岩土工程特殊施工技术(降水-冻结法-注浆-旋喷桩)-ppt

1、 目前，水资源严重短缺，是世界性的难题。这不是我们研究的范畴，而是研究地下水的另一面，即地下水对土建工程的影响和危害。地下水对地下工程（深基坑、桥基、路基及矿山建设、城市管线附设等）设计方案、施工方法与工期、工程投资以及工程长期使用都有着十分密切的关系。如果对地下水处理不当，可能产生不良影响，甚至发生重大工程事故。例如（思考题）：市政管线、桥基、路基（翻浆）。地下工程特殊施工方法大都针对如何处理地下水或减少其对工程的危害而相应产生的，是地下建筑施工的重要组成部分。 一、地下水的分类一、地下水的分类 地下水按埋藏条件不同，分为三类，如图1-1所示。 海（江、河）潜水位第一隔水层承压水透水层局部隔

2、水层地下通道上层滞水C*A* B*图1-1 地下水埋藏条件示意图 1 上层滞水 地表水下渗，积聚在局部透水性小的粘性土隔水层上的水，称为上层滞水。这种水靠雨水补给，有季节性，存在于雨季，旱季可能干涸。勘察时，应注意与潜水区分。 2 潜水（净压水） 埋藏在地表以下第一个连续分布的稳定隔水层以上，具有自由水面的重力水，称为潜水。其自由水面为潜水面，水面标高称为地下水位。地面至潜水面的铅直距离称为地下水的埋藏深度。 潜水由雨水与河水补给，水位也有季节性变化。地下水埋藏深度各地区相差较大，如南方一些地区不足1m，西北黄土高原深达100200m。 3 承压水 埋藏在两个连续分布的隔水层之间，完全充满的有

3、一定压力的地下水，称为承压水。如打穿承压水上面的第一隔水层，则承压水因有压力而上涌，压力大时可以喷出 地面。对于矿山工程中的立井，深度达几百米至千米，在施工过程中可能穿过多个承压含水层，应引起足够重视。 思考：思考： 1. .试举例说出上述三类地下水（湖水、井水、试举例说出上述三类地下水（湖水、井水、 泉水及江河）。泉水及江河）。 2计算水压力：计算水压力：A点、点、B点及点及C点。点。 3 3不同地下水对地下工程的危害。如地下通道不同地下水对地下工程的危害。如地下通道经过经过A A点、点、B B点及点及C C点时。点时。 降低水位法分明排法和人工降低水位法。明排法是在基坑开挖至地下水位时，在

4、基坑周围内基础范围以外开挖排水沟或在基坑开挖排水沟。相隔一定距离设集水井，地下水沿排水沟流入集水井，然后用水泵将水抽走。流砂去了水，好象老虎去流砂去了水，好象老虎去了腿了腿 明排法是一种简单的地下水处理法，当地下水压较大而又为细粉砂时，采用明排法往往会发生涌砂冒泥即流砂现象，难以施工。此时应采用人工降低地下水位方法。 1、方法实质、方法实质 人工降低地下水位，就是在井筒或地下工程基坑开挖前，预先在其四周埋设一定数量的滤水管或井，用抽水设备抽水，形成联合降水漏斗，使地下水位降落到坑底以下，同时在开挖过程中仍不断抽水。从根本上防止流砂现象的发生，改善了工作条件，同时由于土中水被排除后，动水压力减少

5、或消除，边坡可以放陡，减少挖土量。此外，由于渗流向下，在动水压力的作用下，增加了土颗粒间的压力，使坑底土层更为密实。 人工降低地下水位方法有：轻型井点、喷射井点，电渗井点、管井井点及深井泵井点等，可根据土的渗透系数、要求降低水位的深度、工程特点及设备条件等。 2、轻型井点系统、轻型井点系统 轻型井点就是沿基坑四周将许多根直径较细的井点管埋入地下含水层内，井点管的上端通过弯管与总管相连接，用抽水设备将地下水从井点管内不断抽出，这样便可将原有地下水降至坑底以下。轻型井点布置，见图所示。 轻型井点包括由井点管、总管组成的管路系统和抽吸设备两大部分。井点管长58m，直径3850mm的钢管做成。滤管长1

