03高喷.docx

03高喷.docx

《03高喷.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《03高喷.docx（45页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

03高喷

第三章高压喷射灌浆

第一节概述

高压喷射灌浆技术是通过在地层中的钻孔内下入喷射管，用高速射流（水、浆液或空气）直接冲击、切割、破坏、剥蚀原地基材料，受到破坏、扰动后的土石料与同时灌注的水泥浆或其它浆液发生充分的掺搅混合、充填挤压、移动包裹，至凝结硬化，从而构成坚固的凝结体，成为结构较密实、强度较高、有足够防渗性能的构筑物，以满足工程需要的一种技术措施。

高压喷射灌浆于二十世纪六十年代首创于日本。

七十年代初，我国铁路、煤炭、水电及冶金系统相继引进，开始研究和应用高压喷射灌浆技术，目前已广泛地应用于各种建筑物地基的加固工程中。

八十年代初，我国水利系统于将此项技术应用于山东白浪河土坝防渗并取得良好效果。

本章主要阐述高喷灌浆防渗工程的有关技术问题。

1高喷灌浆的适用范围

高压喷射灌浆防渗和加固技术适用于软弱土层，如第四纪的冲（淤）积层、残积层以及人工填土等（图3-1-1）。

我国的实践证明，砂类土、粘性土、黄土和淤泥等地层均能进行喷射加固，效果较好。

对粒径过大的含量过多的砾卵石以及有大量纤维质的腐殖土地层，一般应通过现场试验确定施工方法。

对含有较多漂石或块石的地层，应慎重使用。

对于地下水流速过大喷射浆液无法在喷射管周围凝固、无填充物的岩溶地段、永冻土和对水泥有严重腐蚀的地基，不宜采用高压喷射灌浆。

在水利水电建设中，高喷灌浆广泛应用于低水头土石坝坝基、堤防、临时围堰的防渗，边坡挡土，基础防冲，地下工程缺陷的修补等工程。

2高喷灌浆的方法

高压喷射灌浆方法常用的有单管、两管、三管三种，多管法国内尚少应用。

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

编写：

涂建湘、何培章、李志斌

审稿：

张福贤

单管高喷灌浆的工艺流程如图3-1-2所示。

单管法是用高压泥浆泵以20~25MPa或更高的压力，从喷嘴中喷射出水泥浆液射流，冲击破坏土体，同时提升或旋转喷射管，使浆液与被剥落下来的土石颗粒掺搅混合，经一定时间后凝固，在土中形成凝结体。

这种方法形成凝结体的范围（桩径或延伸长度）较小。

一般桩径为0.5~0.9m，板状凝结体的延伸长度可达1~2m。

加固质量较好，施工速度较快，成本较低。

分类

浆材名称

卵石碎石

粗粒组

细粒组

砾

砂粒

粉粒

粘粒

粗

中

细

粗

中

细

极细

高压

喷射

旋喷

纯水泥浆

摆喷

纯水泥浆

定喷

300

纯水泥浆

粒径（mm）

60

100

20

5.0

2.0

0.5

0.25

0.1

0.05

0.005

0.001

图3-1-1高喷灌浆对地层的适应范围示意图

图3-1-2单管旋喷法施工工艺流程

（a）钻机就位钻孔；（b）钻孔至设计标高；（c）旋喷开始；（d）边旋喷边提升；（e）旋喷结束成桩；

1—钻孔机械；2—高压泥浆泵；3—高压胶管

二管法是用高压泥浆泵产生20~25MPa或更高压力的浆液，用压缩空气机产生0.7~0.8MPa压力的压缩空气，浆液和压缩空气通过具有两个通道的喷射管，在喷射管底部侧面的同轴双重喷嘴中同时喷射出高压浆液和空气两种射流，冲击破坏土体，在高压浆液射流和它外围环绕气流的共同作用下，破坏土体的能量比单管法显著增大，喷嘴一边喷射一边旋转和提升，最后在土体中形成直径明显增加的柱状固结体，其直径达80~150cm。

