第6章 灌入固化物

第6章灌入固化物6.1概述6.2深层搅拌法6.3高压喷射注浆法6.4灌浆法6.5TRD法目录6.1概述46.1概述1灌入固化物是指在软弱地基中灌入水泥等固化物，通过固化物和地基土体间产生一系列物理、化学作用形成水泥土或其它固化土，通过固化土与原状土形成复合土体，达到加固地基的一类地基处理方法。属于灌入固化物的地基处理方法主要有以下三类：深层搅拌法、高压喷射注浆法和灌浆法等。6.2深层搅拌法66.2.1加固机理、分类和适用范围1深层搅拌法是通过特制的施工机械－各种深层搅拌机，沿深度将固化剂（水泥浆，或水泥粉或石灰粉，外加一定的掺合剂）与地基土就地强制搅拌形成水泥土桩或水泥土块体的一种地基处理方法。我国于1977年由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院引进、开发水泥深层搅拌法，并很快在全国得到推广应用，成为软土地基处理的一种重要手段。深层搅拌法施工顺序示意图如图6-1所示。76.2.1加固机理、分类和适用范围1（1）机械就位

（2）边搅边喷

（3）达设计深度

（4）搅拌上升

（5）搅拌结束图6-1深层搅拌法施工顺序示意图86.2.1加固机理、分类和适用范围1深层搅拌法分喷浆深层搅拌法和喷粉深层搅拌法两种。深层搅拌法施工不仅可在陆上进行，也可在海上进行。我国已研制成功海上深层搅拌设备。海上深层搅拌设备采用喷浆深层搅拌法。深层搅拌法通常采用水泥为固化物，也有采用石灰为固化物。目前采用石灰为固化物的深层搅拌法在我国已不多见。深层搅拌法适用于处理淤泥、淤泥质土、黄土、粉土和粘性土等地基。对有机质含量较高的地基土，应通过试验确定其适用性。采用深层搅拌法加固地基可根据需要将地基土体加固成块状、圆柱状、壁状、格栅状等形状的水泥土。96.2.2水泥土的基本特性1当水泥浆与软粘土拌和后，水泥颗粒表面的矿物很快与粘土中的水发生水解和水化反应，在粘土颗粒间生成各种水化物。这些水化物有的继续硬化，形成水泥石骨料；有的则与周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应。通过离子交换和团粒化作用使较小的土颗粒形成较大的土团粒；通过凝硬反应，逐渐生成不溶于水的稳定的结晶化合物，从而使土的强度提高。水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸收水中和空气中的二氧化碳，发生碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙，这种碳酸化反应也能使水泥土增加强度。粘土颗粒和水泥水化物之间的物理化学反应十分复杂，反应过程也是比较缓慢的。因此，水泥土的硬化过程也需要较长的时间。106.2.2水泥土的基本特性1水泥土中水泥含量通常用水泥掺合比aw表示。水泥掺合比aw（%）通常是指水泥重量与被拌和的软粘土重量之比，即试验研究表明，影响水泥土强度的主要因素有：水泥掺合比aw、水泥标号、养护龄期、土样的含水量、土中的有机质含量、外掺剂以及土体围压等。（6-1）

116.2.3深层搅拌法的工程应用1采用深层搅拌法加固地基主要利用在地基中形成的水泥土具有较高的强度和模量，以及具有较小的渗透性。目前，深层搅拌法在我国工程应用主要有下述几个方面：1、形成水泥土桩复合地基（a）三角形布置（b）正方形布置（c）格构布置图6-4复合地基平面布置形式126.2.3深层搅拌法的工程应用1水泥土增强体复合地基广泛应用于下述工程：（1）建筑物地基，如多层民用住宅、办公楼、厂房、水池、油罐等建（构）筑物地基；（2）堆场地基，包括室内、室外堆场；（3）高速公路和机场停机坪、跑道地基等。2、形成水泥土支挡结构(a)A－A剖面(b)重力式挡墙图6-7格构形水泥土重力式挡墙136.2.3深层搅拌法的工程应用1图6-8加筋水泥土挡墙3、形成水泥土防渗帷幕4、其他方面的应用146.2.4深层搅拌桩复合地基设计11、根据天然地基工程地质情况和荷载情况，初步确定水泥土桩的桩长l和桩径d，水泥掺合比aw，并由此初步确定单桩的容许承载力。深层搅拌桩复合地基设计步骤如下：

