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   地基垂直防渗与地基加固技术较多, 但在堤防加固工程中, 比较适用的有灌浆技术、 防渗墙技术、 高压喷射注浆技术、 深层搅拌法加固技术、 振冲法加固技术等。
第一节 垂直防渗与地基加固方法选择要点
一、 垂直防渗与地基加固方法选择的基本原则
    在除险加固工程中, 防渗与地基加固处理方案的选择, 具体取决于以下诸方面。
(1)功能性: 必须满足工程目的和要求;
(2)可实施性: 方案的工程规模、 有关参数和技术指标, 在当前的技术水平条件下是可行的;
(3)经济性: 方案经过技术经济比较, 投入产出分析, 在满足功能性要求的前提下, 工程费用较低, 工程概预算能够承受; 在确定采用后尚应采用先进技术, 优化方案, 合理使用材料。
(4)环境和安全性: 避免工程污染环境或污染最小; 能保障堤防结构和相邻建筑物安全, 保证施工人员的安全。
二、 垂直防渗和地基加固方法与选择
( 一) 垂直防渗方法的选择
    1.垂直防渗方案的选择主要考虑适应工程性质、 条件, 可满足工程防渗目的和要求, 有一定的防渗标准, 工程费用较低等因素。防渗标准直接关系到堤防的安全性以及工程量、 工程进度、 造价等。
    2.堤防垂直防渗是渗流控制处理的一部分, 尽可能符合前堵后排的原则、 堤身和堤基渗流控制措施统一考虑的原则。和渗流控制方案一起应在技术经济比较后确定。
    3.堤身的垂直防渗处理
    可采用截渗墙( 薄防渗墙、 定摆喷、 板桩墙) , 劈裂灌浆等防渗体。在防渗体不能和地基防渗措施统筹实施时, 可考虑截渗墙方案。
    4.堤基的垂直防渗处理
    透水堤基垂直防渗处理可采用截水槽、 截渗墙等作为防渗体。采用截水槽、 截渗墙等防渗体时, 材料可采用粘性土、 土工膜、 固化灰浆、 水泥、 水泥砂浆、 混凝土、 塑性混凝土、 沥青混凝土、 化学材料; 施工可采用人工开挖、 机械开挖、 铺设、 冲击钻、 回转钻、 抓斗、 轮铣、 射水、 锯槽、 斗式、 多头钻、 定摆喷、 灌浆、 板桩、 搅拌桩等技术; 其厚度和设置方式应满足材料允许渗透坡降要求; 其防渗性能、 效果应符合防渗要求和适应防渗体的布置。
    对于截渗墙, 关键是要采用薄墙和廉价的材料才能有效地减低工程造价。如采用射水、 锯槽、 链斗、 多头搅拌桩、 插板等薄墙成槽方式, 并使用土工膜、 塑性混凝土、 自凝灰浆、 固化灰浆等作为墙体材料, 其单价可在130～250元/m2间。定摆喷、 板桩墙、 搅拌桩造价也较低, 其单价在70～350元/m2间。
    对于砂卵砾石含量较高、 粒径较大的地层, 则应考虑冲击钻、 回转钻、 抓斗、 轮铣等成槽方式的截渗墙, 其单价可在200～800元/m2间。根据堤防工程的特点, 对该类地层险工段的防渗处理也可考虑单排灌浆帷幕防渗或劈裂灌浆, 配合其它渗流控制措施能够达到一定的渗流控制标准, 其单价可在50～150元/m2间。
    5.堤基防渗体应布置在临水堤脚或堤顶偏临水侧, 并与堤身防渗体有效连接, 且符合变形协调的要求。
( 二) 地基加固方法的选择
    1.首先应分析采用天然地基的可行性, 如有可能应尽量采用天然地基。
    2.根据建筑物对地基的要求和地基条件, 确定需要进行处理的范围和处理要求。
    3.地基处理方法必须满足堤防对地基的设计要求, 主要指天然地基经处理后应能达到的物理力学指标。
    4.对天然地基的条件、 处理要求、 工程费用及材料来源等各方面进行综合考虑, 以确定合适的地基处理方法。
    5.地基处理方法原则上一定要技术上可靠、 经济上合理, 又能满足施工进度要求。经过分析比较能够采用一种处理方法, 也能够采用由两种或两种以上的处理方法组成综合的处理方案。
    6.注意节约能源, 注意环境保护, 避免因地基处理而对地面水和地下水产生污染, 振动噪音等对周围环境产生不良影响。
    ( 三) 几种垂直防渗与地基加固方法的比较
