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1、14 高压喷射注浆（灌浆）技术,14 高压喷射注浆（灌浆）技术,14.1 概述14.2 高压喷射注浆加固原理14.2.1 加固机理14.2.2 加固地基作用14.3 高压喷射注浆浆液材料14.4 高压喷射注浆设计14.4.1 喷射范围14.4.2 单桩承载力14.4.3 孔位布量14.4.4 浆液用量14.5 高压喷射注浆施工14.6 高喷固结体的质量检测,14.1 概 述,高喷法：就是利用工程钻机钻孔至设计处理深度后，用高压泥浆泵等高压发生装置，通过安装在钻杆（喷杆）杆端置于孔底的特殊喷嘴，向周围土体高压喷射能固化浆液（一般使用水泥浆液），同时钻杆（喷杆）以一定的速度边旋转边提升，高压射流使
2、一定范围内的土体结构破坏，并强制与浆液混合，浆液凝固后便在土体中形成具有一定性能和形状的固结体。,14.1 概 述,高压喷射注浆法（简称高喷法，Jet Grouting）20世纪60年代末始创于日本（日本N.I.T公司），它是在化学注浆法的基础上，应用高压水射流切割技术而发展起来的。它以水泥为主要原料，因而彻底改变了化学注浆法的浆液配方和工艺措施复杂的问题。这种方法加固土体的质量高，可靠性好。具有增加地基强度，提高地基承载力，止水防渗，减少支挡结构物的土压力，防止砂土液化和降低土的含水量等多种功能。,14.1 概 述,固结体形状和喷射流的移动方式有关。一般分为：旋转喷射（简称旋喷），定向喷射（
3、简称定喷）和摆动喷射（简称摆喷）。旋喷时，喷嘴一边喷射一边旋转和提升，固结体呈圆柱状，称为旋喷桩，主要用于加固地基，提高地基的抗剪强度，改善地基土的变形性能。使其在上部结构荷载作用下，不至破坏或产生过大的变形。定喷时，喷嘴一边喷射边提升，喷射的方向不变，固结体呈壁状。摆喷时，喷嘴以一定的角度摆动，边摆动边提升，形成扇状固结体，其厚度较大。定喷和摆喷常用于地基防渗、改善地基土的水力条件及边坡稳定等。,14.1 概述,按喷射介质及其管路多少，高喷法又分为单管法、二管法、三管法和多重管法等。各有特点，可根据工程需要和土质条件选用不同方法。,14.1 概述,单管旋喷法是通过单根管路，利用高压浆液（20
4、30 MPa)，喷射冲切破坏土体，借助于注浆管的提升和旋转，使浆液和被冲切破坏的土体搅拌混合，固结后在地基中形成圆柱状的固结体，成柱直径为4050 cm。其加固质量好，施工速度快，成本低，但固结体直径较小。日本称之为 CCP 工法（Chemical Churning Pile）。,14.1 概述,二管旋喷法：是在单管法基础上加以压缩空气或水，并使用双通道的二重注浆管。日本称之为JSG工法（Jumbo Special Grouting）。在注浆管的底部侧面有一个同轴双重喷嘴，高压浆液以20 MPa左右的压力从内喷嘴中高速喷出，在射流的外围加以0.7 MPa左右的压缩空气喷出。在高压浆液射流和它外
5、围环绕气流的共同作用下，破坏土体能量显著增大，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，达80150 cm。,14.1 概述,三管旋喷法使用分别输送水、气、浆三种介质的三重注浆管。日本称之为CJG工法（Column Jet Grouting）。高压水射流和外围环绕气流同轴喷射冲切破坏土体，在高压水射流的喷嘴周围加上圆筒状的空气射流，进行水、气同轴喷射，可以减少水射流与周围介质的摩擦，避免水射流过早雾化，增强水射流的切割能力。由于使用的高压水压力较高，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
