高压喷射灌浆技术在建筑物地基加固工程中的应用探讨.docx
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高压喷射灌浆技术在建筑物地基加固工程中的应用探讨
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。
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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
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- 高压 喷射 灌浆 技术 建筑物 地基 加固 工程 中的 应用 探讨