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1、高压旋喷桩施工技术,李明华,主要内容一、适用范围 六、设计承载力二、基本原则 七、浆量计算三、加固机理 八、强度要求四、成桩机理 九、工艺流程五、工艺设计要求 十、操作要点,概念：高压旋喷桩，是以高压旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层与土体混合，形成连续搭接的水泥加固体。优点：施工占地少、振动小、噪音较低，缺点：容易污染环境，成本较高，对于特殊的不能使喷出浆液凝固的土质不宜采用。,一、适用范围,(1)适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或可塑黏性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地基。(2)含有较多的大粒径块石、坚硬黏性土、含大量植物根茎或有过多的有机质时，对淤泥和泥炭土以及已有建筑物的湿陷性黄土
2、地基的加固，根据试验确定其适用程度。并确定其适用性和技术参数。,(3)对基岩和碎石土中的卵石、块石、漂石呈骨架结构的地层，地下水流速过大和已涌水的地基工程，地下水具有侵蚀性，应慎重使用。(4)可用于既有建筑和新建建筑的地基加固处理、深基坑止水帷幕、边坡挡土或挡水、基坑底部加固、防止管涌与隆起、地下大口径管道围封与加固、地铁工程的土层加固或防水、水库大坝、海堤、江河堤防、坝体坝基防渗加固、构筑地下水库截渗坝等工程。,二、基本原则,(1)注浆形式分旋喷注浆、摆喷注浆和定喷注浆等3种。可采用单管法、二管法和三管法，加固体形状可分为圆柱状、扇形块状、壁状和板状。(2)适用性定喷适用于粒径20mm的松散
3、地层；摆喷适用于粒径60mm的松散地层；大角度摆喷适用于粒径100mm的松散地层；旋喷适用于卵砾石地层及基岩残坡积层。,(3)因地制宜，综合考虑各种因素，合理制定方案。(4)制定方案时，应掌握场地及周边建筑的历史和现状等资料。(5)方案确定后，进行现场试验、试验性施工确定施工参数及工艺。(6)试验场地选择有代表性地段。,三、加固机理,利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进土层的预定位置后，以高压设备使浆液或水、（空气）成为2040MPa的高压射流从喷嘴中喷射出来，冲切、扰动、破坏土体，同时钻杆以一定速度逐渐提升，将浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固后，在土中形成一个圆柱状固结体（即旋喷桩），以达到加固地
4、基或止水防渗的目的。可采用单管法、二管法和三管法。,1、单管法：单层喷射管，仅喷射水泥浆。,2、二重管法：又称浆液气体喷射法，是用二重注浆管同时将高压水泥浆和空气两种介质喷射流横向喷射出，冲击破坏土体。在高压浆液和它外圈环绕气流的共同作用下，破坏土体的能量显著增大，最后在土中形成较大的固结体。,3、三重管法：是一种浆液、水、气喷射法，使用分别输送水、气、浆液三种介质的三重注浆管，在以高压泵等高压发生装置产生高压水流的周围环绕一股圆筒状气流，进行高压水流喷射流和气流同轴喷射冲切土体，形成较大的空隙，再由泥浆泵将水泥浆以较低压力注入到被切割、破碎的地基中，喷嘴作旋转和提升运动，使水泥浆与土混合，在
