旋喷桩工法.docx
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旋喷桩工法
单管旋喷注浆加固砂土地基工法
单管旋喷注浆法是在静压注浆的基础上融合了水力采煤新技术研究开发而成的。
2018年,在神朔铁路神木北站进站公路挡护工程软弱砂土地基加固中,应用了该技术,取得很好的经济与社会效益。
一.特点
1.施工简便。
旋喷施工时,只需在土层中钻一个直径为50mm的导向孔,即可在土中喷射成直径为0.4~0.8m的柱型固结体(旋喷桩)。
2.机具设备既简单。
单管旋喷桩的全套设备为我国定型产品或专业设计制造,结构紧凑、体积小,机动性强,占地少,操作简单、管理方便,能在低矮狭窄的现场施工。
3.旋喷注浆可垂直喷射,也可倾斜和水平喷射。
4.固结体强度高。
采用水泥浆液为硬化剂,砂类土旋喷桩的最大无侧限抗压强度可达10~20MPa,为粘性土固结体强度的两倍。
5.喷射固结体的形状可根据需要控制成均匀圆柱状、圆盘状、异形圆柱状、扇状、板墙状。
6.旋喷固结体具有较好的耐久性,且料源广阔,价格低廉。
7.噪声小,无污染。
单管旋喷桩使用工程地质钻机钻进,电动机驱动高压泵,振动小、噪声低,对周围建筑物不产生振动影响和噪声化公害。
注浆主材为水泥,不污染水域,毒化水源。
二.适用范围
1.适用土质条件:
本工法适用于粒径为0.1~5.0mm,标准贯入度N<20,旋喷桩直径在0.4~0.8m之间的砂类土地基。
2.工程使用范围,从固结体性质来看,旋喷注浆法宜作为地基加固和基础防渗之用,按用途可分为:
.增加地基强度:
提高地基承载力;整治局部地表下沉;桩基础;应力扩散。
.挡土围堰及地下工程建筑。
.增大土的摩擦力和粘聚力;防止小型塌方滑坡;锚固基础。
.减少振动防止液化。
.降低土的含水量;整治路基翻浆冒泥;防止地基冻胀。
.防渗帷幕:
水库坝基防渗;矿山井巷帷幕;防止管道漏气;地下连续墙补缺;防止涌砂冒水。
防止洪水冲刷。
三.成桩机理
单管旋喷桩,是利用钻机,将旋喷注浆管及喷头置于桩底设计标高,将预先配制好的浆液,通过高压发生装置,使液流获得巨大能量后,经过注浆管道从一定形状和孔径的喷嘴中,高速喷射出来,形成一股能量高度集中的液流,直接冲击破坏土体,喷射过程中,钻杆边旋转,边徐徐提升,从而使浆液与土体充分搅拌混合,便在土中形成一个有一定直径的柱状固结体(旋喷桩),从而使地基得到加固。
最终桩体的固结情况(砂类土)可用图1表示。
四.工艺流程
工艺流程见图2。
1.准备工作
正式开工前,应进行现场调查,计算材料用量,编制施工组织设计,组建施工队伍;进行技术交底和安排技术培训;检修机械、设备;平整场地,按设计要求,布置施工孔位;铺设钻机走行轨道,机具设备就位,接通电源和水路,进行机械试运转,备足注浆所需材料。
浆液用量按下式计算:
Q=1/4ΠD2H(1+β)
式中Q—旋喷浆液用量(m3);
D—固结体直径(m);
H—旋喷桩长度(m);
β—损失系数(0.1~0.3)。
2.钻机就位
移动钻机至设计孔位,使钻头对准旋喷桩设计中心。
3.射水试验
钻机就位后,首先进行低压(0.5MPa)射水试验,用以检查喷嘴是否畅通,压力是否正常.
