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河海大学工程硕士学位论文 高压喷射注浆技术及其应用研究 工程硕士研究生姓名：陈春生指导教师：陈志坚教授工程领域：地质工程 摘要：高压喷射注浆技术具有适用范围广、施工简便、安全可靠、桩身强度大、材源广、成本低等特点， 广泛应用于建筑物地基加固、地基处理、防渗止水、边坡防护和治理、堤坝防渗等方面，在国内外得到推广 和应用。 在总结注浆技术在国内外的发展及应用的基础上，分析了注浆技术的分类及特点，并对高压喷射注浆法 的机理、类型、特点及其在岩土工程中的应用进行了详细的研究。 本文对高压喷射注浆技术的特点、主要施工工艺参数、注浆材料、适用地层范围、加同作用机理、加固 处理效果、关键技术参数及设计进行了详细的研究，对高压喷射注浆法的适用范围、施工参数的确定、质量 检验方法等具体施工过程进行了详细的阐述。针对高等级公路常见的路面裂缝问题，在深入分析路面裂缝产 生原因的基础上，阐述了单管高压旋喷在2 2 2 省道南徐路拓宽改造工程路面处理中的应用，该工程路面在路 基施工完成后，在k 3 + 5 5 0 及k 3 + 6 5 0 段附近路面出现纵向裂缝或横向裂缝，裂缝宽度约2 0 m m 。路面平均沉 降已达1 8 c m ，最大沉降人于3 0 c m ，并存在继续发展的趋势。工程通车运营一年多来，经单管高压旋喷处理 的路段路基稳定，加固效果显著，达到了预期目标，2 3 根高压旋喷桩距注浆中心2 0 0 m m 左右全程钻取的芯 样均完整致密，表明在2 0 m p a 的喷浆压力下进行软弱土层的旋喷施工，旋喷桩直径大于6 0 0 m m 。实践和研 究结果表明，单管高压旋喷施工机械轻便、施工工艺简单，在加固深部软弱地基二e 层时，如能正确采用施工 参数、优化施工顺序，即可有效控制对上覆土层的扰动和破坏。针对钻孔灌注桩常见的断桩问题，在全面比 较事故常见处理方案的基础上，阐述了高压旋喷技术在江苏北部一跨运河特大桥梁桩基础工程断桩处理中的 应用，该工程主桥墩基桩直径2 5 m ，有效桩长8 5 0 m ，在桩身混凝土灌注过程中，因意外事故导致断桩。在 深入分析事故原因的基础上，采用“高压旋喷切割+ 优质泥浆清孔+ 高强度等级水泥浆置换+ 灌注混凝土”的 处理方案后，经钻芯取样，芯样较完整，混凝土抗压强度平均值达到3 1 9 3 m p a ；经声波透射法检测，原断桩 部位各剖面的声学参数均为无异常，平均波速达4 1 5 0 m s ，达到i 类桩设计要求。 以上两个实例的成功实践，说明了高压喷射注浆技术良好的发展潜力和广阔的应用前景。 关键词：高压喷射注浆、高等级公路、断桩、地基加固、防渗止水 作者简介：陈春生，男，1 9 6 4 年生，1 9 8 7 年于成都地质学院地质学系毕业并获理学学士学位；2 0 0 4 年从 师于河海大学地质工程专业陈志坚教授，2 0 0 7 年3 月毕业并获工程硕士学位。 河海大学工程硕士学位论文 t h et e c h n i q u ea n dt h ea p p li c a t i o n o f h i g hj e tg r o u t i n g c a n d i d a t e ：c h e nc h u n s h e n ga d v i s o r ：p r o f c h e nz h i j i a n m e n g f i e l d ：g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g a b s t r a c t ：h i 【g h p r e s s u r ej e tg r o u t i n gt e c h n o l o g yh a sr e m a r k a b l ec h a r a c t e r so f 埘d er a n g ei ns c o p e , c o n v e n i e n tf o rc o n s t r u c t i o n ，s a f e t y ，h i g hp i l es h a f ts t r e n g t h ，a b u n d a n tm a t e r i a l ，l o w e rp r i c ee n ds oo n s oi ti s w i d e l ya p p l i e di nc o n s o l i d a t i o no fb u i l d i n gf o u n d a t i o n ，f o u n d a t i o nt r e a t m e n t ，a n t i - s e e p a g eo ri m p e r m e a b l e ， s t a b i l i t yo fs l o p e ，i m p e r m e a b l ed a m ，e t c i th a sb e e ns p r e a d e do v e rd i ew o r l d t h ep a p e ra n a l y z et h ec l a s s i f ya n dc h a r a c t e