5、土中凝固，形成较大的固结体，其加固体直径可达2m。,喷射注浆法的加固半径和许多因素有关，其中包括：喷射压力P；提升速度S；被加固土的抗剪强度；喷咀直径d和浆液稠度B。加固范围与喷射压力P、喷咀直径d成正比，与提升速度S、土的抗剪强度和浆液稠度B成反比。加固体强度与单位加固体中的水泥掺入量和土质有关。,四、成桩机理,（1）高压喷射流切割破坏土体作用。喷射流动压以脉冲形式冲击破坏土体，使土体出现空穴，土体裂隙扩张。（2）混合搅拌作用。钻杆在旋转提升过程中，在射流后部形成空隙，在喷射压力下，迫使土粒向着与喷咀移动方向相反的方向（即阻力小的方向）移动位置，与浆液搅拌混合形成新的结构。（3）升扬置换作用
6、（三重管法）。高速水射流切割土体的同时，由于通入压缩气体而把一部分切下的土粒排出地上，土粒排出后所留空隙由水泥浆液补充。（4）充填、渗透固结作用。高压水泥浆迅速充填冲开的沟槽和土粒的空隙，析水固结，还可渗入砂层一定厚度而形成固结体。（5）压密作用。高压喷射流在切割破碎土层过程中，在破碎部位边缘还有剩余压力，并对土层可产生一定压密作用，使旋喷桩体边缘部分的抗压强度高于中心部分。旋喷桩固结体情况图4所示。,五、工艺设计要求,1.加固体直径的确定旋喷桩直径与现场土质、土体强度和喷射压力、流量、提升速度和浆液稠度等诸多因素有关，应通过现场试验确定。当无试验资料时可参考表1选用。,表1 旋喷桩直径参考值
7、（m）注：表中N为标准贯入实测锤击数,2.布置形式桩的平面布置形式需根据加固的目的给予考虑，分离布置的单桩可用于基础的承重，排桩、板墙可用作防水帷幕，整体加固则常用于防止基坑底部的涌土或提高土体的稳定性，水平封闭桩可用于形成地基中的水平隔水层。图5为一般桩的平面布置形式。,六、设计承载力,（1）按桩身强度计算容许承载力。P=aA式中 P桩的容许承载力（kN）；a 桩体材料的强度折减系数，a=0.40.5；桩体材料7cm7cm7cm试件的室内平均抗压强度（kPa）；A 桩的横断面积。,（2）按土体强度计算桩身容许承载力。P=fi li+AR式中 P桩的容许承载力（kN）；桩身截面周长，按桩的直径
8、计算（m）；fi各土层的容许摩阻力（kPa）；li 各土层的厚度（m）；A桩底支承面积，按桩的直径计算（m）；R桩尖处的地基容许承载力（kPa）。,（3）复合地基承载力。式中 复合地基的容许承载力（kPa）；P 单桩承载力（kPa）；R 桩间土天然地基承载力（kPa）；Ae 一根桩分担的荷载面积；Ap 一根桩的断面积；A 天然地基承载力折减系数，当不考虑桩间土作用时为0。,七、浆量计算,浆量计算有两种方法，即体积法和喷量法，取大者作为设计喷射浆量。体积法：喷量法：根据计算所需的喷浆量和设计的水灰比，即可确定水泥的使用数量。,式中 Q 需要的喷浆量（m3）；De旋喷固结体直径（m）；D0注浆管直
9、径（m）；K1填充率，0.750.9；h1旋喷长度（m）；K2未旋喷范围土的填充率，0.50.75；h2未旋喷长度（m）；损失系数，0.10.2；提升速度（m/min）；H喷射长度（m）；q单位喷浆量（m3/m）。,八、强度要求,旋喷桩设计要求，成桩28天后抽芯取样进行无侧限抗压强度试验，抽检数为2%，并不小于2根，其无侧限抗压强度不得小于设计要求；地基加固后，复合地基承载力不得小于设计要求。,九、工艺流程,十、操作要点,1.施工准备（1）补勘与调查。补充地质勘探，了解地基土的性质、埋藏条件。（2）材料准备。材料、成品、半成品、构配件进场验收和复试要求灌浆材料，主要是水泥和水，必要时加入少量外
