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1、第 - 1 - 页 共 15 页高压旋喷桩复合地基的加固机理和施工工艺（作者：祝岁吾 西北有色勘测工程公司，陕西 西安）摘要：高压旋喷桩是近年来发展起来的一项土体加固新技术；它是利用钻机设备产生的高压，将水泥浆喷射到土体，使水泥固结体与桩间土形成一种新的复合地基，从而提高地基土的承载力；高压旋喷桩复合地基承载力不但与土体的物理力学性质有关，也与本身材料及施工工艺密切相关；复合地基质量检测是检验工程质量的重要环节。关键词：旋喷注浆 复合地基 成桩机理 加固机理 施工程序 旋喷工艺 注浆材料 水灰比 质量检测旋喷注浆是近年来发展起来的一项土体加固新技术。它是利用工程钻机，将旋喷注浆管置于预定的地基
2、加固深度，通过钻杆旋转，徐徐提升钻头，将已经配置好的浆液，用一定的压力从喷嘴中喷射液流，冲击土体，把土和浆液搅拌成混合体，随后凝聚固结，形成一种新的有一定强度的人工地基，这一整套地基加固方法，称为旋喷注浆加固地基技术，简称旋喷技术。旋喷注浆加固地基的深度，主要取决于钻机设备的适应性能（不仅仅是机械性能） ；土体固结的半径，主要取决于旋喷时喷射的搅动半径；土体加固强度，主要取决于浆液与土质的性质和凝固过程。这三方面因素，既有相互配合又有相互制约的特征，要掌握这项新技术，首先要从这三大因素着手，然后进一步掌握三大因素的相互关系。施工前，必须根据工程的具体条件和技术状态来选择喷射的各种性能参数。施工
3、过程中，还要不断地取样进行分析，以保证工程质量，满足设计要求，这样，才能收到应有的技术经济效果。1. 旋喷注浆的成桩作用1.1 高压喷射流对土体的破坏作用高压喷射流破坏土体的效能，随着土的物理力学性质的不同，在数量方面有较大的差异。喷射流破坏土体的机理比较复杂，透过旋喷的现象，可以分析其主要作第 - 2 - 页 共 15 页用。高压喷射流破坏土体的作用，可用以下主要因素予以说明：（1）喷流动压高压喷射流冲击土体时，由于能量高度集中地冲击一个很小的区域，因而在这个区域内及其周围的土和土结构的组织之间，形成强大的压应力作用，当这些外力超过土颗粒结构的破坏临界值时，土体便受到破坏。由喷射流的运动方程
4、可得出其理论破坏力公式：（ 1.1）2mAVF式中，F 喷射流的破坏力（ N） ；喷射流介质的密度（Ns 2/m4） ；A喷射流的截面积（喷咀出口） （m 2） ；Vm喷射流得速度（m/s） 。从公式（1.1）可知，当喷射流介质密度和喷嘴截面积一定时，则喷射流的破坏力和速度的平方成正比，而喷射压力越高，则流速越大。因此用增加高压泵的压力，是增大高速喷射流的破坏力最合理的方法。（2）喷射流的脉动负荷当喷射流不停地脉冲式冲击土体时，土粒表面受到脉动负荷的影响，逐渐积累起残余变形，使土粒失掉平衡，从而促使了土的破坏。（3）水流的冲击力由于喷射流断续地捶击土体，产生冲击力，促进破坏的进一步发展。（4）
5、空穴现象当土体没有被射出空洞时，喷射流冲击土体以冲击面上的大气压力为基础，产生压力变动，在压力差大的部位产生空洞，呈现出类似空穴的现象。在冲击面上的土体被蒸气泡的破坏压力所腐蚀，使冲击面破坏。此外，在空穴中，由于喷射流的激烈紊流，也会把较软的土体掏空，造成空穴扩大，使更多的土颗粒遭受剥离，使土体遭受破坏。（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，喷射流在垂直于喷射流轴线的方向上，楔入土体的裂隙或薄弱部分中，这时喷射流的动压变为静压，使土发生剥落加宽裂隙。（6）挤压力喷射流在终了区域，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产生挤压力，对四周土有压
