高压喷射注浆法课件.ppt

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1、1,12 高压喷射注浆法,12.1 概述,一、高压喷射注浆法的概念,高压喷射注浆法（旋喷法）是利用钻机把带有喷嘴的注浆管放入（或钻入）至土层的预定位置后，通过地面的高压设备使装置在注浆管上的喷嘴喷出2050MPa的高压射流（浆液或水流）冲击切割地基土体，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，在土中形成具有一定强度的固结体，以达到改良土体的目的。,a）旋转喷射 b）定向喷射 c）摆动喷射1.桩 2. 射流 3 .冒浆 4. 喷射注浆 5 .板 6.墙,2,二、 高压喷射注浆法的发展概况,20世纪70年代，日本最先把高压喷射技术用于地基加固和防水帷幕，形成一种特殊的

2、地基加固技术，即所谓CCP工法（Chemical Churning Pile）。70年代中期又开发了同时喷射高压浆液和压缩空气的二重管法和三重管法。使用的项目包括深基坑开挖中的挡土或隔水，盾构工程起始和终端部位的土体加固，旧有房屋、桥梁地基补强或伸基坑临近旧有建筑物的加固等。 我国自1975年起首先在铁道部门进行了单管法的试验和应用，冶金部建筑研究总院，自1977年起开展了对三重喷射注浆法的研究，并首先在宝钢工程上获得成功的应用。目前我国冶金、煤炭、水利、城市建设各个部门已分别在深基坑开挖、桥墩加固、水坝坝基防渗、旧建筑物地基补强等方面广泛应用了这种方法。 单管法的加固直径4060cm； 三重

3、管法加固直径为80200cm，加固深度达2040m。,3,三、 高压喷射注浆法的工艺类型,基本工艺类型有：单管法、二重管法、三重管法，以及多重管法等。,1）单管法,以20MPa压力，把浆液从喷嘴中喷射出去冲击破坏土体，使浆液与从土体上崩落下来的土搅拌混合，经过一定时间凝固，便在土中形成一定形状的固结体。 日本称单管法为CCP工法。,单管法高压喷射注浆示意图1.高压泥浆泵 2.浆桶 3.水箱 4.搅拌机5.水泥仓 6. 注浆管 7.喷头 8.旋喷体 9.钻机,4,2）二重管法（双管法）,高压泥浆泵等高压发生装置喷射出20MPa左右压力的浆液，从内喷嘴中高速喷出，并用0.7MPa 左右压力把压缩空

4、气从外喷嘴中喷出。 日本称为JSG工法。,二重管法高压喷射注浆示意图1.水箱 2.搅拌机 3.水泥仓 4.浆桶 5.高压泥浆泵6.空压机 7.二重管 8.气量机 9.喷头 10. 固结体11.钻机 12. 高压胶管,5,3）三重管法,在2030MPa高压水喷射流的周围，环绕一股0.50.7MPa 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15MPa 的浆液填充，喷嘴作旋转和提升运动，最后便在土中凝固为较大的固结体。 日本称三重管法为CJP工法。,三重管法高压喷射注浆示意图1.高压水泵 2.水箱 3.搅拌机 4. 水泥仓 5.浆桶6.泥浆泵 7.

5、空压机 8.气量计 9.喷头 10 固结体 11.钻机,6,4）多重管法,在地面钻一个导孔，然后置入多重管，用逐渐向下运动的旋转超高压力水射流（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。最后根据工程要求选用浆液、砂浆、砾石等材料进行填充。在地层中形成一个大直径的柱状固结体，最大直径4m。 日本称多重管法为SSS-MAN工法。,多重管法高压喷射注浆示意图1.真空泵 2.高压水泵 3.孔口管 4.多重钻杆5.超声波传感器 6.钻头 7.高射水喷嘴,7,表12.1 高压喷射注浆法分类及技术参数,8

6、,四、 高压喷射注浆法特点及适用范围,1）高压喷射注浆法的特点,适用范围广。施工简便，设备简单。施工时只需在土层中钻一个孔径为50mm或300mm小孔，便可在土中喷射成直径为0.44m的固结体。 结构型式灵活多样，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，如块状，柱状、壁状、格栅状等。 桩体倾斜角度可调范围大。 基本不存在挤土效应，对周围地基的扰动小；施工无振动，无噪音，污染小，可在市区和建筑物密集地带施工。 土体加固后，重度基本不变，软弱下卧层不致产生较大附加沉降。,9,2）高压喷射注浆法适用范围,（1）土质条件适用范围 适用于处

