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深層攪拌法加固技術(shù)的分析論文
一、高壓噴射灌漿技術(shù)
高壓噴射法就是利用工程鉆機鉆孔至設(shè)計處理的深度后，用高壓泥漿泵，通過安裝在鉆桿（噴桿）桿端置于孔底的特殊噴嘴，向周圍土體高壓噴射固化漿液(一般使用水泥漿液)，同時鉆桿（噴桿）以一定的速度邊旋轉(zhuǎn)邊提升，高壓射流使一定范圍內(nèi)的土體結(jié)構(gòu)破壞，并強制與固化漿液混合，凝固后便在土體中形成具有一定性能和形狀的固結(jié)體。
固結(jié)體的形狀和噴射流的移動方向有關(guān)。一般分為旋轉(zhuǎn)噴射(簡稱旋噴)，定向噴射(簡稱定噴)和擺動噴射(簡稱擺噴)。旋噴樁主要用于加固地基，提高地基的抗剪強度，改善地基土的變形性能，使其在上部結(jié)構(gòu)荷載作用下，不至破壞或產(chǎn)生過大的變形。定噴固結(jié)體呈壁狀，擺噴形成厚度較大的扇狀固結(jié)體。定噴和擺噴通常用于地基防滲，改善地基土的水力條件及邊坡穩(wěn)定等工程。
（一）加固機理
高噴法如三管高噴法用壓縮空氣包裹高壓噴射水流沖擊破壞攪動土體，同時用低壓灌漿泵灌入漿液，漿液被高壓水、氣射流卷吸帶入，同時與被攪動土體混合形成固結(jié)體。加固地基，形成樁、板、墻的機理可用五種作用來說明：
1.高壓噴射流切割破壞土體作用噴流動壓以脈沖形式?jīng)_擊土體，使土體結(jié)構(gòu)破壞出現(xiàn)空洞。
2.混合攪拌作用鉆桿在旋轉(zhuǎn)和提升的過程中，在射流后面形成空隙，在噴射壓力作用下，迫使土粒向與噴嘴移動相反的方向(即阻力小的方向)移動，與漿液攪拌混合后形成固結(jié)體。
3.置換作用三重管高噴法又稱置換法，高速水射流切割土體的同時，由于通入壓縮空氣而把一部分切割下的土粒排出灌漿孔，土粒排出后所空下的體積由灌入的漿液補入。
4.充填、滲透固結(jié)作用高壓漿液充填沖開的和原有的土體空隙，析水固結(jié)，還可滲入一定厚度的砂層而形成固結(jié)體。
5.壓密作用高壓噴射流在切割破碎土體的過程中，在破碎帶邊緣還有剩余壓力，這種壓力對土層可產(chǎn)生一定的壓密作用，使高噴樁體邊緣部分的抗壓強度高于中心部分。
（二）基本種類
按噴射介質(zhì)及其管路多少可分為單管法、二管法、三管法等。
1.單管旋噴法通過單根管路，利用高壓漿液（20～30MPa），噴射沖切破壞土體，成樁直徑為40～50cm。其加固質(zhì)量好，施工速度快和成本低，但固結(jié)體直徑較小。
2.二管旋噴法在單管法的基礎(chǔ)上又加以壓縮空氣，并使用雙通道的二重灌漿管。在管的底部側(cè)面有一個同軸雙重噴嘴，高壓漿液以20MPa左右的壓力從內(nèi)噴嘴中高速噴出，在射流的外圍加以0.7MPa左右的壓縮空氣噴出。在土體中形成直徑明顯增加的柱狀固結(jié)體，達80～150cm。
3.三管旋噴法使用分別輸送水、氣、漿三種介質(zhì)的三重灌漿管。高壓水射流和外圍環(huán)繞的氣流同軸噴射沖切破壞土體，在高壓水射流的噴嘴周圍加上圓筒狀的空氣射流，進行水、氣同軸噴射，可以減少水射流與周圍介質(zhì)的摩擦，避免水射流過早霧化，增強水射流的切割能力。噴嘴邊旋轉(zhuǎn)噴射，邊提升，在地基中形成較大的負壓區(qū)，攜帶同時壓入的漿液充填空隙，就會在地基中形成直徑較大、強度較高的固結(jié)體，起到加固地基的作用。
（三）漿液材料
水泥是噴射灌漿的基本材料，水泥類漿液可分為以下幾種類型。
1.普通型漿液一般采用普通硅酸鹽水泥，不加任何外加劑，水灰比一般為0.8：1～1.5:1，固結(jié)體的.抗壓強度(28d)最大可達1.0～20MPa，適應(yīng)于無特殊要求的工程。
