4.4 高喷灌浆设计

4.4.1 设计前应取得的资料

（1）工程地质条件。了解基岩形态、深度和物理力学特性；各土层土的种类、颗粒组成；土的物理力学性质、标准贯入击数；土中有机质及腐殖质含量等。

（2）水文地质条件。了解地下水埋深、各土层的渗透系数及水质成分，附近地沟、暗河的分布和连通情况等。

（3）周围环境条件。包括地形、地貌、施工场地的空间大小、地下管道及其他埋设物状态、材料和机具运输道路、水电线路等。

（4）土工试验资料。设计前应进行的土工试验项目，见表4-2。

（5）水质分析检测资料。水泥浆搅拌用水检测项目主要包括pH值、不溶物、可溶物、氯化物、硫酸盐及硫化物含量。

4.4.2 高喷灌浆喷射孔距选择与探讨

孔距选择的原则是保证设计深度内防渗墙实现可靠连接。既不能过大，以防止墙体相互间不能有效衔接，又不能太小，以免材料的过度浪费。影响孔距确定的主要因素有两个：孔深和有效喷射长度。钻孔孔斜率是一种固有的偏差（由于钻孔的倾斜和弯曲，会使得深度达到底部的相邻钻孔间的实际距离会变大或变小），设计时应予以充分考虑。有效喷射长度的影响因素很多，不同地质条件（如地层结构、颗粒直径、颗粒级配、密实度等）、射流比能对射流长度产生直接影响。对于大颗粒地层，有效喷射长度应理解为喷射凝结体同与之连接在一起的大颗粒组成联合防渗体的最小长度。对于同一类地层，密实度和喷射能量是影响有效喷射长度的主要因素。

（1）喷射长度与地层密实度的关系。在长期固结的地层中有效喷射长度随深度的变化规律是上大下小，即旋喷固结体经常出现的“胡萝卜”形状。射流强度随地层深度增加受到越来越大的喷射阻力，深度越大地层土的固结强度越高，喷嘴周围的环境压力也越大，需要较高的临界喷射强度和破坏能量。

（2）比能与喷射长度的关系。在喷嘴出口射流压力与流量一定的情况下，比能与喷射提升速度成反比，某一部位喷射时间越长射流有效长度（半径）就越大，最终达到临界喷射强度下的喷射半径。

（3）保持喷射半径大小均一的条件。研究表明，比能与地层密实度呈线性增加的关系。黏性土层固结程度对有效喷射长度影响较大，而非黏性土的影响较小，对于大颗粒间充填有黏性或胶结性质的充填物，应随充填物固结度的提高显著加大喷射强度或能量，以解决缩径问题。由于地层原因引起的有效长度的减小可以用增大比能方法加以弥补。改变比能可以通过改变喷射压力、流量、提升速度的方式解决。对一般非黏性土采用减小提升速度的办法增加比能，而对于结构致密有一定强度的土类地层，采用改变压力和流量的方式提高比能。至于需要多大的比能以保证在密实度不一的地层中形成均匀的有效喷射长度，则需要通过现场试验确定。

（4）孔距、孔深、有效半径关系。在确定某一地层的孔距时，通常首先假定有效喷射长度（这种有效长度的假定通常建立在现有的设备条件、选定的工艺参数和工程经济性等基础上），而后综合孔深、孔斜率、搭接长度、大粒径影响、施工经验等因素确定孔距。孔距表达式为

式中 D——孔距，m；

δ——地层影响系数，0.6～1.0；

L——有效喷射长度，m；

h——最大孔深，m；

1 100——规范规定孔斜率；

t——搭接长度，m，一般取值0.1～0.3。

实践发现，并不是颗粒粒径越大δ取值就越小，δ取值主要取决于大颗粒间充填物的充填和胶结程度。在大颗粒地层中搭接长度t可取小值。从式（4-3）中可见，1%的钻孔孔斜率对于深孔情况的孔距非常不利，所以在深孔情况下的孔距设计应提高孔斜率的要求，如按0.5%以内控制。事实上，0.5%的孔斜率是比较高标准的要求，对于振孔高喷易于达到，但对于钻孔高喷则很难达到。