7、理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑 、可塑粘性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地基。高压喷射注浆处理深度较大，我国建筑地基高压喷射注浆处理深度目前已达30m以上。 （2）工程应用范围 高压喷射注浆有强化地基和防漏的作用，可有效地用于既有建筑和新建工程的地基处理、地下工程及堤坝的截水（防渗帷幕）、基坑封底、被动区加固、基坑侧壁防止漏水或减小基坑位移等。,10,12.2 加固机理,一、高压喷射流的种类与性质,1）高压水喷射流性质,在高压高速的条件下，喷射流具有很大的功率和威力，即在单位时间内从喷嘴中射出的喷射流具有很大的能量。 高压连续射流的速度和流量计算公式为；,变换得：,11,高压连续射流的功

8、率为：,整理得出喷射功率计算式：,表12.2 喷射流的速度与功率,12,2）高压喷射流的种类和构造,（1）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。 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、紊流发达的主要区域B和喷射水变成不连续喷流的终期区域C 等三部分。,高压喷射流构造,13,当压力高达1040MPa的喷射流压力衰减规律可用以下经验公式估算：,（2）水（浆）、气同轴喷射流的构造,二重管旋喷注浆的浆、气同轴喷射流，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。,14,水（浆

9、）、气同轴喷射流的初期区域长度可用以下经验公式表示：,喷射流轴上的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.高压喷射流在水中单独喷射,旋喷时，若高压水、气同轴喷射流的初期速度为20m/s，则其初期区域长度xc=0.1m，而以高压水喷射流单独喷射时，xc仅为0.015m，可见，水、气同轴喷射比高压水单独喷射的初期区域长度增加了近7倍。,15,二、 地基加固机理,1）高压喷射流对土体的破坏作用,（1）喷流动压,（2）喷射流的脉动负荷 （3）水块的冲击力（4）空穴现象（5）水楔效应（6）挤压力（7）气流搅动,16,2）高压喷射成桩机理,（1）旋喷成桩机理,a

10、）砂土 b）粘性土1.浆液主体部分 2.搅拌混合部分 3.压缩部分 4.渗透部分 5.硬壳,17,（2）定（摆）喷成壁机理,a）砂土 b）粘性土1.浆液主体部分 2.搅拌混合部分 3.浆液渗透部分 4.硬壳定喷最终固结体横断面形状,3）水泥与土的固化机理,18,2）固结体形状,a）均匀圆柱状 b）圆盘状 c）异形圆柱状 d）扇形状 e）板墙状,三、 加固体的基本性状,1）直径或长度,定喷和摆喷的有效长度约为旋喷桩直径的1.11.5倍。,19,3）固结体的密度,粘性土固结体比原状土轻约10%，砂类土固结体也可能比原状土重10%。,4）固结体强度,同一浆材配方，软粘土固结强度远小于砂土固结强度。

11、在粘性土和黄土中的固结体，抗压强度510MPa，砂类土和砂砾层中的固结体抗压强度820MPa。 固结体的抗拉强度仅为抗压强度1/51/10。 固结体具有低渗透性、较强的抗冻和抗干湿循环作用的能力、较好的化学稳定性和具有较大的承载能力。,20,12.3 高压喷射注浆工程勘察 高压喷射注浆工程勘察内容: (1)查明拟建工程所在区域的工程概况。 (2)基岩的形态、产状、分布、埋藏深度和物理力学性质。 (3)各土层的层面状态，即埋藏深度、种类、颗粒组成、化学成分和物理力学性质。 (4)岩土层中的裂隙通道或岩溶的洞穴情况。 (5)水文地质情况，包括：地下水位高程，各土层的渗透系数，附近地沟、暗河的分布和

12、连通情况；地下水位特性，包括：水质、水位、流速、流向、流量、承压状况和补给状况、水中硫酸根和其他腐蚀性物质的成分和含量等。 (6)钻孔间距和深度 (7)绘制柱状图和地质剖面图,21,12.4 设计计算,一、浆液材料配制与现场喷射试验,取现场各层土样，室内按不同含水量和配合比试验，优选出浆液配方。 对规模较大及性质较重要的工程，通过现场试验，查明喷射固结体的直径和强度，验证设计的可靠性和安全度。,二、 固结体尺寸确定,固结体尺寸主要取决于下列因素： 土的类别及其密实程度； 高压喷射注浆方法（注浆管的类型）； 喷射技术参数（喷射压力与流量，喷嘴直径与个数，空气压力、流量与喷嘴间隙，注浆管的提升速度

