第七章3高压喷射注浆).pptx

旋喷法施工时，喷嘴一边喷射一边旋转和提升，固结体呈圆柱状。主要用于加固地基，提高地基的抗剪强度，改善地基土的变形性质，也可组成闭合的帷幕，用于截阻地下水流和治理流砂。旋喷法施工后，在地基中形成的圆柱体，简称旋喷桩。定喷法施工时，喷嘴一边喷射一边提升，喷射的方向固定不变，固结体形如板状或壁状。钻机注浆管喷头旋喷固结体高压泥浆泵浆桶水箱搅拌机水泥仓摆喷法施工时，喷嘴一边喷射一边提升，喷嘴的方向呈较小的角度来回摆动，固结体形如较厚的墙板状。定喷和摆喷两种方法通常用于基坑防渗、改善地基土的水流性质及稳定边坡等工程。摆喷喷射注浆管旋喷定喷冒浆射流板墙桩沈阳地铁1号线加固 (1)高压喷射注浆法的工艺类型 高压喷射注浆法的基本工艺类型有：单管法、二重管法、三重管法和多重管法等四种方法。单管法 单管旋喷法是利用钻机等设备，把安装在注浆管（单管）底部侧面的特殊喷嘴，置入土层预定深度后，用高压泥浆泵等装置，以20MPa左右的压力，把浆液从喷嘴中喷射出去冲击破坏土体，同时借助注浆管的旋转和提升运动，使浆液与从土体上崩落下来的土搅拌混合，经过一定时间凝固，便在土中形成圆柱状的固结体，如图7-21所示。日本称之为CCP工法。单管旋喷桩试验现场 二重管法 使用双通道的二重注浆管，当二重注浆管钻进到土层的预定深度后，通过在管底部侧面的一个同轴双重喷嘴，同时喷射出高压浆液和空气两种介质的喷射流冲击破坏土体。即以高压泥浆泵等高压发生装置喷射出20MPa左右的浆液，从内喷嘴中高速喷出，并用0.7MPa左右压力把压缩空气从外喷嘴喷出。在高压浆液和它外圈环绕气流的共同作用下，破坏土体能量显著增大，喷嘴一边喷射一边旋转和提升，最后在土体中形成直径明显增加的柱状固结体（图7-22），达80150cm。日本称之为JSG工法。三重管法 使用分别输送水、气、浆三种介质的三重注浆管。在以高压泥浆泵等高压发生装置产生2030MPa左右的高压喷射流周围，环绕一股0.50.7MPa左右的圆筒状气流，进行水、气同轴喷射冲切土体，形成较大的空隙，再另由泥浆泵注入压力为25MPa的浆液充填，喷嘴作旋转和提升运动，最会便在土中凝固为较大的固结体（图7-23）。日本称之为CJP工法。多重管法 这种方法首先需要在地面钻一个导孔，然后置入多重管，用逐渐向下运动的旋转超高速压力水射流（压力约40MPa），切削破坏四周土体，经高压水冲击下来的土和石成为泥浆后，立即用真空泵从多重管中抽出。如此反复地冲和抽，便在地层中形成一个较大的空间。装在喷嘴附近的超声波传感器及时测出空间的直径和形状，最后根据工程要求选用浆液、砂浆、砾石等材料进行充填。于是在地层中形成一个大直径的柱状固结体，在砂性土中最大直径可达4m（图7-24）。这种方法日本称为SSS-MAN工法。(2)高压喷射注浆法的主要特征 适用范围广 由于固结体的质量明显提高，它既可用于工程新建之前，又可用于竣工后的托换工程，可以不损坏建筑物的上部结构，且能使已有建筑物在施工时使用功能正常。施工简便 施工时只需在土层中钻一个孔径为50mm或300mm的小孔，便可在土中喷射成直径为0.44.0m的固结体，因而施工时能贴近已有建筑物，成型灵活，既可在钻孔的全长范围形成柱型固结体，也可仅作其中一段。可控制固结体形状 在施工中可调整旋喷速度和提升速度、增减喷射压力或更换喷嘴孔径改变流量，使固结体形成工程设计所需要的形状。可垂直、倾斜和水平喷射 通常是在地面上进行垂直喷射注浆，但在隧道、矿山井巷工程、地下铁道等建设中，亦可采用倾斜和水平喷射注浆。