注浆加固理论课件.ppt

注浆加固理论,注浆理论：借助于流体力学和固体力学的理论，对浆液的单一流动形式进行分析，建立压力、流量、扩散半径、注浆时间之间的关系。浆液在地层中往往以多种形式运动，且这些运动形式随着地层的变化、浆液的性质和压力变化而相互转化或并存。如在渗透注浆过程中存在劈裂现象；在劈裂注浆过程中存在渗透流动等，在压密注浆过程中存在劈裂或渗透流动。尽管浆液在地层中运动形式很复杂，但它在一定条件下总是以某种流动形式为主。因此，应正确地运用注浆理论，使其以所要求的运动形式为主在地层中流动，达到注浆的目的。,1 岩土介质可注性2 渗透注浆理论3 压密注浆理论4 劈裂注浆理论5 裂隙岩体注浆理论,1 岩土介质可注性,注浆法适用范围以及对岩土介质的改良结果，不仅取决于注浆材料的性质，也取决于注浆方法和注浆工艺。注浆方法的选择不仅是注浆设备的选择，还要看试验结果，考虑注浆经验是否丰富，注浆管理的方法是否可行等。在注浆工程实践中，常常采用联合注浆工艺。包括不同浆材及不同注浆方法的联合，以适应某些特殊地质条件和专门注浆目的，因而注浆法适用界限变得更加复杂。,在砂砾土层中渗透注浆时，尤其是当浆液浓度较大时，要求浆液中颗粒直径比土孔隙小，粒状浆材中颗粒才能在孔隙或裂隙中流动。但粒状浆材往往以多粒形式同时进入孔隙或裂隙，这可导致孔隙的堵塞，因此，仅仅满足颗粒尺寸小于孔隙尺寸是不够的。同时浆液在流动过程中存在着凝结过程，也会造成浆液通道的堵塞。再则地基土是非均质体，裂隙或孔隙大小不同，粒状浆材的颗粒尺寸不均匀，若想封闭所有孔隙，就要求粒状浆材的颗粒尺寸必须很小，这从技术和经济的角度来看也是困难的。实验表明，注浆材料能够顺利渗透到土颗粒间的条件是:,渗透注浆理论,注浆材料在外力作用下可渗入到岩土体的裂隙或孔隙中。一般情况下，注浆压力越大，注入浆液量越多，扩散距离也就越远，加固效果也就越好。但注浆材料的渗透性好坏与诸多因素有关，如:岩土孔隙率及孔隙大小、材料可注性、注浆施工方法、地基非均质性、地下水流动、注浆材料的时间特性等。一般渗透注浆是在不足以破坏地层构造的压力下即不产生水力劈裂，把浆液注入到粒状土的孔隙中，从而取代或排出其中的空气和水。渗透注浆要满足可注性条件。浆液一般均匀地扩散到土颗粒间的孔隙内，将土颗粒胶结起来，可增强土体强度和防渗能力。,浆液扩散形状取决于注浆方式:当由钻杆端孔注浆，注浆孔较深，这时相当于点源，浆液呈球面扩散。当采用花管式分段注浆，浆液则呈柱面扩散。,牛顿流体在地层中的渗透公式,牛顿流体是典型粘性流体，其流变曲线是通过原点的直线，方程式为:大多数的化学浆液都属于牛顿流体。,（1）球状扩散理论Maag公式假设：注浆材料在土体中流动是层流，服从达西定律；地基是均质的半无限体；在地下水位以下注浆时，地下水无动水压力；不考虑注浆材料密度与水密度的差别；在注浆期间，注浆材料粘度不变；注浆源为点源，浆液在地层中呈球状扩散。,牛顿流体在地层中的渗透公式,根据达西定律：式中：根据边界条件可推导出：,宾汉姆流体在地层中的渗透公式,宾汉姆流体是典型塑性流体其流变曲线是不通过原点的直线宾汉姆流体的流变方程表示为：塑性流体的表观粘度为：,宾汉姆流体比牛顿流体具有较高的流动阻力，注宾汉姆型浆液需要较大的压力，浆液才能扩散较远。多数粘土浆液和一些粘度很大的化学浆液属于宾汉姆流体；水泥浆由牛顿流体转变为宾汉姆流体的临界水灰比发生在接近于1.0处。水灰比大于1.0，属于牛顿流体；水灰比小于1.0，为宾汉姆流体。,宾汉姆流体在地层中的渗透公式,以上公式可解决的注浆工程问题：（1）已知 和 ，根据公式 可计算出扩散半径。（2）已知压差（ ）及注浆时间 时，按照公式 计算注浆扩散半径。（3）已知注浆流量 及扩散半径 ，可按照公式 计算孔底最大压力( )，并根据公式 计算注浆时间。（4）塑性流体的渗透系数、有效粘度都是半径的函数，在向孔隙介质注入分散性浆液时，随着时间的变化(半径的增大)，将出现介质的渗透率下降。,渗透注浆的极限压力,在半无限空间可渗透注浆的土体内注浆时，如果注浆压力超过某一极限值( )，浆液流动将会由渗透方式转化为劈裂方式。只有当注浆压力小于 时，才能保证浆液在土中是渗透的。