13、与旋转速度）。 高压喷射注浆法用于深基坑、地铁等工程形成连续体时，相邻桩搭接不宜小于300mm。,22,三、固结体强度确定,取28d固结体抗压强度计算 粘性土固结强度为1.55MPa，砂类土的固结强度为10MPa左右（单管法37MPa，二重管法410MPa，三重管法515MPa）。,四、 复合地基承载力计算,23,五、地基变形计算,沉降计算应为桩长范围内复合土层以及下卧层地基变形值之和。,24,六、防渗堵水设计计算,布孔孔距和旋喷注浆固结体交联图,25,定喷帷幕形式示意图,（a）单喷嘴单墙首尾连接； （b）双喷嘴单墙前后对接；（c）双喷嘴单墙折线连接； （d）双喷嘴双墙折线连接；（e）双喷嘴夹

14、角单墙连接； （f）单喷嘴扇形单墙首尾连接；（g）双喷嘴扇形单墙前后对接；（h）双喷嘴扇形单墙折线连接。为了保证定喷板墙连接成一帐幕，各板墙之间要搭接才行。,26,摆喷防渗帷幕形式示意图（a）直摆型（摆喷） （b）折摆型 （c）柱墙型 （d）微摆型 （e）摆定型 （f）柱列型,对于提高地基承载力加固工程，不必交圈，孔距L=（23）d，以充分发挥土的作用。,27,七、 喷浆用量计算,1）体积法,2）喷量法,28,12.5 施工技术,一、 施工机具,钻机、高压泵、泥浆泵、空压机、搅拌机、注浆专用器具等。,1）钻机,XJ-100、SH-30、76振动钻机等。 钻机具有1020r/min慢速转动和以5

15、25cm/min慢速提升的功能。,2）高压泵,单管法和二重管法，用SNS-H300、Y-2型高压泥浆泵输送水泥浆液； 三重管法和多重管法，用3XB、3W6B、3W7B型泵输送高压水。,3）泥浆泵 用BW-150、BW-200、BW-250型等泥浆泵输送水泥浆。 4）空压机 二重管法和三重管法，可使用移动往复式空压机（YV-3/8、YV-6/8、YV-9/7型等）、螺杆空压机（LGY20-10/7型）、滑片式空压机（BH-6/7型）输送压缩空气。,29,5）注浆专用器具,a）平头型 b）圆锥型1.喷嘴杆 2.、5、9.喷嘴 3.钢球 4.硬质合金 6.球座 7.钻头 8.喷嘴套 10. 喷嘴接头

16、 11.钻尖,（1）单层注浆管路 注浆管用50mm或42mm地质钻杆。,30,（2）二重注浆管路 二重管底部侧面有浆、气同轴喷嘴，其环状间隙为12mm。,TY-201型二重注浆管的结构1.型密封圈 2.外管母接头 3.定位圈 4. 42地质钻杆 5.内管 6.卡口管 8.外管公接头,TY-201型二重管喷头的结构1.管尖 2.内管 3.内喷头 4.外喷嘴 5.外管 5.外管公接头,31,（3）三重注浆管路 TY-301型三重注浆管结构，内管规格183，中管为402，外管为754。内管输送高压水，内中管环隙输送压缩空气，外中管环隙输送浆液。,TY-301型三重注浆管的结构1.内母接头 2.内管

17、3.中管 4、7.外管 5.扁钢 6.内公接头 8.内管公接头 9.定位器 10、12.挡圈 11、13. O型密封圈,32,a）圆锥形喷头 1.内母接头 2.内管 3.内管喷嘴 4.中管喷嘴 5.外管 6.中管 7.尖嘴钻头 8.内喷嘴座,TY-301型三重管喷头的结构 ：,33,b）平口形喷头1.内母接头 2.内管 3.内管喷嘴 4.中管喷嘴 5.外管 6.中管 7.硬质合金 8. O型圈,TY-301型三重管喷头的结构 ：,（4）多重注浆管路,多重管可输送高压水，而且可将冲下来的土、石抽出地面。多重管外径达到300mm，它由导流器、钻杆和喷头组成。喷嘴上方有超声波传感器。,34,二、喷嘴