（5）大颗粒地层孔距参考取值。大粒径地层影响有效喷射长度的因素主要有：大颗粒（10cm以上）的阻碍及可能产生的漏喷现象；较小颗粒（5～10cm）对射流的散射作用，使能量急剧衰减。大粒径地层因大颗粒的阻碍使喷射距离减小，是不利的一面，同时大颗粒本身又是很好的防渗体，与凝结体联合发挥作用。由射流对大颗粒的作用机理可以看出，控制有效喷射长度最不利的因素是大颗粒粒径和颗粒间充填物的性质。射流对充填物的作用方式为直接喷射或间接喷射及脉动冲刷。根据工程经验总结分析得出表4-3所列的经验数据，仅供设计参考。具体孔距设计时，应根据设备状况、地质条件、喷射工艺等进行选定，对大型的或重要工程的高喷孔距应通过现场试验验证后确定。

4.4.3 加固工程旋喷桩设计

1.固结体尺寸确定

固结体尺寸可根据现场土质条件、喷射方式参照表4-4或由当地工程经验进行估定。对于大型或重要的工程应通过现场喷射试验后开挖或钻孔取样进行确定。

2.固结体强度设定

对于大型或重要的工程应通过现场喷射试验后开挖或钻孔取样进行确定固结体强度。

对于一般性工程，若无试验资料，可结合当地工程经验，并参考表4 5初步确定。

3.单桩竖向承载力

旋喷桩的单桩竖向承载力应由现场载荷试验确定，若无试验资料也可按式（4-4）、式（4-5）计算，并取其中较小值：

式中 R——单桩竖向承载力标准值，kN；

η——强度折减系数，可取0.35～0.50；

f _Cn·k——桩身试块（边长为70.7mm的立方体）的无侧限抗压强度平均值，取28d强

度，kPa；

A _p——桩的平均截面积，m；

d——桩的平均直径，m；

n——桩长范围内所划分的土层数；

h_i——桩周第i层土的厚度，m；

q _{s i} ——桩周第i层土的摩擦力标准值，kPa，可采用钻孔灌注桩桩侧壁摩擦力标

准值；

q _p——桩端天然地基土的承载力标准值，kPa，可参照《建筑地基基础设计规范》

（GB 50007—2002）的有关规定确定。

4.旋喷桩复合地基承载力

旋喷桩复合地基承载力标准值应通过现场复合地基载荷试验确定。若无试验条件，也可按式（4-6）计算，且结合当地情况与其土质相似工程的经验确定。

式中 f_sp·k——复合地基承载力标准值，kPa；

A _e——一根桩承担的处理面积，m；

A _p——桩的平均截面积，m；

f _s·k——桩间天然地基土的承载力标准值，kPa；

图4-2 固结体试块应力应变曲线

β——桩间天然地基土承载力折减系数，可根据试验确定，在无试验资料时可取

0.2～0.6，当不考虑桩间软土的作用时可取0；

R——单桩竖向承载力标准值，kN。

5.复合地基变形计算

旋喷桩复合地基的变形包括桩长范围内复合土层变形及下卧层地基变形两部分。其中复合土层的压缩模量可按式（4-7）确定，即

式中 E_sp——旋喷桩复合土层的压缩模量，kPa；

E _s——桩间土的压缩模量，MPa，可用天然地基土的压缩模量代替；

E _p——桩体的压缩模量，kPa。

E _p的确定方法可采用测定混凝土割线模量的方法，其具体做法是：制作边长为100mm的立方体试块，由室内压缩试验得出试块的应力-应变（σ-ε）曲线，见图4-2。图中σ_a为破坏强度。在图中取σ_h=0.4σ_a，作ε轴平行线交曲线于一点O′，连接OO′，OO′与ε轴夹角为α，详见式（4-8）。

6.孔距及桩孔布置方式

旋喷桩的孔距应根据工程需要经计算确定，在一般情况下可取L=（2～3）d。其中d为旋喷桩设计直径。

布孔方式可采用正方形、矩形和三角形，或根据具体情况采用其他的布孔方式。

7.喷射灌浆材料与配方

（1）对浆液材料的要求。

1）有良好的可喷性。浆液的可喷性差容易导致喷嘴及管路堵塞，同时易磨损高压泵。实验证明，水泥浆的水灰比越大，可喷性越好，但水灰比过大又会影响浆液的稳定性。一般采用1∶1～1.5∶1的水灰比，并可掺入少量外加剂。浆液可喷性的评定可采用流动度或黏度等指标。

