互层土中高压喷射注浆桩径集成评价与均匀性控制流程

《Soils and Foundations》：An integrated evaluation and uniformity control process for jet grouting column diameter in interlayered soils

　　

控制高压喷射注浆桩（jet-grouted column）的桩径因地面条件多变及注浆参数相互作用复杂而具有较大难度。随着高压喷射注浆在空间受限和交通密集区域的应用日益增多，传统的试错法现场试验往往不可行。本研究提出了一种集成式高压喷射注浆工艺，在传统施工作业流程中耦合了桩径实时监测与即时桩径均匀性控制。该方案旨在提高互层土（interlayered soils）中的注浆效率，降低几何非均匀性以及桩间渗漏窗口或薄弱区段出现的风险。采用双流体高压喷射注浆系统（double-fluid jet grouting system）进行了现场试验，以评价上述工艺。结果表明，互层土剖面中的黏土层阻碍桩体形成并导致桩形不规则。针对性地采用水射流预切割（water jet pre-cutting）以瓦解黏土结构，从而在不同土层间实现更均匀的桩径。基于实时声学数据，该工艺实现了从监测到纠偏措施的无缝衔接，可在检测到不符合设计要求时立即介入。该工艺提升了质量与效率，并为互层土地质条件下或工期要求严格的交通工程中的高压喷射注浆提供了实用指导。

论文解读：互层土中高压喷射注浆桩径的集成监控与均匀性控制

高压喷射注浆是地下基础设施建设中广泛采用的地基处理与防水技术，通过提高软弱土体强度和改善防水性能，已成为复杂地质条件下不可或缺的工程手段。随着行业向高效、智能和环保方向发展，高压喷射注浆的应用场景不断拓展，但实际桩径的控制始终是质量管理的核心难题。桩径受设备配置、土体性质、操作参数和浆液配比等多因素共同影响，尤其在互层土地层中，土性差异导致桩径非均匀性显著，进而可能引发防渗体系中的渗漏窗口（seepage window）或结构性薄弱区段。传统设计往往采用10%～15%的桩径搭接量来补偿几何变异性，但现场观测表明，互层土中的实际桩径偏差常超出此余量。此外，现有桩径验证手段多为事后检测，无法在施工过程中及时实施纠偏措施。针对上述问题，研究人员提出了一种将声学监测与桩径均匀性控制相集成的喷射注浆工艺，并在互层土中开展了足尺现场试验加以验证。该论文发表在《Soils and Foundations》。

研究场地位于城市道路下方盾构隧道始发区，土层由粉质砂土（SM）、粉质黏土（CL）及粉质砂土/粉土（SM/ML）互层构成，注浆区间内地下水埋深约2.0 m。研究人员采用双流体喷射注浆系统（Rapidjet法），按设计桩径D_d=2.5 m施工三根试验桩，采用三角形布置，桩中心距S=2.15 m（S/D_d=0.86）。试验设计中，1号桩用于桩径监测，2号与3号桩用于均匀性控制验证。为快速评估不同土层和喷射距离下的成桩效果，研究人员开发了基于声学记录的快速评估流程，并对黏土区段采用了水射流预切割扩径措施。

为开展研究，研究人员采用了以下关键技术方法：（1）同步声学监测系统，由地听器、监测钢管、自动提升装置和数字声记录单元组成，在距喷嘴径向1.15 m、1.25 m（设计半径）和1.40 m处同步记录喷射冲击声；（2）双变量正态分布（bivariate normal distribution）函数，对声学记录中的阈值峰值（threshold peak）和声强（sound intensity）两个变量进行联合概率统计，以三维概率密度图和二维等值线图实现快速诊断；（3）在CL层中使用空气和水射流进行预切割处理，以瓦解黏土结构并提高排渣流动性；（4）采用泥浆比重计测定不同阶段排渣密度；（5）注浆7天后在桩间搭接区取芯，开展无侧限抗压强度（unconfined compressive strength, UCS）试验和现场降水头渗透试验。为减少操作误差，三根试验桩的常规注浆参数保持一致，仅对均匀性控制桩实施预切割措施。

研究结果部分包括以下内容：

4.3 监测声学数据的记录与快速评估。通过对1号桩的声学监测记录进行双变量正态分布分析，研究人员发现：在SM层中，声学数据呈集中且狭长的椭圆分布，有效桩径超过2.8 m；在CL层中，数据分布分散且近似圆形，有效桩径低于2.3 m；在SM/ML层中，数据分布不对称，随喷射距离增大概率密度快速衰减，有效桩径介于2.5～2.8 m之间。定量分析显示，SM层中两变量的相关系数（ρ）为0.83～0.93，CL层中仅为?0.47～0.25，SM/ML层中则随桩径增大由0.96降至0.69。上述结果表明，不同土层中的成桩直径差异超过设计桩径的20%，黏土层是桩径非均匀性的主要来源。

4.4 桩径均匀性控制实施前、中、后的排渣密度测量。对2号和3号桩在黏土层采用水射流预切割扩径措施后，研究人员通过泥浆比重计对排渣密度进行了分阶段测量。结果显示，未采用预切割措施时（1号桩），排渣平均密度为1.78 t/m3，黏度高、流动性差；水射流预切割过程中（2号桩），排渣密度降至1.45 t/m3，流动性显著提高；预切割后正常注浆阶段（3号桩），排渣密度为1.62 t/m3，流动性适中。这表明黏土层不仅限制桩体扩展，还阻碍排渣排出，增加钻孔堵塞风险，而水射流预切割可有效降低排渣黏度、改善流动特性。

4.5 注浆体抗压强度与渗透性研究。注浆7天后，研究人员在相邻桩搭接区钻取岩芯，岩芯质量指标（Rock Quality Designation, RQD）约为90%，表明桩间搭接完整。UCS试验测得SM、CL和SM/ML层桩体平均抗压强度分别为5.1 MPa、4.2 MPa和7.0 MPa；通过取芯孔进行的现场降水头渗透试验测得渗透系数k=1.65×10^?6 cm/s，满足设计要求的k<1×10^?5 cm/s。这些结果验证了即使单根桩在黏土层中未能达到设计桩径，对相邻桩及时实施均匀性控制措施仍可确保整体强度与防水性能满足设计要求。

综合讨论与结论如下：（1）厚黏土层是互层土中喷射注浆桩截面非均匀性的主要原因，传统10%～15%桩径搭接设计假定不足以保障可靠的防水性能。（2）砂土层与黏土层中的桩径差异可超过20%，针对性的扩径措施能有效减小直径变异性，但水射流预切割参数必须根据黏土特性、工程经验和现场观测进行调整，不当参数可能导致塌孔、过度扩径和土体松动。（3）基于阈值峰值和声强的双变量正态分布分析可为桩径变化提供视觉和定量诊断，支持快速、数据驱动的现场决策。（4）排渣流动性和密度监测表明黏土显著增加排渣黏度，注浆前的水射流预切割可有效瓦解黏土结构，促进桩径扩展并降低钻孔堵塞风险。（5）通过搭接区取芯、UCS试验和现场渗透试验的综合验证，集成监控与直径控制流程可确保优质注浆质量，在含厚黏土层的互层土中具有较强推广应用价值。