18、技术参数确定,a）圆柱形 b）收敛圆锥形 c）流线形喷嘴形状示意图,工程应用的喷嘴结构,35,a）水平 b）下倾 c）夹角 d）90夹角 e）四喷嘴喷头的布置形式,36,三、浆液材料与配方确定,（1）普通型：水灰比为0.8:11.5:1。 （2）速凝早强型（3）高强型： 旋喷固结体的平均抗压强度20 MPa以上的称为高强型。 选择高标号水泥，如选用不低于52.5级普通硅酸盐水泥。 在42.5级普通硅酸盐水泥中掺入高效能扩散剂，如NNO（亚甲基二萘磺酸钠）等。 （4）填充剂型: 掺入粉煤灰、矿渣等。 （5）抗冻型: 沸石粉，掺入量为水泥质量的1020%； NNO，掺入量为0.5%左右； 亚硝酸钠

19、，掺入量为1.0%左右。 （6）抗渗型: 掺入2%4%水玻璃，抗渗性能有提高。 有抗渗要求旋喷固结体，不宜用矿渣水泥。水玻璃模数2.43.4，波美度3045为宜。,37,四、施工工艺,（1）钻机就位 （2）钻孔 （3）置入注浆管: 将喷管插入地层预定的深度。 （4）喷射作业: 喷射管分段提升的搭接长度不得小于100mm。 喷射时应注意检查浆液可泵期、初凝时间、注浆流量、风量、压力、旋转提升速度等参数是否符合设计要求，并做好记录。 （5）拔出注浆管: 注浆完毕，应迅速拔出喷射管。为防止浆液凝固收缩影响桩顶高程，必要时可在原孔位采用冒浆回灌或第二次注浆等措施。 （6）冲洗 （7）移动机具: 将钻机

20、等机具设备移到新孔位上，继续进行喷射施工。,38,五、 施工注意事项,（1）喷射注浆前检查高压设备和管路系统。 （2）高压浆液压力宜大于20MPa，气流压力0.7MPa左右，低压水泥浆的灌注压力12MPa ，提升速度0.050.25m/min.，旋转1020r/min。 （3）出现异常情况时，需查明原因并采取相应措施。 冒浆量 注浆量20%为正常。 （4）对冒浆应妥善处理，及时清除沉淀的泥渣。 （5）为防止浆液凝固收缩，产生加固地基与建筑地基不密贴或脱空现象，可采用超高喷射（悬喷处理地基的顶面超过建筑基础底面，其超高量大于收缩高度），回灌冒浆或第二次注浆等措施。,39,（6）当处理既有建筑地基

21、时，应采用速凝浆液或跳孔喷射和冒浆回灌等措施，同时，应对建筑物进行变形监测。 （7）为了加大固结体尺寸，或对深层硬土，为了避免固结体尺寸减小，可以采用提高喷射压力、泵量或降低回转与提升速度等措施，也可以采用复喷工艺。 （8）在软弱地层旋喷时，固结体强度低。 （9）加强施工的安全管理。高压液体和压缩空气管道的耐久性以及管道连接的可靠性都是不可忽视的，否则，接头断开，软管破裂，将会导致浆液飞散，软管甩出等安全事故。 （10）竖向承载旋喷桩复合地基宜在基础和桩顶之间设置200300mm厚的褥垫层，其材料可选用中砂、粗砂、级配砂石等，最大粒径不宜大于30mm。,40,12.6 质量检验,1）质量检验主

22、要内容,固结体的物理性状，包括整体性和均匀性。 固结体几何特征，包括有效直径、深度范围和垂直度等。 固结体的强度特性和抗渗性能;其中包括水平、垂直承载力，变形模童、抗渗系数、抗冻性和抗酸碱腐蚀性。 固结体的溶蚀和耐久性等。,2）检验点布置,建筑荷载大的部位； 防水帷幕的中心线上； 施工中出现异常情况的部位； 地质情况复杂可能对高压旋喷注浆产生影响的部位。 检验点数量为施工孔数1%，并不应少于3点。对不足20孔的工程，至少应检验2个点。质量检验应在旋喷施工结束28d后进行。,41,3）检验方法,（1）开挖检验 （2）钻孔取芯 （3）标贯试验 对所得的标贯数值进行修正。,（4）载荷试验,做垂直载荷