6、，携带同时压入的浆液充填空隙，就会在地基中形成直径较大、强度较高的固结体，起到加固地基的作用。,14.1 概述,近几年，在上述三种基本的喷射注浆工法的基础上，日本、意大利等国又先后开发出了两次切割的RJP工法、全方位喷射灌浆的MJS工法（Metio Jet System）、交叉射流工法（X-JET）、多重管法（SSS-MAN）、以及改变技术参数的不同工法。它们各有特色，多处于初始阶段。目前RJP和大流量、大压力的两管法，已成功地应用于三峡防渗工程等。,14.1 概述,机械泵抽吸工法日本一种较新的地基处理方法，即3S(SSS-MAW)工法。它是利用射水流以回转方式切削土体，并利用泵将其排出地面，
7、从而在地下形成一个充满了泥浆的空洞。在工作中利用地下自动扫描(MASV)系流的超声波传感器，对空洞进行监测。同时可向需要处理的范围填充各种材料，将其改造成任意的形体。根据改造目的不同，本施工法可填充混凝土、灰浆砂、砾砂粘土及特殊材料等。,14.1 概述,RJP 工法半置换式高喷灌浆工法90 年代初，日本的中西涉博士发明了RJP 工法，并于1996 年与我国著名高喷专家朱庆麟在北京成功地完成了一项试验工程。RJP 工法的基本原理与国内三管法高压喷射注浆一样，均以超高压喷射流体的功能，将土层的组织结构破坏，被破坏的土体与浆液混合、搅拌，凝固后在地层中形成固结体。但RJP 工法的加固机理却与之不同，
8、主要是进行两次切削破坏。第一次是上段的超高压水和空气的复合喷射流体切削土层。第二次是下段的超高压浆液和空气的复合喷射流体，在第一次切削土层的基础上再次对土体进行切削。这样便增加了切削深度，加大了固结体直径，属于半置换类型。,14.1 概述,14.1 概述,高压喷射注浆法具有成本较低、施工速度较快、固结体强度大、可靠性高等优点，与普通注浆法相比又具有以下持点：高喷法是利用高速水流强制性地破坏土体形成固结体，在覆盖层中一般不存在可注性问题；由于高速射流被限制在土体破碎范围内，因此，浆液不易流失，能保证预期的加固范围和控制固结体的形状；改变注浆材料和施工方法，可以使土体达到不同的强度或抗渗性能的要求
9、；高喷法通常采用水泥浆液，不会造成环境和地下水的污染，且耐久性较好；能在钻孔中任何一段内施工，也可以在孔底或中部喷射，此外，也可以水平方向喷射和倾斜方向喷射施工；施工噪音较小，单管和二管法施工较简便。,14.1 概述,适用条件：高压喷射注浆加固地基技术主要适用于软弱土层，如第四纪冲积层、残积层及人工填土等，对砂类土、粘性土、黄土和淤泥等都能加固，解决了小颗粒土不易注浆加固的难题。不适用条件：对砾石直径过大、含量过多及有大量纤维质的腐殖土喷射质量稍差，有时甚至不如静压注浆的效果。对地下水流速过大，喷射的浆液无法在注浆管周围凝结，无填充物的岩溶地段、永冻土和对水泥有严重腐蚀的地基等情况，均不宜采用
10、高压喷射注浆法。由于高压喷射注浆能解决其它技术难以解决的疑难工程问题，加之见效快、固结体稳定性好等优点，使用范围正在不断扩大。,14.1 概述,应用范围主要有：地基加固工程提高建筑物地基的强度，基坑开挖时邻近建筑物的防护，桥墩基础的防护，加固盾构法及顶管法的后座，稳定矿山、地铁、隧道及管道沟的开挖面，防止土体滑坡，保护码头及堤岸，纠偏等。防渗止漏工程堤、坝、闸、桥等基础渗漏的防治，各种基坑、地下构筑物的防渗治理，防治砂土液化，减少基础震动，整治路基翻浆，地下防渗墙的补救，防止喷砂冒水等。,14.2 高压喷射注浆加固原理14.2.1 加固机理（1）高压喷射流结构（2）高压喷射流的破坏力14.2.