2、根据荷载的大小和初步确定的基础深度D和宽度B，可确定复合地基容许承载力要求值。3、计算复合地基置换率4、确定桩数5、确定桩位平面布置6、验算加固区下卧软弱土层的地基强度7、沉降计算8、确定垫层156.2.5质量检验1质量检验主要方法如下：（1）检查施工记录：包括桩长、水泥用量、复喷复搅情况、施工机具参数和施工日期等。（2）检查桩位、桩数或水泥土结构尺寸及其定位情况。（3）在已完成的工程桩中应抽取2%~5%的桩进行质量检验。一般可在成桩后7日以内，使用轻便触探器钻取桩身水泥土样，观察搅拌均匀程度，同时根据轻便触探击数用对比法判断桩身强度。也可抽取5%以上桩采用动测进行质量检验。（4）采用单桩载荷试验检验水泥土桩的承载力。也可采用复合地基载荷试验检验深层搅拌桩复合地基的承载力。6.3高压喷射注浆法176.3.1加固机理、分类和适用范围1高压喷射注浆法是将带有特殊喷嘴的注浆管置于土层预定的深度，以高压喷射流切割地基土体，使固化浆液与土体混合、并置换部分土体，固化浆液与土体产生一系列物理化学作用，水泥土凝固硬化，达到加固地基的一种地基处理方法。若在喷射固化浆液的同时，喷嘴以一定的速度旋转、提升，喷射的浆液和土体混合形成圆柱形桩体，则称为高压旋喷法。高压喷射注浆法施工机械和施工工艺可分为单管法、二重管法和三重管法三种。单管法、二重管法和三重管法的比较见表6-4。186.3.1加固机理、分类和适用范围1单管高压喷射注浆法是利用钻机等设备，把安装在注浆管底部侧面的特殊喷嘴置入土层预定深度后，依靠高压泥浆泵等装置，以20MPa左右的压力，把浆液从喷嘴中喷射出去冲击切割土体，同时借助注浆管的旋转和提升运动，使浆液与土体混合，经过一定时间，形成水泥土固结体，二重管高压喷射注浆法使用双通道的注浆管进行喷射。当双通道的二重注浆管钻进土层的预定深度后，通过在管底部侧面的一个同轴双重喷嘴，同时从外喷嘴射出0.7MPa左右的压缩空气和从内喷嘴喷射出20MPa的高压浆液。三重管高压喷射注浆法使用分别输送水、气、浆三种介质的三通道的注浆管进行喷射。在以高压泵等高压发生装置产生的40MPa左右的高压水喷射流周围，环绕一股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，在地基土体中形成较大的孔隙，再另外由泥浆泵注入压力为2MPa~5MPa的浆液填充，当喷嘴旋转和提升时，浆液和土体混合，经过一定时间，形成水泥土固结体。196.3.1加固机理、分类和适用范围1高压喷射注浆法施工顺序如图6-11所示。钻机就位后，首先钻孔至设计深度，然后进行高压喷射。一边喷射，一边旋转、提升，直至设计高度，结束高压喷射。图6-11高压喷射注浆法施工顺序206.3.1加固机理、分类和适用范围1图6-12旋喷、定喷和摆喷216.3.1加固机理、分类和适用范围1水平旋喷施工顺序如图6-13所示，主要步骤为：（a）钻机定位；（b）钻孔至设计进尺；（c）高压喷射注浆；（d）高压喷射注浆结束。图6-13水平喷旋工艺流程图226.3.2高压喷射注浆法的工程应用1高压喷射注浆法工程应用主要包括下述几个方面：（1）加固已有建（构）筑物地基图6-14旋喷桩复合地基示意图236.3.2高压喷射注浆法的工程应用1（2）形成水泥土止水帷幕图6-15止水帷幕平面布置246.3.2高压喷射注浆法的工程应用1（3）应用于基坑开挖工程封底图6-16水泥土封底在围护体系中的应用

