目錄

/1.高壓旋噴成樁機(jī)理國(guó)內(nèi)外高壓旋對(duì)未來(lái)發(fā)展的探討2.3.1.高壓旋噴成樁機(jī)理高壓噴射注漿法始創(chuàng)于日本，它首先由日本的中西涉博士發(fā)明，他將水力采煤中高壓水射流技術(shù)的原理與化學(xué)注漿技術(shù)相結(jié)合，以高壓水泥漿噴射并沖擊土體，漿液與土粒相互拌和，在地層中經(jīng)化學(xué)反應(yīng)后形成堅(jiān)固的圓柱狀固結(jié)體，這種方法最初被稱為CCP(ChemicalChurningPile)工法。后來(lái)，隨著更多的應(yīng)用以及設(shè)備技術(shù)發(fā)展，出現(xiàn)了很多其它新的工法，如二重管法（JSG)，三重管法(CJG)，RJP工法，MJS工法，N-jet工法等。在細(xì)砂層、極細(xì)砂層、粘土層中，高壓噴射注漿是通過(guò)射流作用強(qiáng)制性破壞原地層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)成樁，對(duì)塊、卵石層的較大孔隙及集中滲漏的空間，以各種射流機(jī)理加之繞流、位移、袱裹等作用，將地層顆?；蚣?jí)配料予以充填、封堵。1.1高壓噴射流破土機(jī)理高壓噴射流破土效果取決于射流參數(shù)和土體參數(shù)，射流參數(shù)決定射流作用力的大小，而土體參數(shù)決定著土體臨界破壞力。通過(guò)射流動(dòng)力特性及其破土機(jī)理分析，發(fā)現(xiàn)射流參數(shù)與土體參數(shù)之間存在內(nèi)在聯(lián)系，建立射流破土的理論方程，可以解決以往在射流破土過(guò)程中參數(shù)選取的隨意性或無(wú)法確定射流參數(shù)的問(wèn)題。高壓射流作用于土體時(shí)，其部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為對(duì)土體的打擊力，從而引起土體受力破壞，概括起來(lái)，有以下幾種形式：（1）空化破壞作用。射流在打擊土體時(shí)，在壓力梯度大的部位將產(chǎn)生空泡，空泡的崩潰對(duì)打擊面上的土體具有較大的破壞力。此外，在空泡中，由于射流的激烈紊動(dòng)，也會(huì)把較軟弱的土體掏空，造成空泡擴(kuò)大，使更多的土體遭受破壞。1（2）動(dòng)壓破壞作用。由動(dòng)壓公式?

=

???可知，射流的動(dòng)壓與流速的平方成正比，高壓泵的壓力越高，射流流速越大，產(chǎn)生的動(dòng)壓力也就越大。因此通2過(guò)增大泵壓，可以提高射流的動(dòng)壓破壞力。（3）疲勞破壞作用。由于采用的是高壓往復(fù)柱塞泵，隨著柱塞的往復(fù)變速運(yùn)動(dòng)，每一瞬間產(chǎn)生的壓力和流量都是隨之波動(dòng)的，故高壓噴射流為連續(xù)脈沖運(yùn)動(dòng)的液流。當(dāng)射流不停地脈沖式地沖擊土體時(shí)，土體顆粒表面受到脈動(dòng)負(fù)荷的影響，逐漸積累其殘余變形，使土顆粒失去平衡，從土體上崩落下來(lái)，促使了土體的破壞。（4）沖擊作用。由于射流斷續(xù)地錘擊土體，產(chǎn)生沖擊力，促使破壞的進(jìn)一步發(fā)展。（5）水楔作用。當(dāng)射流充滿土體時(shí)，由于射流的反作用力，產(chǎn)生水楔。在垂直射流軸線的方向上，射流楔入土體的裂隙或薄弱部位中，此時(shí)射流的動(dòng)壓變?yōu)殪o壓，使土體發(fā)生剝落，裂隙加寬。（6）擠壓作用。在射流的末端，能量衰減很大，不能直接沖擊土體使土體顆粒剝落，但能對(duì)有效射程的邊界土體產(chǎn)生擠壓力，對(duì)四周土體有壓密作用。射流的打擊作用對(duì)土體的物化性質(zhì)產(chǎn)生的影響如下：①初始沖擊脈沖造成的彈性力在土體的沖撞、反射和干擾，破壞了土體結(jié)構(gòu)；②由于水泥漿束長(zhǎng)時(shí)間沖蝕土體表面，造成土質(zhì)的軟化；③水射流穿透和滲入，促使裂隙擴(kuò)展，加速了土體的破壞與剝落；④高壓噴射流的沖擊，使土體局部容易產(chǎn)生流變和裂痕；⑤高壓噴射流的剪切作用，使土體顆粒容易剝離、脫落；⑥在射流動(dòng)壓作用下，使土體中孔隙水的壓力增高，在張力作用下，孔隙介質(zhì)顆粒之間連接力減弱，從而加速土體的破壞過(guò)程。⑦射流打擊末端，速度較低，土體表面受到壓縮波和拉應(yīng)力，同時(shí)形成氣蝕，氣蝕作用（或稱空化作用）對(duì)射流淹沒(méi)狀態(tài)下提高打擊效果非常有效。1.2高壓噴射流動(dòng)力特性1）射流參數(shù)計(jì)算：射流參數(shù)主要有驅(qū)動(dòng)壓力?、噴嘴流量?、射流功率?等；?射流的初始速度：

