施工手册(第四版)第七章地基处理与桩基工程7-1-6-注浆地基.doc

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7-1-6 注浆地基
7-1-6-1 水泥注浆地基
水泥注浆地基是浆水泥浆，通过压浆泵、灌浆管均匀地注入土体中，以填充、渗透和挤密等方式，驱走岩石裂隙中或土颗粒间的水分和气体，并填充其位置，硬化后将岩土胶结成一个整体，形成一个强度大、压缩性低、抗渗性高和稳定性良好的新的岩土体，从而使地基得到加固，可防止或减少渗透和不均匀的沉降，在建筑工程中应用较为广泛。
1．特点及适用范围
水泥注浆法的特点是：能与岩土体结合形成强度高、渗透性小的结石体；取材容易，配方简单，操作易于掌握；无环境污染，价格便宜等。
水泥注浆适用于软粘土、粉土、新近沉积粘性土、砂土提高强度的加固和渗透系数大于10-2cm/s的土层的止水加固以及已建工程局部松软地基的加固。
2．机具设备
灌浆设备主要是压浆泵，其选用原则是：能满足灌浆压力的要求，一般为灌浆实际压力的1.2~1.5倍；应能满足岩土吸浆量的要求；压力稳定，能保证安全可靠地运转；机身轻便，结构简单，易于组装、拆卸、搬运。
水泥压浆泵多用泥浆泵或砂浆泵代替。国产泥浆泵、砂浆泵类型较多，常用于灌浆的有BW-250/50型、TBW-200/40型、TBW-250/40型、NSB-100/30型泥浆泵以及100/15（C-232）型砂浆泵等。配套机具有搅拌机、灌浆管、阀门、压力表等，此外还有钻孔机等机具设备。
3．材料要求及配合比
（1）水泥
用强度等级32.5或42.5普通硅酸盐水泥；在特殊条件下亦可使用矿渣水泥、火山灰质水泥或抗硫酸盐水泥，要求新鲜无结块。
（2）水
用一般饮用淡水，但不应采用含硫酸盐大于0.1%、氯化钠大于0.5%以及含过量糖、悬浮物质、碱类的水。
灌浆一般用净水泥浆，水灰比变化范围为0.6~2.0，常用水灰比从8:1到1：1；要求快凝时，可采用快硬水泥或在水中掺入水泥用量1%~2%的氯化钙；如要求缓凝时，可掺加水泥用量0.1%~0.5%的木质素磺酸钙；亦可掺加其他外加剂以调节水泥浆性能。在裂隙或孔隙较大、可灌性好的地层，可在浆液中掺入适量细砂，或粉煤灰比例为1：0.5~1：3，以节约水泥，更好的充填，并可减少收缩。对不以提高固结强度为主的松散土层，亦可在水泥浆中掺加细粉质粘土配成水泥粘土浆，灰泥比为1：3~8（水泥：土，体积比），可以提高浆液的稳定性，防止沉淀和析水，使填充更加密实。
4．施工工艺方法要点
