地基处理灌浆法PPT课件.ppt

灌浆法 Grouting 地基处理 GroundImprovement 1 化学加固法 在地基加固中 除了用挤密 置换 排水固结 加筋 锚固等物理方法来改善土的性质和土中的应力状态外 也可以使用化学和物理化学方法 化学加固法 ChemicalStabilization 即是指利用水泥浆液 粘土浆液或其它化学浆液通过灌注压入 机械搅拌或高压喷射 使浆液与土颗粒胶结起来 以改善地基土的物理和力学性质的地基处理方法 2 化学加固法 1802年 法国工程师CharlesBeriguy在Dieppe采用了粘土和水硬石灰浆灌注方法修复了一座受冲刷的水闸 标志着灌浆法的创立 此后 这种方法成为地基土加固中的一种广泛使用的方法 但是 由于灌浆法的费用高 所以只限予加固小范围的土体 而且用于其它地基加固方法不能解决的一些特殊工程问题 如托换工程中可以使用灌浆法 3 化学加固法 化学加固除了静压灌浆法外 还出现了混合搅拌法 包括高压喷射注浆法和水泥土搅拌法 虽然静压灌浆工艺发展较早 应用范围也最为广泛 但对渗透系数较小的细砂 粘土等 仅靠静压力难以使浆液注入土体的细小孔隙中 需要使用特殊的材料和技术 4 高压喷射注浆法是利用高压喷射水切削地基土 通过注浆管喷出浆液 就地将土和浆液进行搅拌混合 形成水泥土的加固体 它适用于松散土层 不受可灌性的限制 但在颗粒太大 砾石含量过多以及含纤维质的土层中采用该方法则效果较差 水泥土搅拌法是用特制的搅拌机械 在地基深处不断旋转 同时将水泥或石灰等材料的浆体或粉体喷入 与软土就地强制搅拌混合 使软土硬结成具有整体性 水稳性和足够强度的地基土 这种方法适用于处理软粘土地基 本章内将分别介绍灌浆法 水泥土搅拌法和高压喷射注浆法 5 6 7 8 9 10 11 12 1灌浆法 灌浆法 Grouting 是指利用液压 气压或电化学原理 通过注浆管把浆液均匀地注入地层中 浆液通过填充 渗透和挤密等方式 赶走土体颗粒间或岩石裂隙中的水 气后占据其位置 硬化后形成一个结构新 强度大 防水性能高和化学稳定性良好的结石体 13 灌浆法的应用范围 1 地铁的灌浆加固 用来减少施工时地面的变形 限制地下水的流动和控制施工现场土体的位移和变形等 2 坝基砂砾石灌浆 可作为坝基的有效防渗措施 3 对钻孔灌注桩的两侧和底部进行灌浆 以提高桩与土之间的表面摩阻力和桩端土体的力学强度 14 4 后拉锚杆灌浆 在深基坑开挖工程中 用灌浆法进行锚固段施工 5 竖井灌浆 用以处理流砂和不稳定地层 6 隧洞塌方灌浆加固 7 建筑物的纠偏加固 8 加固桥索支座 9 混凝土结构裂缝处理 蓄水池及压力管道堵漏等 15 2加固机理 1 浆液材料灌浆浆液是由主剂 原材料 溶剂 水或其它溶剂 以及各种外加剂混合而形成的浆液 但通常所提的浆液材料 是指浆液中所用的主剂 外加剂可根据其在浆液中所起的作用 分为固化剂 催化剂 速凝剂 缓凝剂和悬浮剂等 16 1 浆液材料分类按浆液所处状态可分为 真溶液 悬浮液 乳化液 按工艺性质可分为 单浆液和双浆液 按主剂性质可分为 无机系和有机系等 17 18 一 粒状浆材 粒状浆材是指由水泥 粘土 沥青以及它们的混合物制成的浆液 常用的粒状浆材是纯水泥浆 水泥粘土浆和水泥砂浆 以上浆液又称水泥基浆液 并可掺入各种外加剂 以改善浆液的性质 19 水泥基浆液是以水泥浆为主的浆液 采用水泥灌浆可使土体形成高强度的固结体 应用最广的是普通硅酸盐水泥 