    垂直防渗与地基加固的方法较多, 但在堤防除险加固工程中, 比较适用的有灌浆法、 防渗墙法、 高压喷射灌浆法、 深层搅拌法和振冲法等几种, 其中灌浆法、 防渗墙法高压喷射灌浆法和深层搅拌法既能够做成防渗墙, 处理地基渗漏问题, 也能够用于地基加固。而振冲法、 强夯法、 排水固结法等可应用于新建或改建堤防工程中。几种垂直防渗与地基加固方法的特点及适用范围见表5－1。
表5－1 几种主要垂直防渗与地基加固方法的比较
加固方法
特点和功能
适用范围
备注
灌浆法
适应性广, 不受地基加固深度的限制。既可用于地基加固, 又可用于砂砾石基础的防渗帷幕灌浆。
砂砾石和湿陷性黄土地基。

防渗墙法
用于堤防的垂直防渗
各类砂性土, 粘土及湿陷性黄土等

高压喷射注浆法
用于加固地基, 采用定喷和摆喷法可组成防渗帷幕。
各种粘性土、 冲填土、 粉细砂、 砂砾石等基础处理。
地下水流速过大, 无填充物的岩溶地段以及永冻土层不宜采用。
深层搅境拌法( 水泥土加固法)
用于加固地基, 成桩深度30m, 也可用于组成水泥土挡墙, 形成隔水帷幕, 成墙深度可达18m, 造价低。
各种粘性土, 冲填土, 砂性土性地基

振冲法
提高基础的抗滑稳定及抗震防液化能力。
砂性土及粘性土地基加固。
对饱和超软粘土( 抗剪强度<20KPa) 地基要慎用。
挤密砂桩法
可防止松散砂土振动液化, 对软弱粘性土可提高承载力。
新建或改建堤防工程砂性土和软弱粘土地基的加固。
已建堤防工程要慎用。
强夯法
同上
同上
同上
排水固结法
解决地基沉降和稳定问题。
新建或改建工程软粘土地基处理。

    虽然常见的几种地基加固方法能够用来加固堤身, 但往往在经济上是不合理的。堤身问题能够按照堤防工程施工规范的有关要求, 采用人工翻建的方法重新填筑, 施工质量是能够得到保证的, 而且还能够利用当地的农闲劳动力, 以工代赈。
第二节 灌浆加固与防渗技术
    灌浆技术是利用压力将能固结的浆液经过钻孔注入岩土孔隙或建筑物的裂隙中, 使其物理力学性能改进的一种方法。
    一、 灌浆分类
    1.按照灌浆的作用来划分 ( 1) 固结灌浆 ; ( 2) 帷幕灌浆; ( 3) 接触灌浆。
    2.按照基础的构成来划分 ( 1) 砂砾石灌浆; ( 2) 岩石灌浆。
    3.按照灌浆材料来划分 ( 1) 水泥灌浆; ( 2) 水泥粘土灌浆; ( 3) 化学灌浆。
    4.按照使用的压力来划分 ( 1) 常压灌浆; ( 2) 高压灌浆。
    5.按照灌浆工艺所依据的理论来划分 ( 1) 渗入性灌浆; ( 2) 劈裂灌浆; ( 3) 压密灌浆
    还有其它不同的分类方法, 如常见到的有充填灌浆、 裂缝灌浆、 应急灌浆、 纠偏灌浆、 界面灌浆等等。
    二、 灌浆材料
    用于堤防工程的灌浆技术, 是在灌浆压力作用下, 浆液克服各种阻力而渗入孔隙和裂隙, 压力越大, 吸浆量及浆液扩散距离就大, 因此又称渗入性灌浆。这种灌浆是在地层结构不被破坏的条件下渗入地层, 因而浆液的颗粒尺寸必须小于土的孔隙尺寸, 也就是说, 浆液必须满足地层的可灌性条件, 因此浆材的选用尤为重要。
适合于堤防灌浆的材料主要有以下几种:
    1.水泥浆 水泥浆是由水泥和水混合经搅拌而制成的浆液.为了改进浆液性能, 有时需要在浆中加入少量的添加剂。
    水泥浆液具有来源丰富, 价格便宜, 浆液结石体抗压强度高、 抗渗性能好、 工艺设备简单、 操作方便等优点, 可是水泥浆液是一种颗粒状的悬浮材料, 受到水泥颗粒粒径的限制, 一般见于粗砂层的加固。
    2.粘土浆 粘土浆是粘土的微小颗粒在水中分散, 并与水混合形成的半胶体悬浮液。选择灌浆用的粘土, 一般有如下几个要求:
塑性指数> 17;
粘粒( 粒径小于0.005mm) 含量不小于40％～50％;
粉粒( 粒径0.005～0.05mm) 含量一般不多于45％～50％;
含砂量( 0.05～0.25mm) 不大于5％。
    粘土浆的结石强度和粘结力都比较低, 抗渗压和冲蚀的能力很弱, 故仅在低水头的防渗工程上才考虑采用纯粘土浆灌浆。