6、2m，直径同井管，管壁钻有直径3850mm的滤孔，按梅花状排列，滤孔总面积与滤管表面积之比约为2025%。 3、喷射井点系统、喷射井点系统 当基坑开挖深度或降水深度超过6m时，上述轻型井点必须采用多层井点，但增加了挖土量与设备数量，有时因场地狭小，不可能布置。此时可考虑采用喷射井点。喷射井点系统布置，见图7-7所示。 喷射井点系统除抽水原理与轻型井点系统不同外，两者的布置基本相同。其工作原理是：高压水泵将具有一定压力(78kg/cm2)的工作水通过供水总管分配到各个井点管，从各个井点管的内管与外管之间的环形空腔入进水窗，由喷嘴喷出。因喷射水流流速急剧增加，压力水头相应降低，吸走周围空气而形成高

7、度真空(700mm以上)。管内外的压力差将地下压力水吸入井管。地下水及一部分空气通过滤网，从滤管中的芯管上升至扬水器，经过喷嘴两侧与喷射出来的高速水流一起进入混合室，并在混合室中混合，进行能量交换，流速逐渐减小，由流速水头逐渐变为压力水头，地下水被排至地面，并经排水总管进入集水池重新参与工作循环，多余的水被排走。 4、管井井点和深井泵井点、管井井点和深井泵井点在遇有流砂，特别是地下水充沛的土层，宜用管井井点或深井泵井点，两者与轻型井点的不同之处是每个井点均单独采用一台泵每个井点均单独采用一台泵，而后者是将泵放置在井管泵放置在井管中。井点布置，见图7-8及图7-9所示。 5、电渗井点、电渗井点

8、在饱和的粘性土中，由于土的透水性差透水性差(渗透系数小于0.1m/d)，用一般的抽水方法很难抽出地下水，因此，必须用电渗井点排水。 19世纪初，列斯用直流电通过含水土时，发现了电动现象。电电动主要包括动主要包括电渗电渗和和电泳电泳两种现象。两种现象。在饱和粘土中插入两根电极，通过直流电，则阳极周围的土中水会向阴极流动阴极流动，土中细颗粒向阳极移动或压密，前者称电渗现象，后者称电泳现象。分减少，阴极处则增加。因此，电渗现象在粘土颗粒含量多且含水量大的饱和土层较显著，若含水量接近塑性限界，则电渗现象很弱。电泳现象是带负电荷的土颗粒由阴极向阳极移动，对土层起固结作用，从而对软土地基有加强作用。电渗井

9、点布置，（金属棒（金属棒钢筋和井点管的阴阳钢筋和井点管的阴阳极）极）。问题：降水方法的优化选择、降水对周边建筑的影响。三三. 板桩法板桩法当通过厚度不大的松软岩层或不稳定含水层的地下工程施工中，可采用板桩法施工。板桩法的实质是在地下工程尚未开挖前，在其开挖范围以外，将板桩依次打入，穿过不稳定含水层，插入到隔水层一定深度一定深度（即预先在地下构筑防水帷幕）。此后，在板桩的临时支护下进行开挖与砌筑作业。条件：厚度不大（含水层厚度大，板桩未插入隔水层会发生何情况）、不含漂石、探头石等。问题：地质条件、水平抗力、封底。 冻结法是通过人为制冷的方法，将土层（岩层）中的水冻结，形成有一定强度和厚度的冻结体

