土木工程施工第7章 化学加固法

1、地基处理地基处理Foundation TreatmentFoundation Treatment河南科技大学规划与建筑工程学院高笑娟第七章 化学加固法 化学加固法指利用水泥浆液、粘土浆液或其它化学浆液，化学加固法指利用水泥浆液、粘土浆液或其它化学浆液，通过灌注压入、高压喷射或机械搅拌，使浆液与土颗粒胶结通过灌注压入、高压喷射或机械搅拌，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。灌起来，以改善地基土的物理和力学性质的地基处理方法。灌浆法创始于浆法创始于18021802年，法国工程师采用了灌注粘土和石灰浆的年，法国工程师采用了灌注粘土和石灰浆的方法修复了一座受冲刷的水闸。

2、此后，灌浆法已成为地基土方法修复了一座受冲刷的水闸。此后，灌浆法已成为地基土加固中的一种广泛使用的方法。加固中的一种广泛使用的方法。1 1、灌浆法、灌浆法（1 1）概念）概念 灌浆法是指利用液压、气压或电化学原理，通过注浆管灌浆法是指利用液压、气压或电化学原理，通过注浆管把浆液体均匀地注入地层中，浆液以填充、渗透和挤密等方把浆液体均匀地注入地层中，浆液以填充、渗透和挤密等方式，使土颗粒间或岩石裂隙中的水分和空气排出，经人工控式，使土颗粒间或岩石裂隙中的水分和空气排出，经人工控制一定时间后，浆液将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整制一定时间后，浆液将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整体形成一个结构新

3、、强度大、防水性能高和化学性良好的结体形成一个结构新、强度大、防水性能高和化学性良好的结石体。石体。（1 1）原理（定义）原理（定义） 利用气压、液压或电动化学等方法，把可固化的浆液灌利用气压、液压或电动化学等方法，把可固化的浆液灌入岩体的裂缝和土的孔隙中，使岩体和土体胶结成为一个结入岩体的裂缝和土的孔隙中，使岩体和土体胶结成为一个结构新、强度大、防水性能好和化学稳定性良好的构新、强度大、防水性能好和化学稳定性良好的“结石体结石体”，以改善其强度、变形特性及渗透性能。以改善其强度、变形特性及渗透性能。（2 2）适用范围）适用范围 多裂隙的岩石、断层破碎带、岩溶土洞、砂砾石地层、多裂隙的岩石、断

4、层破碎带、岩溶土洞、砂砾石地层、粉质土、粘土和淤泥质粘土。粉质土、粘土和淤泥质粘土。（3 3）工程应用）工程应用（4 4）分类）分类 按浆材品种：水泥、化学、粘土、沥青等按浆材品种：水泥、化学、粘土、沥青等 按灌浆岩土类型：裂隙岩石、砂砾石、粘土按灌浆岩土类型：裂隙岩石、砂砾石、粘土 按工程类型：坝基、隧洞、基坑按工程类型：坝基、隧洞、基坑 按功能：防渗、加固、基础托换按功能：防渗、加固、基础托换 按加固原理：渗入、劈裂、压密、电动化学按加固原理：渗入、劈裂、压密、电动化学（5 5）灌浆主要技术问题）灌浆主要技术问题 浆液材料浆液材料 灌浆工艺灌浆工艺灌浆材料及其性质灌浆材料及其性质粒状灌浆材

5、料（悬溶液）粒状灌浆材料（悬溶液）（1 1）水泥浆液）水泥浆液不稳定与稳定粒状浆材不稳定与稳定粒状浆材（2 2）超细水泥）超细水泥可灌比可灌比化学浆液（真溶液）化学浆液（真溶液）（1 1）硅酸钠为主剂的浆液）硅酸钠为主剂的浆液（2 2）丙稀酰胺浆液）丙稀酰胺浆液（3 3）改性环氧树脂浆液）改性环氧树脂浆液（4 4）聚氨酯浆液）聚氨酯浆液158515dND浆液性质浆液性质（1 1）材料的分散度）材料的分散度（2 2）沉淀析水性）沉淀析水性（3 3）凝结性）凝结性（4 4）热学性）热学性（5 5）收缩性）收缩性（6 6）结石强度）结石强度（7 7）渗透性）渗透性（8 8）耐久性）耐久性灌浆原理灌浆

