高压喷射注浆成桩机理及实践验证

高压喷射注浆成桩机理及实践验证

陈宏明

（重庆市铁路（集团）有限公司，重庆 410700 ）

摘要：本文通过分析高压喷射流体性质，在现有工程统计数据基础上对不同地质下高压喷射注浆成桩尺寸进行统计分析，并归纳出不同地质下高压喷射成桩半径公式。进而通过工程实例，对公式准确性进行验证。结果表明该公式可以准确估算高压喷射注浆成柱半径，可以用来指导高压喷射注浆工艺参数制定。

关键词：高压旋喷桩；成桩半径；

一、概述

高压喷射注浆技术是岩土工程领域的一种复杂加固技术，主要用于地层加固或作为一种防渗结构。高压喷射注浆是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后，以高压设备将浆液或水以20Mpa-50Mpa的高压从喷嘴中喷射出来，冲刺破坏土体。当能量大、速度快和脉动状的喷射流的动压超过土体结构强度时，土颗粒便从土体剥落下来，一部分细小的土粒被浆液裹挟带出孔口，其余土粒在喷射流的冲击力、离心力和重力等作用下，与浆液搅拌混合，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，便在土中形成固结体【1】【2】。

高压喷射注浆因喷射流的高压能量高、速度快，几乎对各种土质地层均能产生巨大的冲击破碎和搅拌作用，使灌入的浆液和土拌合均匀并凝固为新的加固体。

图1.1 高压喷射注浆适用地层

本文详细分析了高压喷射液体性质，结合工程实际数据进行统计分析，总结出不同地质高压喷射成桩半径公式，并通过工程实例进行验证。

二、高压喷射流体性质

1、高压喷射流的构造

高压喷射流按喷流距喷嘴的距离可划分为以下区域：

图2.1 高压水喷射入空气中的射流分布

1）区域1。喷射出口流速均匀，轴向动压为常数，该区称为喷射核，其速度等于喷嘴出口速度。随着距喷嘴距离的增大，等速核的宽度逐渐缩小，直到迁移断面处等速核汇聚成一点。区域1的长度是喷射流的一个重要参数，决定了破碎土体和搅拌混合的效果。

2）区域2。轴向动压陡然减弱，扩散率为常数，长度约为300倍的喷嘴直径。喷射流与土体主要在该区内搅拌混合。

3）区域3。喷射流处于衰竭状态，喷射流宽度很大，喷射能量指数分布衰减，浆液成雾化状态，土体中的汽蚀现象主要在这一区域产生。

2、高压喷射流体性质

高压喷射流体的特征参数取决于注浆设备（钻杆长度、喷嘴尺寸、注浆压力、浆液流速、钻杆提升及旋转速度等）和浆液特性（水泥各类、水灰比及浆液均匀度等）。根据能量守恒定律，浆液出喷口速度可由下式计算得出：

其中：P0为喷嘴处初始压力[mH2O]， V0:为喷嘴处初始速度[m/s]，G:为重力加速度[m/s2]M:为喷嘴效率。

进而喷嘴处浆液流量Q[m3/s]为：

其中：A为喷嘴截面积[m2]