10、（临时防护结构），在其保护下进行岩土开挖的特殊施工方法。它是受自然法的启发发展起来的，人工冻结法和液氮或干冰（固体CO2）。下面简单介绍各方法的实质。 1。自然冻结法。自然冻结法 来自西伯利亚河床下金矿开采。（包括直接冻结和木垛加碎石冻结） 自然冻结厚度木垛流动水流砂层矿床碎石2-2 木垛加碎石冻结示意图图2-1 直接冻结示意图 2人工冻结法（压缩机制冷） 即采用人工制冷的方法（如冰箱、冷冻机等），将岩土冻结。制冷的主要设备如下： 压缩机 冷凝器（蒸发器） 调节阀如何将以上四种设备组成制冷系统。？如何将以上四种设备组成制冷系统。？关键是两个要点：物质的状态变化伴随热量的传递，二是关键是两个要点

11、：物质的状态变化伴随热量的传递，二是热的传递规律（第二定律）。热的传递规律（第二定律）。1 11 1） 热量传递热量传递 吸热吸热 吸热吸热 固态固态 液态液态 汽态（如水）汽态（如水） 放热放热 放热放热 现象：室内喷水、凉水、酒精、丙酮擦身，立冬温、开春冷等。 制冷的过程也就是利用某种特定的物质的状态变化来实现的，这种物质叫制冷剂。从上式分析，水变汽吸热（100度），能做制冷剂吗。必须是汽化温度低于0度（必要条件），这类物质很多，常用的有：氨（一个大气压下，汽化温度35）、液氮制氧副产品195、CO278、氟里昂30等。人为造成这类物质状态变换机制，即能实现制冷。如何构建这种机制，这就是第

12、二个问题。 热量从高温热源到低温热源传递是热力学第二定律。传递是热力学第二定律。我们的目的是将热量从低温热源向高温热源传递，如何实现，这就是热力学第二定律，外界作功。外界作功。以氨为例说明制冷过程（地层或冰箱）设备连接图和压焓图。 冷却水循环去冷水塔（+25） p冷媒剂循环（-30）供液管冻结管回液管12图2-3 冻结系统示意图压-焓图 i冻土冷媒剂（盐水）42143 制冷（剂）循环 2）制冷、冻结原理饱和蒸汽氨（-35）由1进入压缩机，压缩机对其作功，饱和蒸汽氨变成过热蒸汽氨（+120），沿等熵线到达2；过热蒸汽氨等压进入冷凝器，与冷却水进行热交换，转化为饱和蒸汽氨（+30），到达3（+30

13、）为饱和液态，继续冷却变为过冷液态3（+25），经过调节阀，等焓降压到4，进行汽化，同时吸收周围介质（冷媒剂）的热量，到达1（-35），至此完成一次制冷循环，周而复始，达到制冷的目的。盐水（冷媒剂）在蒸发器内，吸收氨气的冷量，低温盐水由盐水泵，有供液管进入冻结管，与岩土进行热交换后进入回液管，再回到蒸发器，完成一次盐水循环。循环的结果，盐水不断吸收岩土的热量使其冻结，直到达到设计的冻土厚度。 人工冻结热量传递的途径是：岩土（冻土）盐水氨冷却水大自然。 作功冷源 热源3）液氮或干冰（固体CO2）直接冻结 根据上述原理即不难理解液氮或干冰（固体CO2）直接冻结，它是针对一些局部的工程量不大的制水工

14、程（成本高）。固体CO2可以直接汽化（密封高压），液氮可直接汽化。（与打火机同理）问题：体温混凝土强度研究、断管问题、冻胀压力、温度场、支护结构、混凝土裂缝等。 一应用情况此法引自水电部门，在水库坝堤的防渗工程中称其为“地下防渗墙”，水下筑墙、桩基、墩台基础、边坡稳定等常用此法。建筑部门用此法构筑地基基础，称之为“地下连续墙”。 已有建筑拟建建筑已有建筑连续墙滑动面边坡防渗墙基岩坝堤已有建筑 图3-1 水下（泥浆下）浇注混凝土应用事例 拟建建筑 已有建筑 二特点及技术关键工艺简单、设备少、施工安全、质量可靠。适用有于松软的稳定土层，不应有大的卵石、漂石。技术关键是：槽孔施工、泥浆下浇注混凝土及

