第13章-高压喷射注浆法

地基处理

GroundTreatment重庆交通大学河海学院吴文雪第13章高压喷射注浆法

Chapter13HighPressureJetGrouting

13.1概述

13.1Introduction

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形成水泥土加固体的地基处理方法。20世纪60年代末期,日本NIT公司在日本大阪市地下铁道建设冻结法施工中,由于冰冻融化,造成严重事故,后改为灌浆法施工。在灌浆过程中,浆液沿着土层交界面溢走很多,不能完全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,大胆引用了水力采煤技术,将高压水射流技术应用到灌浆工程中,创造出一种全新的施工法——高压喷射注浆法。高压喷射注浆法它是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻至土层的预定位置后,用高压设备使浆液或水以20MPa左右的高压流从喷嘴中喷射出来,冲击破坏土体,同时钻杆以一定的速度渐渐向上提升,将浆液与土粒强制搅拌混合,浆液凝固后,在土中形成一个均匀的固结体,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,而且划时代地创造出一种全新的施工法——高压喷射注浆法,当时定名为CCP工法

1972年铁道部科学研究院率先开发高压喷射注浆法。1975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、构造地下防水帷幕等。高压喷射注浆1、定义高压喷射注浆法,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,以20～40MPa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、脉动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,有规律地重新排列。浆液凝固后,便在土层中形成一个水泥土固结体。13.2定义及其种类

13.2DefinitionandTypes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有密切关系。按喷射流移动轨迹分为旋喷、定喷和摆喷三种。

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,提高土的抗剪强度,改善地基的变形性质,也可组成闭合的帷幕,用于截阻地下水流和治理流砂。喷射法施工后,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或扇状。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。2、工艺类型当前,高压喷射注浆法的基本工艺类型有:单管旋喷注浆法(简称单管法)、双管法、三管法和多管法等四种方法。单管法：利用钻机把安装在注浆管（单管）底部侧面的特殊喷嘴，置入土层预定深度后，用高压泥浆泵等装置，以20MPa左右的压力，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土搅拌混合，经过一定时间凝固，便在土中形成一定形状的固结体，日本称为CCP工法。单管法二重管法: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坏土体。即以高压泥浆泵等高压发生装置喷射出20MPa左右压力的浆液，从内喷嘴中高速喷出，并用0.7MPa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。固结体的范围明显增加，日本称为JSG工法。二重管法三重管法: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产生20-30MPa左右的高压水喷射流的周围，环绕一股0.5-0.7MPa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，形成较大的空隙，再另由泥浆泵注入压力为0.5-3MPa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.日本称CJP工法。三重管法多重管法:这种方法首先需要在地面钻—个导孔，然后置入多重管，用逐渐向下运动的旋转超高压力水射流(压力约40MPa)，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。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，在砂性土中最大可达4m，日本称为SSS-MAN工法。多重管法1、高压喷射注浆法的特点1.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,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(构)筑物的上部结构,且能使已有建(构)筑物在施工时不影响使用功能。2.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0.4～4.0m的固结体,因而施工时能贴近已有建(构)筑物,成型灵活,既可在钻孔的全长范围形成柱形固结体,也可仅做其中一段。13.3特点适用范围

3.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。4.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。处理深度已达30m以上。5.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,所以可用于永久性工程。6.料源广阔浆液以水泥为主体。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况下,则可在水泥中掺入适量的外加剂,以达到速凝、高强度、抗冻、耐蚀和浆液不沉淀等效果。7.设备简单高压喷射注浆全套设备结构紧凑、体积小、机动性强、占地少,能在狭窄和低矮的空间施工。2、高压喷射注浆法的适用范围1.土质条件适用范围主要适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或可塑粘性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地基。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,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适用范围。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。2.工程适用范围可采用高压喷射注浆法的工程如图13-2所示。⑴已有建筑物和新建建筑的地基处理，提高地基强度，减少建筑物的沉降和不均允沉降；⑵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；⑶基坑底部加固、防止管涌与隆起；⑷坝体的加固及防水帷幕；⑸边坡加固及隧道顶部加固。1.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巨大能量后,从一定形状的喷嘴中,用一种特定的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。13.3加固地基的机理

13.3MechanismofReinforcement2.高压喷射流的种类高压喷射注浆所用的喷射流共有四种：（1）单管喷射流为单一的高压水泥浆喷射流；（2）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：（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：（4）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。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作用三、水泥与土的固结机理3.加固地基的机理高压喷射流由三个区域组成:保持出口压力P0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。初期区域：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，达到某一位置后，断面上的流速分布不再均匀。速度分布保持均匀部分称为喷射核（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（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搅拌效果。一、

