高壓噴射注漿法漿液固化講義（66頁）

1、第七章 漿液固化法 7.1 灌漿法 7.2 水泥土攪拌法7.3 高壓噴射注漿法主要內(nèi)容 漿液固化法：指利用水泥漿液、粘土漿液或其它化學漿液，通過灌注壓入、高壓噴射或機械攪拌，使?jié){液與土顆粒膠結(jié)起來，以改善地基土的物理和力學性質(zhì)的地基處理方法。 目前漿液固化法中常用的方法除原來已有的灌漿法外，后面出現(xiàn)了高壓噴射注漿法和水泥土攪拌法。前者利用高壓射水切削地基土，通過注漿管噴出漿液，就地將土和漿液進行攪拌混合，后者通過特制的攪拌機械，在地基深部將粘士顆粒和水泥強制拌和，使粘士硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和足夠強度的地基土。7.1.1 概 述7.1 灌漿法 灌漿法:是指利用液壓、氣壓或電化學原理，通過注漿

2、管把漿液均勻地注入地層中，漿液以填充、滲透和擠密等方式，趕走土顆粒間或巖石裂隙中的水分和空氣后占據(jù)其位置，經(jīng)人工控制一定時間后，漿液將原來松散的土粒或裂隙膠結(jié)成一個整體，形成一個結(jié)構(gòu)新、強度大、防水性能好和化學穩(wěn)定性良好的“結(jié)石體”。 灌漿法的應用始于1802年，法國工程師Charles Beriguy在Dieppe采用了灌注粘土和水硬石灰漿的方法修復了一座受沖刷的水閘。此后，灌漿法成為地基加固中的一種常用方法。 加固目的有以下幾個方面： 防滲：降低滲透性，減少滲流量，提高抗?jié)B能力，降低孔隙壓力。常用于防止流砂、鋼板樁滲水、壩基漏水、隧道開挖時涌水以及改善地下工程的開挖條件； 堵漏：封填孔洞，

3、堵截流水，增加邊坡、堤岸的穩(wěn)定性。常用于整治塌方、滑坡、堤岸以及蓄水結(jié)構(gòu)等； 加固：提高巖土的力學強度和變形模量，固化地基和恢復工程結(jié)構(gòu)的整體性。 糾正建筑物偏斜。應用主要有以下幾個方面： 壩基的加固及防滲； 建筑物地基的加固； 土坡穩(wěn)定性加固； 擋土墻后土體的加固； 已有結(jié)構(gòu)的加固； 道路地基基礎加固； 地下結(jié)構(gòu)的止水及加固； 井巷工程中的加固及止水； 動力基礎的抗振加固； 其他：預填骨料灌漿、后拉錨桿灌漿及鉆孔灌注樁后灌漿。 景洪水電站 動態(tài)總投資為90.75億元 溪洛渡水電站是金沙江水電基地下游四個巨型水電站中最大的一個，攔河壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高278米，是中國第二、世界第三大水

4、電站，整個工程靜態(tài)投資503.4億元人民幣。2003年開始籌建，2005年底主體工程開工，2015年竣工投產(chǎn)三峽水電站（1994-2009）大壩高程185米，總投資954.6億元人民幣。溪洛渡水電站溪洛渡水電站擋土墻后土體的加固大壩帷幕灌漿溢洪閘帷幕灌漿建筑物地基的加固土坡穩(wěn)定性加固隧道加固道路地基基礎加固7.1.2 加固機理(1) 滲透灌漿：是指在壓力作用下使?jié){液填充土的孔隙和巖石的裂隙，排擠出孔隙中存在的自由水和氣體，而基本上不改變原狀土的結(jié)構(gòu)和體積，所用灌漿壓力相對較小。這類灌漿一般只適用于中砂以上的砂性土和有裂隙的巖石。代表性的滲透灌漿理論有： 球形擴散理論、 柱形擴散理論和袖套管法理

5、論。 球形擴散理論 a. 被灌砂土為均質(zhì)的、各向同性的； b. 漿液為牛頓體； c. 漿液從灌漿管底端注入地基土內(nèi)； d. 漿液在地層中呈球狀擴散。dhhh0地下水位灌漿管圖7-1 注降管底端注漿球型擴散圖dhhh0地下水位灌漿管圖7-1 注降管底端注漿球型擴散圖 柱形擴散理論 袖套管法理論圖7-2 漿液柱樁擴散圖xdhhh0地下水位灌漿管rqAAAA(2) 劈裂灌漿：是指在灌漿壓力作用下，向鉆孔泵送不同類型的流體，以克服地層的初始應力和抗拉強度，引起巖石和土體結(jié)構(gòu)的破壞和擾動，使其垂直小主應力的平面上發(fā)生劈裂，使地層中原有的裂隙和孔隙張開，漿液的可灌性和擴散距離增大，而所用的灌漿壓力相對較高