耐久性较好 由于能得到稳定的加固效果并有较好的耐久性，所以可用于永久性工程。料源广阔 浆液以水泥为主体。在地下水流速快或含有腐蚀性元素、土的含水量大或固结体强度要求高的情况下，则可在水泥中掺入适量的外加剂，以达到速凝、高强、抗冻、耐蚀和浆液不沉淀等效果。设备简单 高压喷射注浆全套设备结构紧凑、体积小、机动性强，占地少，能在狭窄和低矮的空间施工。(3)高压喷射注浆法的适用范围 土质条件适用范围 高压喷射注浆法适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或可塑粘性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地基。工程使用范围 a.提高地基强度 b.挡土围堰及地下工程建设 c.增大土的摩擦力和粘聚力 d.减少振动，防止液 e.降低土的含水量 f.防渗帷幕 g.防止洪水冲刷 2.加固机理 (1)高压水喷射流的性质 高压水喷射流是通过高压发生设备，使它获得巨大能量后，从一定形状的喷嘴，用一种特定的流体运动方式，以很高的速度连续喷射出来，能量高度集中的一股液流。(2)高压喷射流的种类和构造 高压喷射流的种类 a.单管喷射流为单一高压水泥浆喷射流；b.二重管喷射流为高压浆液喷射流与其外部环绕的压缩空气喷射流组成，组成为复合式高压喷射流；c.三重管喷射流为高压水喷射流与其外部环绕的压缩空气喷射流组成，亦为复合式高压喷射流；d.多重管喷射流为高压水喷射流。高压喷射流的构造 a.单液高压喷射流的构造 1)初期区域：包括喷射核和迁移段。高压喷射流在喷嘴出口处的流速是均匀分布的，轴向动压是常数，保持着高速均匀地向下游延伸，射流宽度逐渐增加，当达到某一位置后，断面上的速度不再保持均匀。在整个喷射流中，速度分布保持均匀的部分称为喷射核，由于边界气流的渗入，喷射核越来越小乃至消失。在喷射核末端一过渡阶段，称迁移段。在空气中喷射，初期区域为 在水中喷射,初期区域为 在空气中射流的初期区域的长度比在水中约大10倍。2)主要区域：轴向动压陡然减弱，喷射流速度进一步降低，它的扩散率为常数，扩散宽度和距离的平方根呈正比。在土中喷射时，喷射流与土在本区域内搅拌混合。3)终期区域：喷射流处于能量衰竭状态，喷射流宽度很大，雾化度高，水滴成雾化状，与空气混合在一起，最后消散在大气中。高压喷射加固的有效喷射长度为初期区域和主要区域长度之和。有效喷射长度愈长，则劈裂土的距离越大，喷射加固体的直径也愈大。b.水（浆）、气同轴喷射的构造 在初期区域，水喷射流的速度保持喷嘴出口的速度，但由于水喷射流与空气流相冲撞及喷嘴内部表面不够光滑，一致从喷嘴射出的水流较紊乱，再加以空气和水流的相互作用，在高压喷射水流中形成气泡，喷射流受到干扰，在初期区域的末端，气泡与水喷射流的宽度一样。在迁移区域，高压水喷射流与空气开始混合，出现较多的气泡。在主要区域内，高压水喷射流衰减，内部含有大量气泡，气泡逐渐分裂破坏，成为不连续的细水滴状，同轴喷射流的宽度迅速扩大。水（浆）、气同轴喷射流初期区域长度可用以下经验公式表示：(3)加固地基的机理 高压喷射流对土体的破坏作用 破坏土体结构强度的最主要因素是喷射动压，根据动量定律，在空气中喷射时的破坏力为：水（浆）、气同轴喷射流对土体的破坏作用 单液喷射流虽具有巨大的能量，但由于压力在土中急剧衰减，因此破坏土的有效射程短，致使旋喷固结体的直径较小。