2）有足够的稳定性。水泥浆液的稳定性是指浆液在初凝前吸水率小、水泥的沉淀速度慢，分散性好及浆液混合后经高压喷射不改变其物理化学性质。为提高浆液稳定性可采用掺入外加剂，减小水泥颗粒及不断搅拌等方法。

3）气泡少。浆液中含有大量气泡，会使固结体在硬化过程中产生许多气孔，从而降低固结体强度及抗渗透性能。因此，在选用外加剂时必须使用非加气型的外加剂，如NNO等。

4）有良好的力学性能及耐久性。

5）结石率高。

（2）常用水泥浆液的类型。

1）普通型。适用于无特殊要求的一般工程。一般采用强度等级为32.5～42.5MPa的硅酸盐水泥，不加外加剂，水灰比一般为1∶1～1.5∶1。

2）速凝早强型。适用于地下水丰富或要求早期承重的工程，常用的早强剂有氯化钙、水玻璃和三乙醇胺等。

3）高强型。适用于固结体的平均抗压强度在20MPa以上的工程。可采用以下措施：①选用高强度水泥（强度等级不低于42.5MPa）；②在强度等级为32.5MPa的普通硅酸盐水泥中添加高效能的扩散剂（如NNO、三乙醇胺、亚硝酸钠、硝酸钠等）和无机盐。

4）填充剂型。适用于早期强度要求不高的工程。常用的填充剂有粉煤灰、矿渣等。在水泥中加入填充剂可大大降低工程造价，其特点是早期强度较低，而后期强度增长率高、水化热低。

5）抗冻型。适用于防止土体冻胀的工程。一般使用的抗冻剂有沸石粉（加量为水泥的10%～20%）、NNO（加量为水泥的0.5%）、三乙醇胺和亚硝酸钠（加量分别为水泥的0.05%和1%）。最好用普通水泥，也可用高强度等级的矿渣水泥，不宜用火山灰质水泥。

6）抗渗型。适用于堵水防渗工程。应采用普通水泥而不宜用矿渣水泥，如无抗冻要求也可采用火山灰质水泥。常用水玻璃作为抗渗外加剂，加量为2%～4%，模数要求为2.4～3.4，浓度要求为30～45波美度。水玻璃对固结体渗透系数的影响见表4-6。对以防渗为目的的工程也可在水泥中加入10%～50%的膨润土，使固结体具有一定可塑性，并有较好的防渗性。

7）抗蚀型。适用于地下水中有大量硫酸盐的工程。采用抗硫酸盐水泥和矿渣大坝水泥。

（3）浆液配方。

1）水灰比。浆液水灰比随喷射方式不同而有差别。对于单管法、双管法应取1∶1～1.5∶1；对于三管法水灰比宜取1∶1或更小。

2）外加剂加量。国内常用的外加剂配方见表4-7。

8.浆液量计算

浆液量的计算有两种方法，即体积法和喷量法，取二者中较大者作为设计喷浆量。（1）体积法。可按式 （4 9）计算，即

式中 Q——需用浆液量，m³；

D——旋喷体直径，m；

k ₁——填充率，一般取0.75～0.9；

h ₁——旋喷长度，m；

β——损失系数，通常可取0.1～0.2；

d——注浆管直径，m；

k ₂——未旋喷范围土的填充率，一般取0.5～0.75；

h ₂——未旋喷长度，m。

（2）喷量法。由单位时间喷射的浆液量及喷射持续时间计算出浆量，计算式为

式中 Q——浆量，m³；

H——喷射长度，m；

q——单位时间喷浆量，m³/min；

β——损失系数，一般取0.1～0.2；

v——提升速度，m/min。

浆液量求出后，根据设计的水灰比，就可由式（4-11）、式（4-12）确定水泥和水的用量，即

式中 M_c——水泥用量，t；

d _c——水泥的相对密度，对普通水泥d_c=3.05～3.20，计算时可取d_c=3.0；

ρ _w——水的密度，取ρ_w=1t/m³；

α——水灰比；

M _w——水的用量，t。

9.住房和城乡建设部相关规范规定

根据住房和城乡建设部出台的《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012），旋喷桩复合地基处理应符合下列规定：

（1）适用于处理淤泥、淤泥质土、黏性土（流塑、软塑和可塑）、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地基。对土中含有较多的大直径块石、大量植物根径和高含量的有机质，以及地下水流速较大的工程，应根据现场试验结果确定其适应性。