6、。 砂和砂礫石地層 粘性土地層 在粘性土地層中，水力劈裂將引起土體固結(jié)及擠出等現(xiàn)象。在固結(jié)作用條件，注入漿液的體積V及單位土體所需的漿液量Q：: 在存在多種劈裂現(xiàn)象的條件下，土層被固結(jié)的程度C：(3)壓密灌漿：指通過在土中灌入極濃的漿液，在注漿點使土體擠密，在注漿管端部附近形成“漿泡”。當漿泡的直徑較小時，灌漿壓力基本上沿鉆孔的徑向擴展。隨著漿泡尺寸的逐漸增大，便產(chǎn)生較大的上抬力而使地面抬動。水泥漿封閉漿泡圖7-4 壓密灌漿原理示意圖(4) 電動化學灌漿：指在施工時將帶孔的灌漿管作為陽極，用濾水管作為陰極，將溶液由陽極壓入土中，并通以直流電，在電滲作用下，孔隙水由陽極流向陰極，促使通電區(qū)域中土

7、的含水量降低，并形成滲漿通路，化學漿液也隨之流入土的孔隙中，并在土中硬結(jié)。 AB水力坡降線7.1.3 灌漿材料及選用原則 (1)灌漿材料：灌漿材料由主劑(原材料)、溶劑(水或其它溶劑)及外加劑混合而成。通常所說的灌漿材料是指漿液中的主劑。外加劑可根據(jù)在漿液中所起的作用，分為固化劑、催化劑、速凝劑、緩凝劑和懸浮劑等。 灌漿材料常分為粒狀漿材和化學漿材兩個系統(tǒng)，其后再按材料的主要特點細分為不穩(wěn)定粒狀漿材、穩(wěn)定粒狀漿材、無機化學漿材和有機化學漿材等四類粒狀漿材（懸液）化學漿材（真溶液）灌漿材料不穩(wěn)定粒狀漿材穩(wěn)定粒狀漿材水泥漿水泥砂漿等粘土漿水泥粘土漿無機漿材有機漿材硅酸鹽環(huán)氧樹脂類甲基丙烯酸脂類聚氨

8、脂類丙烯酰胺類比木質(zhì)素類其它 粒狀漿材：主要包括純水泥漿、粘土水泥漿及水泥砂漿三種，這些漿材容易取得、成本低廉。為了改善粒狀漿材的性質(zhì)，以適應各種自然條件和不同灌漿目的的需要，還常在漿液中摻入各種外加劑。 粒狀漿材的主要性質(zhì)包括：1分散度、2沉淀析水性、3凝結(jié)性、 4熱學性、 5收縮性、6結(jié)石強度、 7滲透性、8耐久性。 化學漿材：。最大特點：漿液屬于真溶液，初始粘度大都較小，故可用來灌注細小的裂隙或孔隙，解決水泥漿材難于解決的復雜地質(zhì)問題?；瘜W漿材的主要缺點：造價較高和存在污染環(huán)境問題，使這類漿材的推廣應用受到較大的局限。 混合型漿材：包括聚合物水玻璃漿材、聚合物水泥漿材和水泥水玻璃漿材等幾

9、類。此類漿材包括了上述各類漿材的性質(zhì)，或用來降低漿材成本，或用來滿足單一材料不能實現(xiàn)的性能，尤其是水玻璃水泥漿材，由于具有成本低和速凝的特點，現(xiàn)以被廣泛用來加固軟土層和解決地基中的特殊問題。7.1.4 灌漿設計 (1) 設計程序和設計內(nèi)容 設計程序 a.地質(zhì)調(diào)查。查明場地工程地質(zhì)特性和水文地質(zhì)條件。 b.方案選擇。根據(jù)工程性質(zhì)、灌漿目的及地質(zhì)條件，初步選定灌漿方案。 c.灌漿試驗。除進行室內(nèi)灌漿試驗外，對較重要的工程，還應選擇有代表性的地段進行現(xiàn)場灌漿試驗，以便為確定灌漿技術(shù)參數(shù)及灌漿施工方法提供依據(jù)。 d.設計和計算。確定各項灌漿參數(shù)和技術(shù)措施。 e.補充和修改設計。在施工期間和竣工后的運營

