第13章--高压喷射注浆法

1、 第第1313章章 高压喷射注浆法高压喷射注浆法 Chapter 13 High Pressure Jet Grouting 13.1 13.1 概概 述述 13.1 Introduction 用高压水泥浆通过钻杆由水平方向的喷嘴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。形成水泥土加固体的地基处理方法。 20 20 世纪世纪60 60 年代末期年代末期, , 日本日本NIT NIT 公司在日本大阪公司在日本大阪 市地下铁道建设冻结法施工中市地下铁道建设冻结法施工中, , 由于冰冻融化由

2、于冰冻融化, , 造成严重事故造成严重事故, , 后改为灌浆法施工。在灌浆过后改为灌浆法施工。在灌浆过 程中程中, , 浆液沿着土层交界面溢走很多浆液沿着土层交界面溢走很多, , 不能完全不能完全 达到加固地基和止水的目的。在这关键时刻达到加固地基和止水的目的。在这关键时刻, , 中西涉博士急中生智中西涉博士急中生智, , 大胆引用了水力采煤技大胆引用了水力采煤技 术术, , 将高压水射流技术应用到灌浆工程中将高压水射流技术应用到灌浆工程中, , 创造创造 出一种全新的施工法出一种全新的施工法 高压喷射注浆法高压喷射注浆法。 高压喷射注浆法高压喷射注浆法它是利用钻机把带有喷嘴的它是利用钻机把带

3、有喷嘴的 注浆管钻至土层的预定位置后注浆管钻至土层的预定位置后, , 用高压设备使浆液用高压设备使浆液 或水以或水以20 MP a20 MP a左右的高压流从喷嘴中喷射出来左右的高压流从喷嘴中喷射出来, , 冲击破坏土体冲击破坏土体, , 同时钻杆以一定的速度渐渐向上提同时钻杆以一定的速度渐渐向上提 升升, , 将浆液与土粒强制搅拌混合将浆液与土粒强制搅拌混合, , 浆液凝固后浆液凝固后, , 在土在土 中形成一个均匀的固结体中形成一个均匀的固结体, , 其地基加固和防水止渗其地基加固和防水止渗 效果良好。不但解决了大阪地下铁道建设的难题效果良好。不但解决了大阪地下铁道建设的难题, , 而且划

4、时代地创造出一种全新的施工法而且划时代地创造出一种全新的施工法 高压喷射注浆法高压喷射注浆法, , 当时定名为当时定名为CCP CCP 工法工法 19721972年铁道部科学研究院率先开发高压喷年铁道部科学研究院率先开发高压喷 射注浆法。射注浆法。19751975年，我国冶金、水电、煤炭、年，我国冶金、水电、煤炭、 建工等部门和部分高等院校，也相继进行了试建工等部门和部分高等院校，也相继进行了试 验和施工。已成功应用于已有建筑和新建工程验和施工。已成功应用于已有建筑和新建工程 的地基处理、深基坑地下工程的支挡和护底、的地基处理、深基坑地下工程的支挡和护底、 构造地下防水帷幕等。构造地下防水帷幕

5、等。 高压喷射注浆高压喷射注浆 1 1、定义、定义 高压喷射注浆法高压喷射注浆法, , 就是利用钻机将带有喷嘴的就是利用钻机将带有喷嘴的 注浆管钻进至土层预定深度后注浆管钻进至土层预定深度后, , 以以202040 MP a40 MP a压压 力把浆液或水从喷嘴中喷射出来力把浆液或水从喷嘴中喷射出来, , 形成喷射流冲击形成喷射流冲击 破坏土层。当能量大、速度快、脉动状的射流动破坏土层。当能量大、速度快、脉动状的射流动 压大于土层结构强度时压大于土层结构强度时, , 土颗粒便从土层中剥落下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来。一部分细颗粒随浆液或水冒出地面, , 其余土

6、粒其余土粒 在射流的冲击力、离心力和重力等的作用下在射流的冲击力、离心力和重力等的作用下, , 与浆与浆 液搅拌混合液搅拌混合, , 并按一定的浆土比例和质量大小并按一定的浆土比例和质量大小, , 有有 规律地重新排列。浆液凝固后规律地重新排列。浆液凝固后, , 便在土层中形成一便在土层中形成一 个水泥土固结体。个水泥土固结体。 13.2 13.2 定义及其种类定义及其种类 13.2 Definition and Types 高压喷射注浆法所形成的固结体的形态与高压高压喷射注浆法所形成的固结体的形态与高压 喷射流的作用方向、移动轨迹和持续喷射时间喷射流的作用方向、移动轨迹和持续喷射时间 有密切

