7.1(灌浆法)

,地基处理,湖南科技大学,第七章 浆液固化法,7.1,灌浆法,7.2,水泥土搅拌法,7.3,高压喷射注浆法,主要内容,浆液固化法,：,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起来，以改善地基土的物理和力学性质的地基处理方法。,目前浆液固化法中常用的方法除原来已有的,灌浆法,外，后面出现了,高压喷射注浆法,和,水泥土搅拌法,。前者利用高压射水切削地基土，通过注浆管喷出浆液，就地将土和浆液进行搅拌混合，后者通过特制的搅拌机械，在地基深部将粘士颗粒和水泥强制拌和，使粘士硬结成具有整体性、水稳性和足够强度的地基土。,7.1.1,概 述,7.1,灌浆法,灌浆法,:,是指利用,液压,、,气压,或,电化学,原理，通过注浆管把浆液均匀地注入地层中，浆液以,填充、渗透,和,挤密,等方式，赶走土颗粒间或岩石裂隙中的,水分和空气,后占据其位置，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体，形成一个结构新、强度大、防水性能好和化学稳定性良好的,“,结石体,”,。,灌浆法的应用始于,1802,年,，,法国工程师,Charles,Beriguy,在,Dieppe,采用了灌注粘土和水硬石灰浆的方法修复了一座受冲刷的水闸。此后，灌浆法成为地基加固中的一种常用方法。,加固目的,有以下几个方面：,防渗,：,降低渗透性，减少渗流量，提高抗渗能力，降低孔隙压力。常用于防止流砂、钢板桩渗水、坝基漏水、隧道开挖时涌水以及改善地下工程的开挖条件；,堵漏,：,封填孔洞，堵截流水，增加边坡、堤岸的稳定性。常用于整治塌方、滑坡、堤岸以及蓄水结构等；,加固,：,提高岩土的力学强度和变形模量，固化地基和恢复工程结构的整体性。,纠正建筑物偏斜。,应用主要有以下几个方面,：,坝基的加固及防渗；,建筑物地基的加固；,土坡稳定性加固；,挡土墙后土体的加固；,已有结构的加固；,道路地基基础加固；,地下结构的止水及加固；,井巷工程中的加固及止水；,动力基础的抗振加固；,其他：预填骨料灌浆、后拉锚杆灌浆及钻孔灌注桩后灌浆。,景洪水电站,动态总投资为,90.75,亿元,溪洛渡水电站,是金沙江水电基地下游四个巨型水电站中最大的一个，拦河坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高,278,米,，是中国第二、世界第三大水电站，整个工程静态投资,503.4,亿,元人民币。,2003,年开始筹建，,2005,年底主体工程开工，,2015,年竣工投产,三峡水电站,（,1994-2009,）大坝高程,185,米，总投资,954.6,亿元人民币。,溪洛渡水电站,溪洛渡水电站,挡土墙后土体的加固,大坝帷幕灌浆,溢洪闸帷幕灌浆,建筑物地基的加固,土坡稳定性加固,隧道加固,道路地基基础加固,7.1.2,加固机理,(1),渗透灌浆：,是指在压力作用下使浆液填充土的孔隙和岩石的裂隙，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和体积，所用灌浆压力相对较小。这类灌浆一般只适用于中砂以上的砂性土和有裂隙的岩石。代表性的渗透灌浆理论有：,球形扩散理论、 柱形扩散理论和袖套管法理论。, 球形扩散理论,a.,被灌砂土为均质的、各向同性的；,b.,浆液为牛顿体；,c.,浆液从灌浆管底端注入地基土内；,d.,浆液在地层中呈球状扩散。,dh,h,h,0,地下水位,灌浆管,图,7-1,注降管底端注浆球型扩散图,dh,h,h,0,地下水位,灌浆管,图,7-1,注降管底端注浆球型扩散图, 柱形扩散理论, 袖套管法理论,图,7-2,浆液柱桩扩散图,x,dh,h,h,0,地下水位,灌浆管,r,q,A,A,A,A,(2),劈裂灌浆,：,是指在灌浆压力作用下，向钻孔泵送不同类型的流体，以克服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，使其垂直小主应力的平面上发生劈裂，使地层中原有的裂隙和孔隙张开，浆液的可灌性和扩散距离增大，而所用的,灌浆压力相对较高,。