    在粘土浆液中, 加入水玻璃溶液, 可配制成粘土水玻璃浆液, 水玻璃加量为粘土浆的10％— 15％, 浆液的凝结时间可缩短为几十秒至几十分, 固结体渗透系数为10- 5～10- 6cm/s。
    3.水泥粘土浆 水泥粘土浆是由水泥和粘土两种基本材料相混合所构成的浆液。水泥和粘土混合能够互相弥补缺点, 构成性能较好的灌浆浆液。
    水泥粘土浆液较单液水泥类浆液成本低, 流动性、 抗渗性好, 结石率高, 当前大坝的砂砾石基础的防渗灌浆帷幕, 几乎都是采用水泥粘土浆灌注的。
    4.水泥— 水玻璃浆液 水泥— 水玻璃浆液是以水泥和水玻璃溶液组成的一种灌浆材料。它克服了水泥浆液凝结时间过长的缺点, 水泥— 水玻璃浆液的胶凝时间能够缩短到几十分钟, 甚至数秒钟。可灌性比纯水泥浆也有所提高, 特别适合在动水状态下粗砂层地基的防渗加固处理。
    5.水泥砂浆 在对较大缺陷的部位灌浆时, 可采用水泥砂浆灌浆, 一般要求砂的粒径不大于1.0mm,砂的细度模数不大于2。
    在水泥砂浆中加入粘土, 组成水泥粘土砂浆, 水泥起固结强度作用, 粘土起促进浆液的稳定作用, 砂起填充空洞的作用。水泥粘土砂浆适用于静水头压力较大情况下的较大缺陷, 大洞穴的充填灌浆。
    6.水玻璃类浆液 水玻璃类浆液是由水玻璃溶液和相应的胶凝剂组成。灌入地层后, 经过化学反应生成硅酸凝胶, 在土( 砂) 的孔隙中充填, 达到固结和防渗堵漏的目的。
    水玻璃浆液的粘度小, 流动性好, 在用水泥浆或粘土水泥浆难于处理的细砂层和粉砂层地基, 可使用水玻璃浆液。
    在堤防基础的加固及防渗处理施工中, 浆液的可灌性是决定灌浆效果的最重要参数
    堤基灌浆能够用下式评价其可灌性:
M=D15/d85                               (5-1)
式中: M为灌入比; D15为受灌地层中15％的颗粒小于该粒径(mm); d85为灌注材料中85％的颗粒小于该粒径(mm)。
    M> 15可灌注水泥浆; M > 10可灌注水泥粘土浆。如可灌性不好, 可采用水玻璃类浆液灌浆。几种灌浆材料的主要特点见表5— 2
表5— 2 几种灌浆材料的主要特点
名称
主要特点
适用范围
备注
水泥浆
施工简单、 方便; 浆液凝结时间较长
粗砂地基的防渗加固
可灌性差
粘土浆
材料来源广, 价廉; 强度低
堤身的防渗加固

水泥粘土浆
价格低, 使用方便。
粗砂地基的防渗加固
可灌性比水泥浆好
水泥— 水玻璃浆液
施工要求高, 浆液凝结时间短, 且容易调节
动水状态下粗砂地基的防渗加固
在特殊情况下使用
水泥砂浆
强度高, 价格便宜, 但施工要求较高。
较大缺陷的充填加固和防渗处理
易沉淀, 可灌性差, 在特殊情况下使用。
水玻璃浆液
浆液粘度与水接近, 可灌性好, 但价格较高。
细砂层和粉砂层地基的防渗加固
在水泥等颗粒状浆液满足不了可灌性要求时采用
    上述几种材料中, 除水玻璃浆液外, 价格都比较低, 水玻璃浆液的价格比其它浆液的价格要高一些, 工程多采用水泥浆和水泥粘土浆。对一些非均质的粉砂土地基还能够采用水泥和水玻璃浆液分别灌注的方法, 达到复合加固的目的。
    水泥浆液只能灌入粗砂层, 而对颗粒细、 孔隙小、 工程特征欠佳的粉砂土地基, 水泥灌浆只能进入地基土体结构受到破坏而形成的空洞或裂缝中, 起不到防渗灌浆的作用, 难以提高地基的抗渗性能。而水玻璃浆液能够进入细砂层和细砂层的孔隙。
    采用复合灌浆方法, 可取长补短, 先用水泥灌浆处理, 使水泥浆液先行填充地基土体中大小不一的孔洞和裂隙, 经48小时的沉淀和固化, 然后对同一孔进行清孔, 再灌注水玻璃浆液(如酸性水玻璃浆液)。这样既能够充分发挥水泥浆液强度高的特点, 又能够充分利用水玻璃浆液的优点, 提高注浆的效果。这种复合灌浆的方法, 已在江苏丰县废黄河畔的范楼闸应用, 粉砂土的渗透系数由2.7-4.7×10-4cm/s降至1.3×10-7cm/s以下。
    三、 灌浆工艺
  ( 一) 灌浆加固工艺