10、加剂。水泥一般为425号普通硅酸盐水泥。水的pH值在510之间。（3）取原状土送试验室。根据补充勘探资料，在选择的试验工点加固范围内的各代表性地层用薄壁取土器采取必需数量的原状土送试验室，对取得的土样在进行试验之前应妥善保存，使土样的物理和化学性能尽可能保持不变。,（4）室内配合比试验。确定施工喷浆量、水灰比。一般水灰比可取1.01.5。为改善水泥土的性能、防沉淀性能和提高强度，可适当掺入木质素磺硫钙、石膏、三乙醇胺、氯化钠、氯化钙、硫酸钠、陶土、碱等外掺剂。若试验之前土样的含水量发生了变化，应调整为天然含水量。（5）试桩试验。根据室内试验确定的施工喷浆量、水灰比制备水泥浆液在试验工点打设数根
11、试桩，并根据试桩结果，调整加固料的喷浆量，确定搅拌桩搅拌机提升速度、搅拌轴回转速度、喷入压力、停浆面等施工工艺参数。（6）现场清理。清除地表0.3m厚的种植土，杂物，并将原地面整平，填出路拱，施作临时排、截水设施，并在施工范围以外开挖废泥浆池以及施工孔位至泥浆池间的排浆沟。（7）施工放样。按设计要求完成施工放样，用木桩定出桩位，用白石灰作出明显标识。,2.主要施工机具、设备 1)地质成孔设备:地质钻机、潜孔钻机、冲击回转钻机、水井磨盘钻机、振冲设备等。2)搅拌制浆设备:搅灌机、搅拌机、灰浆搅拌机、泥浆搅拌机、高速制浆设备等。3)供气、供水、供浆设备:空压机、高压水泵、高压浆泵、中压浆泵、灌浆泵
12、等。4)喷射注浆设备:高压喷射注浆机、旋摆定喷提升装置、喷射管喷头喷咀装置等。5)控制测量检测设备:测量仪、测量尺、水平尺、测斜仪、密度仪、压力表、流量计等。,2.操作工艺(1)测量放线按施工图和坐标网点测量放出施工轴线。(2)确定孔位:在施工轴线上确定孔位，编上桩号、孔号、序号，依据基准点进行测量各孔口地面高程。(3)钻机造孔:可采用泥浆护壁回转钻进、冲击套管钻进和冲击回转跟管钻进等方法。1)主钻杆对准孔位，钻机要垫平稳牢固。2)钻孔口径应大于喷射管外径2050mm。3)造孔每钻进5m测量机身水平和立轴垂直1次，4)泥浆容重一般为1.11.25g/cm3。5)钻进过程中随时注意地层变化，6)
13、孔终孔深度应大于开喷深度0.51.0m，7)详细填写钻孔记录,(4)测量孔深:终孔时测量钻具长度，孔深20m时，孔内测斜。(5)下喷射管:验收钻孔、下喷射管前检查：1)测量喷射管长度 2)调整喷射压力：即设计喷射压力管路压力。3)试喷，调准喷射方向和摆动角度4)确定防止喷嘴堵塞措施(6)搅拌制浆:确保均匀、连续地拌制浆液。1)搅拌时间，使用高速搅拌机60s；使用普通搅拌机180s。2)存放时间，2.5h。3)过筛后使用，并定时检测其密度。4)制浆材料误差应不大于5%。5)浆液温度应保持在540。6)需要加适量外加剂及掺合料构时，通过试验确定。,(7)供水供气:高压水和压缩气的流量、压力满足设计
14、要求。(8)喷射注浆:自下而上连续作业。喷头可分单嘴、双嘴和多嘴。1)喷嘴达到设计标高，即可喷射注浆。2)开喷一切正常后，开始提升。3)压力突降或骤增，须查明原因，及时处理。4)拆卸喷射管时，需下落搭接复喷，搭接长度0.2m。5)因故中断后，进行复喷，搭接长度0.5m。6)中断超过初凝时间，进行扫孔，复喷搭接长度1m。7)孔内漏浆，停止提升，直至不漏浆为止。8)严重漏浆，停止喷射，提出喷射管，采取堵漏措施。,(9)冒浆:孔口冒浆量的大小，能反映被喷射切割地层的注浆效果。冒浆尽可能利用。1)单、两管法，冒浆不回收利用。2)单、两管法，冒浆量小于注浆量的20%时为正常现象，超过20%或完全不冒浆时