V

=

44m/s???噴嘴流量：?

=

206.8×??

×?/???射流功率：射流動(dòng)量：?

=

??/60

???

=

???2）淹沒(méi)射流沿程壓力分布根據(jù)伯努利能量守恒定律可得到射流斷面軸心處的動(dòng)壓分布：1??

=

????，???2式中，?,?

為被研究斷面上射流軸心處的流速和動(dòng)壓。??，???由粘性流體力學(xué)理論可知：??，???式中，?,

=

?/?;

?

為運(yùn)動(dòng)渦粘度，在整個(gè)射流中，為一常數(shù)。3?,8?

?

?=???3?

?

1所以??=8?

??143?,，?和?都為常數(shù)，其中，α

=?

??該式表明，射流橫斷面上的軸心動(dòng)壓??與流程??成反比。1.3高壓噴射流對(duì)土體表面的作用力射流打擊土體表面時(shí)，因被打擊土體具有不同的表面形狀，使射流改變了方向，從而在其原來(lái)的噴射方向上失去了一部分動(dòng)量，并以作用力的形式傳遞到被打擊土體表面上。連續(xù)射流對(duì)土體表面的作用力，是指射流對(duì)土體打擊時(shí)的穩(wěn)定沖擊力--總壓力。射流打擊前的動(dòng)量：?

=

???射流打擊后的動(dòng)量：?

=

???????射流作用在土體表面的總作用力：F

=

???(1?????)式中，?為漿液密度；Q為射流流量；V為射流流速；?為射流沖擊土體表面后離開土體表面的角度（針對(duì)射流破土，?=100°）。由式中可看出，當(dāng)?=90°時(shí)，F(xiàn)

=

?,表明當(dāng)射流與土體表面保持垂直打擊時(shí)，射流作用力的大小為初始動(dòng)量，若?不變，射流的總打擊力F也保持不變。實(shí)際上，淹沒(méi)射流是沿程擴(kuò)散的，射流的打擊面積隨著流程?的增大而增大，而土體單位面積上的打擊力因面積的增大而減小。射流對(duì)土體的破壞作用主要取決于單位面積的打擊力，所以必須分析打擊區(qū)域內(nèi)的單位面積上的打擊力及其分布情況。???0.0508??經(jīng)過(guò)推導(dǎo)計(jì)算可得單位面積上的平均作用力：?

=1.4高壓噴射流破土方程1）土體臨界破壞壓力由射流破土機(jī)理可知，在射流打擊下，土體的破壞不僅與射流參數(shù)有關(guān)，而且還與土體參數(shù)有關(guān)。射流參數(shù)決定射流作用力的大小，而土體參數(shù)決定土體的物理力學(xué)性質(zhì)。土體參數(shù)是土體本身固有的物質(zhì)屬性，在射流過(guò)程中，體現(xiàn)為一種抵抗力，并稱之為土體臨界破壞壓力。??????）

?????

=

???（???式中，?

為土體破壞面上的射流臨界壓力；?為修正系數(shù)；?

為土的抗剪強(qiáng)度；?

為土顆粒限定粒徑；??????

為干土重度；k為土的滲透系數(shù)；?

/k為土的抗沖蝕強(qiáng)度。???2）高壓噴射流破土方程在射流打擊下，土體發(fā)生破壞的必要條件是土體表面所受的射流作用力必須大于土體的臨界破壞壓力。令?

=

????????????由此得到：?

=

?

??（）

（

）

????