r so f i n j e c t i o ng r o u tt e c h n i q u e ，d e t a i l e dr e s e a r c ht h em e c h a n i s m ， t y p e ，c h a r a c t e ra n dt h ea p p l i c a t i o ni ng e o t e c h n i q u ei ns u m m a r i z i n gt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fg r o u t i n g t e c h n i q u eo f t h ew o r l d t h ep a p e rd e t a i l e ds t u d yt h ec h a r a c t e r s ，m a j o rc o n s t r u c tp r o c e s sp a r a m e t e r s ，s e r u mm a t e r i a l ，t h ea p p l i c a b i l i t y s t r a t u mr a n g e ，o p e r a t i o nm e c h a n i s mi nf o u n d a t i o nr e i n f o r c e ，t h ee f f e c ti nf o u n d a t i o nt r e a n n e n t ，k e yt e c h n i c a l p a r a m e t e r sa n dt h ed e s i g nc a l c u l a t e t h i sc h a p t e rd e s c r i b e st h ed e t a i l e dc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，s u c ht h ea s a p p l i c a b i l i t ys t r a t u mr a n g e ，d e t e r m i n a t i o no fc o n s t r u c tp a r a m e t e r s ，q u a l i t yi n s p e c t i o n i nv i e wo ft h ef i r s t c l a s s h i g h w a yc o m m o ns u r f a c ec r a c kq u e s t i o n ，t h r o u g ha n a l y s i st h es u r f a c ec r a c kr e a s o n ，t h ep a p e re l a b o r a t e dt h e a p p l i c a t i o no ft h es o l ep i p e l i n eh i g hp r e s s u r eg r o u t i n gi nt h et r a n s f o r m a t i o np r o j e c tw i t hs u r f a c eo f2 2 2 p r o v i n c i a l n e n x ur o a d s ，a f t e rt h er o a d b e dc o n s t r u c t i o n ，t h er o a ds u r f a c ea p p e a r st h el o n g i t u d i n a lc r a c ko rt h et r e n s v e r s e c r a c kn e a r b yt h ei ( 3 + 5 5 0a n dt h ek 3 + 6 5 0s e c t i o n ，c r a c ko p e n i n g2 0 m m ，t h er o a ds u r f a c ea v e r a g es u b s i d e n c eh a s a p p r o x i m a t e l yr e a c h e d18 c m ，t h eb i g g e s ts u b s i d e n c ei sb i g g e rt h e n3 0 c m ，e n de x i s t st h et e n d e n c yw h i c hc o n t i n u e s t od e v e l o p f o rm o r et h a na nt r a f f i co p e r a t i o ny e a r ，t h er o a ds e c t i o nr o a d b e ds t a b l ya f t e rt h es o l ep i p e l i n eh i g h p r e s s u r es p a sp r o c e s s i n g ，t h er e i n f o r c e de 髓c ti sr e m a r k a b l e ，a n da