7.3(高压喷射注浆)

地基处理湖南科技大学第七章浆液固化法•§7.1灌浆法•§7.2水泥土搅拌法•§7.3高压喷射注浆法主要内容地基处理湖南科技大学7.3高压喷射注浆法7.3.1概述高压喷射注浆法:是指用高压水泥浆通过钻杆由水平方向的喷嘴喷出，形成喷射流，以此切割土体并与土拌和形成水泥土加固体的地基处理方法。地基处理湖南科技大学高压喷射注浆法所形成的固结体形状与喷射流移动方向有关。一般分为:旋转喷射(简称旋喷)、定向喷射(简称定喷)和摆动喷射(简称摆喷)三种型式。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。地基处理湖南科技大学•②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。••③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。地基处理湖南科技大学⑴定喷：适用于粒径≯20mm的松散地层，获得壁状加固体。⑵摆喷：适用于粒径≯60mm的松散地层，大角度摆喷适用于粒径≯100mm的松散地层，获得块状加固体。⑶旋喷：适用于卵砾石地层及基岩残坡积层,获得柱状加固体。注意！当土中含有较多的大粒径块石、大量植物根茎或较高的有机质时，以及地下水流速过大和已涌水的工程，应根据现场试验结果确定其适用性。单管高压旋喷桩地面加固施工7.1旋喷工艺选择共70页第62页地基处理湖南科技大学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。在粘性土层中，单管旋喷桩径约0.5～0.8m，双重管旋喷桩径约0.8～1m，三重管旋喷桩径可达1.1～3.0m。为获得大直径的旋喷桩，应采用二重管旋喷或三重管旋喷。地基处理湖南科技大学•单管旋喷法：•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。地基处理湖南科技大学•二重管法：•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。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达80～150cm。地基处理湖南科技大学•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20-30MPa左右的高压喷射流周围，环绕一股0.5-0.7MPa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2-5MPa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地基处理湖南科技大学2.高压喷射注浆法的主要特征①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，使已有建筑物在施工时使用功能正常。②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0.4-4.0m的固结体，因而施工时能贴近已有建筑物，成型灵活。③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。地基处理湖南科技大学④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。⑤耐久性较好可用于永久性工程。⑥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。⑦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。地基处理湖南科技大学3.高压喷射注浆法的适用范围①土质条件适用范围适用于处理淤泥、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。②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，防液化e.降低土的含水量;f.防渗帷幕g.防止洪水冲刷地基处理湖南科技大学b.挡土围堰及地下工程建设地基处理湖南科技大学c.增大土的摩擦力和粘聚力地基处理湖南科技大学f.防渗帷幕地基处理湖南科技大学f.防渗帷幕地基处理湖南科技大学7.3.2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，能量高度集中的一股液流。2.高压喷射流的种类和构造①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。地基处理湖南科技大学②高压喷射流的构造1）单液高压喷射流的构造在空气中喷射，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。0c)100~75(dx0c)5.6~6(dx初期区域地基处理湖南科技大学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。地基处理湖南科技大学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。终期区域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。地基处理湖南科技大学2)水（浆）、气同轴喷射的构造在初期区域，由于水喷射流与空气流相冲撞及喷嘴内部表面不够光滑，致使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。主要区域内，高压水喷射流衰减，内部的大量气泡逐渐分裂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：0c048.0vx地基处理湖南科技大学3.加固地基的机理①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：mQvPAvQm2mAvP在喷嘴断面积A一定的条件下，如果要获得大的破坏力，则需要通过高压产生大的流速地基处理湖南科技大学②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。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。地基处理湖南科技大学•旋喷时，高压喷射流在地基中，把土体切削破坏，其加固范围就是喷射距离加上渗透部分或压缩部分的长度为半径的圆柱体。图7-36旋喷固结体横断面结构示意图1——浆液主体部分；2——搅拌混合部分；3——压缩部分；3——渗透部分。2134砂性土粘性土地基处理湖南科技大学•定喷时，高压喷射注浆的喷嘴不旋转，只作水平的固定方向喷射，并逐渐向上提升，便在土中冲成一条沟槽，并把浆液灌进槽中，最后形成一个板状固结体。固结体在砂性土中有部分渗透层，而在粘性土中无这一部分渗透层。浆液主体部分搅拌混合部分硬壳浆液渗透部分砂性土粘性土图7-37定喷固结体横断面结构示意图地基处理湖南科技大学③水泥与土的固结机理水泥各成分在不缺水、不干涸的情况下，继续不断地按水化程序发展、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。地基处理湖南科技大学4.加固土的基本性状①直径较大对粘性土地基加固，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两者之间。多重管旋喷注浆加固体直径为2.0-4.0m。②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。地基处理湖南科技大学③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。④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。⑤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。⑥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。地基处理湖南科技大学7.3.3设计计算1.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。2.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)。地基处理湖南科技大学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。地基处理湖南科技大学3.固结体强度①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.注浆管类型和提升速度；d.单位时间的注浆量。②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。③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。④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。地基处理湖南科技大学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：skpaspk)1(fmARmfpp1spaAqlquRiniipcuaAfR地基处理湖南科技大学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》（GB50007-2012）的有关规定计算。6.垫层:褥垫层厚度可取200-300mm，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。①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。②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。地基处理湖南科技大学42220lRe图7-38布孔孔距和旋喷注浆固结体交联图地基处理湖南科技大学图7-39定喷防渗帷幕形式示意图图7-40摆喷防渗帷幕形式示意图地基处理湖南科技大学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。①体积法②喷量法22