地基处理-高压喷射注浆法.ppt

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第六章、高压喷射注浆法概述基本工艺及浆液类型加固机理设计计算高喷灌浆施工质量检验 第一节、概述高压喷射注浆法是将注浆管放入(或钻入)预定深度后，通过地面的高压设备使安装在注浆管上的喷嘴喷出20～40MPa的高压射流冲击切割地基土体，与此同时，注入浆液与冲下的土强制混合，待凝结后，在土中形成具有一定强度的固结体，以达到改良土体的目的。 第一节、概述主要特点⑴基本不存在挤土效应，对周围地基的扰动小；⑵可根据不同土质和工程设计要求，合理选择固化剂及配方，应用较为灵活；⑶施工无振动，无噪音，污染小，可在市区和建筑物密集地带施工；⑷土体加固后，重度基本不变，软弱下卧层不致产生较大附加沉降；⑸结构型式灵活多样，可根据工程需要，选用块状，柱状、壁状、格栅状。 第一节、概述分类 第一节、概述注浆管移动方式 板墙形成定喷施工时，喷嘴在逐渐提升的同时，不旋转或按一定角度摆动，在土体中形成一条沟槽。被冲下的土粒一部分被携带流出底面，其余土粒与浆液搅拌混合，最后形成一个板(墙)状固结体。 第一节、概述适用范围主要适用于处理淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、黄土、砂土、人工填土和碎石土等地基。当土中含有较多的大粒径块石、坚硬粘性土、大量植物根茎或有过多的有机质时，应根据现场试验结果确定其适用程度。对地下水流速过大，浆液无法在注浆管周围凝固的情况，对无填充物的岩溶地段，永冻土以及对水泥有严重腐蚀的地基，均不宜采用高压喷射注浆法。 第一节、概述应用范围⑴已有建筑物和新建建筑的地基处理，提高地基强度，减少建筑物的沉降和不均允沉降；⑵深基坑侧壁挡土或挡水以保护邻近建筑物及保护地下工程建设；⑶基坑底部加固、防止管涌与隆起；⑷坝体的加固及防水帷幕；⑸边坡加固及隧道顶部加固。 第二节基本工艺及浆液类型基本工艺：单管法、二重管法、三重管法和多重管法等四种方法。单管法：利用钻机把安装在注浆管（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，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，便在土中形成一定形状的固结体，日本称为CCP工法。 第二节基本工艺及浆液类型单管法 第二节基本工艺及浆液类型二重管法: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左右压力的浆液，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中喷出。在高压浆液和它外圈环绕气流的共同作用下，破坏土体的能量显著增大，最后在土中形成较大的固结体。固结体的范围明显增加，日本称为JSG工法。 第二节基本工艺及浆液类型二重管法 第二节基本工艺及浆液类型三重管法:使用分别输送水、气、浆三种介质的三重注浆管。在以高压泵等高压发生装置产生20-30MPa左右的高压水喷射流的周围，环绕一股0.5-0.7MPa左右的圆筒状气流，进行高压水喷射流和气流同轴喷射冲切土体，形成较大的空隙，再另由泥浆泵注入压力为0.5-3MPa的浆液填充，喷嘴作旋转和提升运动，最后便在土中凝固为较大的固结体.日本称CJP工法。 第二节基本工艺及浆液类型三重管法 第二节基本工艺及浆液类型多重管法:这种方法首先需要在地面钻—个导孔，然后置入多重管，用逐渐向下运动的旋转超高压力水射流(压力约40MPa)，切削破坏四周的土体，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、砾石等材料进行填充：于是在地层中形成一个大直径的柱状固结体，在砂性土中最大可达4m，日本称为SSS-MAN工法。 