    1.灌浆孔的布设。加固灌浆孔的布设常见方格形、 梅花形和六角形, 见图5－1。方格形的主要优点是便于补加灌浆孔, 在复杂的地区宜采用这种方法, 而梅花形和六角形布孔的主要缺点是不便于补加灌浆孔, 预计灌浆后不需补加孔的地基多采用这种形式。
    2.钻孔。钻孔可采用机钻、 锥钻、 打管等各种成孔方法。
    3.灌浆施工技术要点
( 1) 采用”围、 挤、 压”的原则, 就是先将灌浆区圈围住, 再在中间插孔灌浆挤密, 最后逐序压实, 这样易于保证灌浆质量。最好采用分序灌浆的办法。

图5－1 灌浆孔布置图
( 2) 在可能的情况下, 以采用较大的压力为好。
( 3) 灌浆开始时, 以稀浆开始, 采用逐步加稠的方法。
( 二) 帷幕灌浆工艺
    灌浆技术除作为加固地基外, 也适合堤防工程透水地基的防渗处理, 构筑防渗帷幕。
   1.帷幕的设置
  ( 1) 帷幕的位置
  堤防基础的灌浆帷幕应与堤防防渗体( 多由粘土一类的不透水材料所构成) 相连, 因此帷幕宜设在堤防临水侧铺盖下或临水坡脚下, 见图5—2
( 2) 帷幕的形式
1) 均厚式帷幕 帷幕各排孔的深度均相同。称为均厚式帷幕。在砂砾石层厚度不大, 灌浆帷幕不甚深的情况下, 一般多采用这种形式。
2) 阶梯式帷幕 在深厚的砂砾石层中, 因为渗流坡降随砂砾石层的加深( 即随帷幕的加深) 而逐渐减小, 故设置深帷幕时, 多采用上宽下窄呈阶梯状的帷幕。幕宽的部位, 灌浆孔的排数多; 幕窄的部位, 灌浆孔的排数少。

图5—2 灌浆帷幕位置示意图
( 3) 帷幕的深度和厚度
    一般情况下, 帷幕深度宜穿过砂砾石层达到基岩, 这样能够起到全部封闭渗流通道的作用。帷幕的厚度( T) 主要是根据幕体内的允许坡降值来确定的。但可按下式作初步估算:
T=H/J                ( 5-2)
式中 H为最大作用水头, m; J为帷幕的容许比降, 对一般粘土浆可采用J≤3～4。
    对于砂砾石厚度较浅, 一般设置1～2排灌浆孔即可, 对基础承受的水头超过25～30m时, 帷幕的组成才设置2～3排。
    灌浆孔距主要决定于地层的渗透性、 灌浆压力、 灌浆材料等有关因素, 一般要经过试验确定, 一般孔距为2～4m。如果在灌浆施工过程中, 发现浆液扩散范围不足, 则可采用缩小孔距, 加密钻孔的办法来补救。
    2.帷幕灌浆方法
    钻孔灌浆方法主要有打花管灌浆法、 套管护壁法、 循环钻灌法和袖阀管法。
    ( 1) 打花管灌浆法 首先在地层中打入一下部带尖头的花管, 然后冲洗进入管中的砂土, 最后自下而上分段拨管灌浆。见图5—3。此法比较简单, 但遇卵石及块石时打管很困难, 故只适用于较浅的砂土层。
    ( 2) 套管护壁法 套管护壁法的施工见图5— 4所示, 边钻孔边打入护壁套管, 直至预定的灌浆深度( a) , 接着下入灌浆管( b) , 然后拔套管灌注第一灌浆段( c) , 再用同法灌注第二段( d) 及其余各段, 直至孔顶。
    ( 3) 循环钻灌法 如图5—5, 这种方法仅在地表埋设护壁管, 而无需在孔中打入套管, 自上而下钻完一段灌注一段, 直至预定深度为止, 钻孔时需用泥浆固壁或较稀的浆液固壁。如砂砾层表面有粘性土复盖, 护壁管可埋设在土层中( a) , 如无粘土层则埋设在砂砾石层中( b) 。

图5—3 打花管灌浆法

图5－4 套管护壁灌浆法

图5—5 循环钻灌法

图5— 6 袖阀管法施工程序
( 4) 袖阀管法
    袖阀管法的施工可分四个步骤, 见图5—6。 钻孔 用优质泥浆( 如膨润土) 固壁, 不用套管护壁( a) ; 插入袖阀管 为使套壳料的厚度均匀, 应设法使袖阀管位于钻孔的中心( b) ; 浇注套壳料 用套壳料置换孔内泥浆( c) ; 套壳料的作用是封闭袖阀管与钻孔壁之间的环状空间, 防止灌浆时浆液流窜, 套壳在规定的灌浆段范围内受到破碎而开环, 逼使灌浆浆液在一个灌浆段范围内进入地层。灌浆 待套壳料只有一定强度后, 在袖阀管内放入带双塞的灌浆管进行灌浆( d) 。
