第七章3高压喷射注浆).pptx
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1、 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
2、 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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、,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
12、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
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