CN103114580B - 能在淤泥层中形成高强旋喷桩的施工方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能在淤泥层中形成高强旋喷桩的施工方法及其装置，旨在提供一种能大幅节约水泥原材料的消耗的施工方法；其技术要点包括下述步骤，1）在待成桩部位成孔后下喷头；2）启动高压清水泵及泥浆泵，使喷头同时向淤泥中喷射出清水射流和水泥浆射流，其中的清水射流位于水泥浆射流上方，喷射方向相反并能形成一个流体涡流圈；3）启动高喷台车带动喷头边旋转边提升，水泥浆即可堆积形成高强旋喷桩；该装置包括喷头，喷头上部侧壁设有连接清水泵的清水喷嘴，在喷头下部侧壁设有连接水泥浆泵的水泥浆喷嘴，清水喷嘴和水泥浆喷嘴的喷射方向相反，清水喷嘴与水泥浆喷嘴的垂直距离为0.5～1.5倍旋喷桩桩径。属于建筑施工技术领域。
Description
技术领域
本发明公开一种施工方法，具体地说，是一种能在淤泥层中形成高强旋喷桩的施工方法及其装置，属于建筑施工技术领域。
背景技术
高压旋喷技术上世纪70年代从日本引进，现在在国内已经是一种普遍的软弱地基加固和渗漏地基截渗止水的手段，国内比较通行的高喷灌浆规范有《水利水电工程高压喷射灌浆技术规范》（DL/T 5200-2004）。但是，常规的高压旋喷都是通过高压水泥浆或者高压水强力切割土体，水泥浆主动或被动与土体混合而形成有一定强度或有一定密度的水泥土固结体的。在这个水泥浆搅拌混合的过程中，由于水泥浆或水介质向土体中的注入，使得孔口常常有大量的返浆溢出地面，返浆中有较高含量的水泥成分同时排出到地面上，造成水泥原材料的浪费，不仅增大了旋喷桩的工程造价，而且污染了环境，再由于水泥是高耗能行业，更是增加了碳排放。特别是富水的淤泥层中，由于地层处于饱水状态，往往是向地层中灌入了多少体积的物质就会有同样体积的返浆返出地面，水泥的利用率更低，甚至有一些三重管旋喷施工队伍在淤泥中无论如何做都不成桩的情况出现。
发明内容
针对上述问题，本发明公开一种在淤泥层中进行的高压旋喷桩施工的方法，该方法可以大幅节约水泥原材料的消耗，同时也降低施工工程中的电能消耗；或者在同等水泥用量的情况下旋喷桩桩体抗压强度大幅提高。
为解决上述技术问题，本发明的前一技术方案是这样的：该能在淤泥层中形成高强旋喷桩的施工方法，包括下述步骤，（1）在待成桩部位成孔后，向孔内下入喷头；（2）启动高压清水泵和泥浆泵，使喷头同时向淤泥中喷射出清水射流和水泥浆射流，其中的清水射流位于水泥浆射流上方，清水射流与水泥浆射流的喷射方向相反并能形成一个流体涡流圈，水泥浆在脱离该流体涡流圈的影响范围后沉淀于涡流圈下；（3）启动高喷台车带动喷头边旋转边向上提升，高压水射流在上不断喷射切割淤泥土体，水泥浆液在下不断充填沉淀在涡流圈下堆积形成高强旋喷桩。
进一步的，上述的能在淤泥层中形成高强旋喷桩的施工方法，其特征在于，步骤（2）中所述的清水射流的喷射压力为20～40MPa；水泥浆射流的喷射压力为3～10MPa。
为实现上述方法，本发明的提供的装置是这样的：能在淤泥层中形成高强旋喷桩的施工方法的装置，包括喷头，所述的喷头上部侧壁设有连接清水泵的清水喷嘴，清水喷嘴的直径为1~2.5mm；所述的喷头下部侧壁设有连接水泥浆泵的水泥浆喷嘴，水泥浆喷嘴的直径为3.5~8mm；所述的清水喷嘴和水泥浆喷嘴的安装方向相反，清水喷嘴与水泥浆喷嘴的垂直距离为0.5～1.5倍旋喷桩桩径。
