复合注浆技术

复合注浆地基加固法
1起源及应用
1.1注浆技术起源及应用
注浆技术目前己成为我国岩土工程技术领域的一个重要分支，它具有施工设备简单、投资小、损耗少，操作工人少，工期短、见效快，施工中产生的噪声和振动小、对环境影响小，在狭窄的场地和矮小的空间均可施工，加固深度可深可浅、易于控制等许多优点。

因而这种方法在土建、市政工程、水利电力、交通能源、隧道、地下铁道、矿井、地下建筑等众多领域被广泛的应用，且具有很好的经济效益和应用价值。

据文献记载，国外最早的注浆应用是法国人查理土贝里尼（CharlesBerigny）于1802年用冲击泵注入粘土和石灰加固港口砌筑墙，距今已有200年历史了。

1838年英国汤姆逊隧道开始用水泥浆进行填充注入。

1884年英国Hosagood在印度建桥时首次采用化学注浆获得成功。

1887年德国的Jeziorsky利用一个钻孔灌水泥浆，另一个钻孔灌氯化钙，创造了原始的硅化法。

1909年，比利时人Lemaire Dumont首次采用双液单系统注浆技术获得成功，1920年，荷兰采矿工程师E.J.Joosten首次提出了水玻璃、氯化钙的双液双系统的注浆方式并获得专利。

美国第一次使用注浆技术是在1845年，W.E.Worthen采用水泥砂浆注入溢洪道陡槽基础，以后美国科罗拉多河上的胡佛坝岩石地基的帷幕注浆对注浆技术有系统的改进。

50年代，美国人推出了高分子型的化学注浆材料进行注浆。

60年代初期，日本始创出高压喷射注浆技术，将注浆技术向前推进了一大步。

我国的注浆技术可以说是由来己久。

据历史记载，我国在几千年前就普遍使用粘土、糯米作为砌块的胶结材料及防渗止水材料。

在我国的一些古代典籍，如：《抱朴子内外篇》、《齐民要术》等著作中均有胶粘剂的制造和使用方面的记载。

就现代化的注浆技术而言，我国起步较晚，50年代以前所做的工作甚少，50年代开始初步掌握注浆技术。

我国于60年代开始在水电行业采用静压注浆技术进行坝基基础注浆，随后冶金、煤炭、建筑、交通和铁道等部门相继应用在矿山井巷、软基加固、边坡治理等。

我国从70年代未在铁道行业开始进行高压喷射注浆技术的研究和应用，随后在冶金、煤炭、水电、建筑、交通等各部门进行了大量的工程应用。

在注浆材料方面，我国于50年代末和60年代初，开始有机高分子化学注浆材料的研究工作，特别是我国中科院著名化学家戴安邦研究员提出的硅酸聚合机理，较好地解释了水玻璃的胶凝现象，推动了我国水玻璃注浆材料的发展，与此同时，结合工程进行了实验和试用。

1.2注浆技术的分类及其特点
目前注浆技术按常规可分为静压注浆和高压喷射注浆技术两大类。

1、静压注浆技术
静压注浆技术是利用液压、气压和电化学的原理，通过注浆管将能强力固化的浆液注入地层中，浆液以充填、渗透、压密和劈裂等方式进行。

浆液挤走土颗粒或岩石裂隙中的水分
和空气后所占据的位置，浆液固结后又将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整体，从而改变岩土体的物理力学性质。

静压注浆技术加固地基优点是：浆液扩散范围大，对砂砾石、砂卵石地层注浆效果好，注浆固结体强度较高，注浆浆液全部进入地层中，浆液利用率高。

静压注浆技术加固地基的缺点是：注浆浆液可控性较差，易出现串浆及跑浆现象，浆液易流失到加固区域以外的地方，加固影响区域很难有效控制，为使静压注浆能有效控制加固范围，我国注浆技术人员又开发了袖阀管静压注浆技术，但深度上的可控性仍没有得到有效解决。