除上述情况外，二管法也有采用高压水和低压浆液两种介质的。

二管法使用的喷射管初期都是一种同轴的双重钢管，内管内输浆，内管和外管之间的环形通道输气，故又称为二重管法，至今工业民用建筑行业仍沿用此名。

三管法是使用能输送水、气、浆的三个通道的喷射管，从内喷嘴中喷射出压力为30~40MPa或更高的超高压水流，水流周围环绕着从外喷嘴中喷射出的圆管状气流，同轴喷射的水流与气流冲击破坏土体。

由泥浆泵灌注较低压力的水泥浆液进行充填置换。

这种方法的水压力一般很高，在高压水射流和压缩空气的共同作用下，喷射流破坏土体的有效射程显著增大。

喷嘴边旋转喷射边提升，在地基中形成较大的负压区，携带同时压入的浆液进入被破坏的地层进行混合、充填，在地基中形成直径较大、强度较高的旋喷桩凝结体，起到防渗或加固地基的作用。

其直径一般有1.0~2.0m，较二管法大，较单管法要大1~2倍。

新三管法是先用高压水和气冲击切割地层土体，然后再用较高压力的水泥浆对土体进行二次切割和喷入。

水、气喷嘴和浆、气喷嘴铅直间距约0.5～0.6m。

由于水的粘滞性小，易于进入较小空隙中产生水楔劈裂效应，对于冲切置换细颗粒有较好的作用。

高压浆液射流对地层二次喷射不仅增大了喷射半径，使浆液均匀注入被破坏的地层，而且由于浆、气喷嘴和水、气喷嘴间距较大，水对浆液的稀释作用减小，使实际灌入的浆量增多，提高了凝结体的结石率和强度。

该法高喷质量优于三管法，适用于含较多密实性充填物的大粒径地层。

近几年，在上述几种基本的喷射灌浆工法的基础上，日本、意大利等国又先后开发出了具有大直径的M·M·M工法、交叉射流工法、多管（九管）工法以及改变技术参数的工法。

它们各有特色，但多处于初始阶段。

根据喷射介质不同，高压喷射灌浆又可分为单介质喷射、双介质喷射及多介质喷射等类别。

后两种在国内尚少应用。

第二节高喷凝结体和高喷墙

1高喷凝结体的形状

高喷凝结体的形状与喷射形式有关。

一般喷射形式有旋转喷射（旋）、摆动喷射（摆）和定向喷射（定）三种。

旋转喷射时，喷嘴一面提升、一面旋转，形成柱状凝结体。

摆动喷射时，喷嘴一面提升、一面摆动，形成似亚铃状凝结体。

定向喷射时，喷嘴一面提升、一面定向喷射，形成板状凝结体。

三种凝结体如图3-2-1所示。

图中延伸长度A是喷射中心至凝结体边缘的最大长度。

有效长度B是喷射中心至凝结体的均匀连续长度。

在相同地质条件下不同水压力和水量形成凝结体的延伸长度和有效长度见表3-2-1。

在不同地层中定喷时形成的墙厚范围见表3-2-2。

表3-2-1三管法高喷凝结体的尺寸

压力（MPa）

15～20

20～30

30～40

水量（L/min）

90～120

75～100

75～100

凝结体

尺寸

（cm）

旋喷

A

35～100

75～150

110～180

B

30～90

60～120

90～150

摆喷

A

60～180

130～220

190～310

B

50～150

100～205

150～250

定喷

A

87～280

185～380

270～450

B

75～230

150～300

220～370

注：

此表一般适用标贯击数N值为10以下的黏性土、砂类土。

表3-2-2不同土层中高喷墙的厚度

喷嘴直径（mm）

2

3

黏土层

墙厚（cm）

4~7

6~9

渗透凝结层厚（cm）

0

0

砂层

墙厚（cm）

6~9

8~12

渗透凝结层厚（cm）

2~7

2~7

砂砾石层

墙厚（cm）

10~15

12~30

渗透凝结层厚（cm）

7~50

7~50

图3-2-1高喷凝结体的形式

（a）旋喷体（桩）（b）摆喷体（薄墙）（c）定喷体（薄墙）

A—延伸长度；B—有效长度

图3-2-2高喷凝结体结构

（a）旋喷，（b）摆喷，（c）定喷

1—渗透凝结层（粘性土中无此层）；2—挤压层；3—搅拌混合层；4—浆液主体层

定向喷射是喷射流固定在一定方向的喷射，能量集中，自下而上切割地层，形成一条沟槽，射流使较大颗粒挤压在沟槽周边，沟槽内充填着浆液和土中的细颗粒料，形成了均质板状凝结体。