在地下水无侵蚀性条件下经常使用 这种浆液是一种悬浊液 取材容易 配方简单 价格便宜 不污染环境 我国苏州虎丘塔就是采用水泥浆液对塔基进行托换加固的 20 灌注较大空隙和裂隙时 常常在水泥浆液中掺砂 水泥砂浆 以节约水泥 并更好地充填空隙 当浆液中加入一定数量的粘土 作外加剂 后 由于粘土本身是高分散性的 所以可提高浆液的稳定性 防止浆液沉淀和析水 21 二 化学浆材 化学浆液是一种真溶液 其优点是可以进入水泥浆液不能灌注的小孔隙 粘度和凝固时间可以在很大范围内调整 可用于堵漏 加固等领域 化学浆液已经在国内外得到了广泛应用 解决了不少工程难题 在理论和实践上都有很大的进步 化学浆液的品种很多 包括环氧树酯类 聚氨酯类 丙烯酰胺类 甲基丙烯酸脂类 硅酸盐类等 22 各种浆液材料适用范围 23 2 将夜性质灌浆材料的主要性质有 分散度 沉淀析水性 凝结性 热学性 收缩性 结石强度 渗透性和耐久性 24 灌浆理论 从灌浆工程的目的来看 可以分为用于提高受灌岩体或土体的强度和变形模量的固结灌浆 用以提高防渗性能的防渗帷幕灌浆 用于填充衬砌结构与岩石或混凝土间空隙的回填灌浆 介于固结与防渗灌浆之间 用于改善坝体与坝基接触面条件的铺盖灌浆 所采用的灌浆技术和工艺不同 其所依据的理论和机理也各不相同 25 在地基处理中 灌浆工艺所依据的机理主要可归纳以下四种渗透灌浆 劈裂灌浆 挤密灌浆 电动化学灌浆 26 渗透灌浆 渗透灌浆 PermeationGrouting 是指在压力作用下 使浆液充填于土孔隙和岩石裂隙中 排挤出孔隙中存在的自由水和气体 而基本上不改变原状土的结构 所用灌浆压力相对较小 大量的灌浆实践是属于这一类型的 这种灌浆只适用于中砂以上的砂性土和有裂隙的岩石 27 渗透灌浆 28 劈裂注浆 劈裂注浆 FracturingGrouting 是指在相对较高的灌浆压力下 浆液克服了地层的初始应力和抗拉强度 引起岩石和土体结构的破坏和扰动 引起地层的水力劈裂现象 使地层中原有的裂隙或孔隙张开 形成新的裂隙和孔隙 使原来不可灌的地层能顺利进浆 并增加浆液的扩散距离 在灌浆压力消失后 地层的回弹又进而压缩浆体 使充填更为密实 并使结石处于一定的预压应力状态 这是一种特殊的灌浆机理和技术 能有效地用于处理一些特殊问题 29 挤密灌浆 挤密灌浆 CompactionGrouting 是指通过钻孔向土中灌入极浓的浆液 使注浆点附近土体压密 在注浆管端部附近形成 浆泡 30 电动化学灌浆 当地基土的渗透系数k cm s 只靠一般的静压力难以使浆液注入土的孔隙中 这时就需要采用电渗作用使浆液进入土中 31 电动化学灌浆 ElectrochemicalInjection 是指在施工时将带孔的注浆管作为阳极 用滤水管作为阴极 将溶液由阳极压入土中 并通以直流电 阴阳两极间电压梯度一般采用0 3V cm 1 0V cm 电渗作用下 孔隙水由阳极流向阴极 促使通电区域中土的含水量减少 并且形成渗浆通道 化学浆液随之流入土的孔隙中 并在土中硬结 32 所以 电动化学灌浆是在电渗排水和灌浆法的基础上发展起来的一种加固方法 有一点必须注意 由于电渗排水作用 可能会引起邻近建筑物基础的附加沉降和不均匀沉降 导致建筑物开裂 33 3灌浆的设计与计算 一 灌浆的设计程序一般情况下 地基的灌浆设计遵照下列程序进行 1 地质调查 查明需处理地基的工程地质特性和水文地质条件 2 选择灌浆方案 根据地质条件 工程类型 地基处理目的和要求 