高壓噴射灌漿和深層攪拌法加固技術(shù)

1、高壓噴射灌漿和深層攪拌法加固技術(shù) 摘要 高壓噴射灌漿和深層攪拌法加固技術(shù)相似,其主要差別在于采用不同的加料拌和手段. 一,高壓噴射灌漿技術(shù) 高壓噴射法就是利用工程鉆機(jī)鉆孔至設(shè)計(jì)處理的深度后,用高壓泥漿泵,通過安裝在鉆桿(噴桿)桿端置于孔底的特殊噴嘴,向周圍土體高壓噴射固化漿液(一般使用水泥漿液),同時(shí)鉆桿(噴桿)以一定的速度邊旋轉(zhuǎn)邊提升,高壓射流使一定范圍內(nèi)的土體結(jié)構(gòu)破壞,并強(qiáng)制與固化漿液混合,凝固后便在土體中形成具有一定性能和形狀的固結(jié)體. 固結(jié)體的形狀和噴射流的移動(dòng)方向有關(guān).一般分為旋轉(zhuǎn)噴射(簡稱旋噴),定向噴射(簡稱定噴)和擺動(dòng)噴射(簡稱擺噴).旋噴樁主要用于加固地基,提高地基的抗剪強(qiáng)度

2、,改善地基土的變形性能,使其在上部結(jié)構(gòu)荷載作用下,不至破壞或產(chǎn)生過大的變形.定噴固結(jié)體呈壁狀,擺噴形成厚度較大的扇狀固結(jié)體.定噴和擺噴通常用于地基防滲,改善地基土的水力條件及邊坡穩(wěn)定等工程. (一)加固機(jī)理 高噴法如三管高噴法用壓縮空氣包裹高壓噴射水流沖擊破壞攪動(dòng)土體,同時(shí)用低壓灌漿泵灌入漿液,漿液被高壓水,氣射流卷吸帶入,同時(shí)與被攪動(dòng)土體混合形成固結(jié)體.加固地基,形成樁,板,墻的機(jī)理可用五種作用來說明: 1.高壓噴射流切割破壞土體作用 噴流動(dòng)壓以脈沖形式?jīng)_擊土體,使土體結(jié)構(gòu)破- 25 - 壞出現(xiàn)空洞. 2.混合攪拌作用 鉆桿在旋轉(zhuǎn)和提升的過程中,在射流后面形成空隙,在噴射壓力作用下,迫使土粒

3、向與噴嘴移動(dòng)相反的方向(即阻力小的方向)移動(dòng),與漿液攪拌混合后形成固結(jié)體. 3.置換作用 三重管高噴法又稱置換法,高速水射流切割土體的同時(shí),由于通入壓縮空氣而把一部分切割下的土粒排出灌漿孔,土粒排出后所空下的體積由灌入的漿液補(bǔ)入. 4.充填,滲透固結(jié)作用 高壓漿液充填沖開的和原有的土體空隙,析水固結(jié),還可滲入一定厚度的砂層而形成固結(jié)體. 5.壓密作用 高壓噴射流在切割破碎土體的過程中,在破碎帶邊緣還有剩余壓力,這種壓力對土層可產(chǎn)生一定的壓密作用,使高噴樁體邊緣部分的抗壓強(qiáng)度高于中心部分. (二)基本種類 按噴射介質(zhì)及其管路多少可分為單管法,二管法,三管法等. 1.單管旋噴法 通過單根管路,利用

4、高壓漿液(2030MPa),噴射沖切破壞土體,成樁直徑為4050cm.其加固質(zhì)量好,施工速度快和成本低,但固結(jié)體直徑較小. 2.二管旋噴法 在單管法的基礎(chǔ)上又加以壓縮空氣,并使用雙通道的二重灌漿管.在管的底部側(cè)面有一個(gè)同軸雙重噴嘴,高壓漿液以20MPa左右的壓力從內(nèi)噴嘴中高速噴出,在射流的外圍加以0.7MPa左右的壓縮空氣噴出.在土體中形成直徑明顯增加的柱狀固結(jié)體,達(dá)80150cm. 3.三管旋噴法 使用分別輸送水,氣,漿三種介質(zhì)的三重灌漿管.高壓水射流和外圍環(huán)繞的氣流同軸噴射沖切破壞土體,在高壓水射流的噴嘴周圍加上圓筒狀的空氣射流,進(jìn)行水,氣同軸噴射,可以減少水射流與周圍介質(zhì)的摩擦,避免水射