7、关系。按喷射流移动轨迹分为有密切关系。按喷射流移动轨迹分为旋喷、定旋喷、定 喷和摆喷喷和摆喷三种。三种。 旋喷法旋喷法施工时施工时, , 喷嘴一面喷射一面旋转并提升喷嘴一面喷射一面旋转并提升, , 固结固结 体呈圆柱状。主要用于加固地基体呈圆柱状。主要用于加固地基, , 提高土的抗剪强提高土的抗剪强 度度, , 改善地基的变形性质改善地基的变形性质, , 也可组成闭合的帷幕也可组成闭合的帷幕, , 用用 于截阻地下水流和治理流砂。喷射法施工后于截阻地下水流和治理流砂。喷射法施工后, , 在地在地 基中形成的圆柱体基中形成的圆柱体, , 称为旋喷桩。称为旋喷桩。 定喷法定喷法施工时施工时, ,

8、喷嘴一面喷射一面提升喷嘴一面喷射一面提升, , 喷射的方向喷射的方向 固定不变固定不变, , 固结体形如板状或壁状。固结体形如板状或壁状。 摆喷法摆喷法施工时喷嘴一面喷射一面提升施工时喷嘴一面喷射一面提升, , 喷射的方向喷射的方向 呈较小角度来回摆动呈较小角度来回摆动, , 固结体形如较厚墙状或扇状固结体形如较厚墙状或扇状 。 定喷及摆喷两种方法通常用于基坑防渗、改善地定喷及摆喷两种方法通常用于基坑防渗、改善地 基土的渗流性质和稳定边坡等工程。基土的渗流性质和稳定边坡等工程。 2 2、工艺类型、工艺类型 当前当前, , 高压喷射注浆法的基本工艺类型有高压喷射注浆法的基本工艺类型有: : 单管

9、旋单管旋 喷注浆法喷注浆法( ( 简称单管法简称单管法) ) 、双管法、三管法和多管、双管法、三管法和多管 法等四种方法。法等四种方法。 单管法：单管法：利用钻机把安装在注浆管（单管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）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，以度后，用高压泥浆泵等装置，以20MPa 20MPa 左左 右的压力，把浆液从喷嘴中喷射出去冲击右的压力，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，便在土土搅拌混合，经过一定时间凝固，便在土 中形成

10、一定形状的固结体，日本称为中形成一定形状的固结体，日本称为CCPCCP工工 法。法。 单管法单管法 二重管法二重管法: : 使用双通道的二重注浆管。当二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坏土体。即以高压泥浆泵等高压发生装置喷 射出射出20MPa 20MPa 左右压力的浆液，从内喷嘴中高左右压力的浆液，从内喷嘴中高 速喷出，并用速喷

11、出，并用0.7MPa 0.7MPa 左右压力把压缩空气从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，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，日本称为围明显增加，日本称为JSGJSG工法。工法。 二重管法二重管法 三重管法三重管法: : 使用分别输送水、气、浆三种介使用分别输送水、气、浆三种介 质的三重注浆管。在以高压泵等高压发生装置质的三重注浆管。在以高压泵等高压发生装置 产生产生20-30MPa 20-30

12、MPa 左右的高压水喷射流的周围，左右的高压水喷射流的周围， 环绕一股环绕一股0.5-0.7MPa 0.5-0.7MPa 左右的圆筒状气流，进行左右的圆筒状气流，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较大的空隙，再另由泥浆泵注入压力为0.5-0.5- 3MPa 3MPa 的浆液填充，喷嘴作旋转和提升运动，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最后便在土中凝固为较大的固结体. .日本称日本称CJP CJP 工法。工法。 三重管法三重管法 多重管法多重管法 : :这种方法首先需要在地面钻

13、这种方法首先需要在地面钻个导个导 孔，然后置入多重管，用逐渐向下运动的旋转孔，然后置入多重管，用逐渐向下运动的旋转 超高压力水射流超高压力水射流( (压力约压力约40MPa)40MPa)，切削破坏四周，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。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、砂直径和形状，最后

14、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，在砂性土中最大可一个大直径的柱状固结体，在砂性土中最大可 达达4m4m，日本称为，日本称为SSS-MANSSS-MAN工法。工法。 多重管法多重管法 1 1、高压喷射注浆法的特点、高压喷射注浆法的特点 1. 1. 适用范围广，可以用于既有和新建工程适用范围广，可以用于既有和新建工程 由于固结体的质量明显提高由于固结体的质量明显提高, , 它既可用于工程新建它既可用于工程新建 之前之前, , 又可用于竣工后的托换工程又可用于竣工后的托换工程, , 可以不损坏建可以不

15、损坏建( ( 构构) ) 筑物的上部结构筑物的上部结构, , 且能使已有建且能使已有建( ( 构构) ) 筑物在施筑物在施 工时不影响使用功能。工时不影响使用功能。 2. 2. 施工简便施工简便 施工时只需在土层中钻一个孔径为施工时只需在土层中钻一个孔径为50 mm 50 mm 或或300 300 mm mm 的小孔的小孔, , 便可在土中喷射成直径为便可在土中喷射成直径为0. 40. 44. 0 m 4. 0 m 的固结体的固结体, , 因而施工时能贴近已有建因而施工时能贴近已有建( ( 构构) ) 筑物筑物, , 成成 型灵活型灵活, , 既可在钻孔的全长范围形成柱形固结体既可在钻孔的全长