第二节基本工艺及浆液类型多重管法 第二节基本工艺及浆液类型浆液类型1、普通型2、速凝早强型3、高强型4、抗渗型 第二节基本工艺及浆液类型1、普通型一般采用325号或425号硅酸盐水泥浆，不加任何外加剂，水灰比为1：1～1.5：1，固结体28天的抗压强度最大可达1.0～20MPa，对一般无特殊要求的工程宜采用普通型。 第二节基本工艺及浆液类型2、速凝早强型对地下水发达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％。以使用氯化钙为例，纯水泥浆与土的固结体的一天抗压强度为1MPa，而掺入2％氯化钙的水泥土固结体抗压强度为1.6MPa，掺人4％氯化钙的水泥土固结体抗压强度为2.4MPa。 第二节基本工艺及浆液类型3、高强型喷射固结体的平均抗压强度在20MPa以上称为高强型。提高固结体强度的方法有选择标号水泥，或选择高效的扩散剂和无机盐组成的复合配方。 第二节基本工艺及浆液类型4、抗渗型在水泥浆中掺人2％～4％的水玻璃，其抗渗性能就有明显提高。纯水泥浆与掺入水玻璃的水泥浆的渗透系数土样类别水泥品种水泥含量（%）水玻璃含量（%）28天渗透系数（cm/s）细砂425号硅酸盐水泥4002.3×10-64028.5×10-8粗砂425号硅酸盐水泥4001.4×10-64022.1×10-8 第二节基本工艺及浆液类型浆液类型如工程以抗渗为目的者，则最好使用“柔性材料”。可在水泥浆液中掺人10％～50％的膨润土(占水泥量的百分比)。对有抗渗要求时，不宜使用矿渣水泥。 国内较常用的添有外加剂的旋喷射浆液配方表序号外加剂成分及百分比浆液特性1氯化钙2～4促凝、早强、可灌性好2铝酸钠2促凝、强度增长慢，稠度大3水玻璃2初凝快、终凝时间长、成本低4三乙醇胺0.03～0.05食盐1有早强作用5三乙醇胺0.03～0.05食盐1钙2～4促凝、早强、可喷性好6氯化钠（或水玻璃）2“NNO”0.5促凝、早强、强度高、浆液稳定性好 国内较常用的添有外加剂的旋喷射浆液配方表序号外加剂成分及百分比浆液特性7氯化钠1亚硝酸钠0.5三乙醇胺0.03～0.05防腐蚀、早强、后期强度高8粉煤灰25调节强度、节约水泥9粉煤灰25氯化钙2促凝、节约水泥10粉煤灰25硫酸钠1三乙醇胺0.03促凝、早强、节约水泥11粉煤灰25硫酸钠1三乙醇胺0.03有早强、抗冻性好12矿渣25提高固结体强度、节约水泥13矿渣25氯化钙2促凝、早强、节约水泥 第三节加固机理及适用范围加固原理高压水喷射流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的、能量高度集中的一股液流。 第三节加固机理及适用范围喷射流的速度与功率 第三节加固机理及适用范围高压喷射流的种类和构造高压喷射注浆所用的喷射流共有四种：（1）单管喷射流为单一的高压水泥浆喷射流；（2）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，组成为复合式高压喷射流：（3）三重管喷射流由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：（4）多重管喷射流为高压水喷射流。四种喷射流破坏土体的效果不同，但其构造可划分为单液高压喷射流和水（浆）、气同轴喷射流二种类型。 第三节加固机理及适用范围分单液高压喷射流和水(浆)气同轴喷射流。A区：主要区域分为喷射核和迁移区 第三节加固机理及适用范围高压喷射流由三个区域组成:保持出口压力P0的初期区域A、紊流发达的主要区域B和喷射水变成不连续喷流的终期区域C等三部分。初期区域：喷嘴出口处速度分布均匀，轴向动压是常数，保持速度均匀的部分向前面逐渐愈来愈小，达到某一位置后，断面上的流速分布不再均匀。