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1、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
2、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CharlesBeriguy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
3、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
4、 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
5、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 柱形扩散理论 袖套管法理论 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
6、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 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 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
7、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 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
8、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
9、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
10、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
11、所示 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 在
12、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 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 图7 10两排孔设计图 对于两排孔 2 三排
13、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
14、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
15、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
16、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
