用渗透浸渍聚凝粘结体对地下水位下的水泥构件加固方法

摘要

本发明涉及用渗透浸渍聚凝粘结体对地下水位下的水泥构件加固方法，属于土木工程地下水防渗结构设计技术领域，该方法包括：在饱和水泥构件一侧或多侧的通过超高压旋喷注浆泵向高速旋转的钻机的空心钻杆内持续注入超高压纯水,形成射流旋击波,反复冲击剥蚀切削所述饱和水泥构件外表面的泥皮,直至表面洁净为止；再次同轴下钻，持续注入超高压水泥浆，形成射流旋击波,使水泥浆渗透到饱和水泥构件的孔隙中形成渗透浸渍粘接体与原水泥构件的粗细骨料重新胶结生成致密水泥构件，同时形成一根辅助水泥土桩及将致密水泥构件与辅助水泥土桩连成一体的聚凝体。本发明使水泥构件强度提高、功能恢复、寿命延长，且方法易于操作、工程造价低，实用性强。

说明书

技术领域

本发明属于地下土木结构工程加固技术领域，特别涉及采用渗透浸渍聚凝粘结体对地 下水位以下的水泥构件结构加固技术。

背景技术

地下的水泥制品结构(包括钢筋混凝土、混凝土、水泥土结构等)广泛用在各行各业的 地下土木工程结构中，包括各种桥梁的墩基、混凝土大坝坝基、水利工程中的渡槽墩基、 水闸闸基、地铁的地下水下桩基、矿井地下水下结构，海岸的地下混凝土结构，深基坑等 等。上述这些长期在地下水环境中工作的混凝土、水泥土等等水泥构件经常处于水饱和状 态，成为饱和水泥构件。地下水会从这些结构表面的微观裂纹、孔隙逐渐渗入到水泥构件 内部_并导致水泥构件的材料性能发生劣化_在各种荷载影响下,水泥构件孔隙中的自由 水会对孔壁产生水压力,给饱和水泥构件的力学性能带来一定影响。试验表明,与干燥的 水泥构件相比,饱和水泥构件的静力强度有所降低。使其老化、使用寿命缩短。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种用渗透浸渍聚凝粘结体对地下 水位下的水泥构件加固方法，本发明可对地下水位下的各种水泥构件进行加固，使水泥构 件强度提高、功能恢复、寿命延长，且方法易于操作、工程造价低，实用性强。

本发明提出一种用渗透浸渍聚凝粘结体对地下水位下的水泥构件加固方法，该地下水 位下的水泥构件为饱和水泥构件，其特征在于，包括下以步骤：

1）在该饱和水泥构件一侧或多侧的通过超高压旋喷注浆泵向高速旋转的钻机的空心 钻杆内持续注入超高压纯水,从钻杆前端喷嘴喷射出高压水射流；通过高速旋转轴前端的 喷嘴超高压喷水，形成射流旋击波,波浪反复冲击剥蚀切削所述饱和水泥构件外表面的泥 皮,直至表面洁净为止；

2）再次同轴下钻，持续注入超高压水泥浆；通过高速旋转轴前端的喷嘴超高压喷出 水泥浆，形成射流旋击波,波浪反复冲击所述饱和水泥构件内的饱和孔隙水和空气,并使饱 和孔隙水和空气从所述饱和水泥构件中排出,使水泥浆渗透到所述饱和水泥构件内的孔 隙中；同时使水泥浆渗透到所述饱和水泥构件的孔隙中形成渗透浸渍粘接体与原水泥构件 的粗细骨料重新胶结生成致密水泥构件，同时形成一根辅助水泥土桩及将致密水泥构件与 辅助水泥土桩连成一体的聚凝体。

所述步骤1）中所述的空心钻杆内持续注入超高压纯水的压力可为0.5～25Mpa。

所述步骤1）纯水的压力可从小到大逐步调节到设定值。

所述步骤2）中持续注入超高压水泥浆，水泥浆中水与水泥的重量比可为1:0.6至 1:1.2。

所述步骤2）所述水泥浆的水与水泥的重量比中的水泥量的比例也可从小到大逐步调 节到设定值。

所述步骤2）中的水泥浆的压力可为1.5～40Mpa。

所述步骤2）水泥浆的压力可从小到大逐步调节到设定值。

所述超高压旋喷注浆泵采用XPB-90型超高压旋喷注浆泵；钻机采用高速旋转的 MGJ-50微型短臂钻机。

本发明的原理：采用本发明方法加固的饱和水泥构件以混凝土为例阐明原理,根据《混 凝土的孔隙》（混凝土杂志，2008年第8期）得知：干燥的混凝土内部有很多的毛细孔和 微毛细孔,呈分布连通的网状,能发生毛细作用,孔径在16～2.5nm之间变化；混凝土 还存在外部裂缝.是一种充满空气的脆性微孔结构。当其在地下水位以下工作时前述自然 环境之下的干燥混凝土变为饱和水混凝土,即干燥混凝土中的毛细孔渗入水时即把孔隙中 的空气挤出并占居了毛细孔的孔隙空间（参见水利学报第37卷第8期中的《饱和混凝土 静动力抗压强度变化的细观力学机理》一文）。