板状凝结体通常用于坝基防渗，改善地基土体的渗透性质和稳定边坡工程等。

旋转喷射时，有自下而上和旋转的双重作用，除对地层切割剥蚀、升扬置换、强制掺搅、凝结硬化、充填挤压、移动包裹外，还有旋转的离心力搅拌作用，柱状凝结体在横断面上的土粒按粒径大小排列，小粒在中间，大粒多集中在外侧，形成了浆液主体层、搅拌混合层、挤压层和渗透凝结层。

柱状凝结体主要用于加固地基，提高地基强度，改善变形性质，不致产生破坏变形或过大变形；也可用作组合闭合帷幕，用以截阻地下水流。

摆动喷射的凝结体介于定喷与旋喷之间，如图3-2-2所示。

2高喷凝结体的特性

高喷凝结体的物理力学性质取决于工艺参数、灌浆材料及地层组成条件。

纯水泥浆在砂砾石层中喷射，经升扬置换和搅拌混合成水泥砂浆凝结体，而在黏土层中的凝结体的性状相当于水泥土。

高压喷射灌浆凝结体的组成不均匀，定喷凝结体结构中板体层、浆皮层、渗透凝结层的性质指标如表3-2-3。

一般凝结体的各项特性如下述。

表3-2-3定喷凝结体的性质指标值范围

部位

喷射材料

水泥成分

百分数（%）

抗压强度

（MPa）

渗透系数

（cm/s）

弹性模量

（MPa）

主体层

水泥浆

30～60

10～20

10-6～10-7

102～104

黏土水泥浆

20～30

3～5

10-6～10-8

102～103

搅拌和

挤压层

水泥浆

60～80

15～25

10-5～10-6

103～104

黏土水泥浆

30～40

5～10

10-5～10-7

102～103

渗透凝结层

水泥浆

20～10

1～3

10-4～10-5

102～103

黏土水泥浆

10～20

0.5～1

10-4～10-6

102～103

注：

黏土水泥浆中水泥占50%。

（1）抗冻和抗干湿循环

凝结体抗冻和抗干湿循环在-20°C条件下是稳定的。

因此在冻结温度不低于-20°C条件下，高喷凝结体可用于永久性工程。

（2）渗透系数

喷射凝结体的渗透系数可达10-6~10-7cm/s，具有良好的防渗性能。

（3）凝结体直径

旋喷凝结体直径的大小与土的种类和密实程度有较密切的关系。

旋喷灌浆凝结体直径见表3-2-4。

单管法旋喷灌浆凝结体直径0.5~0.9m，三管法旋喷灌浆凝结体直径达0.8~1.5m，两管法旋喷灌浆凝结体直径介于二者之间。

表3-2-4旋喷灌浆凝结体的直径

单管法

两管法

三管法

粘性土

0

1.2±0.2

1.6±0.3

2.5±0.3

11

0.8±0.2

1.2±0.2

1.8±0.3

21

0.6±0.2

0.8±0.2

1.0±0.3

砂性土

0

1.0±0.2

1.4±0.2

2.0±0.3

11

0.8±0.2

1.2±0.3

1.5±0.3

21

0.6±0.2

1.0±0.3

1.2±0.3

砂砾

20

0.6±0.2

1.0±0.3

1.2±0.3

注：

N为土层的标准贯入击数；定喷凝结体的延伸长度约为旋喷体长度的2倍。

（4）凝结体形状

在均质土中，旋喷的圆柱体比较均称。

在非均质或有裂隙土中，旋喷的圆柱体不均称，甚至在圆柱体旁凸出翼片。

由于喷射流脉动和提升速度不均匀，固结体的外表很粗糙，三管法旋喷凝结体受水、气流影响，在黏砂土中外表格外粗糙。

凝结体的形状可以通过改变喷射方法、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。

在深度大的土层中，因受地层密实度和喷射压力阻减的影响，如果不采用其他的措施，旋喷圆柱固结体可能出现上粗下细似胡萝卜的形状。

（5）凝结体密度