15、，采取以下措施:a.当地层中有较大空隙引起不冒浆时，可在浆液中掺合适量的速凝剂，缩短固结时间，使浆液在一定的土层范围内凝固，也可在空隙地段增大注浆量，填满空隙后再继续喷射。b.当冒浆量过大时，可通过提高喷射压力，或加快喷射的提升速度，减少冒浆量。3)三管法，不冒浆或孔内严重漏浆，采取以下措施:a.孔口少量返浆时，降低提升速度，孔口不返浆时，立即停止提升。b.加大浆液浓度或水泥砂浆，掺入少量速凝剂。c.降低喷射压力、流量，进行原位注浆。4)三管法，根据工程设计要求，可回收利用冒浆。a.在含黏粒较少的地层中进行高压喷射注浆，冒浆经沉淀处理后利用。b.在黏性土或软塑至流塑状淤泥质土层中注浆，冒浆不宜
16、回收利用。,(10)旋摆提升:单嘴喷头：摆360为旋喷；小于360为弧喷；小于等于180为拱喷；小于等于90为摆喷；摆角为0时为单向定喷。同轴双嘴喷头：摆180为旋喷；小于180为双向拱喷；小于等于90为双向摆喷；摆角为0时为双向定喷。非同轴双嘴喷头有90夹角、120夹角、150夹角，可用于摆喷和定喷。多嘴喷头目前国内使用的不多。,旋摆为机械旋摆和特殊环境下人工旋摆。1)旋喷切割土体一周，旋摆和提升速度慢，喷射半径长，形成桩径大。2)摆喷切割土体，摆动和提升速度慢，喷射半径长，形成凝固体积大。3)定喷切割土体，提升速度慢，喷射半径长，形成凝固体板长。4)提升速度应与注浆量匹配，供浆量应满足提速
17、，提速应满足喷射半径长度。5)机械旋摆形成凝固体积规则，人工旋摆形成凝固体积不规则。6)旋摆定喷射过程中要固定喷方向桩，以便随时检查和防止喷方向位移。7)喷射过程中接卸换管时要检查喷方向，防止喷射方向位移。8)按设计要求旋摆定喷射提升，自下而上至设计标高，停止喷射，提出喷射管。9)旋喷适用于细颗粒和粗颗粒松散地层，定喷注浆适用于细颗粒松散地层。a.定喷:适用于黏性土、粉土、砂土细颗粒松散地层。b.摆喷:适用于黏性土、粉土、砂土、砾石中颗粒松散地层。c.旋喷:适用于黏性土、粉土、砂土、砾石、卵石粗颗粒松散地层。,(11)成桩成墙:注浆凝固体可形成设计所需要的形状，如旋喷形成圆柱状、盘形状，摆喷形
18、成扇形状、亚铃状、梯形状、锥形状和墙壁状，定喷形成板状。(12)充填回灌:1)将输浆管插入孔内浆面以下2m，输入浆液充填灌浆。2)充填灌浆需多次反复进行，回灌标准:直到饱满，孔口浆面不再下沉为止。3)有较高强度要求时，严禁使用冒浆和回浆充填回灌。4)只有抗渗要求时，可以使用冒浆和回浆充填回灌。5)记录回灌时间、次数、灌浆量、水泥用量和回灌质量。,（13）清洗向浆液罐中注入适量清水，开启高压泵，清洗全部管路中残存的水泥浆，直至基本干净。并将粘附在喷浆管头上的土清洗干净。（14）移位移动桩机进行下一根桩的施工。（15）补浆喷射注浆作业完成后，由于浆液的析水作用，一般均有不同程度的收缩，使固结体顶部
19、出现凹穴，要及时用水灰比为1.0的水泥浆补灌。,3、主要施工技术参数（1）单重管法。浆液压力2040MPa，浆液比重1.301.49，旋喷速度20rmin，提升速度0.20.25m/min，喷嘴直径23mm，浆液流量80100L/min（视桩径流量可加大）。（2）二重管。法浆液压力2040MPa，压缩空气压力0.70.8MPa。（3）三重管。法浆液压力0.20.8MPa，浆液比重1.601.80，压缩空气压力0.50.8MPa，高压水压力3050MPa。,4、常用机具设备,5、劳动力组织,6、质量要求及质量控制要点,7、质量控制要点（1）开工前试桩，确定合理的技术参数和浆液配比。（2）冒浆量超