本发明利用高压旋喷技术，采用超高压注浆泵向高速旋转的高压旋喷锚杆钻机的空心 钻杆注入高压水利用地下土层中的孔隙水压力的波峰动力传递能量,清洗地下水位以下的 水泥构件的外表面，再采用超高压注液泵向高速旋转的高压旋喷锚杆钻机的空心钻杆同轴 注入高压水泥浆液,利用土层中的孔隙水压力的聚峰动力传递能量的原理来传递水泥浆液, 再利用地下水位下的饱和土层中的第二压缩波(孔隙水压力)的最快的传递速度循环反复 波击内部的饱和水泥构件中的饱和水（参见勘察科学技术2003年第二期中的《饱和细砂 动力反应及其中弹性体波》一文）；在高压输送水泥浆将饱和水泥构件内的毛细孔隙水置 换出来同时,即挤出饱和水泥构件中的孔隙水,水泥浆挤压渗透进入水泥构件毛细孔中的 孔隙。形成渗透浸渍粘接体与原水泥构件的粗细骨料重新胶结生成致密水泥构件，同时形 成一根辅助水泥土桩及将致密水泥构件与辅助水泥土桩连成一体的聚凝体；该聚凝体是通 过高速旋转轴前端的喷嘴超高压喷出水泥浆，形成的射流旋击波,撞击水泥构件表面的同 时在旋转的过程中也将土体中的粗颗粒推移撞击水泥构件表面,在旋流效应的作用下,又 将粗颗回流聚集到致密水泥构件与辅助水泥土桩之间的缝隙构成聚凝体。

经实验得出经本发明加固的致密水泥构件抗压强度实测值均高于原饱和水泥构件R28 抗压强度。

本发明的特点及有益效果

本发明解决了原水泥构件老化、强度降低、功能失效等问题。使水泥构件强度提高、 功能恢复、寿命延长，且本方法易于操作、工程造价低。

本发明可用于各领域的地下水位以下的饱和水泥构件结构中，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明用于桥梁工程排架柱的地下水位下劣化的饱和钢筋混凝土桩基进行加 固的实施例1的结构示意图；

图2为本发明用于桥梁工程的桥墩的地下水位下劣化的饱和钢筋混凝土墩基进行加 固的实施例2的结构示意图；

图3为本发明用于地铁的地下水位以下劣化的饱和混凝土防渗墙进行加固的实施例 实施例3的结构示意图；

图4为本发明用于水工围堰或深基坑的地下水位以下失效的饱和水泥土止水帷幕分 叉的修补实施例4的结构示意图。

具体实施方式

本发明设计的渗透浸渍聚凝粘结体二次融补的基坑止水帷幕，结合附图及实施例详细 说明如下:、

本发明提出的一种用渗透浸渍聚凝粘结体对地下水位下的水泥构件加固方法，该地下 水位下的水泥构件为饱和水泥构件，其特征在于，包括以下步骤：

1）在该饱和水泥构件一侧或多侧的通过超高压旋喷注浆泵向高速旋转的钻机的空心 钻杆内持续注入超高压纯水,从钻杆前端喷嘴喷射出高压水射流；通过高速旋转轴前端的 喷嘴超高压喷水，形成射流旋击波,波浪反复冲击剥蚀切削所述饱和水泥构件外表面的泥 皮,直至表面洁净为止；

2）再次同轴下钻，持续注入超高压水泥浆；通过高速旋转轴前端的喷嘴超高压喷出 水泥浆，形成射流旋击波,波浪反复冲击所述饱和水泥构件内的饱和孔隙水和空气,并使饱 和孔隙水和空气从所述饱和水泥构件中排出,使水泥浆渗透到所述饱和水泥构件内的孔 隙中；同时使水泥浆渗透到所述饱和水泥构件的孔隙中形成渗透浸渍粘接体与原水泥构件 的粗细骨料重新胶结生成致密水泥构件，同时形成一根辅助水泥土桩及将致密水泥构件与 辅助水泥土桩连成一体的聚凝体。

所述步骤1）中所述的空心钻杆内持续注入超高压纯水的压力可为0.5～25Mpa，可根 据原水泥构件的强度选择压力，只要能保证水泥构件外表面的泥皮被剥蚀切削干净即可， 若水泥构件强度小，可选择小的压力，加长作业时间来保证泥皮冲洗干净。纯水的压力也 可根据实际情况从小到大逐步调节到设定值。