15、接头的处理。三泥浆护壁原理一般地，在槽孔施工中为了维护槽孔的形态（不塌孔），必须采取维护措施，一般采取水或泥浆护壁，即在造孔的过程中，始终保持孔内充满泥浆，泥浆的作用除了平衡平衡土压土压（水压）力外，泥浆中的颗粒还充填了土的裂隙或孔隙，起到维护槽壁的作用。 槽孔形成后，将泥浆排净后可见槽壁表面有一层“泥皮泥皮”，有的泥皮薄而韧，而有的则厚而松。就是这层薄而韧的泥皮起着隔离和保护槽壁的作用（相当于“喷层”），那么，泥皮是如何形成的？ 泥皮PJPN图3-2 泥浆护壁原理示意图 四压气洗孔原理 在水（泥浆）下，如何将钻凿下来的土体运出地面？通常采用压气排碴压气排碴的方法，其原理如下： xyH0钻杆L

16、w钻头压气管压气排液器 图3-3 压气洗孔压气洗孔原理示意图 x h h 在钻杆内放入压气排液器。h 扬程；H0排液器置入深度；Lw尾管长度；x 泥浆比重；h三相混合体比重；xy二相混合体比重。未通压气前：x=h=xy（均为泥浆），系统处于静止状态。通压气后：x不变，h下降，xy上升，系统平衡打破，呈现以下状态：xyxh由于压缩空气进入钻杆，比重降低，在钻头底部形成负压，尽而产生液体流动，洗井液带动岩碴进入钻头、钻杆，最终排出地面，流入沉淀池净化。同时，地面泥浆系统不断向井内补充新的泥浆，确保泥浆面水平不变。这里h是变量，随着气泡的上升，气泡逐渐变大，h变小，流速增大。 五泥浆下灌注混凝土1泥

17、浆下灌注混凝土的实质 （ 1）沿槽孔的长度方向布置若干垂直导管；（ 2）把地面配置好的混凝土同时注入导管；3）随着混凝土顶面的上升，顶出泥浆（进入地面泥浆池参与循环），同时提拔导管，直至混凝土灌满整个槽段。 问题：接头问题 ？ 图3-4 泥浆下灌注混凝土示意图混凝土导管泥浆 槽孔 2 泥浆下灌注混凝土的施工要点 （1）管底部高出基底300500mm，顶部高出泥浆面一定高度； （2）随着混凝土面的上升，不断提、拆导管，但必须保证其埋在混凝土一定的深度以防提漏； （3）开始灌注时导管内必须放置隔水栓隔水栓，以防止混凝土与泥浆的混合； （4）确定拔管时间，即不能过早也不能过晚； （5）混凝土必须连续

18、一次浇注完毕，尤其是浇注开始，必须一次埋住导管 。3.浆下混凝土的流动规律 混凝土在不同的超压力的作用下，呈不同的流动状态（规律），而不同的流动状态，直接影响混凝土的成型质量，一般的混凝土在泥浆下可能呈现以下状态： （1）（1）图3-5 浆下混凝土的流动规律 4.4.混凝土的技术要求混凝土的技术要求泥浆下浇注混凝土是通过在导管内靠自重下流、在超压力作用下向两侧扩散、顶升等环节完成的，因此与一般的混凝土浇注有所不同，要求混凝土有好的流动性好的流动性（不堵管、能流畅的扩散及顶升），好的和易性和易性（流动时不离析、稳定性好），在配比方面要保证混凝土的强度和抗渗性抗渗性。一般的，混凝土的流动性和和易性