在加固处理粘性土和粉细砂层地基时，浆液注入主要是靠挤密和劈裂作用，加固后注浆固结体强度较低且浆液扩散的均匀性较差，不能成桩体状。

静压注浆技术适用土质范围：中粗砂及砂砾石，破碎岩石与卵砾石，软粘土和湿陷性黄土。

2、高压喷射注浆技术
高压喷射注浆技术是利用高压射流切割原理，通过带有喷嘴的注浆管在土层的预定深度以高压设备使浆液或水成为20MPa左右或更高的高压射流从喷嘴中喷射出来，冲击切割土体，当喷射流的动压超过土体结构强度时，土粒便从土体中剥离。

一部分细小的颗粒随浆液冒出地面，其余土粒在喷射流的冲击力、离心力和重力的作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例和质量大小有规律的重新排列，浆液凝固后，便在土中形成一个固结体。

固结体是浆液与土以半置换或全置换的方式凝固而成的。

高压喷射注浆技术加固地基的优点是：加固地基时浆液在喷切割土体极限范围之内固结，浆液可控性好，不易流失到远距离的加固区域外，以置换上体方式固结，固结体强度高。

高压喷射注浆能定向定位，可以形成连续的圆柱状的旋喷桩体且能直接承受上部荷载。

高压喷射注浆技术适用的土质范围较大，在砂层中注浆效果尤佳。

高压喷射注浆技术加固地基的缺点是：高压喷射注浆技术加固地基时浆液只能在喷射破坏土体的极限范围之内固结，浆液扩散范围较小，对有结石物或硬物阻碍时无法达到所需加固范围。

同时注浆浆液受喷射流动性的制约，水灰比较大，固结体收缩也较大。

高压喷射注浆技术对卵砾石地基及含有大纤维质的腐植土注浆效果较差。

高压喷射注浆技术适用土质范围：砂类土、粘性土、湿陷性黄土和淤泥。

1.3复合注浆技术的研究现状
1.3.1复合注浆技术的定义及其特点
1、复合注浆技术定义
复合注浆技术是将静压注浆技术和高压旋喷注浆技术进行时序结合从而发挥两种注浆技术各自优势的一种新型注浆技术。

实际工程中是先采用高压旋喷注浆成桩柱体，再采用静压注浆增强旋喷效果，扩散加固浆液，防止固结收缩，消除注浆盲区。

将复合注浆技术应用在地基基础加固中，既能充分发挥静压注浆技术和高压旋喷注浆技术这两种注浆加固方法各自的优点以及各自的缺点，又能达到最大的适用地层范围和最佳的加固效果。

2、复合注浆技术的特点
(1)复合注浆技术适用地层范围广。

即可适用于加固渗透性大的砂卵石层，又可适用于渗透性较差的粘土、粉土和粉细砂层及淤泥等软弱土层。

不经如此，它还可以用来加固溶岩地层的地下溶洞等复杂地层。

(2)复合注浆技术浆液扩散范围大，不仅对高压喷射流喷射破坏土体的极限范围之内土体进行置换加固，而且对喷射破坏土体的极限范围之外的土体以充填、渗透、挤密和劈裂等
方式进行注浆加固，在成桩的同时还对地基土有静压注浆技术的加固作用。

(3)复合注浆技术能定向定位定深度，能形成连续的圆柱状的旋喷桩体且旋喷桩体顶部无收缩并与原基础硅或桩硷结合紧密。

能直接承受上部荷载，具有承载力较高和固结体强度较高的特点，且固结体强度可根据设计需要进行调节。

其强度范围为5一3oMPa，与只用高压旋喷注浆形成的固结体相比，注浆技术形成的连续的圆柱状的旋喷桩体，其各方面的性质都有显著提高。

(4)复合注浆技术钻孔施工口径较小，对既有建筑物基础、地面损害和扰动均较小，节浆液的凝固时间可控，施工期建筑物附加沉降小。

(5)复合注浆技术施工简便，施工机具适合既有建筑物狭窄和低矮的现场施工，施工时基本无噪音，材料对环境无污染，可满足办公和生活要求并保护环境。

(6)经济可靠，耐久性好。

1.3.2复合注浆技术的应用范围
1、复合注浆技术在既有建筑物地基加固中的应用范围
(1)建筑物沉降或沉降差超过有关规定，建筑物出现裂缝、倾斜，以致影响正常使用，甚至危及建筑物安全时，可采用复合注浆技术来加固地基。