速度分布保持均匀部分称为喷射核（E区段），喷射核末端扩散宽度稍有增加，轴向动压有所减小的过渡部分称为迁移区（D区段）。初期区域的长度是喷射流的一个重要参数，可据此判断破碎土体和搅拌效果。 第三节加固机理及适用范围初期区域后为主要区域:轴向动压陡然减弱，喷射扩散宽度和距离平方根成正比，扩散率为常数，喷射流的混合搅拌在这一部分内进行。主要区域后为终了区域:到此喷射流能量衰减很大，末端呈雾化状态，这一区域的喷射能量较小。喷射加固的有效喷射长度为初期区域长度和主要区域长度之和，若有效喷射长度愈长，则搅拌土的范围愈大，喷射加固体的直径也愈大。 第三节加固机理及适用范围加固机理三管高喷法用压缩空气包裹高压喷射水流冲击破坏搅动土体，同时用低压灌浆泵灌入浆液，浆液被高压水、气射流卷吸带入，同时与被搅动土体混合形成固结体。加固地基，形成桩、板、墙的机理可用五种作用来说明。 旋喷固结体横断面 第三节加固机理及适用范围加固机理1.高压喷射流切割破坏土体作用喷流动压以脉冲形式冲击土体，使土体结构破坏出现空洞。2.混合搅拌作用钻杆在旋转和提升的过程中，在射流后面形成空隙，在喷射压力作用下，迫使土粒向与喷嘴移动相反的方向(即阻力小的方向)移动，与浆液搅拌混合后形成固结体。 第三节加固机理及适用范围3.置换作用三重管高喷法又称置换法，高速水射流切割土体的同时，由于通入压缩空气而把一部分切割下的土粒排出灌浆孔，土粒排出后所空下的体积由灌入的浆液补入。4.充填、渗透固结作用高压浆液充填冲开的和原有的土体空隙，析水固结，还可渗入一定厚度的砂层而形成固结体。 第三节加固机理及适用范围5.压密作用高压喷射流在切割破碎土体的过程中，在破碎带边缘还有剩余压力，这种压力对土层可产生一定的压密作用，使高喷桩体边缘部分的抗压强度高于中心部分。 第四节、设计计算（一）室内配方与现场喷射试验（二）旋喷直径确定（三）承载力计算（四）地基变形计算（五）孔位设计（六）浆量计算 第四节、设计计算（一）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。对规模较大及性质较重要的工程，设计完成之后，要在现场进行试验，查明喷射固结体的直径和强度，验证设计的可靠性和安全度。 第四节、设计计算（二）旋喷直径确定1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）。2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3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。 第四节、设计计算旋喷直径确定 第四节、设计计算旋喷直径确定对粘性土地基加固，单管旋喷注浆加固体直径一般为0.3-0.8m：三重管旋喷注浆加固体直径可达0.7-1.8m；二重管旋喷注浆加固体直径介于以上二者之间。多重管旋喷直径为2.0-4.0m。旋喷桩的设计直径见前表。定喷和摆喷的有效长度约为旋喷桩直径的1.0-1.5倍。 第四节、设计计算（三）承载力计算用旋喷桩处理的地基，应按复合地基设计。旋喷桩复合地基承载力标准值应通过现场复合地基载荷试验确定，也可按公式计算或结合当地情况与其土质相似工程的经验确定。 第四节、设计计算计算公式式中fspk—复合地基承载力标准值fs,k——桩间天然地基土承载力标准值Ae——一根桩承担的处理面积，m2Ap——桩的平均截面积，m2；β——桩间天然地基土承载力折减系数，可根据试验确定，无试验资料时，可取0.2～0.6，当不考虑桩间软土的作用时，可取零； 第四节、设计计算也可按下列二式计算，并取其中较小值：式中fcu,k—桩身试块(边长为0.07m的立方体)的无侧限抗压强度平均值，kPa；η——强度折减系数，可取0.35～0.5；d——桩的平均直径，m；hi—桩周第i层土的厚度，m；qsi—桩周第i层土的摩擦力标准值，可采用钻孔灌注桩侧壁摩擦力标准值，kPa；qp—桩端天然地基土的承载力标准值(kPa)n—桩长范围内所划分的土层数； 第四节、设计计算（四）地基变形计算旋喷桩的沉降计算应为桩长范围内复合土层以及下卧层地基变形值之和，计算时应按国家标准建筑地基基础设计规范的有关规定进行计算。 