10、過程中，根據(jù)觀測所得的異常情況，對原設計進行必要的調(diào)整。 設計內(nèi)容 a. 灌漿標準。通過灌漿要達到的效果和質(zhì)量指標。 b. 施工范圍。包括灌漿深度、長度和寬度。 c. 灌漿材料。包括漿材種類和漿液配方。 d. 漿液影響半徑。指漿液在設計壓力下所能達到的有效擴散距離。 e. 鉆孔布置。根據(jù)漿液影響半徑和灌漿體設計厚度，確定合理的孔距、排距、孔數(shù)和排數(shù)。 f. 灌漿壓力。規(guī)定不同地區(qū)和不同深度的允許最大灌漿壓力。 g. 灌漿效果評估。用各種方法和手段檢測灌漿效果。 (2) 水泥漿液灌注法 水泥漿液一般都采用普通硅酸鹽水泥為主劑，是一種懸濁液，它能形成強度較高和滲透性較小的結(jié)石。 灌漿標準： a.

11、防滲標準：。在砂或砂礫石地基中，防滲標準都采用滲透系數(shù)來控制。在巖石地基中，我國多采用單位吸水量來控制。 b.強度和變形標準c.施工控制標準：。 1) 在正常情況下注入理論耗漿量Q， 2) 按耗漿量降低率進行控制 漿材及配方設計原則 水泥品種應根據(jù)灌漿目的和環(huán)境水的侵蝕作用等設計確定，一般情況下，可采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。 水泥漿液存在的主要問題：析水性大、穩(wěn)定性差，水灰比越大，上述問題越突出。水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范（DL/T51482001）規(guī)定：水泥漿液水灰比不宜大于1。此外，純水泥漿凝結(jié)時間較長，受沖刷和稀釋。常在水泥中摻入各種附加劑，如表7-1所示。名 稱試 劑摻量占水

12、泥重（%）說 明速凝劑氯化鈣12加速凝結(jié)和硬化硅酸鈉0.53加速凝結(jié)鋁酸鈉緩凝劑木質(zhì)素磺酸鈣0.20.5亦增加流動性酒石酸0.10.5糖流動劑木質(zhì)素磺酸鈣0.20.3加氣劑去垢劑0.05產(chǎn)生空氣松香樹脂0.10.2產(chǎn)生約10%的空氣膨脹劑鋁粉0.0050.02約膨脹15%飽和鹽水3060約膨脹1%防析水劑纖維素0.20.3硫酸鋁約20產(chǎn)生空氣 漿液擴散半徑的確定 擴散半徑r是一個重要的參數(shù)，可按理論公式進行估算或參照當?shù)亟?jīng)驗或相關資料確定。 a.在現(xiàn)場進行試驗時，選擇不同特點的地基，用不同的灌漿方法，以求不同條件下的漿液的r值； b.所謂擴散半徑為符合設計要求的擴散距離； c.在確定擴散半徑時

13、，要選擇多數(shù)條件下可達到的數(shù)值，而不是取平均值； d.當有些地層因滲透性較小而不能達到r值時，可提高灌漿壓力或漿液的流動性，必要時還可在局部地區(qū)增加鉆孔以縮小孔距。 孔位布置: 灌漿孔的布置是根據(jù)漿液的注漿有效范圍，且應相互重迭，使被加固土體在平面和深度范圍內(nèi)連成一個整體的原則決定的。 a.單排孔的布置 設灌漿體的設計厚度為T，則灌漿孔距可按下式計算：lrrb 在按上式進行孔距設計時，可能出現(xiàn)以下幾種情況： 1)當l值接近零時，b值仍不能滿足設計厚度時（bT），應考慮采用多排灌漿孔； 2)雖單排孔能滿足設計要求，但若孔距太小，鉆孔數(shù)太多，就應進行兩排孔的方案比較； 3)當l值較大且設計T值也較