凝结体内部含土粒较少并有一定数量的气泡，因此凝结体的重量较轻，小于或接近于原状土的密度。

黏性土高喷凝结体比原状土密度小约10％，但砂类土凝结体密度可能比原状土大10%左右。

（6）凝结体强度

土体经过喷射灌浆后，土粒重新排列，水泥等浆液含量大。

一般外侧土颗粒直径大些，数量也多些，浆液成分多。

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层坚硬的外壳。

影响凝结体强度的主要因素是土质和旋喷灌浆材料。

有时使用同一浆材配方，软黏土中凝结体强度成倍地小于砂土中凝结体强度。

高喷凝结体弹性模量较低。

喷射水泥浆形成凝结体的弹性模量为1000MPa，喷射黏土水泥浆凝结体一般远小于1000MPa，具有较高的变形适应性。

通常黏土和水泥的重量比为1∶1时，黏土水泥浆凝结体的抗压强度仍不低于3~5MPa。

凝结体的抗拉强度较低，一般是抗压强度的1/5~1/10。

（7）单桩承载力

旋喷柱状凝结体有较高的强度，外形凸凹不平，因此具有较大的承载力。

一般固结土直径愈大，承载力愈高。

高压喷射灌浆固结体力学性质见表3-2-5。

喷

表3-2-5高喷凝结体性质一览表

体

结

固

性

注

种

质

类

单管法

两管法

三管法

单桩垂直极限荷载（kN）

500~600

1000~1200

2000

单桩水平极限荷载（kN）

30~40

最大抗压强度（MPa）

砂类土10~20,黏性土5~10,黄土5~10,砂砾8~20

平均抗压强度/最大抗压强度

1/5~1/10

弹性模量（MPa）

n×103（1≤n＜10）

干密度（g/㎝3）

砂类土1.6~2.0

粘性土1.4~1.5

黄土1.3~1.5

渗透系数（㎝/s）

砂类土10-5~10-6

粘性土10-6~10-7

砂砾10-5~10-7

粘聚力（MPa）

砂类土0.4～0.5,黏性土0.7～1.0

内摩檫角（°）

砂类土30～40,黏性土20～30

标贯击数

砂类土30～50,黏性土20～30

弹性波km/s

P波

砂类土2.0～3.0,黏性土1.5～2.0

S波

砂类土1.0～1.5,黏性土0.8～1.0

3高喷防渗板墙的主要结构型式

高压喷射灌浆防渗墙几种典型的结构布置型式如图3-2-3所示，在实际工程中b、c、d三种形式也都有双排或多排布置的。

各工程应依据具体情况和地质条件，进行技术经济比较确定。

通常应注意：

图3-2-3高喷灌浆板墙典型结构型式

（a）单排或多排旋喷套接（b）旋摆、旋定结合（c）摆喷对接、折接（d）定喷折接

（1）定喷和小角度摆喷适用于粉土和砂土地层。

（2）承受水头较小的或水头虽较大但历时短暂的工程，可采用小角度摆喷或定喷折接型式。

（3）在卵（碎）砾石地层中，深度小于25m时，可采用摆喷对接或折接型式。

摆喷对接时，摆角不宜小于60º,摆喷折接时，摆角不宜小于30º。

深度大于25m时，可采用单排旋喷套接、旋摆结合型式。

当深度超过35m时，宜采用两排或三排旋喷套接的型式。

（4）各种结构形式高喷墙的结构参数和特点可参见表3-2-6。

表3-2-6高喷墙的结构参数和特点

编号

墙体形式

孔距（m）

厚度（cm）

特点

a

旋喷套接

0.8～1.4

20～40

单排连接的可靠性差，通常要多排

b

旋摆、旋定搭接

1.4～2.0

＞10

便于连接，结构稳定性好

c

摆喷对接或折接

1.6～2.2

20～40

便于连接

d

定喷折接

1.6～2.5

10～30

便于连接

4高喷灌浆工艺参数的选择