上述的装置，所述的喷头上设有一个清水喷嘴和一个水泥浆喷嘴，清水喷嘴的喷射轴线与水泥浆喷嘴的喷射轴线位于同一平面内。
上述的装置，所述的喷头上设有两个清水喷嘴和一个水泥浆喷嘴，两个清水喷嘴的喷射轴线垂直于喷头侧壁的同一平面内，两个清水喷嘴的喷射轴线之间夹角小于60度，水泥浆喷嘴的喷射方向与两个清水喷嘴夹角的角平分线位于同一平面内。
与现有技术相比，本发明具有在淤泥层中大幅节省水泥原材料的优点。为了增加可比性，不管是采用本发明施工的旋喷桩还是双重管或三重管旋喷桩都按照1米（为方便计算采用10分米）桩径，旋喷桩固结体比重值按1.8t/m3（为方便计算采用千克每立方分米），水泥浆比重1.5千克/立方分米，水泥浆单位时间注入量60L/Min，桩体设计含15%水泥掺入比来进行对比。
1）采用本发明工法施工旋喷桩的水泥用量
本发明采用的水浆二重管喷头在喷射灌浆时，高压水在上边向左喷射，水泥浆在下边向右喷射，上面的高压水射流与下面的水泥浆射流之间的距离是设计桩径的长度。喷头所处的环境左右两边是原状淤泥，下边为尚未固结的旋喷桩体，上边也为原状的淤泥土地层，但留有约Φ130mm大小的钻孔与地面相通。根据流体运行规律，高压水射流与水泥浆射流应该以一个近似圆作圆周运动，运动圆圆心与喷杆上水嘴与浆嘴中点重合，其半径为旋喷桩的半径。由于高压水的压力远大于水泥浆的压力，故作圆周运动的流体能量来源主要有高压水射流提供，水泥浆向右喷射实际上是将水泥浆送到了圆圈的右下角，而且水泥浆的比重大于高压水切割土体后形成的泥巴浆的比重，故绝大部分水泥浆得以保存在旋喷桩的桩体内，随返浆到达地面的水泥成分很少，据对返出浆液中水泥成分的测定，95%以上的水泥留在了旋喷桩桩体中。
据此计算，每米旋喷桩耗用水泥量（W，单位千克）为：
W=r2πlGb÷η=52*3.14*10*1.8*15%÷95%=223千克 （公式1）
其中： r-设计旋喷桩半径，单位分米
π-3.14
l-旋喷桩长度，这里均取1米即10分米
G-水泥土固结体比重，淤泥地层形成的旋喷桩比重一般为1.8千克/立方分米
b-水泥掺入比，为15%
η-水泥利用率，本工法中可达95%
2）采用普通二重管高压旋喷桩水泥用量
普通二重管高压旋喷是高压水泥浆以极高的压力从浆喷嘴喷出切割土体，压缩空气则是以环状包围水泥浆射流增加对土体的搅动，旋喷喷具边喷射边旋转边提升形成圆柱状水泥土固结体的。其切割搅拌土体的机理是水泥浆直接作用土体，由于淤泥的饱水性，不可能容纳更多的外来物质，也就是说灌入多少体积的水泥浆就有多少体积的废浆返出地面，废浆中的水泥含量与旋喷桩中的水泥含量也十分接近。计算基于淤泥是处于饱水状态，也就是说高喷时灌入孔内多少体积的液体就有多少体积的混合浆液从孔口返出。
二重管旋喷桩水泥利用率可以按旋喷桩体积÷（旋喷桩体积+注入该段的水泥浆体积）进行计算：
η=（r2πl）÷[r2πl+(l/v)L] (公式2)
其中L-水泥浆单位输入量，此处为60升/分钟
v-旋喷提升速度，分米/分钟
其它字母代表的意义同上。
化简计算得
η=157v÷（157v+120） （公式3）
按照全部的水泥注入量×水泥利用率=旋喷桩实际水泥用量的定义可写出