    灌浆方法的选用主要取决于施工队伍的经验和技术熟练程度, 其中打花管法灌浆最为简单, 袖阀管法比较复杂一些, 但施工质量较高。袖阀管法可根据需要灌注任何一个灌浆段, 还能够进行重复灌浆。而且可使用较高的灌浆压力, 冒浆和串浆的可能性小。
    在砂砾石层灌浆中, 对灌浆压力的确定, 当前还缺乏统一的、 比较准确的计算灌浆压力的公式。灌浆初期, 也可先凭经验预估的压力灌浆, 然后根据吸浆情况以及对地表的观察, 视有无冒浆或抬动变形情况, 再做压力调整。
    灌浆的施工机具比较简单, 可采用专用灌浆泵, 也能够自行用普通的泥浆泵加设一个简单的搅拌器组成。对进浆量较小的粉砂层灌浆, 也能够采用简单的手压注浆泵或隔膜泵来代替。
    ( 三) 灌浆效果检查
    灌浆法作为地基加固和地基防渗处理, 灌浆效果的检查还没有比较合适的标准, 但一般常见下列几个方法判断。
    1.浆液的灌入量 同一地区堤防地基的差异不是很大, 能够根据各孔段的单位灌入量来衡量。
    2.压水试验 设检查孔做压水试验, 以单位吸水量值表示幕体的渗透性。
    四、 堤身劈裂灌浆
    劈裂灌浆是利用堤身的最小主应力面和堤轴线方向一致的规律, 以土体水力劈裂原理, 沿堤轴线布孔, 在灌浆压力下, 以适宜的浆液为能量载体, 有控制地劈裂堤身, 在堤身形成密实、 竖直、 连续、 一定厚度的浆液防渗固结体, 同时与浆脉连通的所有裂缝、 洞穴等隐患均可被浆液充填密实。适应于处理堤身浸润线出溢点过高、 有散浸现象、 裂缝( 不包括滑坡裂缝) 、 各种洞穴。
    堤身劈裂灌浆防渗处理, 多采用单排布孔。孔距5～10m。在弯曲堤段应适当缩小孔距。
    劈裂灌浆和锥探充填灌浆浆液多采用土料浆, 参见表5－3、 5－4。根据不同的需要可掺入水泥、 各种外加剂。
表5－3 浆土料选择表
项目
劈裂灌浆
充填灌浆
塑性指数( %)
粘粒含量( %)
粉粒含量( %)
砂粒含量( %)
有机值含量( %)
可溶盐含量( %)
8～15
20～30
30～50
10～30
＜2
＜8
10～25
20～45
40～70
＜10
＜2
＜8
    灌浆孔口压力以产生沿堤线方向脉状扩散形成一连续的防渗体, 但又不得产生有害的水平脉状扩散和变形为准, 需要现场灌浆试验或施工前期确定。堤防灌浆口压力多在0.1～1MPa间。
    堤身劈裂灌浆应”少灌多次”, 分序灌浆, 推迟坝面裂缝的出现和控制裂缝的开度在3cm之内, 并在灌后能基本闭合。每孔灌浆次数应在5次以上, 每次灌浆量控制在每米0.5～1m3之间。形成的脉状泥墙厚度应在5～20cm之间。一年后脉状泥墙的容重应大于14kN/m3, 一般可达15～17 N/m3, 水平向渗透系数达10-6～10-8cm/s。
    考虑到堤身应力, 劈裂灌浆应在不挡水的枯水期进行, 同时应核算灌浆期堤坡的稳定性, 进行堤身变形、 裂缝等观测, 以策安全。对于较宽的堤防, 也应核算堤身应力分布, 避免贯穿性横缝产生。
表5－4 浆浆液物理力学性能表
项目
劈裂灌浆
充填灌浆
容重( kN/m3)
粘度( s)
稳定性( g/cm3)
胶体率( %)
失水量( cm3/30min)
13～16
20～70
0.1～0.15
＞70
10～30
13～16
30～100
＜0.1
＞80
10～30
    劈裂灌浆钻孔均是一次成孔。在冲击钻进中一般采用取土钻头干钻钻进或冲击锤头锥击钻进。在回转钻进中最好采用泥浆循环钻进, 特别是在一些较重要的水利工程堤坝施工中, 应合理选用冲洗液循环钻进, 采用清水钻进时, 应依据堤坝的土质条件、 渗透程度来慎重选用。钻孔孔径可小到Φ25mm, 一般孔径在Φ60-Φ130mm之间。所有灌浆钻孔均需埋设孔口管, 使顶部灌浆压力由孔口管承担, 可施加较大的灌浆压力, 促使浆液析水固结, 有利于提高浆液的固结速率和浆体结石的密实度。
    灌浆压力是劈裂式灌浆施工中的一个重要参数。应注意掌握: 起始劈裂压力、 裂缝的扩展压力、 最大控制灌浆压力。灌浆压力的大小不但与灌浆范围大小、 水文工程地质条件等因素有关, 而且还与地层的附加荷载及灌浆深度有关, 因此不能用一个公式准确地表示出来, 应根据不同情况经过经验和灌浆试验确定。