6、原理渗入灌浆（渗入灌浆（infiltrationinfiltration groutinggrouting）（1 1）渗入灌浆原理）渗入灌浆原理 假定灌浆过程中岩土体的缝隙结构不受扰动和破坏，假定灌浆过程中岩土体的缝隙结构不受扰动和破坏，控制一定的灌浆压力作用，同时浆液颗粒要小于缝隙，浆液控制一定的灌浆压力作用，同时浆液颗粒要小于缝隙，浆液克服各种阻力渗入岩土体缝隙中。克服各种阻力渗入岩土体缝隙中。（2 2）劈裂灌浆原理）劈裂灌浆原理 通过一定的灌浆压力作用，克服原有岩土体的初始通过一定的灌浆压力作用，克服原有岩土体的初始应力和抗拉强度，使其沿垂直于小主应力平面发生劈裂，提应力和抗拉强度，使其

7、沿垂直于小主应力平面发生劈裂，提高灌浆效果。高灌浆效果。压密灌浆（压密灌浆（compaction groutingcompaction grouting）（1 1）压密灌浆原理）压密灌浆原理 浓浆置换和压密土的过程浓浆置换和压密土的过程（2 2）适用范围）适用范围 较软弱的土，如中砂，有排水条件的粘土地基等较软弱的土，如中砂，有排水条件的粘土地基等（3 3）灌浆压力）灌浆压力 控制压密灌浆效果的主要因素控制压密灌浆效果的主要因素浆泡浆泡水泥浆封闭水泥浆封闭电动化学灌浆电动化学灌浆electric and chemical groutingelectric and chemical grouti

8、ng（1 1）电动化学灌浆原理）电动化学灌浆原理 电渗排水和化学灌浆的结合电渗排水和化学灌浆的结合（2 2）适用范围）适用范围 渗透系数渗透系数k k1010-4-4cm/scm/s的地基土的地基土（3 3）电渗速度）电渗速度 、电渗系数、电渗系数 与电渗比降与电渗比降（4 4）灌浆时间）灌浆时间t t与浆液扩散距离与浆液扩散距离R R 式中，式中，l l和和A A分别为灌浆管的孔距和半径。分别为灌浆管的孔距和半径。灌浆设计要点灌浆设计要点（1 1）工程调查）工程调查 了解灌浆目的和要求了解灌浆目的和要求 了解场地与地基特性了解场地与地基特性（2 2）灌浆材料与工艺的选择）灌浆材料与工艺的选择

9、 改善强度和变形特性改善强度和变形特性高强浆材高强浆材 改善渗流特性改善渗流特性粘土水泥、粘土水玻璃等粘土水泥、粘土水玻璃等 地基类别地基类别 缝（孔）隙尺寸缝（孔）隙尺寸 特殊情况特殊情况如隧洞开挖时的流砂现象等如隧洞开挖时的流砂现象等确定灌浆标准确定灌浆标准质量指标质量指标1 1）防渗标准）防渗标准灌浆后渗透系数、单位吸水量灌浆后渗透系数、单位吸水量 重要工程重要工程k k1010-4-41010-5-5cm/scm/s 临时工程临时工程k k1010-3-3cm/scm/s 岩石地基岩石地基2 2）强度和变形标准）强度和变形标准 提高摩擦桩承载力提高摩擦桩承载力沿桩周边灌浆沿桩周边灌浆

