第九章高压喷射注浆法2.docx

1、第九章高压喷射注浆法2第九章 高压喷射注浆法第一节 概述高压喷射注浆法是60年代后期创始于日本，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，以高压设备使浆液或水成为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。固结体的形状和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)三种型式如图911所示。图911 高压喷射注浆的三种形式旋喷法施工时，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，提高地基土的抗剪强度，改善土的变形性质；也

2、可组成闭合的帷幕，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摇动，固结体形如较厚的墙板状。 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。一、高压喷射注浆法的工艺类型 当前高压喷射注浆法的基本工艺类型有：单管法、二重管法、三重管法和多重管法等四种方法。 （一）单管法单管旋喷注浆法是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

3、喷嘴中喷射出去冲击破坏土体，同时借助注浆管的旋转和提升运动，使浆液与从土体上崩落下来的土搅拌混合，经一定时间凝固，便在土中形成圆柱状的固结体，如图912所示。这种工法日本称为CCP工法：图912 单管旋喷注浆示意图 (二)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左右压力时浆液，从内喷嘴中高速喷出，并用0.7Mpa左右压力把压缩空气，从内喷嘴中高速喷出。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，喷嘴一面喷射一面旋

4、转和提升，最后在土中形成圆柱状固结体。固结体的直径明显增加如图913所示。这种方法日本称为JSG工法。图913二重单管旋喷注浆示意图 (三)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20MPa左右的高压水喷射流的周围，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，形成较大的空隙，再另由泥浆泵注入压力为25MPa的浆液填充，喷嘴作旋转和提升动，最后便在土中凝固为直径较大的圆柱状固结体如图914所示。这种方法日本称CJP工法。图914三重管旋喷注浆示意图 (四)多重管法 这种方法首先需要在地面钻个导孔，然后置人多重管，用逐渐向下

5、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，如图915所示，这种方法日本称为sss-MAN工法。图915 多重管旋喷示意图二、高压喷射注浆法的特征及适用范围（一）高压喷射注浆法的特征 1、适用范围较广。 由于固结体的质量明显提高，它既可用于新建工程也可用于竣工后的托换工程。 2、施工简便。 只需在

6、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，因而在施工时能贴近已有建筑物，成型灵活。 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。 5、耐久性较好。 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，则可在水泥中捶人适量的外加剂，以达到速凝、高强、抗冻、耐蚀和浆液不沉淀等效果。7、设

7、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。（二）高压喷射注浆法的工程应用范围 1、增加地基强度。 提高地基承载力，整治已有建筑物沉降和不均匀沉降的托换工程； 减少建筑物沉降，加固持力层或软弱下卧层； 加强盾构法和顶管法的后座，形成反力后座基础。 2、挡土围堰及地下工程建设。 保护邻近建、构筑物； 保护地下工程建设； 防止基坑底部隆起。3、增大土的摩擦力和黏聚力。 防止小型坍方滑坡； 锚固基础。4、减少振动、防止液化。 减少设备基础振动； 防止砂土地基液化。5、降低土的含水量。 整治路基翻浆冒泥； 防止地基冻隆。 6、防渗帷幕。 河堤水池的防漏及坝

8、基防渗； 帷幕井筒； 防止盾构和地下管道漏水漏气； 地下连续墙补缺； 防止涌砂冒水。第二节 加固机理一、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，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。在高压高速的条件下，喷射流具有很大的功率，即在单位时间内从喷嘴中射出的喷射流具有很大的能量，其功率与速度和喷射流的压力的关系如表921所示。喷射流的速度与功率 表921喷嘴压力（pa）喷嘴出口孔径d0(cm)流速系数流量系数射流速度v0(m/s)喷射功率N(kW)101060.300.9630.9461368.5201060.30

9、0.9630.94619224.1301060.300.9630.94624344.4401060.300.9630.94628068.3501060.300.9630.94631395.4注：流量系数和流速系数为收敛圆锥体13o24角喷嘴的水力实验值。从上表可见，虽喷嘴的出口孔径只有3mm，由于喷射压力为10、20、30、40和50 MPa，它们是以136、192、243、280和313ms的速度连续不断地从喷嘴中喷射出来，它们的喷射功率分别为8.5、24、44、68和95KW。二、高压喷射流的种类和构造高压喷射注浆所用的喷射流共有四种：(1)单喷射流为单一的高压水泥浆喷射流；(2)二重管喷