16、范围形成柱形固结体, , 也可仅做其中一段。也可仅做其中一段。 13.3 13.3 特点适用范围特点适用范围 3. 3. 可控制固结体形状可控制固结体形状 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压力或更换喷嘴孔径改变流量, , 使固结体形成工程使固结体形成工程 设计所需要的形状。设计所需要的形状。 4. 4. 可垂直、倾斜和水平喷射可垂直、倾斜和水平喷射 通常是在地面上进行垂直喷射注浆通常是在地面上进行垂直喷射注浆, , 但在隧道、矿但在隧道、矿 山井巷工程、地下铁道等建设中山井巷工程、地下铁道等建设中, , 亦可采用倾

17、斜和亦可采用倾斜和 水平喷射注浆。处理深度已达水平喷射注浆。处理深度已达30 m 30 m 以上。以上。 5. 5. 耐久性较好耐久性较好 由于能得到稳定的加固效果并有较好的耐久性由于能得到稳定的加固效果并有较好的耐久性, , 所所 以可用于永久性工程。以可用于永久性工程。 6. 6. 料源广阔料源广阔 浆液以水泥为主体。在地下水流速快或含有腐蚀浆液以水泥为主体。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性元素、土的含水量大或固结体强度要求高的情 况下况下, , 则可在水泥中掺入适量的外加剂则可在水泥中掺入适量的外加剂, , 以达到速以达到速 凝、高强度、抗冻、耐蚀和

18、浆液不沉淀等效果。凝、高强度、抗冻、耐蚀和浆液不沉淀等效果。 7. 7. 设备简单设备简单 高压喷射注浆全套设备结构紧凑、体积小、机动高压喷射注浆全套设备结构紧凑、体积小、机动 性强、占地少性强、占地少, , 能在狭窄和低矮的空间施工。能在狭窄和低矮的空间施工。 2 2、高压喷射注浆法的适用范围、高压喷射注浆法的适用范围 1. 1. 土质条件适用范围土质条件适用范围 主要适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或主要适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或 可塑粘性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎可塑粘性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎 石土等地基。石土等地基。 对土中含有较多的大粒径块石、植物根茎

19、或过多对土中含有较多的大粒径块石、植物根茎或过多 的有机质时的有机质时, ,因喷射流可能受到阻挡或削弱，切削因喷射流可能受到阻挡或削弱，切削 范围小或影响处理效果，应根据现场试验确定其范围小或影响处理效果，应根据现场试验确定其 适用范围。适用范围。 对地下水流速度大、浆液无法凝固、永久冻土及对地下水流速度大、浆液无法凝固、永久冻土及 对水泥有严重腐蚀性的地基不宜采用。对水泥有严重腐蚀性的地基不宜采用。 2. 2. 工程适用范围工程适用范围 可采用高压喷射注浆法的工程如图可采用高压喷射注浆法的工程如图13-2 13-2 所示。所示。 已有建筑物和新建建筑的地基处理，提高地基强已有建筑物和新建建筑

20、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；度，减少建筑物的沉降和不均允沉降； 深基坑侧壁挡土或挡水以保护邻近建筑物及保护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；地下工程建设； 基坑底部加固、防止管涌与隆起；基坑底部加固、防止管涌与隆起； 坝体的加固及防水帷幕；坝体的加固及防水帷幕； 边坡加固及隧道顶部加固边坡加固及隧道顶部加固 。 1. 1. 高压水喷射流性质高压水喷射流性质 高压水喷射流是通过高压发生设备使它获得高压水喷射流是通过高压发生设备使它获得 巨大能量后巨大能量后, , 从一定形状的喷嘴中从一定形状的喷嘴中, , 用一种特定的用一种特定的 流体运动方

21、式以很高的速度连续喷射出来的、能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。量高度集中的一股液流。 13.3 13.3 加固地基的机理加固地基的机理 13.3 Mechanism of Reinforcement 2. 2. 高压喷射流的种类高压喷射流的种类 高压喷射注浆所用的喷射流共有四种：高压喷射注浆所用的喷射流共有四种： （1 1）单管喷射流为单一的高压水泥浆喷射流；）单管喷射流为单一的高压水泥浆喷射流； （2 2）二重管喷射流为高压浆液喷射流与其外部环绕的）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：压缩空气，组成为复合式高压喷射

22、流： （3 3）三重管喷射流由高压水喷射流与其外部环绕的压）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：缩空气喷射流组成，亦为复合式高压喷射流： （4 4）多重管喷射流为高压水喷射流。）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，但其构造可划分为四种喷射流破坏土体的效果不同，但其构造可划分为单单 液高压喷射流和水（浆）、气同轴喷射流二种类型。液高压喷射流和水（浆）、气同轴喷射流二种类型。 一、高压喷射流对土体的破坏作用一、高压喷射流对土体的破坏作用 二、水（浆）、气同轴喷射流对土的破坏二、水（浆）、气同轴喷射流对土的破坏 作用作用 三、水