所述步骤2）中持续注入超高压水泥浆中水与水泥的重量比可根据现场实验结果而定， 原水泥构件的密度越大（孔隙越小），选择的水泥的配比越小）一般为1:0.6至1:1.2。 水与水泥的重量比中的水泥量的比例也可从小到大逐步调节到设定值。水泥浆的压力可根 据原水泥构件的强度的高低及密度选择，强度越高、密度越大选择的压力越大，一般为 0.5～40Mpa。水泥浆的压力也可从小到大逐步调节到设定值。

本发明中超高压旋喷注浆泵可采用XPB-90型超高压旋喷注浆泵；钻机可采用高速旋 转的MGJ-50微型短臂钻机；也可根据作业场地的实际情况及满足能形成射流旋击波所需 要的水、浆压力，选择其它类型的超高压旋喷注浆泵及配套的钻机。

实施例1用于桥梁工程排架柱的地下水位下劣化的饱和钢筋混凝土桩基加固,该实施 例的钢筋混凝土桩设计的的钢筋混凝土强度为C25，使用了数十年后，测得所有桩基的钢 筋混凝土，强度降为C15～C20,此时采用本实施方法进行加固,加固后的结构如图1所示。

本实施例包括下以步骤：

1）在该地下土层10中饱和钢筋混凝土桩基（桩基直径为1000毫米）相对二侧各设 一点贴壁下钻，通过XPB-90型超高压旋喷注浆泵向高速旋转的MGJ-50短臂钻机的空心钻 杆内持续注入超高压纯水,水的压力从0.5Mpa逐渐增大到20Mpa,从钻杆前端喷嘴喷射出 高压水射流；通过高速旋转轴前端的喷嘴超高压喷水，形成射流旋击波,波浪反复冲击剥 蚀切削所述饱和钢筋混凝土桩基外表面的泥皮,直至表面洁净为止；本实施例采用的高压 注浆泵的泵管内径为16毫米的细钢管,钻机的空心钻杆直径为42毫米,钻杆只有一个喷嘴, 直径为2.0至2.5毫米可调；

2）再次同轴下钻，持续注入超高压水泥浆，水与水泥的重量比为1:0.6,压力为32Mpa； 通过高速旋转轴前端的喷嘴超高压喷出水泥浆，形成射流旋击波,波浪反复冲击所述饱和 钢筋混凝土桩基内的饱和孔隙水和空气,并使饱和孔隙水和空气从所述钢筋混凝土桩基中 排出,使水泥浆渗透到所述饱和钢筋混凝土桩基内的孔隙中；同时使水泥浆渗透到所述饱 和钢筋混凝土桩基的孔隙中形成渗透浸渍粘接体与原钢筋混凝土桩基的粗细骨料重新胶 结生成致密钢筋混凝土桩基11，同时形成一根辅助水泥土桩12及将致密钢筋混凝土桩基 与辅助水泥土桩连成一体的聚凝体13。

用本实施例方法加固后，取加固后的钢筋混凝土桩基的岩心测得其强度C25～C30之 间。

实施例2用于桥梁工程的桥墩的地下水位下劣化的饱和钢筋混凝土墩基加固；该实施 例的钢筋混凝土墩基设计的的钢筋混凝土强度为C30，使用了数十年后，测得桩的钢筋混 凝土，强度降为C20左右,此时采用本实施方法进行加固,加固后的结构如图2所示。

本实施例包括下以步骤：

1）在该地下土层20中饱和钢筋混凝土墩基（墩基厚度为1500毫米，长度为12米） 相对二侧各设多点贴壁下钻，通过XPB-90型超高压旋喷注浆泵向高速旋转的MGJ-50短臂 钻机的空心钻杆内持续注入超高压纯水,水的压力为25Mpa,从钻杆前端喷嘴喷射出高压水 射流；通过高速旋转轴前端的喷嘴超高压喷水，形成射流旋击波,波浪反复冲击剥蚀切削 所述饱和水泥构件外表面的泥皮,直至表面洁净为止，本实施例采用的高压注浆泵的泵管 内径为16毫米的细钢管,钻机的空心钻杆直径为42毫米,钻杆只有一个喷嘴,直径为2.0 至2.5毫米；

2）再次同轴下钻，持续注入超高压水泥浆，水与水泥的重量比为1:1.2,压力从5Mpa 逐渐增大到40Mpa；通过高速旋转轴前端的喷嘴超高压喷出水泥浆，形成射流旋击波,波浪 反复冲击饱和钢筋混凝土墩基内的饱和孔隙水和空气,并使饱和孔隙水和空气从所述饱和 钢筋混凝土墩基中排出,使水泥浆渗透到所述饱和钢筋混凝土墩基内的孔隙中；同时使水 泥浆渗透到所述饱和钢筋混凝土墩基的孔隙中形成渗透浸渍粘接体与原饱和钢筋混凝土 墩基的粗细骨料重新胶结生成致密钢筋混凝土墩基21，同时形成一根辅助水泥土桩22及 将致密钢筋混凝土墩基与辅助水泥土桩连成一体的聚凝体23。

