（水利工程专业论文）高压喷射灌浆技术在公路防渗处理工程的应用研究.pdf

刘峰夫高压喷射灌浆技术在公路防渗处理工程的应用研究 摘要 高压喷射灌浆技术最早是由日本于2 0 世纪6 0 年代末期创造出来的一 种地基处理的施工方法。该技术从2 0 世纪7 0 年代初期引进我国至今已经三 十多年，开始主要用于加固软土地基，到了2 0 世纪8 0 年代后开始用于基础 防渗。期后，高压喷射灌浆技术在国内外得到迅速发展，尤其是在国内水利 工程的防渗方面。高压喷射灌浆技术在交通特别是公路交通方面应用还十分 罕见。 我国高等级公路建设突飞猛进，自1 9 8 8 年中国开始建设高速公路以来， 中国高速公路建设向世界前列高速发展。至2 0 0 8 年我国高速公路通车总里 程已达到6 0 3 万公里居世界第二。在局部已建或拟建的高等级公路路基地势 低洼段，因地质原因常年存在着地下水渗出路面，在冬季路面结冰造成行车 安全隐患的现象，防渗处理显得十分重要。本文的研究为今后高压喷射灌浆 技术在其它防渗工程的应用提供参考经验。本文主要研究内容如下： ( 1 ) 研究高压喷射灌浆技术的基本原理，包括流体力学特征、作用机 理。阐述了高压喷射灌浆防渗凝结体的形成机理、影响因素、防渗性能和连 接。 ( 2 ) 研究高压喷射灌浆技术防渗设计的设计程序、设计思想以及技术 防渗处理设计。 ( 3 ) 研究高压喷射灌浆施工的施工准备、施工设备、施工程序、施工 工艺、施工要点以及施工检测。 ( 4 ) 研究高压喷射在公路防渗处理中的应用，例举工程的基本情况及 存在的路面长期渗流等问题，通过现状分析及理论计算得出造成渗流的原 h 刘峰夫高压喷射灌浆技术在公路防渗处理工程的应用研究 因。结合工程实际中遇到的问题，对工程实例防渗处理进行施工工艺、平面 布置、技术要求等方面的设计，并进行了工程实施后的防渗效果验算。 关键词：高压喷射灌浆，公路防渗处理，应用 刘峰夫高压喷射灌浆技术在公路防渗处理- 丁程的应用研究 1 1 1 a b s t r a c t h i g hp r e s s u r ej e tg r o u t i n gt e c h n i q u ew a saf i r s tc o n s t r u c t i o nm e t h o do f f o u n d a t i o nt r e a t m e n tc r e a t e db yj a p a ni n19 6 0 s i ti sm o r et h a nt h i r t yy e a r st h a t i n t r o d u c e dt oc h i n ai ne a r l y19 7 0 s i tw a sm a i n l yu s e df o rs t r e n g t h e n i n gs o f ts o i l f o u n d a t i o n a f t e rt h e19 8 0 s ，i tb e g a nt ob eu s e dt of o u n d a t i o ns e e p a g ec o n t r 0 1 t h eh i g hp r e s s u r ej e tg r o u t i n gt e c h n o l o g yw a sr a p i d l yd e v e l o p e da th o m ea n d a b r o a d ，e s p e c i a l l y i nt h e a n t i s e e p a g e o f w a t e rp r o j e c t si nc h i n a , b u 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 yi sv e r yr a r e l y u s e di n t r a n s p o r t a t i o n ， e s p e c i a l l yi nh i g h w a yt r a n s p o r t a t i o n h i g h l e v e lh i g h w a yc o n s t r u c t i o nh a sb e e nd e v e l o p e db yl e a p sa n db o u n d s i nc h i n a 。c h i n a sh i g h l e v e lh i g h w a yc o n s t r u c t i o nh a sl o c a t e di nt h ew o r l d a d v a n c e dl e v e ls i n c e19 8 8w h e nc h i n as t a r t e dt h ec o n s t r u c t i o no fh i g h w a y t o 2 0 0 8 ，t o t a lm i l e a g eo fe x p r e s s w a y si nc h i n ar e a c h e d6 0 3t h o u s a n dk i l o m e t e r s ， r a n k e ds e c o n di nt h ew o r d t h el o c a la l r e a d yb u i l tp l a c eo rp l a n n e dc o n s t r u c t i o n p l a c ei nl o w - l y i n ga r e a so ft h eh i g hw a yr o a d b e d ，b e c a u s et h eg e o l o g i c a lr e a s o n s ， g r o u n d w a t e re x i s tt h r o u g h o u tt h er o a ds u r f a c e 。