6、密作用，并使部分浆液进入土粒之间的第 - 3 - 页 共 15 页空隙里，使固结体与四周土紧密相依，不产生脱离现象。（7）气流搅动在水或浆与气的同轴喷射作用下，空气流使水或浆的高压喷射流从破坏的土体上将土粒迅速吹散，使高压喷射流的喷流破坏条件得到改善，阻力大大减少，能量消耗降低，因而增大了高压喷射流的破坏能力。1.2 旋喷成桩机理由于高压喷射流是高能高速集中和连续作用于土体上，压应力和冲蚀等多种因素总是同时密集在压应力区域内发生效应，因此，喷射流具有冲击切削破坏土体并使浆液与土搅拌混合的功能。旋喷时，高压喷射流在地基中把土体切削破坏，其加固范围就是以喷射距离加上渗透部分或压缩部分的长度为半径的
7、圆柱体。一部分细小的土粒被喷射的浆液所置换，随着液流被带到地面上（俗称冒浆） ，其余的土粒与浆液搅拌混合。在旋喷动压、离心力和重力的共同作用下，在横断面上土粒按质量大小有规律地排列起来，小颗粒在中部居多，大颗粒多在外侧或边缘部分，形成了浆液主体、搅拌混合、压缩和渗透等部分，经过一定时间便凝固成强度较高渗透系数小的固结体。随着土质的不同，横断面的结构多少有些不同，由于旋喷体不是等颗粒的单体结构，固结质量不太均匀，通常中心的强度低，边缘部分强度低。2. 高压旋喷桩加固地基机理及其复合地基的力学特征2.1 高压旋喷桩加固地基机理高压旋喷桩浆液喷射一般分为旋转喷射（简称旋喷）和定向喷射（简称定喷）两种
8、注浆形式。旋喷时，喷嘴一面喷射一面旋喷和提升，固结体呈圆柱状，主要用于加固地基，提高低级的抗剪强度、改善土的变形性质，使其在上部结构荷载直接作用下，不产生破坏或过大的变形，也可以组成闭合的帷幕，用于截阻地上水流和治理流砂。定喷时，喷咀一面喷射一面提升，喷射的方向固定不变，固结体形状形如壁状，通常用于基础防渗、改善地基土的水流性质和稳定边坡等工程。高压旋喷法通过在土层中形成水泥固结体与桩间土一起形成复合地基，从而提第 - 4 - 页 共 15 页高地基的承载力，减少地基的沉降变形，达到地基加固的目的，加固后的地基承载力与旋喷桩的强度、桩间土的性质和面积置换率等因素有关，通常采用下式来计算复合地基
9、的承载力：（ 2.1）epeksdksp AfRf /)(, 式中：f sp,k复合地基承载力标准值（ kPa） ；f s,k桩间土地基承载力标准值（kPa） ；Ae一根桩承担的处理面积（m 2） ；Ap桩的平均截面积（m 2） ；桩间土承载力折减系数 01；Rdk单桩竖向承载力标准值，通过现场载荷试验确定，也可按有关公式计算（kN） 。到目前为止，国内外对桩间土承载力提高的机理尚没有进行系统研究，通过宣大线和京秦线高压旋喷注浆工程实践，初步认为其机理有以下几个方面：因旋喷桩的存在，使得软弱土层在荷载作用下由原来的无侧限状态转变为有一定的边界条件的应力状态，从而提高了桩间土的强度；由于旋喷桩在
10、自重作用下对桩周围有一定的挤密压实作用，及桩的侧壁摩擦阻力，也使得桩周围的软弱土层承载力提高；旋喷结束后，当水泥土混合浆液尚未凝结时，这种浆液将产生挤压力，对四周土有压密作用，并使部分浆液进入土粒之间的空隙中，形成“脉”状、 “板”状水泥结石体，这种情况在开挖检查中比较明显。依据旋喷理论，喷嘴出口处压力可用下式计算：（ 2.2）grpo2/式中：p o喷嘴出口压力；r水的重度，取 9800N/m3；o喷嘴出口流速，一般取 160m/s；g重力加速度，取 9.8m/s2。则：po=98001602/(29.8)=12.8106(Pa) 喷嘴在介质中喷射时，压力衰减的规律可近似采用下式计算：（2.
