高压旋喷注浆原理及施工.doc

- 1 -中国地质大学（武汉）岩土钻掘设备课程设计课题名称：高压喷射注浆工艺汇 报 人：孔海潮小组成员：李立辰 张田田 孔海潮 张继超 张 良 余子烨 李洲院 系：工程学院 班 级：051123 专 业：地质工程（岩土钻掘方向）指导老师：卢春华- 21 -23中国地质大学（武汉）前言2第一章 高压喷射注浆法的定义与种类2 第一节 高压喷射注浆法的定义2第二节 高压喷射注浆法的种类2 第二章 高压喷射注浆法旳特点及适用条件5第一节 高压喷射注浆法的主要特点5 第二节 高压喷射注浆法的适用条件5第三章 高压喷射注浆法加固机理8 第一节 喷射流的相关性质8 第二节 高压喷射流对土体的破坏作用10第三节 高压喷射流成桩（壁）机理10 第四章 高压喷射注浆机械12 第一节 施工机具12 第五章 施工工艺.17第一节 高压喷射注浆工艺流程见图17 第二节 施工要点18第三节 常见施工问题及处理.19 -展望19前言1960年日本在中西涉博士发明了单管高压旋喷注浆法(CCP工法)以后,又相继开发了二重管高压旋喷注浆法(JGS工法)、三重管高压旋喷注浆法(GJG工法),他们在三重管高压旋喷注浆法的基础上,开发的555一MAN施工法(SuPer5011stabilizationManagement)和RJP(超高压旋喷注浆法,RodinJetPile)工法,旋喷直径最大可达4m,其研究的全方位高压旋喷注浆法(MJS工法),是一种全方位(水平和倾斜方向)大孔径旋摆喷技术,该技术包括喷头测试装置和排泥处理装置。近年来,日本又把高压喷射注浆法与深层水泥浆液搅拌法结合起来,同时发挥机械搅拌和射流搅拌两者的优点,形成了深层喷射搅拌混合法。高压喷射注浆技术的发明,完善了注浆技术体系,使施工注浆结构体成为现实。低压的渗透注浆可使土体不变形、浆液充填土颗粒间孔隙、附加地应力较小,中压的压密注浆造成土体变形、浆液与土体共同形成似柱状固结体、附加地应力较大,较高压的劈裂注浆能够破坏土体、产生树状固结体、附加地应力较大,而高压喷射注浆利用高压将土体切割后部分获全部排出、浆液在切割范围内均匀搅拌或置换形成高强度的结构体、附加地应力小,注浆技术成为较完整的技术体系。高压喷射注浆技术的发展促进了注浆材料的发展,使成本低廉的水泥浆材逐步替代化学浆材,进一步减小了对环境的污染和降低工程造价。我国注浆技术起步较晚但发展迅速,上世纪50年代开始初步掌握注浆技术,60年代开始在继水电行业进行坝基基础注浆,静压注浆法在许多行业的矿山井巷、软基加固、边坡治理等领域得到应用,70年代末在铁路行业开始进行高压喷射注浆法的研究和应用,随后在冶金、煤炭、水电、建筑、交通等各部门进行了大量的工程应用。历经四十余年的发展,我国注浆技术得到了成熟的进步,注浆材料和注浆设备均实现了自行研制和生产,注浆技术水平已可跻身国际先进行列。第一章 高压喷射注浆法的定义与种类第一节 高压喷射注浆法的定义高压喷射注浆，就是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至土层预定深度后，以20-40MPa的压力把浆液或水从喷嘴中喷射出来，形成喷射流冲击破坏土层，当能量大、速度快和动脉状的射流动压大于土层结构强度时，土颗粒便从土层中剥落下来。一部分细颗粒随浆液或水冒出地面，其余土粒在射流的冲击力、离心力和重力等力的作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例和质量大小，有规律的重新排列，浆液凝固后，便在土层中形成一个固结体。 固结体的形状与高压喷射流的作用方向、移动轨迹和持续时间有密切关系。