256.3.2高压喷射注浆法的工程应用1（4）水平高压喷射注浆法工程应用图6-17水平旋喷形成隧道围护体系（5）其他工程应用266.3.3高压喷射注浆法设计1高压喷射注浆法设计包括下述几个方面：（1）根据工程地质条件和地基处理要求决定采用施工方法：单管法，二重管法和三重管法。（2）根据工程地质条件和选用的施工方法，通过试验确定施工参数、有效改良直径和水泥土力学性质指标。也可参考表6-5、表6-6、和表6-7选用有关参数。（3）用于形成复合地基提高地基承载力，减小沉降，设计计算方法同深层搅拌桩复合地基；用于形成止水帷幕防渗，需进行防渗设计。以基坑围护止水帷幕抗管涌验算为例，其示意图如图6-18所示。276.3.4质量检验1采用高压喷射注浆法加固地基质量检验可采用开挖检查、钻孔取芯、标准贯入、载荷试验或压水试验等方法进行相应的检验。具体工程应采用的检验方法可视其工程要求和应用情况而定。用于形成复合地基提高地基承载力和减小沉降可采用载荷试验，用于形成止水帷幕可采用压水试验等。286.4灌浆法1灌浆法是指将固化浆液注入地基土体，以改善地基土体的物理力学性质，达到地基处理的目的的一类地基处理方法。灌浆浆液由灌浆材料（主剂）、溶剂（水或其他有机溶剂）及各种附加剂，按一定比例配制而成。灌浆法主要用于提高岩土的强度和变形模量，用于降低岩土的渗透性，提高抗渗能力，也用于封填孔洞，堵截漏水，有时还用于建筑物纠偏。296.4.1分类和灌浆材料16.4地基处理方法分类及适用范围6.4.1分类和灌浆材料6.4.2加固机理6.4.3适用范围6.4.4设计6.4.5质量检验30316.4.1分类和灌浆材料1水泥浆液常用附加剂如下所示：以聚氨酯浆液为例，常用附加剂如下所示：326.4.2加固机理11.渗入性灌浆渗入性灌浆是指在灌浆压力作用下，浆液克服各种阻力，渗入到地基土层中的孔隙或裂缝中。对颗粒型浆液，其颗粒尺寸必须能进入土层中存在的孔隙或裂缝中，因而渗入性灌浆存在浆液可灌性问题。浆液可灌性常用可灌比值N表示，对砂砾石地基：

（6-31）式中D15－砂砾石中含量为15%的颗粒尺寸；

d85－灌浆材料中含量为85%的颗粒尺寸。也可用渗透系数K来间接评价，当地基土体渗透系数K>（2~3）×10－1cm/s时，可用水泥浆液灌浆；当渗透系数K>（5~6）×10－2cm/s时，可用水泥粘土浆液灌浆。336.4.2加固机理12.劈裂灌浆劈裂灌浆是指依靠较高的灌浆压力，使浆液能克服地基中初始应力和土体抗拉强度，使土体沿垂直于小主应力的平面或土体强度最弱的平面上发生劈裂，使浆液可灌入土体，增大浆液扩散范围，达到土质改质目的的灌浆方法。对岩石地基，目前常用的灌浆压力尚不能使新鲜岩体产生劈裂，主要是使原有的隐裂隙或微细裂缝产生扩张。对于砂砾石地基，其透水性较大，浆液渗入将引起超静水压力提高，到一定程度后灌浆引起砂砾石层的剪切破坏，土体产生劈裂，达到劈裂注浆。对粘性土地基，在具有较高灌浆压力的浆液作用下，土体可能沿垂直于小主应力的平面产生劈裂，浆液沿劈裂面扩散，并使劈裂面延伸。

346.4.2加固机理1

3.压密灌浆压密灌浆是指在地基中灌入较浓的浆液，浆液迫使注浆点附近土体压密而形成浆泡。开始灌浆压力基本上沿径向扩散，随着浆泡的扩大，灌浆压力的增大，周围土体产生压密。压密灌浆常用于砂土地基加固，粘土地基中若有较好的排水条件也可采用压密灌浆进行加固。4.电动化学灌浆

借助于电渗作用，在粘土地基中即使不采用灌浆压力，也能靠直流电将浆液（如水玻璃溶液或氯化钙溶液）注入土体中，达到土质改良的目的。或者将浆液依靠灌浆压力注入到电渗区，通过电渗使浆液扩散均匀，以提高灌浆加固效果。356.4.3适用范围1灌浆加固主要应用在以下几个方面：（1）构筑物地基的加固（提高地基承载力）；（2）土坡稳定性加固（提高岩土体抗滑能力）；（3）裂隙岩体的止水和破碎岩体的补强（提高岩体整体性）；（4）已有建筑混凝土裂缝缺陷的修补（混凝土构筑物补强）；（5）坝基加固及防渗（提高岩土体密实度，改善其力学性能，减小透水性，增强抗渗能力）。366.4.4设计1灌浆法加固地基设计一般包括下述程序：