（2）旋喷桩施工，应根据工程需要和土质条件选用单管法、双管法和三管法；旋喷桩加固体形状可分为柱状、壁状、条状或块状。

（3）在制定旋喷桩方案时，应搜集邻近建筑物和周边地下埋设物等资料。

（4）旋喷桩方案确定后，应结合工程情况进行现场试验，确定工艺参数及工艺。旋喷桩加固体强度和直径，应通过现场试验确定。

旋喷桩复合地基承载力特征值和单桩竖向承载力特征值应通过现场静载荷试验确定。初步设计时，可按式（4-13）和式（4-14）估算，其桩身材料强度尚应满足式（4-15）和式（4-16）的要求。

对有粘接强度增强体复合地基应按下式计算，即

式中 f_spk——复合地基承载力特征值，kPa；

λ——单桩承载力发挥系数，可按地区经验取值；

m——面积置换率，；d为桩身平均直径 （m），d_e为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径 （m）；等边三角形布桩d_e=1.05s，正方形布桩d_e=1.13s，矩形布桩d_e=1.13㊣s₁s₂，s、s₁、s₂分别为桩间距、纵向桩间距和横向桩间距；

R _a——单桩竖向承载力特征值，kN；

A _p——桩的截面积，m²；

β——桩间土承载力发挥系数，可按地区经验取值；

f _sk——处理后桩间土承载力特征值，kPa，可按地区经验确定。

增强体单桩竖向承载力特征值可按式（4-14）估算，即

式中 u_p——桩的周长，m；

q _{s i} ——桩周第i层土的侧阻力特征值，kPa，可按地区经验确定；

l _{p i} ——桩长范围内第i层土的厚度，m；

α _p——桩端端阻力发挥系数，应按地区经验确定；

q _p——桩端端阻力特征值，kPa，可按地区经验确定；对于旋喷桩应取未经修正的

桩端地基土承载力特征值。

对有黏接强度复合地基增强体桩身强度应满足式（4-15）的要求。当复合地基承载力进行基础埋深的深度修正时，增强体桩身强度应满足式（4-16）的要求。

式中 f_cu——桩体试块（边长150mm立方体）标准养护28d的立方体抗压强度平均

值，kPa；

γ _m——基础底面以上土的加权平均重度，kN/m³，地下水位以下取有效重度；

d——基础埋置深度，m；

f _spa——深度修正后的复合地基承载力特征值，kPa。

复合地基变形计算应符合现行国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB 50007）的有关规定，地基变形计算深度应大于复合土层的深度。复合土层的分层与天然地基相同，各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量的ζ倍，ζ值可按式（4-17）确定，即

式中 f_ak——基础底面下天然地基承载力特征值，kPa。

复合地基的沉降计算经验系数ψ_s可根据地区沉降观测资料统计值确定，无经验值时，可采用表4-8的数值。

表4-8中，E_s为变形计算深度范围内压缩模量的当量值，应按式（4-18）计算，即

图4-3 复合型防渗帷幕示意图

式中 A_i——加固土层第i层土附加应力系数沿土层厚度的积分值；

A_j——加固土层下第j层土附加应力系数沿土层厚度的积分值。

处理后的复合地基承载力，应按《建筑地基基础设计规范》（GB 50007）附录B的方法确定；复合地基增强体的单桩承载力，应按《建筑地基基础设计规范》（GB 50007）中附录C的方法确定。

4.4.4 防渗止水帷幕设计

1.防渗止水帷幕的形式

（1）柱列型。旋喷桩彼此搭接，形成一道具有一定厚度的墙体，不仅可以用来防渗，还可以挡土或承重。

（2）柱墙型。在两个旋喷桩之间进行定喷或摆喷，形成防渗止水帷幕。

（3）定喷防渗帷幕。

（4）摆喷防渗帷幕。

（5）快慢旋防渗帷幕。

（6）复合型防渗帷幕。在基坑支护工程中，经常采用灌注桩与高压喷射灌浆相结合的复合支护结构。灌注桩起挡土和承重作用，承担基坑侧壁的大部分土压力。在相邻灌注桩之间进行旋喷或摆喷，其主要作用是防渗止水，同时分担部分侧压力。由这种结构形成的防渗帷幕，防水性能好，施工速度快，并且支护结构占用场地小。在实际工程中常用的复合型防渗帷幕见图4-3。