14、大時，對減少鉆孔數(shù)是有利的，但因l值越大，可能造成的漿液浪費量也很大，故設計時應對鉆孔費用和漿液費用進行比較，現(xiàn)以圖7-9來說明。 lLLTrrhhhhT為設計帷幕厚度，h為弓形長，每個灌漿孔的無效面積： b. 多排孔布置 多排孔的設計原則是要充分發(fā)揮灌漿孔的潛力，以獲得最大的灌漿體厚度，不允許出現(xiàn)兩排孔間的搭接不緊密的“窗口” ，也不要求搭接過多出現(xiàn)浪費。 (a)(b)(a) 孔排間搭接不緊密； (b) 搭接過多RmBmBmrb/2圖7-10 兩排孔設計圖 對于兩排孔：2) 三排孔：3) 五排孔： 奇數(shù)排：偶數(shù)排： 容許灌漿壓力的確定: 灌漿壓力是指不會使地表面產(chǎn)生變化和鄰近建筑物受到影響前

15、提下可能采用的最大壓力。 采用較高的灌漿壓力，在保證灌漿質(zhì)量的前提下，1使鉆孔數(shù)盡可能減少。2 能使一些微細孔隙張開，有助于提高可灌性。3 能在充填物中軟弱材料造成劈裂灌注，使軟弱材料的密度、強度和不透水性等得到改善。4高灌漿壓力還有助于擠出漿液中的多余水分，使?jié){液結(jié)石的強度提高。 但是，當灌漿壓力超過地層的壓重和強度時，將有可能導致地基及其上部結(jié)構(gòu)的破壞，因此，一般都以不使地層結(jié)構(gòu)破壞或僅發(fā)生局部的和少量的破壞，作為確定地基容許灌漿壓力的基本原則。 其它 a.灌漿量的確定:所需的漿液總用量Q可參照下式計算： b.注漿順序: 注漿順序必須采用適合于地基條件，現(xiàn)場環(huán)境及注漿目的的方法進行， 一般

16、不宜采用自注漿地帶某一端單向推進壓注方式。應按跳孔間隔注漿方式進行，以防止竄漿，提高注漿孔內(nèi)漿液的強度和與時俱增的約束性。對有地下水流動的特殊情況，應考慮漿液在動水流下的遷移效應，從水頭高的一端開始注漿。 對加固滲透系數(shù)相同的土層，首先應完成最上層封頂注漿，然后再按由下而上的原則進行注漿，以防漿液上冒。如土層的滲透系數(shù)隨深度而增大，則應自下而上進行注漿。 注漿時應采用先外圍，后內(nèi)部的注漿方法；若注漿范圍以外有邊界約束條件（能阻擋漿液流動的障礙物）時，也可采用自內(nèi)側(cè)開始順次往外側(cè)的注漿方法。 (3) 單液硅化法: 單液硅化法是指采用硅酸鈉溶液注入地基中，使土粒之間及其表面形成硅酸凝膠薄膜，增強了

17、土顆粒間的聯(lián)結(jié)，賦予土耐水性、穩(wěn)固性和不濕陷性，并提高土的抗壓強度和抗剪強度的地基處理方法。它適用于處理地下水位以上滲透系數(shù)為0.10-2.00m/d的濕陷性黃土地基。 單液硅化法按其灌注溶液的工藝，可分為壓力灌注和溶液自滲兩種 灌漿量的確定: 單液硅化法應由濃度為10%-15%的硅酸鈉（Na2OnSiO2）溶液，摻入2.5%氯化鈉組成。其相對密度為1.13-1.15，并不應小于1.10。 當硅酸鈉溶液的濃度大于加固濕陷性黃土所要求的濃度時，應將其加水稀釋，加水量可按式（7.26）估算： 孔位布置: 采用單液硅化法加固濕陷性黃土地基，灌注孔的布置應符合下列要求： a. 灌注孔的間距：壓力灌注宜

18、為0.8-1.2m，溶液自滲為0.40-0.60m； b. 加固擬建的設備基礎和建（構(gòu)）筑物的地基，應在基礎底面下按等邊三角形滿堂布置，超出基礎底面的寬度，每邊不得小于1m； c. 加固既有建（構(gòu)）筑物和設備基礎的地基，應沿基礎側(cè)向布置，每側(cè)不宜少于2排。 (4) 堿液法: 將加熱后的堿液（即氫氧化鈉溶液），以無壓自流方式注入土中，使土粒表面溶合膠結(jié)形成難溶于水的、具有高強度的鈣、鋁硅酸鹽絡合物，從而達到消除黃土濕陷性，提高地基承載力的地基處理方法。 當100g干土中可溶性和交換性鈣鎂離子含量大于10mgeq時，可采用單液法，即只灌注氫氧化鈉一種溶液加固；否則，應采用雙液法，即需采用氫氧化鈉溶