1.地质调查探明需处理地层的工程地质和水文地质条件。2．选择灌浆方案按灌浆的不同目的，对浆材和工艺进行选择见表6-8

其中灌浆材料目前有如下几种:

（1）水泥浆液（2）粘土浆（3）水泥-水玻璃浆液（4）化学浆液376.4.4设计1灌浆法加固地基设计一般包括下述程序：

3.灌浆孔位置灌浆孔位置包括布置形式和孔距。可根据灌浆目的和灌浆试验得到的灌浆有效范围确定灌浆孔位置。通过合理确定灌浆孔位置以获较好的经济效益。4.灌浆压力灌浆压力既要保证地层空隙得到充分灌注，又不能给地层带来不利影响，需根据地基和建筑物的具体条件并结合灌浆方法等情况来确定灌浆压力。386.4.5质量检验1灌浆效果检验视灌浆目的不同而异。以堵漏和纠偏为目的的灌浆工程，在施工过程中是否已达到目的就是最好的效果检验。以下对常用几种灌浆效果检测方法进行介绍。1．施工质量检查及技术资料分析法对灌浆过程的施工质量以及有关施工记录的技术资料加以整理、分析，据此初步判断灌浆质量。对灌浆过程中的灌浆压力、浆液浓度、吸浆量等变化情况进行分析，可以判断灌浆工作是否正常。2．钻孔抽(压)水检查法灌浆前后开展钻孔抽(压)水试验，根据实验结果计算岩层渗透系数(或吸水率)和井筒涌水量变化，分析岩层不均质性和灌浆处理的偶然缺陷，并判断灌浆质量好坏。396.4.5质量检验13．灌浆前后水量比较法根据灌浆前后渗水量的变化确定堵水率，进一步分析灌浆质量和效果，即封水效果，计算公式为:K=(Q1-Q2)/Q1

（6-32）式中K—封水效果，%；

Q1—灌浆前工程的涌水量，m3/h；

Q2—灌浆后工程的涌水量，m3/h。4．取样检查法5．钻孔检测法6．无线电波透视法7．旋转触探法(RPT)8．声波测试法406.4

TRD法1TRD是渠式切割水泥土连续墙工法（TrenchCutting&Re-mixingDeepwallmethod）的简称。TRD技术通过TRD主机将刀具立柱、刀具链条以及其上刀具组装成多节箱式刀具，并插入地基至设计深度。6.5

TRD法6.5.1加固机理6.5.2技术特点6.5.3应用类型和适用范围6.5.4设计6.5.5施工6.5.6检测与检验41426.5.2技术特点1TRD工法主要的优势如下：

1、施工机架重心低、稳定性好，安全度高，适用于对机械高度有限制的场所；

2、机械功率大，施工深度大，最大深度可达60m；

3、机械切割能力强，适用的土层广；

4、施工精度高，墙面垂直度和平整度好；

5、墙体上下固化性质均一，墙体质量均匀，截水性能好；

6、连续成墙施工，墙体等厚度，接缝少；可按设计要求以任意间距设置芯材；

7、施工机架水平、竖向所需的施工净空间小，适用于周边建（构）筑紧邻的工况；

8、施工机架可变角度施工，其与地面的夹角最小可为30°，从而可施工倾斜的水泥土墙体，满足堤坝防渗等要求。436.5.3应用类型和适用范围11.应用类型

TRD工法可用于岩土工程的土体加固、止水帷幕以及挡土结构。（1）土体加固，提高地基承载力，改善地基变形特性（2）止水帷幕（3）挡土结构2.适用范围（1）适用的深度据现有TRD工法施工机械，理论成墙深度为60m。目前，国内实际工程的成墙深度约为50m。（2）适用的土层TRD工法适用于人工填土、黏性土、淤泥和淤泥质土、粉土、砂土、碎石土等地层。446.5.4设计1需对TRD工法水泥土连续墙的厚度、深度以及平面布置进行设计。（1）墙体厚度和平面布置原则一般墙体厚度取550mm~850mm，常用厚度取550mm、700mm、850mm。当需要采用其他规格的墙体厚度时，应在550mm～850mm之间按50mm模数递增选取。（2）平面布置原则

TRD工法一般形成直线型的格子状加固体，见图6-5-1。图6-19格子状加固体456.5.4设计1（3）墙体深度墙体深度可综合复合地基的承载力、复合地基下卧层的承载力以及相关要求确定。（4）承载力计算根据天然地基条件，初步拟定的水泥土掺量、TRD工法墙的深度和厚度，初步确定墙的承载力，可采用如下公式：（