瞬結性雙液注漿工藝開發(fā)與試驗

胡煒 湯武

上海建工（浙江）水利水電建設有限公司 上海 200082

注漿法已成為地基加固中的一種廣泛使用的方法，對于大面積提高地基土承載力，減少地基的沉降和不均勻沉降，具有明顯的作用，在道路工程、地下公路有著廣泛應用。但傳統(tǒng)注漿法存在漿液凝結時間長、填充欠均勻等缺點，制約了其土體加固效果[1-2]。

瞬結性雙液注漿法則能較好地滿足這一要求，漿液主劑（A液）與促凝劑（B液）分兩路同時注入，經(jīng)過特殊設計的先端裝置將兩路漿液匯合在注漿管外部，注入地基土壤中，達到瞬結的目的，鉆機旋轉能較好地將液體均勻地注入土的間隙中。

1 注漿材料選擇

從原材料來源，材料對人體、環(huán)境的安全性方面考慮，采用水泥—水玻璃類漿材較為合適，它不僅具有水泥漿的全部優(yōu)點，而且兼有化學漿液的一些特點，例如膠凝時間可以從幾十秒到幾十分鐘內(nèi)任意調(diào)節(jié)，灌注后結石率可達100%，可灌性比純水泥漿有明顯提高[3]。它除在基巖裂隙的較大含水層中使用外，還能在中、粗砂層中滲透灌注[4]。

經(jīng)過瞬結性雙液注漿專題試驗，其成果如下：水泥漿液水灰比為(0.6～0.75):1，水玻璃濃度37～40°Be′，水玻璃體積比水泥漿體積=0.32:1，在常溫下，膠凝時間在30～60秒之間，且結石體有一定的強度。

水泥漿制作時發(fā)現(xiàn)水泥漿靜置時易離析沉淀，克服的辦法是加入占水泥重量10～20%的膨潤土或CMC(羧甲基纖維素)＜5%，可以降低水泥顆粒表面的吸附力，阻止沉淀。

針對水玻璃與水泥漿反應而生成NaOH的堿性問題，在水泥漿中加入一定量的硼砂，一方面可以中和堿性，另一方面也可以增加結石體的交聯(lián)程度，提高強度，因為硼砂中硼酸能交聯(lián)成網(wǎng)狀結構。

2 注漿設備研制

設備系統(tǒng)如圖1所示，由制漿設備、泵源、鉆機成孔設備、管路系統(tǒng)、特殊先端裝置組成。

圖1 瞬結性雙液注漿工藝設備系統(tǒng)圖

（1）制漿設備

制漿設備由攪拌機和貯漿筒組成，制取符合材料試驗要求的漿液。

（2）泵源

泵源由二臺SYB50/50型注漿泵、雙泵聯(lián)動機構、流量壓力監(jiān)測系統(tǒng)組成。

①雙泵聯(lián)動機構：為保證A液(主劑)、B液(助劑)同時注入管路系統(tǒng)，始終保持按規(guī)定配比混合，須設計雙泵同步聯(lián)動機構，由A泵反饋夾板帶動A泵換向閥閥芯桿切換的同時，經(jīng)過聯(lián)動機構，帶動B泵換向閥閥芯桿切換，保持兩液同步注出；聯(lián)動機構設計成四連桿機構，保證雙泵閥芯桿軸線平行，運動自如。

②流量壓力監(jiān)測系統(tǒng)：目前，關于建材漿液的流量精確監(jiān)測缺少必要的設備，即使有，性能也很不穩(wěn)定，因此，考慮間接監(jiān)測漿體流量，就SYB50/50型液壓注漿泵而言，液壓油流量Q1與漿液流量Q2關系為：

圖2 液壓油流量與漿液流量轉換關圖

柱塞移動速度V=Q1/πd12/4= Q2/πD2/4，其中，Q2= D2Q1/d12=ψQ1。

當d1=40mm，當D=75mm時，ψ=3.516；當D=95mm時，ψ=5.641；

因此，通過液壓油流量Q1的監(jiān)測，即可推算出漿液流量Q2；兩液配比可經(jīng)過Q1讀數(shù)控制調(diào)節(jié)；關于壓力監(jiān)測，可在出漿口直接監(jiān)測漿液壓力值。

（3）鉆機

鉆機采用SGZ--ⅡA型鉆機，最低轉速約20轉每分鐘，回轉扭矩約2KN.m，用立軸油缸上下提升鉆孔。

（4）管路系統(tǒng)