初步选择灌浆方案 包括 处理范围 灌浆材料 灌浆方法等 一般应优先考虑水泥系浆材 在特殊情况下才考虑化学浆材 34 3 灌浆试验 除进行室内灌浆试验外 对较重要的工程 还应选择有代表性的地段进行现场灌浆试验 以便为确定灌浆技术参数及灌浆施工方法提供依据 4 设计和计算 确定各项灌浆参数和技术措施 5 补充和修改设计 在灌浆期间和竣工后的使用过程中 根据观测所得的异常情况 对原设计进行必要的修改 35 灌浆工程的设计内容 1 灌浆标准 根据灌浆要求达到的效果和质量指标确定 2 施工范围 即灌浆的深度 长宽和宽度 3 灌浆材料 包括浆材种类和浆液配方 4 灌浆影响半径 躺浆液在灌浆设计压力下所能达到的有效扩散距离 5 钻孔布置 根据浆液影响半径和灌浆体设计厚度 确定灌浆孔布置形式 孔距 排距 孔数和排数 6 灌浆压力 规定不同地区和不同深度的允许最大灌浆压力 7 灌浆效果评价 采用各种手段和方法检测灌浆加固效果 36 灌浆方案的选择原则 1 如果是以提高地基强度和变形模量为目的 一般选用水泥系浆材 如水泥浆 水泥砂浆和水泥水玻璃浆等 或环氧树脂 聚氨酯等高强度的化学浆材 2 如果是以防渗堵漏为目的 可采用粘土水泥浆 粘土水玻璃浆 水泥粉煤灰混合物 丙凝和铬木素等浆材 37 3 在裂隙岩层中灌浆 一般采用纯水泥浆 水泥浆或水泥砂浆中加少量膨润土 在砂砾石地层中或溶洞中采用粘土水泥浆 在砂层中一般只采用化学灌浆 在黄土采用碱液法或单液硅化法 4 渗入灌浆一般在砂砾石地层或岩石裂隙中采用 水力劈裂灌浆用于砂层 粘性土层中采用水力劈裂法或电动硅化法 纠正建筑物不均匀沉降则采用挤密灌浆法 38 3注浆加固设计 3 1注浆工程调查3 2注浆加固试验3 3注浆加固参数设计3 3 1注浆加固范围的确定3 3 2注浆量的计算3 3 3注浆压力3 3 4注浆孔距 39 3 1注浆工程调查 在进行注浆设计之前 要进行工程地质和岩土工程性质的调查 调查的范围是地层需要处理的范围 工程调查的目的是解决以下三个问题 1 能否采用注浆方法处理 2 注浆处理时采用何种浆液材料 注浆压力和注浆量的确定 3 注浆处理后 地层强度增加或渗透性减小的程度 40 工程调查的内容包括以下几点 1 注浆区的地质构造及浆液可能流失的通道和空穴 2 地质分层及需要注浆处理地层的土质或岩性特征 3 需要处理地层的强度或渗透程度 4 构筑物的损害程度和注浆会对周围构筑物的影响 5 注浆过程中 废浆排放对环境的影响和注浆后地下水位的变化对邻近居民饮水及灌溉的影响 41 3 1注浆工程调查 砂砾沉积层注浆 一般采用渗透注浆 因而要获得每一层的渗透系数 孔隙率 孔隙的大小 地下水位及流速 流向和水的化学性质 土的颗粒大小是选择浆液类型和可注性的衡量指标 地层的孔隙率 n 决定着浆液的消耗量 渗透系数的大小影响浆液的注入速率 42 粘性土注浆加固 多采用劈裂注浆 土体的力学特性较为重要 裂隙岩体注浆 要了解注浆部位是属于断层 破碎带 还是软弱层 查明其产状及分布范围 要了解结构面的渗透几何参数 工程调查中的试验内容分为室内土工试验和现场试验 43 表 1注浆调查的试验内容 44 3 2注浆加固试验 1 注浆试验的目的及内容 45 46 3 2注浆加固试验 2 注浆孔的布置注浆试验时 试验孔的布置分为单孔注浆试验和群孔注浆试验 单孔试验是来检查设备能力是否满足试验要求 调查注浆的难易程度 注浆量和注浆压力等参数 群孔试验主要是检验各种试验效果 