当喷射流作360旋转（旋喷）时，固结体呈圆形；喷射流束固定一个方向喷射（定喷）时，固结体为条形；喷射流作顺、逆时针方向小于180往复喷射（摆喷）时，固结体呈扇形。第二节 高压喷射注浆法的种类高压喷射注浆法按照喷射流的移动方式、注浆管的类型分为不同的种类，如下表：高压喷射注浆法分类表分类依据类型主要特点喷射流的移动方式旋转喷射（旋喷）喷嘴在喷射时，边提升边旋转，固结体呈圆柱状定向喷射（定喷）喷嘴在喷射时，只提升不旋转，固结体呈壁装摆动喷射（摆喷）喷嘴在喷射时，边提升边以一定角度正反转动注浆管类型单（重）管使用单层（根）注浆管喷射浆液（压力20MPa左右）双（重）管使用双层（根）注浆管喷射浆液，气体同轴射流（浆液压力20MPa左右，气体压力0.7MPa左右）三（重）管使用三重（根）注浆管，一个喷射嘴射水，气体同轴射流切割土体，另一个喷嘴喷入浆液（水压20MPa，气体0.7MPa，浆压25MPa）作为地基加固，通常采用旋喷注浆的形式使加固在土体中成为均匀的圆柱体或异形圆柱体。现代科学技术的发展，促进了注浆法进一步完善与提高，由于不断的改进工艺和研制新型的机具，旋喷技术有了较快的发展，自单管旋喷法问世以来，在短短的几年内，二重管旋喷法和三重管旋喷法相继达到了实用程度。到20世纪70年代中期，已经逐渐形成了一套体系，它的基本工艺类型有以下三种：1.单管法 单管注浆法是利用钻机等设备，把安装在注浆管（单管）底部2.二重管法3.三重管法第二章 高压喷射注浆法旳特点及适用条件第一节 高压喷射注浆法的主要特点以高压喷射流直接冲击破坏土体，浆液与土体自行搅拌为均匀的固结体的高压喷射注浆法，从施工方法、加固质量到适用范围，不但与静压注射方法有所不同，而且与其他地基处理方法相比，更有独到之处，主要的特点如下：1.适用的范围较2.施工方便3.固结体形状可以控制4.确保固结体的强度5.有较好的耐久性6.料源广泛，价格低廉7.浆液集中，流失较少8.设备简单，管理方便9.生产安全10.无公害第二节 高压喷射注浆法的适用条件一土质条件高压喷射注浆法适用于处理淤泥、粘性土、黄土、沙土、人工填土和碎石土等地基。但当土中含有较多的大粒径块石、坚硬黏性土、大量植物茎或含有过多的有机质时，处理效果较差，有时可能不如静压注浆，故应根据现场试验结果来确定其适用性。当地层有地下水径流、永久冻土层和无填充物的岩溶地段，不宜采用。二应用范围高喷灌浆的应用范围如下：（1） 已有建筑物和新建建筑的地基处理，提高地基强度，减少或整治建筑物的沉降或不均匀沉降（2） 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，见图14-6和图14-7（3） 基坑底部加固，防止管涌与隆起，见图14-8（4） 坝体的加固及防水帷幕（5） 边坡加固及隧道顶部加固，见图14-10第三章 高压喷射注浆法加固机理第一节 喷射流的相关性质 单相喷射流的构造单相液体以高压从喷嘴喷出后，所形成的高压喷射流由三个区域构成，即保持出口压力的初期区域A、紊乱发达的主要区域B和喷射流变得不连续的终期区域C。在初期区域中，喷嘴出口处速度分布是均匀的，轴向动压是个常数，随着与喷嘴距离的增加，保持均匀分布的部分越来越窄，知道某一位置，断面上的流速分布不再均匀，速度分布保持均匀的这一部分称为喷射核（E区段），轴向动压有所减小的过度部分称为迁移区（D）。初期区域的长度是喷射流的一个重要参数，可根据此判断破坏土体和搅拌效果。在主要区域，轴向动压陡然减弱，喷射流扩散宽度与距离的平方根成正比，喷射流的混合搅拌在这一部分内进行。在终期区域，喷射流能量衰减很大，末端呈雾化状态，当喷射流摄入饱和介质或水中时，这一区域一般不存在，比如当在地下水位下喷浆时，就会出现这种情况。