旋噴樁的發(fā)展應(yīng)用與研究現(xiàn)狀探討

劉慧萍 余東輝 楊 劍 王 超

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

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旋噴樁的發(fā)展應(yīng)用與研究現(xiàn)狀探討

劉慧萍 余東輝 楊 劍 王 超

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

介紹了高壓噴射注漿法的概念、分類和應(yīng)用范圍，對(duì)旋噴樁在國內(nèi)外的發(fā)展和研究現(xiàn)狀展開了闡述，以期建立出旋噴樁地基處理和加固技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)的整體框架，為其在今后的發(fā)展應(yīng)用提供依據(jù)。

旋噴樁，高壓噴射注漿，地基處理

0 引言

當(dāng)?shù)鼗休d力不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，或者既有建筑地基發(fā)生過大變形，引起上部結(jié)構(gòu)過多沉降時(shí)，就有必要對(duì)地基進(jìn)行加固處理。托換加固方法有很多，但由于施工場(chǎng)地狹小，既不能影響既有建筑使用，也不能對(duì)周圍環(huán)境造成影響，能夠滿足上述要求的托換加固方法并不多，這時(shí)高壓噴射注漿法的優(yōu)越性就顯示出來。

高壓噴射注漿是現(xiàn)代科技發(fā)展的產(chǎn)物，得益于高壓泵、鉆機(jī)和特殊結(jié)構(gòu)的噴嘴的發(fā)明創(chuàng)造[1]。最早這些設(shè)備應(yīng)用在水力采煤中，后來最先由日本引入到巖土工程中，取得了很好的工程經(jīng)濟(jì)效益，從而得到了廣泛推廣。旋噴樁即是高壓噴射注漿法應(yīng)用于巖土工程的產(chǎn)物。

1 高壓噴射注漿法

1.1 高壓噴射注漿法的含義

高壓噴射注漿需要預(yù)先在地基土中鉆孔，孔洞尺寸不需要太大，足夠容得下注漿管即可，對(duì)土體結(jié)構(gòu)不會(huì)有明顯破壞。施工時(shí)，注漿管沿著打好的孔洞深入土層，注漿管的尾部是具有特殊結(jié)構(gòu)的噴嘴。噴嘴的作用一方面是噴出壓力很高的水泥漿液，這樣土體結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊而松動(dòng)、土顆粒被水刀沖切而掉落；另一方面隨著噴嘴的不斷旋轉(zhuǎn)噴射，形成以噴嘴為中心的高壓場(chǎng)，以近似圓的形狀向外擴(kuò)張。原先的孔洞直徑很小，只起到導(dǎo)入注漿管的作用，而此時(shí)高壓旋噴注漿的過程中，高壓漿液的影響范圍是一個(gè)比孔洞直徑大得多的圓形區(qū)域。在該區(qū)域中松動(dòng)、破碎的土塊隨著漿液一起旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)，水泥漿液與土體顆粒摻和在一起，因此旋噴樁實(shí)質(zhì)上是由水泥和土相互結(jié)合生成的，其強(qiáng)度來源是水泥—土網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。隨著注漿過程的持續(xù)進(jìn)行，大量漿液注入土中，一部分松散的土粒會(huì)隨著漿液從孔洞與注漿管之間的空隙向上帶出，形成冒漿現(xiàn)象，對(duì)施工環(huán)境的整潔構(gòu)成一定影響。

1.2 高壓噴射注漿法的分類

按照施工機(jī)具和射流介質(zhì)的不同，高壓噴射注漿法分為單管法、二重管法和三重管法[2]。受施工機(jī)具性能的限制，一般采用的高壓泵輸出壓力為20 MPa。輸出的介質(zhì)有單一介質(zhì)，也有多重介質(zhì)共同作用，單管法就是輸出單一的水泥漿，二重管在此基礎(chǔ)上增加了高壓空氣，形成液氣共同作用，三重管則是水、氣、漿同軸噴射，依靠高壓水沖擊土體、填充漿液形成強(qiáng)度。高壓噴射的角度和最終生成的固結(jié)體都是可以定制的，由工程需要而定，由此產(chǎn)生了各種噴射類型。旋噴法最常見，360°全覆蓋噴射，形成的固結(jié)體近似圓樁，旋噴樁也由此得名。另外，在一些地下防滲工程中，高壓噴嘴只擺動(dòng)一定角度形成扇形形狀，或者不擺動(dòng)生成壁形，只要扇形或壁形相互疊合，即可構(gòu)成閉合的區(qū)段用來防止地下水的滲透。

1.3 高壓噴射注漿法的應(yīng)用

高壓噴射注漿法的應(yīng)用范圍廣泛，既可用于地下，如圍護(hù)地下管道，也可用于地上，如防止山體滑坡。僅加固地基一項(xiàng)就可以應(yīng)用于多種領(lǐng)域，可以加固房屋地基、橋基，也可以加固路基，房建、市政等都能體現(xiàn)出其應(yīng)用價(jià)值。除了加固的用途，得益于固結(jié)體透水性差，高壓噴射注漿還可用于防滲工程，包括地下建筑的防水和大量的水利工程的應(yīng)用。除常見的豎向旋噴之外，近些年水平旋噴的應(yīng)用實(shí)例也逐漸增多，其中典型代表就是開挖隧道時(shí)水平旋噴加固。

