第八章_高压喷射注浆法

1、第八章高压喷射注浆法高压喷射注浆法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，以高压设备使浆液或水成为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，将浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固后，在土中形成一个固结体。8.1高压喷射注浆法的类型、特点和适用范围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(图8-1)。图8-1高压喷射注浆的三种型式旋喷法施工时，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，提高地基的抗剪强度、改善土的变形性质，也可组成

2、闭合的帷幕，用于截阻地下水流和治理流砂。旋喷法施工后，在地基中形成的圆柱体，称为旋喷桩。 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，固结体形如板状或壁状。摆喷法施工时喷嘴一面喷射一面提升，喷射的方向呈较小角度来回摆动，固结体形如较厚墙状。定喷及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。8.1.1类型高压喷射注浆法可按喷射流移动方向、注浆管类型和置换程度进行分类，见表8-1所示。表8-1 高压喷射注浆法分类分类依据类 别主 要 特 点喷射流的移动方式定向喷射(定喷)喷射时喷嘴只提升，喷射的方向固定不变，固结体呈板壁状摆动喷射(摆喷)喷射时喷嘴边提升，喷射的

3、方向呈较小角度来回摆动，固结体呈较厚墙状旋转喷射(旋喷)喷射时喷嘴边旋转边提升，固结体呈圆柱状注浆管类型单管法用单层注浆管，只喷射浆液二重管法用双层注浆管，喷射浆、气同轴射流三重管法用三层注浆管，喷射水、气同轴射流，同时注入浆液多重管法用多层注浆管，喷射超高压水射流，被冲下的土全部抽出地面再用其他材料充填置换的程度半置换法被冲下的土部分排出地表，余下的和浆液搅拌混合凝固全置换法被冲下的土全部排出地表，形成的空间用其他材料充填8.1.2高压喷射注浆法的特征与适用范围(1)适用地层广 高压喷射注浆法适用于处理淤泥、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。当土中含有

4、较多的大粒径块石、大量植物根茎或有较高的有机质时，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。(2)适用工程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，可以不损坏建筑物的上部结构，且能使已有建筑物在施工时使用功能正常。(3)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0.44.0m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。(4)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

5、需要的形状。(5)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。【例题8-1】高压喷射注浆法适用于下列哪些地基土?（A）淤泥 (B)粘性土 (C)砂土 (D)碎石土 (E)有机质土【正确答案】A B C D 【解】高压喷射注浆法适用于处理淤泥、淤泥质土、流蛆、软塑或可塑粘性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地基。当土中含有较多的大粒径块石、大量植物根茎或有较高的有机质时，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。【例题8-2】高压喷射注浆法根据喷射流移动方向可分为:(A)定喷 (B)摆喷

6、(C)旋喷【正确答案】A B C【解】施工方法高压喷射注浆法根据喷射流移动方向分为定喷、摆喷、旋喷。【例题8-3】高压喷射注浆的特征有：(A) 适用地层广 (B) 适用工程范围较广 (C) 施工简便(D) 可控制固结体形状 (E) 垂直、倾斜和水平喷射【正确答案】 A B C D E【解】高压喷射注浆的特征有：1)适用地层广 高压喷射注浆法适用于处理淤泥、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)适用工程范围较广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。3)施工简便施工时能贴近已有建筑物，成型灵活，既可在钻孔的全

7、长形成柱型固结体，也可仅作其中一段。4)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。5)可垂直、倾斜和水平喷射【例题8-4】高压喷射注浆法形成的加固体形状有:(A)柱状 (B)板状 (C)墙状 (D)壁状 (E)条状 (F)块状 (G)扇状【正确答案】A B C D E F【解】高压喷射注浆法根据喷射流移动方向分为定喷、摆喷、旋喷。定喷所形成的加固体形状为板状、壁状或条状，摆喷所形成的加固体形状为墙状或扇状，旋喷所形成的加固体形状为柱状或块状。【例题8-5】高压喷射注浆法根据工艺可分为:(A)单管法 (B)二重管法 (