c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e dt a r g e t ，t h ed r i l l e dc o f e s a m p l eo f2 3h i g hp r e s s u r ep i l e sf r o mt h ec e n t e r2 0 0 m ma r ea l li n t e g r i t ya n dc o m p a c t ，w h i c hi n d i c a t e dt h a t g r o u t i n gu n d e rt h ep r e s s u r eo f2 0 m p as p u r t st h ew e a ks o i ll a y e r ，t h ep i l ed i a m e t e ri sb i g g e rt h a n6 0 0 m m t h e p r a c t i c ea n dt h er e s e a r c hi n d i c a t e dt h a t ，t h es o l ep i p e l i n eh i g hp r e s s u r eg r o u t i n gh a v et h ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y f a c i l e l y ，t h ec o n s t r u c t i o nc r a f ti ss i m p l e ，i nt h ed e p t hp o r t i o nw e a kf o u n d a t i o ns o i lr e i n f o r c e m e n t ，i fc o r r e c t l yu s e d t h ec o n s t r u c t i o np a r a m e t e r ，t h eo p t i m i z e dc o n s t r u c t i o no r d e r ，i tw o u l dc o n t r o l l e de f f e c t i v e l yt h ec o v e r e ds o i ll a y e r n o tt ob ep e r t u r b a t i o na n dd e s t r u c t i o n i nv i e wo fc o m m o nb r o k e np i l eq u e s t i o no ft h ed r i l lh o l ep o u r sp i l e ，w i t ht h ec o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o no f c o m m o na c c i d e n tp r o c e s s i n g ，t h ep a p e re l a b o r a t e dt h ea p p l i c a t i o no ft h eh i g hp r e s s u r eg r o u t i n gt e c h n o l o g yo n b r o k e np i l ep r o c e s s i n gi nal a r g eb r i d g ep i l ef o u n d a t i o np r o j e c to f n o r t hj i e n g s u ，i nt h ep r o j e c tt h eh o s tb r i d g ep i e r p i l e sd i a m e t e ri s2 5 m ，e f f e c t i v ep i l el o n gi s8 5 0 m ，i np r o c e s so fp o u r i n gc o n c r e t e ，a l la c c i d e n tc a u s e db r o k e n p i l e b yt h et h o r o u g ha n a l y s i sa c c i d e n tf a c t o r , w ea p p l i e dt h ep r o c e s s i n gp l a no f ”h i g hp r e s s u r es p u r t sc u t t i n g + p r e m i u mm u dc l e a rh o l e + h i g hs t r e n g t hc e m e n tm o r t a rr e p l a c e m e n t + p o u r i n gc o n c r e t e ”，a sar e s u l t ，t h ed r i l l e d c o r es a m p l ei sc o m p l e t e t h ec o n c r e t ec o m p r e s s i v es t r e n g t hv a l u ea c h i e v e s31 9 3 m p a ；a f t e