11、2 加固地基作用,（1）高压喷射流结构单管高喷注浆所使用的高压喷射水泥浆流和多管所使用的高压水射流，其射流构造可用高速水连续射流在空气中的模式予以说明：假定喷射流不与四周空气混合，射流边界各处是大气压力，忽略摩擦力，喷嘴上无外力作用，喷嘴出口处流量是均匀的，则高压射流结构可分成三个区域：初期区域、主要区域、终了区域。,14.2.1 加固机理,1）初期区域：包括保持喷嘴出口压力的喷流核和迁移段。喷流核轴向动压是常数，速度均匀。在整个喷射流中，速度分布保持均匀的部分称为喷射核，由于边界气流的渗入，喷射核越来越小乃至消失。在喷射核末端有一过渡阶段，称迁移段。此段喷射流的扩散宽度稍有增加，轴向动压有所
12、减小。,（1）高压喷射流结构,根据试验资料：在空气中喷射，初期区域为 xc（75100）d0，在水中喷射 xc（66.5）d0（d0为喷嘴直径）。在空气中射流的初期区域的长度比在水中约大10倍。,2）主要区域：轴向动压陡然减弱，喷射流速度进一步降低，它的扩散率为常数。扩散宽度和距离的平方根呈正比。在土中喷射时，喷射流与土在本区域内搅拌混合。3）终了区域：轴向动压陡然减弱，喷射流能量处于衰竭状态，喷射流成为断续流，末端呈雾化状并与空气混合在一起最后消散在大气中。,（1）高压喷射流结构,（1）高压喷射流结构,高喷加固的有效长度：为初期区域和主要区域长度之和。有效长度越长，则搅拌土的距离越大，高喷桩
13、的直径也越大。介质不同，有效射程也不同：如在空气中阻力小，射程远；在水中射流扩散快，动压骤减，有效射程近；在土中射流，由于有地下水和破碎土体合成的粘度高的泥浆，阻力更大，有效射程更近。当射流压力为1040 MPa时，喷射流在土中的压力衰减规律为：,（1）高压喷射流结构,日本研究人员在空气、水和泥浆中进行的射流特性研究发现：如果在喷嘴周围设一环状缝隙，在射水的同时喷气，射流的破坏能力和作用距离将增大。如果空气射流速度接近音速，气流不会迅速扩散，而保持在水射流周围，两种物质像一种致密的射流喷出去，直至速度减小为止。二管和三管高喷法就是根据上述理论和试验而发展起来的。气、水、浆同轴喷射将获得更大的喷
14、射距离。,（2）高压喷射流的破坏力,射流的破坏力为：上式表明，当和A不变时，破坏力与流速的平方成正比，要获得较大的破坏力，形成较大的成桩直径，需增大流速，即提高喷射压力。但实践表明，在喷嘴一定的情况下喷射压力过高，水流雾化现象增强，破坏力会降低，成桩直径反而减小了，即压力和喷嘴之间有个最佳配合的问题。,14.2.2 加固地基作用,单管高喷法：就是用喷头和高压脉冲注浆泵把浆液以高压力喷出，用液流的冲击力破坏搅动土体，同时使喷头以一定的速度旋转并上升，使土体和硬化剂混合并凝固，形成一圆柱状固结体。三管高喷法：用压缩空气包裹高压喷射水流冲击破坏搅动土体，同时用低压注浆泵注入浆液，浆液被高压水、气射流
15、卷吸带人，同时与被搅动土体混合形成圆柱状固结体。,14.2.2 加固地基作用,加固地基形成桩、板、墙的机理可通过五种作用来说明：（1）高压喷射流切割破坏土体作用喷流动压以脉冲形式冲击土体，使土体结构破坏出现空洞。（2）混合搅拌作用钻杆在旋转和提升的过程中，在射流后面形成空隙，在喷射压力作用下，迫使土粒向与喷嘴移动相反的方向（即阻力小的方向）移动，与浆液搅拌混合后形成固结体。,14.2.2 加固地基作用,（3）置换作用三重管高喷法又称置换法，高速水射流切割土体的同时，由于通入压缩空气而把一部分切割下的土粒排出注浆孔，土粒排出后所空下的体积由注入的浆液补充进去。（4）充填、渗透固结作用高压浆液充填