高壓噴射注漿法對(duì)于軟土地基的加固具有良好的適用性，克服了傳統(tǒng)注漿法對(duì)淤泥質(zhì)土、軟粘土和粉土加固效果較差的缺點(diǎn)。其優(yōu)勢(shì)在于加固細(xì)粒土，但不足之處是對(duì)于粒徑較大的礫石土效果不理想，這是因?yàn)榇祟愅翂K大質(zhì)硬，高壓射流無法對(duì)其構(gòu)成有效沖切。由于高壓噴射注漿所采用的水泥的凝結(jié)硬化是后期強(qiáng)度的主要來源，而有機(jī)土其成分影響到水泥的水化反應(yīng)，故高壓噴射注漿亦不適用。

2 旋噴樁的發(fā)展和現(xiàn)狀

2.1 旋噴樁在國外的發(fā)展

旋噴樁問世的時(shí)間是1960年。當(dāng)時(shí)日本N·I·T公司在進(jìn)行地下鐵道開挖施工中，先后運(yùn)用凍結(jié)法和靜壓注漿法進(jìn)行地層加固和止水，效果均不理想。該公司的中西涉博士為解決這個(gè)工程難題，將靜壓注漿技術(shù)與水力采煤技術(shù)進(jìn)行了創(chuàng)造性的結(jié)合，發(fā)明了之后被稱為單管法的工法(CCP工法)，其原理是通過高壓泥漿泵將水泥漿泵入注漿管，再由注漿管下部已進(jìn)入設(shè)計(jì)土層深度的噴嘴高速噴出，土體受到高壓沖擊被打碎并與水泥漿混合，最后通過噴嘴的旋轉(zhuǎn)和提升，形成強(qiáng)度較高的水泥土增強(qiáng)體(樁徑0.4 m～0.8 m)，呈圓柱狀。多根樁并排連在一起，樁間部分重疊，形成封閉群樁，不僅有加固作用，還可產(chǎn)生截水效果，用作止水墻。

單管法成樁直徑小，不能完全滿足現(xiàn)代建筑地基處理的需要。20世紀(jì)70年代，日本對(duì)單管法進(jìn)行改進(jìn)，引入空氣壓縮機(jī)和高壓水泵等設(shè)備，利用空氣、水流和水泥漿等多種介質(zhì)，增大沖切土體的范圍和速率，相繼發(fā)明了二重管法(JSG工法，成樁直徑0.6 m～1.5 m)和三重管法(CJG工法，成樁直徑0.8 m～2.0 m，深度達(dá)30 m)。上述兩種工法，相比于傳統(tǒng)的單管法，增加了高壓氣流和高壓水流，從而使得切土、破土效果增強(qiáng)，加固效率提高，最后得到的水泥土樁樁徑明顯增大。

進(jìn)入20世紀(jì)80年代，在三重管技術(shù)的基礎(chǔ)上，又開發(fā)出一系列新技術(shù)。這些技術(shù)都符合提高施工效率、增大加固深度、控制樁形、提高固結(jié)體勻質(zhì)性和可靠度的地基加固新趨勢(shì)。比較有代表性的是RJP工法、SSS-MAN工法和MJS工法。

RJP工法(1988年)是由三重管法發(fā)展而來，固結(jié)體直徑更大(2.4 m～3.2 m)。兩者的區(qū)別是，RJP工法先利用上部噴嘴噴射的高壓水氣流體進(jìn)行初次切割土體，將較小半徑的土塊破碎，再利用下部噴嘴噴射高壓漿氣復(fù)合流體進(jìn)行二次切割，并且與三重管采用低壓漿液不同，RJP工法采用的是高壓水泥漿(40 MPa)，最終形成更大直徑的加固體。

SSS-MAN工法是典型的多重管法，與之前單純依靠高壓射流沖擊混合土體的模式不同，該法利用全置換的方法先抽再填，即先抽出高壓水沖擊土體后形成的泥水，再用水泥漿等介質(zhì)填充該土層空缺。本工法需要進(jìn)行水泥護(hù)壁以解決空洞的穩(wěn)定問題，對(duì)設(shè)備和施工要求較高。

MJS工法是近期發(fā)展出的多孔管法，其特點(diǎn)是全方位噴射、噴注速凝劑，從而可調(diào)整噴射壓力和漿液數(shù)量，并做到最短時(shí)間凝固，提高施工的效果。

2.2 旋噴樁在國外的研究現(xiàn)狀

自從20世紀(jì)60年代日本開發(fā)出旋噴樁的工法以后，又相繼開發(fā)出了單管法、二重管法、三重管法以及SSS-MAN工法，保持著該項(xiàng)技術(shù)的領(lǐng)先地位。先后向意大利、法國、德國、美國、俄羅斯等等國家進(jìn)行技術(shù)交流，促進(jìn)了該項(xiàng)技術(shù)在世界范圍內(nèi)的發(fā)展以及應(yīng)用。