2.防渗止水帷幕设计

（1）高压喷射灌浆孔孔距计算。

1）定喷（摆喷）防渗帷幕孔距的确定。

a.防渗帷幕孔距可根据现场试喷结构确定定喷（或摆喷）板墙的有效长度，若无试验资料，也可根据地层条件，结合同类地层的实际施工经验进行确定。

b.防渗帷幕孔距可根据孔深、孔斜及喷射夹角，按式（4-19）计算地面的最大孔距［图4-4（a）］，即

式中 L——地面喷射孔最大孔距，m；

图4-4 高压喷射灌浆孔距计算

L ₀——喷射板墙的有效长度，m；

H——钻孔设计深度，m；

λ——钻孔垂直度偏差；

θ——喷射方向与喷射孔连线夹角，对直线连接取θ=0。

2）旋喷桩防渗帷幕孔距计算。

a.单排桩（柱列式）孔距计算［图4-4（b）］。

式中 L——地面喷射孔最大孔距，m；

D——旋喷桩设计直径，m；

H——钻孔设计深度，m；

λ——钻孔垂直度偏差。

孔距确定后，可由式（4-21）确定旋喷桩的交圈厚度，即

式中 e——旋喷桩的交圈厚度，m；

D——旋喷桩设计直径，m；

L——旋喷桩最大孔距，m。

b.多排桩孔距计算。多排桩防渗帷幕一般按等边三角形布置，其孔距一般取L=0.866D，排距一般取S=0.75D。

（2）确定插入深度。

1）防渗帷幕深达隔水层时。在深基础工程，如果开挖面以下存在隔水层，则防渗帷幕应尽量插入隔水层，其插入深度应保证基坑底部土体不发生管隆起管涌破坏，见图4-5。

防渗帷幕插入深度的计算可采用式（4-22）、式（4-23），即

式中 D——防渗帷幕插入深度，m；

γ _w，γ′——水重度和基坑底部土的浮重度；

h _C，h_B——分别为C点和B点的水头压力，m。

图4-5 确定插入深度

式中 D——防渗帷幕插入深度，m；

Δh——作用水头，m；

B——帷幕厚度，m；

i _c——接触面允许水力梯度，取5～6。

2）防渗帷幕在透水层中。若防渗帷幕坐落在透水层中，当支护结构前后存在较大水头差时，很容易出现管涌现象。此时，一方面可采取降水措施，以降低水压力差，另一方面可通过增加防渗帷幕的插入深度，减少水力梯度来防止发生管涌现象。防渗帷幕的插入深度可按式（4-24）或式（4-25）计算，即

式中 h′——水头差，m；见图4-5。

高压喷射灌浆防渗帷幕的其他设计内容同地基加固工程旋喷桩的设计。

4.4.5 复杂地层振孔高喷防渗加固设计探讨

在合适的深度内，利用振孔高喷机采用大功率高频垂直振动加强力回转的钻进工艺几乎能够在任何复杂地层（包括卵砾石、堆石体地层）快速钻进并成孔，这成为振孔高喷工艺攻克大粒径地层的重要标志，为振孔高喷工艺在复杂地层成功进行高压喷射灌浆创造了必要条件。在大粒径等复杂地层中振孔高喷的高压喷射灌浆机理与常规钻孔高喷是一致的，所以高喷灌浆的基本参数（如压力、流量、旋转或摆动速度等）也基本一致，但提升速度通常可提高1倍或更高。

振孔高喷的钻孔直径通常为130～150mm（比常规钻孔直径要大许多），在大粒径等复杂地层振孔高喷的孔距多选择0.6～0.8m，孔间地层厚度仅0.47～0.67m，采用双喷嘴对喷方式进行摆动振孔高喷灌浆，就可以在大粒径等复杂地层中建成性能可靠的防渗墙。

振孔高喷在复杂地层中高喷灌浆的提升速度一般为0.15～0.3m/min。高喷提升速度还和地层条件密切相关，施工前应根据试喷结果和工程实际进行确定与调整。振孔高喷由于钻孔直径较大、孔距较小，即孔间地层厚度较小，射流更易于破坏地层迫使浆液在孔间贯通，从而能够在采用较高提升速度的情况下建成质量可靠的防渗墙。