10、提高端承桩承载力提高端承桩承载力桩底灌浆桩底灌浆 减少坝基不均匀变形减少坝基不均匀变形下游坝基灌浆下游坝基灌浆 振动基础振动基础改变地基的自然频率以消除共振改变地基的自然频率以消除共振 减小土压力减小土压力墙背和滑动面附近土体灌浆墙背和滑动面附近土体灌浆2 310L/m m minQwLHt（4 4）灌浆材料的技术要求、）灌浆材料的技术要求、 可灌性可灌性 流动性流动性 小析水性、稳定性小析水性、稳定性 无毒性无毒性 渗透性和强度满足工程要求渗透性和强度满足工程要求 凝结时间满足要求凝结时间满足要求 经济经济（5 5）浆液扩散半径）浆液扩散半径现场试验确定现场试验确定（6 6）灌浆孔的布置与灌

11、浆厚度的确定）灌浆孔的布置与灌浆厚度的确定单排孔单排孔二排孔二排孔最优排距：最优排距：有效厚度：有效厚度：m2Rrbr2l2bmBmRm2Brb2224brl2224lrb（7 7）容许灌浆压力的确定）容许灌浆压力的确定现场试验和规范现场试验和规范（8 8）灌浆量）灌浆量（9 9）灌浆顺序）灌浆顺序跳孔间隔注浆跳孔间隔注浆 有地下动水流有地下动水流水头高一端开始注浆水头高一端开始注浆 渗透系数相同土层渗透系数相同土层先上层封顶注浆，再由下而上灌浆先上层封顶注浆，再由下而上灌浆 渗透系数随深度增大渗透系数随深度增大由下而上灌浆由下而上灌浆 先外围、后内部灌浆先外围、后内部灌浆QVn灌浆施工灌浆施

12、工（1 1）钻孔）钻孔（2 2）灌浆方法）灌浆方法1 1）砂砾石层）砂砾石层 花管灌浆法花管灌浆法 套管护壁法套管护壁法 边钻边灌法边钻边灌法 袖阀管法袖阀管法2 2）裂隙岩石）裂隙岩石（3 3）质量检验）质量检验 渗透性能渗透性能 强度和变形性能强度和变形性能 处理范围检验处理范围检验套管护壁法套管护壁法边钻边灌法边钻边灌法灌浆在工程上的应用灌浆在工程上的应用（1 1）堤坝防渗与抗渗，设置灌浆帷幕）堤坝防渗与抗渗，设置灌浆帷幕（2 2）松软土层中地下工程预加固）松软土层中地下工程预加固（3 3）桥梁岩体支座加固）桥梁岩体支座加固（4 4）桩基灌浆）桩基灌浆（5 5）基础托换）基础托换（6 6

13、）基坑开挖围护结构防渗）基坑开挖围护结构防渗（7 7）锚固桩体加固）锚固桩体加固（2 2）灌浆的目的）灌浆的目的 1 1）增加地基土的不透水性。防止流砂、钢板桩渗水、坝）增加地基土的不透水性。防止流砂、钢板桩渗水、坝基漏水和隧道开挖时涌水，及改善地下工程的开挖条件；基漏水和隧道开挖时涌水，及改善地下工程的开挖条件； 2 2）防止边坡护岸的冲刷；）防止边坡护岸的冲刷； 3 3）整治坍方滑坡，处理路基病害；）整治坍方滑坡，处理路基病害； 4 4）提高地基土的承载力，减少地基的沉降和不均匀沉降；）提高地基土的承载力，减少地基的沉降和不均匀沉降； 5 5）进行托换技术，对古建筑的地基加固更为常用。）进

14、行托换技术，对古建筑的地基加固更为常用。（3 3）适用范围）适用范围2 2、深层水泥搅拌法、深层水泥搅拌法（1 1）概念）概念 水泥土搅拌法是利用水泥水泥土搅拌法是利用水泥( (或石灰或石灰) )等材料作为固化剂，等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂通过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂( (浆浆液或粉体液或粉体) )强制搅拌，由固化剂和软土间所产生的一系列物强制搅拌，由固化剂和软土间所产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固体，从而提高地基土强度和增大变形模量的地