47 图1各种注浆孔的布置方式 48 3 3 1注浆加固范围的确定 1 地基加固计算地基承载力的大小可用下式计算 49 为地基土的重度 水下采用有效重度 为基础荷载面上的地基土的重度 水下采用有效重度 式中 为长期承载力标准值 kPa 为形状系数 为地基土的粘聚力 为承载力系数 粘聚力项 为承载力系数 内摩擦项 为承载力系数 埋深项 为基础埋深 如果进行短期强度计算时 可将式右边系数1 3变成2 3 50 图 2地基注浆加固范围 51 1 地基加固计算 注浆加固地基 主要改变地基土的 值 注浆后地基土的值变化较大 而和变化不太大 注浆加固地基 注浆范围超出基底宽度 1 2 b左右为好 52 图3等应力线和注浆范围 1 加载产生的等应力线2 加固后地基承载力等应力线 53 在持力层较浅时 持力层以上软弱层全部加固 持力层较深时 可用威斯塔卡特公式 根据等应力线或塑性区决定加固范围 图3 也可用有限元法模拟计算加固范围 54 2020 3 20 55 减小 值 可增大 2 基坑边坡及基底注浆加固 1 基坑边坡注浆加固基坑边坡的主动土压力为 图4 被动土压力为 注浆增加土体的 56 图4具有粘聚力的土压力强度分布 57 2 基坑边坡及基底注浆加固 1 基坑边坡注浆加固 设注浆前的土压力 注浆后的土压力 注浆后使坑壁稳定性增加量 考虑到安全性 注浆范围应深入到滑动面以下 注浆范围如图所示 图5基坑边坡注浆范围 58 2 基坑边坡及基底注浆加固 2 挡土墙背后的注浆加固对于挡土墙为H型钢的横向板桩 其注浆范围参数如下 59 图 6挡土墙后的注浆范围 60 2 基坑边坡及基底注浆加固 3 基坑底板的加固计算 在滑动面附近化学注浆基坑壁后荷重为 滑动力矩为 抗滑力矩为 安全系数为 为了不产生基底隆起 采用注浆方法提高 满足 1 2的条件 加固的深度应大于 即滑动面以下 加固的宽度应大于2 61 图7坑壁稳定分析图 62 2 基坑边坡及基底注浆加固 加固基坑底板据B B Broms的计算 对基底软粘土进行了3m厚的注浆加固 能使墙体的水平位移及地表沉降减少约50 支撑轴力减少约40 基底隆起减少约35 他还作了加固6m厚的比较 发现加固6m厚的各项指标仅比加固3m厚的减少了10 20 因此 他认为 加固3m厚是经济合理的 63 但根据上海工程实践情况 加固3m厚 地表沉降量与开挖深度之比为0 54 加固9 10m厚 沉降量与开挖深度之比仅为0 1 0 2 因此 软粘土在很软弱时 加固厚度的增加 其效果是明显的 64 3 隧洞及地下工程注浆加固 1 土质隧洞的注浆加固隧道开挖后 拱顶部的松动范围 拱顶松动土压力 注浆后 松动范围内的值增加 松动压力减小 65 图8土质隧洞松动区注浆范围 66 3 隧洞及地下工程注浆加固2 环形隧洞注浆加固 均匀土质隧道超前注浆应力表达式为 其中 图 9隧道应力图 67 注浆宽度为 68 3 隧洞及地下工程注浆加固 裂隙岩体围岩的注浆厚度可根据围岩松动圈厚度确定 围岩松动圈厚度可通过多点位移计或声波测试仪等测得 也可根据围岩的物理力学性质 按有关公式进行围岩松动圈厚度的计算 如修正的芬纳公式等 69 在松动圈内注浆 可形成外壳支护层 它具有较大的承载能力 支护层与岩体共同作用 加固圈的半径可使加固岩石环的承载力满足或大于作用于加固壳的压力 即 70 水电部门统计 围岩固结注浆深度在0 5 2 0倍隧洞半径间变化 建议按1 3倍隧洞半径计算 前苏联在巷道注浆加固中 