(l/v)Ld÷2×η= r2πlGb
其中d-水泥浆比重，克/立方厘米
其它字母代表的意义同上。
化简计算得
η=0.47v(公式4)
连解公式3和公式4得
η=0.47×1.3=61%
根据公式1计算，二重管旋喷桩水泥用量为212÷61%=348千克
单重管高压旋喷一般达不到1米的桩径，理论上当喷浆压力足够大时也能达到如上1米的桩径，其理论水泥用量同样需要348千克以上。
3）采用普通三重管高压旋喷水泥用量
三重管高压旋喷是高压水以极高的压力喷射切割土体，压缩空气以环状包围高压水射流同轴喷出，起到保护高压水射流并增加土体搅拌均匀程度的目的，水泥浆则是顺着高压水射流形成的负压与高压水射流一起混入到土体中，喷射杆边喷射边旋转边提升形成水泥土固结体。同样由于淤泥地层的饱水性，注入到地下多少体积的液体就有多少体积的返浆返出地面，而且由于三重管同时有大量的水与水泥浆同时灌入到地层中，将会有更多的返浆流出地面。
三重管旋喷桩水泥利用率可以按旋喷桩体积÷（旋喷桩体积+注入该段的水泥浆体积+注入该段的清水的体积）进行计算：
η=（r2πl）÷[r2πl+(l/v)×（L+Q）]
其中Q-高压水流量，一般使用的高压清水泵固定送水量为75升/分钟
其它字母代表的意义同上。
化简计算得
η=157v÷（157v+230） （公式5）
按照全部的水泥注入量×水泥利用率=旋喷桩实际水泥用量的定义可写出
(l/v)Ld÷2×η= r2πlGb
其字母代表的意义同上。
化简计算得
η=0.47v(公式4)
连解公式5和公式4得
η=0.47×0.66=31%
根据公式1计算，三重管旋喷桩水泥用量为212÷31%=684千克
4）采用本发明工法与采用普通旋喷方法相比，水泥计算使用量之比为223:348:684，水泥的节约幅度非常之大。
以同样的水泥用量，喷射灌浆后形成同样大小的桩体，显然本发明工法在淤泥层中形成的桩体强度大幅提高，有效解决了在施工过程由于三重管施工时水泥浆的单位时间注浆量过小，出现无论如何慢地提升喷射杆都不能成桩的问题。
本发明提供的技术方案，节约能耗，喷射流顺着一个圆的方向喷射时浪费的能量最少，或者说施工出同样桩径的旋喷桩这种方法需要的能量最少，从而具有节能的效果；本发明适用于淤泥地层，但可以推广应用到所有主要由颗粒直径小于0.5mm的细颗粒物组成的地层中，应用范围广。
附图说明
图1是本发明一种装置的结构示意图；
图2是图1装置的俯视图；
图3是本发明另一种装置的结构示意图；
图4是图3装置的俯视图；
图5是本发明的工作原理图。
其中：喷头1；清水喷嘴2；水泥浆喷嘴3；高压水喷射方向A；水泥浆液喷射方向B；涡流流动方向C；废浆流出孔口方向D；旋喷桩桩体F；原状淤泥土E。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明的权利要求作进一步的详细说明，但不够成对本发明的任何限制，任何人在本发明权利要求范围内所做的有限次的修改，仍在本发明的权利要求保护范围内。
实施例1