23、泥与土的固结机理三、水泥与土的固结机理 3. 3. 加固地基的机理加固地基的机理 高压喷射流由三个区域组成高压喷射流由三个区域组成: :保持出口压力保持出口压力P P0 0的的初期区初期区 域域A A、紊流发达的紊流发达的主要区域主要区域B B和喷射水变成不连续喷流和喷射水变成不连续喷流 的的终期区域终期区域C C等三部分。等三部分。 初期区域：初期区域：喷嘴出口处速度分布均匀，轴向动压是常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。速度分布某一位置后，断面上的流速分布

24、不再均匀。速度分布 保持均匀部分称为喷射核（保持均匀部分称为喷射核（E E区段区段），喷射核末端扩），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（迁移区（D D 区段）区段）。初期区域的长度是喷射流的一个。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。重要参数，可据此判断破碎土体和搅拌效果。 一、一、 高压喷射流对土体的破坏作用。高压喷射流对土体的破坏作用。 初期区域后为初期区域后为主要区域主要区域: :轴向动压陡然减弱，喷射扩散轴向动压陡然减弱，喷射扩散 宽度和距离平方根成正比，扩散率为常数，喷射

25、流的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。混合搅拌在这一部分内进行。 主要区域后为主要区域后为终了区域终了区域: :到此喷射流能量衰减很大，末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。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，长度之和，若有效喷射长度愈长，则搅拌土的范围愈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。大，喷射加固体的直径也愈大。 二、水二、水( ( 浆浆) ) 、气同轴喷射流对土的破坏作用。、气同轴

26、喷射流对土的破坏作用。 单射流虽然具有巨大的能量单射流虽然具有巨大的能量, , 但由于压力在土中急但由于压力在土中急 剧衰减剧衰减, , 因此破坏土的有效射程较短因此破坏土的有效射程较短, ,致使旋喷固结体致使旋喷固结体 的直径较小。的直径较小。 当在喷嘴出口的高压水喷射流的周围加上圆筒状当在喷嘴出口的高压水喷射流的周围加上圆筒状 空气射流空气射流, , 进行水、气同轴喷射时进行水、气同轴喷射时, , 空气流使水或浆的空气流使水或浆的 高压喷射流从破坏的土体上将土粒迅速吹散高压喷射流从破坏的土体上将土粒迅速吹散, , 使高压使高压 喷射流的喷射破坏条件得到改善喷射流的喷射破坏条件得到改善, ,

27、 阻力大大减小阻力大大减小, , 能量能量 消耗降低消耗降低, , 因而增大了高压喷射流的破坏能力因而增大了高压喷射流的破坏能力, , 形成的形成的 旋喷固结体的直径较大。旋喷固结体的直径较大。 三管高喷法用压缩空气包裹高压喷射水流冲击破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、墙的机理可用五种固结体。加固地基，形成桩、板、墙的机理可用五种 作用来说明。作用来说明。 旋喷固结体

28、横断面 1 1）. .高压喷射流切割破坏土体作用高压喷射流切割破坏土体作用 喷流动压喷流动压 以脉冲形式冲击土体，使土体结构破坏出现以脉冲形式冲击土体，使土体结构破坏出现 空洞。空洞。 2 2）. .混合搅拌作用混合搅拌作用 钻杆在旋转和提升的过程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下，迫使土粒向与喷嘴移动相反的方向( (即即 阻力小的方向阻力小的方向) )移动，与浆液搅拌混合后形移动，与浆液搅拌混合后形 成固结体。成固结体。 3 3）. .置换作用置换作用 三重管高喷法又称置换法，高速水三重管

29、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。下的体积由灌入的浆液补入。 4 4）. .充填、渗透固结作用充填、渗透固结作用 高压浆液充填冲开的和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。的砂层而形成固结体。 5 5）. .压密作用压密作用 高压喷射流在切割破碎土体的过程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

30、种压力对土中，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。的抗压强度高于中心部分。 三、水泥与土的固结机理。三、水泥与土的固结机理。 水泥和水拌合后水泥和水拌合后, , 首先产生铝酸三钙水化物和氢氧化钙首先产生铝酸三钙水化物和氢氧化钙, , 它它 们可溶于水中们可溶于水中, , 但溶解度不高但溶解度不高, ,很快就达到饱和很快就达到饱和, , 这种化学这种化学 反应连续不断地进行反应连续不断地进行, , 就析出一种胶质物。这种胶质物有一就析出一种胶质物。这种胶质物有一 部分混在水中悬浮部分

31、混在水中悬浮, , 后来就包围在水泥微粒的表面后来就包围在水泥微粒的表面, , 形成一形成一 层胶凝薄膜。所生成的硅酸二钙水化物几乎不溶于水层胶凝薄膜。所生成的硅酸二钙水化物几乎不溶于水, , 只能只能 以无定形体的胶质包围在水泥微粒的表层以无定形体的胶质包围在水泥微粒的表层, , 另一部分渗入水另一部分渗入水 中。由水泥各种成分所生成的胶凝膜中。由水泥各种成分所生成的胶凝膜, , 逐渐发展起来成为胶逐渐发展起来成为胶 凝体凝体, , 此时表现为水泥的初凝状态此时表现为水泥的初凝状态, , 开始有胶粘的性质。此开始有胶粘的性质。此 后后, , 水泥各成分在不缺水、不干涸的情况下水泥各成分在不缺