rt h es o u n dw a v e t r a n s m i s s i o ne x a m i n a t i o n ，t h ea c o u s t i c sp a r a m e t e ri nt h eb r o k e ns p o to f v a r i o u ss e c t i o nh a v e n te x c e p t i o n a l l y , t h e a v e r a g e w a v e v e l o c i t yr e a c h e s 4 1 5 0 r r d s ，m e e t s i k i n do f p i l e d e s i g nr e q u i r e m e n t s 河海大学工程硕士学位论文 t h es u c c e s s p r a c t i c eo fa b o v et w oe x a m p l e s ，s h o w e dt h eh i g h - p r e s s u r ej e tg r o u t i n gt e c h n o l o g yg o o d d e v e l o p m e n tp o t e n t i a la n dt h eb r o a da p p h c a f i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：h i g hp r e s s u r ej e tg r o u t i n g ，t h ef i r s t - c l a s sh i g h w a y , b r o k e np i l e ，f o u n d a t i o nr e i n f o r c e ，a n t i - s e e p a g eo ri m p e r m e a b l e i n t r o d u c t i o no f t h ea u t h o r ：c h c nc h u n - s h e n g ，w a sb o mo ns e p t e m b e r1 6 1 9 6 4 u n d e rt h eg u i d a n c eo f p r o f c h e nz h i - j i a n h ew a sa w a r d e dt h em a s t e r sd e g r e eo f e n g i n e e r i n ga th o h a iu n i v e r s i t yo nm a r c h3 02 0 0 7 n o w ，h ec o n t i n u e sh i sr e s e a r c hw o r k si nt h ef i e l do f g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g ， 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果。与我一同工作过的同事对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 矽刁年j 月以日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容 的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) 半赴 剜庐) 月“日 河海大学工程硕士论文高压喷射注浆技术及其应用研究 1 、绪论 1 1 注浆技术概述 注浆( t n j e e t i o ng r o u t g r o u t i n g ) ，是将具有特定性质的材料或用其配制成的浆液， 以一定的压力注入地基岩土体内使其渗透、充填或置换，经胶凝或固化后改善地基的物 理力学性质，达到加固、防渗、堵漏等目的。 注浆技术来源于岩土工程施工实践，因其施工简便、成本低、见效快、适用范围广 等优势，目前已成为岩土工程学的一个重要分支，甚至有人提出了“岩土注浆工程学”【l 】 的概念来加强其研究。注浆技术涉及物理、化学、流体力学、工程地质学、水文地质 学、土力学、岩石力学、材料力学、工程机械学、勘探地球物理学等学科，与液压技 术、泵技术、射流技术、电子技术息息相关。注浆技术理论研究仍欠成熟，注浆工程设 计目前主要以工程试验及经验参数为依据，尚处于半理论、半经验状态。注浆技术现已 广泛应用于土建、市政工程、水利电力、交通能源、隧道、地下铁路、矿井、地下建筑 等领域，产生了良好的经济效益和社会效益。 1 2 注浆技术的历史和现状 1 8 0 2 年法国人查理斯贝里格尼( c h a r l e sb e r i g n y ) 用冲击简装置，采用人工锤击方法 向地层中挤压粘土浆液，被视为注浆的开始。注浆技术因其良好的地基加固效果，相继 传入英国、埃及等许多国家，得到不断发展。 1 8 2 6 年英国人阿斯普丁硅酸盐水泥的发明和1 9 0 5 年美国人注浆泵的研制及不断改 进，为注浆技术的应用创造了条件。