喷射流的有效喷射长度为初期区域长度和主要区域长度之和，有效喷射长度愈长，搅拌土的范围愈大，所形成固体的直径也越大。单相喷射流的动压衰减规律在空气中和水中喷射得到的压力与距离关系如下图：空气帷幕对水（浆）射流动压衰减的影响单相射流喷射射入周围介质后，与周围介质进行动量交换，使动压迅速衰减，其衰减程度与周围介质有关。单相射流在水中喷射时，其衰减程度比在空气中喷射时要快的多。见图，如果采用双相同轴射流在水中喷射，即在水射流外围环绕空气射流，空气帷幕将减缓水射流的衰减，使有效喷射长度增加，见图。在土中喷射时，水高压射流在空气帷幕的保护下，喷射破坏条件得到改善，阻力大大减小，动压衰减变缓，因而增大了高压射流的破坏能力，所形成的加固体的直径也相应增大。第二节 高压喷射流对土体的破坏作用高压射流破坏土体的作用是多方面的，包括射流动压、射流脉动负荷、水锤冲击力、空穴现象、水契效应、挤压力及气流液流搅动等因素，其中以喷射动压作用为主，由动量定理，喷射流在空气中喷射时，其破坏力为：F=式中，F为破坏力；为喷射介质的密度；Q为流量；Vm为喷射流的平均速度。 由上式可知，当喷射流介质密度和喷嘴断面一定时，要取得更大的破坏力，就要增加平均流速，也就要增加喷射压力，一般要求高压泵的工作压力在20MPa以上，使喷射流有足够的能量冲击破坏土体。但单纯的依靠增大喷射压力来提高喷射切割效果，在能量上浪费很大，不是获得较大桩径的最好办法。在喷射中，有效射流长度内的土体结构被破坏至喷射流的终期区域，能量衰减很大，不能冲击切割土体，但能对有效射流边界的土产生挤压力，有挤密效果，并使部分浆液进入土粒之间的空隙中，使固结体与四周土连接紧密。第三节 高压喷射流成桩（壁）机理旋喷成桩机理旋喷时，高压射流边旋转边缓慢上升，对周围的土体进行切削破坏，被切削下来的一部分细小的土颗粒被喷射浆液置换，被液流携带到地表（称为冒浆），其余的土颗粒在喷射动压、离心力和重力的共同作用下，在横断面按质量大小重新排列，形成一种新型的水泥土网络结构，一般小颗粒在中部位置居多，大颗粒多分布在外侧或边缘部分，四周未被切削下来的土体被挤密压缩。在砂类土中还有一部分浆液渗透在压缩层外，形成渗透层。旋喷施工形成的固结体的横断面结构见图。旋喷桩体各部分的水泥含量和强度不同，一般水泥含量为30%-50%。根据有关实测资料，旋喷桩体的平均抗压强度为0.8倍半径处的强度。定（摆）喷成壁机理定喷施工时，喷嘴在逐渐提升的同时，不旋转或按某一角度摆动，在土体中冲出一条沟壑。被冲下的土粒一部分被携带流出地面。其余土粒与浆液搅拌混合，最后形成一个板状固结体，在砂土中还有一个渗透层。定喷固结体横断面结构，见图。 第四章 高压喷射注浆机械第一节 施工机具高压喷射注浆的施工机具包括钻孔机械和喷射注浆设备两大类。(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的功能外，还能带动注浆管以1020r/min慢速转动和以525cm/min慢速提升。若钻机不具备上述两种功能，则施工时应配备旋喷机机配合使用，或只用钻机成孔，下人注浆管后用人工旋转注浆管，卷扬机提升注浆管。表4.1.1是专门为高压喷射注浆施工而设计的振动钻机技术性能。这类钻机适用于标贯击数N值小于40的淤泥土层、黏性土层、砂类土层和砂砾层。表4.1.1(二)高压泵国内常用的高压泥浆泵和高压水泵的技术性能见表4.1.2、表4.1.3。表4.1.2表4.1.3(三)泥浆泵国内常用的泥浆泵的技术性能见表4.1.4。表4.1.4(四)空压机国内常用的空压机的技术性能见表4.1.5。表4.1.5(五)浆液搅拌机GM系列搅拌机，这些搅拌设备装有用来生产水泥浆液的自动和手动控制系统。其主要组成部分包括:电子称重装置，带有配水系统的搅拌机，带有搅拌器的贮存装置、气动系统和电器系统等。