5、流過早霧化,增強(qiáng)水射流的切割能力.噴嘴邊旋轉(zhuǎn)噴射,邊提升,在地基中形成較大的負(fù)壓區(qū),攜帶同時(shí)壓入的漿液充填空隙,就會(huì)在地基中形成直徑較大,強(qiáng)度較高的固結(jié)體,起到加固地基的作用. (三)漿液材料 水泥是噴射灌漿的基本材料,水泥類漿液可分為以下幾種類型. - 26 - 1.普通型漿液 一般采用普通硅酸鹽水泥,不加任何外加劑,水灰比一般為0.8:11.5:1,固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度(28d)最大可達(dá)1.020MPa,適應(yīng)于無特殊要求的工程. 2.速凝-早強(qiáng)型 適于地下水位較高或要求早期承擔(dān)荷載的工程,需在水泥漿中加入氯化鈣,三乙醇胺等速凝早強(qiáng)劑.摻入2%氯化鈣的水泥-土的固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度為1.6MPa,摻

6、入4%氯化鈣后為2.4MPa. 3.高強(qiáng)型 噴射固結(jié)體的平均抗壓強(qiáng)度在20MPa以上.可以選擇高標(biāo)號的水泥,或選擇高效能的擴(kuò)散劑和無機(jī)鹽組成的復(fù)合配方等. 在水泥漿中摻入24%的水玻璃,其抗?jié)B性有明顯提高.如工程以抗?jié)B為目的,最好使用"柔性材料".可在水泥漿液中摻入1050%的膨潤土(占水泥重量的面分比).此時(shí)不宜使用礦渣水泥,如僅有抗?jié)B要求而無抗凍要者,可使用火山灰水泥. (四)高壓噴射灌漿工藝 噴射范圍應(yīng)在現(xiàn)場通過試驗(yàn)確定.高噴固結(jié)體的范圍大小與土的種類和其密實(shí)程度有較密切的關(guān)系,不同的噴射種類和噴射方式所形成的固結(jié)體大小也不相同.定噴的噴射能量集中,噴射范圍較大. 旋

7、噴粘性土固結(jié)強(qiáng)度為0.36.0MPa,無粘性土固結(jié)強(qiáng)度為415MPa. 對于防滲工程多采用定噴,擺噴,地層含的粒徑較粗時(shí)多采用擺噴或旋噴.對處理深度大于20m的復(fù)雜地層最好按雙排或三排布孔,使高噴樁形成堵水帷幕.孔距應(yīng)為1.73R(R為旋噴固結(jié)體半徑),排距為1.5R時(shí)最經(jīng)濟(jì).一般定噴,擺噴孔距為1.22.5m,旋噴為0.81.2m.高噴防滲效果一般可達(dá)10-510-6cm/s. 高噴樁樁距應(yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載,單樁承載力及土質(zhì)情況而定.一般取樁距為S=(34)d(d為旋噴樁直徑),樁的布置方式可選用矩形或梅花形布置. 高噴灌漿施工鉆孔的目的是將灌漿管插入預(yù)定的土層中,由下而上進(jìn)行噴射作業(yè).近來