在法国北部和秘鲁煤矿涌水量大的立并施工中，使 用硅酸盐水泥进行注浆试验，注浆材料的配方、注浆泵和注浆工艺得到了许多改进，为 现代岩层注浆技术奠定了基础。 1 9 2 0 年，荷兰采矿工程师尤斯登( b j j o o s t e n ) 首次采用水玻璃、氯化钙双液双系统 的注浆方式，被认为是应用化学注浆技术的开始。1 8 8 7 年德国人切撒尔斯基( j e z i o s k y ) 利用一个钻孔注水玻璃、相邻孔注氯化钙，开创了原始的硅化法。从化学注浆开始到1 9 世纪4 0 年代，注浆材料主要以水玻璃注浆为主，且在欧美各国广泛应用。 随着化学注浆的出现和发展，注浆理论和工艺相继产生。1 9 3 8 年马格发表了在颗粒 材料中注浆的简化理论，随后又出现了柱状渗透理论，注浆工艺得到不断的革新。 随着注浆技术的广泛应用和深入研究，逐步形成渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆和 复合注浆等理论和工艺，注浆设备和观测仪器也在不断的更新换代，注浆材料从最早的 第一章绪论 石灰和粘土、水泥，发展到水泥一水玻璃浆液、各种化学浆液，注浆方法也从最初 简单的填压式注浆法发展到循环式注浆法、双管注浆法、袖阀管注浆法及电渗注浆法、 高压喷射注浆法等。 1 9 6 0 年日本在中西涉博士发明了单管高压旋喷注浆法( c o p 工法) 以后，又相继开 发了二重管高压旋喷注浆法( j g s 工法) 、三重管高压旋喷注浆法( g j g 工法) ，他们在 三重管高压旋喷注浆法的基础上，开发的s s s m a n 施工法( s u p e rs o i ls t a b i l i z a t i o n m a n a g e r n e l l t ) 和r j p ( 超高压旋喷注浆法，r o d i nj e tp i l e ) 工法，旋喷直径最大可达 4 m ，其研究的全方位高压旋喷注浆法( m j s 工法) ，是一种全方位( 水平和倾斜方向) 大孑l 径旋摆喷技术，该技术包括喷头测试装置和排泥处理装置。近年来，日本又把高压 喷射注浆法与深层水泥浆液搅拌法结合起来，同时发挥机械搅拌和射流搅拌两者的优 点，形成了深层喷射搅拌混合法。 高压喷射注浆技术的发明，完善了注浆技术体系，使施工注浆结构体成为现实。低 压的渗透注浆可使土体不变形、浆液充填土颗粒间孔隙、附加地应力较小，中压的压密 注浆造成土体变形、浆液与土体共同形成似柱状固结体、附加地应力较大，较高压的劈 裂注浆能够破坏土体、产生树状固结体、附加地应力较大，而高压喷射注浆利用高压将 土体切割后部分获全部排出、浆液在切割范围内均匀搅拌或置换形成高强度的结构体、 附加地应力小，注浆技术成为较完整的技术体系。高压喷射注浆技术的发展促进了注浆 材料的发展，使成本低廉的水泥浆材逐步替代化学浆材，进一步减小了对环境的污染和 降低工程造价。 我国注浆技术起步较晚但发展迅速，上世纪5 0 年代开始初步掌握注浆技术，6 0 年代 开始在继水电行业进行坝基基础注浆，静压注浆法在许多行业的矿山井巷、软基加固、 边坡治理等领域得到应用，7 0 年代末在铁路行业开始进行高压喷射注浆法的研究和应 用，随后在冶金、煤炭、水电、建筑、交通等各部门进行了大量的工程应用。历经四十 余年的发展，我国注浆技术得到了成熟的进步，注浆材料和注浆设备均实现了自行研制 和生产，注浆技术水平已可跻身国际先进行列。 1 3 高压喷射注浆技术类型及特点 高压喷射注浆法以压力较高( 2 0 m p a 7 0 m p a ) 为其特点，流体在喷嘴外呈射流状。 根据喷射管类型将高压喷射注浆分为单管法、二重管法、三重管法和多重管法等( 如表 1 1 所示) 【2 1 。按喷射方式分为旋喷( 提升旋转喷浆) 、摆喷( 提升摆动喷浆) 和定喷 河海大学工程硕士论文- 高压喷射注浆技术及其应用研究 ( 提升定向喷浆) 三种，如图1 1 所示。按持续时问又可分为复喷( 重复喷射) 和驻喷 ( 只摆动不提升) 。 表1 1 高压喷射注浆法分类表 分类依据类别主要特点 喷射流 旋喷固结体为圆柱状 定喷 固结体为板壁状 移动轨迹 摆喷固结体为扇状 单管 喷射高压水泥浆一种介质 注二重管 喷射高压水泥浆液与气流复合喷射流或喷射高压水流和灌注水泥 浆 浆等两种介质 管 三重管 喷射高压水与气流复合喷射流及灌注低压水泥浆，或喷射高压水 类 与气流复合喷射流及喷射高压水泥浆与气流复合喷射流等三种介质 型 多重管 喷射高压水流并泥水抽出形成空洞后以浆液、混凝土等物质填充 喷射高压水、高压水泥浆与气流的复合喷射流以及灌注速凝剂等 多孔管 四种介质 喷射注浆高压喷射流束进行注浆固结 固结方式 搅拌喷射注浆固结体中心为搅拌固结，外侧为高压喷射注浆固结 置换部分细小土粒带出地面，其余土粒与浆液混合固结 置换程度 全置换土粒全部或绝大部分抽出地面，形成空洞以浆液等材料填充 图1 1 高压喷射注浆的三种形式 1 3 1 单管法 单管法( 如图1 2 所示) 利用高压泵等装置，以2 0 m p a 左右的压力，将浆液从喷嘴 中喷射出去，冲击破坏土体，同时借助注浆管的提升和旋转，使浆液与从土体上崩落下 来的土混合搅拌，经过一定时间的凝固，在土中形成圆柱状的固结体，日本称为c c p 工 法( c h e m i c a lc h u r n i n gp i l e ) 。