i nw i n t e rr o a ds a f e t yh a z a r d s c a u s e db yi c e ，i ti so b v i o u s l yt h a ts e e p a g ep r e v e n t i o ni sv e r yi m p o r t a n t 。t h es t u d y o ft h ep a p e rp r o v i d e sar e f e r e n c ef o rt h ea p p l i c a t i o no fh i g hp r e s s u r ej e tg r o u t i n g t e c h n o l o g yi no t h e ra n t i - s e e p a g ee n g i n e e r i n gp r o j e c t si nf u t u r e t h i sp a p e rm a i n l y s t u d i e sc o n t e n ta sf o l l o w s ： ( a ) t 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 yi n c l u d i n gt h eb a s i cp r i n c i p l e o ff l u i dm e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i ca n dm e c h a n i s mw a sa n a l y z e d t h ef o r m i n g m e c h a n i s m ，i n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dt h ep e r f o r m a n c eo fs e e p a g ec o n t r o l a n d c o n n e c t i o no ft h eh i g h - p r e s s u r ej e t g r o u t i n ga n t i s e e p a g ec o n d e n s a t i o nw e r e e l a b o r a t e d i v 刘峰夫高压喷射灌浆技术在公路防渗处理工程的应用研究 ( b ) t h ed e s i g n p r o c e s s ，d e s i g n i d e a sa n dt h e d e s i g n o ft e c h n i c a l a n t i - s e e p a g et r e a t m e n to ft h eh i g hp r e s s u r ej e tg r o u t i n gi m p e r m e a b l et e c h n o l o g y w e r ea n a l y z e d ( c ) t h ep r e l i m i n a r yw o r k ，e q u i p m e n t ，c r a f t ，t e c h n o l o g y , k e yp o i n ta n d i n s p e c t i o nf o rc o n s t r u c t i o no ft 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 yw e r e a n a l y z e d ( d ) t h ea p p l i c a t i o no ft h eh i g h - p r e s s u r ej e tg r o u t i n gi na n t i s e e p a g e t r e a t m e n to fr o a dw a sa n a l y z e d t h eb a s i cs i t u a t i o no fp r o j e c t sa n dt h ee x i s t i n g p r o b l e m so ft h el o n g - t e r ms e e p a g ei s s u e ss u c ha sr o a d sw e r ei l l u s t r a t e d t h e c a u s e so fs e e p a