(2)既有建筑物需要加层改造，或建筑物用途改变，使荷载增加以及原地基承载力和变形不能满足要求，可采用复合注浆技术提高地基的承载力。

(3)在已有建筑物地基或相邻地基中修建地下工程，或邻近深基坑开挖等时，可采用复合注浆技术加固地基，以防止建筑物受周边影响。

(4)深基坑的支护和止水防渗。

2、复合注浆技术在桩基施工中的加固补强应用范围
(1)复合注浆技术可用于加固处理持力层较弱的工程灌注桩。

如设计所要求的坚硬持力层过深或施工时未达到坚硬持力层时，可采用桩内预留孔或钻孔方式进行加固。

(2)有桩身质量问题的灌注桩。

如桩身硷局部松散破碎，贯通性蜂窝、断桩等缺陷桩。

(3)需要扩底的预制桩。

如在桩施工前向预定的桩底区域注浆，可以大幅度提高桩的承载力和减小桩基础变形量。

(4)桩底下软夹层、溶洞、溶沟、土洞的处理：由于岩溶地区地质情况复杂多变，施工后的桩基础常发现软夹层、溶洞、土洞等，处理起来常使工程人员棘手，而应用复合注浆技术处理既简便又较经济且加固效果可靠。

1.3.3复合注浆技术的应用现状研究
静压注浆技术和高压旋喷注浆技术已在工程中得到了广泛应用，这两种注浆技术都可以应用在地基和基础加固工程中且各有优缺点及相对应的适用地质条件。

在地基基础加固中，有时应用其中一种注浆技术很难有效地解决工程实际问题，工程的安全可靠性也难以保证。

这两种注浆技术在地基和基础加固应用中也不乏有大量成功的工程实例，单也有不少失败的经验教训。

复合注浆技术将两种注浆技术进行时序上的结合，这样既能能充分发挥二者各自的优点，又能克服各自的缺点，从而达到最大的适用地层范围和最佳的加固效果，保证加固的成功率。

近年来，在湖南及广东等地区，许多单位及个人已开始对复合注浆法在桩基础加固中的应用进行初步研究，并己将其成功应用于工程实践。

2基本原理及适用范围
复合注浆是将静压注浆和高压旋喷注浆进行时序结合，在地基加固中应用是首先采用高压旋喷注浆形成桩体，再应用静压注浆增强旋喷效果，扩散加固浆液，防止固结收缩，消除注浆盲区。

复合注浆加固地基基础的作用机理主要有以下几方面：
2.1高压喷射流对土体的喷射切割作用
复合注浆采用高压喷射流冲击破坏土体时，能量集中冲击土体的一个很小的区域，在这个区域内及其周边的土与颗粒结构之间，产生很大的土压力，即破坏应力，当这些破坏应力超过土颗粒结构的强度临界破坏值时，土体即被破坏。

故喷射流破坏土体的主要作用在于喷射流的破坏应力，喷射流破坏土体的作用不仅与喷射流破坏力有关，而且与喷射流作用于土体的接触面积有关。

喷射流能否破坏土体的关键取决于喷射流破坏应力是否大于土体的结构强度。

复合注浆法喷射流破坏土体的极限深度即固结体的极限直径也取决于喷射流破坏应力。

因为从喷射流破坏土体的过程可知，土体受射流冲击以后，当破坏应力大于土体的结构强度时，土体被切割，切割深度随喷射时间增大而增大，当破坏应力等于土体的结构强度时，切割停止，深度不再增加，此时对应的破坏土体的深度为极限深度。

因此复合注浆高压喷射流破坏土体的主要作用是喷射流的破坏应力，当喷嘴出口喷射流破坏应力大于土体强度，喷射流能破坏土体。

随着距喷嘴出口的距离x的增加，喷射流的破坏应力逐渐减小，当破坏应力等于或小于土体的结构强度时，喷射流破坏土体的深度不再增加，即达到极限破坏深度。

前面试验得出在不同泵压条件下对同一土质而言复合注浆固结体直径不同，就是因为喷射流破坏应力取决于喷嘴入口处的喷射压力，即取决于泵压，因而泵压不同，固结体直径不同。

2.2浆液对土体的渗透、劈裂、挤密作用
复合注浆法采用高压旋喷注浆后再进行静压注浆，静压注浆浆液对土体的加固主要有渗透、劈裂、挤密三方面的作用。

对不同地层注浆，这三种作用方式在注浆过程中所起的作用主次地位也有所不同，但在任何一种地层中这三种作用都会同时存在。

渗透注浆作用是指在压力作用下使浆液充填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(砂性土注浆的结构原理)，所用注浆压力相对较小。