32、水、不干涸的情况下, , 继续不断地按继续不断地按 上述水化程序发展、增强和扩大上述水化程序发展、增强和扩大, , 从而产生下列现象从而产生下列现象: : 胶凝体增大并吸收水分胶凝体增大并吸收水分, , 使凝固加速使凝固加速, , 结合更密结合更密; ; 由于由于 微晶微晶( ( 结核晶结核晶) ) 的产生进而生出结晶体的产生进而生出结晶体, , 结晶体与胶凝体相结晶体与胶凝体相 互包围渗透并达到一种稳定状态互包围渗透并达到一种稳定状态, , 这就是硬化的开始这就是硬化的开始; ; 水化作用继续渗入到水泥微粒内部水化作用继续渗入到水泥微粒内部, , 使未水化部分再参加以使未水化部分再参加以 上

33、的化学反应上的化学反应, , 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为止。但无论水化时间持续多久, , 很难将水泥微粒内核全部很难将水泥微粒内核全部 水化完水化完, , 所以水化过程是一个长久的过程。所以水化过程是一个长久的过程。 13.4 13.4 设计计算 (Design Procedure)(Design Procedure) （一）室内配方与现场喷射试验（一）室内配方与现场喷射试验 （二）旋喷直径确定（二）旋喷直径确定 （三）承载力计算（三）承载力计算 （四）地基变形计算（四）地基变形计算 （五）孔位设计（五）孔位设计

34、 （六）浆量计算（六）浆量计算 第四节、设计计算 （一）室内配方与现场喷射试验（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为了解喷射注浆固结体的性质和浆液的合理 配方，必须配方，必须取现场各层土样，在室内取现场各层土样，在室内按不同按不同 的含水量和配合比的含水量和配合比进行试验进行试验，优选出最合理，优选出最合理 的浆液配方。的浆液配方。 对规模较大及性质较重要的工程，设计完成对规模较大及性质较重要的工程，设计完成 之后，要在之后，要在现场进行试验现场进行试验，查明喷射固结体，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。的直径和强度，验证设计的可靠性和安全

35、度。 土质改良目的地质条件与环境 高压喷射注浆方法的选定 固结体尺寸 的设定 浆液类型与 配方选定 固体性能设定 高压喷射注浆技术 参数的设定 设备与机具的 选择 固结体的布置 浆液量计算 浆液材料的计算 现场喷射试验 开挖采样或 钻孔采样检查 室内实验 施工 稳定性分析 设计程序设计程序 第四节、设计计算 （二）旋喷直径确定（二）旋喷直径确定 1 1 固结体尺寸主要取决于下列因素：土的类固结体尺寸主要取决于下列因素：土的类 别及其密实程度；高压喷射注浆方法（注别及其密实程度；高压喷射注浆方法（注 浆管的类型）；喷射技术参数（包括喷射浆管的类型）；喷射技术参数（包括喷射 压力与流量，喷嘴直径与

36、个数，压缩空气的压力与流量，喷嘴直径与个数，压缩空气的 压力、流量与喷嘴间隙，注浆管的提升速度压力、流量与喷嘴间隙，注浆管的提升速度 与旋转速度）。与旋转速度）。 2 2 在无试验资料的情况下，对小型的或不太重在无试验资料的情况下，对小型的或不太重 要的工程，可根据经验选用要的工程，可根据经验选用 3 3 对于大型的或重要的工程，应通过现场喷射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。试验后开挖或钻孔采样确定。 第四节、设计计算 旋喷直径确定旋喷直径确定 第四节、设计计算 旋喷直径确定旋喷直径确定 对粘性土地基加固，单管旋喷注浆加固体直对粘性土地基加固，单管旋喷注浆加固

37、体直 径一般为径一般为0.3-0.8m0.3-0.8m：三重管旋喷注浆加固体直：三重管旋喷注浆加固体直 径可达径可达0.7-1.8m0.7-1.8m；二重管旋喷注浆加固体直径；二重管旋喷注浆加固体直径 介于以上二者之间。多重管旋喷直径为介于以上二者之间。多重管旋喷直径为2.0-2.0- 4.0m4.0m。旋喷桩的设计直径见前表。定喷和摆。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喷的有效长度约为旋喷桩直径的1.0-1.5 1.0-1.5 倍。倍。 第四节、设计计算 （三）承载力计算（三）承载力计算 用旋喷桩处理的地基，应用旋喷桩处理的地基，应按复合地基设计按复合地基设计。