用本实施例方法加固后，取加固后的钢筋混凝土桩基的岩心测得其强度C30左右。

实施例3用于用于地铁的地下水位以下劣化的饱和混凝土防渗墙加固；该实施例的混 凝土防渗墙设计的的混凝土强度为C30，使用了数十年后，测得混凝土强度降为C20左右, 此时采用本实施方法进行加固,加固后的结构如图3所示。

本实施例包括下以步骤：

1）在该饱和混凝土防渗墙外侧或内侧设多点贴壁下钻，通过XPB-90型超高压旋喷注 浆泵向高速旋转的MGJ-50短臂钻机的空心钻杆内持续注入超高压纯水,水的压力为20Mpa, 从钻杆前端喷嘴喷射出高压水射流；通过高速旋转轴前端的喷嘴超高压喷水，形成射流旋 击波,波浪反复冲击剥蚀切削所述饱和混凝土防渗墙外表面的泥皮,直至表面洁净为止，本 实施例采用的高压注浆泵的泵管内径为16毫米的细钢管,钻机的空心钻杆直径为42毫米, 钻杆只有一个喷嘴,直径为2.0至2.5毫米；

2）再次同轴下钻，持续注入超高压水泥浆，水与水泥的重量比为1:1,压力为30Mpa； 通过高速旋转轴前端的喷嘴超高压喷出水泥浆，形成射流旋击波,波浪反复冲击所述饱和 混凝土防渗墙内的饱和孔隙水和空气,并使饱和孔隙水和空气从所述饱和混凝土防渗墙中 排出,使水泥浆渗透到所述饱和混凝土防渗墙内的孔隙中；同时使水泥浆渗透到所述饱和 混凝土防渗墙的孔隙中形成渗透浸渍粘接体与原混凝土防渗墙的粗细骨料重新胶结生成 致密混凝土防渗墙31，同时形成一根辅助水泥土桩32及将致密混凝土防渗墙与辅助水泥 土桩连成一体的聚凝体33。

用本实施例方法加固后，取加固后的混凝土防渗墙的岩心测得其强度C25～C30之间。

实施例4用于水工围堰或深基坑的地下水位以下失效的饱和水泥土止水帷幕的分叉 进行修补,该实施例的水泥土止水帷幕强度为10MPa，施工后发现地下水位以下的饱和水泥 土止水帷幕出现分叉（围堰可取其止水帷幕的岩心发现分叉，深基坑在开挖过程中发现止 水帷幕分叉）,此时采用本实施方法进行修补,修补后的结构如图4所示。

本实施例包括下以步骤：

1）在该地下水位以下的饱和水泥土止水帷幕分叉45处下钻，通过XPB-90型超高压 旋喷注浆泵向高速旋转的MGJ-50短臂钻机的空心钻杆内持续注入超高压纯水,水的压力为 0.5Mpa,从钻杆前端喷嘴喷射出高压水射流；通过高速旋转轴前端的喷嘴超高压喷水，形 成射流旋击波,波浪反复冲击剥蚀切削水泥土止水帷幕分叉处两边的饱和水泥土止水帷幕 桩外表面的泥皮,直至表面洁净为止，本实施例采用的高压注浆泵的泵管内径为16毫米的 细钢管,钻机的空心钻杆直径为42毫米,钻杆只有一个喷嘴,直径为2.0至2.5毫米；

2）再次同轴下钻，持续注入超高压水泥浆，水与水泥的重量比为1:（0.6～1.0）, 分多次注浆，水泥浆的压力逐渐增加，从0.5～28Mpa；通过高速旋转轴前端的喷嘴超高压 喷出水泥浆，形成射流旋击波,波浪反复冲击所述饱和水泥土止水帷幕桩内的饱和孔隙水 和空气,并使饱和孔隙水和空气从所述饱和水泥土止水帷幕桩中排出,使水泥浆渗透到所 述饱和水泥土止水帷幕桩内的孔隙中；同时使水泥浆渗透到所述饱和水泥土止水帷幕桩内 的孔隙中形成与原水泥土止水帷幕桩41的粗细骨料胶结成的致密渗透浸渍粘接体44，同 时形成一根辅助水泥土桩42及将原水泥土止水帷幕桩与辅助水泥土桩连成一体的聚凝体 43。

用本实施例方法加固后，取加固后的钢筋混凝土桩基的岩心测得其强度C25～C30之 间。

上述几个实施例均为说明本发明的实现方法的举例，其中的具体使用的设备及施工参 数均不用以限定本发明的保护范围，凡根据本发明的保护范围对实施例中进行设备及施工 参数的替换。