8、也有用振沖方式成孔直接進(jìn)行噴射作業(yè)的方法.噴射時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng): (1)灌漿深度大時(shí),易造成上粗下細(xì)的固結(jié)體,影響固結(jié)體的承載能力或抗?jié)B作用,因而需采用增大壓力和流量或降低旋轉(zhuǎn)和提升速度等措施補(bǔ)救; (2)當(dāng)發(fā)現(xiàn)噴漿量不足而影響工程質(zhì)量時(shí),可采用復(fù)噴技術(shù); (3)當(dāng)冒漿量大于灌漿量的20%時(shí),可采用提高噴射壓力,縮小噴嘴直徑,加快提升速度和旋轉(zhuǎn)速度等措施,對冒出的漿液,可回收利用; - 27 - (4)根據(jù)工程需要調(diào)節(jié)噴射壓力和灌漿量,改變噴嘴移動(dòng)方向和速度,控制噴射固結(jié)體的形狀,即圓盤狀,圓柱狀,大底狀,糖糊蘆狀,大帽狀和墻壁狀. (5)噴灌后的漿液有析水現(xiàn)象,可造成固結(jié)體頂部出現(xiàn)凹穴,對地

9、基加固及防滲不利.為此,可采用靜壓灌漿或漿液中添加膨脹材料等措施預(yù)防. 高壓泵是高壓噴射灌漿中的關(guān)鍵設(shè)備,要求壓力和流量能在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié).額定流量為85150L/min;額定壓力為2050MPa. (五)高噴固結(jié)體的質(zhì)量檢測 1)開挖檢驗(yàn):待漿液凝結(jié)具有一定的強(qiáng)度后,即可開挖檢查固結(jié)體垂直度,形狀和質(zhì)量; 2)鉆孔檢查:從固結(jié)體中鉆取巖芯,進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)性能試驗(yàn).在鉆孔中做壓水或抽水試驗(yàn),測定其抗?jié)B能力; 3)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn):在旋噴固結(jié)體的中部可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn). 4)載荷試驗(yàn):靜載荷試驗(yàn)分垂直和水平靜載荷試驗(yàn)兩種.試驗(yàn)時(shí),需在受力部位澆筑0.20.3m厚的混凝土層; 5)圍井試驗(yàn):在板墻

10、一側(cè)增加噴孔,與板墻形成封閉圍井,在井中進(jìn)行壓水和抽水兩種試驗(yàn),或觀測井內(nèi)外水位,多用于防滲效果檢查. 高壓噴射灌漿加固地基技術(shù)主要適用于第四紀(jì)沖積層,殘積層及人工填土等.對于砂類土,粘性土,黃土和淤泥等都能加固.但對礫石直徑過大,含量過多及有大量纖維質(zhì)的腐植土噴射質(zhì)量稍差,有時(shí)甚至不如靜壓灌漿的效果. 對地下水流速過大,噴射的漿液無法在灌漿管周圍凝結(jié),無填充物的巖溶地段,永凍土和對水泥有嚴(yán)重腐蝕的地基,均不宜采用高壓噴射灌漿法. (六)高壓噴射灌漿的特點(diǎn) 高噴法具有成本較低,施工速度較快,固結(jié)體強(qiáng)度大,可靠性高等優(yōu)點(diǎn),與普通灌漿法相比又具有以下特點(diǎn): 高噴法是利用高速水流強(qiáng)制性地破壞土體形成

11、固結(jié)體,在覆蓋層中一般不存在可灌性問題;同時(shí)由于高速射流被限制在土體破碎范圍內(nèi),因此漿液不易流失,能保證預(yù)期的加固范圍和控制固結(jié)體的形狀;能在鉆孔中任何一段內(nèi)施工,也可以在孔底或中部噴射,此外,也可以水平方向噴射和傾斜方向噴射施工;高噴法通常采用水泥漿- 28 - 液,不會(huì)造成環(huán)境和地下水的污染,且耐久性較好;施工噪音較小,單管和二管法施工較簡便. 二,深層攪拌法技術(shù)(水泥土加固法) 深層攪拌法是利用水泥作為固化劑,通過特別的深層攪拌機(jī)械,在地基深處就地將軟土和水泥(漿液或粉體)強(qiáng)制攪拌后,水泥和軟土將產(chǎn)生一系列物理 化學(xué)反應(yīng),使軟土硬結(jié)改性.改性后的軟土強(qiáng)度大大高於天然強(qiáng)度,其壓縮性,滲水性