38、旋喷桩复合地基承载力标准值应通过旋喷桩复合地基承载力标准值应通过现场复现场复 合地基载荷试验确定合地基载荷试验确定，也可按公式计算或结，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。合当地情况与其土质相似工程的经验确定。 初步设计时，可按下式估算：初步设计时，可按下式估算： 式中式中 ：为桩间土承载力折减系数，为桩间土承载力折减系数， 可取可取0 00.50.5，承载力较低时取低值。，承载力较低时取低值。 sk p a spk fm A R mf)1( 单桩竖向承载力特征值可通过现场单桩竖向承载力特征值可通过现场 单桩载荷试验确定。也可从下两式中取单桩载荷试验确定。也可从下两式中取

39、 小值：小值： 式中：式中：为桩身强度折减系数，可取为桩身强度折减系数，可取 0.330.33。 pcua AfR pp n i isipa AqlquR 1 第四节、设计计算 （四）地基变形计算（四）地基变形计算 旋喷桩的沉降计算应为旋喷桩的沉降计算应为桩长范围内复合土层桩长范围内复合土层 以及下卧层地基变形值之和以及下卧层地基变形值之和，计算时应按国，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家标准建筑地基基础设计规范的有关规定进 行计算。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：复合土层的压缩模量可按下式确定： 式中式中EspEsp旋喷桩复合土层压缩模量旋喷桩

40、复合土层压缩模量kPakPa E ES S桩间土的压缩模量，可用天然地基土的桩间土的压缩模量，可用天然地基土的 压缩模量代替压缩模量代替kPa kPa ； E EP P桩体的压缩模量，可采用测定混凝土割桩体的压缩模量，可采用测定混凝土割 线模量的方法确定线模量的方法确定kPa kPa e pppes sp A AEAAE E )-( 第四节、设计计算 （五）孔位设计（五）孔位设计 加固地基加固地基：正方形、矩形或梅花形布置，孔距：正方形、矩形或梅花形布置，孔距 一般为旋喷桩径的一般为旋喷桩径的3-43-4倍。倍。 防渗堵水工程防渗堵水工程 ：多采用定喷、摆喷，地层含的：多采用定喷、摆喷，地层含

41、的 粒径较粗时多采用摆喷或旋喷。对处理深度大粒径较粗时多采用摆喷或旋喷。对处理深度大 于于20m20m的复杂地层最好按双排或三排布孔，使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。孔距应为旋喷桩形成堵水帷幕。孔距应为1.73R(R1.73R(R为旋喷为旋喷 固结体半径固结体半径) )，排距，排距1.5R1.5R时最经济。一般定喷、时最经济。一般定喷、 摆喷孔距为摆喷孔距为1.21.22.5m2.5m，旋喷为，旋喷为0.80.81.2m1.2m。防渗。防渗 效果一般可达效果一般可达1010-5 -51010-6 -6cm/scm/s。 第四节、设计计算 孔位设计孔位设计 第四节、设计

42、计算 相邻孔相邻孔定喷连接形式定喷连接形式 (a)(a)单喷咀单墙首尾连挂；单喷咀单墙首尾连挂；(b) (b) 双喷咀单墙前后对双喷咀单墙前后对 接；接；(c)(c)双喷咀单墙折线连接；双喷咀单墙折线连接；(d)(d)双喷咀双墙折双喷咀双墙折 线连接；线连接；(e)(e)双喷咀夹角单墙连接；双喷咀夹角单墙连接；(f)(f)单喷咀扇单喷咀扇 形单墙首尾连接；形单墙首尾连接；(e)(e)双喷咀扇形单墙前后对接；双喷咀扇形单墙前后对接； (h)(h)双喷咀扇形单墙折线连接。双喷咀扇形单墙折线连接。 第四节、设计计算 摆喷连接形式摆喷连接形式 第四节、设计计算 施工布置形式施工布置形式 第四节、设计计

43、算 （六）浆量计算（六）浆量计算 体积法体积法 喷量法喷量法 取其大者作为设计喷射浆量。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。可确定水泥的使用数量。 第四节、设计计算 体积法体积法 式中式中 Q Q 需要用的浆量，需要用的浆量，m m3 3； D De e旋喷管直径，旋喷管直径，m m3 3； D D0 0 注浆管直径，注浆管直径，m m3 3； k k1 1填充率填充率(0.75(0.750.9)0.9)； h h1 1旋喷长度，旋喷长度，m m； k k2 2未旋喷范围土的填充率未旋喷范围土的填充率(

44、0.5(0.50.75)0.75)； h h2 2未旋喷长度，未旋喷长度，m m； 损失系数损失系数(0.1(0.1 0.2)0.2)。 22 2 011 2 4 )1 ( 4 hKDhKDQ e 第四节、设计计算 喷量法喷量法 式中式中 Q Q 需要用的浆量，需要用的浆量，m m3 3； V V提升速度，提升速度，m mminmin； H H喷射长度，喷射长度，m m； q q单位时间喷浆量单位时间喷浆量m3m3minmin； 损失系数，损失系数，0.10.10.20.2。 )1 (q v H Q 第四节、设计计算 防渗止水帷幕设计防渗止水帷幕设计 防渗止水帷幕的形式防渗止水帷幕的形式 1.