2.速凝－早強型適于地下水位較高或要求早期承擔荷載的工程，需在水泥漿中加入氯化鈣、三乙醇胺等速凝早強劑。摻入2%氯化鈣的水泥－土的固結(jié)體的抗壓強度為1.6MPa，摻入4%氯化鈣后為2.4MPa。
3.高強型噴射固結(jié)體的平均抗壓強度在20MPa以上。可以選擇高標號的水泥，或選擇高效能的擴散劑和無機鹽組成的復(fù)合配方等。
在水泥漿中摻入2～4%的水玻璃，其抗?jié)B性有明顯提高。如工程以抗?jié)B為目的，最好使用“柔性材料”�？稍谒酀{液中摻入10～50%的膨潤土(占水泥重量的面分比)。此時不宜使用礦渣水泥，如僅有抗?jié)B要求而無抗凍要者，可使用火山灰水泥。
（四）高壓噴射灌漿工藝
噴射范圍應(yīng)在現(xiàn)場通過試驗確定。高噴固結(jié)體的范圍大小與土的種類和其密實程度有較密切的關(guān)系，不同的噴射種類和噴射方式所形成的固結(jié)體大小也不相同。定噴的噴射能量集中，噴射范圍較大，參見表5－6。
表5－6高壓噴射灌漿固結(jié)體的特性
固結(jié)體特性
噴灌方法
單管法
二管法
三管法
固結(jié)體有效直徑(m)
粘性土
0<N<10
1.2±0.2
1.4±0.3
2.0±0.3
10<N<20
0.8±0.2
1.1±0.3
1.5±0.3
20<N<30
0.6±0.2
0.8±0.3
1.0±0.3
砂土
0<N<10
1.0±0.2
1.6±0.3
2.5±0.3
10<N<20
0.8±0.2
1.3±0.3
1.8±0.3
20<N<30
0.6±0.2
1.0±0.3
1.2±0.3
礫砂
20<N<30
0.6±0.2
1.0±0.3
1.2±0.3
單向定噴有效長度(m)
1.0～2.5
單樁垂直極限荷載(kN)
500～600
1000～1200
2000
單樁水平極限荷載(kN)
30～40
最大抗壓強度(MPa)
砂土10～20，粘性土2～6,礫砂8～20
平均抗折強度/平均抗壓強度
1/5～1/10
干土容重(kN/m3)
砂土16～20,粘性土14～15,黃土13～5
滲透系數(shù)(cm/s)
砂土、砂礫10-5～10-7,粘性土10-6～10-7
粘聚力(MPa)
砂土0.4～0.5,粘性土0.7～1.0
內(nèi)摩擦角φ(o)
砂土30～40,粘性土20～30
標準貫入錘擊數(shù)N
砂土30～50,粘性土20～30
彈性波(km/s)
P波
砂土2～3,粘性土1.5～2.0
S波
砂土1.0～1.5,粘性土0.8～1.0
旋噴粘性土固結(jié)強度為0.3～6.0MPa，無粘性土固結(jié)強度為4～15MPa。
對于防滲工程多采用定噴、擺噴，地層含的粒徑較粗時多采用擺噴或旋噴。對處理深度大于20m的復(fù)雜地層最好按雙排或三排布孔，使高噴樁形成堵水帷幕�？拙鄳�(yīng)為1.73R(R為旋噴固結(jié)體半徑)，排距為1.5R時最經(jīng)濟。一般定噴、擺噴孔距為1.2～2.5m，旋噴為0.8～1.2m。高噴防滲效果一般可達10-5～10-6cm/s。
高噴樁樁距應(yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載、單樁承載力及土質(zhì)情況而定。一般取樁距為S＝(3～4)d(d為旋噴樁直徑)，樁的布置方式可選用矩形或梅花形布置。
高噴灌漿施工鉆孔的目的是將灌漿管插入預(yù)定的土層中，由下而上進行噴射作業(yè)。近來也有用振沖方式成孔直接進行噴射作業(yè)的方法。噴射時應(yīng)注意以下事項：
�。�1）灌漿深度大時，易造成上粗下細的固結(jié)體，影響固結(jié)體的承載能力或抗?jié)B作用，因而需采用增大壓力和流量或降低旋轉(zhuǎn)和提升速度等措施補救；
�。�2）當發(fā)現(xiàn)噴漿量不足而影響工程質(zhì)量時，可采用復(fù)噴技術(shù)；
