地基加固施工中土体扰动问题的探讨

1、同济大学硕士学位论文地基加固施工中土体扰动问题的探讨姓名：胡旭明申请学位级别：硕士专业：建筑与土木工程导教师：叶观宝;杨国祥20050801an approach on disturbance during ground improvementabstractground improvement is an integral part of technology in civil engineering where for recent years of a decade or so, its bustling development has gained significant progre

2、ss. especially in the big cities where，since a large scale urban construction has been going on, ground improvement technique is being applied in an ever-increasing numbers of projects. however，during the ground improvement execution, there often happens to be phenomena such as the surrounding build

3、ings, pipelines, or underground facilities are squeezed, displaced, inclined or even damaged in some cases, all due to soil mass disturbances which are seen to be in contrary to the original intention.it is therefore to be a key importance under consideration as not only how to ensure the effect of

4、ground improvement, but also effectively control soil mass disturbances during set-out of its design proposal and job organization. as a matter of fact that there are many ways of ground improvement and the cause of soil mass disturbance varies as well, there should have been no panacea of proposals

5、, but a target -specific way of treatment measure at last.in this article, this presentation is focusing on three mainstays of ground improvement: grout injection, high pressure jet grouting and cement mixing firstly by introducing their respective improvement mechanisms，process flows, material and

6、equipment, then with emphasis on analyzing the cause of soil mass disturbance and counter-measures to be taken against, at the same time supplemented with typical case study, the theory has to be going in touch with praxis all the way. regarding these three ways of ground improvement to overcome the

7、 soil mass disturbance, a comprehensive and in-depth analysis is made resulting in proposing some strong target-specific measures well-founded in practices， expected to be valuable to relevant constructors and designers in reference to ground improvement job.meanwhile, in conjunction with nearly 10

8、years or so personal experience in ground improvement work, by the time to introduce the current frustrations and future tendency of it, i think that ground improvement business will be going more ep ftiendly, more mechanized in higher efficiency, and under stricter surveillance. in the light of imp

9、lementing a strategy adopted by the state for a sustainable development of the society, ground improvement technique will face an outlook of a broader evolutionkeywords: ground improvement soil disturbance control grout monitoring关于学位论文的著作权声明论文题目：地基加固施工中土体扰动问题的探讨1、本论文作者及指导教师共同声明，本论文成果属于职务工作成果，成果归 同济

10、大学、本论文作者和指导教师共有，本论文和指导教师依据本论文成果发 表论文、申报奖项和专利等，必须以适当形式注明该成果为同济大学所有。2、本论文作者声明：？i本论文全部成果均为本人和指导教师合作研究取得，本人和指导教师 都有权使用本成果学术内容（有第三方约定者除外)。口本论文成果中，下列内容为本论文作者独立研究取得，同济大学或指 导教师以任何名义公幵发表下列学术内容应征得本论文作者同意。这些内容 为：无3、指导教师声明：同意本论文作者上述声明。4、学位论文的著作权声明一式三份，研究生、指导教师、同济大学土木工程 学院各持一份。论文作者签名： 指导教师签名：af2005 年 8 月 12声明本人郑

11、重声明：本论文式在导师的指导下，独立进行研究工作说取得的成果，撰写成硕士 学位论文“地基加固中土体扰动问题的探讨”。除论文中已经注明引用的内容 外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体均己在文中以明确方式标明。 本论文中不包含任何未加注明的其它个人或集体己经公开发表或未公开发表 的成果 一般都是按照固定孔距，排 距，在整个加固区域内，梅花形布置注衆孔位，是非常有规律的。为了能让注 楽后孔位附近的土体有足够的时间来消散孔隙水压力，我们可以考虑在一个孔同济大学tis硕：丨.学位论文第！3页共69页位施工结束后，不立即进行附近孔位的施工，而是跳出刚方施工孔位的扩散半 径，选择另一孔位进行施工。具体地