GM7和GM12的技术性能见表4.1.6。表4.1.6 (六)注浆管总成1.单层注浆管总成包括单层注浆管、单管导流器和单管喷头。单层注浆管一般用外径50mm或42mm的地质钻杆。每根长1-3. 5m，其连接螺纹处要采取密封措施。TY一101型单管导流器的结构如图4.1.1。图4.1.1单管喷头的结构如图4.1.2。图4.1.2平头型单管喷头底端镶有硬质合金，可以钻进碎石土或较硬夹层。圆锥型单管喷头底端没有硬质合金，适用于黏性土。 2.二重注浆管总成包括二重管导流器、二重注浆管和二重管喷头。TY一201型二重管导流器的结构TY一201型二重注浆管的结构如图4.1.3。外管规格:42mm X 5mm，内管规格:18mm G 2mm。图4.1.3TY一201型二重管喷头的结构如图4.1.4。其侧面有浆、气同轴喷嘴，其环状间隙为1一2mm 图4.1.43.三重注浆管总成包括三重注浆管、三重管导流器和三重管喷头。 4.喷嘴（1）喷嘴类型。喷嘴是直接影响射流质量的主要因素之一。射流喷嘴通常有圆柱型、收敛圆锥型和流线型三种，图4.1.5。由试验结果表明，流线型喷嘴的射流特性最好，但这种喷嘴加工困难，故很少采用，而收敛圆锥型喷嘴的射流系数与流线型喷嘴很接近，见表4.1.7，而加工又较容易，因此在实际工作中使用较多。图4.1.5表4.1.7 (2)喷嘴结构。喷嘴的结构参数主要包括喷嘴的内圆锥角和喷嘴出口直径do1)喷嘴出口直径do。在喷射压力、喷射泵量和喷嘴个数已经确定的情况下，do可由下式求出。式中，d。为喷嘴出口直径，mm，常用的喷嘴直径为2-3.5mm;Q为喷射泵量，L/min;为流量系数，对圆锥型喷嘴可取=0. 95;为流速系数，良好的圆锥型喷嘴可取=0. 97; p为喷嘴入口压力，MPa;为喷射液体密度，g/cm3;n为喷嘴个数。2)内圆锥角。当喷嘴圆锥角为13-14时，喷射流的流量损失和速度损失最小，则喷射流的动量损失最小，喷射流的初期区域长度最大，见图4.1.6 图4.1.6图4.1.7在实际应用中，根据射流特性好同时又易加工的原则，喷嘴内孔的几何形状一般由圆锥段和圆柱段构成，并将进口端加工成喇叭形，见图4.1.7。圆柱段的长度对喷射流的初期区域长度有影响，由图4.1.8可看出，当圆柱段长度L与喷嘴直径d。的比值为4时，初期区域长度最大。 图4.1.8 二重旋喷管和三重旋喷管所用的喷嘴结构较复杂，在圆锥型喷嘴外侧还要套一个环状气流喷嘴，形成双相同轴流，增加喷射流破坏土体的能力。根据试验资料和三重管旋喷工艺特点，目前使用的三重管水喷嘴为收敛圆锥型，圆锥角为l.3, L/do = 3 - 4,喷嘴直径do为1. 5mm，2. Omm，2. 5mm，3. Omm，3. 2mm，3. 5mm，3. 8mm，圆锥段长1=15-L，其具体结构见图4.1.9，气水同轴的环状间隙一般调至l-2mm.(3)喷嘴材质及加工要求。喷射水时，可用45号钢并进行热处理使其硬度达HRC45以上;喷射水泥浆时，磨耗大，要求具有较好的耐磨性，宜用硬合金钢(YG8)制造。喷嘴内表面的光洁度要求较高，如果光洁度不够，喷射流的局部水头损失较大，且喷出后射流表面层产生旋转涡流，使射流过早离散雾化。一般要求喷嘴内表面粗糙度不低于1.0。图4.1.9第五章 施工工艺第一节 高压喷射注浆工艺流程见图第二节 施工要点(1)喷射注浆前要检查高压设备和管路系统。设备的压力和排量必须满足设计要求，使用高压泵时，应对安全阀进行测定，其运行必须可靠。管路系统的密封圈必须良好，各通道和喷嘴内不得有杂物。(2)下注浆管时，要预防风、水喷嘴被泥砂堵塞，可在插管前用一层薄塑料膜包扎好。(3)喷射注浆时要注意设备开动顺序。