10、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；(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。 以上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）单液高压喷射流的构造单管旋喷注浆使用高压喷射水泥浆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在空气中的模式，如图921所示予以说明。高压喷射流可由三个区域所组成：即保持出口压力P0的初期区域A、紊流发达主要区域B和喷射水变成不连续喷流的终期区域C等三部分。 图 921 高压喷射流构

11、造在初期区域中，喷咀出口处速度分布是均匀的，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匀的了。速度分布保持均匀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搅拌效果。 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

12、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。（二）高压喷射流的压力衰减在空气中和水中喷射得到的压力与距离的关系曲线，如图922所示。图922 喷射流在中心轴上的压力分布曲线喷射流在空气中喷射水时： (921)喷射流在水中喷射水时： (922)式中 初期区域的长度，m； 喷射流中心轴距喷咀距离，m； 填咀出口压力，kPa； 喷流中心轴上距喷咀x距离的压力，kPa。根据试验结果：在空气中喷射时 =(75100)d0在水中喷射对 =(66.5)d0式中 d0 喷咀直径。当压力高达1040 MPa的喷射流在介质中喷射时，压力的衰减规律也可近似地采用下列经验

13、公式： (923)式中 K，n系数（适用于=50300 d0）。（三）水(浆)、气同轴喷射流的构造二重管旋喷注浆同轴喷射流，与三重管旋喷注浆的水、气同轴喷射流除喷射介质不同外，都是在喷射流的外围同轴喷射圆筒状气流，它们的构造基本相同。现以水、气同轴喷射流为代表，分析其构造。在初期区域A内，水喷流的速度保持喷咀出口的速度，但由于水喷射与空气流相冲撞及喷咀内部表面不够光滑，以至从喷咀喷射出的水流较紊乱，再加以空气和水流的相互作用，在高压喷射水流中形成气泡，喷射流受到干扰，在初期区域的末端，气泡与水喷流的宽度一样。在迁移区域D内，高压水喷射流与空气开始混合，出现较多的气泡。在主要区域B内，高压水喷射

14、流衰减，内部含有大量气泡，气泡逐渐分裂破坏，成为不连续的细水滴状，同轴喷射流的宽度迅速扩大。 水(浆)、气同轴喷射流的初期区域长度可用以下经验公式表示 （924）式中 V0初期流速，ms。旋喷时，若高压水、气同轴喷射流的初期速度为20ms，则初期区域长度xc0.10m，而以高压水喷射流单独喷射时，xc仅为0.015m，可见，水、气同轴喷射的初期区域长度增加了近6倍。三、加固地基的机理(一)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，根据动量定律，在空气中喷射时的破坏力为： (925)式中 p破坏力，kgms2； 密度，kgm3； 流量，m3s，Q=VmA； Vm喷射流的

15、平均速度，ms。 (926)式中 A喷咀断面积，m2。亦即破坏力对于某一种密度的液体而言，是与该射流的流量Q、流速Vm和乘积成正比。而流量Q又为喷咀断面积A与流速Vm的乘积。所以在一定喷嘴面积A的条件下，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20 MPa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。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，不产生脱离现象。(二)水(浆

16、)、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。当在喷咀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，图923所示，为不同类喷射流中动水压力与距离的关系，表明高速空气具有防止高速水射流动压急剧衰减的作用。图923 喷射流轴上动水压力与距离的关系1高压喷射流在空中单独喷射；2水、气同轴喷射流在水中喷射；3高压喷射流

17、在水中单独喷射旋喷时，高压喷射流在地基中，把土体切割破坏。其加固范围就是喷射距离加上渗透部分或压缩部分的长度为半径的圆柱体。一部分细小的土粒被喷射的浆液所置换，随着液流被带到地面上(俗称冒浆)，其余的土粒与浆液搅拌混合。在喷射动压力、离心力和重力的共同作用下，横断面上土粒按质量大小有规律地排列起来，小颗粒在中部居多，大颗粒多数在外侧或边缘部分，形成了浆液主体搅拌混合、压缩和渗透等部分，经过一定时间便凝固成强度较高渗透系数较小的固结体。随着土质的不同，横断面结构也多少有些不同。由于旋喷体不是等颗粒的单体结构，固结质量也不均匀，通常是中心部分强度低，边缘部分强度高。定喷时，高压喷射注浆的喷咀不旋转