, 砂和砂砾石地层,粘性土地层,在粘性土地层中，水力劈裂将,引起,土体固结,及,挤出,等现,象。在固结作用条件，注入浆液的体积,V,及单位土体所需的浆液量,Q,：,:,在存在多种劈裂现象的条件下，土层被固结的程度,C,：,(3),压密灌浆,：,指通过在土中灌入极浓的浆液，在注浆点使土体挤密，在注浆管端部附近形成,“,浆泡,”,。当浆泡的直径较小时，灌浆压力基本上沿钻孔的径向扩展。随着浆泡尺寸的逐渐增大，便产生较大的上抬力而使地面抬动。,水泥浆封闭,浆泡,图,7-4,压密灌浆原理示意图,(4),电动化学灌浆,：,指在施工时将带孔的灌浆管作为阳极，用滤水管作为阴极，将溶液由阳极压入土中，并通以直流电，在电渗作用下，孔隙水由阳极流向阴极，促使通电区域中土的含水量降低，并形成渗浆通路，化学浆液也随之流入土的孔隙中，并在土中硬结。,A,B,水力坡降线,7.1.3,灌浆材料及选用原则,(1),灌浆材料：,灌浆材料由,主剂,(,原材料,),、,溶剂,(,水或其它溶剂,),及,外加剂,混合而成。通常所说的灌浆材料是指浆液中的主剂。外加剂可根据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。,灌浆材料常分为,粒状浆材,和,化学浆材,两个系统，其后再按材料的主要特点细分为,不稳定粒状浆材,、,稳定粒状浆材,、,无机化学浆材,和,有机化学浆材,等四类,粒状浆材,（悬液,）,化学浆材,（真溶液）,灌浆材料,不稳定粒状浆材,稳定粒状浆材,水泥浆,水泥砂浆等,粘土浆,水泥粘土浆,无机浆材,有机浆材,硅酸盐,环氧树脂类,甲基丙烯酸脂类,聚氨脂类,丙烯酰胺类,比,木质素类,其它,粒状浆材,：,主要包括,纯水泥浆,、,粘土水泥浆,及,水泥砂浆,三种，这些浆材容易取得、成本低廉。为了改善粒状浆材的性质，以适应各种自然条件和不同灌浆目的的需要，还常在浆液中掺入各种外加剂。,粒状浆材的,主要性质,包括：,1,分散度、,2,沉淀析水性、,3,凝结性、,4,热学性、,5,收缩性、,6,结石强度、,7,渗透性、,8,耐久性,。,化学浆材：,。,最大特点,：,浆液属于真溶液，初始粘度大都较小,，故可用来灌注,细小的裂隙或孔隙,，解决水泥浆材难于解决的复杂地质问题。化学浆材的,主要缺点,：,造价较高和存在污染环境问题,，使这类浆材的推广应用受到较大的局限。, 混合型浆材,：,包括,聚合物水玻璃浆材,、,聚合物水泥浆材,和,水泥水玻璃,浆材等几类。此类浆材包括了上述各类浆材的性质，或用来降低浆材成本，或用来满足单一材料不能实现的性能，尤其是,水玻璃水泥浆材,，由于具有成本低和速凝的特点，现以被广泛用来加固软土层和解决地基中的特殊问题。,7.1.4,灌浆设计,(1),设计程序和设计内容, 设计程序,a.,地质调查,。查明场地工程地质特性和水文地质条件。,b.,方案选择,。根据工程性质、灌浆目的及地质条件，初步选定灌浆方案。,c.,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。,d.,设计和计算,。确定各项灌浆参数和技术措施。,e.,补充和修改设计,。在施工期间和竣工后的运营过程中，根据观测所得的异常情况，对原设计进行必要的调整。,设计内容,a.,灌浆标准,。通过灌浆要达到的效果和质量指标。,b.,施工范围,。包括灌浆深度、长度和宽度。,c.,灌浆材料,。包括浆材种类和浆液配方。,d.,浆液影响半径,。指浆液在设计压力下所能达到的有效扩散距离。,e.,钻孔布置,。根据浆液影响半径和灌浆体设计厚度，确定合理的孔距、排距、孔数和排数。,f.,灌浆压力,。规定不同地区和不同深度的允许最大灌浆压力。,g.,灌浆效果评估,。用各种方法和手段检测灌浆效果。