第四节、设计计算复合土层的压缩模量可按下式确定：式中Esp——旋喷桩复合土层压缩模量kPaES—桩间土的压缩模量，可用天然地基土的压缩模量代替kPa；EP—桩体的压缩模量，可采用测定混凝土割线模量的方法确定kPa 第四节、设计计算（五）孔位设计加固地基：正方形、矩形或梅花形布置，孔距一般为旋喷桩径的3-4倍。防渗堵水工程：多采用定喷、摆喷，地层含的粒径较粗时多采用摆喷或旋喷。对处理深度大于20m的复杂地层最好按双排或三排布孔，使旋喷桩形成堵水帷幕。孔距应为1.73R(R为旋喷固结体半径)，排距1.5R时最经济。一般定喷、摆喷孔距为1.2～2.5m，旋喷为0.8～1.2m。防渗效果一般可达10-5～10-6cm/s。 第四节、设计计算孔位设计 第四节、设计计算相邻孔定喷连接形式(a)单喷咀单墙首尾连挂；(b)双喷咀单墙前后对接；(c)双喷咀单墙折线连接；(d)双喷咀双墙折线连接；(e)双喷咀夹角单墙连接；(f)单喷咀扇形单墙首尾连接；(e)双喷咀扇形单墙前后对接；(h)双喷咀扇形单墙折线连接。 第四节、设计计算摆喷连接形式 第四节、设计计算施工布置形式 第四节、设计计算（六）浆量计算体积法喷量法取其大者作为设计喷射浆量。根据计算所需的喷浆量和设计的水灰比，即可确定水泥的使用数量。 第四节、设计计算体积法式中Q—需要用的浆量，m3；De——旋喷管直径，m3；D0—注浆管直径，m3；k1—填充率(0.75～0.9)；h1—旋喷长度，m；k2—未旋喷范围土的填充率(0.5～0.75)；h2—未旋喷长度，m；β—损失系数(0.1～0.2)。 第四节、设计计算喷量法式中Q—需要用的浆量，m3；V——提升速度，m／min；H——喷射长度，m；q——单位时间喷浆量m3／min；β——损失系数，0.1～0.2。 第四节、设计计算防渗止水帷幕设计防渗止水帷幕的形式1.柱列型；2.柱墙型；3.定喷防渗帷幕；4.摆喷防渗帷幕；5.复合型防渗帷幕。 第四节、设计计算防渗止水帷幕注浆孔孔距计算⑴定(摆)喷防渗帷幕孔距计算；①根据试喷结果确定喷射板墙的有效长度；②根据孔深、孔斜及喷射夹角计算：⑵旋喷桩防渗帷幕孔距计算①单排桩孔距计算：②多排桩：L＝0.866DS＝0.75D 第四节、设计计算防渗止水帷幕插入深度确定⑴防渗帷幕达不透水层防渗帷幕应尽量插入不透水层，保证不发生管涌。按以下两式计算：⑵防渗帷幕在透水层中一方面采取降水措施；一方面增加插入深度： 第五节、高喷灌浆施工施工机具施工流程施工程序 第五节、高喷灌浆施工施工机具钻孔机械喷射注浆设备 第五节、高喷灌浆施工三重管施工机具布置图 第五节、高喷灌浆施工(一)钻机高压喷射注浆工艺要求所用的钻机除具有一般钻机功能外，还能带动注浆管以10～20r/min的慢速转动和以5～25cm/min慢速提升。(二)高压泵：高压泥浆泵和高压水泵；(三)泥浆泵；(四)空压机；(五)浆液搅拌机； 第五节、高喷灌浆施工不同的喷头形式 第五节、高喷灌浆施工各种高压喷射注浆法主要施工机器及设备一览表 第五节、高喷灌浆施工施工流程 第五节、高喷灌浆施工施工程序 第五节、高喷灌浆施工施工顺序1、钻机就位钻机安放在设计孔位并保持垂直，施工时喷管的允许倾斜度不得大于1.5％。2、钻孔单管旋壁常用76型旋转振动钻机，钻探可达30m以上，适用于标准贯入度小于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进。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。