一种能在淤泥层中形成高强旋喷桩的施工方法，包括下述步骤，（1）在待成桩部位成孔后，向孔中下入喷头。（2）启动高压清水泵和泥浆泵，使喷头同时向淤泥中喷射出清水射流和水泥浆射流。其中的清水射流位于水泥浆射流上方；清水射流和水泥浆射流之间的垂直距离是旋喷桩桩径的1.5倍；清水喷嘴直径采用1.7mm，清水喷射压力为40MPa；水泥浆喷嘴直径采用3.5mm，水泥浆喷射压力为10Mpa；清水射流与水泥浆射流的喷射方向相反。按上述要求喷射的清水射流与水泥浆射流共同作用下能形成一个流体涡流圈，水泥浆在脱离该流体涡流圈的影响范围后沉淀于涡流圈下。（3）启动高喷台车带动喷头按8转/Min的转速旋转按10cm/Min的提速逐渐向上提升喷头，沉淀在涡流圈下的水泥浆即可堆积形成高强旋喷桩。
实施例2
一种能在淤泥层中形成高强旋喷桩的施工方法，包括下述步骤，（1）在待成桩部位成孔后，向孔中下入喷头。（2）启动高压清水泵和泥浆泵，使喷头同时向淤泥中喷射出清水射流和水泥浆射流。其中的清水射流位于水泥浆射流上方；清水射流和水泥浆射流之间的垂直距离是旋喷桩桩径的1倍；清水喷嘴直径采用2mm，清水喷射压力为30MPa；水泥浆喷嘴直径采用5mm，水泥浆喷射压力为7Mpa；清水射流与水泥浆射流的喷射方向相反。按上述要求喷射的清水射流与水泥浆射流共同作用下能形成一个流体涡流圈，水泥浆在脱离该流体涡流圈的影响范围后沉淀于涡流圈下。（3）启动高喷台车带动喷头按10转/Min的转速旋转按12cm/Min的提速逐渐向上提升喷头，沉淀在涡流圈下的水泥浆即可堆积形成高强旋喷桩。
实施例3
一种能在淤泥层中形成高强旋喷桩的施工方法，包括下述步骤，（1）在待成桩部位成孔后，向孔中下入喷头。（2）启动高压清水泵和泥浆泵，使喷头同时向淤泥中喷射出清水射流和水泥浆射流。其中的清水射流位于水泥浆射流上方；清水射流和水泥浆射流之间的垂直距离是旋喷桩桩径的0.5倍；清水喷嘴直径采用2.5mm，清水喷射压力为20MPa；水泥浆喷嘴直径采用8mm，水泥浆喷射压力为3Mpa；清水射流与水泥浆射流的喷射方向相反。按上述要求喷射的清水射流与水泥浆射流共同作用下能形成一个流体涡流圈，水泥浆在脱离该流体涡流圈的影响范围后沉淀于涡流圈下。（3）启动高喷台车带动喷头按8转/Min的转速旋转按10cm/Min的提速逐渐向上提升喷头，沉淀在涡流圈下的水泥浆即可堆积形成高强旋喷桩。
为实现实施例1至3中的方法，本发明提供了如下装置：
参阅图1和图2，该装置包括喷头1，所述的喷头1上部侧壁设有连接清水泵的一个直径为1～2.5mm（优选直径为2.5mm）清水喷嘴2，在喷头1下部侧壁设有连接一个水泥浆泵的水泥浆喷嘴3，水泥浆喷嘴3的直径为3.5～8mm，优选5mm，所述的清水喷嘴2和水泥浆喷嘴3的喷射方向相反，并且喷射轴线位于同一平面内，清水喷嘴2与水泥浆喷嘴3的垂直距离为0.5～1.5倍（优选1倍）旋喷桩桩径，桩径的大小根据建筑的实际需要设计。
一种实现上述方法的另一种装置：参阅图3和图4，该装置包括喷头1，所述的喷头1上设有两个清水喷嘴2和一个水泥浆喷嘴3。两个清水喷嘴2的直径相等，均为1.5mm,两个清水喷嘴2的喷射轴线位于垂直于喷头侧壁的同一平面内，喷射轴线之间夹角小于60度，水泥浆喷嘴3的喷射方向与两个清水喷嘴2夹角的角平分线位于同一平面内。浆喷嘴3的直径采用8mm大小。清水喷嘴2与水泥浆喷嘴3的垂直距离为0.5～1.5倍（优选1.5倍）旋喷桩桩径，桩径的大小根据建筑的实际需要设计。
工作原理
