用渗透浸渍聚凝粘结体对地下水位以上水泥构件加固方法
【专利摘要】本发明涉及用渗透浸渍聚凝粘结体对地下水位以上水泥构件加固方法，属于土木工程结构加固【技术领域】，该法包括：对地下水位以上相对干燥或非饱和水泥构件一侧或多侧，通过高压旋喷注浆泵向空心钻杆内持续注入高压水，注水后，原相对干燥水泥构件就会演变成为饱和水泥构件；再对该水泥构件内饱和孔隙水用高压旋喷水泥浆进行置换，当高压旋喷水泥浆把原水泥构件内饱和孔隙水彻底置换出来后，水泥浆在高速旋转的波浪压力作用之下，挤入到混凝土孔隙中，使水泥浆渗透到饱和水泥构件孔隙中形成渗透浸渍粘接体，与原水泥构件粗细骨料重新胶结生成致密水泥构件。本发明使水泥构件强度提高、功能恢复、寿命延长，方法简单、易操作、造价低，实用性强。
【专利说明】用渗透浸渍聚凝粘结体对地下水位以上水泥构件加固方法
【技术领域】
[0001]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溃聚凝粘结体对地下水泥构件的结构加固技术。
【背景技术】
[0002]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、地铁的粧基、矿井地下结构，海岸的地下混凝土结构，深基坑等等。上述这些长期在地表面以下至地下水位以上的环境中工作的混凝土、水泥土等等水泥构件，经常处于干燥的或非饱和状态。地下的地下水位之上的这些水泥结构构件表面的微观裂纹、孔隙、处于缺水的干燥状态，导致水泥构件的保护层易于碳化，强度降低，使其老化、使用寿命缩短。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种用渗透浸溃聚凝粘结体对地表面以下至地下水位以上的的水泥构件的加固方法。本发明不仅可以对地下水位以上的各种水泥构件进行加固，而且还可以对地下水位以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。特别申明:本发明专利研究的对象，是‘地表面以下至地下水位以上区段的水泥构件的加固’。对于海洋、河流及水库等等的河(库)水位水面以下至河(库)床底面以上的水泥构件，不是此专利技术研究的对象；
[0004]此专利技术研究的对象除了包括地表面以下至地下水位以上区段的水泥构件的加固之外，还囊括了地下的地下水位以下的水泥构件的加固。地下的地下水位以下的水泥构件的加固，可用发明专利申请号为201310048334.1《渗透浸溃聚凝粘结体二次融补的基坑止水帷幕及基构建方法》、发明专利申请号为201310048314.4《用渗透浸溃聚凝粘结体对地下水位下的水泥构件加固方法》、实用新型专利申请号为ZL201320070818.1《渗透浸溃凝结体二次融补的基坑止水帷幕》，这三项专利技术加固处理是非常成功的。
[0005]本发明提出一种用渗透浸溃聚凝粘结体对地下的地下水位之上的水泥构件加固方法，该地下的地下水位之上的水泥构件为干燥的或非饱和的水泥构件，其特征在于，包括以下步骤:
[0006]I)在该干燥的或非饱和的水泥构件一侧或多侧，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闻压纯水，从钻杆如端喷嘴喷射出闻压水射流；通过闻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非饱和水泥构件外表面的泥皮，直至表面洁净为止，使原地下的地下水位以上的干燥的或非饱和的水泥构件演变成为饱和的水泥构件；
[0007]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，形成渗透浸溃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(这一形成过程，简称为‘置换’)，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。
[0008]所述步骤I)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。
[0009]所述步骤I)纯水的压力可从小到大逐步调节到设定值。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]所述步骤2)中的水泥浆的压力可为1.5?40Mpa。
[0013]所述步骤2)水泥浆的压力可从小到大逐步调节到设定值。
[0014]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。
[0015]本发明的原理:采用本发明方法加固地下的地下水位以上的干燥的或非饱的水泥构件，使其转化为饱和水泥构件，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，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。当其在地下的地下水位之上工作时前述自然环境之下的干燥混凝土存在外部裂缝.是一种充满空气的脆性微孔结构，当按步骤I施实后，原地下的地下水位以上的干燥水泥构件，或非饱和的水泥构件均演变成为了饱和的水泥构件；即干燥混凝土中的毛细孔能发生毛细作用，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)。
[0016]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，使原本干燥的地表面以下至地下水位以上的水泥构件的周边，干燥的土壤环境变为有一定含水量的饱和土壤环境，利用注水改良后的地下的地下水位以上的饱和土层中，后补充的孔隙水压力的波峰动力传递能量，清洗地下的地下水位以上的水泥构件的外表面，再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同轴注入高压水泥浆液，利用改良后的饱和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，再利用地下的地下水位以上的通过改良后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。形成渗透浸溃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。
[0017]经实验得出经本发明加固的干燥的或非饱和的水泥构件，使其转换为饱和的水泥构件，再把饱和的水泥构件中的饱和水置换为水泥浆液，使水泥浆液占居干燥或非干燥水泥构件的孔隙，使其成为加固后的致密水泥构件，并对致密水泥构件抗压强度进行实测，其实测值均高于原干燥的或非饱和水泥构件R28抗压强度。
[0018]本发明的特点及有益效果
[0019]本发明不仅解决了原地下水位之上的水泥构件的老化、强度降低、功能失效等问题；而且还可解决地下水位以下的水泥构件的老化、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。
[0020]本发明除了可以用于各领域的地下的地下水位以上的干燥的或非饱和的水泥构件结构之外，还可用于各领域的地下水位以下的饱和水泥构件结构之中，具有广泛的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明用于桥梁工程排架柱的地下的地下水位之上的干燥的或劣化的非饱和钢筋混凝土桩基进行加固的实施例1的结构示意图；
[0022]图2为本发明用于渡槽工程的槽墩的地下的地下水位之上的干燥的或劣化的非饱和钢筋混凝土墩基进行加固的实施例2的结构示意图；