g ew e r eo b t a i n e db ya n a l y z i n gs t a m si n q u oa n dt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n t h ea n t i s e e p a g et r e a t m e n to fe x a m p l e so fp r o j e c t sw a sd e s i g n e di n a s p e c t so ft h ec r a f tf o rc o n s t r u c t i o n ，l a y o u ta n dt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sc o m b i n e d 、i t l lt h ep r o b l e m so fe n g i n e e r i n gi np r a c t i c ea n dt h ee f f e c to fa n t i - s e e p a g ew a s c h e c k e da f t e rt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ep r o j e c t k e y w o r d ：h i g h p r e s s u r ej e tg r o u t i n g ，t h ea n t i s e e p a g e t r e a t m e n to f h i g h w a y ，a p p l i c a t i o n 8 4 扬州大学工程硕士学位论文 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得 的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体 已经发表的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 剜肾 i 签字日期：f u 年厂月谚e l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查 阅和借阅。本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文 数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名：ll i 丸 导师签名： 签字日期：山尸年厂月讶e l 签字日期： 韶 亨甩谬e l ( 本页为学位论文末页。如论文为密件可不授权，但论文原创必须声明。) 刘峰夫高压喷射灌浆技术在公路防渗处理工程的应用研究 1 1 绪论 1 1 高压喷射灌桨技术概述 1 1 1 高压喷射灌浆技术的发展 高压喷射灌浆技术是日本上世纪6 0 年代末期创造出来的一种全新的施 工方法，当时定名为c c p ( c h e m i c a lc h a i n i n gp i l e ) 工法，即单管法。接着 在7 0 年代中期，日本又开发出j p g ( j u m b os p e c i a lg r o u t ) i 法，即两管 法：c j g ( c o l u m nj e tg r o u t ) 工法，即三管法【1 1 。上世纪7 0 年代末期，高 压喷射灌浆技术开始在国内得到迅速发展，但主要为铁路、冶金和市政等部 门用于提高地基承载力，进行建筑物的地基加固处理。上世纪8 0 年代初开 始，山东省水利科学研究院在坝静压灌浆和高压旋喷桩的基础上，进行高 压喷射灌浆防渗技术的研究，1 9 8 8 年国家科委列为重点研究推广项目后，我 国的高压喷射灌浆技术有了很大进展【2 l 。之后，经过多年的理论研究和工程 实践，高压喷射灌浆技术被广泛应用于河道堤防防渗加固、水库大坝防渗加 固、围堰防渗加固、涵闸基础防渗加固、高层建筑基础围封防水、建筑物纠 偏、地下大直径管道围封堵漏、大粒径卵漂石地层防渗加固、建筑基坑挡土 支护等领域。 高压喷射灌浆技术从7 0 年代初期引进我国至今已经将近3 0 年了，开始 主要用于加固软土地基，到了8 0 年代后开始用于堤坝基础防渗，在这段时 间里该技术得到了迅速的发展。据不完全统计，目前全国用该项技术处理大、 中、小型基础防渗工程约数千项，构筑防渗墙约数千万平方米，大都取得了 良好的效果。 通过多年的室内试验和工程实践，逐渐研究出了高压喷射灌浆构筑防渗 体的整套施工工艺，专用设备、喷射形式及相应的技术参数，高压喷射灌浆 所适应的地层，从8 0 年代的中细砂扩展到目前的所有第四系地层。我国研 2 扬州大学工程硕士学位论文 究成功的大颗粒地层动水条件下的高喷灌浆防渗新工艺和淤泥地层高喷灌 浆新技术，均走在了世界前列，解决了一些工程中的技术难题，拓宽了该项 技术的应用范围，在国民经济建设中发挥了重要作用【3 】。该项技术有任何其 它技术都不能代替的独到之处，它不仅具有施工速度快、效果好、应用范围 广等优点，而且还可根据工程的需要，采用旋、定、摆高喷灌浆工艺，构造 出各种型式的防渗凝结体来满足设计要求，防渗墙体间的连结、防渗墙与下 部基岩的连接，这些都是其它防渗技术无法比拟的。 