12、讲，就是在每排孔位施工时，按照先1, 3， 5，7孔，后2, 4，6，8孔进行操作。如果要求特别，甚至可以按照丨，4, 7， 10的方式进行跳孔。在排与排之间，也是相同处理，即先施工1, 3, 5排，后 施工2, 4, 6排。孔号 1 2 3 4 5 6 7 8 9第一排0 0 0 0 0 0 0 0 0 第二排 000000第三排0000 第四排 00 0注菜孔位布置示意图这种施工方法的优势是相当明显的，每个孔位施工结束后，其加固的区 域，都有一个比较充裕的时间段来消散孔隙水压力（合理安排顺序，基本上可 以保证3天左右的时间）。但是，这样的安排会影响施工效率，而且导致机械 设备来回移动，施工

13、成本增加不少。另外，这种施工方法，需要有人专职进行 记录，在进度图上表示清楚。以防止出现孔位重复施工，漏施工的现象。在坚持执行跳孔，跳排施工的大原则的同时，对于靠近需要保护的建筑 物或管线的注装加固区域，可以考虑优先进行加固施工因为如果先施工这个 区域，那么这个区域的土体强度上来就比较快，当其它区域进行施工时，其产 生的土压力向四周扩散，存在一个“欺软怕硬”的效果，具体来讲，向四周扩 散的压力，会因为这个区域的土体强度比较高而少产生扰动，多向土体强度低同济大学.t程硕十学位论文第15页共69页的区域移动。进而起到保护建筑物和管线的作用。这种背离保护物的施工方法， 是非常有效的因为只要控制住这一

14、e域的施工扰动，后继e域就比较容易施 工了，而且由于越来越远的背离，使得后面区域的施工能够适当加快速度，以 致也不用考虑跳孔，跳排施工等措施了，施工效率就可以上去了。3、在靠近需要避免扰动的建筑物，管线附近，打设土压力释放孔。上面己经提到，为了减少土体扰动，消散孔隙水压力，就釆用低速甚至 分次注入，跳孔注入等方法。但是工程建设中，往往时间安排上不允许（这个 现象在大型市政工程中显得尤为突出），所以这种方式来用起来，会存在一定 困难，需要寻找更加主动的方式来控制土体扰动的影响，打设压力释放孔就是 其中的有效方法之一。在注裝施工开始前。根据周围建筑物和管线与施工区域的相对位置，建 筑物的结构，基础

15、形式，管线的种类，材质，埋设方法等信息，确定主要的保 护对象，即重点建筑物或者容易受损的建筑物。在建筑物靠近注装加固区域一 侧，选择合适的位置，打设土压力释放孔，孔的深度一般考虑略小于注楽加固 深度。孔径100mm左右，孔距im为宜，为防止成孔后缩孔或将塌，需要在孔 内灌注膨润土泥菜护壁。根据注號施工情况，必要时可以考虑打设两排释放孔， 排间距为500700mm，与前排错孔布置。由于释放孔的存在，使得因为注裴而导致的加固区域的土体挤压，有一 处空间可以释放，就可以减少对释放孔后的土体的挤压扰动，从而起到保护建 筑物和管线的目的。从这个机理来讲，所打设的释放孔，在注桨施工过程中， 必须要经常地进

16、行观察，如果发现孔位由于挤压而变小，填满或者自然姆塌， 则需要及时补打。由于注衆区域的土体扰动，除了水平方向的挤压外，还有向上拱起的效 应。大面积的土体隆起.仅仅依靠几个释放孔，是难以消除和隔断的。因此， 必要时，还可以在打设释放孔的区域，在地面上设置隔断沟，宽度l.om左右， 深度1.21.5m。4、如果对土体扰动控制要求特别高，则在打释放孔的基础上，可以采用打桩隔断的方法。这里所谓的打桩隔断，主要是指用振动或静压设备，将适当长度的h型 钢插入打设释放孔附近的区域。这样，即使释放孔没有完全消解土层位移，h 型钢也将阻止土体的进一步位移。这种控制方法的使用，存在很多的限制条件和不确定因素，因为