18、，只作水平的固定方向喷射，并逐渐向上提升，便在土中冲成一条沟槽，并把浆液灌进槽中，最后形成一个板状固结体。(三)水泥与土的固结机理水泥与水拌合后，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，就析出一种胶质物体。这种胶质物体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。所产生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。由水泥各种成份所生成的胶凝膜，逐渐发展起来成为胶凝体，此时表现为水泥的初凝状态，开始有胶黏的性质。此后，水泥各成分在不缺水、不干涸的情况下，继续不断地

19、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(结晶核)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、水化作用继续深入到水泥微粒内部，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了，所以水化过程是一个长的过程。四、加固土的基本性状(一)直径较大 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。对黏性土地基加固，单管旋喷注浆加固体直径一般在0.30.8m，三重管旋喷注浆加固体直径可达0.71.8m

20、，二重管旋喷注浆加固体直径介于以上二者之间。多重管旋喷注浆加固直径可达2.04.0m。旋喷桩设计直径见表922。定喷和摆喷的有效长度约为旋喷桩直径的1.01.6倍。 旋喷桩的设计直径（m） 表922方 法土 质单 管 法二 重 管 法三 重 管 法黏性土0N50.50.80.81.21.21.86N100.40.70.71.11.01.611N200.30.60.60.90.71.2砂性土0N100.61.01.01.41.52.011N200.50.90.91.31.21.821N300.40.80.81.20.91.5(二)固结体形状可不同在均质土中，旋喷的圆柱体比较匀称，而在非均质土或有

21、裂隙土中，旋喷的圆柱体不均称，甚至在圆柱体旁长出异片。由于喷射流脉动和提升速度不均匀，固结体的外表很粗糙。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。固结体的形状可通过喷射参数来控制，大致可喷成均匀圆柱状、非均匀圆柱状、圆盘状、板墙状及扇形状。在深度大的土中，如果不采用其它措施，旋喷圆柱固结体可能出现上粗、下细似胡萝卜的形状。(三)重量轻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，黏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。(四)渗透系数小固结体有一层较致密的硬壳，其渗透数达10-6cms或更小，故具有一定的防渗性能。(五)固结强度高土体经过喷

22、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，与土交换的边缘处有一圈坚硬的外壳。(六)单桩承载力高旋喷桩固结体有较高的强度，外形凸凹不平，因此有较大的承载力，固体直径愈大，承载力愈高。见表922和表923。 高压喷射注浆固结体性质一览表 表923 喷注种类固结体性质单 管 法二 重 管 法三 重 管 法单桩垂直极限荷载（kN）500600100012002000单桩水平极限荷载（kN）3040最大抗压强度（MPa）砂类土1020，黏性土510，黄土510，砂砾820平均抗剪强度/平均抗压强度1/51/10弹性模量（M

23、Pa）k103干密度(g/cm3)砂类土1.62.0黏性土1.41.5黄土1.31.6渗透系数（cm/s）砂类土10-510-6黏性土10-610-7砂砾10-610-7C（MPa）砂类土0.40.5黏性土0.71.0（度）砂类土3040黏性土2030N（击数）砂类土3050黏性土2030弹性波速（km/s）P波砂类土23黏性土1.520S波砂类土1.01.5黏性土0.81.0化学稳定性 较 好第三节 设计计算一、旋喷直径确定通常应根据估计直径来选用喷射注浆的种类和旋喷方式。对于大型的或重要的工程，估计直径应在现场通过试验确定。二、地基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