8、C)三重管法 (D)多重管法【正确答案】A B C D【解】高压喷射注浆法根据喷射流移动方向分为单管法、二重管法、三重管法和多重管法四种方法。【例题8-6】单重管法的喷射流由以下哪些部分组成?(A)高压水泥浆液 (B)高压水流 (C)压缩空气 (D)水泥浆液 (E)其他材料【正确答案】A【解】单管法的喷射流是通过单层管喷射高压水泥浆液一种介质。【例题8-7】二重管法的喷射流由以下哪些部分组成?(A)高压水泥浆液 (B)高压水流 (C)压缩空气 (D)水泥浆液 (E)其他材料【正确答案】A C【解】二重管法的喷射流是通过二层注浆管同时喷射高压水泥浆液和压缩空气二种介质。【例题8-8】三重管法的喷

9、射流由以下哪些部分组成?(A)高压水泥浆液 (B)高压水流 (C)压缩空气 (D)水泥浆液 (E)其他材料【正确答案】B C D【解】三重管法的喷射流是通过三层注浆管同时喷射高压水流、压缩空气和水泥浆液等三种介质。【例题8-9】多重管法的喷射流由以下哪些部分组成?(A)高压水泥浆液 (B)高压水流 (C)压缩空气 (D)水泥浆液 (E)其他材料【正确答案】B E【解】多重管法的喷射流是通过多层注浆管，喷射超高压水射流，被冲下的土全部抽出地面再用其他材料充填。【例题8-10】旋喷形式可采用下列哪几种工艺方法?(A)单管法 (B)二重管法 (C)三重管法 (D)多重管法【正确答案】A B C D【

10、解】实践表明，旋喷形式可采用单管法、二重管法、三重管法和多重管法中的任何一种方法。【例题8-11】定喷和摆喷形式可采用下列哪几种工艺方法?(A)单管法 (B)二重管法 (C)三重管法 (D)多重管法【正确答案】B C【解】实践表明，定喷和摆喷形式常采用二重管法和三重管法。8.2加固机理8.2.1喷射流性质高压喷射流破坏土体结构强度的最主要因素是喷射动压，为了取得更大的破坏力，需要增加平均流速，也就是需要增加旋喷压力，一般要求高压脉冲泵的工作压力在20MPa以上，这样就使射流象刚体一样，冲击破坏土体，使土与浆液搅拌混合，凝固成圆柱状的固结体。高压喷射注浆所用的喷射流共有四种：单管喷射流为单一的高

11、压水泥浆喷射流；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； 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；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，但其构造可划分为单液高压喷射流和水(浆）、气同轴喷射流二种类型。高压喷射流可由三个区域所组成，即保持出口压力的初期区域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域C等三部分。喷射流在终期区域，能量衰减很大，不能直接冲击土体使土颗粒剥落，但能对有效射程的边界土产生挤压力，对四周土有压密作用，并使部分浆液进入土粒之间的空隙里，使固结体与四周土紧密相依

12、，不产生脱离现象。当在喷嘴出口的高压水喷流的周围加上圆筒状空气射流，进行水、气同轴喷射时，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，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，形成的旋喷固结体的直径较大。8.2.2加固土的基本形状(1)直径或长度旋喷固结体的直径大小与土的种类和密实程度有较密切的关系。对粘性土地基加固，单管旋喷注浆加固体直径一般为0.30.8m；三重管旋喷注浆加固体直径可达0.71.8m；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2.04.0m。旋喷桩的设计直径见表8-2。定喷和摆喷的有效长度约为