20、过20%或完全不冒浆时，查明原因，调整旋喷参数或改变喷嘴直径。（3）钻杆旋转和提升必须连续不中断，拆卸接长钻杆或继续旋喷时要保持钻杆有1020cm的搭接长度，避免出现断桩。（4）在旋喷过程中，如因机械出现故障中断旋喷，应重新钻至桩底设计标高后，重新旋喷。（5）严格控制浆液水灰比，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的水泥。浆液搅拌完毕后送至吸浆桶时，应有筛网进行过滤，过滤筛孔要小于喷嘴直径1/2为宜。（6）在旋喷过程中，若遇到孤石或大漂石，桩可适当移动位置，避免畸形桩或断桩。（7）旋喷过程中，作好施工记录。,8、质量通病的处理（1）不冒浆或冒浆量少。通常原因
21、是加固土层粒径过大，孔隙较多，可采取以下措施：1）加大浆液浓度，可以从1.1加大到1.3左右继续喷射。2）灌注粘土浆或加细砂、中砂，待孔隙填满后再继续正常喷射。3）在浆液中掺加骨料。4）加泥球封闭后继续正常喷射。5）灌注水泥砂浆后，再将孔内水泥浆置换成粘土浆，待孔隙填满后继续正常喷射。（2）冒浆量过大。通常是有效喷射范围与喷浆量不适应有关，可采取以下措施：1）提高喷射压力。2）适当缩小喷嘴直径。3）适当加快提升速度。由于冒浆量中含有地层颗粒和浆液的混合体，目前对冒浆中的水泥的分离回收尚无适宜方法，在施工中多采用过滤、沉淀、回收调整浓度后再利用。（3）凹穴处理。1）在喷射灌浆完毕时，即连续或间断
22、地向喷射孔内静压灌注浆液，直至孔内混合液凝固不在下沉。2）在喷射灌浆完成后，向凝固体与其上部结构之间的空隙进行第二次静压灌浆，浆液的配比应为不收缩且具有膨胀性的材料，如采用水泥水铝粉的配比为9.86.90.3的浆液。,9、安全措施（1）高压泥浆泵、空压机、高压清水泵必须指定专人操作，压力表应定期检修检定，以保证正常工作。（2）钻机操作人员应具有熟练操作技能。（3）施工前应检查高压设备和管路系统，其压力和流量（风量）需满足设计要求，应检查管道的耐久性以及管道连接是否可靠，泵体、注浆管及喷嘴内不得有任何杂物，各类密封圈必须良好，无渗漏现象，否则接头断开、软管破裂，将会导致浆液、高压水流飞散、软管甩
23、出等安全事故。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检验），必须确保在达到规定压力时能断销卸压，绝不能轻易安装未经试压检验的自制安全销。（4）喷射浆自喷嘴喷出时，具有很高的能量，因此人体与喷嘴之间的距离不应小于60cm。（5）喷射注浆的浆液目前一般以水泥浆为主，但有时也加入其他化学填加剂，一般说浆液硬化后对人畜均无害，但硬化前的液体进到眼睛里时，必须立即进行充分清洗，并及时到医院治疗。（6）吊、放喷射管路时，严禁管下站人。不得将电缆浸泡在水和泥浆中，防止漏电伤人。,10、环境保护（1）水泥、石灰细颗粒散体材料，应遮盖存放；运输时必须必须封闭覆盖，不得沿途撒落。（2）制定洒水防尘措施，指定专人负责现场洒水降尘。（3）采取有效降噪措施。（4）不得随意排放废弃的加固料。,本讲结束欢迎指正,