4.钻孔
.钻进。
射水试验后,即可开钻,射水压力由0.5MPa增至1MPa目的是减小摩擦阻力,防止喷嘴被堵。
.接长钻杆。
当第一根钻杆钻进后,停止射水。
此时,压力下降。
接长钻杆,再继续射水,钻进,直到钻至桩底设计标高。
5.制浆
.注浆材料及配比。
在钻孔的同时,即可配制浆液,浆液配比为:
水泥:
水:
氯化钙=1:
1:
0.02(重量比)。
水泥为425号普通硅酸盐水泥,水要清洁,酸碱度适中,PH值在5~10之内,氯化钙为水泥重量的2%,作用是促进固结体速凝早强。
.搅拌及过滤。
浆液配比选定后,首先将水加入桶内,再将水泥和氯化钙倒入,开动搅拌机搅拌10~20分钟,尔后拧开搅拌桶底部阀门,放入第一道过滤筛(孔径为0.8mm),过滤后流入泥浆池,然后通过泥浆泵抽进第二道过滤筛(孔径为0.8mm),进行第二次过滤后,流入泥浆桶备用。
6.浆液加压
泥浆桶的浆液,通过高压加压(14~24MPa)后,经高压管送至钻机用于旋喷。
7.旋喷工艺
.旋喷主要技术参数:
浆液压力14~24MPa;
浆液比重1.30~1.49;
旋喷速度20r/min;
提升速度0.2~0.25m/min;
喷嘴直径2.9mm;
浆液流量80l/min;
最大深度45m
.旋喷。
钻孔至桩底设计标高后,停止射水,拧下上面第一根钻杆,放入钢球,堵住射水孔,再将钻杆装上,即可向钻机输送高压泥浆,待浆液从孔底冒也场面后,钻杆开始旋转和提升,由下而上进行旋喷。
对个别桩位遇到的砾石土层,为保证桩径,应复喷一次。
旋喷作业情况如图3所示。
.拆除钻杆。
在旋喷过程中,当上面第一根钻杆完全提出场面后,停止压浆,待压力下降后,迅速拆除钻杆,然后继续压浆,当压力升至设计旋喷压力时,重新开始旋喷。
喷头提升达到桩顶设计标高时,为避免浆液与土在搅拌混合后因浆液析水出现收缩,造成旋喷桩顶部凹穴,进行1~2分钟的低压(5MPa)补浆。
8.补浆完成后,提出钻杆及钻头,进行低压(0.5MPa)射水,冲洗钻杆、喷嘴,整个作业结束,钻机移至新孔位作业。
六.机具设备
使用的机具设备主要有钻机、高压泵、泥浆泵和高压输浆管等,详见表1。
旋喷机具设备表表1
序号
机具名称
型号
台数
在旋喷中的作用
1
钻机
BT-GJD-50
1
钻孔、旋喷
2
高压泵
LZ500
1
对浆液及水加压
3
泥浆泵
BW-120
2
抽泥浆和水各1台
4
搅拌桶
900l
1
制浆
5
高压管
20mm(内径)
输送高压泥浆和水
七.劳力组织
单机作业每班人员组织分工见表2。
单管旋喷注浆人员组织分工表表2
序号
职务
职责范围
人数
1
班长
全面掌握施工质量和安全
1
2
钻探长
操作钻机,卸接钻杆,维修保养和排除故障
1
3
泵工
操作高压泵及维修保养
1
4
电工
负责钻机、电源电路、工地照明及电气故障排除
1
5
钳工
全面维修保养机具设备
1
6
普工
倒水泥,操作搅拌桶及倒灰和过滤
2
7
普工
协助钻机工作(卸接钻杆、冲洗等)
2
8
技术人员
掌握施工技术质量,写工程日志和记录
1
合计
10人
八.质量控制及施工注意事项
1.质量控制
.正式开工前应做试验桩,确定合理的旋喷参数和浆液配比。
.旋喷过程中,冒浆量小于注浆量的20%为正常现象,若超过20%或完全不冒浆时,应查明原因,调整旋喷参数或改变喷嘴直径。
.钻杆旋转和提升,必须连续不中断,拆卸接长钻杆后继续旋喷时要保持钻杆有10~20cm的搭接长度,以免出现断桩。
.在旋喷过程中,如因机械故障,中断旋喷时,应重新钻至桩底设计标高后,重新旋喷。
.制作浆液时,水灰比要按设计进行严格控制,不得随意改变,在旋喷过程中,应防止泥浆沉淀,浓度降低。
不得使用受潮或过期水泥。
浆液搅拌完毕后送至吸浆桶时,应有滤网进行过滤,过滤筛孔小于喷嘴直径1/2为宜。
.在旋喷过程中,若遇到孤石或大的漂石,桩可适当移动位置(根据受力情况,必要时可加桩),避免畸形桩或断桩。
.旋喷过程中,应按表3的要求,做好施工记录。
单管旋喷注浆记录表表3
工程名称
钻孔或打管机具
高压泵型号
注浆管直径
喷嘴孔径
喷嘴个数
设计提升速度
设计旋转速度
设计注浆量
浆液配方
水泥标号
注浆孔
编号
旋喷深度
(m)
实际有效长度(m)
旋喷时间(时分)
旋转速度(r/s)
提升速度
(m/s)
旋喷压力
MPa
注浆量
(m3)
冒浆量及
残液状态
旋喷
日期
开始
结束
2.质量检查方法
质量检查在旋喷过程中进行,检查的数量为旋喷桩数量的5%,每个加固工程至少检查1根桩。
检查时选择地质条件较复杂地区及旋喷时有异常现象的桩。
因目前无统一标准,采用的检测方法及项目因设计不同而异,一般采用浅层开打挖、钻取岩芯水电效应法。