15、度的水泥加固体，从而提高地基土强度和增大变形模量的地基处理方法。基处理方法。 （2 2）水泥土搅拌法的优点）水泥土搅拌法的优点 水泥土搅拌法加固软土技术，具有以下独特的优点：水泥土搅拌法加固软土技术，具有以下独特的优点： 1 1）水泥土搅拌法由于将固化剂和原地基软土就地搅拌）水泥土搅拌法由于将固化剂和原地基软土就地搅拌混合，因而最大限度地利用了原土；混合，因而最大限度地利用了原土； 2 2）搅拌时无振动、无噪音和无污染，可在市区内和密）搅拌时无振动、无噪音和无污染，可在市区内和密集建筑群中进行施工；集建筑群中进行施工； 3 3）搅拌时不会使地基侧向挤出，所以对周围原有建筑）搅拌时不会使地基侧向

16、挤出，所以对周围原有建筑物及地下沟管影响很小；物及地下沟管影响很小； 4 4）水泥土搅拌法形成的水泥土加固体，可作为竖向承）水泥土搅拌法形成的水泥土加固体，可作为竖向承载的复合地基、基坑工程围护挡墙、基坑被动区加固、防渗载的复合地基、基坑工程围护挡墙、基坑被动区加固、防渗帷幕、大体积水泥稳定土等，其设计灵活，可按不同地基土帷幕、大体积水泥稳定土等，其设计灵活，可按不同地基土的性质及工程设计要求，合理选择固化剂及其配方；的性质及工程设计要求，合理选择固化剂及其配方； 5 5）根据上部结构的需要，可灵活地采用柱状、壁状、）根据上部结构的需要，可灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固形式；格栅状和

17、块状等加固形式； 6 6）与钢筋混凝土桩基相比，可节约大量的钢材，并降）与钢筋混凝土桩基相比，可节约大量的钢材，并降低造价。低造价。（3 3）适用工程情况）适用工程情况 1 1）作为建筑物或构筑物的地基、厂房内具有地面荷载）作为建筑物或构筑物的地基、厂房内具有地面荷载的地坪、高填方路堤下基层等；的地坪、高填方路堤下基层等； 2 2）进行大面积地基加固、防止码头岸壁的滑动、深基）进行大面积地基加固、防止码头岸壁的滑动、深基坑开挖时作支护和减少软土中地下构筑物的沉降；坑开挖时作支护和减少软土中地下构筑物的沉降； 3 3）作为地下防渗墙以阻止地下渗透水流、对桩侧或板）作为地下防渗墙以阻止地下渗透水流

18、、对桩侧或板桩背后的软土进行加固。桩背后的软土进行加固。 4 4）对）对桩侧或板桩桩侧或板桩背后的软土加固以增加侧向承载能力。背后的软土加固以增加侧向承载能力。（4 4）适用土质）适用土质 （深层处理）：饱和粘性土（深层处理）：饱和粘性土 国内：淤泥、淤泥质土、地基承载力国内：淤泥、淤泥质土、地基承载力120kPa120kPa的粘性土的粘性土和粉性土地基（陆地、最大深度和粉性土地基（陆地、最大深度18m18m）；）； 国外：新吹填的超软土、泥炭土和淤泥质土等饱和软土国外：新吹填的超软土、泥炭土和淤泥质土等饱和软土（陆地和海底、最大深度（陆地和海底、最大深度60m60m）。）。 注意：注意： 含

19、高岭石、多水高岭石、蒙脱石等粘土矿物的软土加固含高岭石、多水高岭石、蒙脱石等粘土矿物的软土加固效果较好；效果较好； 含伊利石、氯化物和水铝石等矿物的粘性土及有机质含含伊利石、氯化物和水铝石等矿物的粘性土及有机质含量高、酸碱度（量高、酸碱度（PHPH值）较低的粘性土加固效果差。值）较低的粘性土加固效果差。（5 5）水泥土形成的机理及其性质）水泥土形成的机理及其性质 水泥土的形成水泥土的形成含水硅酸钙含水硅酸钙 2 2）影响因素）影响因素 氢氧化钙吸收量；氢氧化钙吸收量； 搅拌工艺；搅拌工艺； 影响水泥土力学性质的因素：影响水泥土力学性质的因素： A A：固化剂和外加剂：固化剂和外加剂 B B：水

