深層淤泥土中高壓旋噴樁漿液材料與施工工藝研究

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

隨著施工技術(shù)的發(fā)展，注（灌）漿硬化和樁基加強承載力作為基底處理的方法，已經(jīng)發(fā)展出多種施工工法。高壓旋噴樁以其工藝簡單，施工簡便，施工原材來源廣泛，成本低廉的特點，成為眾多處理方案中應(yīng)用較廣泛、經(jīng)濟性較高的一種施工工法。在高壓旋噴樁使用實踐中發(fā)現(xiàn)，不同的基地在處理時需要不同的設(shè)計要求和工藝參數(shù)，不能“拿來主義”，需要因地制宜，適當優(yōu)化。典型的如深層淤泥施工環(huán)境下，不恰當?shù)脑O(shè)計要求和工藝參數(shù)，會造成原材的大量浪費，且樁體質(zhì)量得不到保證。本文就深層淤泥高壓旋噴樁施工漿液材料選擇和施工工藝進行研究。

1 深層淤泥土一般性處理方法中常見問題探究

深層淤泥土處理屬于隱蔽工程施工，且施工過程不可見，只能通過確保工藝參數(shù)和事后檢查的手段，來對處理質(zhì)量進行評估，監(jiān)管措施缺乏，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，補救措施難以實施，進而造成嚴重的質(zhì)量問題。

一般的深層淤泥土處理采用水泥攪拌樁的方式進行。深層淤泥地基屬于軟弱類基底，主要特征表現(xiàn)為地質(zhì)不均勻，存在各種地質(zhì)土層，給深層淤泥土施工造成了極大的困難，并容易產(chǎn)生各類施工問題[1]。水泥攪拌樁工法施工存在的問題主要為：

第一，水泥攪拌機下沉困難。由于深層淤泥土本身的性質(zhì)，不均勻分布較堅硬的土層，水泥攪拌機在下沉過程中阻力增大；深層淤泥土中夾雜的石塊和樹根等堅硬和韌性較強的物質(zhì)，也會攪拌機的下沉提供阻力。下稱阻力的增大，容易造成攪拌機電機超負荷運行，電流值升高，一旦超過攪拌機電機的最大使用量程，將會造成攪拌機電機跳閘和停機。

第二，水泥攪拌機就位困難。由于深層淤泥土內(nèi)含有多種物質(zhì)，如果圖紙黏性過大，水泥攪拌機將無法下沉至指定位置，需要增加攪拌機自重，施工過程較為繁瑣。

第三，水泥攪拌機設(shè)計能力不能滿足施工條件的高要求。對深層淤泥土進行準確的地質(zhì)預報較為困難，水泥攪拌機設(shè)計工作能力、工作目的和技術(shù)參數(shù)不可能和施工場地的要求完全一致，導致水泥攪拌樁施工“先天不足”。

設(shè)備本身的問題和淤泥土自身的性質(zhì)是客觀存在的，因此，雖然水泥攪拌樁施工是最重要的深層淤泥處理方法，但限制條件也很大，不能簡單沿用以往經(jīng)驗。

2 高壓旋噴樁在深層淤泥土處理中的優(yōu)勢

高壓旋噴樁作為地基處理的一種有效的手段，和傳統(tǒng)的水泥攪拌樁相比，具有明顯的差異。一般而言，高壓旋噴樁的施工，首先鉆孔至指定深度，再將裝有特質(zhì)合金噴嘴的注漿管下放到預定位置，利用高壓射流漿液使土體剝離，漿液和剝離土混合而形成柱狀（旋噴）圓斷面樁。類似的還有擺噴、頂噴，也都是高壓灌漿的噴射形式，和高壓旋噴的施工工藝相同。水泥攪拌樁則是使用深層攪拌機，以機械旋轉(zhuǎn)的方法攪動地層，同時灌入水泥漿液或噴入水泥干粉，同土體充分混合形成樁體。

水泥攪拌樁的施工，對施工場地具有一定要求，一般用于軟土地基的改良。其成樁機械較大，制成的樁體水泥含量低，強度低，只能作為復合地基使用。相較而言，高壓旋噴樁使用的鉆機體積小、重量輕，制成的樁體水泥含量高，強度高，接近于混凝土樁。高壓旋噴樁可在場地條件有限，承載力要求較高的環(huán)境下選用。