劈裂注浆作用是在压力作用下，浆液能量大于土体结构强度而产生的剪切力劈入土层，在土层中形成许多似树枝状的浆脉，浆脉在土体中固结后提高了土体的强度。

在劈裂作用过程中，浆液劈入土层中但并不与土体混合，而是两者相互独立存在。

在浆液渗透注入地层或劈裂注入地层的过程中，同时还存在挤密作用。

挤密作用是浆液在压力作用下向土体中扩张，对浆液四周土体产生一种挤压力，迫使土体被挤密，从而使土体密度增加。

在对粉细砂层的注浆中，这种挤密作用比较突出，在浆液浓度达到一定程度时，其挤密作用甚至超出劈裂作用效果。

2.3浆液与土的搅拌置换固结作用
复合注浆采用高压旋喷注浆时，钻杆在旋转提升过程中，喷射流对土体进行冲切破坏，在喷射流后部形成空隙，在喷射压力作用下，迫使土粒向着与喷嘴移动的方向相反的方向移动位置，从而与喷射流浆液搅拌混合，一部分细小的土粒被喷射浆液转换，随浆液带到地面，其余的土粒与浆液搅拌混合。

浆液与土混合后，经一系列水化作用后形成固结体。

3设计计算
3.1复合注浆设计原则
(1)对既有建筑物地基加固前，应先对地基进行鉴定，详细了解场地的岩工程勘察资料，地基和上部结构的图纸及隐蔽工程施工记录，方可进行加固的设计和施工。

(2)采用复合注浆方法加固地基方案时，应根据加固的目的，结合地基基础和上部结构情况，并考虑上部结构、基础和地基的共同作用来确定。

(3)选用复合注浆需从预期加固效果、施工难度、材料来源和运输条件、施工安全性、对临近建筑和环境的影响、机具条件、施工工期和造价等方面与其它方法分析比较来确定。

(4)对原采用天然地基的基础采用复合注浆法加固可按复合地基进行设计。

对原采用桩基的基础采用复合注浆法加按桩基进行设计。

采用复合注浆采用单管旋喷时形成高压旋喷桩单桩极限承载力根据地质条件的差异可取400一800KN。

3.2复合注桨形成的固结体设计
1、复合注浆固结体直径
经大量实验研究及工程应用表明，复合注浆固结体直径与土质有关以及与注浆工艺参数有关，针对不同的土层需采用与之相适应的喷射压力和提升速度。

在地基基础加固中，复合注浆固结体直径平均值设计为500~600mm。

2、复合注浆固结体强度
经大量实验研究及工程检测结果表明，复合注浆固结体强度与土质有关以及与喷射次数有关。

在地基基础加固中，复合注浆固结体强度极限值设计为5.0一15.0MPa。

3、复合注浆固结体其它性质
复合注浆固结体的其它性质可参考表1进行设计。

3.3注浆量及注浆参数设计
1、复合注浆的旋喷注浆量设计
复合注浆加固地基基础时的旋喷注浆量计算有二种方法，即体积法和喷量法，取其中大者作为设计喷射浆量。

1）体积法：
2Q=(1)4e D Kh π
αβ+ （1）
3e Q D K h βα式中：
：需要用的浆量(m )；
：旋喷体直径(m)；
：填充率(0.75~0.9)；
：旋喷长度(m)；：损失系数(0.1~0.2)；
：折减系数，取0.6~1.0
1)喷量法：
以单位时间喷射的浆量及喷射持续时间，计算出浆量，计算公式为
H Q=
(1)v q β+ （2）
33Q H v q 式中：
：浆量(m )；
：喷射长度(m)；
：单位时间喷浆量(m /min)，与喷射压力、喷嘴直径有关；
：损失系数(0.1~0.2)；
：提升速度(m/min)
复合注浆加固地基基础时先采用高压旋喷法形成旋喷桩，发挥加固效果的主要作用是旋喷桩，旋喷注浆的水泥用量也较多。