,(2),水泥浆液灌注法,水泥浆液一般都采用,普通硅酸盐水泥,为主剂，是一种,悬浊液,，它能形成强度较高和渗透性较小的结石。, 灌浆标准,：,a.,防渗标准,：。在,砂或砂砾石地基,中，防渗标准都采用,渗透系数,来控制。在,岩石地基,中，我国多采用,单位吸水量,来控制。,b.,强度和变形标准,c.,施工控制标准,：,。,1),在正常情况下注入理论耗浆量,Q,，,2),按耗浆量降低率进行控制, 浆材及配方设计原则,水泥品种应根据,灌浆目的,和,环境水,的侵蚀作用等设计确定，一般情况下，可采用,硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥,。,水泥浆液存在的主要问题：,析水性大、稳定性差，水灰比越大，上述问题越突出,。,水工建筑物水泥灌浆施工技术规范（,DL/T5148,2001,）规定：,水泥浆液水灰比不宜大于,1,。,此外，纯水泥浆凝结时间较长，受冲刷和稀释。常在水泥中掺入各种附加剂，如表,7-1,所示。,名 称,试 剂,掺量占水泥重,（,%,）,说 明,速凝剂,氯化钙,12,加速凝结和硬化,硅酸钠,0.53,加速凝结,铝酸钠,缓凝剂,木质素磺酸钙,0.20.5,亦增加流动性,酒石酸,0.10.5,糖,流动剂,木质素磺酸钙,0.20.3,加气剂,去垢剂,0.05,产生空气,松香树脂,0.10.2,产生约,10%,的空气,膨胀剂,铝粉,0.0050.02,约膨胀,15%,饱和盐水,3060,约膨胀,1%,防析水剂,纤维素,0.20.3,硫酸铝,约,20,产生空气,浆液扩散半径的确定,扩散半径,r,是一个重要的参数，可按理论公式进行估算或参照当地经验或相关资料确定。,a.,在现场进行试验时，选择不同特点的地基，用不同的灌浆方法，以求不同条件下的浆液的,r,值；,b.,所谓扩散半径,为符合设计要求的扩散距离；,c.,在确定扩散半径时，,要选择多数条件下可达到的数值,，而不是取平均值；,d.,当有些地层因渗透性较小而不能达到,r,值时，,可提高灌浆压力或浆液的流动性，,必要时还可在局部地区增加钻孔以缩小孔距。,孔位布置,:,灌浆孔的布置是根据浆液的注浆有效范围，且应相互重迭，使被加固土体在平面和深度范围内连成一个整体的原则决定的。,a.,单排孔的布置,设灌浆体的设计厚度为,T,，,则灌浆孔距可按下式计算：,l,r,r,b,在按上式进行孔距设计时，可能出现以下几种情况：,1),当,l,值接近零时,，,b,值仍不能满足设计厚度时（,b,T,），应考虑采用多排灌浆孔；,2),虽单排孔能满足设计要求，但若孔距太小，钻孔数太多，就应进行两排孔的方案比较；,3),当,l,值较大且设计,T,值也较大时，对减少钻孔数是有利的，但因,l,值越大，可能造成的浆液浪费量也很大，故设计时应对钻孔费用和浆液费用进行比较，现以图,7-9,来说明。,l,L,L,T,r,r,h,h,h,h,T,为设计帷幕厚度，,h,为弓形长，每个灌浆孔的无效面积：,b.,多排孔布置,多排孔的设计原则是要,充分发挥灌浆孔的潜力，以获得最大的灌浆体厚度,，不允许出现两排孔间的搭接不紧密的,“,窗口,”,，也不要求搭接过多出现浪费。,(a),(b),(a),孔排间搭接不紧密；,(b),搭接过多,R,m,B,m,B,m,r,b,/2,图,7-10,两排孔设计图,对于两排孔：,2),三排孔：,3),五排孔：,奇数排：,偶数排：, 容许灌浆压力的确定,:,灌浆压力是,指不会使地表面产生变化和邻近建筑物受到影响前提下可能采用的最大压力,。,采用较高的灌浆压力，在保证灌浆质量的前提下，,1,使钻孔数尽可能减少,。,2,能使一些微细孔隙张开，有助于,提高可灌性,。,3,能在充填物中软弱材料造成,劈裂灌注,，使软弱材料的密度、强度和不透水性等得到改善。,4,高灌浆压力还有助于,挤出浆液中的多余水分,，使浆液结石的强度提高。,但是，当灌浆压力超过地层的压重和强度时，将有可能导致地基及其上部结构的破坏，因此，,一般都以不使地层结构破坏或仅发生局部的和少量的破坏，作为确定地基容许灌浆压力的基本原则。