地基处理地基处理 Ground TreatmentGround Treatment重庆交通大学重庆交通大学 河海学院河海学院 吴文雪吴文雪第13章 高压喷射注浆法Chapter 13 High Pressure Jet Grouting 13.1 概 述 13.1 Introduction用高压水泥浆通过钻杆由水平方向的喷嘴喷 出，形成喷射流，以此切割土体并与土拌和形 成水泥土加固体的地基处理方法。 20 世纪60 年代末期, 日本NIT 公司在日本大阪 市地下铁道建设冻结法施工中, 由于冰冻融化, 造成严重事故, 后改为灌浆法施工。在灌浆过 程中, 浆液沿着土层交界面溢走很多, 不能完全 达到加固地基和止水的目的。在这关键时刻, 中西涉博士急中生智, 大胆引用了水力采煤技 术, 将高压水射流技术应用到灌浆工程中, 创造 出一种全新的施工法 高压喷射注浆法。高压喷射注浆法它是利用钻机把带有喷嘴的 注浆管钻至土层的预定位置后, 用高压设备使浆液 或水以20 MP a左右的高压流从喷嘴中喷射出来, 冲击破坏土体, 同时钻杆以一定的速度渐渐向上提 升, 将浆液与土粒强制搅拌混合, 浆液凝固后, 在土 中形成一个均匀的固结体, 其地基加固和防水止渗 效果良好。不但解决了大阪地下铁道建设的难题, 而且划时代地创造出一种全新的施工法高压喷射注浆法, 当时定名为CCP 工法 1972年铁道部科学研究院率先开发高压喷射 注浆法。1975年，我国冶金、水电、煤炭、建 工等部门和部分高等院校，也相继进行了试验 和施工。已成功应用于已有建筑和新建工程的 地基处理、深基坑地下工程的支挡和护底、构 造地下防水帷幕等。 高压喷射注浆1、定义 高压喷射注浆法, 就是利用钻机将带有喷嘴的 注浆管钻进至土层预定深度后, 以2040 MP a压力 把浆液或水从喷嘴中喷射出来, 形成喷射流冲击破 坏土层。当能量大、速度快、脉动状的射流动压 大于土层结构强度时, 土颗粒便从土层中剥落下来 。一部分细颗粒随浆液或水冒出地面, 其余土粒在 射流的冲击力、离心力和重力等的作用下, 与浆液 搅拌混合, 并按一定的浆土比例和质量大小, 有规 律地重新排列。浆液凝固后, 便在土层中形成一个 水泥土固结体。13.2 定义及其种类 13.2 Definition and Types高压喷射注浆法所形成的固结体的形态与高压 喷射流的作用方向、移动轨迹和持续喷射时间有密切关系。按喷射流移动轨迹分为旋喷、定 喷和摆喷三种。 旋喷法施工时, 喷嘴一面喷射一面旋转并提升, 固结 体呈圆柱状。主要用于加固地基, 提高土的抗剪强 度, 改善地基的变形性质, 也可组成闭合的帷幕, 用 于截阻地下水流和治理流砂。喷射法施工后, 在地 基中形成的圆柱体, 称为旋喷桩。定喷法施工时, 喷嘴一面喷射一面提升, 喷射的方向 固定不变, 固结体形如板状或壁状。摆喷法施工时喷嘴一面喷射一面提升, 喷射的方向 呈较小角度来回摆动, 固结体形如较厚墙状或扇状 。定喷及摆喷两种方法通常用于基坑防渗、改善地基 土的渗流性质和稳定边坡等工程。2、工艺类型当前, 高压喷射注浆法的基本工艺类型有: 单管旋 喷注浆法( 简称单管法) 、双管法、三管法和多管 法等四种方法。单管法：利用钻机把安装在注浆管（单管 ）底部侧面的特殊喷嘴，置入土层预定深 度后，用高压泥浆泵等装置，以20MPa 左 右的压力，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，日本称为CCP工 法。单管法二重管法: 使用双通道的二重注浆管。当二 重注浆管钻进到土层的预定深度后，通过在 管底部侧面的一个同轴双重喷嘴，同时喷射 出高压浆液和空气两种介质的喷射流冲击破 坏土体。即以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 左右压力把压缩空气从 外喷嘴中喷出。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。固结体的 范围明显增加，日本称为JSG工法。二重管法三重管法: 使用分别输送水、气、浆三种介 质的三重注浆管。在以高压泵等高压发生装置 产生20-30MPa 左右的高压水喷射流的周围， 环绕一股0.5-0.7MPa 左右的圆筒状气流，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0.5- 3MPa 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CJP 工法。三重管法多重管法 :这种方法首先需要在地面钻个导 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(压力约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。 装在喷嘴附近的超声波传感器及时测出空间的 直径和形状，最后根据工程要求选用浆液、砂 浆、砾石等材料进行填充：于是在地层中形成 一个大直径的柱状固结体，在砂性土中最大可 达4m，日本称为SSS-MAN工法。 多重管法1、高压喷射注浆法的特点1. 适用范围广，可以用于既有和新建工程由于固结体的质量明显提高, 它既可用于工程新建 之前, 又可用于竣工后的托换工程, 可以不损坏建( 构) 筑物的上部结构, 且能使已有建( 构) 筑物在施 工时不影响使用功能。2. 施工简便施工时只需在土层中钻一个孔径为50 mm 或300 mm 的小孔, 便可在土中喷射成直径为0. 44. 0 m 的固结体, 因而施工时能贴近已有建( 构) 筑物, 成 型灵活, 既可在钻孔的全长范围形成柱形固结体, 也可仅做其中一段。