13、旋喷桩直径的1.01.5倍。表8-2 旋喷桩的设计直径(m) 方法土质单管法二重管法三重管法0<<50.50.80.81.21.21.8粘性土6<<100.40.70.71.11.01.611<<200.30.60.60.90.71.20<<100.61.01.01.41.52.0砂性土11<<200.50.90.91.31.21.821<<300.40.80.81.20.91.5(2)固结体形状按喷嘴的运动规律不同而形成均匀圆柱状、非均匀圆柱状、圆盘状、板墙状、扇形壁状等，同时因土质和工艺不同而有所差异。在均质土中，旋喷

14、的圆柱体比较均称；而在非均质土或有裂隙土中，旋喷的圆柱体不均称，甚至在圆柱体旁长出翼片。由于喷射流脉动和提升速度不均匀，固结体的表面不平整，可能出现许多乳状突出；三重管旋喷固结体受气流影响，在粉质砂土中外表格外粗糙；在深度大时，如不采取相应措施，旋喷固结体可能上粗下细似胡萝卜的形状。(3)重量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%。(4)渗透系数固结体内虽有一定的孔隙，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。(

15、5)强度土体经过喷射后，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，与土交接的边缘处有一圈坚硬的外壳。影响固结体强度的主要因素是土质和浆材，有时使用同一浆材配方，软粘土的固结强度成倍地小于砂土固结强度。一般在粘性土和黄土中的固结体，其抗压强度可达(510)MPa，砂类土和砂砾层中的固结体其抗压强度可达(820)MPa，固结体的抗拉强度一般为抗压强度的1/51/10。(6)耐久性固结体的化学稳定性较好，有较强的抗冻和抗干湿循环作用的能力。(7)单桩承载力旋喷柱状固结体有较高的强度，外形凸凹不平，因此有较大的承载力，固结体直

16、径愈大，承载力愈高。【例题8-12】高压喷射注浆法加固地基的机理有：(A)高压喷射流对土体的破坏作用 (B)水浆、气同轴喷射流对土的破坏作用 (C)水泥与土的固结机理 (D)排水固结作用 (E)置换作用【正确答案】A B C E【解】高压喷射注浆法加固地基的机理有：1.高压喷射流对土体的破坏作用，破坏土体的结构强度的最主要因素是喷射动压。 2.水浆、气同轴喷射流对土的破坏作用 3.水泥与土的固结机理。对于多重管法其加固机理是全置换作用。【例题8-13】高压喷射注浆法的有效喷射长度由哪几个区域组成?(A)初期区域 (B)主要区域 (C)终期区域【正确答案】A B【解】高压喷射流由保持出口压力的初

17、期区域、紊流发达的主要区域和喷射水变成不连续喷流的终期区域三个区域组成。其有效喷射长度由初期区域和主要区域两部分组成。【例题8-14】高压喷射注浆法的有效处理长度应按下列哪个次序依次排列?(A)三重管>二重管>单管 (B)三重管<二重管<单管 (C)三重管<二重管>单管【正确答案】A 【解】高压喷射注浆法的工艺主要有单管法、二重管法和三重管法三种，各自采用的喷射流不同，由于喷射流的结构和喷射的介质不同，有效处理长度也不同，以三重管最长，二重管次之，单管法最短。【例题8-15】定喷和摆喷的有效处理长度约为旋喷桩直径的多少倍?(A)1.0 (B)1.11.2 (

18、C)1.01.5 (D)1.52.0【正确答案】C【解】旋喷固结体的直径大小与土的种类和密实程度有较密切的关系。对粘性土地基加固，单管旋喷注浆加固体直径一般为0.30.8m；三重管旋喷注浆加固体直径可达0.71.8m；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2.04.0m。定喷和摆喷的有效长度约为旋喷桩直径的1.01.5倍。8.3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。对规模较大及性质较重要的工程，设计完成之后，要在现场进行试验，查明喷射固结体的直径和强度