17、一方面 由于振动设备和h型钢的投入比较大，而且场地的要求也比较高，要有足够的 净空来施工，出于成本考虑，不到万不得已，一般不会采用。另一方面，打设 h型钢进行隔断，是一把双刃剑，如果操作不当，会导致打设区域的土体扰动， 虽然阻了注浆引起的土体位移，但最终仍得不偿失。因此如果要进行操作， 需请有经验的队伍来操作，其中最主要的，要在打桩部位和建筑物之间，预先 打设一排释放孔，以减少振动对建筑物的扰动。另外，本文只提到打设对象为 h型钢，其实槽钢，拉森板桩也是可以的，只是因为槽钢形状不规则，打设时 不容凝控制垂直度，效果不好，而拉森钢板桩，其刚度不够，振动打入比较困 难，而且起拔的时候，容易带出周围

18、土体，因此本文只提到用打设h型钢来进 行隔断。上述四种控制扰动的方法，既可以单独使用，也可以相互组合。尤其四 释放孔和打桩隔离，这两种方法，最好组合使用。其中，经常使用的方法是跳 孔注楽和打释放孔，具体的使用，与工程性质，工期要求，场地情况和建筑物 保护要求都有密切的关系，不存在一个很固定的模式。注装施工和建筑物保护， 是一组紧密相关的事务，只考虑注浆施工而不考虑建筑物保护的设计和施工方 案，不是一个好的方案。只会进行注浆施工操作而不懂得如何保护周围建筑物 的施工队伍，不是一支优秀的队伍。同济大学工程硕十学位论文第17 m共69贝2.6 工程实例：地铁二号线上海科技馆站四周地铁商城基坑，原水股

19、份箱涵保护 一、 概况亚太胜汇地铁商城位于地铁二号线上海科技馆站四周，地铁基坑的平面 尺寸近似正方形，为200x200m。地铁二号线从基坑正中心垂直穿过，出于成 本方面的考虑，将2个项目同时施工。基坑采用400x400mm预制方桩作为工 程桩，soomm钻孔灌注桩作为基坑维护，外面施工2x700ram双轴水泥土揽 拌桩作为防水结构。基坑开挖深度78m，西侧有已建的上海原水股份引水箱 涵通过。箱涵距基坑最近距离为9m，具体方位见附图。原水股份箱涵 zv+ 10260地铁商城围护结构预注衆加固带3000原水箱涵的尺寸为4x10111，根据原水股份的箱涵保护规定，在箱涵两侧30in 范围内进行任何打

20、桩，开挖，穿越等土建施工，必须有保护原水箱涵的施工方 案，同时将施工方案上报原水股份公司认可。由于在预制方桩打入，横拌抽施 工以及基坑开挖这三个阶段的施工，都有可能会影响到原水箱涵，因此保护原 水箱涵是一个要考虑多重因素的综合方案。二、 保护方案保护方案分为2个阶段，第一阶段为预制打入和水泥土搅拌桩施工阶 段，这一阶段对箱涵的作用，主要是土体扰动产生的挤压和抬升作用。因此方 案以加固土体，打释放孔为主。第二阶段为基坑开挖阶段，主要是由于基坑维 护结构的位移，导致箱涵周围土体的位移，使箱涵有向基坑方向移动的倾向， 因此这个阶段的方案，以土体补偿为主。箱涵保护的具体步骤如下：1. 在箱涵上布置观测

21、点，尤其是箱涵分节处，要加密布点。最终，根 据箱涵的外部尺寸，我们在每节箱涵上布置了 8个点。2. 在箱涵靠近基坑一侧，打设三排孔（具体布孔位置见附图），孔距 2.0m,排距1.5m,孔深7ni，根据跳孔注装的原理，进行预注浆，预 注衆的衆液配比如下：材料名称水水泥水玻璃膨润土规格自来水普挂525 #35be200目重量比0.6i1.150.03预注藏量60l/33an。预注装的目的，是要在原水箱涵和基坑之间，形成一条经过加固的隔离 体，这样，在土体挤压时，能进行一定的缓冲，减少对箱涵的作用，在土体流 失时，能依靠群体的力量，减少变形，给土体补偿创造条件，提供时间，而且 由于此土体的存在，在补