基础防渗处理深度，是基础处理技术很重要且难度较大的一项技术指标， 目前最大防渗施工深度已达9 0 m 。随着工程处理技术的进一步发展，对施工 技术、工艺要求会更高，必然存在着许多值得深入探讨和研究的问题【l o 】。 高压喷射灌浆技术和其他防渗技术一样，有一定的适用范围，采用该项 技术时只有根据工程的要求，土质条件和地下水情况选用相应的高喷灌浆工 作方法和工艺，才能取得满意的效果。在方案选择时，必须经过技术经济比 较，选择最佳方案，进一步总结技术经验，提高高喷防渗墙的可靠性和经济 性并指导今后的各种防渗工程是必要的。 该技术在公路防渗工程中应用较少；因此，结合工程施工进行这方面研 究是十分必要和迫切的，对我国公路地基防渗处理具有重要意义。 1 1 2 高压喷射灌浆技术定义 高压喷射灌浆技术( 简称高喷灌浆或高喷) ，是一种采用高压水或高压 浆液形成高速喷射流束，冲击、切割、破碎地层土体，并以水泥基质浆液充 填、掺混其中，形成桩柱或板墙状的凝结体，用以提高地基防渗或承载能力 的施工技术【3 1 。 1 1 3 高压喷射灌浆的分类 高压喷射浆技术常按照喷射流移动方式、灌浆管类型和置换程度等分成 刘峰夫高压喷射灌浆技术在公路防渗处理工程的应用研究 3 几种，详见表1 1 。 表1 - 1 高压喷射灌浆分类表1 4 】 分类依 类别主要特点 据 喷射流旋喷喷射时喷嘴一边提升一边旋转，固结体呈圆柱状或圆盘状 的定喷喷射时喷嘴只提升，不旋转或微摆，固结体呈板、壁状 移动方喷射时喷嘴一边提升一边呈小角度摆动喷射，固结体呈较厚墙 式 摆喷 状或扇状 单管法 ( c c p ) 用单层灌浆管，只喷射浆液一种介质 二管法 ( j s g 用双层灌浆管，喷射高压水泥浆和气流复合喷射流，或喷射高 灌 ) 压水流和灌注水泥浆两种介质 浆用三层灌浆管，喷射高压水与气流复合喷射流及灌注低压水泥 管 三管法 浆，或喷射高压水与气流复合盆喷射流及高压水泥浆与气流复 的 ( c j g ) 合喷射流等三种介质 类多管法 用多重灌浆管，喷射超高压水射流，被冲下的土、泥水全部抽 型( s s s m 出地面形成空洞，再用浆液、混凝土等充填 a n ) 多孔管 用多孔管，喷射高压水、高压水泥浆与气流的复合喷射流以及 法 灌注速凝剂等四种介质 ( m j s ) 置换程 半置换 被冲下的土粒部分排出，余下的和浆液搅拌混合凝固 法 度 置换法被冲下的土粒全部或大部排出，形成空洞，以浆液填空 二管法和三管法高压喷射灌浆在防渗工程中应用较多；单管法和多管法 高压喷射灌浆在防渗工程中应用不岁引。 1 2 高压喷射灌浆技术的优势 高压喷射灌浆是通过射流作用强制性破坏原地层结构，不存在一般静压 注浆的可灌性问题。只要高压射流能破坏的细砂层、极细砂层、粘土层等均 可处理，对块、卵石层的较大孔隙及集中渗漏的空间，以各种射流机理加之 绕流、位移、袱裹等作用将地层颗粒或级配料予以充填封堵。高压喷射灌浆 4 扬州大学工程硕士学位论文 板墙具有良好的连接性能，板墙自身及它与建筑物在上下、左右、前后能实 现三维空间连接。可通过新高压喷射流将老板墙或地下原有构筑物表面冲刷 干净并与其凝结，牢固的凝结为一体【6 】。其主要的优势有： ( 1 ) 适用范围较广 由于高压喷射灌浆法固结体的质量明显提高，有强化地基的作用，它既 可用于工程建设之前，工程建设之中，还可用于竣工后的工程，可以不损坏 建筑物的上部结构，能在狭窄和较低矮的现场贴近建筑物施工，甚至可以不 影响运营使用f 5 1 。高压喷射灌浆法除能强化地基之外，还有防渗的作用，可 用于深基坑地下工程的支撑和护底、筑造地下防水帷幕、减振、防止砂土液 化、增大土的摩擦力和粘聚力以及防止基础冲刷等方面。高压喷射灌浆法适 用于从淤泥、淤泥质土到碎石类，均有良好的加固效果。 ( 2 ) 施工简便灵活 设备较轻便，机动性强，施工时只需在土层中钻一个孔径为l o o m m 或 2 0 0 r a m 的小孔，便可在土中喷射成直径为0 4 m 1 o r n 的固结体，其径孔比 ( 加固固结体直径钻机开孔直径) 很大，因而能贴近已有建筑物基础进行高 喷施工。 ( 3 ) 可控制固结体形状 为满足工程需要，在施工中可调节旋、摆速度和提升速度、增减喷射压 力、改变喷射方向、调整喷射持续时间、更换喷嘴孔径、改变流量等参数后 获得不同形体的固结体，成为工程所需的形状f 7 1 。 ( 4 ) 可垂直喷射也可倾斜和水平喷射 通常情况下，采取在地面进行垂直喷射灌浆，但在隧道、矿井巷道工 程、地下铁道建设中，亦可采用倾斜和水平喷射灌浆。 ( 5 ) 耐久性好 用高压喷射灌浆加固的地基工程，能得到预期的、稳定的加固效果并有 较好的耐久性，可以用于永久性工程【8 1 。 刘峰夫高压喷射灌浆技术在公路防渗处理工程的应用研究 5 ( 6 ) 材源广阔 喷射用的浆液以水泥为主，化学材料及外加剂为辅。一般的地基处理工 程中，均可使用来源广阔、价格低廉的复合硅酸盐水泥p c 3 2 5 或普通硅酸 盐水泥p 0 3 2 5 水泥。