20、泥的掺合量：水泥的掺合量 C C：龄期：龄期 D D：土的含水率：土的含水率 C C：有机质和砂粒含量：有机质和砂粒含量 D D：搅拌的方法与时间：搅拌的方法与时间 E E：试验强度：试验强度q qulul与标准强度与标准强度q qudududul0.2 0.5qq（6 6）水泥土搅拌桩的应用与设计）水泥土搅拌桩的应用与设计 1 1）概述）概述 A A：水泥搅拌桩体的类型及其作用：水泥搅拌桩体的类型及其作用B B：设计内容：设计内容 固化剂、外加剂的选择与配方固化剂、外加剂的选择与配方 施工工艺和流程施工工艺和流程 搅拌桩体型式、布置及其验算搅拌桩体型式、布置及其验算水泥土的配方设计水泥土的配

21、方设计（1 1）确定标准强度和试验强度）确定标准强度和试验强度（2 2）选用配方）选用配方（3 3）确定配方）确定配方搅拌工艺搅拌工艺水泥土加固地基的设计与计算水泥土加固地基的设计与计算( (房屋建筑房屋建筑) )（1 1）水泥土桩体的布置型式）水泥土桩体的布置型式（2 2）水泥土地基设计计算（桩型）水泥土地基设计计算（桩型）水泥土复合地基承载力标准值水泥土复合地基承载力标准值取小值取小值dksp kskp1Rfmm fAdkcu kpRfAdkpppsRq u lq ApnAmA承载力验算承载力验算实体基础法实体基础法沉降计算沉降计算桩土复合模量桩土复合模量ccsceupAGf AfAAf

22、AsceuccpAGfAAf AfAspsSSSspps1EmEm E 3 3、高压喷射注浆法、高压喷射注浆法 此法始创于日本，它是在化学注浆法的基础上，采用高压水射流切割技术而发展起来的。高压喷射注浆就是利用钻机钻孔，把带有喷嘴的注浆管插至土层的预定位置后，以高压设备使浆液成为20Mpa以上的高压射流，从喷嘴中喷射出来冲击破坏土体。部分细小的土料随着浆液冒出水面，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，并按一定的浆土比例有规律地重新排列。浆液凝固后，便在土中形成一个固结体与桩间土一起构成复合地基，从而提高地基承载力，减少地基的变形，达到地基加固的目的。 高压喷射注浆法

23、的主要特征高压喷射注浆法的主要特征 以高压喷射流直接冲击破坏土体，浆液与土以半置换或全置换凝固为固结体的高压喷射注浆法，从施工方法，加固质量到适用范围，不但与静压注浆法有所不同，而且与其他地基处理方法相比，亦有独到之处。高压喷射注浆法的主要特征如下： 适用的范围较广适用的范围较广旋喷注浆法以高压喷射流直接破坏并加固土体，固结体的质量明显提高。它既可用于工程新建之前，也可用于工程修建之中，特别是用于工程落成之后，显示出不损坏建筑物的上部结构和不影响运营使用的长处。 施工简便施工简便旋喷施工时，只需在土层中钻一个孔径为50mm或300mm的小孔，便可在土中喷射成直径为0.44.0m的固结体，因而能