单管法施工的固结体直径较小，一般桩径为o 4 m 1 4 m ， 单桩垂直极限荷载5 0 0 6 0 0 k n 。 第一章绪论 图1 2 单管旋喷注浆示意图 1 3 2 二重管法 二重管法( 如图1 3 所示) 即日本的j s g 工法( j u m b os p e c i a lp i l e ) ，利用双管同时 输送两种介质，通过在管底部侧面的一个同轴双重喷嘴，同时喷射高压浆液( 2 0 m p a 左 右) 和空气( o 7 m p a 左右) 两种介质喷射流冲击破坏土体。固结体的直径比单管法有明 显增加，一般桩径为o 5 m 1 9 m ，单桩垂直极限荷载1 0 0 0 1 2 0 0 k n 。 图1 3 二管旋喷注浆示意图 当采用水为介质切割土体时，可克服单管法浆液粘度大、切割能力弱和高压喷嘴磨 损易堵得缺点。长沙矿山研究院研制的单管分喷法，采用2 0 m p a 3 0 m p a 的高压水切割 4 河海大学工程硕士论文高压喷射注浆技术及其应用研究 土体，然后下注浆管用5 0 m p a 6 0 m p a 中压注浆，除可达到水浆二管法效果外，还有返 浆量少节省浆材的优点。 1 3 3 三重管法 三重管法( 如图1 4 所示) 使用分别输送水、气、浆三种介质的三管( 三重管或并行 管) ，在压力2 0 m p a 5 0 m p a 的高压或超高压水射流的周围环绕0 7 m p a 左右的圆筒状气 流，利用高压水气同轴喷射流冲切土体，另由泥浆泵注入压力为2 m p a 5 m p a 的浆液充 填。当采用不同的喷射方式时，可形成各种形状的凝固体。该法日本称为c j p 工法 ( c o l u m uj e tp i l e ) 。固结体的直径旋喷一般达o 9 m 2 5 m ，定喷有效长度可达1 o l t l 2 5 m ，单桩垂直极限荷载2 0 0 0 k n 。 日本的r i p 工法，分别采用水气、浆气两次切割，可形成直径2 o m 3 2 m 的旋喷 桩。s u p e rj e t 工法在3 0 m p a 的压力下，采用大流量( 6 0 0 l m i n ) 浆液喷射，成桩直径达 到5 0 m 。 图1 4 三管旋喷注浆示意图 1 3 4 多重管法 多重管法( 如图1 5 所示，日本称之为s s s - - m a n 法) 采用逐渐向上运动、并同时 摆动的超高压力水射流( 约4 0 m p a ) 切削破坏四周土体，经高压水冲击下来的土随泥浆 立即用真空泵从多重管内抽出地面。反复冲击土体和抽取泥浆，最后在地层中形成较大 的空间，装在喷嘴附近的超声波传感器及时测出空间直径和形状，最后根据工程要求选 第一章绪论 用浆液、砂浆、砾石等材料充填。固结体的直径旋喷一般达2 0 m 4 o m ，该法在砂性土 层中形成的柱状固结体最大直径可达4 o m 。 由日本中西涉等人研制的m j s 工法，还可进行全方位喷射注浆，并在孔内监测和废 浆处理方面进行了革新，在实现更大直径固结体的同时，有效防止地面隆起，且更加智 能和环保。 置 飞。 | 剑名匕辫；剖趋 孔口管一 l 高压水泵真至泵 l 重钻杆 i 射水喷嘴厂一一 。臣燮圈 图1 5 多管旋喷注浆示意图 1 4 高压喷射注浆法的适用范围 高压喷射注浆技术将水力采煤技术与注浆技术结合起来，用水或浆切割土层形成空 穴再将浆液与土层搅拌固结成形，克服了软土注浆难以控制的不足。 高压喷射注浆法加固地基时，浆液在喷切割土体极限范围之内固结，浆液可控性 好，不易流失到加固区域之外，以置换土体方式固结，固结体强度高。 1 4 1 适用土质条件 高压喷射注浆法主要适用于处理淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、黄土、砂土、人 工填土和碎石土等地基。高压喷射加固软弱土层效果较好，但对土中含有较多的大粒径 块石、坚硬粘性土、卵砾石、大量植物根茎或有较多的有机质地层，喷射质量稍差，应 根据现场试验结果确定其适用程度。 对地下水流速过大，浆液无法在注浆管周围凝固的情况，对无填充物的岩溶地段、 永冻土以及对水泥有严重腐蚀的地基，则不宜采用高压喷射注浆。 河海大学工程硕士论文- 高压喷射注浆技术及其应用研究 1 4 2 工程使用范围 高压喷射注浆法可进行地基加固和基础防渗，已有文献根据用途，分为七类工程二 十个方面，如表1 2 和图1 6 图1 1 4 所示。 