若在地下水流速快，或土中含有腐蚀性元素、土的含 水率大而固结体强度要求较高的条件下，可根据工程需要，在水泥浆液中掺 入适量的j l - 力n 剂，以达到速凝、高强、抗冻、耐腐蚀和浆液不沉淀等效果。 此外，根据工程需要，也可以在水泥浆液中加入一定数量的粉煤灰，这不但 利用了工业废料，又可降低灌浆材料的成本。 ( 7 ) 浆液可回收 高压喷射灌浆施工时有一定的冒浆及浆液沿着孔壁冒出地面，一般在 1 0 - - 2 0 左右，这样浆液材料就有一定的耗费。但在二管或三重管法施工 中可以回收再利用一部分浆液，处理后把浆液再压入地下。 ( 8 ) 施工管理便利 高压喷射灌浆法施工管理简单便利，在单管、二重管、三重管喷射过程 中，通过对喷射压力、吸浆量和冒浆情况的量测，即可间接的了解喷射的效 果和存在的问题，以便及时调整喷射参数或灌浆工艺，保证固结体质量。施 工管理十分有效8 1 1 9 1 。 ( 9 ) 施工安全 高乐喷射灌浆施工较为安全，这是因为各种高压设备如高压水泵、高压 泥浆泵等均有安全阀门和超压自动停机、自动泄压装置，即当压力超过规定 值时，阀门便自动开启、泄浆降压或自动停机，不会因堵孔升压造成爆炸事 故。 ( 1 0 ) 无公害 高压喷射灌浆施工影响范围小，浆液基本上在加固桩径范围内凝固，不 外泄；施工噪声小，无振动，亦不会产生地基沉陷或隆起，无公害产生。 6 扬州大学工程硕士学位论文 1 3 高压喷射灌浆技术的研究应用现状 目前，高压喷射灌浆技术主要应用在以下方面： ( 一) 提高地基承载力【1 0 】 根据高压喷射固结体形式的不同，可提高水平、垂直承载力，减小地基 压缩变形和建筑物的不均匀沉降，对其进行补强、加固、扶正、纠偏。 ( - - ) 已有建筑物地基旋喷补强加固 ( 三) 挡土、排水、围堰及地下工程建设 ( 1 ) 挡土挡水围堰，保护邻近建筑物；( 2 ) 地厂管道、涵洞坑道、巷 道的护拱，或隧道、地下铁道水平旋喷开挖支挡护拱；( 3 ) 防止基坑底部隆 起，即扩底作用。 ( 四) 增大土的摩擦力和粘聚力 ( 1 ) 防止小型塌方和滑坡；( 2 ) 土层旋喷锚固。 ( 五) 减少振动，固化流沙，防止液化 ( 1 ) 减小设备基础振动；( 2 ) 固化流砂；( 3 ) 防止砂土地基液化。 ( 六) 降低土的含水量 ( 1 ) 整治路基翻浆冒泥；( 2 ) 防止地基冻胀。 ( 七) 止水防渗帷幕 ( 1 ) 河堤、水池的防漏及坝基防渗；( 2 ) 帷幕竖井及封底斜井( 3 ) 防 止眉构、地下管道漏水漏气；( 4 ) 地下连续旋喷补缺以及接头漏水：( 5 ) 防 止涌砂冒水。 ( 八) 防止洪水冲刷 ( 1 ) 防止涵闸、河堤及水下建筑物基础被水流冲刷；( 2 ) 桥墩防护加 固。 除此之外，高压喷射灌浆还可用于桩基工程，提高桩的承载力，射水松 土有助于拔钢板桩以及地下水库等提高地基强度的相关工程。 刘峰夫高压喷射灌浆技术在公路防渗处理工程的应用研究 7 1 4 本文研究的内容和意义 1 4 1 本论文研究的主要内容 ( 1 ) 系统研究高压喷射灌浆技术，结合3 2 5 省道下穿宁宿徐高速公路 段防渗处理工程实际情况对目前在各领域防渗处理工程中常用的几种防渗 施工工艺进行方案比较，论述高压喷射灌浆技术的优势，通过理论分析结合 工程实践总结出高压喷射灌浆技术进行公路防渗处理一整套完整的设计、施 工及检测方法。 ( 2 ) 通过工程施工研究，进一步明确高喷技术形成防渗墙的作用机理， 重点对喷射影响范围大的二管法进行分析。根据工程的土层土质，进行高压 喷射灌浆技术的工程设计，并提出施工工艺参数及其他技术要求； ( 3 ) 依据设计要求并根据工程现场实际情况，研究高压喷射灌浆，运 用有限元计算分析工程实施前后场地渗流性态，分析研究高压喷射灌浆防渗 效果。 ( 4 ) 通过工程检测，分析研究高压喷射灌浆技术在在公路防渗处理工 程中的防渗效果，为高压喷射灌浆技术在更多领域进一步的应用推广提供借 鉴。 ( 5 ) 分析总结出公路防渗处理工程高压喷射灌浆技术的施工要点。 1 4 2 研究本课题的意义 我国高等级公路建设突飞猛进，自1 9 8 8 年中国开始建设高速公路以来， 中国高速公路建设向世界前列高速发展。1 9 9 8 年底，中国高速公路通车总里 程达到6 2 5 8 k m ，居世界第八；2 0 0 1 年底达到1 9 万k m ，至2 0 0 8 年我国高 速公路通车总里程已达到6 0 3 万k m 居世界第二。在局部已建或拟建的高等 级公路路基地势低洼段，因地质原因存在者常年地下水渗出路面，在冬季路 面结冰造成行车安全隐患的现象，防渗处理十分重要。 8 扬州大学工程硕士学位论文 高压喷射灌浆技术在交通特别是公路交通方面应用较少。本论文旨在通 过高压喷射灌浆技术在公路防渗处理工程中的应用研究，以期在更多的公路 及其他领域的防渗处理工程中得到更广泛的应用和推广。 刘峰夫高压喷射灌浆技术在公路防渗处理工程的应用研究 9 2 高压喷射灌浆技术的基本原理 2 1 高压喷射流的流体力学特征 2 1 1 高压喷射流的性质 高压喷射流是通过高压发生装置，产生巨大的能量后，通过一定形状的 喷嘴，用一定特定的流体运动方式，以很高的流速连续喷射出能量高度集中 的液体射流【2 1 。 从流体力学知道，高压液体连续射流的速度和功率可按下列公式计算： 经换算得 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中：，。