22、偿注菜时，楽液的流动方向容易控制。预注衆施工时， 一定要慢速进行，保证质量，同时要注意观测原水箱涵.不能因为预注衆施工，导致原水箱涵的变形过大，必要时要釆取措施进行控制。预注衆结束后，在最靠近基坑的那排孔位外侧，布设一排释放孔，孔间 距为2m，孔径10mm,孔深7m，上述工作完成后，就可以开始预制桩打设和 搅拌枯施工了，在揽拌桩施工过程中，除了注意原水箱涵的沉降和位移观测外， 还应注意观测释放孔的变化，如果发生塌孔，要立即补打。这些释放孔，在下 阶段，还要作为跟踪注菜孔使用，因此一定要保证完好。打桩结束后，稳定一段时间，幵始基坑开挖，幵挖前，在基坑围护结构 上布设观测点，以便提供基坑位移更加详

23、细的资料。基坑开挖过程中，根据箱 涵的位移量以及附近土体的位移量，位移速度，确定土体补偿的注衆量，原则 上，尽量在加固土体附近（靠近基坑侧），进行跟踪注衆，注装速度不宜快， 单次注浆量不宜大。否则很容易对基坑围护结构造成比较大的压力，使基坑支 撑轴力大幅度提高。如果基坑开挖时，箱涵位移过大，不能通过上述的方法进行补偿，则可 以考虑在箱涵附近，打设注衆孔，甚至注衆斜孔，对箱涵附近土体进行补偿注 菜，这时，一定要加强对箱涵的观测，除了监测机构以外，施工单位自己也要 实时监测，随时了解注裝量和箱涵位移之间的关系。三、施工效果按照上述施工方案进行实施后，最终很好地保护了原水箝涵，得到了原 水股份公司的

24、好评，根据监测单位：上海第一海洋所提供的数据，箱涵最大位 移为14mnio分析整个保护过程，可以得到以下的几点体会：1、原水箱涵本身体积很大，而且由于其对于上海市供水系统的重要作用，所 以施工时基础和垫层质量都比较好，普通的土体挤压和振动，对其影响不 大，而且由于其体积大，不会因为附近比较小的土体缺失而发生箱涵位移。2、基坑设计时，考虑到了原水箱涵保护的重要性，在基坑内部，进行了水泥 土搅挣桩的格栅加固，宽度3in，长度120多米，加固深度虽然投入同济大学.t程硕士学位论文第20页井69页同济大学丁程硕十学位论文第丨9页共69页很大，但是很好地控制了基坑幵挖时的位移。先行施工的三排预注衆孔，形

25、成的一条加固体，对保护原水箱涵起到了积 极的作用，不仅在挤压时控制了土体位移，而且在进行注楽补偿时，由于 其强度较高，迫使装液向靠近基坑一侧扩散，保证了补偿作用。释放孔一举两得，虽然理论上很简单，但操作的时候，需要技术人员的经 验，监测人员及时准确的数据提供，操作人员的配合，是这次保护中的关键。高压喷射工法3.1概述高压喷射注衆法（jet grouting) 60年代后期始创于日本，它是利用钻机 把带有喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后，以高压设备使衆液或水成为 2040mpa的高压射流从喷嘴中喷射出来，冲击破坏土体，同时钻杆以一定速 度渐渐向上提升，将架液与土粒强制掠拌混合，衆液凝固后，在土

26、中形成一个 固结体。我国于1975年首次在铁道部门进行单管法的试验和应用，1977年冶金部 建筑研究总院在宝钢工程中首次应用三重管法喷射注衆获得成功。由于这种工 法加固效果好，加固深度限制少，土质的适应能力强，因此，在工程上应用越来越广泛。高压喷射注浆法所形成的固结体与喷射流移动方向有关。一般分为旋转 喷射、定向喷射和摆动喷射三种形式定喷1 幽 _ :b)c)高压喷射注奖的三种型式 3-冒我4-喷射注架5-板6-15旋转喷射时，喷嘴一面喷射一面旋转并提升，固结体呈圆柱状。主要 用于加固地基，提高地基的抗剪能力，改善土的变形性质。也可组成闭合 帷幕。定向喷射时，喷嘴一面喷射一面提升，喷射的方向固