    灌浆过程中, 对冒浆、 串浆、 隆起等一些特殊情况做好相应的处理。必须做好灌浆结束后的封孔工作。
    灌浆效果检查有: 标准贯入试验、 弹性波法、 现场透水试验、 现场载荷试验等。
第三节 防渗墙技术
    防渗墙能够作为堤身和地基的防渗体, 也可用于挡土、 防冲。根据施工工艺的不同, 防渗墙可分为槽段式、 桩柱式和预制拼装式。特别是射水、 锯槽、 链斗、 多头搅拌桩、 插板等薄墙方法可较为经济有效地适用于堤防的垂直防渗。
    一、 槽段式防渗墙
    槽段式防渗墙可采用抓斗、 冲击钻劈打、 轮铣、 射水、 锯槽、 链斗、 多头钻等成槽机具分一、 二期跳打成槽。按槽厚可分为薄墙(20~60cm)和厚墙(60~120cm)。受机械尺寸所限, 抓斗、 冲击钻劈打、 轮铣等机具仅能形成厚墙, 槽孔长度多依据地质条件、 混凝土供应强度、 施工工艺等确定, 多在2~5m间。而射水、 锯槽、 链斗、 多头钻等成槽机具和改进的薄型抓斗( 30～40cm) 、 轮铣(20~60cm)机具能够形成较薄的薄墙。各种机具都有其适用地层的问题, 如卵砾石含量高且大的地层, 多采用冲击钻造孔, 抽桶出渣, 甚至采用预爆破或定向聚能爆破作业处理。
    1.成槽 建造槽孔前, 多埋设1-2m深的木材或混凝土孔口导向槽板。建造槽孔多采用SiO2和Al2O3比值在3-4间的粘土( 有条件时采用澎润土) 泥浆护壁, 参见表5－5。应保持孔内泥浆浆面在导向槽板30-50cm以内, 并大于地下水位1m以上。抽桶或反循环出渣清孔, 在造孔完毕后, 孔底淤积厚度应小于10cm, 孔内泥浆的比重小于1.3, 粘度小于30秒, 含砂量小于12%。成槽孔斜一般要求要小于0.2-0.4%, 一、 二期墙厚搭接要大于2/3墙厚, 搭接方式有接头管法、 钻凿法、 双反弧钻法等。
表5－5 泥浆性能表
粘度(s)
比重
粘粒含量
含砂量
塑性指数
胶体率
稳定性
失水量
(ml/30min)
静切力( 10Pa)
泥饼厚( mm)
pH

1min
10min

18~25
1.1~1.2
50%
≤5%
≥20
≥96%
≤0.03
20~30
20~30
50~100
2~4
7~9
    2.墙体材料与浇筑 墙体材料可采用混凝土、 钢筋混凝土、 塑性混凝土、 土工膜、 自凝灰浆。混凝土、 塑性混凝土采用槽孔内下道管泥浆中浇筑成墙工艺。钢筋混凝土则在浇筑前置入钢筋笼。
    塑性混凝土( 每方) 由水泥( 70～220kg) 、 膨润土( 80～150kg) 、 砂石骨料( 1600kg左右) 和水组成, 常掺入粉煤灰( 50～80kg) 和外加剂。所制成的混凝土密度为19～21kN/m3, 弹模值在200～1000MPa, 有较好的变形适应性, 28天的抗压强度值大于2MPa, 渗透系数在10-6～10-7cm/s。
    自凝灰浆由水泥、 膨润土、 缓凝剂和水组成, 每方灰浆用水泥100～250kg、 膨润土30～50kg, 浆液密度为12～13 kN/m3, 弹模值小于100MPa, 有较好的变形适应性, 28天的抗压强度值约为0.1MPa, 渗透系数在10-6-10-7cm/s。在成槽过程中, 该浆液起护壁、 悬浮渣削、 冷却润滑切削头的作用, 槽孔形成后, 无需浇筑, 自行凝结硬化构成防渗墙。在成槽后的泥浆中加入各种固化材料, 即不限制造孔时间, 又可根据需要加入各种固化材料和数量凝结硬化形成强度和抗渗性较高的防渗墙, 则称之为固化灰浆。
    采用直升导管法浇筑泥浆下混凝土时, 其配合比多有试验确定, 其骨料一般不大于4cm, 入槽坍落度多在18-22cm间。相邻导管间距要小于3m, 和槽端的间距1m左右。导管埋入混凝土在1-5m间, 按每小时不大于2m的上升速度连续浇筑。