表1 2 高压喷射注浆法适用工程种类一览表 1 提高地基承载力 2 整治局部地表下沉 一、增加地基强度 3 桩基础 4 应力扩散 高 5 保护邻近建筑物 二、挡土围堰及地下6 地下工程建设 压 1 二程建设 7 市政排水管道工程 喷 8 防止基坑底部隆起 射 三、增大土的摩擦力及9 防止小型塌方滑坡 注粘聚力 1 0 锚固基础 浆 1 1 减小设备基础振动 四、减小振动防止液化 加 l2 防止砂土液化 l3 整治路基翻浆冒泥 固 五、降低土的含水量 l4 防止地基冻胀 土 l5 水库坝基防渗 体 l6 矿山井巷帷幕 六、防渗帷幕 17 防止管道漏气 18 地下连续墙的补缺 1 9 防止涌砂冒水 七、防止洪水冲刷 20 防止桥渡、河堤及水工建筑物基础的冲刷 蜃 斟 蜘黼蛳 一 图1 6 保护临近建筑物图1 7 保护地下工程建设 第一章绪论 图1 8 防 一 一e 图1 9 防止小型塌方滑坡图1 1 0 坝基防渗 万7 刀7 万7 7 万_ 7 7 7 7 7 篇r 川 1 ( j f = j 图1 _ 1 1 井筒帷幕 7 7 7 飞7 7 7 刀7 瑁? ，刀? 7 唧7 7 7 7 7 习7 7 7 7 乃j r 7 7 7 乃 户刁芷 f 1 1f 斗f ! l | l l jl jul jl j 图1 1 2 公路路基加固 河海大学工程硕士论文高压喷射注浆技术及其应用研究 图1 1 3 钢筋混凝土桩断桩连接图1 1 4 基坑止水防涌砂 1 5 高压喷射注浆法应用前景 高压喷射注浆技术首创于日本，并得到较快发展，目前在口本形成的主要特点为： 施工压力已达4 0 m p a 以上，并细分成高压与超高压两种工法：高压施工深度可达2 5 m ， 超高压达4 0 m ：加固体最大直径可大于2 m ，且达到稳定的强度参数。 我国于t 9 7 5 年将高压喷射技术正式用于工程建设，现在已在全国进行了推广应用， 并在长江三峡、东风电站等大型水利工程发挥效能。 重庆奉节库岸防护旋喷技术示范工程，采用高压旋喷注浆技术对松散堆积体进行了 原位改性试验口 。研究表明，高压旋喷注浆对崩积体地层进行改性后，岩土体工程力学性 能有较大提高，旋喷固结体强度平均值1 9 9 m p a ，远远高于岩土体强度，随工艺技术调 整，强度还能有较大提高。旋喷固结体采用纯水泥浆，具有稳定的加固效果并有较好的 耐久、耐侵蚀性能；声波测试显示灌浆孔周围动弹模量有明显提高。利用巾7 5 m m 钻孔， 便可旋喷出直径为中6 5 0 中7 5 0 m m 直径的旋喷固结体，施工简便。旋喷固结体具有透水 透气性差等特点，具有一定的防渗能力。 三峡二期围堰的主要技术关键在于防渗墙施工。围堰堰基存在淤砂、砂砾石和残积 块球体等覆盖层，基岩以前震旦系闪云斜长花岗岩为主，局部有花岗岩脉、辉绿岩脉穿 插，基础地质条件复杂，生产性试验中通过单桩试验以了解不同高喷参数情况下旋喷桩 直径和形态。试验采用二管法和新三管两种高喷新工艺，新三管法是以水气浆为介质的 喷射方法，系在老三管法的基础上，改低压注浆为高压射浆，形成高能介质高压喷射的 新工艺( 又称r j p 工法) 。高压旋喷灌浆生产性试验确定了适应三峡工程二期围堰特定 地质条件下的旌工参数，所形成的高压旋喷墙体渗透系数i 1 0 c m s 。参加生产性试验成 果评审的专家认为：三峡工程高压旋喷灌浆试验规模大，施工设备及工法先进，试验项 9 第一章绪论 目及获取的成果多，在国内处于领先水平。不仅为三峡二期围堰工程防渗体采取高压旋 喷成墙取得了经验，亦为我国在复杂地层中采用高压旋喷技术进行防渗处理积累了宝贵 经验，使我国高压旋喷技术迈上了一个新台阶5 1 。 江苏地质基桩工程公司也在大量注浆施工实践和试验的基础上，先后编制了单管法 和三重管旋喷省级工法，喷射注浆技术水平得到了进一步发展。 由于高压喷射技术的实用性，能解决许多棘手的工程问题，理论研究发展较快、施 工设备及应用领域等方面均得到不断发展、完善和拓展。特别是在大颗粒地层动水条件 下的高喷注浆防渗技术和淤泥地层中的高喷注浆加固技术等方面均有了新的突破，我国 不论是施工规模还是施工深度方面均已走在世界前列。 随着技术理论的发展，施工技术和设备的完善，高压喷射注浆法的应用领域和效能 必将不断拓宽和提高，应用前景广阔。 1 6 本文研究的主要内容 高压喷射注浆法起步较晚，处理理论和技术尚欠成熟，但因其处理方法经济简便、 适用范围广、处理效果可靠等优点，得到国内外岩土界的重视，发展迅速。本文研究的 主要内容为： ( 1 ) 收集整理现有高压喷射注浆法现状、理论及应用成果资料，掌握该技术的应用发 展状况。 ( 2 ) 通过对现有高压喷射注浆理论和方法综合理解、分析和研究，结合作者应用高压 喷射注浆法的施工实践和体会，从工艺机理、方法特点、关键技术参数确定等方面研究 高压喷射注浆法的技术特点及其适用性。 ( 3 ) 对取得良好应用效果的高等级公路路基病害及钢筋混凝土灌注桩断桩事故处理的 拓展应用的成果实例进行概括和提升。 ( 4 ) 通过两个新型应用领域的拓展实例，为高压喷射注浆法的优势和应用、发展前景 提供佐证，以期引起行业内的进一步重视，促进岩土施工理论和技术的发展。 0 河海大学工程硕士论文高压喷射注浆技术及其应用研究 2 、高压喷射注浆法加固机理 高压喷射注浆法利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后，以高压设 各将浆液或水以2 0 m p a 4 0 m p a 的高压从喷嘴中喷射出来，冲击破坏土体。当能量大、 速度快和脉动状的喷射流的动压超过土体结构强度时，土颗粒便从土体剥落下来，一部 分细小的土粒随着浆液冒出水面，其余土粒在喷射流的冲击力、离心力和重力等作用 下，与浆液搅拌混合，按一定的浆土比例和质量大小有规律地重先排列。浆液凝固后， 便在土中形成固结体。 2 1 高压喷射注浆法的特征 高压喷射注浆比一般的灌浆方法更易实现有效的控制，其实用性强，所包含的各种 工法各具特点，可根据工程要求和地质条件选用。