19、，验证设计的可靠性和安全度。(2)固结体尺寸1) 固结体尺寸主要取决于下列因素：a)土的类别及其密实程度；b)高压喷射注浆方法(注浆管的类型)；c)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)。2) 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8-2所列数值。3) 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。(3)承载力竖向承载旋喷桩复合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，初步设计时也可按下式估算： （8-1）式中复合地基承载力特征值(kPa)；面积置换率；单桩竖向

20、承载力特征值(kN)；桩的截面积(m2)；桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取值，如无经验时可取00.5，承载力较低时取低值； 处理后桩间土承载力特征值(kPa)，宜按当地经验取值，如无经验时，可取天然地基承载力特征值。单桩竖向承载力特征值可通过现场单桩载荷试验确定。也可按式(8-2)和(8-3)估算，取其中较小值： （8-2） （8-3）式中 与旋喷桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块(边长为70.7mm的立方体)在标准养护条件下28d龄期的立方体抗压强度平均值(kPa)；桩身强度折减系数，可取0.33； 桩长范围内所划分的土层数； 桩周第i层土的厚度(m)；桩周第i层土的侧阻力特征值(kP

21、a)，可按现行国家标准建筑地基基础设计规范GB 50007有关规定或地区经验确定。 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有关规定或地区经验确定。当旋喷桩处理范围以下存在软弱下卧层时，应按现行国家标准建筑地基基础设计规范GB 50007的有关规定进行下卧层承载力验算。竖向承载旋喷桩复合地基宜在基础和桩顶之间设置褥垫层。褥垫层厚度可取200300mm，其材料可选用中砂、粗砂、级配砂石等，最大粒径不宜大于30mm。(4)地基变形计算桩长范围内复合土层以及下卧层地基变形值应按现行国家标准建筑地基基础设计规范GB 50007有关规定计算，其中，复

22、合土层的压缩模量可根据地区经验确定。(5)防渗堵水设计防渗堵水工程设计时，最好按双排或三排布孔形成帷幕（图8-2）。孔距应为1.73(为旋喷设计半径)、排距为1.5最经济。 (a) (b)图8-2布孔孔距和旋喷注浆固结体交联图 (a)三排布孔 (b)双排布孔定喷和摆喷是一种常用的防渗堵水的方法，由于喷射出的板墙薄而长，不但成本较旋喷低，而且整体连续性亦高。相邻孔定喷连接形式见图8-3，其中:(a)单喷嘴单墙首尾连接；(b)双喷嘴单墙前后对接；(c)双喷嘴单墙折线连接；(d)双喷嘴双墙折线连接；(e)双喷嘴夹角单墙连接；(f)单喷嘴扇形单墙首尾连接；(g)双喷嘴扇形单墙前后对接；(h)双喷嘴扇形

23、单墙折线连接。图8-3定喷帷幕型式示意图 摆喷连接形式也可按图8-4方式进行布置。图8-4摆喷防渗帷幕型式示意图 a)直摆型(摆喷) d)微摆型 b)折摆型 e)摆定型c)柱墙型 f)柱列型【例题8-16】设计要求基底下复合地基承载力特征值达到280kPa，现拟采用桩径为0.5m的旋喷桩，桩身试块的立方体抗压强度平均值为7.0MPa，强度折减系数取0.33。已知桩间土承载力特征值120kPa，承载力折减系数取0.45。若采用等边三角形布桩，依据建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)，旋喷桩的桩距最接近下列哪个值?(A)1.0m (B)1.2m (C)1.5m (D)1.8m【正确答案】C

24、【解】旋喷桩复合地基设计首先计算旋喷桩的单桩承载力。由于题中未提土的侧阻力和端阻力，只能理解由土抗力计算的单桩承载力特征值高于按桩身材料强度控制的单桩承载力特征值。按规范公式（12.2.3-1）计算旋喷桩的单桩承载力特征值为：kN根据规范公式（9.2.5）一根桩负担的面积()为：m2对于等边三角形布桩，桩距为：m8.4施工方法(1)施工机具施工机具主要由钻机和高压发生设备两大部分组成。由于喷射种类不同，所使用的机器设备和数量均不同。多重管的功能，不但可输送高压水，而且还同时将冲下来的土、石抽出地面。因此管子的外径较大，达到300mm。它由导流器、钻秆和喷头组成。在喷嘴的上方设置了一个超声波传感