�。�3）當冒漿量大于灌漿量的20%時，可采用提高噴射壓力、縮小噴嘴直徑、加快提升速度和旋轉(zhuǎn)速度等措施，對冒出的漿液，可回收利用；
�。�4）根據(jù)工程需要調(diào)節(jié)噴射壓力和灌漿量，改變噴嘴移動方向和速度，控制噴射固結(jié)體的形狀，即圓盤狀、圓柱狀、大底狀、糖糊蘆狀、大帽狀和墻壁狀。
�。�5）噴灌后的漿液有析水現(xiàn)象，可造成固結(jié)體頂部出現(xiàn)凹穴，對地基加固及防滲不利。為此，可采用靜壓灌漿或漿液中添加膨脹材料等措施預(yù)防。
高壓泵是高壓噴射灌漿中的關(guān)鍵設(shè)備，要求壓力和流量能在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。額定流量為85～150L/min；額定壓力為20～50MPa。
表5－7高壓噴射灌漿參數(shù)一覽表
高噴灌漿種類
單管法
二管法
三管法
適用土質(zhì)
砂土、粘性土、黃土、雜填土、小粒徑砂礫
漿液材料及配方
以水泥為主材，加入不同的外加劑后具有速凝、早強、抗腐蝕、防凍等特性，常用水灰比為1:1，也可使用化學材料。
高噴灌漿參數(shù)
水
壓力(MPa)
──
──
20
流量(L/min)
──
──
80～120
噴嘴孔徑(mm)及個數(shù)
──
──
2～3(1～2)
空氣
壓力(MPa)
──
0.7
0.7
流量(m3/h)
1～2
1～2
噴嘴間隙(mm)及個數(shù)
1～2(1～2)
1～2(1～2)
漿液
壓力(MPa)
20
20
0.2～3
流量(L/min)
80～120
80～120
80～150
噴嘴孔徑(mm)及個數(shù)
2～3(2)
2～3(1～2)
10～2(1或2)
灌漿管外徑(mm)
φ42或φ45
φ42,φ50,φ75
φ75或φ90
提升速度(cm/min)
20～25
10～30
5～20
旋轉(zhuǎn)速度(r/min)
約20
10～30
5～20
�。ㄎ澹└邍姽探Y(jié)體的質(zhì)量檢測
1）開挖檢驗：待漿液凝結(jié)具有一定的強度后，即可開挖檢查固結(jié)體垂直度、形狀和質(zhì)量；
2）鉆孔檢查：從固結(jié)體中鉆取巖芯，進行室內(nèi)物理力學性能試驗。在鉆孔中做壓水或抽水試驗，測定其抗?jié)B能力；
3）標準貫入試驗：在旋噴固結(jié)體的中部可進行標準貫入試驗。
4）載荷試驗：靜載荷試驗分垂直和水平靜載荷試驗兩種。試驗時，需在受力部位澆筑0.2～0.3m厚的混凝土層；
5）圍井試驗：在板墻一側(cè)增加噴孔，與板墻形成封閉圍井，在井中進行壓水和抽水兩種試驗，或觀測井內(nèi)外水位，多用于防滲效果檢查。
高壓噴射灌漿加固地基技術(shù)主要適用于第四紀沖積層、殘積層及人工填土等。對于砂類土、粘性土、黃土和淤泥等都能加固。但對礫石直徑過大、含量過多及有大量纖維質(zhì)的腐植土噴射質(zhì)量稍差，有時甚至不如靜壓灌漿的效果。
對地下水流速過大，噴射的漿液無法在灌漿管周圍凝結(jié)，無填充物的巖溶地段，永凍土和對水泥有嚴重腐蝕的地基，均不宜采用高壓噴射灌漿法。
�。└邏簢娚涔酀{的特點
高噴法具有成本較低，施工速度較快，固結(jié)體強度大，可靠性高等優(yōu)點，與普通灌漿法相比又具有以下特點：
高噴法是利用高速水流強制性地破壞土體形成固結(jié)體，在覆蓋層中一般不存在可灌性問題；同時由于高速射流被限制在土體破碎范圍內(nèi)，因此漿液不易流失，能保證預(yù)期的加固范圍和控制固結(jié)體的形狀；能在鉆孔中任何一段內(nèi)施工，也可以在孔底或中部噴射，此外，也可以水平方向噴射和傾斜方向噴射施工；高噴法通常采用水泥漿液，不會造成環(huán)境和地下水的污染，且耐久性較好；施工噪音較小，單管和二管法施工較簡便。
二、深層攪拌法技術(shù)（水泥土加固法）