依据Croce和Flora的研究【3】，针对简单的流体系统, 注浆送浆液能量和注浆喷口能量可通过以下公式计算得出：

其中Ep[MJ/m]为注浆泵口浆液能量，P为注浆压力[MPa]，Q为浆液流速l/s]，V为钻头提升速度[mm/s]。

其中En[MJ/m]为注浆喷口能量，m[kg]为单位时间间隔Δt [s]内浆液质量，Vn为喷嘴处浆液流速[l/s]。

其中𝜌𝑔为浆液密度[kg/m3]， Q[m3/s] 为喷嘴处浆液流量。进而可以推导得出

其中M为喷嘴数量，d为喷嘴直径[m]。

根据高压喷射能量公式（公式3和公式6）Croce et al.进而研究得出高压喷射注浆的技术性和经济性对比和能量效率参数【4】

其中Vc为单位长度加固体注浆量[m3/m]，大的能量效率参数表示相关加固半径条件下能量使用较小或者较小的浆液用量。能量效率取决于注浆体系及地层参数。

3、高压喷射注浆成桩尺寸

喷射固结体直径的确定是一个复杂的问题，一般只能用半经验的方式判断、确定。根据AGI(意大利岩土工程协会)建议，不同地质下不同喷射类型成桩半径见下表：

表 2.1 高压喷射注浆不同功况下成桩半径

依据文献中现有工程统计数据【3】，对公式3和公式6中高压射注浆喷口能量和泵送能量进行统计分析可以得出高压喷射喷口能量介于0.8至0.9倍泵送能量之间。

表2.2 即有项目高压喷射参数统计表

图2.2 高压喷射施工喷口能量和泵送能量分析

进而通过现场实测成桩尺寸可以得出不同地质成桩尺寸和喷口能量之间公式，见下图所示：

图2.3 旋喷加固成桩尺寸与浆液喷口能量分析表图

在高压喷射注浆施工时，在不同地层中的平均成桩尺寸也可以通过对应的地层设备的能量效率进行预估【5】;

三、高压旋喷注浆参数设计

1、注浆加固地层特性

依据地质报告及各地质补勘资料，试注浆加固范围内主要地质有以下几各种：淤泥质砂;不良级配细砂；坚硬、粗糙的表面层状钙质胶结块片与细砂交错分布。

2、注浆方式及浆液选择

根据当地市场资源情况和施工便利性考量及以往类似工程实施经验，注浆加固拟采用单管法。加固拟采用CEM II/A-LL 42.5 R 水泥，水灰比为W/C: 1.2/1.0，浆液密度为14.4kN/m3。

3、注浆参数

依据上述理论及实际工程数据分析，高压喷射注浆加固拟采用以下参数：

表 3.1 高压喷射注浆试验参数

4、高压喷射注浆成桩尺寸计算

表 3.2在粉砂质地层中成桩尺寸计算

四、联络通道旋喷注浆加固参数验证

为验证在假定注浆参数下（包括：水灰比、注浆压力、注浆量、喷嘴数量、提升速度、旋转速度等）注浆施工是否可以达到要求的几何形状和物理特性以及观测注浆作业对周围环境影响，在注浆施工前需进行试注浆作业。

试注浆作业分为两个阶段：

第一阶段：使用选定参数施做3组浅桩，待桩身强度达到一定强度后进行开挖验证。

第二阶段：使用第一阶段开挖验证的注浆参数施做一组相互搭接的6根旋喷桩以组成一个加固体，并对加固体进行取芯验证其物理特性及深层几何形状。

试注浆区域地质状况：

第一阶段试注浆区域地层上部为人工回填土，下部分为粉细砂地层。

第二阶段试注浆区域地层为不良级配细砂夹杂硬质胶结块。

图4.1第一阶段试注浆成桩效果检查

依据第一阶段试注浆开挖检查结果揭示选定参数可达到预期效果，为进一步验证同条件下高压喷射注浆成桩效果，进行第二阶段试注浆作业。

图4.2试注浆取芯钻孔孔位及过程记录

第二阶段试完成后，在加固体中心及边界位置进行4个垂直地质取芯以验证深层加固时加固体质量及成桩半径。

图4.3第二阶段试注浆加固芯样

通过取芯结果揭示在加固体中心和设计边界位置芯样坚硬完整，表明在选定注浆参数条件下加固体直径可以达到即定要求，同时强度及渗透性满足既定要求。

五、结论

通过对高压喷射注浆加固联络通道开挖过程中验证，上述高压旋喷加固参数与注浆设计成桩尺寸基本吻合，联络通道开挖过程中，加固效果显著，达到了预期目标，表明所采用的高压旋喷施工参数是合理的。

在加固过程中通过对即有建构筑物监测结果表明，部分位置存在一定沉降和隆起，在施工过程中需加强浆液返浆控制，同时优化浆液配合比，提高浆液结率，减少因水泥土固结收缩带来的不利影响。

参考文献：

【1】GB 51004-2015.建筑地基基础工程施工规范.

【2】DG 08-2068-2019.超高压喷射注浆技术标准.

【3】Croce, P.; Flora, A. (2000). Analysis of single-fluid jet grouting. Ge otechnique 50, No. 6, 739-748

【4】Croce, P.; Flora, A. & Modoni, G. (2014). Jet Grouting – Technology, Design and Control. CRC Press Taylor & Francis Group.

【5】Modoni, G., Croce, P., Mongiovi, L. (2006). Theoretical modeling of jet grouting. Géotechnique 56, No. 5, 335-347.