第八章化学加固3高压喷射注浆

地基处理Groundimprovement＊第五章化学加固＊＊第五章化学加固＊主要内容本章主要内容：掌握化学加固的几种方法的加固原理和设计方法，基本了解各种方法的施工注意事项等。重点和难点：灌浆法、水泥土搅拌法和高压喷射注浆法的加固机理和设计方法。＊第五章化学加固＊化学加固法指利用水泥浆液、粘土浆液或其它化学浆液，通过气压、液压或电化学原理，采用灌注压入、高压喷射或深层搅拌，使浆液与土颗粒胶结起来，以改善地基土的物理和力学性质的地基处理方法。适用范围：因成本较高，通常只限于用在加固土体范围较小且用其他地基加固方法不能解决的一些特殊工程问题中。主要包括灌浆法、高压喷注浆法和水泥土搅拌法＊第五章化学加固＊5.3高压喷射注浆高压喷射注浆法是利用高压喷射化学浆液与土混合固化处理地基的一种方法。它是将带有特殊喷嘴的注浆管，置入预定的深度后，以高压(20～40MPa)喷射冲击破坏土体，并使浆液与土混合，经过凝结固化形成固体。高压喷射装置注浆法处理深度可达8～12m。＊第五章化学加固＊1)加固地基，提高地基的抗剪强度;2)改善土的变形性质，使其在上部荷载直接作用下，不产生破坏或过大的变形;3)组成闭合的帷幕，用于截阻地下水流和治理流沙。高压喷射注浆的目的＊第五章化学加固＊旋喷法施工时，喷嘴边喷射边旋转和提升，固结体呈圆柱状。主要用于加固地基，提高地基承载力、改善土的变形性质、也可组成闭合的帷幕，用于截阻地下水流。定喷法施工时，喷嘴一面喷射一面提升，喷射的方向固定不变，固结体形如壁状，通常用于基坑防渗、改善地基土的水流性质和稳定边坡等工程。摆喷法施工时，喷嘴一面喷射一面提升，喷射的方向成较小角度来回摆动，固结体形如板状或壁状，通常用于基坑防渗、改善地基土的水流性质和稳定边坡等工程。按喷射流移动轨迹1.高压喷射注浆法分类＊第五章化学加固＊例：高压喷射注浆的喷射方式有（）。A、旋喷；B、定喷；C、摆喷；D、摇喷；答案：A、B、C＊第五章化学加固＊按注浆管类型单管法、二重管法、三重管法、多重管法单管旋喷注浆法是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，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。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，喷嘴一面喷射一面旋转和提升，最后在图中形成圆柱状固结体，其直径明显增加。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20MPa左右的高压水喷射流的周围，环绕一股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2～5MPa的浆液填充，喷嘴作旋转和提升运动，最后便在土中凝固为直径较大的圆柱状固结体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，如此反复的冲和抽，便在地层中形成一个较大的空间。装载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，在砂性土中最大直径可达4m。单管浆液双管内浆外气三管气水浆前3种属于半置换法，后一种属于全置换法。＊第五章化学加固＊例：高压喷射注浆双管法，是指同轴复合喷射（）。A、高压水流；B、高压水泥浆；C、压缩空气；D、水泥干粉；答案：B、C例：高压喷射注浆三管法，是指同轴复合喷射（）。A、高压水流；B、高压水泥浆；C、压缩空气；D、水泥干粉；答案：A、B、C＊第五章化学加固＊2.高压喷射注浆法的优点(一)适用范围较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，且能使已有建筑物在施工时使用功能正常。(二)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0.4～4m的固结体，因而施工时能贴近已有建筑物,成型灵活，既可在钻孔的全长形成柱型固结体，也可仅作其中一段。(三)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。＊第五章化学加固＊2.高压喷射注浆法的优点(四)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。(五)耐久性较好因能得到稳定的加固效果及较好的耐久性，可用于永久性工程。(六)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。(七)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。＊第五章化学加固＊3.适用范围(一)土质条件适用范围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。＊第五章化学加固＊（二）工程适用范围1．增加地基强度(1)提高地基承载力的托换工程。(2)减少建筑物沉降，加固持力层或软弱下卧层。2．挡土围堰及地下工程建设(1)保护邻近构筑物；(2)保护地下工程建设；(3)防止基坑底部隆起；3．增大土的摩擦力和粘聚力(1)防止小型坍方滑坡；(2)隧道、地下铁道水平开挖旋喷支挡(3)锚固基础。＊第五章化学加固＊4．防渗帷幕(1)基坑防渗墙；(1)河堤水池的防漏及坝基防渗；(2)帷幕井筒；(3)防止盾构和地下管道漏水漏气；(4)地下连续墙补缺；＊第五章化学加固＊4.