23、试验时，需在顶部0.51.0m范围内浇筑0.20.3m厚的钢筋混凝土桩帽。可取s/b（或s/d）等于0.006所对应的压力作为复合地基承载力特征值。,表12.3 标贯N值得修正系数,42,12.6 工程应用实例,【例1】,【解】1）单桩承载力计算,43,2）复合地基承载力计算,【例2】,【解】1）单桩承载力计算,44,2）桩间距计算,45,【例3】山东省三山岛金矿南风井高压旋喷注浆帷幕工程,1）工程概况 该场地自然地面标高为0.5m。南风井为提升竖井，设计井深171.5m，表土厚度为25.1m。该井成功地应用高压旋喷注浆凿井新技术，为在含水松软不稳定的地层中凿井施工，提供了条件。井筒净直径4m

24、，掘进直径5.3m，永久井壁为0.5m 厚的钢筋混凝土。 2）工程地质条件 场地表层土为砂层和粉质粘土互层，厚达20余米，涌水量35t/h，有含盐量很高的海水补给。,表12.4 南风井表层工程地质及水文地质特征,46,3）设计计算 （1）表土地压的确定,47,（2）帷幕厚度的确定,固结体帷幕将承受外部土压力及静水压力，其厚度可按厚壁筒公式和第四强度理论确定。,设计考虑到表土段为短段掘砌（段高0.71.2m），注浆帷幕并非无限长厚壁筒，故选用安全系数2，进行帷幕设计。,48,（3）旋喷基本参数的选择,旋喷桩有效桩径及施工中其他有关参数的选择，是形成帷幕重要因素。 旋喷压力p0 提高压力可以改善喷

25、效果，但压力过高，会在接近喷射区域内产生真空，出现涡流，过早地形成雾状而导致相反的结构。根据国产SNC-H300型注浆车配套高压泵的运动状态，选用旋喷压力为17.6421.56MPa。 喷嘴直径d0 在压力或流速一定时，喷嘴直径增大，流量增大。在给定的设备条件下，且压力为17.6421.56MPa ，选用喷嘴直径为2.53.0mm是适宜的。本工程实际选用了直径为2.0、2.5、3.0mm的喷嘴。 旋喷成桩直径D 工程土层主要由砂与粉质粘土交互组成。一般粉质粘土的标贯击数N 值为1315。设计成桩直径为0.5m。,49,成孔方式 按同心圆形式，旋喷孔布成三圈，孔间距0.43m，孔圈距0.375m

26、，钻孔允许偏斜率0.5%。,高压喷射注浆布孔图,表12.5 旋喷成桩直径D的估算,50,（4）浆液配方及固结体力学性能 单管法旋喷帷幕凿井，要求浆液除具有良好的可喷性外，固结体应有足够的强度和抗渗性。,4）施工方法 施工顺序：定位钻孔下管旋转提升成桩养护形成旋喷帷幕。,表12.6 浆液配方加性能,51,表12.7 旋喷主要机具设配,表12.8 旋喷技术参数,52,5）施工质量检验,为确保旋喷帷幕防渗效果，进行了开挖涌水量（潜水和承压水之和）预测：,表12.9 岩心抽样检查旋喷加固体的力学性能,表12.10 井筒开挖水量预测,53,开挖中，深度在16m以上时开挖顺利，继续下挖时，发现井筒东面有一根旋喷桩倾斜插入到井内，将斜桩刨断挖出后，出现大量涌水，达160 m3/h 以上。后经布孔复喷，一次堵住。很快处理了涌砂突水，井筒完好，使南风井顺利地通过了第四纪表土松散层。 6）技术经济效果分析 该工程钻孔183 个，4455延米。旋喷注浆199孔，计3718延米。工期一年，去掉各种影响所耽误的时间，实际钻孔和旋喷的时间为3.3个月。旋喷注浆耗资38.8万元，折合成平均每延米桩的造价为104元。 综合评价，南风井表土段旋喷法凿井，实际成本远低于冻结法；与沉井法和连续墙相比较，不仅技术先进，经济上也是合理的。,54,作业：,