为喷嘴出口流速( i s ) ；p 为喷嘴入口流速压力( p a ) ；y 为水 的重度( k n m 3 ) ；g 为重力加速度( 9 8 1 m s 2 ) ：痧为喷嘴流速系数，圆锥形 喷嘴0 9 7 。 高压液体喷射流的流量计算公式为： 已知q = u o f o o ，根据式( 2 1 ) 得 删孵 3 ， 式中：q 为流量( m 3 s ) ；u o 为流量系数，圆锥形喷嘴0 9 7 ；f o 为 喷嘴出口面积( m 2 ) 。 在高压高速条件下，在单位时间内从喷嘴中射出的射流具有很大的能 量，若某个力在时间，内做的功为a ，它的功率为： 了丐 易 一2 ： f 一 石y卸 衍瓦 = p 护。 l o 扬州大学工程硕士学位论文 n = a t( 2 - 4 ) 喷嘴压力所做的功为a ，见图2 l 。作用在活塞上的总压力p = p f ( f 为活塞承压面积) ，推动活塞移动距离l ，即a = p 1 = p f l = p w( w 为气体 体积) ，喷射流的功率为： n = a t = p w t = p q ( 2 - 5 ) 将式( 2 3 ) 代入( 2 5 ) ，并将l k w = 1 0 0 0 n m s 换算得出功率计算式： ： 2 1 0 9(2n 3 pd o 1 0 6 ) = 7 2 2 - 9 ( - 6 ) 式中：为喷射流的功率( ( k w ) ：d o 为喷嘴直径( c m ) ；p 为泵的压力( p a ) 。 厂 ! j d l i f ii ii 一 l i 1 图2 - 1 喷射流做功示意图 如果喷射流的压力分别取1 0 m p a ，2 0 m p a ，3 0 m p a ，4 0 m p a ，5 0 m p a ， 喷嘴出口为3 m m ，则它们的速度和功率如表2 1 所示。从表2 1 中可看出， 虽然喷嘴的出口孔径仅3 m m ，但连续不断的高速射流携带了巨大的能量。 表2 - 1 喷射流的速度和功率 喷嘴入口压 喷嘴出1 2 1 孔 流速系 流量系 射流系数v o 喷射流的功率 力p ( m p a ) 径d o ( n u n ) 数矽数u o ( m s ) ( ( k w ) 1 03 00 9 6 30 9 6 41 3 68 5 2 0 3 o0 9 6 30 9 6 4 1 9 22 4 1 3 03 o0 9 6 30 9 6 42 4 34 4 4 4 0 3 o0 9 6 30 9 6 4 2 8 06 8 3 5 03 00 9 6 30 9 6 43 1 39 5 4 备注 矽和u o 为收敛圆锥1 3 。2 4 7 角喷嘴的水力试验数值 刘峰夫高压喷射灌浆技术在公路防渗处理工程的应用研究 1 1 2 1 2 高压喷射流的种类及其构造 高压发生装置产生的喷射流有三种流态：连续喷射流、连续脉冲喷射流及 间隙喷射流。国内外高压喷射灌浆所使用的高压发生装置一般为双缸双作用 活塞往复式高压泵和三缸单作用活塞往复式高压泵。由于活塞是变速运动， 每一瞬间的流量也随之变化，因此产生的高压喷射流为连续脉冲运动的射流 f l o 】 0 高压喷射流按其在介质喷射中的构造不同分为：单液( 浆) 高压喷射流和 水( 浆) 气同轴喷射流两种类型。单管法和多管法属于前一种类型，二管 法和三管法属于后一种类型。 ( 1 ) 单液高压喷射流的构造 水在静止的空气中喷射时，随着速度的增加，其流动状态呈水束一层 流_ 纵向摆动紊流一横向摆动紊流一喷雾变化。高压喷射流的构造沿着射流 中心轴，分为初期区域、主要区域和终期区域，初期区域包括喷流核和迁移 段。高压喷射流的构造见图2 2 。 图2 - 2 高压射流的构造 初期区域的长度是喷射流的一个重要参数，可以据此判断破碎土体和搅 拌的效果。在空气中喷射初期区域的长度为( 7 0 1 0 0 ) d 。，在水中为( 6 0 - - 6 。 扬州大学工程硕士学位论文 5 ) d 。，d 。为喷嘴直径。主要区域在初期区域之后，由于能量的转移和沿程 损失，轴向动压陡然降低，喷射流速度进一步降低。在土中喷射时，喷射流 与土在本区域内掺搅混合。终期区域内的喷射流处于能量衰竭状态，喷射流 宽度很大，与空气混合在一起呈雾状。 ( 2 ) 水( 浆) 、气同轴喷射流的构造和特性 由于喷射流在空气和水中的摩阻力不同，在动水压力相同的情况下，喷 射距离在水中要比在空气中小的多，在高压射流的外部喷射高速气流后，其 喷射距离要比在水中无气流有明显增加。故在二管和三管喷射灌浆时，都是 在喷射流周围与其同轴喷射环状气流，减缓其压力衰减程度，增加射流的冲 切能力。 水气同轴喷射流的构造与水射流的构造基本相似，也分为初期区域、迁 移区域及主要区域等。 水气同轴喷射时，空气流量的大小对高压射流也有较大影响，随着空气 流量的增加，喷射长度也增加。 2 2 高压喷射灌浆的作用机理 高压喷射灌浆是通过高压喷射流对土体的破坏作用，水泥浆液在喷射流 作用范围内扩散、充填和置换，与土体颗粒掺混搅拌形成凝结体，从而在坝 体内构筑一道能切断渗流的连续防渗墙，具有较好的可灌性和可控性【l l 】。 