参阅图5，沿着高压清水喷射轴线和水泥浆喷射轴线剖切的切面，高压清水射流A在上部向左喷射，水泥浆射流B在下边向右喷射。左右受原状淤泥层E限制，上部也被原状淤泥层F限制，但在中间有一个钻孔与地面相连通，下边为尚未凝结的水泥土拌合物（旋喷桩）E，高压清水射流与水泥浆射流共同形成了涡流C，喷灌后多余的废浆D从孔口不断向外流出。
根据流体的运动规律，高压清水射流与水泥浆射流形成的涡流是一个圆的时候最为顺畅，能量浪费最少。该圆的半径就等于旋喷桩桩体的半径，该圆的圆心在喷头体的中心线上高压水喷嘴（或两个高压水喷嘴连线的中点）和浆喷嘴的正中间。由于高压水的压力大于水泥浆的压力，故该涡流圆的形成应该以高压水及其切割下来的淤泥质为主导，水泥浆射流则处于辅助及从动的地位。
水泥浆浆液向右喷射，因其本身密度就大再凭借向前的惯性，自然而然地就能到达流体主涡流之右下角并沉淀于主涡流的下部旋喷桩桩体中，流出孔口的绝大部分就是含水泥量很少的淤泥质废弃浆液。
Claims (4)
1.一种能在淤泥层中形成高强旋喷桩的施工方法，其特征在于，所述的施工方法通过以下装置实施，所述的装置包括喷头(1)，所述的喷头(1)上部侧壁设有连接清水泵的两个清水喷嘴(2)，两个清水喷嘴(2)的喷射轴线位于垂直于喷头侧壁的同一平面内，在喷头(1)下部侧壁设有连接水泥浆泵的一个水泥浆喷嘴(3)，所述的清水喷嘴(2)和水泥浆喷嘴(3)的喷射方向相反，清水喷嘴(2)与水泥浆喷嘴(3)的垂直距离为0.5～1.5倍旋喷桩桩径，两个清水喷嘴(2)的喷射轴线之间夹角小于60度，水泥浆喷嘴(3)的喷射方向与两个清水喷嘴(2)夹角的角平分线位于同一平面内；
所述的施工方法包括下述步骤，步骤1在待成桩部位成孔后，向孔中下入喷头(1)；
步骤2启动清水泵和泥浆泵，使喷头(1)同时向淤泥中喷射出清水射流和水泥浆射流，其中的清水射流位于水泥浆射流上方，清水射流与水泥浆射流的喷射方向相反并能形成一个流体涡流圈，水泥浆在脱离该流体涡流圈的影响范围后沉淀于涡流圈下；
步骤3启动高喷台车带动喷头(1)边旋转边提升，沉淀在涡流圈下的水泥浆即可堆积形成高强旋喷桩。
2.根据权利要求1所述的能在淤泥层中形成高强旋喷桩的施工方法，其特征在于，步骤2中所述的清水射流的喷嘴直径为1～2.5mm，喷射压力为20～40MPa；水泥浆射流的喷嘴直径为3.5～8mm，喷射压力为3～10MPa。
3.实现权利要求1所述能在淤泥层中形成高强旋喷桩的施工方法的装置，包括喷头(1)，其特征在于，所述的喷头(1)上部侧壁设有连接清水泵的两个清水喷嘴(2)，两个清水喷嘴(2)的喷射轴线位于垂直于喷头侧壁的同一平面内，在喷头(1)下部侧壁设有连接水泥浆泵的一个水泥浆喷嘴(3)，所述的清水喷嘴(2)和水泥浆喷嘴(3)的喷射方向相反，清水喷嘴(2)与水泥浆喷嘴(3)的垂直距离为0.5～1.5倍旋喷桩桩径，两个清水喷嘴(2)的喷射轴线之间夹角小于60度，水泥浆喷嘴(3)的喷射方向与两个清水喷嘴(2)夹角的角平分线位于同一平面内。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述清水喷嘴(2)的直径为1～2.5mm，水泥浆喷嘴(3)的直径为3.5～8mm。
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