因喷射流的高压能量大、速度快，几 乎对各种土质的地层均能产生巨大的冲击破碎和搅拌作用，使灌入的浆液和土拌合均匀 并凝固为新的凝固体。与其它工法相比，高压喷射注浆法具有其独特的优点。 ( 1 ) 适用范围广。高压喷射注浆法适用于软土、粘性土、黄土、砂类土、砂砾卵石 层等地层，除能强化地基外，还有防水止渗的作用，并可作水平、倾斜和垂直喷射，能 适用于各种土质条件下不同目的的固结处理工程。高压喷射注浆法适用于永久性工程， 可与其它工法配合使用，简化工程设计，改善工程整体施工效果。就我公司所承担的高 压喷射注浆工程的施工情况，处理地层类型包括淤泥、淤泥质土、泥炭层、粘性土、砂 类土、湿陷性黄土、砾石层等，处理领域涵盖坝基加固防渗、建筑物纠偏托换、软基加 固、基坑防渗、工程桩事故处理等多行业的多个领域，均达到满意的处理效果。 ( 2 ) 施工简便。高压喷射注浆设各简单，全套设备结构紧凑、体积较小、操作简 单，可在狭窄和低矮的空间内施工，且施工安全。施工时仅需在土层钻直径5 0 m m 3 0 0 m m 的小孔，便可进行注浆作业，形成比孔径大8 1 0 倍的大直径固结体，并可根据 工程需要，控制加固范围。 ( 3 ) 可控制固结体的形状。施工中可调整喷射速度、旋转角度和提升速度、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。随喷射参数的 不同，固结体形状有均匀圆柱状、非均匀圆柱状、圆盘状、板墙状及扇形等( 如图2 1 图2 4 所示) 【6 【7 1 。 ( 4 ) 浆材来源广、性能好。喷射浆材以价格低廉、无公害、耐久性好的水泥为主， 可根据工程需要和应用环境，在水泥浆液中掺加适量的外加剂( 速凝剂、早强剂、膨胀 第二章高压喷射注浆法加固机理 剂、抗冻剂等) 和添加剂( 粉煤灰等) ，从而提高注浆体性能、扩展适用范围、改 善施工缺陷、降低施工成本等。 ( 5 ) 桩身强度高。据冶金： 业部建筑研究院所作的高压旋喷法加固图强度的本构关 系研究报告，旋喷桩水泥土容重比土层的容重低，而强度比原地基土提高很大。高压旋 喷桩有较高的强度，因而有较大的承载力，具有桩基功能，既可用于工程新建之前，也 可进行已建建( 构) 筑物的加固。旋喷桩在粘性土中强度可达3 m p a 5 m p a ，粉土中可 达5 m p a 8 m p a ，砂土中可达8 m p a 2 0 m p a 。由于桩身强度高，单桩承载力大，可较大 幅度地提高地基承载力，用于中高层建筑地基处理或荷载较大的柱下基础的地基处理， 具有质量可靠、施工速度快等优点。 ( 6 ) 固结体渗透系数小。固结体内孔隙不贯通，且外有一层较致密的硬壳，其渗透 系数达1 0 c m s 6 c m s 或更小，故具有一定的防渗性能。 ( 7 ) 固结体直径较大。对粘性土地基加固，单管旋喷注浆加固体直径一般为o 3 m o 8 m ；三重管旋喷注浆加固体直径可达o 7 m 1 8 m ：二重管旋喷注浆加固体直径介于两 者之间。多重管旋喷注浆加固体直径可达2 0 m 4 o m 。定喷和摆喷的有效长度约为旋喷 桩直径的1 0 1 5 倍。 啪夕芍蔑斧 卜 2 乇臼e _ 唾- 啦6 _ e 卜睡t 31 9 矽 卜 8 图2 1 定喷帷幕型式示意图 1 单嘴单墙首尾连接；2 双喷嘴单墙前后对接；3 双喷嘴夹角单墙连接；4 双喷嘴双墙折线连接； 5 双喷嘴夹角单墙连接；6 单喷嘴扇形单墙首尾连接；7 双喷嘴扇形单墙前后对接；8 双喷嘴扇形单墙折线连接 河海大学工程硕士论文高压喷射注浆技术及其应用研究 直喷型 ( 摆喷) 折摆型 爪 衫乒漆 微摆型1 ，- 。9 ，- e l 摆定型：三：，峙蜀 柱墙型一一 三三e 书一柱列型一三筒 图2 2 摆喷防渗帷幕型式示意图 a d g ( a ) 旋喷孔位基本配置( 用于地基加固) ( b ) 旋喷孔位基本配置( 用于地基加固和防渗帷幕) ( c ) 单扇摆喷孔位基本配置( 用于防渗帷幕) ( d ) 双扇摆喷孔位基本配置( 用于防渗帷幕) 第二章高压喷射注浆法加固机理 l 广，h ， ( e ) 一字定喷孔位基本配置( 用于防渗帷幕) ( f ) 菱形定喷孔位基本配置( 用于防渗帷幕) ( g ) 折线定喷孔位基本配置( 用于肪渗帷慕) ，7 二三二= 过，、么乡二二屯厂= 迭。 ( h ) v 字型定喷孔位基本配置( 用于防渗帷幕) 图2 3 高压喷射注浆加固地基及防渗幕墙形式图 旋喷桩 注桩 ( a ) 旋喷孔位基本配置示意图( 与灌注桩或混凝土桩组合) 4 河海大学工程硕士论文高压喷射注浆技术及其应用研究 ( b ) 定喷孔位基本配置示意图( 与灌注桩或混凝土桩组合) 桩 灌注桩 ( c ) t 型摆喷孔位基本配置示意图( 与灌注桩或混凝土桩组合) ( d ) 旋喷孔位基本配置示意图( 与钢板桩组合) 地下连续墙缝 ( e ) 旋喷孔位基本配置示意图( 与地下连续墙组合) 灌注桩 ( f ) 旋喷孔位基本配置示意图( 与连续排桩组合) 图2 4 高压喷射注浆组合式防渗幕墙形式图 第二章高压喷射注浆法加固机理 ( 8 ) 环保效果好。高压喷射注浆工艺施工机具振动