2 2 1 高压喷射流对土体的破坏作用 ( 1 ) 射流喷射动压 根据动量定律，水射流在空气中喷射时的破坏力f 为： f = 闪1 ，胁 ( 2 7 ) 式中：f 为破坏力( n ) ：p 为喷射流介质密度( k g m 3 ) ；q 为喷射流的 刘峰夫高压喷射灌浆技术在公路防渗处理工程的应用研究 1 3 流量( m 3 s ) ；为喷射流的平均速度( m s ) 。 因为 q = v 。a ( 2 8 ) 所以 f = p a y 。2 ( 2 9 ) 式中：a 为喷射流截面面积( m 2 ) 。 喷射流介质密度p 为定值时，破坏力f 与平均流速1 ，。的平方成正比。在 喷射面积一定的情况下，为取得更大的破坏力，需要提高喷射压力。压力愈 高流速愈大，破坏力愈大，冲切掺搅地层的范围也愈大。 ( 2 ) 射流的脉冲震荡破土效应 射流喷出介质( 水、气、浆) 因受原动机( 空压机、高压水泵、泥浆泵) 及介质在管路中运动特性的影响，常出现周期性的振动现象，使得喷出的压 力难以恒定不变，加之地层情况多变，射流冲切土层远近、深浅不均，阻力 大小不一，从而引起喷射面上压力随时间的周期性变化而出现时大时小现 象，即射流对土层作用脉冲荷载。在脉冲荷载不断作用下，土层会产生疲劳 应力，并逐渐累积疲劳残余变形，使土粒失去平衡，从而促使土层破坏。 ( 3 ) 喷射流的冲击力 由于喷射流断续地锤击土层，产生冲击力，促进土层破坏的进一步发展。 ( 4 ) 射流的空蚀现象 射流束喷在土层上，由于喷压大小的变化及土层距喷嘴运近的不同，土 层产生的压力大小也随之变化，加上射流在土粒表面产生水流，而土粒大小 不均匀，使部分颗粒上的压力降低，在土粒处出现空蚀现象，使土体受到破 坏。再着高压射流本身呈激烈的紊流状态，也对土层产生空蚀现象，土粒不 断被剥离下来，使土层破坏。 ( 5 ) 水楔破坏效应 高压喷射流喷射到地层的间隙上，由于喷射流反作用力，产生水楔，在 扬州大学工程硕士学位论文 垂直喷射流轴线方向使土粒剥落加宽裂隙。 ( 6 ) 气流搅动作用 在水或浆与气同轴喷射时，气流可将破坏土体上的土粒迅速吹散，使高 压喷射流的破坏条件得到改善，阻力大大减少，能量消耗降低，增大了高压 喷射流的破坏能力。 2 2 2 高压喷射灌浆的作用机理 ( 1 ) 射流的冲切掺搅作用 强大的射流作用于土体，将直接冲切土层。在射流范围内，土体承受射 流动压力、沿孔隙作用的水力劈裂力、脉动压力和连续喷射造成土体强度疲 劳等综合作用，破坏土体结构，在射流产生的卷吸扩散作用下，使浆液与被 冲切下来的土体掺搅混合。 ( 2 ) 细颗粒升扬被浆液置换 浆( 水) 气同轴时喷射时，压缩空气除了起保护射流束外，能量释放过 后产生的气泡，能将从孔底夹带冲切下来的土体细颗粒沿孔壁向上升扬流出 孔口，部分被灌土体部分颗粒被升扬置换出地面，同时浆液被掺搅灌入地层， 可改善和提高浆液的密实性和强度。喷射灌浆仅能置换土层中的细颗粒，而 较粗颗粒将与灌入的水泥浆凝结成强度较高的凝结体。 ( 3 ) 射流的充填挤压作用 射流束末端不能冲切土体，但对土体有侧向挤压力，在灌入浆体的静压 作用下，促使凝结体与两侧的土体结合更加紧密。 ( 4 ) 水泥浆液渗透凝结作用 喷射灌浆过程除在冲切范围内形成凝结体外，还可向冲切范围以外产生 浆液渗透作用，形成渗透凝结层。当浆液向两侧渗透作用停止或不产生渗透 作用( 渗透性较弱地层，如粘土层) 时，则在射流冲切范围周侧产生明显的 浆液凝结层，可称作挤压层或浆皮层。 刘峰走高压喷射灌浆拄术在公路防潘处理工程的应用研究 ( 5 ) 位移袱裹作用 在射流冲切掺搅过程中，射流将大颗粒移动，被浆液袱裹；水泥浆液也 可沿着大颗粒周围直接产生袱裹充填凝结作用。 2 3 高压喷射灌浆防渗凝结体的形成机理 高压喷射灌浆形成凝结体的形状与喷嘴移动方向和持续时间有密切关 系。定喷是喷射流固定在一个方向喷射，能量集中，自下而上强行切割地 层形成一条沟槽，较大颗粒被射流挤压冲击在沟槽周边，沟槽内被浆液或浆 液与士中细颗粒所充填，形成质地均匀的板体。旋喷时，喷射流是沿着自下 而上和旋转的复合作用切削地层，在切割掺搅、升扬置换、充填挤密、渗透 凝结、位移袱裹作用的同时，还有旋转离心力和重力作用，柱状凝结体横断 面上土粒是按质量大小排列，小的在中问，大颗粒多集中在外面，进而形成 浆液主体层、搅拌混合层、挤压层和渗透层( 无粘性土) 。摆喷的凝结体则 介于定喷、旋喷之i 自j i ”l 。旋喷、定喷、摆喷凝结体结构与形状分别见图2 - 3 、 图2 4 。 疆霎耋罐耄萎荟一 4、 ， j 乏耋固j 图2 - 3 凝结体结构图2 - 4 旋喷、定喷，搓喷凝结体形状 ( a ) 定喷( b ) 摆喷( c ) 旋喷 l 一渗透凝结体：2 挤压体：3 搅拌混合层：4 一浆液主体层 扬州大学工程硕士学位论文 2 4 高压喷射灌浆防渗凝结体构筑的影响因素 以防渗为主的凝结体要求具有较大的宽度，凝结体本身有较好的防渗性 能，一般采用两管法或三管法施工【1 4 】。影响防渗凝结体形成的主要因素有： 水压和水量：水压和水量对凝结体形成的有效长度影响很大，增加喷 射水量和水压力可增加凝结体的有效长度，但水量大对浆液起稀释作用，使 冒出的浆液增加。 