12、比天然軟土大大降低. (一)加固機(jī)理 軟土與水泥采用機(jī)械攪拌加固的基本原理,是基于水泥加固土的物理化學(xué)反應(yīng)過程.減少了軟土中的含水率,增加了顆粒之間的粘結(jié)力,增加了水泥土的強(qiáng)度和足夠的水穩(wěn)定性.在水泥加固土中,由於水泥的摻量較小,一般占被加固土重的1015%.水泥的水化反應(yīng)完全是在具有一定活性的介質(zhì) 土的圍繞下進(jìn)行,所以硬化速度較慢且作用復(fù)雜. (二)水泥土的主要特性 1.物理性質(zhì) 水泥土的容重與天然土的容重相近,但水泥土的比重比天然土的比重稍大. 2.無側(cè)限抗壓強(qiáng)度 水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度一般為300400kPa,比天然軟土大幾十倍至百倍,但影響水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的因素很多,如水泥摻入量,

13、齡期,水泥標(biāo)號,土樣含水率和有機(jī)質(zhì)含量以及外摻劑等等. 為了降低工程造價(jià),可以采用摻加粉煤灰的措施.摻加粉煤灰的水泥土,其強(qiáng)度一般比不摻粉煤灰的高.不同水泥摻入比的水泥土,當(dāng)摻入與水泥等量的粉煤灰后,強(qiáng)度均比不摻粉煤灰的提高10%,因此采用深層攪拌法加固軟土?xí)r摻入粉煤灰,不僅可消耗工業(yè)廢料,還可提高水泥土的強(qiáng)度. (三)施工技術(shù) 1. 加固型式 根據(jù)目前的深層攪拌法施工工藝,攪拌樁可布置成柱狀,壁狀和塊狀三種型式,在堤防上用于地基加固,主要采用樁式,而用于防滲加固,應(yīng)采用壁狀式,壁狀式是將相鄰攪拌樁部分重疊搭接即成為壁狀加固型式,組成水泥土擋墻,這種擋墻具有較- 29 - 高的抗?jié)B性能,可以形

14、成良好的隔水帷幕. 2.施工工藝 (1)濕法施工 主要的施工機(jī)械為深層攪拌機(jī).深層攪拌法的施工主要可分為定位,預(yù)攪下沉,制備水泥漿,提升噴漿攪拌,重復(fù)上下攪拌,清洗等幾個(gè)步驟. (2)干法施工 干法是采用水泥粉料,由空氣輸送,通過攪拌葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空隙部位噴出,并隨著攪拌葉片的旋轉(zhuǎn)均勻分布在整個(gè)空隙軌道面內(nèi),進(jìn)而和原位地基土攪拌并混合在一起.施工機(jī)械主要是鉆機(jī),粉體發(fā)送器,空氣壓縮機(jī),攪拌鉆頭等. 施工工序主要為 1)柱體對位 2)下鉆 3)鉆進(jìn)結(jié)束 4)提升噴粉 5)提升結(jié)束樁形成體等幾個(gè)步驟. (四)適用范圍 深層攪拌法最適宜加固各種成因的飽和軟粘土,常用于淤泥,淤泥質(zhì)土,粘土,亞粘土等地質(zhì)的加固,成樁深度可達(dá)30m,采用多頭小直徑樁成墻深度可達(dá)18m. 在堤防除險(xiǎn)加固工程中,深層攪拌樁適用于處理軟基堤防上滑坡段的.同時(shí),還可以組成截滲墻,取得較好的防滲效果. (五)深層攪拌法主要優(yōu)點(diǎn) 1.加固效果好,加固方式靈活,適用面廣 深層攪拌法可采用不同的加固型式,不同的樁長和置換率以滿足不同土質(zhì)條件和不同荷載要求的加固目的.對河道這種區(qū)域狹長,地質(zhì)條件復(fù)雜,對沉降要求較高的工程比