施工工艺技术参数的选择直接影响着高压喷射灌浆的质量、工效和造价。

高喷施工工艺技术参数包括水、气、浆的压力及其流量、喷嘴直径大小及数量、喷射管旋转速度、摆角及摆动频率、提升速度、浆液配比及密度、孔距与板墙的布置形式等。

施工实践表明，要获得较大的防渗加固体，一般应加大泵压，但限于国内机械水平，常用的喷射水压力为20～40MPa，最大达70MPa。

我国目前高喷灌浆常用的工艺参数如表3-2-7。

高喷灌浆孔的孔距应根据墙体结构型式、墙深、防渗要求和地层条件，综合考虑确定。

高喷灌浆的工艺参数和钻孔布置初步确定以后，一般宜进行现场试验予以验证和调整。

特别是重要的、地层复杂的或深度较大（≥40m）的高喷灌浆防渗工程，一定要进行现场试验。

高喷灌浆试验可按照下述原则进行：

（1）确定有效桩径或喷射范围、施工工艺参数和浆液种类等技术指标时，宜分别采用不同的技术参数进行单孔高喷灌浆试验。

（2）确定孔距和墙体的防渗性能时，宜分别采用不同的孔距和结构型式进行群孔高喷灌浆试验。

表3-2-7高喷灌浆常用工艺参数

项目

单管法

两管法

三管法

新三管法

水

压力（MPa）

35～40

35～40

流量（L/min）

70～80

70～100

喷嘴（个）

2

2

喷嘴直径（mm）

1.7～1.9

1.7～1.9

压缩

空气

压力（MPa）

0.6～1.2

0.6～1.2

1.0～1.2

流量（m3/min）

0.8～1.5

0.8～1.5

0.8～1.5

喷嘴（个）

2

2

2

喷嘴间隙（mm）

1.0～1.5

1.0～1.5

1.0～1.5

水泥浆

压力（MPa）

22～35

25～40

0.1～1.0

35～40

流量（L/min）

70～120

75～150

70～80

70～110

密度（g/cm3）

1.4～1.5

1.4～1.5

1.6～1.7

1.4～1.5

喷嘴（出浆口）（个）

2

2

1～2

2

喷嘴直径（mm）

2.0～3.2

2.0～3.2

6～10

2.0～3.2

孔口回浆密度（g/cm3）

≥1.3

≥1.3

≥1.2

≥1.2

提升

速度V（cm/min）

粉土

15～25

15～25

10～15

15～30

砂土

15～30

15～30

10～20

15～35

砾石

10～20

10～20

8～15

10～25

卵（碎）石

8～15

8～15

5～10

8～20

旋（摆）

速度

旋喷（r/min）

宜取V**值的0.8～1.0倍

摆喷（次/min）＊

宜取V**值的0.8～1.0倍

摆角（°）

粉土、砂土

15～30

砾石、卵（碎）石

30～90

*摆动一个单程为一次。

**单喷嘴取高限，双喷嘴取低限。

第三节材料和机具

1浆液材料

高喷灌浆最常用的材料为水泥浆。

黏土（膨润土）水泥浆在有时防渗工程中使用。

化学浆液使用很少，国内仅在个别工程中应用过丙凝、脲醛树脂等浆液。

高喷用的水泥应根据灌浆目的和坝堤地基的地质情况而定。

一般应采用较高的强度等级。

在地下水有侵蚀性的地方应选用有抗侵蚀性的水泥，以保证防渗板墙或帷幕的耐久性。

为了提高浆液的流动性和稳定性，改变浆液的凝胶时间或提高凝结体的抗压强度，可在水泥浆液中加入外加剂。

根据加入的外加剂及注浆目的不同，高喷水泥浆液可分为以下几种类型。

（1）普通型

普通型浆液一般采用强度等级为32.5的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，不加任何外加剂，水灰比一般为0.6:

1~1.5:

1，凝结体的抗压强度（28d）最大可达20MPa。

对于无特殊要求的工程宜采用普通型浆液。

（2）速凝一早强型

对地下水位较高或要求早期承担荷载的工程，需在水泥浆中加入氯化钙、三乙醇胺等速凝早强剂。

其用量为水泥用量的2％～4％。

纯水泥浆与土的凝结体的抗压强度（1d）为1MPa，而掺人2％氯化钙的水泥一土的凝结体的抗压强度为1.6MPa，掺人4％氯化钙后为2.4MPa。

（3）高强型

凡喷射凝结体的28d平均抗压强度在20MPa以上的称为高强型。

若想提高凝结体的抗压强度，可以选择强度等级高的水泥，或选择高效能的扩散剂和外加剂组成的复合配方等，外加剂对凝结体强度的影响见表3-3-1。

表3-3-1外加剂对固结体抗压强度的影响

主剂

外加剂

抗压强度（MPa）

抗折强度（MPa）

名称

用量

名称

掺量（%）

28d

3个月

6个月

1年

42.5普

通硅酸

盐水泥

100

NNO

0.5

NR3

0.05

13.59

18.62

22.8

24.68

6.27

NaNO2

1

NF

0.5

NR3

0.05

14.14

19.37

27.8

29.0

7.36

（4）抗渗型

在水泥浆中掺人2％～4％的水玻璃，其凝结体渗透性降低，如表3-3-2所示。

如工程以抗渗为目的，最好使用“柔性材料”。

可在水泥浆液中掺人10％～50％的膨润土（占水泥重量的百分比）。

此时不宜使用矿渣水泥，如仅有抗渗要求而无抗冻要求者，可使用火山灰水泥。

日本采用的三种抗渗型浆液如表3-3-3。

表3-3-2掺入水玻璃的水泥浆凝结体的渗透系数

土的类别

水泥品种

水泥含量（%）

水玻璃含量（%）

渗透系数（cm/s）

细砂

32.5硅酸盐水泥

40

0

2.3×10-6

40

2

8.5×10-8

粗砂

32.5硅酸盐水泥

40

0

1.4×10-6

40

2

2.1×10-8

注：

水玻璃模数2.4～3.0,浓度30～45波美度。

表3-3-3日本采用的部分抗渗型浆液

喷射浆液

配比（kg/m3）

使用目的与范围

备注

水泥浆

水泥760,水760,添加剂60

一般地及加固与防渗

水泥760,水750,混合剂11.4

一般地及加固与防渗

一般强度型

早强水泥980,水677,混合剂14.7

承重地及加固与防渗

高强型

水泥黏土浆

水泥十80,水693,膨润土380

添加剂50,混合剂14.4

一般地及加固与防渗

低强型

水泥-水玻璃浆

A液：

水玻璃250（L），水250

B液：

水泥200,膨润土200,

水365,混合剂123

地下水大时，地基加固与防渗

普通水泥浆液可不进行室内试验，其它浆液根据需要进行一些必要的试验，如测定浆液的密度、含砂量、静切力、粘度、失水量、胶体率（或析水率）、酸碱度、流散直径、凝结时间等，详见本书第二章。

2机具和设备

高压喷射灌浆的施工机械设备由普通地质钻机或特种钻机、高压泵等组成。

由于喷射方法不同，所使用的机械设备也不尽相同。

表3-3-4为不同喷射方法所使用的主要施工设备表。

2.1钻孔设备

（1）回转式钻机

各种回转式岩芯钻机均可在高压喷射灌浆造孔中应用。

（2）冲击回转钻机（全液压工程钻机）

这种钻机机械化程度高，对地层的适应能力强，尤其在复杂的卵砾石地层造孔工效较高。

国产的机型有MG-200（河北宣化）、MGY-100（重庆探矿）、SM-3000（河北三河）、QDG-2（北京探矿）等，进口的机型有SM305、SM400、SM505等。

表3-3-4高压喷射灌浆主要施工机具表

设备名称

规格

单管

两管法

三管法

*新三

管法

提升台车

起重2~6t，起升高度15m。

深孔或振孔高喷宜用高架台车或履带吊车式高喷台车

√

√

√

√

钻机

100m～300m型地质钻机，跟管钻进钻机等

√

√

√

√

高压水泵

最大压力50MPa，流量75~100L/min

√

√

灌浆泵

超高压泥浆泵，最大压力60~80MPa，流量150~200L/min

√

√

√

高压泥浆泵，最大压力40M