27、定不变，固结体 形如板状或壁状。同济大学.t程硕十学位论文第23页共69页摆动喷射时，喷嘴一面喷射一面提升，喷射的方向呈较小的角度来回 摆动，固结体形如较厚墙状。定喷和摆喷两种方法，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。高压喷射注衆法的基本工艺类型有：单管法、二重管法、三重管法。 一、 单管法单管喷射注菜法时利用钻机把安装在注衆管底部侧面的特殊喷嘴，置入 土层预定深度后，用高压泥浆栗等装置，以20mpa以上的压力，把聚液从喷嘴 中喷射出去冲击破坏土体，使聚液与从土体上崩落下来的土搅拌混合，经过一 定时间的凝固，便在土中形成一定形状的固结体。二、二重管法使用双通道的二重注衆管

28、，单二重注楽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，同时喷射出高压架液和空气两种介质的 喷射流冲击破坏土体。即以高压泥衆粟等髙压发生装置喷射出20mim以上压力 的衆液，从内喷嘴中高速喷出，并用0.7mpa左右的压力把压缩空气，从外喷 嘴中喷出。在高压梁液和它外围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。三、三重管法使用分别输送水、气、浆三种介质的三重注衆管。在以高压粟等高压发生装置 产生2030mpa左右的高压水喷射流的周围，环绕以股0.50.7mpa左右的圆 筒状气流，进行高压水喷射流和气喷射流同轴喷射冲切土体，形成较大的空隙， 再

29、另由泥装菜注入压力为0.53mpa的浆液填充，喷嘴作旋转和提升运动最 后在土中凝固为较大的固结体，这种工法形成的固结体，是三种工法中最大的高压喷射注楽法的特征 1、 适用范围广，由于固结体经过切削，置换，排列，固结后，加固体的质量明显提高，它既可用于新建之前进行地基加固，又可用于铵工后的托 换工程，可以不损坏建筑物的上部结构，并能使又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50150_的小孔，便可在土 中喷射成直径为0.62.0m的固结体，因而施工时能贴近巳有建筑物， 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。3、可控制固结体形状，在施工中可调整喷

30、射方式，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。4、可垂直、倾斜和水平喷射。根据适应不同工程的需要，尤其是建筑物密 集区域和地下隧道工程中，倾斜和水平旋喷显得非常重要。5、料源广泛，适应性强。衆液以水泥为主体，在地下水流速快或含有腐烛 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、高效、抗冻和耐腐烛等效果。6、设备结构紧凑、体积小、机动性强，能在狭窄和低矮的空间施工。而且 由于使用地质钻机成孔，其加固深度可以大大扩展，因此，应用范围非 常广泛。3.2高压喷射流的种类和构造高压喷射注衆所用的喷

31、射流共有三种：1、单管喷射流为单一的高压水泥架喷射流；2、二重管喷射流为高压架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部环绕的压缩空气喷射流组成，亦为 复合式高压喷射流；以上三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(衆)、气同轴喷射流二种类型。(1)单液高压喷射流的构造 单管旋喷注奖使用高压喷射水泥裝流和多重管的高压水喷射流它们的 射流构造可用高压水连续喷射流在空气中的模式（图10-15)予以说明。髙压喷射流可由三个区域所组成，即保持出口压力pe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

32、域c等三部分。图3-2高压喷射流构造 在初期区域中，喷嘴出口处速度分布是均勾的，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，当达到某一位置后，断面上的流速分布 不再是均勾的了。速度分布保持均勾的这一部分称为喷射核(即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(即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揽拌 效果。在初期区域后为主要区域，在这一区域内，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。在主要区域后为终期区域，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，则搅拌土的距离愈大，喷射加固体的直径也愈大