加固带的厚度取3 5m 我国煤炭部门巷道注浆加固厚度约为2 3m 日本青函隧道则采用了如下的经验数据 一般地质条件 压浆半径是隧洞半径的2 4倍 地质条件不好时 压浆半径是隧洞半径的3 6倍 地质条件特别坏时 压浆半径是隧洞半径的8倍 71 4 竖井加固 地面预注浆与圆形隧洞相同 注浆厚度为 72 3 3 2注浆量的计算 计算注浆量时应考虑 注浆类型 岩土的孔隙率和裂隙率 浆液充填程度等因素 渗透注浆的好坏取决于渗透半径内体积土的孔隙充填程度 充填率越高 注浆的效果越好 劈裂注浆的注浆量与注浆范围内浆脉的多少有关 浆脉越多 注浆量也越多 注浆效果也越好 但浆液不可能无限制地注 应该有个最佳的注浆量 73 挤密注浆的浆量和浆泡的直径有关 挤密范围越大 要求的浆泡直径也越大 在不产生劈裂的条件下 浆泡直径是很有限的 浆量也有限 裂隙岩体注浆的注浆量与吸水率有关 下面分别讨论渗透注浆 劈裂注浆 裂隙岩体的注浆量计算方法 74 1 渗透注浆的注浆量计算 常用的渗透注浆的浆量计算公式为常见的渗透注浆地层有砂层和砂砾层 各地层的灌注充填率见表5 75 表5不同土层的灌注充填率 76 2 劈裂注浆的注浆量计算 对于脉状劈裂注浆 只考虑孔隙率为主体的注浆率是不能确定注浆量的 下面从三个方面来求注浆量 1 从土的含水率来求注浆量对于软塑性土 注浆时浆脉可以使土体发生压缩脱水 使天然含水量降低到塑限以下 土体变为硬塑状 加之脉状浆体成网状分布于土体 使土体稳定性增加 这种注浆通常称为软土固结注浆 注浆量表示为 77 2 从土被压缩的难易程度来求注浆量浆脉的插入可认为土颗粒间孔隙缩小 孔隙缩小的体积即为浆脉的总体积 这样可按照土的压缩指数来求注浆量 78 3 经验法仍按渗透注浆公式 对于粘性土值见表6 表6粘性土 值 79 工程实践经验 注浆量约为土体体积的10 或更大些 比较合理的办法是在现场通过观测到的注浆压力的变化来决定注浆量 80 3 裂隙岩体注浆量计算 1 注水泥浆液的起始水灰比霍尔斯比 1982 建议根据裂隙的平均宽度选择初始水灰比为 裂缝平均宽度 1 0 水灰比1 1 还可根据相同压力条件下的钻孔压水试验资料 按照表7选择浆液的起始浓度 81 表7注浆浆液的起始浓度 82 3 裂隙岩体注浆量计算 2 注灰量的估计水泥浆的注浆量与水灰比有很大的关系 故常将注浆量折算成注灰量或单位注灰量 每米段长的耗灰量 这样注浆量就与水灰比无关 迪尔提出单位耗浆量的分级 并指出任何小于10kg m的耗浆量完全是浪费时间和金钱 83 表8单位耗浆量的分级 84 3 3 3注浆压力 注浆压力控制的好坏是注浆成败的关键 在不考虑边界条件下 提高注浆压力 渗透注浆可以把土层颗粒孔隙中空气和水等全部排走 劈裂注浆脉压提高后 土颗粒更加密实和固结 但是压力超过边界条件允许的范围 就会引起地面 基础 结构物的变形和破坏 压力应控制在边界条件允许的最大注浆压力内 下面讨论最大容许注浆压力的确定 85 1 渗透注浆 1 根据注浆试验曲线确定注浆试验过程中 逐步提高注浆压力 可求得注浆压力与注浆量关系曲线 当压力 图12 10注浆压力和注浆量的关系 升至某一数值 注浆量突然增大时 表明地层已产生劈裂 因而把这一压力值定义为最大容许注浆压力 86 2 劈裂注浆 最大容许注浆压力式中 h为注浆处以上土柱高度 m 为注浆地基的天然重度 kN m3 为土的抗拉强度 kPa 一般软土地基中注浆压力在0 3 0 5MPa之间 