钻孔的位置与设计位置的偏差不得大于50mm。 第五节、高喷灌浆施工3、插管将喷管插入地层预定的深度。使用76型振动钻机钻孔时，插管与钻孔两道工序合二为一。用地质钻机钻孔完毕，必须拨出岩芯管换上旋喷管插入到预定深度。插管过程中，为防止泥砂堵塞喷咀，可边射水，边插管。水压力一般不超过1MPa。 第五节、高喷灌浆施工4、喷射作业喷管插入后，由下而上进行喷射作业，参数如表。必须时刻注意检查浆液初凝时间、注浆流量、风量、压力、旋转提升速度等参数是否符合设计要求，做好记录，绘制作业过程曲线。当浆液初凝时间超过20h，应及时停止使用该水泥浆液(正常水灰比1：1，初凝时间为15h左右)。 第五节、高喷灌浆施工5、冲注喷射施工完毕后，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。6、移动机具将钻机等机具设备移到新孔位上。 第五节、高喷灌浆施工常用高压喷射注浆主要工艺技术参数 第六节、质量检验检验点布置检验内容检验方法 第六节、质量检验检验点布置1.建筑物荷载大的部位；2.防渗帷幕中心线上；3.施工中出现异常情况的部位；4.地质情况复杂，可能出现高压喷射注浆质量产生影响的部位。 第六节、质量检验检验内容1、固结体的整体性和均匀性；2、固结体的有效直径；3、固结体的垂直度；4、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)；5、固结体的溶蚀和耐久性能。 第六节、质量检验检验内容6、喷射质量的检验：（1）施工前后，主要通过现场旋喷试验，了解设计采用的旋喷参数、浆液配方和选用的外加剂材料是否合适，固结体质量能否达到设计要求。（2）施工后，对喷射施工质量的鉴定，一般在喷射施工过程中或施工告一段落时进行：检查数量应为施工总数的2％～5％，少于20孔的工程，至少要检验2个点。喷射注浆处理地基的强度较低，28d的强度在1～10Mpa间，强度增长速度较慢，检验时间应在喷射注浆后四周进行。 第六节、质量检验检验方法开挖检验钻孔取芯标准贯入试验动测法载荷试验； 第六节、质量检验开挖检验在开挖基槽和凿除桩头时，应对桩数、桩位、桩径及桩头强度进行检查，如发现漏桩、桩位和桩径偏差过大、桩头强度偏低等质量事故，必须采取补救措施。挖桩检查法一般要求按桩总数2%的取样频率挖桩检查桩的成型情况，然后分别在桩顶以下50cm、150cm等部位砍取足尺桩头，进行无侧限抗压强度试验。 第六节、质量检验钻孔取芯在已旋喷好的固结体中钻取岩芯，并将岩芯做成标准试件进行室内物理和力学性能的试验。根据工程的要求亦可在现场进行钻孔，做压力注水和抽水两种渗透试验，测定其抗渗能力。钻孔取芯法采用地质钻机进行全程钻孔取芯样(一般龄期28d)，这是目前旋喷桩质量检测中常用方法，测定效果较好。但检测时间长、钻孔费用高，取样少。 第六节、质量检验标准贯入试验在旋喷固结体的中部可进行标准贯入试验。通过标准贯入击数N63.5来评定桩身水泥土强度，在标准贯入试验的同时，进行取芯，通过芯样观察、描述，可以了解水泥土搅拌均匀性，同时必要时芯样可送回实验室，进行抗压试验，确定其强度。 第六节、质量检验动测法动测法主要是指小应变动测法，它是基于一维波动理论，利用弹性波的传播规律来分析桩身完整性。显然动测法检测速度快，测试简单，因旋喷注浆体强度较高，在有经验的地区可以用动测法桩评价桩身质量，同时在采用动测法测试时要充分注意旋喷桩成桩直径变化较大的特点。 第六节、质量检验载荷试验静载荷试验分垂直和水平载荷试验两种。垂直载荷试验时，需在顶部0.5～1.0m范围内浇筑0.2～0.3m厚的钢筋混凝土桩帽。水平推力载荷试验时，在固结体的加载受力部位，浇筑0.2～0.3m厚的钢筋混凝土加荷截面，混凝土的标号不低于C20。载荷试验是检验建筑地基处理质量的良好方法，有条件的地方应尽量采用。