, 其它,a.,灌浆量的确定,:,所需的浆液总用量,Q,可参照下式计算：,b.,注浆顺序,:,注浆顺序必须采用适合于地基条件，现场环境及注浆目的的方法进行，,一般,不宜采用自注浆地带某一端单向推进压注方式,。,应按,跳孔间隔注浆,方式进行，以防止窜浆,，,提高注浆孔内浆液的强度和与时俱增的约束性。,对有地下水流动的特殊情况，应考虑浆液在动水流下的迁移效应，,从水头高的一端开始注浆,。,对加固渗透系数相同的土层，,首先应完成最上层封顶注浆，然后再按由下而上的原则进行注浆，以防浆液上冒。,如土层的渗透系数随深度而增大，则应自下而上进行注浆。,注浆时应采用,先外围，后内部,的注浆方法；若注浆范围以外有边界约束条件（能阻挡浆液流动的障碍物）时，也可采用自内侧开始顺次往外侧的注浆方法。,(3),单液硅化法,:,单液硅化法是指采用,硅酸钠溶液,注入地基中，使土粒之间及其表面形成硅酸凝胶薄膜，增强了土颗粒间的联结，赋予土耐水性、稳固性和不湿陷性，并提高土的抗压强度和抗剪强度的地基处理方法。,它适用于处理地下水位以上渗透系数为,0.10-2.00m/d,的,湿陷性黄土地基,。,单液硅化法按其灌注溶液的工艺，可分为,压力灌注,和,溶液自渗,两种, 灌浆量的确定,:,单液硅化法应由浓度为,10%-15%,的硅酸钠（,Na2O,nSiO2,）溶液,，掺入,2.5%,氯化钠,组成。其相对密度为,1.13-1.15,，并不应小于,1.10,。,当硅酸钠溶液的浓度大于加固湿陷性黄土所要求的浓度时，应将其加水稀释，加水量可按式（,7.26,）估算：, 孔位布置,:,采用单液硅化法加固湿陷性黄土地基，灌注孔的布置应符合下列要求：,a.,灌注孔的间距：压力灌注宜为,0.8-1.2m,，溶液自渗为,0.40-0.60m,；,b.,加固拟建的设备基础和建（构）筑物的地基，应在基础底面下按等边三角形满堂布置，超出基础底面的宽度，每边不得小于,1m,；,c.,加固既有建（构）筑物和设备基础的地基，应沿基础侧向布置，每侧不宜少于,2,排。,(4),碱液法,:,将加热后的,碱液（即氢氧化钠溶液），,以,无压自流方式,注入土中，使土粒表面溶合胶结形成难溶于水的、具有高强度的,钙、铝硅酸盐络合物,，从而达到,消除黄土湿陷性,，,提高地基承载力的地基处理方法。,当,100g,干土中可溶性和交换性钙镁离子含量大于,10mg,eq,时，可采用,单液法,，即只灌注,氢氧化钠一种溶液,加固；否则，应采用,双液法,，即需采用,氢氧化钠溶液和氯化钙溶液轮番灌注加固,。碱液法适用于处理地下水位以上渗透系数为,0.10-2.00m/d,的湿陷性黄土地基。对酸性土和已掺入沥青、油脂及石油化合物的地基土，亦不宜采用碱液法。,加固深度,:,加固深度应根据场地的湿陷类型、地基湿陷等级和湿陷黄土层厚度，并结合建筑物类别与湿陷事故的严重程度等综合因素确定。加固深度宜为,2-5m,。对非自重湿陷性黄土地基，加固深度可为基础宽度的,1.5-2.0,倍,。对,II,级自重湿陷性黄土地基，加固深度可为基础宽度的,2.0-3.0,倍,。, 加固土层厚度,:,碱液加固地基的半径,r,，宜通过现场试验确定。也可按下式估算：, 灌浆量的确定,:,例,7-1,某湿陷性黄土地基采用碱液法加固，已知灌注孔长度,10m,，有效加固半径,0.4m,，黄土天然孔隙率为,50%,，固体烧碱中,NaOH,含量为,85%,，要求配置碱液浓度,100g/L,，设充填系数,=0.68,，工作条件系数,取,1.1,，试求每孔灌注固体烧碱量。