高压喷射流对土体的破坏作用。初期区域后为主要区域: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。主要区域后为终了区域: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，则搅拌土的范围愈大，喷射加固体的直径也愈大。二、水(浆)、气同轴喷射流对土的破坏作用。单射流虽然具有巨大的能量,但由于压力在土中急剧衰减,因此破坏土的有效射程较短,致使旋喷固结体的直径较小。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,阻力大大减小,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。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、墙的机理可用五种作用来说明。旋喷固结体横断面1）.高压喷射流切割破坏土体作用喷流动压以脉冲形式冲击土体，使土体结构破坏出现空洞。2）.混合搅拌作用钻杆在旋转和提升的过程中，在射流后面形成空隙，在喷射压力作用下，迫使土粒向与喷嘴移动相反的方向(即阻力小的方向)移动，与浆液搅拌混合后形成固结体。3）.置换作用三重管高喷法又称置换法，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。4）.充填、渗透固结作用高压浆液充填冲开的和原有的土体空隙，析水固结，还可渗入一定厚度的砂层而形成固结体。5）.压密作用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的抗压强度高于中心部分。

三、水泥与土的固结机理。水泥和水拌合后,首先产生铝酸三钙水化物和氢氧化钙,它们可溶于水中,但溶解度不高,很快就达到饱和,这种化学反应连续不断地进行,就析出一种胶质物。这种胶质物有一部分混在水中悬浮,后来就包围在水泥微粒的表面,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,只能以无定形体的胶质包围在水泥微粒的表层,另一部分渗入水中。由水泥各种成分所生成的胶凝膜,逐渐发展起来成为胶凝体,此时表现为水泥的初凝状态,开始有胶粘的性质。此后,水泥各成分在不缺水、不干涸的情况下,继续不断地按上述水化程序发展、增强和扩大,从而产生下列现象:①胶凝体增大并吸收水分,使凝固加速,结合更密;②由于微晶(结核晶)的产生进而生出结晶体,结晶体与胶凝体相互包围渗透并达到一种稳定状态,这就是硬化的开始;③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为止。但无论水化时间持续多久,很难将水泥微粒内核全部水化完,所以水化过程是一个长久的过程。13.4设计计算

(DesignProcedure)（一）室内配方与现场喷射试验（二）旋喷直径确定（三）承载力计算（四）地基变形计算（五）孔位设计（六）浆量计算第四节、设计计算（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，验证设计的可靠性和安全度。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第四节、设计计算（二）旋喷直径确定1固结体尺寸主要取决于下列因素：①土的类别及其密实程度；②高压喷射注浆方法（注浆管的类型）；③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。第四节、设计计算旋喷直径确定第四节、设计计算旋喷直径确定对粘性土地基加固，单管旋喷注浆加固体直径一般为0.3-0.8m：三重管旋喷注浆加固体直径可达0.7-1.8m；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2.0-4.0m。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1.0-1.5倍。第四节、设计计算（三）承载力计算用旋喷桩处理的地基，应按复合地基设计。旋喷桩复合地基承载力标准值应通过现场复合地基载荷试验确定，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。初步设计时，可按下式估算：

式中：β为桩间土承载力折减系数，可取0～0.5，承载力较低时取低值。

单桩竖向承载力特征值可通过现场单桩载荷试验确定。也可从下两式中取小值：

式中：η为桩身强度折减系数，可取0.33。第四节、设计计算（四）地基变形计算旋喷桩的沉降计算应为桩长范围内复合土层以及下卧层地基变形值之和，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：式中Esp——旋喷桩复合土层压缩模量kPaES—桩间土的压缩模量，可用天然地基土的压缩模量代替kPa；EP—桩体的压缩模量，可采用测定混凝土割线模量的方法确定kPa第四节、设计计算（五）孔位设计加固地基：正方形、矩形或梅花形布置，孔距一般为旋喷桩径的3-4倍。防渗堵水工程：多采用定喷、摆喷，地层含的粒径较粗时多采用摆喷或旋喷。对处理深度大于20m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1.73R(R为旋喷固结体半径)，排距1.5R时最经济。一般定喷、摆喷孔距为1.2～2.5m，旋喷为0.8～1.2m。防渗效果一般可达10-5～10-6cm/s。第四节、设计计算孔位设计第四节、设计计算相邻孔定喷连接形式

(a)单喷咀单墙首尾连挂；(b)双喷咀单墙前后对接；(c)双喷咀单墙折线连接；(d)双喷咀双墙折线连接；(e)双喷咀夹角单墙连接；(f)单喷咀扇形单墙首尾连接；(e)双喷咀扇形单墙前后对接；(h)双喷咀扇形单墙折线连接。第四节、设计计算摆喷连接形式