气压和气量：压缩空气形成的气幕，可保护水射束能量不过早扩散， 增加喷射切割长度和升扬置换作用，形成的低压区促使浆液沿喷射方向跟进 掺混，改变地层的颗粒级配。气压一般保持0 7m p a - 4 ) 8 m p a ，连续输气， 输气量0 4m 3 m i n o 8 m 3 m i n ，防渗处理地层一般粗颗粒成分较多，孔较深， 输气量宜用大值，以提高升扬置换作用。 浆量和浆压：老三管法( 高水压、低浆压) 对浆压要求不高，可采用 o 2m p a 1 0 m p a ，最主要应是保证浆液稠度和数量，以使水气稀释浆液后， 仍能有一定稠度，老三管法在砂砾石层中也可形成较大的桩径。对夹有淤泥 层的复合地层和孔深较大的要求进一步增大凝结体桩径的防渗墙，可采用新 三管法( 高水压、高浆压) 施工，将浆压提高到2 0m p a - - 4 0 m p a 。一般浆液 的相对密度应达到1 6 ( k g c m 3 ) 1 8 ( k g e m 3 ) ，输浆量不少于6 0 l m i n 。 提升及旋、定、摆速度：提升速度对凝结体的均匀性、密实度及凝结 体的有效长度影响很大，防渗工程一般提升速度为4 c m m i n 2 0 c m m i n ，旋 转速度为5 转m i n 2 0 转m i n ，摆动速度为每秒1 0 度3 0 度。 地层及颗粒粒径：高压喷射灌浆对细颗粒地层如沙土和粉土较为适 宜。对掺有大颗粒的砂砾石地层，由于水气射流使大颗粒四周细颗粒升扬置 换出地面，造成局部松脱，射流使大颗粒产生移动，甚至掀动，便于浆液袱 裹充填，只要工艺参数适当，也能形成良好的连续防渗凝结体，根据经验采 用略向下倾斜的射流更有利于大粒径颗粒被袱裹。 刘峰夫高压喷射灌浆技术在公路防渗处理工程的应用研究 17 2 5 高压喷射灌浆防渗凝结体的防渗性能和连接 防渗凝结体横断面自外向内为渗透凝结层、泥皮层( 或挤压层) 、搅拌混 合层及浆液主体层( 图2 3 ) ，一般土粒按质量大小排列，小颗粒在中间，大 颗粒多集中在外侧。高喷凝结体自身有较高的强度，不易产生渗蚀或剥蚀， 在无反滤保护下也不易产生渗透破坏，具有较好的渗透稳定性。高喷防渗凝 结体为多层复合防渗结构，渗水需先经渗透凝结层，再进入防渗性极强的泥 皮层，最后才能到达木纹状的墙体核心，然后沿相反的层次穿过防渗体，削 减渗水压力的效果非常明显。高压喷射灌浆形成的防渗墙为水泥浆与土粒掺 混的凝结体，弹性模量较低，有较强的变形适应性。一般防渗墙并不要求防 渗凝结体有很高的强度，为使防渗凝结体有更好的变形适应性，在水泥浆中 掺加适当比例的粘土是适宜的，同时也可降低工程造价【1 5 】。 众多单孔形成的凝结体如何相互紧密连接是高压喷射灌浆在防渗加固 中应用的关键，凝结体的连接形式有两种：切割式连接。在先期凝结体强度 不高时，喷射流将它冲切割开，形成插入连接：焊接式连接1 6 】。在先期凝 结体强度已较高时喷射流难以切割，但可将其表面冲刷剥离干净，使新的浆 液与之连接。由于喷射流在连接处能量集中，切割或冲刷部位的凝结强度往 往高于其它部位，两种连接都不存在接缝，在喷射作用有效距离内，凝结体 可相互牢固连接，形成严密的防渗墙。 2 6 本章小结 本章主要介绍了高压喷射灌浆技术的基本原理，具体内容归纳如下： ( 1 ) 阐述高压喷射流的流体力学特征。 ( 2 ) 研究高压喷射流对土体的破坏作用以及高压喷射灌浆的作用机理。 ( 3 ) 研究高压喷射灌浆防渗凝结体的形成机理、影响因素、防渗性能 和连接。 1 8 扬州大学工程硕士学位论文 3 高压喷射灌浆技术防渗设计 3 1 高压喷射灌浆设计程序 高压喷射灌浆设计一般分为三大步骤：( 1 ) 分析加固目的，了解地质条 件和工程环境；( 2 ) 根据有关公式和经验参数进行高压喷射灌浆设计，设定 灌浆工艺和技术参数；( 3 ) 通过室外喷射试验和室内取样试验，确定施工灌 浆工艺和技术参数。高压喷射灌浆设计程序详见图( 3 1 ) 。 图3 - 1 高压喷射灌浆设计程序图 3 2 高压喷射灌浆设计思想 由于高喷固结体是土和水泥的混合固结体，其抗压强度大于抗剪强度 约5 l o 倍，因此设计时，应扬长避短，使高喷固结体承受压应力，尽量避 刘峰夫高压喷射灌浆技术在公路防渗处理工程的应用研究 1 9 免承受拉应力。通常用作复合地基、防渗墙和拱圈支挡结构物的效果良好， 当用作挡土结构时，因土层与高喷固结体相比抗剪、抗压强度相差较大，计 算时仅考虑高喷固结体的作用。 目前定喷、摆喷和旋喷均较广泛应用于防渗工程。定喷影响范围大， 但墙体较薄，常单独用于深度不大，水头不高的防渗工程，也可与其他喷射 方式套结，用于深度大，水头高的地层；摆喷影响范围较大，墙体较厚，可 单独用于深度较大，水头较高的防渗工程，对钻孔深度在1 5m 以内透水层 采用交叉折线形高压摆喷灌浆形成防渗墙，截渗效果较好。高压旋喷影响范 围较摆喷和定喷小，旋喷防渗墙体厚，可承担荷载大，可用于钻孔深度大， 水头高的透水层加固，但套接可靠性差，要求高喷孔间距小，防渗工程造价 高。对深度大，水头高的透水层，采用旋喷和定喷相结合的柱板式结构，便 于连接，结构稳定性好。 3 3 高压喷射灌浆技术防渗处理设计 3 3 1 单元高喷固结体长度的设计 单元高喷固结体长度是工程设计的基本数据，单元高喷固结体长度设定 的正确与否，不但关