噴射注漿的理論模型

摘要：給出噴射注漿所引起的力學現象的理論模型，並針對單流體方法進行分析。首先基於淹沒流理論對噴嘴和完整土體之間的射流空間傳播進行模擬。根據前人的實驗研究結果，假定了礫石，砂土以及黏土中射流與土體之間的相互作用模式。在礫石中，最相關機理是泥漿滲流。在砂土中，假設注入流體滲透進土體骨架中範圍有限，使得孔隙水壓力顯著增加，降低顆粒間接觸力。在排水條件下，由於流體的拖拉作用使得土體顆粒發生遷移。對於黏土來說，射流的作用在射流和土體的分界面施加一個載荷，其侵蝕過程被模擬為不排水破壞的持續發展過程。不同土體類型的理論結果與實驗數據進行比較，並利用反演法對模型進行校核。

關鍵字：設計；侵蝕；注漿；模型試驗；滲透；

前言

高壓噴射注漿法是最流行的地基處理技術之一，在全世界範圍內用途廣泛，比如：提高承載力，降低新建和已有地基的沉降，支持露天開挖和地下挖掘，建造大壩的圍堰。該方法依靠水-水泥混合物或者其他流體（空氣，水）高速注漿到地基土中。水泥漿通過注漿管線上的小直徑噴嘴噴射出來，噴嘴以一定的速度連續旋轉並慢慢提升至地表。射流沿井眼軸線沿徑向傳播，經過一段時間後，泥漿在地下凝固，形成一個牢固的圓柱狀的水泥土。

根據噴射流體的數量可以將目前被廣泛採用的噴射注漿法分為：水-水泥漿（單流體系），空氣+水泥漿（雙流體系），和水+空氣+水泥漿（三流體系）。在雙流體系中，水泥漿由空氣射流包裹著，而在三流體系中，水泥漿射流在由空氣包裹的水射流之前。

為了增加水泥土增強體的尺寸和其力學性質，對每種體系都需要不斷進行技術上的改進（Shibazaki）。但是，即便是有了這些改進，由於缺乏預測圓柱體直徑的可靠方法，在設計階段仍有相當程度的不確定性。實際上，絕大多數的噴射注漿項目都是基於一些經驗法則計劃實施的，它們只能對圓柱體直徑做出粗略的估計。（Croce & Flora，2000）

人們已經嘗試對噴射注漿所引起的力學現象進行理論建模。考慮到所其中牽扯到的複雜的力學現象，本文中的分析僅限於對單流體系。

第一步著重分析射流在噴嘴和接觸土體之間的整個空間內的傳播。這個空間內由一些不同來源的流體充滿（天然地下水，鑽井液，預先噴射的泥漿，漂浮的土體顆粒等等）。在作業初期，由於土體邊界與孔眼表面重合，這些流體區域相對較薄。但是如果土體發生侵蝕破壞，土體邊界將會改變，流體區域將會變大。我們將依據淹沒流理論對該區域內的幾何和運動學特性的演變進行分析。（Hinze,1948）。

噴射出的水泥漿到達土體表面後，一部分會保持原來的方向（徑向流動），或通過土體孔隙滲入其中，或使土體顆粒發生移動；剩下的水泥漿會沿著地基表面流動（垂向流動），流經井眼與噴射管道之間的環形空間。隨著土體顆粒尺寸的減小，所測得含有水泥漿和被侵蝕土體的垂向流的比重增加，範圍為0%-80%（Kauschinger等,1992）。

對於滲透性高的土體，例如粗砂礫中沒有垂向流，幾乎所有噴射的水泥漿都被土體保留住。事實上，在礫石的例子中（圖1（a））所有的噴射泥漿易於通過土體孔隙沿著徑向路徑滲流，沒有使土體顆粒發生明顯的位移（Miki，1985）。這種現象可用滲透問題進行建模，相關的力學性質就是土體對於水-水泥漿的滲透性。

對於更細的土，如砂土和黏土，它們的粒間孔隙要小很多，水泥漿滲透的阻力也會有相當大的增加。因此噴射泥漿趨向於轉向並置換土顆粒，這些土顆粒可能會從原來位置移動並被搬運至地表（Shibazaki,1991）。這本質上是一個侵蝕過程。但是，這一複雜現象的特點很大程度上還是未知的，並且為了完成這一分析還需要一些簡化的假設。特別需要指出的是，對於砂土和黏土，需要單獨對侵蝕機理進行假設。

對於砂土（圖1（b））假設噴射出的泥漿通過滲透進入土體孔隙並在土體表面內有限的延伸，這使得孔隙壓力顯著增大以及顆粒間接觸應力的減小。隨後由於泥漿的拖拉作用引起顆粒從初始位置的剝離，正如實驗室對砂土的實驗中所觀察到的那樣（Bergschneider&Walz,2003）。通過比較射流作用力與土體的抗剪強度來對該現象進行建模。隨後進行的分析中考慮有效應力和排水強度參數和作為相應的土體特徵。

對於黏土（圖1（c）），其粒間孔隙非常小，射流流體無法通過滲透作用進入土體內部。因此，認為射流以載荷的形式施加在土體壁面，並與其動量成比例，然後用一系列的不排水破壞機理描述這個侵蝕過程，並以不排水抗剪強度來描述土體特性。Dabbagh等人在對黏土進行了實驗室噴射實驗後已經進行了類似的計算。

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