（1）水泥注浆的工艺流程为：钻孔→下注浆管、套管→填砂→拔套管→封口→边注浆边拔注浆管→封孔。
（2）地基注浆加固前，应通过试验确定灌浆段长度、灌浆孔距、灌浆压力等有关技术参数；灌浆段长度根据土的裂隙、松散情况、渗透性以及灌浆设备能力等条件选定。在一般地质条件下，段长多控制在5~6m；在土质严重松散、裂隙发育、渗透性强的情况下，宜为2~4m；灌浆孔距一般不宜大于2.0m，单孔加固的直径范围可按1~2m考虑；孔深视土层加固深度而定；灌浆压力是指灌浆段所受的全压力，即孔口处压力表上指示的压力，所用压力大小视钻孔深度、土的渗透性以及水泥浆的稠度等而定，一般为0.3~0.6MPa。
（3）灌浆施工方法是先在加固地基中按规定位置用钻机或手钻钻孔到要求的深度，孔径一般为55~100mm，并探测地质情况，然后在孔内插入直径38~50mm的注浆射管，管底部1.0~1.5m管壁上钻有注浆孔，在射管之外设有套管，在射管与套管之间用砂填塞。地基表面空隙用1：3水泥砂浆或粘土、麻丝填塞，而后拔出套管，用压浆泵浆水泥浆压入射管而透入土层孔隙中，水泥浆应连续一次压入，不得中断。灌浆先从稀浆开始，逐渐加浓。灌浆次序一般把射管一次沉入整个深度后，自下而上分段连续进行，分段拔管直至孔口为止。灌浆宜间隙进行，第1组孔灌浆结束后，再灌第2组、第3组。
（4）灌浆完后，拔出灌浆管，留孔用1：2水泥砂浆或细砂砾石填塞密实；亦可用原浆压浆堵口。
（5）注浆充填率应根据加固土要求达到的强度指标、加固深度、注浆流量、土体的孔隙率和渗透系数等因素确定。饱和软粘土的一次注浆充填率不宜大于0.15~0.17。
（6）注浆加固土的强度具有较大的离散性，加固土的质量检验宜采用静力触探法，检测点数应满足有关规范要求。检测结果的分析方法可采用面积积分平均法。
5．质量控制
（1）施工前应检查有关技术文件（注浆点位置、浆液配比、注浆施工技术参数，检测要求等），对有关浆液组成材料的性能及注浆设备也应进行检查。
（2）施工中应经常抽查浆液的配比及主要性能指标、注浆的顺序、注浆过程中的压力控制等。
（3）施工结束后应检查注浆体强度、承载力等。检查孔数为总量的2%~5%，不合格率大于或等于20%时应进行2次注浆。检验应在15d（对砂土、黄土）或60d（对粘性土）进行。
（4）水泥注浆地基的质量检验标准如表7-25所示。
水泥（硅化）注浆地基质量检验标准 表7-25
项
序
检查项目
允许偏差或允许值
检查方法
单位
数值
主控项目
1
原材料检验
水泥
设计要求
查产品合格证书或抽样送检
注浆用砂：粒径
细度模数
含泥量及有机物含量
mm