【具体实施方式】
[0023]本发明设计的渗透浸溃聚凝粘结体对地下水位以上的水泥构件加固，结合附图及实施例详细说明如下:
[0024]本发明提出的一种用渗透浸溃聚凝粘结体对地下的地下水位以上的水泥构件加固方法，该地下的地下水位以上的水泥构件为干燥的或非饱和的水泥构件，其特征在于，包括以下步骤:
[0025]I)在该干燥的或非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闻压纯水，从钻杆如端喷嘴喷射出闻压水射流；通过闻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，使原地下的地下水位以上的干燥的或非饱和的水泥构件演变成为饱和的水泥构件；
[0026]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溃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。
[0027]所述步骤I)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。
[0028]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。
[0029]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。
[0030]实施例1用于桥梁工程排架柱的地下的地下水位之上的干燥的或劣化的非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。
[0031]本实施例包括下以步骤:
[0032]I)处在地下的地下水位16以上的水泥构件，在地下的地下水位16以上的各种土层令其为10，在该地下的地下水位以上的10 土层中的干燥的或非饱和的钢筋混凝土桩基(粧基直径为1000晕米)相对二侧各设一点贴壁下钻，从地面标闻14钻至粧底设计标闻15为止，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，
[0033]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，使地下水位16以上的水泥构件和地下水位16以上的10 土层均由干燥或半湿润状态转化为饱和状态，通过高速旋转轴前端的喷嘴超高压喷水，在饱和的10 土层中形成射流旋击波，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；
[0034]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溃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。
[0035]用本实施例方法加固后，取加固后的地下的地下水位以上的钢筋混凝土桩基的岩心测得其强度C25~C30之间。
[0036]实施例2用于水利工程中的渡槽的槽墩的地下的地下水位以上的干燥的或劣化的非饱和钢筋混凝土槽墩墩基加固；该实施例的钢筋混凝土墩基设计的的钢筋混凝土强度为C25，使用了数十年后，测得槽墩的钢筋混凝土，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。
[0037]本实施例包括下以步骤:[0038]I)处在地下的地下水位26以上的水泥构件，在地下的地下水位26以上的各种土层令其为20，在该地下的地下水位以上的20 土层中的干燥的或非饱和钢筋混凝土槽墩墩基(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，从地面标高24钻至槽墩墩底设计标高25为止，
[0039]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，
[0040]使地下水位26以上的水泥构件和地下水位26以上的20 土层均由干燥或半湿润状态转化为饱和状态，通过高速旋转轴前端的喷嘴超高压喷水，在饱和的20 土层中形成射流旋击波，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；
[0041]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，波浪反复冲击非饱和钢筋混凝土槽墩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槽墩墩基中排出，使水泥浆渗透到所述饱和钢筋混凝土槽墩墩基内的孔隙中；同时使水泥浆渗透到所述饱和钢筋混凝土槽墩墩基的孔隙中，形成渗透浸溃粘接体与原饱和钢筋混凝土墩墩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槽墩墩基与辅助水泥土桩连成一体的聚凝体23。
[0042]用本实施例方法加固后，取加固后的地表面以下至地下水位以上的钢筋混凝土槽墩墩基的岩心测得其强度C30左右。
[0043]上述两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均属本专利保护的范围。
【权利要求】
1.一种用渗透浸溃聚凝粘结体对地表面以下至地下水位以上的水泥构件加固方法，该地下水位上的水泥构件为干燥的或非饱和的水泥构件，其特征在于，该方法包括以下步骤: 1)在干燥的或非饱和的水泥构件一侧或多侧，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，使干燥的或非饱和的水泥构件转化为饱和的水泥构件，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溃粘接体，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。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤I)中所述的空心钻杆内持续注入超高压纯水的压力可为5?25Mpa。
3.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述步骤I)纯水的压力从小到大逐步调节到设定值。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，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为1: 0.6至1: 1.2。
5.如权利要求4所述方法，其特征在于，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从小到大逐步调节到设定值。
6.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤2)中的水泥浆的压力为5?40Mpa。
7.如权利要求6所述方法，其特征在于，所述步骤2)水泥浆的压力从小到大逐步调节到设定值。
8.如权利要求1所述方法，其特征在于，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。
【文档编号】E02D15/04GK103741730SQ201410013315
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月13日 优先权日:2014年1月13日
【发明者】龚金京 申请人:龚金京