对三重管，应先空载启动空压机，待运转正常后，再空载启动高压泵，然后同时向孔内送风和水，使风量和泵压逐渐升高到规定值。风、水畅通后，若为旋喷即可旋转注浆管，并开动注浆泵，先向孔内送清水，待泵压泵量正常后，即可将注浆泵的吸水管移至储浆桶开始注浆。待估计水泥浆的前峰已流出喷头后，才可开始提升注浆管，自下而上喷射注浆。(4)喷射注浆过程中需拆卸注浆管时，应先停止提升和回转，同时停止送浆，然后逐渐减少风量和水量，最后停机。拆卸完毕继续喷射注浆时，开机顺序遵守第(3)条规定。(5)喷射注浆完毕后，即可停风、停水，继续用注浆泵注浆，待水泥浆从孔口返出后，即可停止送浆，然后将注浆泵的吸水管移至清水箱，抽吸定量清水将注浆泵和注浆管路中的水泥浆顶出，然后停泵。 (6)所用水泥浆、水灰比要按设计规定，不得随意更改。要保证水泥质量，水泥应过筛，其细度应在标准筛(4 900孔/m2)上的筛余量不大于i5%。禁止使用受潮或过期的水泥，在喷射注浆过程中应防止水泥浆沉淀。(7)为避免固结体尺寸上大下小或增大固结体尺寸，可采用提高喷射压力、泵量或降低回转与提升速度等措施，也可采用复喷工艺:第一次喷射时，不注水泥浆液;初喷完毕后，将注浆管边送水边下降到初喷开始的深度，再抽送水泥浆，自上而下复喷。(8)应处理好冒浆，及时清除沉淀的泥渣，在砂层用单管或双重管喷射时，可利用冒浆补灌已施工的桩孔，但在黏层、淤泥层中喷射或用三重管喷射时，因冒浆中掺人豁土和清水，故不宜用冒浆回灌。(9)喷射注浆过程中，应注意观察冒浆情况，以便及时了解土层情况、喷射效果和喷射参数是否合理。采用单重管或二重管喷射注浆时，冒浆量小于注浆量20%为正常现象;超过2000或完全不冒浆时，应查明原因并采取相应措施。若地层中有较大空隙，引起不冒浆，可在浆液中掺人适量速凝剂或增大注浆量;若冒浆过大，可减少注浆量或加快提升和回转速度，也可缩小喷嘴直径，提高喷射压力。采用三重管喷射注浆时，冒浆量应大于高压水的喷射量，但其超过量应小于注浆量的20% a(10)旋喷桩相邻两桩的施工间隔应大于48h。第三节 常见施工问题及处理1.不冒浆或断续冒浆(1)若是土质松软造成，可适当复喷。(2)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。 2.大量冒浆压力稍有下降注浆管可能被击穿或有孔洞，应拔出注浆管进行检查。3.压力骤然上升喷嘴或管路被堵塞，可采取以下措施。(1)在高压泵和注浆泵的吸水管进口和泥浆储备箱中设置过滤网，并经常清理。高压水泵的滤网筛孔规格以1mm，注浆泵和水泥储备箱的滤网规格以2mm左右为宜(2)认真检查风、水、浆的通道;在下注浆管前用薄塑料包裹好风、水喷嘴;遵守设备开动顺序，避免高压水和风的通道在压力较低的情况下，被泵送的水泥浆侵人造成堵塞。(3)注意注浆泵的维护保养，保证注浆过程不发生故障，避免水泥浆在管道内沉淀。(4)喷射过程中水泥供不应求时，应将注浆管提起一段距离，抽送清水将管道中的水泥浆顶出喷头后再停泵。(5)喷射结束后，做好各系统的清洗工作。4.流量不变而压力突然下降或排量达不到要求可能存在泄漏现象，可采取以下措施。(1)检查阀、活塞缸套等零件，磨损大的及时更换。(2)检查吸水管道是否畅通，是否漏气，避免吸人空气。(3)检查安全阀、高压管路，清除泄漏。(4)检查活塞每分钟的往复次数是否达到要求，消除转动系统中的打滑现象。(5)检查喷嘴是否符合要求，更换过度磨损的喷嘴。展望高压喷射注浆技术首创于日本,并得到较快发展,目前在日本形成的主要特点为:施工压力已达40MPa以上,并细分成高压与超高压两种工法;高压施工深度可达25m,超高压达40m;加固体最大直径可大于2m,且达到稳定的强度参数。我国于1975年将高压喷射技术正式用于工程建设,现在己在全国进行了