%
＜2.5
＜2.0
＜3
试验室试验
粉煤灰：细度
烧失量
不粗于同时使用的水泥
试验室试验
%
＜3
水玻璃：模数
2.5~3.3
抽样送检
其他化学浆液
设计要求
查出厂质保书或抽样送检
2
注浆体强度
设计要求
取样检验
3
地基承载力
设计要求
按规定的方法
一般项目
1
各种注浆材料称量误差
%
＜3
抽查
2
注浆孔位
mm
±20
用钢尺量
3
注浆孔深
mm
±100
量测注浆管长度
4
注浆压力（与设计参数比）
%
±10
检查压力表读数
7-1-6-2 硅化注浆地基
硅化注浆地基系利用硅酸钠（水玻璃）为主剂的混合溶液（或水玻璃水泥浆），通过注浆管均匀地注入地层，浆液赶走土粒间或岩土裂隙中的水分和空气，并将岩土胶结成一整体，形成强度较大、防水性能好的结石体，从而使地基得到加强，本法亦称硅化注浆法或硅化法。
1．硅化法分类及加固机理
硅化法根据浆液注入的方式分为压力硅化、电动硅化和加气硅化三类。压力硅化根据溶液的不同，又可分为压力双液硅化、压力单液硅化和压力混合液硅化三种。
（1）压力双液硅化法
系将水玻璃与氯化钙溶液用泵或压缩空气通过注液管轮流压入土中，溶液接触反应后生成硅胶，将土的颗粒胶结在一起，使具有强度和不透水性。氯化钙溶液的作用主要是加速硅胶的形成，其反应式为：
Na2O·nSiO2＋CaCl2＋mH2O→nSiO2·（m-1）H2O＋Ca（OH）2＋2NaCl
（2）压力单液硅化法
系将水玻璃单独压入含有盐类（如黄土）的土中，同样使水玻璃与土中钙盐起反应生成硅胶，将土粒胶结，其反应式为：
Na2O·nSiO2＋CaSO4＋mH2O→nSiO2（m-1）H2O＋Na2SO4＋Ca（OH）2
（3）压力混合液硅化法
系将水玻璃和铝酸钠混合液一次压入土中，水玻璃与铝酸钠反应，生成硅胶和硅酸铝盐的凝胶物质，粘结砂土，起到加固和堵水作用，其反应式为：
3（Na2O·nSiO2）＋Na2OAl2O3→Al（SiO3）3＋3（n-1）SiO2＋4Na2O
（4）电动硅化法
又称电动双液硅化法，电化学加固法，是在压力双液硅化法的基础上设置电极通入直流电，经过电渗作用扩大溶液的分布半径。施工时，把有孔灌浆液管作为阳极，铁棒作为阴极（也可用滤水管进行抽水），将水玻璃和氛化钙溶液先后由阳极压入土中，通电后，孔隙水由阳极流向阴极，而化学溶液也随之渗流分布于土的孔隙中，经化学反应后生成硅胶，经过电渗作用还可以使硅胶部分脱水，加速加固过程，并增加其强度。
（5）加气硅化法
系先在地基中注入少量二氧化碳（CO2）气体，使土中空气部分被CO2所取代，从而使土体活化，然后将水玻璃压入土中，其后又灌入CO2气体，由于碱性水玻璃溶液强烈地吸收CO2形成自真空作用，促使水玻璃溶液在土中能够均匀分布，并渗透到土的微孔隙中，使95%~97%的孔隙被硅胶所填充，在土中起到胶结作用，从而使地基得到加固，加气硅化的化学反应方程式为：
Na2SiO3＋2CO2＋nH2O→SiO2·nH2O＋2Na2HCO3
2．特点及适用范围
硅化法特点是：设备工艺简单，使用机动灵活，技术易于掌握，加固效果好，可提高地基强度，消除土的湿陷性，降低压缩性。根据检测，用双液硅化的砂土抗压强度可达1.0~5.0MPa；单液硅化的黄土抗压强度达0.6~1.0MPa；压力混合液硅化的砂土强度达1.0~1.5MPa；用加气硅化法比压力单液硅化法加固的黄土的强度高50%~100%，可有效地减少附加下沉，加固土的体积增大一倍，水稳性提高1~2倍，渗透系数可降低数百倍，水玻璃用量可减少20%~40%，成本降低30%。
各种硅化方法适用范围，根据被加固土的种类、渗透系数而定，可参见表7-26。硅化法多用于局部加固新建或已建的建、（构）筑物基础、稳定边坡以及作防渗帷幕等。但硅化法不宜用于为沥青、油脂和石油化合物所浸透和地下水pH值大于9.0的土。
各种硅化法的适用范围及化学溶液的浓度 表7-26
硅化方法
土的种类
土的渗透系数（m/d）
溶液的密度（t＝18℃）
水玻璃（模扩2.5~3.3）
氯化钙
压力双液硅化
砂类土和粘性土
0.1~10
1.35~1.38
1.26~1.28
10~20
1.38~1.41