??式中，P為噴嘴出口壓力；d為噴嘴直徑；?為射流打擊射程；??為實(shí)驗(yàn)參數(shù)。該式建立了射流參數(shù)與土體參數(shù)之間的聯(lián)系，當(dāng)給定土體參數(shù)和成樁直徑，選擇適當(dāng)噴嘴直徑后，便可求出射流破土所需要的最小系統(tǒng)壓力。2.1歐洲旋噴裝備（以意大利卡薩格蘭地公司和土力公司為例）泥高壓大流量變速大扭高轉(zhuǎn)成樁特點(diǎn)分析概述應(yīng)用場(chǎng)景第一階段：鉆孔根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥罈l件，一般直接采用夾持鉆桿旋轉(zhuǎn)或沖擊鉆削的方法鉆孔。第二階段：噴漿大功大壩和圍堰隔墻地下連續(xù)墻隧道加固一旦達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，將開始高壓注漿。漿液將以很高的速度（200-250m/s）噴嘴中噴射而出。漿液的動(dòng)能將破壞土壤結(jié)構(gòu)，同時(shí)與土壤混合，形成固結(jié)體。鉆機(jī)大扭矩、高轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)使得鉆孔效率比較高。斜坡加固泥漿泵高壓大流量的特點(diǎn)可以提供給漿液更大的動(dòng)能，提升成樁效率。噴漿階段的地內(nèi)壓力沿鉆桿外壁和鉆孔內(nèi)壁之間的縫隙釋放，在漿液壓力釋放的不順暢和壓縮空氣的回收不及時(shí)容易引起地面隆起。2.2日本旋噴裝備（以日本KG公司和YBM公司為例）泥壓流量變大扭低轉(zhuǎn)小功成樁特點(diǎn)分析概述應(yīng)用場(chǎng)景第一階段：鉆孔鉆機(jī)轉(zhuǎn)速偏低的問(wèn)題使得鉆孔效率比較低，需要單獨(dú)配置引孔機(jī)。第二階段：噴漿大壩和圍堰隔墻地下連續(xù)墻隧道加固鉆桿下放到達(dá)設(shè)計(jì)深度后，將開始高壓注漿。漿液將以很高的速度（200-220m/s）從噴嘴中噴射而出。漿液的動(dòng)能將破壞土壤結(jié)構(gòu)，同時(shí)與土壤混合，形成固結(jié)體。鉆機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，適用于低凈空狹小空間施工。MJS水平加固MJS工法在噴漿階段具有孔內(nèi)強(qiáng)制排漿和地內(nèi)壓力監(jiān)測(cè)功能，通過(guò)調(diào)整強(qiáng)制排漿量來(lái)控制地內(nèi)壓力，以此降低施工引起的土體變形，大幅減少對(duì)周邊環(huán)境的影響。2.3國(guó)內(nèi)旋噴裝備DJE系列全方位高壓旋噴鉆機(jī)2.3國(guó)內(nèi)旋噴裝備HP系列高壓泥漿泵型號(hào)功率kW壓力bar流量L/minHP460-EVHP360-EVHP420-EVHP200-EVHP120-EV315250320160906506504504504504753604202001202.3國(guó)內(nèi)旋噴裝備DJE系列鉆具2.3國(guó)內(nèi)旋噴裝備特點(diǎn)泥高大流變大扭低轉(zhuǎn)負(fù)載鉆具特點(diǎn)MJS/RJP/N-jet交叉噴射鉆具攪噴鉆具微擾動(dòng)攪拌鉆具3.1超深大直徑旋噴樁所面臨的土層繁雜問(wèn)題在深度方向上土層結(jié)構(gòu)種類繁多，旋噴在不同的土層施工參數(shù)應(yīng)隨土層結(jié)構(gòu)改變而有所變化。??????由射流破土方程

?

=

?

??（

??）

（

）

?????

??可知：當(dāng)土的抗剪強(qiáng)度?

、土的抗沖蝕強(qiáng)度?

/k和干土重度?

發(fā)生變化時(shí)，為了獲得均勻的成樁直徑2?，噴射流的切削能????應(yīng)該是隨之變化，具體體現(xiàn)在泥漿泵壓力?，鉆具提升速度，鉆具旋轉(zhuǎn)速度。3.2砂層和粘土層取芯效果問(wèn)題在砂質(zhì)粉土中，土質(zhì)分布不均、松散、壓縮性中等、透水性強(qiáng)，在噴射動(dòng)壓作用下，易于產(chǎn)生流砂現(xiàn)象。由于粘土層土質(zhì)具有可塑、膨脹、收縮等特性，成樁過(guò)