    3.射水法成墙 射水法成墙机主要由造孔机、 混凝土搅拌机和浇筑机组成。利用造孔机的成型器内射水喷嘴形成的高速水流( 泥浆) 切割土层, 成型器上下运动切割修整孔壁, 采用泥浆护壁, 正循环或反循环出渣。槽孔成型后采用导管法水( 泥浆) 下浇筑混凝土、 塑性混凝土或钢筋混凝土形成防渗墙。槽形长为150～200cm, 厚为22～60cm, 深度可达30m。适应于砂、 土层和粒径小于100mm的砂砾石地层, 垂直精度为1/300, 二序槽孔采用成型器侧向喷嘴冲洗一序槽孔侧壁进行连接。每台班工效可达50～70m2, 水泥用量为100kg/m2, 造价为150～170元/m2( 厚22 cm混凝土墙) 。
    4.锯槽法成墙 锯槽法采用锯槽机, 主要由近乎垂直的锯管在功率较大的上下摆动装置, 或液压装置( 又称液压开槽机) 驱动下, 锯管设置的刀刃切割地层, 随锯槽机根据地层状况按0.1～40cm/min的速度向前移动开槽。采用泥浆护壁, 正循环或反循环出渣。槽厚可为18～40cm, 深度可达40m。槽孔成型后, 根据需要可采用导管法水( 泥浆) 下浇筑混凝土、 塑性混凝土或钢筋混凝土形成防渗墙, 但需要采用水胀胶囊等隔浆装置隔离开槽区和浇筑区。由于该法连续成槽的特点, 能够采用连续铺土工膜( 垂直铺塑) 和自凝灰浆技术成墙。该法适应于砂、 土层和粒径小于100mm的砂砾石地层, 垂直精度不会影响其连续性, 每台班工效可达50～150m2, 造价为150～250元/m2。
    5.链斗法成墙 采用链斗( 也可采用旋转式、 往复式等方法) 开挖沟槽, 链斗多为斜卧于槽内, 也有直立形式( 日本TRD工法) 。槽厚可为16～50cm, 深度可达15m( TRD工法可达60m) , 该法适应于砂、 土层和含30%以下粒径小于槽厚的砂砾石地层。其浇筑混凝土和铺土工膜方法类似锯槽法成墙。
    6.薄型抓斗成墙 薄型抓斗斗宽30cm, 开度1.7～2.8m, 挖深16～40m。采用两序施工, 槽段以接头管法连接, 槽孔长度一般为5～8m。适应于砂、 土层和砂砾石地层。每台班工效可达80～100m2, 造价为200～300元/m2。
    二、 桩柱式防渗墙
    桩柱式防渗墙可采用回转钻、 冲击钻、 螺旋钻、 多头钻、 搅拌钻等成孔机具成孔。墙体材料可采用混凝土、 钢筋混凝土、 塑性混凝土、 水泥土等。采用套打连接成墙。
    多头搅拌桩薄墙是利用多头小直径深层搅拌机, 将水灰比为0.8～2的水泥浆喷入土体并搅拌成水泥土墙, 适用于粘土、 砂土、 淤泥质土及少量粒径小于5cm砾石地层。其主要技术性能指标如下:
    1.主机自重: 16t; 主机外形尺寸: 5.5×1.9×18.0m; 额定功率: 55kW; 钻头直径: 20～30cm。
    2.成墙最大深度: 18m, 成墙厚度: 10～30cm, 渗透系数: 10-5～10-8cm/s, 抗压强度: 0.3MPa以上, 渗透破坏比降: 200以上。
    3.一般水泥用量为40～60kg/m2,造价70～90元/m2。
    三、 预制拼装式防渗墙
    预制拼装式可采用锤击、 插板机、 射水法等机具和工艺成墙, 或者采用槽孔中置入成墙。墙体材料有钢板、 钢筋混凝土板等。
    超薄型插板式防渗墙是采用重型液压振动锤( 功率300～600kW) , 将宽度为50～100cm的H型钢板, 振动插入成槽, 形成厚度为8 cm左右的超薄型插板式防渗墙槽体, 利用在H型钢板中设置的管路, 注入水泥或水泥膨润土浆液构筑成防渗墙。需要配置功率为600kW ,100t的液压起重机, 每小时可完成20～30 m2,每平米约需100～200元。该方法适用于20m内的地层, 遇到薄砂砾石层或卵石需要更大功率的顶部振动器, 若需嵌入岩石则需进行高压喷射特别处理。
    防渗墙质量检测可采用施工质量检测( 预留水泥土试块、 动测法、 抽芯法、 外观开挖、 现场静载法) 、 位移观测( 水平位移观测点、 测斜管) 、 堤后地下水水位观测、 围井测试等。
第四节 高压喷射灌浆和深层搅拌法加固技术
    高压喷射灌浆和深层搅拌法加固技术相似, 其主要差别在于采用不同的加料拌和手段。
    一、 高压喷射灌浆技术