24、地基承载力标准值应通过现场复合地基载荷试验确定，也可按下式计算或结合当地情况与其土质相似工程的经验确定。 (931)式中 复合地基承载力标准值，kPa； Ae 根桩承担的处理面积，m2 Ap 桩的平均截面积，m2； 桩间天然地基土承载力折减系数，可根据试验确定，在无试验资料时，可取0.20.6，当不考虑桩间软土的作用时，可取零； 单桩竖向承载力标准值(kN)，可通过现场载荷试验确定。 也可按下列二式计算，并取其中较小值： (932) (933)式中 桩身试块(边长为0.7m的立方体)的无侧限抗压强度平均值，kPa； 强度折减系数，可取0.350.5； d 桩的平均直径，m； 桩周第i层土的厚度

25、，m； 桩周第i层土的摩擦力标准值，可采用钻孔灌注桩侧壁摩擦力标准值，kPa； 桩端天然地基土的承载力标准值( kPa)，可按国家标准建筑地基基础设计规范的有关规定确定。旋喷桩单桩承载力的确定，基本出发点是与钻孔灌注桩相同，但在下列方面有所差异：1、桩径与桩的面积。由于旋喷桩桩身的均匀性较差，因此选用比灌注桩更高的安全度，另外桩径与土层性质及喷射压力有关。这两个因素并非固定不变，所以在计算中规定选用平均值。2、桩身强度。设计规定按28天强度计算。试验证明，在黏性土中，由于水泥水化物与黏土矿物继续发生作用，故28天后的强度将会继续增长，这种强度的增长作为安全储备。3、综合判断。由于影响旋喷单桩承

26、载力的因素较多，因此除了依据现场试验和规范所提供的数据外，尚应根据本地区的经验作出综合判断。 如果桩的强度较高，并接近于混凝土桩身强度，以及当建筑物对沉降要求很严格时，则可不计桩间土的承载力，全都外荷载由旋喷桩承担，即=0，在这种情况下，则与混凝桩计算相同。三、地基变形计算旋喷桩的沉降计算应为桩长范周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。其中复合土层的压缩模量可按下式确定： (934) 式中 旋喷桩复合土层的压缩模量，kPa； 桩间土的压缩模量，可用天然地基土的压缩模量代替，kPa； 桩体的压缩模量，可采用测定混凝土割线模量的方法确定，k

27、Pa。旋喷桩复合地基变形计算的模式均以土力学和混凝土材料性质有关理论为基础。由于旋喷桩的强度远远高于土的强度，因此确定旋喷桩压缩模量采用混凝土确定割线弹性模量的方法，就是在试块的应力应变曲线中，连接0点至某一应力处割线的正切值，见图931。 (935)图931 曲线值取0.4倍破坏强度，做割线模量的试块边长为100mm的立方体。由于旋喷桩的性质接近混凝上的性质，同时采用0.4的折减系数与旋喷桩强度折减值也相近，故在建筑地基处理技术规范中规定了采用这种方法计算。四、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，孔距应为1.73R0(R0为旋喷设计半径)、排距为1.5 R0最经济。

28、若想增加每一排旋喷桩的交圈厚度，可适当缩小孔距，按下式计算孔距： (936)式中 e 旋喷桩的交圈厚度，m； R0 旋喷的半径，m； L 旋喷桩孔位的间距，m。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932，其中：(a)单喷咀单墙首尾连挂；(b) 双喷坦单墙前后对接；(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。图932 定喷帷幕形式示意图摆喷连接形式也可按图933方式进行布置。图933 摆喷防

29、渗帷幕形式示意图五、浆量计算浆量计算有两种方法，即体积法和喷量法，取其大者作为设计喷射浆量。(一)体积法。 (937)式中 需要用的浆量，m3； 旋喷管直径，m3； 注浆管直径，m3； 填充率(0.750.9)； 旋喷长度，m； 未旋喷范围土的填充率(0.50.75)； 未旋喷长度，m； 损失系数(0.1 0.2)。(二)喷量法。以单位时间喷射的浆量及喷射持续时间，计算出浆量，计算公式为： (938)式中 浆量，m3； V提升速度，mmin； H喷射长度，m； q单位时间喷浆量m3min； 损失系数，0.10.2。 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。六、浆液材料与配方（一）浆液特性根据喷射工艺要求，浆液具备以下特性：1、有良好的可喷性目前，我国基本上采用以水泥浆为主剂，掺入小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。试验证明，水灰比愈大，则可喷性