25、器，电缆线装在多重管内。此管系日本的新研究成果，目前我国有关单位还在研制中。喷嘴是直接明显影响喷射质量的主要因素之一。其环状间隙一般调至12mm。喷嘴通常有圆柱形、收敛圆锥形和流线三种(图8-5)。为了保证喷嘴内高压喷射流的巨大能量较集中地在一定距离内有效破坏土体，一般都用收敛圆锥形的喷嘴。流线形喷嘴的射流特性最好，喷射流的压力脉冲经过流线形状的喷嘴的，不存在反射波，因而使喷嘴具有聚能的效能。但这种喷嘴极难加工，在实际工作中很少采用。 a)圆柱型 b)收敛圆柱型 c)流线型图8-5喷嘴形状图(2)施工工艺1) 钻机就位钻机安放在设计的孔位上并应保持垂直，施工时旋喷管的允许倾斜度不得大于1.5%

26、。2) 钻孔单管旋喷常使用76型旋转振动钻机，钻进深度可达30m以上，适用于标准贯入度小于40的砂土和粘性土层。当遇到比较坚硬的地层时宜用地质钻机钻孔。一般在二重管和三重管旋喷法施工中都采用地质钻机钻孔。钻孔的位置与设计位置的偏差不得大于50mm。3) 插管插管是将喷管插入地层预定的深度。使用76型振动钻机钻孔时，插管与钻孔两道工序合二为一，即钻孔完成时插管作业同时完成。如使用地质钻机钻孔完毕，必须拔出岩芯管，并换上旋喷管插入到预定深度。在插管过程中，为防止泥砂堵塞喷嘴，可边射水、边插管，水压力一般不超过lMPa。若压力过高，则易将孔壁射塌。 4) 喷射作业当喷管插入预定深度后，由下而上进行喷

27、射作业，技术人员必须时刻注意检查浆液初凝时间、注浆流量、风量、压力、旋转提升速度等参数是否符合设计要求，并随时做好记录，绘制作业过程曲线。当浆液初凝时间超过20h，应及时停止使用该水泥浆液(正常水灰比1:1，初凝时间为15h左右）。5) 冲洗喷射施工完毕后，应把注浆管等机具设备冲洗干净，管内机内不得残存水泥浆。通常把浆液换成水，在地面上喷射，以便把泥浆泵、注浆管和软管内的浆液全部排除。6) 移动机具将钻机等机具设备移到新孔位上。(3)施工注意事项1) 钻机或旋喷机就位时机座要平稳，立轴或转盘要与孔位对正，倾角与设计误差一般不得大于。2) 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

28、满足设计要求。管路系统的密封圈必须良好，各通道和喷嘴内不得有杂物。3) 喷射注浆作业后，由于浆液析水作用，一般均有不同程度收缩，使固结体顶部出现凹穴，所以应及时用水灰比为0.6的水泥浆进行补灌。 并要预防其它钻孔排出的泥土或杂物进入。4) 为了加大固结体尺寸，或对深层硬土，为了避免固结体尺寸减小，可以采用提高喷射压力、泵量或降低回转与提升速度等措施，也可以采用复喷工艺：第一次喷射(初喷）时，不注水泥浆液；初喷完毕后，将注浆管边送水边下降至初喷开始的孔深，再抽送水泥浆，自下而上进行第二次喷射(复喷）。5) 在喷射注浆过程中，应观察冒浆的情况，以及时了解土层情况，喷射注浆的大致效果和喷射参数是否合理。采用单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20%或完全不冒浆时，应查明原因并采