当在喷嘴出口的高压水（浆）喷射流周围加上圆筒状空气射流，进行水（浆）、气同轴喷射时，空气流使水或浆的高压喷射流从破坏土体上将土粒迅速吹散，使高压喷射流的喷射破坏条件得到改善，阻力大大减少，能量消耗降低，因而增大了高压喷射流的破坏能力，形成的旋喷固结体直径较大。水泥与土的固结机理 水泥与水拌和后，首先产生铝酸三钙水化物和氢氧化钙，它们可溶于水，但溶解度不高，很快就达到饱和，这种化学反应连续不断地进行，就析出一种胶质物体。这种胶质物体有一部分混在水中悬浮，后来就包围在水泥微粒的表面，形成一层胶凝薄膜。所生成的硅酸二钙水化合物几乎不溶于水，只能以无定形体的胶质包围在水泥微粒的表层，另一部分渗入水中。由水泥各种成分所生成的胶凝膜，逐渐发展起来成为胶凝体，此时表现为水泥的初凝状态，开始有胶结的性质。水泥各成分在不缺水、不干涸的情况下，继续不断地按上述水化程序发展、增强和扩大，从而产生下列现象：1)胶凝体增大并吸收水分，使凝固加速，结合更密；2)由于微晶（结晶核）的产生进而产生出结晶体，结晶体与胶凝体相互包围渗透并达到一种稳定状态，这就是硬化的开始；3)水化作用继续深入到水泥微粒内部，使未水化部分再参加以上的化学反应，直到完全没有水分以及胶质凝固和结晶充盈为止。但无论水化时间持续多久，很难将水泥微粒内核全部水化完毕，所以水化过程是一个长久的过程。(4)加固土的基本性状 直径较大 旋喷桩的直径大小与土的种类和密实程度有密切的关系，对粘性土地基加固，单管旋喷注浆加固体直径一般 为 0.30.8m；三 重 管 旋 喷 注 浆 加 固 体 直 径 可 达0.71.8m；二重管旋喷注浆加固体直径介于以上两者之间。多重管旋喷注浆加固体直径为2.04.0m。固结体形状可不同 在匀质土中，旋喷的圆柱体比较匀称；而在非匀质土中或有裂隙土中，旋喷的圆柱体不匀称，甚至在圆柱体旁长出翼片。重量轻 固结体内部土粒少并含有一定数量的气泡。因此，固结体的重量较轻，轻于或接近原状土的密度。粘性土固结体比原状土轻约10%，但砂类土固结体比原状土重10%。渗透系数小 固结体虽有一定的孔隙，但这些孔隙并不贯通，而且固结体有一层较致密的硬壳，其渗透系数达10-6cm/s或更小，故具有一定的防渗性能。固结强度高 土体经过喷射后，土粒重新排列，水泥等浆液含量大。由于一般外侧土颗粒直径大，数量多，浆液成分也多，因此在横断面上中心强度低，外侧强度高，与土交换的边缘有处有一圈坚硬的外壳。单桩承载力高 旋喷柱状固结体有较高的强度，外形凹凸不平，因此有较大的承载力，固结体直径愈大，承载力愈高。(3)设计计算 室内配方与现场喷射试验 为了解喷射注浆固结体的性质和浆液的合理配方，必须取现场各层土样，在室内按不同的含水量和配合比进行试验，优选出最合理的浆液配方。固结体尺寸 a.固结体尺寸主要取决于下列因素：1)土的类别及其密实程度；2)高压喷射注浆方法（注浆管的类型）；3)喷射技术参数(包括喷射压力与流量，喷嘴直径与个数，压缩空气的压力、流量与喷嘴间隙，注浆管的提升速度与旋转速度)。b.在无试验资料的情况下，对小型的或不太重要的工程，可根据经验选用表7-9所列数值。c.对于大型的或重要的工程，应通过现场喷射试验后开挖或钻孔采样确定。(3)固结体强度 固结体强度主要取决于下列因素：a.土质；b.喷射材料及水灰比；c.注浆管的类型和提升速度；d.单位时间的注浆量。固结体强度设计规定按28d强度计算。试验证明，在粘性土中，由于水泥水化物与粘土矿物继续发生作用，故28d后的强度将会继续增长，这种强度的增长作为安全储备。注浆材料为水泥时，固结体抗压强度的初步设定可参考表7-11。对于大型的或重要的工程，应通过现场喷射试验后采样测试来确定固结体的强度和渗透性等性质。