加固机理高压喷射注浆喷射流种类（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喷射流，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。以上4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）、气同轴喷射流两种类型＊第五章化学加固＊A.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。4.加固机理破坏土的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mQvF2mAvF所以，要取得较大破坏力，需要增加喷射压力，一般要求高压脉冲泵的工作压力在20MPa以上。＊第五章化学加固＊B.水气同轴喷射流对土的破坏作用当进行水气同轴喷射时，空气流使水或浆的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，形成更大直径固结体。水气同轴喷射流构造图＊第五章化学加固＊C.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。D.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。E.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。F.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。＊第五章化学加固＊a.旋喷桩成桩＊第五章化学加固＊b.定喷桩成桩＊第五章化学加固＊在纵断面上，当地层不均匀呈多层分布时部分质量大的土粒，在固化之前，受重力作用而下沉，部分小土粒会上浮，作垂直交换。若上部土层为砂砾、下部为粘性土，旋喷后，粘性土部位的旋喷桩不是土－浆混合体而是砂－土混合物。在大砾石中，喷射流因砾石的体大量重，不能切削颗粒或者使其移动和重新排列，喷射流只能通过其空隙，充满周围的空隙。浆液向四周挤压，其固化机理接近渗透理论。＊第五章化学加固＊G.水泥与土的固结机理土颗粒与水泥水化物的作用离子交换和团粒化作用碳酸化作用水泥的水解和水化反应硬凝反应＊第五章化学加固＊5.加固土的基本性状直径固结体形状重量渗透系数强度耐久性单桩承载力单管旋喷注浆加固体直径0.3～0.8m二重管旋喷注浆加固体直径介于单、三之间三重管旋喷注浆加固体直径0.7～1.8m多重管旋喷注浆加固体直径2～4m定喷和摆喷的有效长度约为旋喷桩直径的1～1.5倍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，轻于或接近于原状土的密度。粘性土固结体比原状土轻约10%，但砂类土固结体也可能比原状土重10%。固结体中有孔隙，但不贯通，所以渗透系数较小，具有一定防渗性外侧土颗粒直径大，数量多，浆液成分也多，所以中心强度低，外侧强度高，与土交接处还有一圈坚硬的外壳。有较大承载力，且固结体直径越大，承载力越高。＊第五章化学加固＊6.设计与计算(1)旋喷直径的确定通常应根据估计直径来选用喷射注浆的种类和喷射方式。对于大型的或重要的工程，估计直径应在现场通过试验确定。在无试验资料的情况下，对小型的或不太重要的工程，可根据经验选用表中所列数值。可采用矩形或梅花形布桩型式。＊第五章化学加固＊(2)地基承载力计算a.单桩容许承载力—桩身试块(边长为70．7mm的立方体)的无侧限抗压强度平均值(kPa)；—桩身强度折减系数，可取0.35～0.50；—桩的平均截面积(m2);cufpApcuaAfR（1）＊第五章化学加固＊—桩的周长(m)；—桩周第i层土的容许摩阻力。对淤泥可取4～7kPa；对淤泥质土可取6～12kPa；对粘性土可取10～15kPa；—桩周第i层土的厚度(m)；—桩端地基土未经修正的承载力特征值(kPa)，可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）的有关规定确定；pupuilpq（2）ppniisipaAqlquR1siq（1）和（2）计算值取小值＊第五章化学加固＊b.复合地基承载力计算用旋喷桩处理的地基，应按复合地基设计。复合地基承载力特征值应通过复合地基现场载荷试验确定，也可按以下经验公式确定：─复合地基承载力特征值(kPa);─面积置换率；─桩的截面积(m2)；─桩间天然地基土承载力特征值(kPa)，可取天然地基承载力特征值；─桩间土承载力折减系数，可根据试验或类似土质条件工程经验确定，当无试验资料或经验时，可取0～0.5,承载力较低时取低值。─单桩竖向承载力特征值(kN)。skpaspkfmARmf)1(spkfmApskfaR（3）＊第五章化学加固＊(3)地基沉降计算旋喷桩沉降变形s包括桩长范围内复合土层的平均压缩变形s1与桩端下未加固土层的压缩变形s2。其中复合土层的压缩模量仍按照复合模量法计算：spespeppspEmmEAEAAEAE)1()(—搅拌桩复合土层的压缩模量(kPa)；—桩体的压缩模量，可采用测定混凝土割线模量的方法确定；—桩间土的压缩模量(kPa)，可用天然地基土的压缩模量代替。spEpEsE＊第五章化学加固＊防渗堵水工程设计时，旋喷桩最好按双排或三排布孔形成帷幕。孔距L应为1.73R0，排距为1.5