施工實踐可知，采用高壓旋噴樁處理地基，雖然成本提高一些，但在地層適應(yīng)性和防滲加固性能方面方面，特別是在防滲施工中，高壓噴射樁具有絕對優(yōu)勢，防滲效果明顯。

3 深層淤泥高壓旋噴樁漿液材料試驗

3.1 試驗設(shè)計

高壓旋噴樁漿液的試驗，在實驗室進行。將高壓旋噴樁實施區(qū)域的土壤和水泥漿液按照高壓旋噴的模式拌合，對混合漿液制成的試塊進行破壞性試驗，以混合漿液強度作為判斷和選擇最適合漿液原材的依據(jù)。

為保證試驗具有代表性，選擇質(zhì)地良好的深層淤泥土地段作為實驗場地，深層淤泥土具有一定深度，且存在多種地質(zhì)類別。

試驗段高壓旋噴樁的樁徑設(shè)計為600mm，旋噴樁深度以樁端進入持力層內(nèi)500mm 為準。旋噴樁布樁方式和施工流程如圖1所示。試驗土壤需從設(shè)計孔位取出。

圖1 旋噴樁布樁方式和施工流程示意圖

3.2 試驗方案和結(jié)果

試驗按照以下程序進行：1）確定高壓旋噴樁試驗位置；2）從設(shè)計孔位采集試驗樣品土壤；3）將樣品土和一定配比的水泥漿液按照比例以高壓旋噴的模式進行攪拌；4）混合漿液制備成試驗試塊；5）實驗試塊抗壓試驗，記錄數(shù)據(jù)并分析實驗結(jié)果。

為保證試驗土符合策劃的要求，對樣品土取樣孔位的地質(zhì)成分進行分析，在層厚為0.4-18m 的地基中，主要分為淤泥以及淤泥質(zhì)黏土，包含了黏粉粒、有機質(zhì)以及植物的腐殖質(zhì)等組分，含水量相對偏少，有機質(zhì)含量偏高，符合實驗要求。

試驗樣品土從土層的上中下三個位置取樣，將樣品土分別與普通水泥和礦渣水泥以高壓旋噴模式進行拌合，并按照試驗要求，將混合漿液制成多組試驗樣品，樣品加入水泥膠砂制成尺寸為70.7mmx70.7mmx70.7mm 的塊體。水泥漿液的配比如下：水泥用量：230kg/m，聚碳酸減水：2.0%，水灰比：1.0。參與試驗試塊的水泥用量按照漿液配比推算。

試驗試塊的試驗結(jié)果如表1所示。

表1 水泥土室內(nèi)配方抗壓強度與單樁豎向承載力特征值

3.3 實驗結(jié)果分析

從表1的實驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，不論是普通水泥還是礦渣水泥，單樁豎向承載力的設(shè)計值比估算值都要小得多[2]。不同深度的水泥土，抗壓強度略有變化，但變化不大;不同品種的水泥土，最終抗壓強度的差異也不是很大，似乎可以證明水泥品種的不同對成樁的抗壓強度影響不大。施工中，如果對抗壓強度的要求不是很嚴格，可以根據(jù)經(jīng)濟性原則選擇水泥。

在對不同品種水泥樁體的其它性能進行分析時發(fā)現(xiàn)，普通水泥和礦渣水泥差異明顯。同樣是水泥土抗壓強度，在漿液混合的早期，礦渣水泥漿液的強度要低于普通水泥的漿液強度，但是礦渣水泥由于其組分內(nèi)含有礦渣物質(zhì)，吸收的水量較多，干縮量較大，其強度也隨之增快，在后期的礦渣水泥漿液強度要大于普通水泥漿液強度。

研究發(fā)現(xiàn)，水泥土的硬化機理和過程如下：水泥土在混合過程中，和水發(fā)生化學反應(yīng)和物理作用，硬化的形成表明水泥與土之間形成了內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。以高壓旋噴樁模式拌合，水泥-土體系中的土被高壓壓碎切割，將原本不均勻的水泥-土體系分分散的更加均勻，土在水泥體系中混合的更好?？梢酝ㄟ^改變旋噴壓力來控制水泥-土體系的強度，旋噴壓力的不同，土的顆粒大小和形狀也不同，造成土在水泥土體系中的分散程度和顆粒間的間隙不一樣，進而影響水泥漿的填充效果，直觀表現(xiàn)就是獲得的水泥-土體系的強度不一樣。