20~80
1.41~1.44

压力单液硅化
湿陷性黄土
0.1~2
1.13~1.25

压力混合液硅化
粗砂、细砂
-
水玻璃与铝酸钠按体积比1：1混合

电动双液硅化
各类土
≤0.1
1.13~1.21
1.07~1.11
加气硅化
砂土、湿陷性黄土、一般粘性土
0.1~2
1.09~1.21
-
注：压力混合液硅化所用水玻璃模数为2.4~2.8，波美度40°；水玻璃铝酸钠浆液温度为13~15℃，凝胶时间为13~15s，浆液初期粘度为4×10-3Pa·s。
3．机具设备及材料要求
（1）硅化灌浆主要机具设备有：振动打拔管机（振动钻或三角架穿心锤）、注浆花管、压力胶管、φ42mm联接钢管、齿轮泵或手摇泵、压力表、磅秤、浆液搅拌机、贮液罐、三角架、倒链等。
（2）灌浆材料有：水玻璃，模数宜为2.5~3.3，不溶于水的杂质含量不得超过2%，颜色为透明或稍带混浊；氯化钙溶液；pH值不得小于5.5~6.0，每1L溶液中杂质不得超过60g，悬浮颗粒不得超过1%；硅化所用化学溶液的浓度，可参见表7-26规定的密度值采用；铝酸钠，含铝量为180g/L，苛化系数2.4~2.5；二氧化碳，采用工业用二氧化碳（压缩瓶装）。
采用水玻璃水泥浆注浆时，水泥用强度等级32.5普通水泥，要求新鲜无结块；水玻璃模数一般用2.4~3.0，浓度以30~45波美度合适。水泥水玻璃配合比为：水泥浆的水灰比为0.8：1~1：1；水泥浆与水玻璃的体积比为1：0.6~1：1。对孔隙较大的土层亦可采用“三水浆”，常用配合比为：水泥：水：水玻璃：细砂=1：0.7~0.8：适量：0.8。
4．施工工艺方法要点
（1）施工前，应先在现场进行灌浆试验，确定各项技术参数。
（2）灌注溶液的钢管可采用内径为20~50mm，壁厚大于5mm的无缝钢管。它由管尖、有孔管、无孔接长管及管头等组成。管尖作成25°~30°圆锥体，尾部带有丝扣与有孔管连接；有孔管长一般为0.4~1.0m，每米长度内有60~80个直径为1~3mm向外扩大成喇叭形的孔眼，分4排交错排列；无孔接长管一般长1.5~2.0m，两端有丝扣。电极采用直径不小于22mm的钢筋或直径33mm钢管。通过不加固土层的注浆管和电极表面，须涂沥青绝缘，以防电流的损耗和作防腐。灌浆管网系统包括输送溶液和输送压缩空气的软管、泵、软管与注浆管的连接部分、阀等，其规格应能适应灌筑溶液所采用的压力。泵或空气压缩设备应能以0.2~0.6MPa的压力，向每个灌浆管供应1~5L/min的溶液压入土中，灌浆管的平面布置和土的每层加固厚度如图7-28。灌浆管间距为1.73R，各行间距为1.5R（R为一根灌浆管的加固半径，其数值见表7-27）；电极沿每行注液管设置，间距与灌浆管相同。土的加固可分层进行，砂类土每一加固层的厚度为灌浆管有孔部分的长度加0.5R，湿陷性黄土及粘土类土按试验确定。

图7-28 压力硅化注浆管排列及构造
（a）灌浆管构造；（b）灌浆的排列与分层加固
1-单液灌浆管；2-双液灌浆管；3-第一种溶液；4-第二种溶液；5-硅化加固区
土的压力硅化加固半径 表7-27
项次
土的类别
加固方法
土的渗透系数（m/d）
土的加固半径（m）
1
砂土
压力双液