对既有建筑物地基基础时，一般来说旋喷注浆水泥用量设计为180~220kg/m 。

复合注浆法对缺陷桩补强时，由于需采用较慢的提升速度以及复喷的方式，因而注浆量较大，一般来说旋喷注浆水泥用量设计为300~6ookg/m 。

如地层中出现旋喷返浆不正常现象，则需加大浆液用量。

2、复合注浆的静压注浆量设计
复合注浆的静压注浆量可按下式计算：
Q=KV n （3） 33Q V K ~式中：
：灌浆浆液总用量(m )；
：灌浆加固对象的土量(m )；
：经验灌注系数，其取值为0.30.8；
n ：土的孔隙率
由于复合注浆中的静压注浆的目的主要是为了增加浆液的扩散范围，提高旋喷固结体质量，使固结体不收缩并与原基础结合紧密，同时增加了固结体周边土体的强度，从而增加了旋喷桩的承载力。

在复合注浆中，静压注浆起的作用为辅助作用，其水泥用量相对也较少。

通常情况下，复合注浆法用于加固既有建筑物地基基础时，旋喷后静压注浆的水泥用量设计为300~800公斤/孔。

复合注浆法用于对缺陷桩补强时，旋喷后静压注浆的水泥用量设计为500~1500公斤/桩。

3、复合注浆主要注浆参数设计
1)旋喷注浆压力：在既有建筑物地基加固注浆时常采用单管高压旋喷，其压力常用20~25MPa ；在对桩基缺陷进行加固补强注浆时采用单管高压旋喷或三重管高压旋喷，注浆压力常用25~30Mpa ；
2)喷射提升速度：在既有建筑物地基加固注浆时采用20cm/min ；在对桩基缺陷进行加固补强注浆时采用I0cm/min~15cm/min ；
3)喷射旋转速度：20r/min~40r/min ；
4)静压注浆压力：在既有建筑物地基加固注浆时采用0.3~2.OMpa ；对桩基缺陷进行加固补强注浆时采用0.3~5.0Mpa ：注浆压力需根据每个工程的不同土质条件及注浆部位进行注浆压力设计；
5)浆液水灰比：旋喷注浆时采用1：1~1.2：1；静压注浆时采用0.5：1~1.2：1。

4施工
4.1复合注浆技术施工特点
从的研究中可知，复合注浆技术是将静压注浆技术和高压旋喷注浆技术进行时序结合发挥两种注浆技术优势的一种新型注浆技术。

实际工程中是先采用高压旋喷注浆成桩柱体，再采用静压注浆增强旋喷效果，扩散加固浆液，防止固结收缩，消除注浆盲区。

将复合注浆技术应用于在地基基础加固中，能充分发挥静压注浆技术和高压旋喷注浆技术这两种注浆加固方法各自的优点，克服各自的缺点，从而达到最大的适用地层范围和最佳的加固效果，保证加固的成功率和安全性。

这一注浆工法主要有以下几个特点：
1、复合注浆技术适用加固地层范围广，既可适用于加固渗透性大的地层(如砂卵石层)，又可适用于渗透性较差地层(如粘土、粉土和粉细砂层)，还可以用来加固溶岩地层的地下溶洞和溶蚀裂隙。

复合注浆技术既能形成较高强度的旋喷桩固结体，又能通过渗透、劈裂和挤密的方式提高岩土层的强度。

2、复合注浆技术适用加固工程范围广，可用于对既有建筑物(如房屋、公路、桥梁)地基基础进行加固，也可用于桩基(如大口径钻孔桩、挖孔桩)缺陷的加固处理。

3、复合注浆技术浆液扩散范围大，不仅对高压喷射流喷射破坏土体的极限范围之内土体进行置换加固，而且对喷射破坏土体的极限范围之外的土体以充填、渗透、挤密和劈裂等方式进行注浆加固，在成桩的同时对地基土有灌浆加固作用。