（5）先端裝置

對該裝置的要求：

①在注漿管埋設時，先端裝置底部沖水，切削齒切削土壤鉆孔下沉；

②在B腔沖水有壓力時，自動關閉A腔鉆頭底部沖水通道，打開側向注水通道；

③注漿管達到設計深度后，將A、B兩液同步注入，確保兩液按規(guī)定配比充分混合于側向合流部，注入土中，回轉提升；

根據(jù)這三點要求，先端裝置的結構設計成如圖3所示。

圖3 先端裝置結構圖

結構原理說明：在注漿管下沉埋設時，A腔通壓力水，B腔空，切換閥芯在壓力水作用下上抬，切斷側向出漿口位置，推開逆止閥芯，底部沖水鉆孔；鉆孔完畢注漿管埋設到位后，停止供水，切換閥芯在自重作用下，自動接通兩個出漿口，通過鉆桿旋轉，將A、B兩液按供漿配比充分混合于注漿管外部合流部注入土中，為防止在注漿過程中，漿液從底部注回管內(nèi)，重新抬起切換閥芯，因此必須設置逆止閥芯。

3 注漿工藝設計

3.1 工藝流程

瞬結性雙液注漿工藝流程步驟如圖4所示。

圖4 瞬結性雙液注漿工藝流程圖

第一步：鉆機沖水鉆孔下沉，注漿管埋設作業(yè)；

第二步：鉆頭到達設計深度，送液開始，漿液填充注漿管與土壤間微小間隙，節(jié)流間隙形成；

第三步：雙液注入作業(yè)，壓力上升，漿液注入土中，鉆桿緩慢提升；

第四步：鉆頭達到樁頂標高，注漿作業(yè)終了，注漿管回收清洗，孔埋作業(yè)，移機到下一個孔位。

3.2 工藝特點分析

（1）雙液注漿送液開始，漿液先沿著注漿管與土壤間小間隙流動，由于漿液的瞬結性，流動一小段距離后，生成凝膠，與回轉的注漿管外壁形成細小的節(jié)流間隙，能有效地防止?jié){液繼續(xù)往上冒出，促使?jié){液向土壤中滲透；

（2）注漿作業(yè)過程中，先注出的漿液在注漿口形成球狀體，后注出漿體壓力升高，促使球體破碎分裂產(chǎn)生縫隙，漿液沿如圖5所示滲透途徑曲線方向流動，更多的小球體生成，形成鏈式反應。

圖5 瞬結性漿液滲透狀態(tài)模式圖

3 現(xiàn)場試驗

以某道路加固工程為例，組織現(xiàn)場工藝試驗。

3.1 試驗孔布置與土層分布

現(xiàn)場試驗孔布置4孔K1～4，離XC13地質(zhì)勘探孔5m，孔深自地面下20m。

3.2 施工步驟與控制參數(shù)

（1）漿液拌制：按材料試驗參數(shù)，拌制漿液與調(diào)制水玻璃溶液，測漿液比重與水玻璃玻美度；

（2）鉆頭調(diào)試：連接供漿管，安裝鉆桿鉆頭，鉆機就位；調(diào)試鉆頭切換閥芯動作，A腔打水，鉆頭底部出水，A腔、B腔同時打水，鉆頭側向合流部出水，底部截流，若達不到這一要求，須清理鉆頭閥芯與閥腔；

（3）下鉆成孔：A腔供水，打開鉆頭切換閥芯，觀察鉆頭底部出水，鉆機下鉆成孔；

（4）鉆頭深度達到試驗深度，A腔、B腔按試驗配比同時供漿，施工參數(shù)控制如下：

鉆桿回轉速度25rpm，A液供漿流量40L/min，鉆桿提升速度400mm/min；

（5）拔出鉆桿，清理鉆頭，移機到下一個孔位。

3.3 試驗數(shù)據(jù)整理

每根樁材料使用量：水泥漿液1.8m3，水玻璃576L；

注漿壓力最高達到1.2MPa，鉆桿扭矩較大。

4 施工時間及勞動力安排

按照上述的施工步驟與控制參數(shù)，進行現(xiàn)場試驗，鉆桿回轉提升至離地面2m開始冒漿，停止注漿，拔出鉆桿，施工時間統(tǒng)計如表1所示。

表1 K1孔施工時間統(tǒng)計表

勞動力安排：班長1人，拌漿3人，開泵工1人，司鉆工1人，電工1人，機修工1人，共計8人，不包括管理人員。

5 試驗效果檢測分析

四個試驗孔注漿加固后，經(jīng)過一周養(yǎng)護，在加固體中間取2個孔進行靜力觸探檢測，中間孔JL1和離K2孔300mm的JL2孔，通過比貫入阻力Ps值的變化，驗證加固效果[1]，Ps值變化如表2所示。

表2 比貫入阻力Ps對比表

從比貫入阻力Ps值變化可知：JL1孔比原狀土略有增加，可理解為土體中土壓力未及時釋放和漿液的局部滲透；JL2孔比貫入阻力增加明顯，不同土層中差值縮小，加固效果顯著，說明加固范圍直徑在600mm以上。

6 結論

瞬結性雙液注漿工藝開發(fā)，經(jīng)現(xiàn)場試驗和效果檢測，土體改良效果明顯，總結如下：

（1）鉆頭—先端裝置關鍵是切換閥芯的設計與制造，要按工藝要求啟閉；

（2）雙泵聯(lián)動機構使A、B兩液同步注出，雙液配比須調(diào)節(jié)雙泵液壓油流量；