近年來的技術(shù)發(fā)展主要圍繞著兩個(gè)問題：

1)旋噴法施工時(shí)部分泥漿沿鉆孔上翻到地面，影響到施工環(huán)境的整潔，如何減少污染；

2)樁徑增大有利于降低造價(jià)，如何在原有技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大固結(jié)體直徑，并且使截面保持規(guī)則圓形。

日本中西涉等人為解決上述問題進(jìn)行研究，相繼發(fā)明了MJS工法和RJP工法，前文已對(duì)這兩種工法進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，故不在此贅述。另一個(gè)技術(shù)趨勢(shì)是將深層攪拌法所使用的攪拌翼與高壓噴射注漿獨(dú)有的噴射流相結(jié)合，開發(fā)出新的機(jī)械設(shè)備，在保證截面是規(guī)則圓形的同時(shí)，還能夠得到較大的固結(jié)體直徑。這類方法統(tǒng)稱為攪拌噴射混合法，JACSMAN工法、DMSWM工法和WJDCG工法都是這類方法的典型代表。

2.3 旋噴樁在國內(nèi)的發(fā)展

我國于20世紀(jì)70年代首先由鐵道部進(jìn)行旋噴技術(shù)的試驗(yàn)研究[3]。第一階段主要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，1972年，我國鐵道部門率先開始進(jìn)行單管法的試驗(yàn)，對(duì)機(jī)具設(shè)備、旋噴工藝、漿液配方展開研究。

70年代中期我國進(jìn)入第二個(gè)施工應(yīng)用階段，1975年，鐵道部等單位正式將旋噴注漿法應(yīng)用于工程建設(shè)中，在加固橋隧基礎(chǔ)、治理既有建筑地基不均勻沉降和加固基坑軟弱土等等方面，解決了其他加固方法難以奏效的實(shí)際問題，同時(shí)也進(jìn)一步促進(jìn)了旋噴工藝和機(jī)具的研發(fā)。1977年，在寶鋼工程中，冶金部建筑研究總院嘗試采用三重管法，并且最終達(dá)到預(yù)期效果。在這一階段中，高壓噴射注漿技術(shù)的處理對(duì)象，已從橋梁隧道與路基工程推廣到工業(yè)與民用建筑，應(yīng)用范圍也從提高地基承載力推廣到防水、防滲、防流沙。

旋噴技術(shù)在我國進(jìn)入成熟并全面推廣，即第三個(gè)階段，標(biāo)志事件是1992年9月1日起施行的JGJ 79—91建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(在最新的JGJ 79—2012[4]中的7.4條收錄了旋噴樁復(fù)合地基)。旋噴樁加固技術(shù)作為成熟的22種地基處理方法之一，專門收錄在這部規(guī)范之中。規(guī)范對(duì)該方法的適用范圍、勘察、設(shè)計(jì)、施工以及質(zhì)量檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)都做了明確規(guī)定，其中，旋噴樁的承載力采用修正系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。規(guī)范的發(fā)布促進(jìn)了旋噴樁加固技術(shù)的科學(xué)設(shè)計(jì)和規(guī)范施工，對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的全面推廣起到了積極作用。1996年5月，RJP工法的發(fā)明者中西涉來到北京，指導(dǎo)進(jìn)行RJP工法現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，收到良好效果，固結(jié)體直徑達(dá)到3 m，明顯超過了三重管法生成的固結(jié)體直徑，標(biāo)志著旋噴技術(shù)水平達(dá)到了一個(gè)新的高度。

3 結(jié)語

1)現(xiàn)有技術(shù)條件下，在一定范圍內(nèi)水灰比減小，旋噴樁樁體強(qiáng)度提高，很容易造成堵管施工難以開展。因此加強(qiáng)施工機(jī)具，尤其是噴嘴的研發(fā)是提高其成樁質(zhì)量的根本途徑。

2)旋噴樁的水泥土結(jié)構(gòu)決定了其水平抗剪能力較差，因此，如果能夠在旋噴樁施工過程中埋置鋼筋籠，且保證樁體質(zhì)量不受到影響，旋噴樁的承載性能將會(huì)明顯提高。

[1] 徐至鈞,全科政.高壓噴射注漿法處理地基[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[2] 龔曉南.地基處理手冊(cè)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[3] 朱慶林,林培源,郎伯清.旋噴注漿加固地基技術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社,1984.

[4] JGJ 79—2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

Inquiry on the development application and research status of rotary jet grouting pile

Liu Huiping Yu Donghui Yang Jian Wang Chao

(CollegeofBuildingEngineering,Xi’anUniversityofIndustry,Xi’an710021,China)

The paper introduces the identification, categories and application scope of high pressure rotary jet grouting pile, describes its development and research status at home and abroad, with a view to establish integral framework of rotary jet grouting pile foundation treatment and reinforcement technology development, and to provide some basis for its application in future.

rotary jet grouting pile, high-pressure rotary jet grouting pile, foundation treatment

1009-6825(2016)10-0067-02

2016-01-23

劉慧萍(1968- )，女，教授； 余東輝(1991- )，男，在讀碩士

TU472.36

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