4、复合注浆技术能定向定位，能形成连续的圆柱状的旋喷桩体，旋喷桩直径为400一1200nun，其注浆固结体顶部无收缩，与原基础硷或桩硅结合紧密。

能直接承受上部荷载，并将荷载传递到深层土层中去，保证荷载传递均匀、有效；复合注浆技术形成旋喷桩的单桩承载力较高。

5、复合注浆技术形成的旋喷固结体强度较高，且固结体强度可根据设计需要通过改变浆液材料和工艺参数来进行调节，一般其固结体强度范围为5一30MPa。

6、复合注浆技术钻孔施工口径较小，对既有建筑物基础和地面损害和扰动很小，可调节浆液凝固时间，施工期建筑物附加沉降小。

经济可靠，且耐久性好。

7、复合注浆技术施工简便，施工机具特别适合既有建筑物狭窄和低矮的现场施工，施工时直接在原基础承台下形成旋喷桩，不需开挖地面，对地面和基础破坏小。

施工时基本无噪音，满足办公和生活要求；
4.2复合注浆技术的施工顺序
1、注浆钻孔施工
对既有建筑物地基进行加固时，先采用地质钻机钻穿既有建筑物原基础或承台，然后根据设计注浆深度要求，选择采用地质钻机或高压旋喷钻机钻孔到设计深度。

一般以土层或强风化岩层作为注浆持力层时可采用高压旋喷钻机直接钻孔，若以中风化以上岩层作为注浆持力层时需先采用地质钻机钻至终孔，若地层中有卵砾石层也需采用地质钻机钻孔。

钻孔孔径一般开孔为110mm，终孔直径为91mm，钻孔垂直度保证<l%。

对岩层或硷层采用金刚石钻头钻进，对卵砾石地层采用合金钻头钻进行，采用泥塞浆护壁或套管护壁，钻孔后需保证钻孔不跨孔不堵塞。

2、建立孔口注浆装置
注浆钻孔施工完成以后，在注浆孔口建立注浆装置。

孔口注浆装置需既满足静压注浆要求又满足高压旋喷注浆管可以从其中下钻的要求。

孔口注浆装置可采用单管接头式或混合器式，单管接头式用于单液注浆，混合器式用于双液注浆。

孔口注浆装置采用预埋设的方式固定在注浆孔口，采用水泥浆或水泥水玻璃浆液将孔口装置与钻孔之间的间隙固定密封。

3、采用高压旋喷注浆方式进行注浆
孔口注浆装置埋设1~2天后，先采用高压旋喷注浆方式进行旋喷注浆，旋喷注浆需按设计规定的工艺参数(喷射压力、提升速度、旋转速度、浆液水灰比)进行注浆，将注浆管分段下入孔底，每段注浆钻杆需连接紧密并采用麻丝密封。

旋喷注浆按从下而上的方式。

为了减小建筑物的附加沉降，旋喷一般采用单管旋喷注浆方式，下钻时尽量快速且尽量小压力小流量喷水，旋喷时采用不喷水而直接喷浆一遍的方式，在底部和顶部需喷浆2遍。

在对建筑物进行纠偏加固时，为加速浆液凝固，有时采用先喷一遍水泥浆液后喷射一遍水玻璃的方式，进行双液旋喷。

4、采用静压注浆方式进行注浆
高压旋喷注浆结束后，利用孔口注浆装置封住孔口进行静压注浆，通过静压注浆可以扩大浆液的注入范围，防止旋喷固结体收缩从而增加旋喷体与原基础硅结合紧密性。

静压注浆开始时采用较稀的浆液和较低的注浆压力，随后逐渐增加浆液浓度及加大注浆压力，直至设计注浆量和注浆压力为止。

一般静压注浆在浆液终凝前需进行2~3次灌注。

静压注浆可以采用单液也可采用双液注浆。

5、封孔
静压注浆结束后，若注浆孔口冒浆，需对孔口进行封闭处理，防止浆液流出。

若注浆结束后孔内浆液有流失需补灌浆液到注浆孔内浆液饱满为止。

复合注浆顺序有时需根据实际情况进行调整，有时需采用先静压注浆后高压旋喷注浆的方式进行注浆。

如处理溶洞或裂隙岩层以及卵砾石地层，浆液流失严重时，需先采用静压注浆方式，通过双液注浆的方法，使注浆浆液快速凝固，从而将漏浆通道堵塞，为高压旋喷注浆创造了不漏浆的条件后再进行高压旋喷注浆，此时复合注浆才能获得较好的效果。

复合注浆技术加固地基的施工顺序如下图1所示：
4.3施工设备
1、钻孔设备的改进。