在隧道内突泥或塌方处劈裂注浆 封闭情况下终压可以提高 87 3 裂隙岩体注浆1 考虑注浆段深度 地质条件的经验曲线图12 11是最大允许注浆压力的经验曲线 曲线未考虑允许压力上限 高压力将导致地层的水力劈裂 在帷幕注浆中是不希望发生的 图12 11中 坚固岩石 欧洲的经验法则 0 1MPa m 中等坚固岩石 软弱岩石 美国的经验法则 0 022MPa m 很不稳定的岩石 88 2 考虑地质条件 注浆方法以及浆液浓度的经验公式 图11覆盖层厚度与允许注浆压力的经验曲线 Houbby 1991 89 3 3 4注浆孔距 浆液的扩散半径与浆液的流变特性 胶凝时间 注浆压力 注浆时间等因素有关 在注浆范围和注浆半径确定后 就可以确定孔间距 确定孔间距时 既要考虑最大限度地发挥每个注浆孔的作用 减小工程造价 又要考虑孔与孔之间的相互搭接 达到均匀受浆 90 对于加固注浆 一般采用等距布孔 梅花型布置 孔间距一般为0 8 扩散半径 排间距为孔距的0 87倍 在砂性土层渗透注浆孔距取0 8 1 2m 在粘性土层 劈裂注浆孔间距取1 0 2 0m 裂隙岩体的帷幕化学注浆 大都是在已做水泥注浆的基础 以化学注浆弥补水泥注浆的不足 91 4灌浆质量检验 灌浆质量检验一般指检验灌浆施工是否合乎设计要求和施工规范 如灌浆材料的品种规格 浆液配比和性能 钻孔位置和角度 灌浆压力等 都要求符合规范的要求 否则应根据具体情况采取适当的补救措施 灌浆效果是指灌浆后可将地基土的物理力学性质提高的程度 灌浆质量高并不等于灌浆效果好 因此 在设计和施工中 除了明确某些质量指标外 还应规定所要达到的灌浆效果及检查方法 92 质量检验 灌浆效果的检验 通常在注浆结束后28天方可进行 检验方法如下 一 统计计算灌浆量 可利用灌浆过程中的浆液流量和灌浆压力自动曲线进行分析 从而判断灌浆效果 93 二 在灌浆体内薄弱部位 如地质条件不好 灌浆质量有问题 灌浆孔之间的搭接部位等处 钻孔作压水 注水或抽水试验 测定地层灌浆前后的渗透性变化 不合格者需要补充灌浆 检查孔数约为灌浆孔总数的2 5 对防渗灌浆而言 这是基本的和直接的检查手段 对加固灌浆而言 这是反映被灌地层的充填密实程度及力学性质改善的重要参考指标 94 三 在被灌体内钻孔或开挖 取原状试样做室内土工试验 以此对灌浆效果作出确切的评价 四 在被灌体内钻孔进行声波速度 动弹性摸量 旁压试验 也可以进行现场剪切和变形摸量试验 并将试验结果与液浆前作对比 以评价加固效果 五 对加固体进行开挖 进行原型观测 95 5工程实例土坝白蚁漏洞抢护及灌浆止漏 土栖白蚁危害 穿坝的现象长期以来困扰着水利工程的安全 威胁着人民生命财产的安全 是防汛抢险的心腹大患 以往采用埋药诱杀 挖巢 复合土工膜 防治等办法根治白蚁隐患效果都不十分明显 湖北省随州市毛儿冲水库大坝采用劈裂式帷幕灌浆法堵洞 杀死白蚁的实践证明该项技术是一种有效措施 较好地解决了堤坝白蚁治理难题 96 雨后 该库管理员发现迎水坡桩号 高程 处塌陷 当时库水位较低 在修复中发现坑内有较多白蚁活动 翻起浮土 用竹棍锥探 复合土工膜 底部 泥土已被白蚁掏空 出现跌窝现象 当时在该处采用农药拌和毒土筑层夯实 97 同年 月 日 时库水位上升至 时 桩号 高程 处发生浑水管涌 在紧急关头 岩子河乡迅速调集 余人投入抢险 通过降低水位 抢筑坝堤 控制了险情 但是 管涌洞仍发展到直径 98 针对上述情况 拟对险情处理实行帷幕灌浆 帷幕灌浆是不开挖处理土坝