(4)竖向承载旋喷桩复合地基承载力特征值 用旋喷桩处理的地基，应按复合地基设计。竖向承载旋喷桩复台地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定。初步设计时，也可按下式计算：(5)沉降计算 桩长范围内复合土层以及下卧层地基变形应按现行国家标准建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）的有关规定计算。(6)垫层 褥垫层厚度可取200300mm，其材料可选用中砂、粗砂、级配砂石等，最大粒径不宜大于30mm.(7)布孔形式和孔距。加固地基竖向承载 竖向承载旋喷桩的平面布置可根据上部结构和基础特点确定。独立基础下的桩数一般不应少于4根。堵水防渗 堵水防渗工程，最好按双排或三排布孔形成帷幕（图7-38）。孔距应为L=1.73R0(R0为旋喷桩设计半径)，排距为l.5R0最为经济。定喷和摆喷是一种常用的防渗堵水方法，由于喷射出的板墙薄而长，不但成本较旋喷低，而且整体连续性亦高。(8)浆量计算 浆量计算有两种方法，即体积法和喷量法，取其大者作为设计喷射浆量。体积法 喷量法 (9)浆液材料与配方 浆液特性 a.有良好的可喷性 目前，国内基本上采用以水泥浆为主剂，掺入少量外加剂的喷射方法，水灰比一般采用1:11.5:1就能保证较好的喷射效果。浆液的可喷性用流动度和粘度来评定。b.有足够的稳定性 浆液的稳定性好坏直接影响到固结体的质量。以水泥浆为例，其稳定性好系指浆液在初凝前析水率小、水泥的沉降速度慢、分散性好以及浆液混合后经高压喷射而不改变其物理化学性质。掺入少量外加剂能明显地提高浆液的稳定性，常用的外加剂有：膨润土、纯碱、三乙醇胺等。浆液的稳定性可用浆液的析水率来评定。c.气泡少 如固结体硬化后就会有许多气孔，从而降低喷射固结体的密度，导致固结体强度及抗渗性能降低。应选择非加气型的外加剂，不能采用起泡剂。比较理想的外加剂是代号为NNO的外加剂。d.调剂浆液的胶凝时间 胶凝时间是指从浆液开始配制起，到与土体混合后逐渐失去其流动性为止的这段时间。胶凝时间由浆液的配方、外加剂的掺量、水灰比和外界温度而定。一般从几分钟到几小时，可根据施工工艺及注浆设备来选择合适的胶凝时间。e.有良好的力学性能 影响抗压强度的因素很多，如材料的品种、浆液的浓度、配比和外加剂等。f.无毒、无臭 浆液对环境不污染，对人体无害，属非易燃易爆物品；浆液对注浆设备、管路无腐蚀性并容易清洗。g.结石率高 固化后的固结体有一定的粘结性，能牢固地与土粒相粘结。要求固结体耐久性好，能长期耐酸、碱、盐及生物细菌等腐蚀，并且不受温度、湿度的变化而变化。浆液配方 a.普通型 一般采用强度等级为32.5号硅酸盐水泥浆，不加任何外加剂，水灰比为1:11.5:1，固结体28d的抗压强度最大可达1.020MPa。b.速凝早强型 对地下水发达的的工程需要在水泥浆中掺入速凝早强剂，因纯水泥浆的凝固时间太长，浆液易被冲蚀而不固结。常用的早强剂有氯化钙、水玻璃和三乙醇胺等，用量为水泥用量的2%4%。c.高强型 喷射固结体的平均抗压强度在20MPa以上称为高强型。高强型配方为由地基加固发展为加筋桩提供了可能性，扩大了桩的适用范围。提高固结体强度的方法有：1)选择高标号水泥 2)选择高效能的扩散剂和无机盐组成的配方。d.填充剂型 把粉煤灰等材料作为填充剂加入水泥浆中会极大地降低工程造价，它的特点是早期强度低，而后期强度增长率高、水化热低。e.抗冻型 在冻土带未冻前对土进行喷射注浆，并在所用的喷射浆液中加入抗冻剂，可防止土体冻胀。