19、液和氯化鈣溶液輪番灌注加固。堿液法適用于處理地下水位以上滲透系數(shù)為0.10-2.00m/d的濕陷性黃土地基。對酸性土和已摻入瀝青、油脂及石油化合物的地基土，亦不宜采用堿液法。 加固深度: 加固深度應根據(jù)場地的濕陷類型、地基濕陷等級和濕陷黃土層厚度，并結(jié)合建筑物類別與濕陷事故的嚴重程度等綜合因素確定。加固深度宜為2-5m。對非自重濕陷性黃土地基，加固深度可為基礎寬度的1.5-2.0倍。對II級自重濕陷性黃土地基，加固深度可為基礎寬度的2.0-3.0倍。 加固土層厚度: 堿液加固地基的半徑r ，宜通過現(xiàn)場試驗確定。也可按下式估算： 灌漿量的確定:例7-1 某濕陷性黃土地基采用堿液法加固，已知灌注孔

20、長度10m，有效加固半徑0.4m，黃土天然孔隙率為50%，固體燒堿中NaOH含量為85%，要求配置堿液濃度100g/L，設充填系數(shù)=0.68，工作條件系數(shù)取1.1，試求每孔灌注固體燒堿量。解：每孔灌漿量的確定:每孔灌注固體燒堿量:7.1.5 施工方法（自學） 1.水泥漿液灌注法 自上而下分段灌漿程序示意圖(a)鉆進第1段 (b)第1段灌漿 (c)鉆進第2段 (d)第2段灌漿 (e)鉆進第3段 (f)第3段灌漿 (f) (e) (d) (c) (b) (a)灌漿塞 固結(jié)灌漿按分序加密原則，采用自上而下、孔內(nèi)循環(huán)法施工 1.水泥漿液灌注法 孔口封閉自上而下分段灌漿法施工程序示意圖(f)(e)(d)

21、(c)(b)(a)灌漿塞孔口封閉器56mm91mm56mm50cm50cm50cm(a)鉆進第1段 (b)第1段灌漿 (c)鉆進第2段 (d)第2段灌漿 (e)鉆進第3段 (f)第3段灌漿 帷幕灌漿按分序加密原則，采用孔口封閉自上而下、孔內(nèi)循環(huán)法施工 1.水泥漿液灌注法 灌漿施工方法分類 a. 花管灌漿法; b. 袖閥管法; c. 循環(huán)灌漿; d. 巖溶灌漿; 灌漿施工注意事項 2.單液硅化法 施工步驟 a. 壓力灌注溶液的施工步驟，應符合下列要求： b. 溶液自滲的施工步驟，應符合下列要求： 施工注意事項 a. 施工中應經(jīng)常檢查個灌注孔的加固深度，注入土中的溶液量、溶液的濃度和有無沉淀現(xiàn)象。

22、采用壓力灌注時，應經(jīng)常檢查在灌注溶液過程中，如發(fā)現(xiàn)溶液冒出地面，應立即停止灌注，采取有效措施后再繼續(xù)灌注。 b. 計算溶液量全部注入土中后，所有灌注孔宜用2:8灰土分層回填夯實。 c. 采用單液硅化法加固既有建（構(gòu)）筑物或設備基礎的地基時，在灌注硅酸鈉溶液過程中，應進行沉降觀測，當發(fā)現(xiàn)建（構(gòu)）筑物或設備基礎的沉降突然增大或出現(xiàn)異常情況時，應立即停止灌注溶液，待查明原因并采取有效措施處理后，再繼續(xù)灌注。3. 堿液法 成孔: 灌注孔可用洛陽鏟、螺旋鉆成孔或用帶有尖端的鋼管打入土中成孔，孔徑為60-110mm，孔中填入粒徑為20-40mm的石子，直到注液管下端標高處，再將內(nèi)徑20mm的注液管插入孔中，管底以上300mm高度內(nèi)填入粒徑為2-5mm的小石子，其上用2:8灰土分層回填夯實。 漿液配制: 堿液可用固體燒堿或液體燒堿配制，加固1m3黃土需要NaOH量約為干土質(zhì)量的3%，即35g-45g。堿液濃度不應低于90g/L，常用濃度為90-100g/L。雙液加固時，氯化鈣溶