硅化法
2~10
10~20
20~50
50~80
0.3~0.4
0.4~0.6
0.6~0.8
0.8~1.0
2
粉砂
压力单液

硅化法
0.3~0.5
0.5~1.0
1.0~2.0
2.0~5.0
0.3~0.4
0.4~0.6
0.6~0.8
0.8~1.0
3
湿陷性黄土
压力单液

硅化法
0.1~0.3
0.3~0.5
0.5~1.0
1.0~2.0
0.3~0.4
0.4~0.6
0.6~0.9
0.9~1.0
（3）灌浆管的设置，借打入法或钻孔法（振动打拔管机、振动钻或三角架穿心锤）沉入土中，保持垂直和距离正确，管子四周孔隙用土填塞夯实。电极可用打入法或先钻孔2~3m再打入。
（4）硅化加固的土层以上应保留1m厚的不加固土层，以防溶液上冒，必要时须夯填素土或打灰土层。
（5）灌注溶液的压力一般在0.2~0.4MPa（始）和0.8~1.0MPa（终）范围内，采用电动硅化法时，不超过0.3MPa（表压）。
（6）土的加固程序，一般自上而下进行，如土的渗透系数随深度而增大时，则应自下而上进行。如相邻土层的土质不同时，渗透系数较大的土层应先进行加固。灌注溶液次序，根据地下水的流速而定，当地下水流速在1m/d时，向每个加固层自上而下的灌注水玻璃，然后再自下而上的灌注氯化钙溶液，每层厚0.6~1.0m；当地下水流速为1~3m/d时，轮流将水玻璃和氯化钙溶液均匀地注入每个加固层中；当地下水流速大于3m/d时，应同时将水玻璃和氯化钙溶液注入，以减低地下水流速，然后再轮流将两种溶液注入每个加固层。采用双液硅化法灌注，先由单数排的灌浆管压入，然后从双数排的灌浆管压入；采用单液硅化法时，溶液应逐排灌注。灌注水玻璃与氯化钙溶液的间隔时间不得超过表7-28规定。溶液灌注速度宜按表7-29的范围进行。
向注液管中灌注水玻璃和氯化钙溶液的间隔时间 表7-28
地下水流速（m/d）
0.0
0.5
1.0
1.5
3.0
最大间隔时间（h）
24
6
4
2
1
注：当加固土的厚度大于5m，且地下水流速小于1m/d，为避免超过上述间隔时间.可将加固的整体沿竖向分成几段进行。
土的渗透系数和灌注速度 表7-29
土的名称
土的渗透系数（m/d）
溶液灌注速度（L/min）
砂类土
＜1
1~5
10~20
20~80
1~2
2~5
2~3
3~5
湿陷性黄土
0.1~0.5
0.5~2.0
2~3
3~5
（7）灌浆溶液的总用量Q（L）可按下式确定：
Q≈K·V·n·1000 （7-10）
式中 v——硅化土的体积（m3）；
n——土的孔隙率；
K——经验系数：对淤泥、粘性土、细砂，K＝0.3~0.5；中砂、粗砂，K＝0.5~0.7；砾砂，K＝0.7~1.0；湿陷性黄土，K＝0.5~0.8。
采用双液硅化时，两种溶液用量应相等。
（8）电动硅化系在灌注溶液的时候，同时通入直流电，电压梯度采用0.50~0.75V/cm。电源可由直流发电机或直流电焊机供给。灌注溶液与通电工作要连续进行，通电时间最长不超过36h。为了提高加固的均匀性，可采取每隔一定时间后，变换电极改变电流方向的办法。加固地区的地表水，应注意疏干。
（9）加气硅化工艺与压力单液硅化法基本相同，只在灌浆前先通过灌浆管加气，然后灌浆，再加一次气，即告完成。
（10）土的硅化完毕，用桩架或三角架借倒链或绞磨将管子和电极拔出，遗留孔洞用1：5水泥砂浆或粘土填实。
5．质量控制
（1）施工前应掌握有关技术文件（注浆点位置、浆液配比、注浆施工参数、检测要求等）。浆液组成材料的性能应符合设计要求，注浆设备应确保正常运转。
（2）施工中应经常抽查浆液的配比及主要性能指标、注浆顺序、注浆过程的压力控制等。
（3）施工结束后应检查注浆体强度、承载力等。检查孔数为总量的2%~5%，不合格率大于或等于20%时应进行二次注浆。检查应在注浆15d（砂土、黄土）或60d（粘性土）进行。
（4）硅化注浆地基的质量检验标准如表7-25所示。
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