深層攪拌法是利用水泥作為固化劑，通過特別的深層攪拌機械，在地基深處就地將軟土和水泥（漿液或粉體）強制攪拌后，水泥和軟土將產(chǎn)生一系列物理—化學反應(yīng)，使軟土硬結(jié)改性。改性后的軟土強度大大高於天然強度，其壓縮性，滲水性比天然軟土大大降低。
�。ㄒ唬┘庸虣C理
軟土與水泥采用機械攪拌加固的基本原理，是基于水泥加固土的物理化學反應(yīng)過程。減少了軟土中的含水率，增加了顆粒之間的粘結(jié)力，增加了水泥土的強度和足夠的水穩(wěn)定性。在水泥加固土中，由於水泥的摻量較小，一般占被加固土重的10～15％。水泥的水化反應(yīng)完全是在具有一定活性的介質(zhì)——土的圍繞下進行，所以硬化速度較慢且作用復(fù)雜。
�。ǘ┧嗤恋闹饕匦�
1.物理性質(zhì)水泥土的容重與天然土的容重相近，但水泥土的比重比天然土的比重稍大。
2.無側(cè)限抗壓強度水泥土的無側(cè)限抗壓強度一般為300～400kPa，比天然軟土大幾十倍至百倍，但影響水泥土無側(cè)限抗壓強度的因素很多，如水泥摻入量、齡期、水泥標號、土樣含水率和有機質(zhì)含量以及外摻劑等等。
為了降低工程造價，可以采用摻加粉煤灰的措施。摻加粉煤灰的水泥土，其強度一般比不摻粉煤灰的高。不同水泥摻入比的水泥土，當摻入與水泥等量的粉煤灰后，強度均比不摻粉煤灰的提高10％，因此采用深層攪拌法加固軟土時摻入粉煤灰，不僅可消耗工業(yè)廢料，還可提高水泥土的強度。
�。ㄈ┦┕ぜ夹g(shù)
1.加固型式
根據(jù)目前的深層攪拌法施工工藝，攪拌樁可布置成柱狀、壁狀和塊狀三種型式，在堤防上用于地基加固，主要采用樁式，而用于防滲加固，應(yīng)采用壁狀式，壁狀式是將相鄰攪拌樁部分重疊搭接即成為壁狀加固型式，組成水泥土擋墻，這種擋墻具有較高的抗?jié)B性能，可以形成良好的隔水帷幕。
2.施工工藝
�。�1）濕法施工
主要的施工機械為深層攪拌機。深層攪拌法的施工主要可分為定位、預(yù)攪下沉、制備水泥漿、提升噴漿攪拌、重復(fù)上下攪拌、清洗等幾個步驟。
�。�2）干法施工
干法是采用水泥粉料，由空氣輸送，通過攪拌葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空隙部位噴出，并隨著攪拌葉片的旋轉(zhuǎn)均勻分布在整個空隙軌道面內(nèi)，進而和原位地基土攪拌并混合在一起。施工機械主要是鉆機、粉體發(fā)送器、空氣壓縮機、攪拌鉆頭等。
施工工序主要為1）柱體對位2）下鉆3）鉆進結(jié)束4）提升噴粉5）提升結(jié)束樁形成體等幾個步驟。
�。ㄋ模┻m用范圍
深層攪拌法最適宜加固各種成因的飽和軟粘土，常用于淤泥、淤泥質(zhì)土、粘土、亞粘土等地質(zhì)的加固，成樁深度可達30m，采用多頭小直徑樁成墻深度可達18m。
在堤防除險加固工程中，深層攪拌樁適用于處理軟基堤防上滑坡段的'。同時，還可以組成截滲墻，取得較好的防滲效果。
（五）深層攪拌法主要優(yōu)點
1.加固效果好，加固方式靈活，適用面廣
深層攪拌法可采用不同的加固型式、不同的樁長和置換率以滿足不同土質(zhì)條件和不同荷載要求的加固目的。對河道這種區(qū)域狹長、地質(zhì)條件復(fù)雜，對沉降要求較高的工程比較適宜。采用攪拌樁擋土墻作為河岸邊坡支護不僅能夠保證邊坡穩(wěn)定，還具有防滲功能。
2.施工速度快
一般來說，每臺深層攪拌機建造攪拌樁截滲墻的工效達13.2m2/臺·時。
3.可充分利用原軟土，無棄土問題
深層攪拌法是一種原位加固技術(shù)，可充分利用原狀土，無棄土問題。
4.造價較低
每延長（截面積0.71m3）的深層攪拌樁的造價約為100元左右，按成墻厚度0.22m計,每平方米成墻造價為70余元，比采用垂直鋪塑截滲、混凝土墻截滲、高噴水泥土墻截滲的造價低。
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