24、贴近已有建筑物基础建设新建筑物。此外能灵活地成型，它既可在钻孔的全长成柱型固结体，也可仅作其中一段，如在钻孔的中间任何部位。 固结体形状可以控制固结体形状可以控制为满足工程的需要，在旋喷过程中，可调整旋喷速度和提升速度，增减喷射压力，可更换喷嘴孔径改变流量，使用固结体成为设计所需要的形状。 旋喷法施工时，喷嘴一面喷射一面旋转并提升，固结体呈圆柱状。主要用于加固地基，提高地基的抗剪强度，改善土的变形性质，也可组成闭合的帷幕，用于阻挡地下水流和治理流沙。旋喷法施工后，在地基中形成的圆柱体称为旋喷桩。 定喷法施工时，喷嘴一面喷射一面提升，喷射方向固定不变，固结体形如板状或壁状。 摆喷法施工时，喷嘴一

25、面喷射一面提升，喷射的方向呈较小角度来回摆动，固结体形如较厚墙状。 定喷及摆喷两种方法通常用于基坑防渗，改善地基土的水流性质和稳定边坡等工程。 可垂直喷射亦可倾斜和水平喷射可垂直喷射亦可倾斜和水平喷射 一般情况下，采用在地面进行垂直喷射注浆，而在隧道、矿山井巷工程、地下铁道等建设中，亦可采用倾斜和水平喷射注浆。 有较好的耐久性有较好的耐久性 在一般的软弱地基加固中，能预期得到稳定的加固效果并有较好的耐久性能可用于永久性工程。 料源广阔价格低廉料源广阔价格低廉 喷射的浆液是以水泥为主，化学材料为辅。除了在要求速凝超早强时使用化学材料以外，一般的地基工程的使用材料广阔，一般使用价格低廉的425号普

26、通硅酸盐水泥。若处于地下水流速快或含有腐蚀性元素、土含水量大或固结强度要求高的场合下，则可根据工程需要，在水泥中掺入适量的外加剂，以达到速凝、高强、抗冻、耐蚀和浆液不沉淀等效果。此外，还可以在水泥中加入一定数量的粉煤灰，这不但利用了废材，又降低了注浆材料的成本。 浆液集中浆液集中 流失较少流失较少 喷浆时，除一小部分浆液由于采用的喷射参数不适用等原因，沿着管壁冒出地面外，大部分浆液均聚集在喷射流的破坏范围内，很少出现在土中流窜到很远地方的现象。 设备简单设备简单 管理方便管理方便 高压喷射注浆全套设备结构紧凑、体积小、机动性强、占地少，能在狭窄和低矮的现场施工。 施工管理简便，在喷射过程中，通

27、过对喷射的压力、吸浆量和冒浆情况的测量，即可间接地了解旋喷的效果和存在的问题，以便及时调整旋喷参数或改变工艺，保证固结质量。无公害无公害 施工时机具的振动很小，噪声也较低，不会对周围建筑物带来振动影响及噪声、公害，更不存在污染水域、毒化饮用水源的问题。 以谢桥煤矿济河铁路中桥为例。它是由18个箱形框架组成，由于开采原因，该桥地表处已产生较大的沉陷及不均匀沉陷。为保证铁路运输，设计采用一系列加固改造措施，其中，对原桥体进行了在箱型框架结构的垮中加支撑墙的结构加固，但是箱形框架加高后，目前桥下地基承载力不满足要求，必须进行加固。在几种加固方法中，大部分在箱形框架被施工困难，还会大范围破坏箱形框架桥底版，影响其承载力，故不采用。而高压旋喷注浆法不仅没有以上缺点，且加固费用低、施工工艺简单、施工进度快、施工过程中煤炭运输可正常进行、加固质量和效果可靠等优点，故采用高压旋喷桩方案。（3 3）高压喷射注浆法的工程应用范围）高压喷射注浆法的工程应用范围1 1）增加地基强度）增加地基强度提高地基承载力，整治已有建筑物沉降和不均匀沉降的托换；提高地基承载力，整治已有建筑物沉降和不均匀沉降的托换；减少建筑物沉降，加固持力层或软弱下卧层；减少建筑物沉降，加固持力层或软弱下卧层；加强盾构法和顶管法的后座，形成反