13.3 特点适用范围3. 可控制固结体形状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。4. 可垂直、倾斜和水平喷射通常是在地面上进行垂直喷射注浆, 但在隧道、矿 山井巷工程、地下铁道等建设中, 亦可采用倾斜和 水平喷射注浆。处理深度已达30 m 以上。5. 耐久性较好由于能得到稳定的加固效果并有较好的耐久性, 所 以可用于永久性工程。6. 料源广阔浆液以水泥为主体。在地下水流速快或含有腐蚀 性元素、土的含水量大或固结体强度要求高的情 况下, 则可在水泥中掺入适量的外加剂, 以达到速 凝、高强度、抗冻、耐蚀和浆液不沉淀等效果。7. 设备简单高压喷射注浆全套设备结构紧凑、体积小、机动 性强、占地少, 能在狭窄和低矮的空间施工。2、高压喷射注浆法的适用范围1. 土质条件适用范围主要适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或 可塑粘性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地基。对土中含有较多的大粒径块石、植物根茎或过多 的有机质时,因喷射流可能受到阻挡或削弱，切削 范围小或影响处理效果，应根据现场试验确定其 适用范围。对地下水流速度大、浆液无法凝固、永久冻土及 对水泥有严重腐蚀性的地基不宜采用。2. 工程适用范围可采用高压喷射注浆法的工程如图13-2 所示。 已有建筑物和新建建筑的地基处理，提高地基强 度，减少建筑物的沉降和不均允沉降； 深基坑侧壁挡土或挡水以保护邻近建筑物及保护 地下工程建设； 基坑底部加固、防止管涌与隆起； 坝体的加固及防水帷幕； 边坡加固及隧道顶部加固 。1. 高压水喷射流性质 高压水喷射流是通过高压发生设备使它获得 巨大能量后, 从一定形状的喷嘴中, 用一种特定的 流体运动方式以很高的速度连续喷射出来的、能 量高度集中的一股液流。13.3 加固地基的机理 13.3 Mechanism of Reinforcement2. 高压喷射流的种类高压喷射注浆所用的喷射流共有四种：（1）单管喷射流为单一的高压水泥浆喷射流；（2）二重管喷射流为高压浆液喷射流与其外部环绕的 压缩空气，组成为复合式高压喷射流：（3）三重管喷射流由高压水喷射流与其外部环绕的压 缩空气喷射流组成，亦为复合式高压喷射流：（4）多重管喷射流为高压水喷射流。四种喷射流破坏土体的效果不同，但其构造可划分为单 液高压喷射流和水（浆）、气同轴喷射流二种类型。一、高压喷射流对土体的破坏作用二、水（浆）、气同轴喷射流对土的破坏 作用三、水泥与土的固结机理3. 加固地基的机理高压喷射流由三个区域组成: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。初期区域：喷嘴出口处速度分布均匀，轴向动压是常 数，保持速度均匀的部分向前面逐渐愈来愈小，达到 某一位置后，断面上的流速分布不再均匀。速度分布 保持均匀部分称为喷射核（E区段），喷射核末端扩 散宽度稍有增加，轴向动压有所减小的过渡部分称为 迁移区（D 区段）。初期区域的长度是喷射流的一个 重要参数，可据此判断破碎土体和搅拌效果。一、 高压喷射流对土体的破坏作用。初期区域后为主要区域:轴向动压陡然减弱，喷射扩散 宽度和距离平方根成正比，扩散率为常数，喷射流的 混合搅拌在这一部分内进行。主要区域后为终了区域:到此喷射流能量衰减很大，末 端呈雾化状态，这一区域的喷射能量较小。喷射加固的有效喷射长度为初期区域长度和主要区域 长度之和，若有效喷射长度愈长，则搅拌土的范围愈 大，喷射加固体的直径也愈大。二、水( 浆) 、气同轴喷射流对土的破坏作用。 单射流虽然具有巨大的能量, 但由于压力在土中急 剧衰减, 因此破坏土的有效射程较短,致使旋喷固结体 的直径较小。 当在喷嘴出口的高压水喷射流的周围加上圆筒状 空气射流, 进行水、气同轴喷射时, 空气流使水或浆的 高压喷射流从破坏的土体上将土粒迅速吹散, 使高压 喷射流的喷射破坏条件得到改善, 阻力大大减小, 能量 消耗降低, 因而增大了高压喷射流的破坏能力, 形成的 旋喷固结体的直径较大。 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，同时用低压灌浆泵灌入浆液，浆液被高 压水、气射流卷吸带入，同时与被搅动土体混合形成 固结体。加固地基，形成桩、板、墙的机理可用五种 作用来说明。 旋喷固结体横断面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。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灌浆孔，土粒排出后所空 下的体积由灌入的浆液补入。4）.充填、渗透固结作用 高压浆液充填冲开的和 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。 三、水泥与土的固结机理。水泥和水拌合后, 首先产生铝酸三钙水化物和氢氧化钙, 它 们可溶于水中, 但溶解度不高,很快就达到饱和, 这种化学 反应连续不断地进行, 就析出一种胶质物。这种胶质物有一 部分混在水中悬浮, 后来就包围在水泥微粒的表面, 形成一 层胶凝薄膜。所生成的硅酸二钙水化物几乎不溶于水, 只能 以无定形体的胶质包围在水泥微粒的表层, 另一部分渗入水 中。由水泥各种成分所生成的胶凝膜, 逐渐发展起来成为胶 凝体, 此时表现为水泥的初凝状态, 开始有胶粘的性质。此 后, 水泥各成分在不缺水、不干涸的情况下, 继续不断地按 上述水化程序发展、增强