还可采用标准贯入、荷载及其它试验方法和手段。
这里仅将几种常用方法作一简介。
.浅层开挖。
旋喷完毕,待固结体具有一定强度后,即可开挖。
这种检查方法,因开挖工作量较大,只限于浅层。
由于固结体完全暴露,能比较全面的检查旋喷桩的形状、直径、垂直度、强度等。
.钻取岩芯。
在已固结的旋喷桩中钻取岩芯,通过视觉、嗅觉和触觉判断固结体整体性,并将所取岩芯做成标准试件,进行室内力学物理试验,鉴定其是否符合设计要求。
.水电效应法。
该方法原理是建立在波动理论,声波检测技术、大电流脉冲放电和信号数据处理及岩土动力学等基础之上。
该技术已通过部、省鉴定,获国家科技进步奖。
3.施工安全注意事项
.施工前应检查高压设备和管路系统,其压力和流量需满足设计要求。
泵体注浆管及嘴内不得有任何杂物,各类密封圈必须良好,无渗漏现象。
安全阀中的安全销要进行试压检验(试压检验到当地压力容器检验所进行),必须确保在达到规定压力时,能断销卸压,决不能轻易安装未经试压检验的自制安全销。
高压泵必须指定专人操作,压力表应定期检修检定,保证正常使用。
.钻机:
司机人员应具有熟练的操作技能,钻孔的位置需经现场技术负责人确认无误后方可开钻。
.在钻进及旋喷过程中,要防止注浆管和喷嘴被堵。
采取的措施是:
a).浆液加压前进两次过滤,严防杂物混入;
b).钻孔时边射水(水压1MPa)边钻进。
.对长度5m以上的桩,应先喷浆然后再旋转和提升,以减小阻力,避免注浆管扭断。
.施工完毕,立即拨出浆管,彻底清洗注浆管和注浆泵,不准有残留水泥浆。
九.效益分析
砂土地层,大部分地下较丰富,开挖易坍塌和出现涌水流砂。
砂能成为旋喷固结体很好的骨料,采用单管旋喷加固,可使地基承载力提高10倍以上,并可避免明挖深基础带来的不利因素。
在相同地质条件下,采用单管旋喷桩,较明挖扩大深基础,可缩短工期30%,降低工程造价30~50%。
此外,单管旋喷桩施工灵活,用途广泛,既可用于构筑物兴建之前,也可以在构筑修建之中,尤其是应用于既有建筑地基加固,又不损坏构筑物上部结构。
具有显著的经济和社会效益。
十.工程实例
1991年,铁道部第十七工程局承建的神朔铁路神木北站,在其进站道路冲刷防护工程施工中,为确保道路路基稳定和车站的安全,道路左侧沿河设有浸水路堤挡墙(长5km),其中K3+145~K3+463及K3+647.35~K3+950两段(长720m),位于悖牛川及乌兰木伦两河交汇处的一级阶地上,基岩埋藏较深约12~14m。
其上为砂卵石和粉砂土,第四系孔隙潜水埋深约0.5~8m,根据该段水文地质情况,为避免水下明挖扩大基础施工时涌砂冒水和基坑坍塌,设计将挡墙置于粉细砂(或砂砾土)层上,其下采用高压旋喷注浆技术加固,增强地基承载力和抗冲刷能力。
旋喷桩为圆柱状,有效直径0.6m,桩距1.2m,两排呈梅花型布置,排距0.6m,桩底置于基岩上。
旋喷桩在K3+140.28~K3+460段,设于挡墙墙趾外4m处,桩顶高于墙趾1.0m,桩与墙间由1.0m厚注浆平台相接,形成冲刷防护联合基础。
在K3+547.35~K3+700段,旋喷桩置于挡墙底,桩顶距墙0.5m,墙底设1.0m厚注浆平台与桩相接,形成冲刷防护组合基础.旋喷桩每根长约6m,共832根,4824m延长米。
旋喷桩施工使用425号普通硅酸盐水泥作为旋喷注浆的主要材料,浆液由水泥,水和氯化钙按1:
1:
0.02搅拌而成。
采用的主要机具为BT—GJD—50型和SH—30型钻机、LZ500型高压泥浆泵、BW—120型低压泵,钻杆为直径50mm的特种钻杆,每节长1~3.5m,两节间采用螺纹连接,喷头尖锥型,中部设有射水孔,上部设直径2.9mm高压喷嘴,制浆桶由施工单位自制,容量为900l.。
采用的主要旋喷参数为:
喷射压力20MPa;
旋喷速度20r/min;
喷嘴直径2.9mm;
提升速度0.2~0.25m/min。
每根桩的施工时间为40~50min,该工程于2018年6月6日开始成桩,至8月30日全部完工,历时85天。
旋喷桩经动载无损水电效应法检测,取岩芯做抗压试验及开挖检查,各项技术指标均满足设计要求。
单管旋喷桩基础与相临地段(同功能,同地质条件)明挖扩大150号片石混凝土基础相比,减少土石开挖6.5万立方米,节约投资170万元(根据本工程竣工决算资料,采用单管旋喷桩其挡墙基础每延长米造价为421元;采用片石混凝土其挡墙基础每延长米造价为2799元;节约投资(元)=(2799元/m-421元/m)×720=1697760(元)。
经济和效益显著。
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