一般使用的抗冻剂为：1)水泥沸石粉浆液 2)水泥三乙醇胺、亚硝酸钠浆液 3)水泥扩散剂NNO浆液 f.抗渗型 在水泥浆中掺入2%4%的水玻璃，其抗渗性能就有明显提高，如表7-12所示，使用的水玻璃模数要求在2.43.4之间较为合适，浓度要求3040波美度为宜。4.施工 (1)施工机具 施工机具主要由钻机和高压发生设备两大部分组成。(2)施工工艺 施工程序 a.钻机就位 钻机安放在设计的孔位上并应保持垂直，施工时旋喷管的允许倾斜度不得大于1.5。b.钻孔 单管旋喷常使用76型旋转振动钻机，钻进深度可达30m以上，适用于标准贯入击数小于40的砂土和粘性土层。当遇到比较坚硬的地层时宜用地质钻机钻孔。一般在二重管和三重管旋喷法施工中都采用地质钻机钻孔。c.插管 插管是将喷管插入地层预定的深度。d.喷射作业 当喷管插入预定深度后，由下而上进行喷射作业。e.冲洗 喷射施工完毕后，应把注浆管等机具设备冲洗干净，管内、机内不得残存水泥浆。通常把浆液换成水，在地面上喷射，以便把泥浆泵、注浆管和软管内的浆液全部排除。f.移动机具。将钻机等机具设备移到下一个孔位上。施工注意事项 a.施工前应根据现场环境和地下埋设物的位置等情况，复核高压喷射注浆的设计孔位。b.喷射注浆前要检查高压设备和管路系统。c.水泥浆液的水灰比应按工程要求确定，可取0.81.5，常用1.0。d.为了加大固结体尺寸，或在深层硬土中为了避免固结体尺寸减小，可以采用提高喷射压力、泵量或降低回转与提升速度等措施，也可以采用复喷工艺。e.在喷射注浆过程中，应观察冒浆的情况，以便及时了解土层情况、喷射注浆的大致效果和喷射参数是否合理。f.对冒浆应妥善处理，及时清除沉淀的泥渣。g.在软弱地层旋喷时，固结体强度低。可以在旋喷后注入M15砂浆来提高固结体的强度；在湿陷性地层进行高压喷射注浆成孔时，如用清水或普通泥浆作冲洗液，会加剧沉降，此时宜用空气洗孔。在砂层尤其是干砂层中旋喷时，喷头的外径不宜大于注浆管，否则易夹钻。h.当处理既有建筑地基时，在浆液未硬化前，有效喷射范围内的地基因受到扰动而强度降低，因此应采用速凝浆液(或跳孔喷射)和冒浆回灌等措施，以防喷射过程中地基产生附加变形和地基与基础间出现脱空现象。i 当喷射注浆过程中出现下列异常情况时，需查明原因并采取相应措施。1)流量不变而压力突然下降时，应检查各部位的泄漏情况，必要时拔出注浆管，检查密封性能。2)出现不冒浆或断续冒浆时，若是土质松软则视为正常现象，可适当进行复喷；若是附近有空洞、通道，则应不提升注浆管继续注浆直至冒浆为止或拔出注浆管待浆液凝固后重新注浆。3)压力稍有下降时，可能系注浆管被击穿或有孔洞，使喷射能力降低。此时应拔出注浆管进行检查。4)压力陡增超过最高限值、流量为零、停机后压力仍不变动时，则可能系喷嘴堵塞。应拔管疏通喷嘴。5.质量检验 检验内容 检验内容包括：固结体的整体性和均匀性；固结体的有效直径；固结体的垂直度；固结体的强度特性(包括桩的轴向压力、水平力、抗酸碱性、抗冻性和抗渗性等)；固结体的溶蚀和耐久性能。(2)检验点布置 有代表性的桩位；施工中出现异常情况的部位；地基情况复杂，可能对高压喷射注浆质量产生影响的部位。(3)抽检数量 检验点的数量为施工孔数的1%，并不应少于3点。检验宜在高压喷射注浆结束28d后进行。竖向承载旋喷桩地基竣工验收时，承载力检验应采用复合地基载荷试验和单桩载荷试验。载荷试验必须在桩身强度满足试验条件，并宜在成桩28d后进行。检验数量为桩总数的0.51，且每项单体工程不应少于3点。