天脱模后在标准养护室里养护，对龄期7、14、21、28d的无侧限抗压试验。无侧限抗压试验结果见表4。

表4　纯水泥浆—淤泥固结体强度试验结果

3.3水泥—粉煤灰复合浆—淤泥固结体的强度特性

为了对比纯水泥浆和水泥—粉煤灰复合浆对加固淤泥及淤泥质土的不同效果，又通过对淤泥及淤泥质土的不同掺灰量、不同龄期的水泥—粉煤灰复合浆—淤泥固结体的无侧限抗压试验，分析其的强度特征，与单纯的纯水泥浆—淤泥固结体强度做对比，为淤泥质软土加固处理时的加固材料的优化选择提供试验依据。无侧限抗压试验结果见表5。

表5　水泥—粉煤灰复合浆—淤泥固结体强度试验结果

4　高压喷射钻头的研制与改型

淤泥中往往含有有机质，一般喷射注浆后所形成的均匀性较差。深层搅拌法的原理是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；而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、上下移动的高压射流，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，硬凝后形成水泥固结体。

基于对深层搅拌法和高压喷射注浆法的综合应用，对现有的高压喷射钻头予以改型。改型钻头（图3）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；喷嘴安装在钻头搅拌翅的端部或立轴上。施工时搅拌翅部喷嘴的作用与旋喷桩相同，为喷射搅拌作用；立轴上的喷嘴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，立轴上也可不要喷嘴。在此情况下，翅端部喷嘴喷射搅拌形成的多余水泥浆液内返，在搅拌翅的机械搅拌下与土混合形成搅拌固结体，这样就形成了桩体材料外为喷射搅拌、内为机械搅拌的固结体。