45、 1.柱列型；柱列型； 2. 2.柱墙型；柱墙型； 3. 3.定喷防渗帷幕；定喷防渗帷幕； 4. 4.摆喷防渗帷幕；摆喷防渗帷幕； 5. 5.复合型防渗帷幕。复合型防渗帷幕。 第四节、设计计算 防渗止水帷幕注浆孔布置防渗止水帷幕注浆孔布置 防渗堵水工程设计时防渗堵水工程设计时, , 最好按双排或三排布孔形成帷最好按双排或三排布孔形成帷 幕幕( ( 见图见图13-5) 13-5) 。孔距为。孔距为1. 73R0 ( R0 1. 73R0 ( R0 为旋喷桩设计半为旋喷桩设计半 径径) , ) , 排距为排距为1. 5R0 1. 5R0 时最经济。时最经济。 定喷和摆喷是一种常用的防渗堵水的方法定

46、喷和摆喷是一种常用的防渗堵水的方法, , 由于喷射由于喷射 出的板墙薄而长出的板墙薄而长, , 不但成本较旋喷低不但成本较旋喷低, , 而且整体连续而且整体连续 性也很好。性也很好。 第四节、设计计算 防渗止水帷幕插入深度确定防渗止水帷幕插入深度确定 防渗帷幕达不透水层防渗帷幕达不透水层 防渗帷幕应尽量插入不透水层，保证不发生防渗帷幕应尽量插入不透水层，保证不发生 管涌。管涌。 防渗帷幕在透水层中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一方面采取降水措施；一方面增加插入深度 浆液材料与配方浆液材料与配方 根据喷射工艺要求根据喷射工艺要求, , 浆液应具备以下特性。浆液应具备以

47、下特性。 ( 1) ( 1) 良好的可喷性。良好的可喷性。目前目前, , 国内基本上采用以水泥国内基本上采用以水泥 浆为主剂浆为主剂, , 掺入少量外加剂的喷射方法。水灰比一掺入少量外加剂的喷射方法。水灰比一 般采用般采用1 11 1 到到1. 51. 5 1 1 就能保证较好的喷射效果。就能保证较好的喷射效果。 ( 2) ( 2) 足够的稳定性足够的稳定性。浆液的稳定性好坏直接影响浆液的稳定性好坏直接影响 到固结体质量。以水泥浆液为例到固结体质量。以水泥浆液为例, , 其稳定性好系指其稳定性好系指 浆液在初凝前析水率小、水泥的沉降速度慢、分浆液在初凝前析水率小、水泥的沉降速度慢、分 散性好以

48、及浆液混合后经高压喷射而不改变其物散性好以及浆液混合后经高压喷射而不改变其物 理化学性质。掺入少量外加剂能明显地提高浆液理化学性质。掺入少量外加剂能明显地提高浆液 的稳定性的稳定性, , 常用的外加剂有膨润土、纯碱、三乙醇常用的外加剂有膨润土、纯碱、三乙醇 胺等。浆液的稳定性可用浆液的析水率来评定。胺等。浆液的稳定性可用浆液的析水率来评定。 ( 3) ( 3) 气泡少。气泡少。 若浆液带有大量的气泡若浆液带有大量的气泡, , 则固结体硬化后就会有许则固结体硬化后就会有许 多气孔多气孔, , 从而降低喷射固结体的密度从而降低喷射固结体的密度, ,导致固结体强导致固结体强 度及抗渗性能降低。度及抗

49、渗性能降低。 为了尽量减少浆液气泡为了尽量减少浆液气泡, , 应选择非加气型的外加剂应选择非加气型的外加剂, , 不能采用起泡剂不能采用起泡剂, , 比较理想的外加剂是代号为比较理想的外加剂是代号为NNO NNO 的外加剂。的外加剂。 ( 4) ( 4) 调剂浆液的胶凝时间。调剂浆液的胶凝时间。 胶凝时间是指从浆液开始配置起胶凝时间是指从浆液开始配置起, , 到土体混合后逐到土体混合后逐 渐失去其流动性为止的这段时间。渐失去其流动性为止的这段时间。 胶凝时间由浆液的配方、外加剂的掺量、水灰比和胶凝时间由浆液的配方、外加剂的掺量、水灰比和 外界温度而定。一般从几分钟到几小时外界温度而定。一般从几

50、分钟到几小时, ,可根据施工可根据施工 工艺及注浆设备来选择合适的胶凝时间。工艺及注浆设备来选择合适的胶凝时间。 ( 5) ( 5) 良好的力学性能。良好的力学性能。 浆材的品种、浆液的浓度、配比和外加剂等直接浆材的品种、浆液的浓度、配比和外加剂等直接 影响加固体的抗压强度。因此影响加固体的抗压强度。因此, , 应选择力学应选择力学 性能优良的浆材品种等。性能优良的浆材品种等。 ( 6) ( 6) 无毒、无臭。无毒、无臭。 浆液对环境不污染及对人体无害浆液对环境不污染及对人体无害, , 凝胶体为不溶和凝胶体为不溶和 非易燃、易爆物。浆液对注浆设备、管路无腐蚀非易燃、易爆物。浆液对注浆设备、管路