    高压喷射法就是利用工程钻机钻孔至设计处理的深度后, 用高压泥浆泵, 经过安装在钻杆( 喷杆) 杆端置于孔底的特殊喷嘴, 向周围土体高压喷射固化浆液(一般使用水泥浆液), 同时钻杆( 喷杆) 以一定的速度边旋转边提升, 高压射流使一定范围内的土体结构破坏, 并强制与固化浆液混合, 凝固后便在土体中形成具有一定性能和形状的固结体。
    固结体的形状和喷射流的移动方向有关。一般分为旋转喷射(简称旋喷), 定向喷射(简称定喷)和摆动喷射(简称摆喷)。旋喷桩主要用于加固地基, 提高地基的抗剪强度, 改进地基土的变形性能, 使其在上部结构荷载作用下, 不至破坏或产生过大的变形。定喷固结体呈壁状, 摆喷形成厚度较大的扇状固结体。定喷和摆喷一般见于地基防渗, 改进地基土的水力条件及边坡稳定等工程。
    ( 一) 加固机理
    高喷法如三管高喷法用压缩空气包裹高压喷射水流冲击破坏搅动土体, 同时用低压灌浆泵灌入浆液, 浆液被高压水、 气射流卷吸带入, 同时与被搅动土体混合形成固结体。加固地基, 形成桩、 板、 墙的机理可用五种作用来说明:
    1.高压喷射流切割破坏土体作用 喷流动压以脉冲形式冲击土体, 使土体结构破坏出现空洞。
    2.混合搅拌作用 钻杆在旋转和提升的过程中, 在射流后面形成空隙, 在喷射压力作用下, 迫使土粒向与喷嘴移动相反的方向(即阻力小的方向)移动, 与浆液搅拌混合后形成固结体。
    3.置换作用 三重管高喷法又称置换法, 高速水射流切割土体的同时, 由于通入压缩空气而把一部分切割下的土粒排出灌浆孔, 土粒排出后所空下的体积由灌入的浆液补入。
    4.充填、 渗透固结作用 高压浆液充填冲开的和原有的土体空隙, 析水固结, 还可渗入一定厚度的砂层而形成固结体。
    5.压密作用 高压喷射流在切割破碎土体的过程中, 在破碎带边缘还有剩余压力, 这种压力对土层可产生一定的压密作用, 使高喷桩体边缘部分的抗压强度高于中心部分。
    ( 二) 基本种类
    按喷射介质及其管路多少可分为单管法、 二管法、 三管法等, 见图5－7。

图5－7 高压喷射灌浆示意图
    1.单管旋喷法 经过单根管路, 利用高压浆液( 20～30MPa) , 喷射冲切破坏土体, 成桩直径为40～50cm。其加固质量好, 施工速度快和成本低, 但固结体直径较小。
    2.二管旋喷法 在单管法的基础上又加以压缩空气, 并使用双通道的二重灌浆管。在管的底部侧面有一个同轴双重喷嘴, 高压浆液以20MPa左右的压力从内喷嘴中高速喷出, 在射流的外围加以0.7MPa左右的压缩空气喷出。在土体中形成直径明显增加的柱状固结体, 达80～150cm。
    3.三管旋喷法 使用分别输送水、 气、 浆三种介质的三重灌浆管。高压水射流和外围环绕的气流同轴喷射冲切破坏土体, 在高压水射流的喷嘴周围加上圆筒状的空气射流, 进行水、 气同轴喷射, 能够减少水射流与周围介质的摩擦, 避免水射流过早雾化, 增强水射流的切割能力。喷嘴边旋转喷射, 边提升, 在地基中形成较大的负压区, 携带同时压入的浆液充填空隙, 就会在地基中形成直径较大、 强度较高的固结体, 起到加固地基的作用。
    ( 三) 浆液材料
    水泥是喷射灌浆的基本材料, 水泥类浆液可分为以下几种类型。
    1.普通型浆液 一般采用普通硅酸盐水泥, 不加任何外加剂, 水灰比一般为0.8: 1～1.5:1, 固结体的抗压强度(28d)最大可达1.0～20MPa, 适应于无特殊要求的工程。
    2.速凝－早强型 适于地下水位较高或要求早期承担荷载的工程, 需在水泥浆中加入氯化钙、 三乙醇胺等速凝早强剂。掺入2%氯化钙的水泥－土的固结体的抗压强度为1.6MPa, 掺入4%氯化钙后为2.4MPa。
    3.高强型 喷射固结体的平均抗压强度在20MPa以上。能够选择高标号的水泥, 或选择高效能的扩散剂和无机盐组成的复合配方等。
    在水泥浆中掺入2～4%的水玻璃, 其抗渗性有明显提高。如工程以抗渗为目的, 最好使用”柔性材料”。可在水泥浆液中掺入10～50%的膨润土(占水泥重量的面分比)。此时不宜使用矿渣水泥, 如仅有抗渗要求而无抗冻要者, 可使用火山灰水泥。