19、是对立的，解决的办法是填加外加剂（如减水剂、缓凝剂，或适当增加水泥的用量。5.5.直升导管法几个参数的确定直升导管法几个参数的确定按泥浆下浇注混凝土的实质及施工要点的要求，有以下几个参数需要确定：h1导管高出泥浆面的最小距离；h导管埋入混凝土的最大深度；L导管间距。h1h21 h2p(1).h1的确定根据压力平衡关系，可得导管出口处的超压力p：p=1* h1+(1-2)* h2从上式便可得到h1。混凝土顺利扩散的基本条件是超压力p0，但是由于混凝土为多相流体，pk(k0).（2）导管间距的确定一般地，导管的间距越小，混凝土的上升越平稳、越均匀，否则混凝土上升表面坡度大，易将泥浆卷入混凝土。但同

20、时灌注的导管多，灌注过程控制困难，目前还无理论计算方法，可按经验，一般取33.5m。(3).管埋入深度的确定 如果将混凝土视为理想流体，从理论上讲p0即可流动，但混凝土为多相流体，其力学特征随时间变化。如果导管埋的过深，则灌注困难（超压力小、下部可能初凝），过浅则可能出现翻浆现象，该问题应进行理论试验研究，一般的取1.52.5m.六六. .接头处理技术接头处理技术一个完整的地下连续墙是有若干个槽段组成的，问题是如何将槽段与槽段连接成一个整体，使其即防渗，又有一定的连接强度，这就是接头的处理问题。接头的形式有多种，一般的有以下几种：（1）弧型接头 弧型接头（第一槽段；第二槽段）利用弧型钻头造孔，

21、该接头即承压又抗渗，是较理想的接头方式，问题是如何实现该接头？（加一钻加一钻） （2）直线型接头 该接头形式利用矩形钻头（抓斗）造孔，即不稳定，也不抗渗，易造成两槽段间不连续，达不到抗渗加固的目的，一般不宜采用。浇注混凝土之前，在形成的槽段两端，放置形状适宜的隔板（钢板、预制钢筋混凝土隔板等），固定后建筑混凝土。 该接头的技术关键是，要求有一定刚度的隔板，安装时不偏写斜、不扭转。 （3 3）隔板接头）隔板接头 隔板（4）间隔接头间隔接头 （1） （2） （3） 导向孔分别或同时构造、槽段并浇注混凝土（1）；在两槽段中间钻导向孔（2）；利用双反弧冲击钻头造孔并浇注混凝土，实现、槽段的连接。（5

22、5）预留法接头预留法接头见图*所示，该法要点为：在混凝土浇注之前，预先在槽段的两端下放接头管，边浇注混凝土边拔导管，最后形成凹型的连续墙两侧端头。问题：接头结构形式、提拔力的确定、提拔时间的确定等。问题：接头结构形式、提拔力的确定、提拔时间的确定等。 间隔接头 接头管图3-5 预留法接头示意图 二二. .注浆法的含义及其应用注浆法的含义及其应用1注浆法的含义及其工艺过程注浆法的含义及其工艺过程 含义：含义：就是将可凝固的浆液在注浆压力的作用就是将可凝固的浆液在注浆压力的作用下，注入到岩层的裂隙或土层的孔隙中，用以下，注入到岩层的裂隙或土层的孔隙中，用以堵水或加固（通俗地讲就像医生给病人注射液堵

23、水或加固（通俗地讲就像医生给病人注射液体类似体类似-血管既裂隙，不同的是注入的材料不血管既裂隙，不同的是注入的材料不同，否者即为人为同，否者即为人为“血栓血栓”。注浆法的关键是可。注浆法的关键是可凝固的浆液（注浆材料）和有一定的注浆压力。凝固的浆液（注浆材料）和有一定的注浆压力。工艺过程：工艺过程：浆液配制同时钻孔和注浆设备安装浆液配制同时钻孔和注浆设备安装压水实验压水实验注浆注浆压水压水质检质检施工。施工。 图4-1 注浆工艺过程示意图图4-2 渗流堵塞过程示意图 PrPv(a)(b)(d) (c) 图4-3 渗流注浆P-t曲线tPQmin P0 图4-4 管道注浆原理图 图4-5 渗透注浆