11、3）4.221/6.0LHOL式中：H O喷嘴出口处的压力水头（m） ；H L距离为 L 时，轴侧压力的水头（m） ；第 - 5 - 页 共 15 页d喷嘴直径 0.28cm。对于宣大高速公路旋喷桩直径为 0.70m，对于京秦高速公路旋喷桩直径为0.80m，在桩与桩间土的位置上喷射压力分别为： )(46.135).0(/128)028.(16.0.2/ mHL 98./式中：H O 值由上式计算值 PO 换算求出；d喷嘴直径为 0.28cm；L 为桩与桩间土的界面到桩中心的距离，为 0.35cm 与 0.40cm。计算结果表明：在桩体边缘，由喷射所产生的压力为 0.98MPa 于 0.71MP
12、a。除此之外，当水泥土混合浆液尚未凝结时，仍处于流体状态，则一根桩 8m 长的旋喷桩的底部压力为：（2.4）Hp其中：水泥土混合浆液的重度，取 15kN/m3；H桩长，取 8m。则： )(12085kPaP2.2 旋喷注浆复合地基的力学特征2.2.1 旋喷桩应力应变特征在桩基工程中，混凝土被视为弹性体，由于土和水泥组成的加固体，强度通常比混凝土低很多，其应力应变特征有其自身的特征。试验资料表明，水泥土的应力应变关系接近于双曲线，呈现出明显的非线性关系。喷射注浆加固体的强度变化幅度是很大的，可由 1MPa 指导约 10MPa，应力应变特性也存在差别。试验表明水泥含量低（5%）的情况下，试样达到很
13、大值之后才出现破坏强度的峰值，而且曲线比较平缓，反之，当水泥含量较高（25%）时，试样应变在很小的情况下，强度就达到峰值，并且曲线骤然下降，呈现脆性特性的明显增长。2.2.2 复合地基破坏特性及荷载分担比旋喷桩的承载力取决于桩体的强度和地基土对桩的承载力。因此，桩的破坏形式可划分为两种类型，即桩身破坏和桩土体系的破坏。在旋喷桩中，桩身强度成为决定桩承载力的决定因素，采用几种不同水泥含量的土水泥桩做试验，水泥第 - 6 - 页 共 15 页含量低（即 5%、10% 、15% ）的桩的承载力的控制条件，而水泥含量高（25%和 30%）的桩，其承载力是由桩土体系的强度决定的，即取决于桩侧摩擦力的桩间
14、反力。旋喷桩的桩身易于破坏的原因，除桩身强度低之外，桩身强度不均是一个主要因素。在加载过程中，局部应力超过桩体剪切强度或抗压强度，开始导致破坏，进而会逐步扩大。根据模型试验和有限元分析，桩头的剪切破坏区在桩头的 3 倍直径范围内，因此保证这个范围内桩的强度及其均匀性，对桩的承载力影响是非常大的。当桩身强度是承载力的决定因素时，增加桩的长度并不能提高承载力，当桩身强度较高时，增加长度能显著提高桩的承载力。复合地基承载力取决于单桩承载力，一般情况下，旋喷桩与桩间土之间所承受的荷载分担比约在 24 之间。2.2.3 复合地基桩身应力分布与应力场一般来说，水泥土桩沿轴线和桩侧的摩阻力分布规律与钢筋混凝
15、土桩是相近似的。但是在旋喷桩复合地基中，由于承台可能承受较大的荷载和发生较大的变形，因此明显地改变了地基中的位移分布。在复合地基中接近承台相当于承台宽度的深度范围内，其位移场与单桩有明显不同，出现了承台与桩同时沉降时组合的位移场。这种位移的变化，这种位移的变化，必然引起桩侧摩阻力和桩轴向应力的变化，由于地基的压缩，桩与土的相对位移在一定范围内有减少的趋势，即侧向摩阻力会有所降低。实测的摩阻力也证实了这种现象的存在。值得提出的是，实测的轴向应力在承台下一定范围内土体被明显压实，从而分担部分桩荷载。软弱地基旋喷处理工程中，在自重作用下桩侧的摩阻力对四周土层的压实挤密作用造成了复合地基整体承载力的提
16、高和沉降量的减少。除此之外，相邻的桩对于桩间土还起着一种有限边界约束作用，使桩间土在受荷载情况下其承载力明显提高。2.2.4 水泥土受压三轴力学性能通过近几年来高速公路软弱地基处理工程实践，许多科技工作者就水泥土在三轴受压下的力学性质进行了研究，其通过多组水泥土的不固结、不排水常规三轴试第 - 7 - 页 共 15 页验，探讨了水泥土在不同围岩、不同掺合比下的应力应变关系和破坏特征与考虑围岩影响的桩基或复合地基设计的方法和思路。得出以下结论：水泥土在轴向荷载作用下，在试件种下部首先产生侧张的拉应力，形成裂纹，最终导致试件破坏。如果能限制或制约其横向变型，就能延缓水泥土在承压过程中，内部纹及裂纹的产生、扩展及破坏，从而达到提高水泥土轴向承压能力的目的。通过弹性力学分析和数值计算，可以得出结论，如果增大围压，从而限制或约束水