,解：每孔灌浆量的确定,:,每孔灌注固体烧碱量,:,7.1.5,施工方法（自学）,1.,水泥浆液灌注法,自上而下分段灌浆程序示意图,(a),钻进第,1,段,(b),第,1,段灌浆,(c),钻进第,2,段,(d),第,2,段灌浆,(e),钻进第,3,段,(f),第,3,段灌浆,(f),(e),(d),(c),(b),(a),灌浆塞,固结灌浆按分序加密原则，采用自上而下、孔内循环法施工,1.,水泥浆液灌注法,孔口封闭自上而下分段灌浆法施工程序示意图,(f),(e),(d),(c),(b),(a),灌浆塞,孔口封闭器,56mm,91mm,56mm,50cm,50cm,50cm,(a),钻进第,1,段,(b),第,1,段灌浆,(c),钻进第,2,段,(d),第,2,段灌浆,(e),钻进第,3,段,(f),第,3,段灌浆,帷幕灌浆按分序加密原则，采用孔口封闭自上而下、孔内循环法施工,1.,水泥浆液灌注法, 灌浆施工方法分类,a.,花管灌浆法,; b.,袖阀管法,;,c.,循环灌浆,; d.,岩溶灌浆,;,灌浆施工注意事项,2.,单液硅化法, 施工步骤,a.,压力灌注溶液的施工步骤，应符合下列要求：,b.,溶液自渗的施工步骤，应符合下列要求：,施工注意事项,a.,施工中应经常检查个灌注孔的加固深度，注入土中的溶液量、溶液的浓度和有无沉淀现象。采用压力灌注时，应经常检查在灌注溶液过程中，如,发现溶液冒出地面,，应立即停止灌注，采取有效措施后再继续灌注。,b.,计算溶液量全部注入土中后，所有,灌注孔宜用,2:8,灰土分层回填夯实,。,c.,采用单液硅化法加固既有建（构）筑物或设备基础的地基时，在灌注硅酸钠溶液过程中，应进行沉降观测，当发现建（构）筑物或设备基础的,沉降突然增大或出现异常情况时,，应立即停止灌注溶液，待查明原因并采取有效措施处理后，再继续灌注。,3.,碱液法, 成孔,:,灌注孔可用,洛阳铲,、,螺旋钻,成孔或用带有尖端的钢管打入土中成孔，孔径为,60-110mm,，孔中填入粒径为,20-40mm,的石子，直到注液管下端标高处，再将内径,20mm,的注液管插入孔中，管底以上,300mm,高度内填入粒径为,2-5mm,的小石子，其上用,2:8,灰土分层回填夯实。, 浆液配制,:,碱液可用,固体烧碱或液体烧碱,配制，加固,1m,3,黄土需要,NaOH,量约为干土质量的,3%,，即,35g-45g,。碱液浓度不应低于,90g/L,，常用浓度为,90-100g/L,。双液加固时，,氯化钙溶液,的浓度为,50-80g/L,。,a.,采用固体烧碱配制每,1m,3,浓度为,M,的碱液时，,1m,3,水中加碱量为：,b.,采用液体烧碱配制每,1m,3,浓度为,M,的碱液时，投入的液体烧碱量为：,加水量为：,施工注意事项,a.,碱液加固施工，应合理安排灌注顺序、控制灌注温度及灌注速率。宜间隔,1-2,孔灌注，并分段施工，相邻两孔灌注的,间隔时间不宜少于,3d,，同时灌注的,孔距不应小于,3m,。灌注施工时，,应在盛溶液桶中将碱液加热到,90,以上才能进行灌注，灌注过程中桶内溶液温度应保持不低于,80,。灌注碱液的速度宜为,2-5L/min,。,b.,当采用双液加固时，,应先灌注氢氧化钠溶液，间隔,8-12h,后，再灌注氯化钙溶液，后者用量为前者的,1/4-1/2,。,c.,施工中应防止污染水源，并应安全操作。,7.1.6,灌浆质量检验,(1),水泥浆液灌注法,(2),单液硅化法,硅酸钠溶液灌注完毕，,应在,7-10d,后,，对加固的地基土进行检验。单液硅化法处理后的地基竣工验收时，承载力及均匀性应采用动力触探或其他原位测试检验。必要时，尚应在加固土的全部深度内，,每隔,1m,取土样,进行室内试验，测定其压缩性和湿陷性。,地基加固结束后，尚应对已加固的地基的建（构）筑物或设备基础进行沉降观测，直至沉降稳定，,观测时间不应少于半年,。,(3),碱液法,碱液加固施工应作好施工记录，检查碱液浓度及每孔注浆量是否符合设计要求。碱液加固地基的,竣工验收,，应在加固,施工完毕,28d,后进行,，可通过开挖或钻孔取样，对加固土体进行无侧限抗压强度试验和水稳性试验。取样部位应在加固土体中部，试块数,不少于,3,个,，,28d,龄期的无侧限抗压强度平均值不得低于设计值的,90%,。将试块泡在水中，无崩解。当需要查明加固土体的外形和整体性时，可对有代表性加固土体进行开挖，量测其有效加固半径和加固深度。,本节结束,