24、原理图 五注浆新技术简介 旋喷注浆法旋喷注浆法，即利用高压水射流旋转切割土体，同时进行泥浆、水泥浆地下搅拌，形成地下混合灌注桩；综合注浆法，即将以粘土为主作为注浆材料，配备可移式注浆站（注浆台车）；直接堵漏技术，即对构筑物的渗漏水直接封堵（需特殊的材料及设备）；还有其他的化学注浆新技术等。问题：注浆技术的现状与发展；注浆堵水应用技术；注浆加固应用技术；注浆在路基加固工程中的应用等。第五讲：注浆参数一 .注浆压力 注浆压力是给予浆液扩散、充塞、压实的能力。压力过大则浆液扩散过远，造成浪费，压力过小则浆液难以进入，或达不到所需的厚度而造成注浆失效。影响注浆压力的因素很多，可用以下函数关系表示： P

25、o=f(H, Ro , , 1/K , 1/t) 式中 H水头压力； Ro扩散距离； 浆液粘度； 1/K裂隙开度； 1/t凝胶时间。 此外还有在特定环境下推导的公式，如H.B佳宾公式等。 二注入量注入量是了解浆液的充塞状态、选择注浆泵、材料估算及配制浆液的依据，有如下计算方法：1 依据压水实验估算：Qo= K. q.Pb. h式中 K灌注系数； q吸水率； h注浆段高度。 2RR34RRQ3ppp00300b)(ln R=303rntkhr30 牛顿流体球状渗透当浆液仅从注浆孔端部注入时，可以设想为以该点为中心的球形注浆。马格(Maag)应用达西(Darcy)定律作为原始公式推导了注浆的渗透理

26、论公式。根据达西定律，得出浆液的扩散半径：图6-1 不同浆液的粘度变化cwt M=SiO2/Na2O 取2。42。8 Be=145-145/ 取3035 衡量浆的两个重要指标是凝胶时间凝胶时间和抗压强度抗压强度。抗压强度：与水灰比（w/c）、环境温度、水泥与水玻璃比（c/s）等因素有关，其中有最佳级配的问题，即一定量的与一定量的水玻璃反应，当比例相当时强度最高 。在未达到以前c/s越高反应越充分，强度越高，当等于s/c#时强度达到最高值，当超过s / c #时，再增加水玻璃则强度下降（多余的水玻璃不参与反应，而水玻璃本身是没有机械强度的水玻璃本身是没有机械强度的）。 图6-2 与s/c关系曲线

27、s/cs/c# t t t w/c w/c T 图6-3水泥品种的影响 图6-4水泥浆及水玻璃浓度的影响 图6-5 温度的影响 注： 普通硅酸盐水泥 35 Be 矿渣硅酸盐水泥 40 Be 过期水泥 45 Be 水玻璃遇水发生如下水解反应： Na2O.nSiO2+H2O=2NaOH+n.SiO2如果向水玻璃水溶液中投入酸、酸性盐和某些有机化合物均能消耗掉体系内含有的NaOH，打破上述平衡，使反应连续进行，同时产生大量的硅酸，而硅酸呈凝胶体状态。 硅酸形成的稳定三元体网状结构，其分子结构如图所示： OSiOSiOSiOSiO O O O O OsiOSiOSiOSiO 1 4.聚氨脂类（溶液型） 属于高分子聚合物，其特点是该浆液不容于水，见水发泡膨胀，凝固后体积增大89倍，但成本高，价格昂贵，2万元/m3以上，只用在特种工程特种工程中。5.丙烯酰胺类（溶液型）适用于双液注浆（主剂、胶联剂、还原剂），其特点是可注性好（似水）、凝胶时间可调几秒几小时）、凝固突变。适用于封堵动水，价格为封堵动水，价格为5000/m5000/m3 3元元/ /以上以上。(1) 全程式 (2) 前进式 (3) 后退式 图7-1注浆方案示意图 都是通过止浆塞实现分段注浆的，但止浆效