51、无腐蚀 性并容易清洗。性并容易清洗。 ( 7) ( 7) 结石率高。结石率高。 固化后的固结体有一定粘结性固化后的固结体有一定粘结性, , 能牢固地与土粒相能牢固地与土粒相 粘结。要求固结体耐久性好粘结。要求固结体耐久性好, , 能长期耐酸、碱、盐能长期耐酸、碱、盐 及生物细菌等腐蚀及生物细菌等腐蚀, , 并且不受温度、湿度的影响。并且不受温度、湿度的影响。 浆液类型浆液类型 1 1、普通型、普通型 2 2、速凝早强型、速凝早强型 3 3、高强型、高强型 4 4、抗渗型、抗渗型 1 1、普通型、普通型 一般采用一般采用325325号或号或425425号硅酸盐水泥浆，不加任号硅酸盐水泥浆，不加任

52、 何外加剂，水灰比为何外加剂，水灰比为1 1：1 11.51.5：1 1，固结体，固结体2828 天的抗压强度最大可达天的抗压强度最大可达1.01.020MPa20MPa，对一般，对一般 无特殊要求的工程宜采用普通型。无特殊要求的工程宜采用普通型。 2 2、速凝早强型、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。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，常用的早强剂有氯化钙、水玻璃和三乙醇胺等， 用量为水泥用量的用量为水泥用量的2

53、 24 4。以使用氯化钙为。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例，纯水泥浆与土的固结体的一天抗压强度为 1MPa1MPa，而掺入，而掺入2 2氯化钙的水泥土固结体抗压氯化钙的水泥土固结体抗压 强度为强度为1.6 MPa1.6 MPa，掺人，掺人4 4氯化钙的水泥土固结氯化钙的水泥土固结 体抗压强度为体抗压强度为2.4 MPa2.4 MPa。 3 3、高强型、高强型 喷射固结体的平均抗压强度在喷射固结体的平均抗压强度在20 MPa20 MPa以上称以上称 为高强型。提高固结体强度的方法有选择标为高强型。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号水

54、泥，或选择高效的扩散剂和无机盐组成 的复合配方。的复合配方。 4 4、抗渗型、抗渗型 在水泥浆中掺人在水泥浆中掺人2 24 4的水玻璃，其抗渗的水玻璃，其抗渗 性能就有明显提高。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纯水泥浆与掺入水玻璃的水泥浆的渗透系数 土样类别土样类别水泥品种水泥品种 水泥含量水泥含量 （%） 水玻璃含水玻璃含 量（量（%） 28天渗透系天渗透系 数（数（cm/s） 细细 砂砂 425号硅酸号硅酸 盐水泥盐水泥 4002.310-6 4028.510-8 粗粗 砂砂 425号硅酸号硅酸 盐水泥盐水泥 4001.410-6 4022.110-8 如工程以抗

55、渗为目的者，则最好使用如工程以抗渗为目的者，则最好使用“柔性柔性 材料材料”。可在水泥浆液中掺入。可在水泥浆液中掺入10105050的的 膨润土膨润土( (占水泥量的百分比占水泥量的百分比) )。对有抗渗要求时，。对有抗渗要求时， 不宜使用矿渣水泥。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 序序 号号 外加剂成分及百分比外加剂成分及百分比浆浆 液液 特特 性性 1 1 氯化钙氯化钙2 24 4促凝、早强、可灌性好促凝、早强、可灌性好 2 2 铝酸钠铝酸钠2 2 促凝、强度增长慢，稠度大促凝、强度增长慢，稠度大 3 3 水玻璃水玻璃2 2初凝快、终凝时间长、成本初凝快、终凝时

56、间长、成本 低低 4 4 三乙醇胺三乙醇胺0.030.030.05 0.05 食盐食盐1 1 有早强作用有早强作用 5 5 三乙醇胺三乙醇胺0.030.030.05 0.05 食盐食盐1 1钙钙2 24 4 促凝、早强、可喷性好促凝、早强、可喷性好 6 6 氯化钠（或水玻璃）氯化钠（或水玻璃）2 2 “NNONNO”0.5 0.5 促凝、早强、强度高、浆液促凝、早强、强度高、浆液 稳定性好稳定性好 国内较常用的添有外加剂的旋喷射浆液配方表 序序 号号 外加剂成分及百分比外加剂成分及百分比浆浆 液液 特特 性性 7 7 氯化钠氯化钠1 1亚硝酸钠亚硝酸钠0.50.5三乙三乙 醇胺醇胺0.030.030.05 0.05 防腐蚀、早强、后期强防腐蚀、早强、后期强 度高度高 8 8 粉煤灰粉煤灰2525调节强度、节约水泥调节强度、节约水泥 9 9 粉煤灰粉煤灰25 25 氯化钙氯化钙2 2促凝、节约水泥促凝