16、冲开的和原有的土体空隙，析水固结，还可渗入一定厚度的砂层而形成固结体。（5）压密作用高压喷射流在切割破碎土体的过程中，在破碎带边缘还有剩余压力，这种压力对土层可产生一定的压密作用，使高喷桩体边缘部分的抗压强度高于中心部分。,14.3 高压喷射注浆浆液材料,水泥是最便宜的注浆材料，取材也比较容易，是喷射注浆的基本材料。一般采用32.5级或42.5级硅酸盐水泥。化学浆液还未在国内大规模地使用，仅在少数工程中应用过丙凝、脲醛树脂等作为喷射浆液。为提高水泥浆液的流动性和稳定性，改变浆液的凝胶时间，或提高固结体的抗压强度，可在水泥浆液中加入外加剂。,14.3 高压喷射注浆浆液材料,根据加入外加剂及注浆目
17、的的不同，水泥类浆液可分为以下几类：（1）普通型普通型浆液一般采用32.5级或42.5硅酸盐水泥，不加任何外加剂，水灰比一般为0.81.5，固结体的抗压强度（28d）最大可达1.020 MPa，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24，纯水泥浆与土的固结体抗压强度（1d）为1.0 MPa，而掺入2氯化钙的水泥土固结体抗压强度为1.6 MPa，掺入4氯化钙后为2.4 MPa。（3）高强型凡喷射固结体的平均抗压强度在20 MPa以上的称为高强型。若想提高固结体的抗压强度，可以
18、选择高标号的水泥，或选择高效能的扩散剂和无机盐组成的复合配方等。,14.4 高压喷射注浆设计14.4.1 喷射范围14.4.2 单桩承载力14.4.3 孔位布量14.4.4 浆液用量,14.4.1 喷射范围,喷射范围（长短尺寸）设计的正确与否，不仅关系到工程的经济效益，而且还关系到工程的成败。在工程实践中，应根据估计固结体的范围来选用喷射注浆的种类和喷射方式。对于大型或重要的工程，估计范围应在现场通过试验确定。高喷固结体的范围大小与土的种类和其密实程度有较密切的关系，不同的喷射种类和喷射方式所形成的固结体大小也不相同。,14.4.1 喷射范围的设计,单管喷射是以水泥浆作为喷流的载能介质，它的稠
19、度和粘滞力较大，形成的固结体直径较小。而三管喷射是以水作为喷流的载能介质，水的流动阻力比水泥浆小，在同样的压力作用下，以水作为喷流介质对土体的破坏力要大，所以形成的固结体的直径较大。二管喷射注浆的固结体直径介于二者之间。定喷的喷射能量集中，喷射范围较大；旋喷的喷射能量分散于360的周圈上，喷射范围（直径）相对定喷较小；而摆喷随摆喷角度而异，其喷射范围介于定喷和旋喷之间。,14.4.2 单桩承载力,旋喷固结体强度较高，一般情况下，粘性土固结强度为0.36.0 MPa，无粘性土固结强度为410 MPa。对于重要工程或要求承载力较大的工程，可选用高标号硅酸盐水泥，通过室内试验确定浆液的水灰比或需添加
20、的外加剂。由于高喷桩直径不一致，且外表凹凸不平，因此，具有较大的承载力，固结体直径越大，其承载力越高。但单桩承载力的变化较大一般必须经过现场试验确定。,14.4.3 孔位布量,（1）堵水防渗工程对于堵水防渗工程多采用定喷、摆喷，地层含的粒径较粗时，多采用摆喷或旋喷。对处理深度大于20 m的复杂地层最好按双排或三排布孔，使高喷桩形成堵水惟幕。孔距为L1.73 R（R 为旋喷固结体半径），排距 L1.5 R时最为经济。一般定喷、摆喷孔距为1.22.5 m，旋喷为0.81.2 m。高喷防渗效果一般可达 K n(10-510-6）cm/s。,14.4.3 孔位布量,（2）地基加固 在上部结构荷载W，承
21、台及承台上覆土的自重G，以及单桩承载力设计值R为已知的情况下，所需桩数为,当承受偏心荷载作用时，承台下各桩受力不均匀，桩数应适当增加，即,式中，为偏心荷载下桩数增加系数，一般取 1.11.2。高喷桩桩距应根据上部结构荷载、单桩承载力及土质情况而定。一般取桩距S=（34）d（d为旋喷桩直径），桩的布置方式可选用矩形或梅花形布置。,14.4.4 浆液用量,浆液用量有两种计算方法，按固结体体积需浆量计算和按旋喷工艺参数计算，取其大者作为浆液用量计算值。（1）按固结体体积计算浆液用量 式中：Q为浆液需用量，m3；R为旋喷固结体半径，m；H为旋喷桩长度，m；为浆液损失系数，根据施工经验取 0.10.3；