第四节、设计计算施工布置形式

第四节、设计计算（六）浆量计算体积法喷量法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，即可确定水泥的使用数量。第四节、设计计算体积法式中

Q—

需要用的浆量，m3；De——旋喷管直径，m3；D0

—注浆管直径，m3；k1—填充率(0.75～0.9)；h1—旋喷长度，m；k2—未旋喷范围土的填充率(0.5～0.75)；h2—未旋喷长度，m；β—损失系数(0.1～0.2)。第四节、设计计算喷量法式中

Q—

需要用的浆量，m3；

V——提升速度，m／min；

H——喷射长度，m；

q——单位时间喷浆量m3／min；

β——损失系数，0.1～0.2。第四节、设计计算防渗止水帷幕设计防渗止水帷幕的形式1.柱列型；2.柱墙型；3.定喷防渗帷幕；4.摆喷防渗帷幕；5.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堵水工程设计时,最好按双排或三排布孔形成帷幕(见图13-5)。孔距为1.73R0(R0为旋喷桩设计半径),排距为1.5R0时最经济。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,而且整体连续性也很好。第四节、设计计算防渗止水帷幕插入深度确定⑴防渗帷幕达不透水层防渗帷幕应尽量插入不透水层，保证不发生管涌。⑵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浆液材料与配方根据喷射工艺要求,浆液应具备以下特性。(1)良好的可喷性。目前,国内基本上采用以水泥浆为主剂,掺入少量外加剂的喷射方法。水灰比一般采用1∶1到1.5∶1就能保证较好的喷射效果。(2)足够的稳定性。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,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的稳定性,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。(3)气泡少。若浆液带有大量的气泡,则固结体硬化后就会有许多气孔,从而降低喷射固结体的密度,导致固结体强度及抗渗性能降低。为了尽量减少浆液气泡,应选择非加气型的外加剂,不能采用起泡剂,比较理想的外加剂是代号为NNO的外加剂。(4)调剂浆液的胶凝时间。胶凝时间是指从浆液开始配置起,到土体混合后逐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、水灰比和外界温度而定。一般从几分钟到几小时,可根据施工工艺及注浆设备来选择合适的胶凝时间。(5)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影响加固体的抗压强度。因此,应选择力学性能优良的浆材品种等。(6)无毒、无臭。浆液对环境不污染及对人体无害,凝胶体为不溶和非易燃、易爆物。浆液对注浆设备、管路无腐蚀性并容易清洗。(7)结石率高。固化后的固结体有一定粘结性,能牢固地与土粒相粘结。要求固结体耐久性好,能长期耐酸、碱、盐及生物细菌等腐蚀,并且不受温度、湿度的影响。浆液类型1、普通型2、速凝早强型3、高强型4、抗渗型1、普通型一般采用325号或425号硅酸盐水泥浆，不加任何外加剂，水灰比为1：1～1.5：1，固结体28天的抗压强度最大可达1.0～20MPa，对一般无特殊要求的工程宜采用普通型。2、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。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2％～4％。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1MPa，而掺入2％氯化钙的水泥土固结体抗压强度为1.6MPa，掺人4％氯化钙的水泥土固结体抗压强度为2.4MPa。3、高强型喷射固结体的平均抗压强度在20MPa以上称为高强型。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的复合配方。4、抗渗型在水泥浆中掺人2％～4％的水玻璃，其抗渗性能就有明显提高。纯水泥浆与掺入水玻璃的水泥浆的渗透系数土样类别水泥品种水泥含量（%）水玻璃含量（%）28天渗透系数（cm/s）细砂425号硅酸盐水泥4002.3×10-64028.5×10-8粗砂425号硅酸盐水泥4001.4×10-64022.1×10-8如工程以抗渗为目的者，则最好使用“柔性材料”。可在水泥浆液中掺入10％～50％的膨润土(占水泥量的百分比)。对有抗渗要求时，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号外加剂成分及百分比浆液特性1氯化钙2～4促凝、早强、可灌性好2铝酸钠2促凝、强度增长慢，稠度大3水玻璃2初凝快、终凝时间长、成本低4三乙醇胺0.03～0.05食盐1有早强作用5三乙醇胺0.03～0.05食盐1钙2～4促凝、早强、可喷性好6氯化钠（或水玻璃）2“NNO”0.5促凝、早强、强度高、浆液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号外加剂成分及百分比浆液特性7氯化钠1亚硝酸钠0.5三乙醇胺0.03～0.05防腐蚀、早强、后期强度高8粉煤灰25调节强度、节约水泥9粉煤灰25氯化钙2促凝、节约水泥