礦渣水泥漿液的適用性優(yōu)于普通水泥，從硬化機理和微觀角度分析，可以得出以下結(jié)論。在礦渣水泥體系中，由于礦渣水泥還存在某些其他物質(zhì)，在水泥與土進行充分攪拌的過程中，淤泥土中黏土組分包含的一些礦物成分與水泥中的Ca（OH）2發(fā)生化學反應(yīng)，物質(zhì)接觸面之間形成一種強而有力的界面，改善了兩者的界面張力，使得兩者之間咬合力更強，形成一種加強顆粒。在高壓旋噴的高壓作用之下，水泥土中的礦渣顆粒變得更加均勻與細小，在水泥水合物的包裹下，形成一種水化物晶體。這些晶體會隨著水泥土體系硬化的進程慢慢生長，并會與黏土中存在的加強顆粒進行連接，組成一種密而集的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使水泥土的強度變大。這種變化就是礦渣水泥漿液與普通水泥漿液強度差異的主要原因。

4 高壓旋噴樁施工工藝的確定

4.1 高壓旋噴樁施工工藝

高壓旋噴樁施工主要分為單管法、二重管法和三重管法。三種工法的作用機理不同，所需的注漿材料不同，施工注漿量不同，需根據(jù)實際需要進行工法選擇。

本試驗著重對單管法高壓旋噴樁施工工藝進行研究。實踐證明，按照下述的施工工藝進行高壓旋噴樁施工，較為科學合理，質(zhì)量可控：安裝鉆機-引孔-插導管-輸送注漿液-調(diào)整儀器參數(shù)-噴射作業(yè)-取插管-清洗噴射管-復位機具-封堵孔口。

4.2 高壓旋噴樁施工機具

經(jīng)過對實驗區(qū)域的考察分析，采用單管法工藝時，試驗選擇普通型的76鉆機引孔。76 型鉆機的優(yōu)勢還在于能夠?qū)@孔和下管到兩者整合在一起同時作業(yè)，減少工序，節(jié)約時間，提高效率。

采用其它工法進行施工時，已經(jīng)有一套成熟的施工工藝和配套的高效率施工設(shè)備，施工者需因地制宜，本文不再敘述。

4.3 高壓旋噴樁噴射漿液壓力選擇

使用高壓旋噴樁施工，為了獲得最佳的質(zhì)量，關(guān)鍵問題就是控制好噴射流的壓力，使其與需要的工藝參數(shù)比配[3]。理論研究表明，高壓旋噴樁的射流速度與破壞能力有很大關(guān)系，通常情況下顯正比關(guān)系。根據(jù)施工經(jīng)驗，如無特殊的施工要求條件，旋噴樁射流施工壓力應(yīng)大于20MPa。本次試驗，對旋噴樁的射流壓力和成樁質(zhì)量進行統(tǒng)計和分析，發(fā)現(xiàn)射流壓力在20-24MPa時，成樁效果較為理想。

4.4 高壓旋噴樁噴嘴直徑的選擇

高壓旋噴樁的噴嘴大小與射流速度有很大的關(guān)系。研究表明，在相同的噴射壓力下，噴嘴的直徑越小，射流的切割能力越強，水泥-土體系的混合效果越好。研究還發(fā)現(xiàn)，噴嘴直徑與噴射壓力不適配時，會造成以下不良后果：一方面造成切割能力不足，無法保證漿液與土體顆粒達到良好的混合效果；另一方面可能會對高壓旋噴樁機器造成極大的損傷。在本試驗中，為了確定最適合的旋噴樁噴嘴，對直徑為2.0mm、2.2mm、2.4mm、2.6mm 的噴嘴進行施壓測試，分析噴射后的水泥-土體系的效果，最終選用2.2mm 的噴嘴用于本次試驗。

4.5 高壓旋噴樁施工復噴工藝

對于成樁質(zhì)量不能達到預期效果的樁體，采用復噴的手段進行補充和加強。試驗表明，復噴施工的施工工藝和技術(shù)參數(shù)應(yīng)與初噴相同，才能保證原有的結(jié)構(gòu)不被破壞。復噴時需要保證高壓噴頭的位置和停留時間，才能讓高壓射流充分切割質(zhì)量缺陷部位的土體，形成水泥土體系再混合。

5 總結(jié)

高壓旋噴樁是目前深層淤泥地基處理的一種重要的作業(yè)方式。高壓旋噴樁使用的鉆機體積小重量輕，制成的樁體水泥含量高，強度高，接近于混凝土樁，可在場地條件有限，要求承載力較高的條件下選用。