22、为折减系数。,14.4.4 浆液用量,折减系数的取值：三管法的折减系数可参照二管法的折减系数选用；可根据喷射方式查规范中图示参数。,14.4.4 浆液用量,（2）按单位时间的喷浆量和喷射持续时间计算浆液用量式中：Q为浆液用量，m3；v为注浆管的提升速度，m/min；H为旋喷桩长度，m；q为单位时间内的喷浆量，m3/min；为浆液损失系数，通常为0.10.3。,14.5 高压喷射注浆施工,为搞好高喷注浆施工，首先要了解工程的技术要求，针对具体工程进行现场调查，搜集工程地质资料；依据工程设计，编写施工组织设计，经主管部门审批后进行施工。施工组织设计包括：机械设备配套和布置、劳动组织、工程进度、材料
23、计划、技术和安全措施及工程质量检查等。,14.5 高压喷射注浆施工,高压喷射注浆施工工艺流程高压喷射注浆,按喷射时喷嘴的移动方式分为旋喷、定喷、摆喷；按注浆管类型分为单管、双管、三管；不管哪种类型，工艺流程主要是以下几个步骤:(1)钻机就位(2)造孔(3)下注浆管(4)喷射注浆(5)清洗器具(6)回填注浆,14.5 高压喷射注浆施工,（1）钻机就位钻机安放在设计的孔位上。钻孔位置与设计位置的偏差应50 mm；钻杆轴线应对准钻孔中心；浆管倾斜度应1.5%。,14.5 高压喷射注浆施工,（2）造孔造孔的目的是为了把注浆管置入到预定深度。造孔方法可根据地层条件、加固深度和机具设备等确定。可用高喷钻机
24、或其他钻机造孔；当遇到比较坚硬和复杂地层时宜用地质钻机成孔；一般在二重管和三重管施工中为了提高高喷施工效率，都采用地质钻机成孔。,14.5 高压喷射注浆施工,（3）下注浆管成孔后即可下入注浆管到预定深度。在下管过程中，为防止泥砂堵塞喷嘴，应采取保护措施，也可边射水、边下管。但水压力一般1.0 MPa，以防射塌孔壁。,14.5 高压喷射注浆施工,（4）喷射注浆将注浆管下入到预定深度后,即可自下而上进行喷射作业。（5）清洗器具喷射作业完成后，应让注浆泵吸入清水在地面上喷射，以便把泥浆泵、注浆管和软管内浆液全部排除，防止残存的水泥浆将喷嘴和管路堵塞。,14.5 高压喷射注浆施工,（6）回填注浆喷射注
25、浆完成后，由于浆液的析水作用，一般固结体均有不同程度的收缩，使固结体顶部出现一个凹穴，容易造成加固地基与建筑基础结合不紧密或脱空现象。为防止这种现象的出现，可采取回灌补浆措施，或用水灰比为0.6 的水泥浆补灌。,14.6 高喷固结体的质量检查,（1）开挖检验待浆液凝结具有一定的强度后，即可开挖检查固结体垂直度、形状和质量。（2）钻孔检查从固结体中钻取岩芯，并将岩芯做成标准试块进行室内物理力学性能试验。在现场进行钻孔，做压水和抽水两种试验，测定其抗渗能力。（3）标准贯入试验在旋喷固结体的中部对进行标准贯入试验。（4）载荷试验静载荷试验分垂直和水平静载荷试验两种。垂直载荷试验时，需在固结体的顶部0.50 m范围内，浇筑0.20.3 m厚的钢筋混凝土桩帽；水平载荷试验时，在固结体的受力部位，浇筑0.20.3 m厚的混凝土层。（5）围井试验在板墙一侧增加喷孔，与板墙形成封闭围井，在井中进行压水和抽水两种试验，或观测井内外水位，多用于防渗效果检查。,14.7 高压喷射注浆技术实践,14.7.1 高压喷射注浆加固高层建筑地基14.7.2 喷射注浆桩在基坑开挖中的应用14.7.3 高压喷射注浆加固盾构隧道工程14.7.4 隧道高压喷射注浆拱棚超前支护新技术14.7.5 斜井过含水流砂层高喷与管棚注浆技术,