渗透注浆极限压力 的表达式为：注浆后一般注浆压力迅速增加，注浆孔附近形成不稳定浆液，略去浆液渗透力对土体应力场的影响，上式简化为,岩土压密注浆理论,压密注浆是用极稠的浆液（塌落度25 mm），通过钻孔挤向土体，在注浆处形成球形浆泡，浆体的扩散靠对周围土体的压缩。钻杆自下而上注浆时，将形成桩式柱体。浆体完全取代了注浆范围的土体，在注浆邻近区存在大的塑性变形带；离浆泡较远的区域土体发生弹性变形，因而土的密度明显增加。压密注浆的浆液极稠，浆液在土体中运动是挤走周围的土，起置换作用，而不向土内渗透。压密注浆的注浆压力对土体产生挤压作用，只使浆体周围土体发生塑性变形，远区土体发生弹性变形，而不使土体发生水力劈裂，这是压密注浆与劈裂注浆的根本区别之点。,岩土压密注浆理论,在压密注浆过程中，刚开始时，浆柱直径和体积较小，压力主要是径向的也就是水平方向。随着浆柱体积的增加，将产生较大的向上压力，压密注浆的挤密作用和上抬力对沉陷基础加固和抬升是非常有效的。观测发现，紧靠浆泡处的密度并不增加，但离浆泡0.31.8m内有挤密作用，在这个压密带内，距浆泡愈远，则挤密愈差。对非饱和土挤密较明显；对饱和土浆泡先引起超孔隙压力，待孔隙压力消散后土的密度才会提高。浆柱体形状在均匀地基中是球形和圆柱形，在不均质地基中，浆柱大都呈不规则形状，浆液总是挤向不均地基中薄弱土区，从而使土体的变形性质均一化。浆柱体大小受地基土密度、含水量、力学特性、地表约束条件、注浆压力、注浆速率等因素控制。,压密注浆对浆液的要求,压密注浆既要求浆液在高压下可泵送（即浆液不能太稠），又要求浆液注入土体后不易产生劈裂破坏（即浆液不能太稀）。,通常采用水泥砂浆。使用的砂料要有一定的级配，要求100通过筛孔直径为2.36 mm的方孔筛，含约20的50 m细粒的天然砂。 砂粒过粗，在高压下浆液容易失水，形成阻塞； 砂粒过细，浆液难以控制。一般含水量是干密度的1020。含水量控制方法是现场做塌落度试验，实际上含水量增加一点，塌落度成倍增加。,压密注浆的力学机制,压密注浆形成浆泡后，其半径随注浆压力的增加而增大。当浆泡水平投影面积与注浆压力之乘积（即上抬力）足以将上覆土层抬起时，注浆压力不再升高，应停止注浆。对给定的上覆土层厚度而言，导致上抬所需之注浆压力与浆泡半径或水平投影面积有关。曲线I和曲线的交点所对应的压力 就是该注浆点的上抬压力:随着上覆土层厚度、地基刚度的增加而增加，而地基土刚度又与土类型、密实度、含水量及注浆速率有关。,压密注浆的力学机制,压密注浆的主要控制因素是注浆压力，注浆压力的大小与注浆速率有直接的关系。大多数工程的起始注浆速率为2030 L/min。如果压力增加较慢，则注浆速率可缓慢提高。压力增加的最大速率为2040 kPa/min。当压力的增加呈平稳上升时，表明基土是比较均匀的。当压力变化波动较大时，则表明基土具有很大不均质性。,压密注浆的抬升作用,压密注浆可以引起三种土体变形模式。哪种模式的出现取决于浆泡和周围土体接触面的空腔压力。当上抬力超过上层土重量时，一个圆锥型破坏模式将会发生，相应的地面隆起就变得明显。当上抬力不足上层土重时，周围土仅发生弹性或塑性膨胀，地面抬升很小。特别注意，当破坏模式变化时，浆液很容易沿裂面窜到地面，发生明显的水力劈裂现象。,岩土劈裂注浆理论,劈裂注浆：是在钻孔内施加液体压力于弱透水性地基中，当液体压力超过劈裂压力（渗透注浆和压密注浆的极限压力）时，土体产生水力劈裂，也就是在土体内突然出现一裂缝，于是吃浆量突然增加。 劈裂面发生在阻力最小的应力面，劈裂压力与地基中小主应力及抗拉强度成正比，浆液愈稀，注入愈慢，则劈裂压力愈小。 劈裂注浆在钻孔附近形成网状浆脉，通过浆脉挤压土体和浆脉骨架作用加固土体。,劈裂注浆过程,第一阶段鼓泡压密阶段刚开始注浆，浆液所具备的能量不大，不能劈裂地层，浆液聚集在注浆管孔附近，形成椭球形泡体挤压土体。曲线初始部分吃浆量少，而压力增长快，说明土体尚未裂开，曲线中第一个峰值压力（点压力）为启裂压力。启裂压力前的曲线段称为鼓泡压密阶段（与压密注浆相似）。,第二阶段劈裂流动阶段当压力大到一定程度时（启裂压力），浆液在地层中产生劈裂流动，劈裂面发生在阻力最小的小主应力面。当地层存在已有的软弱破裂面，先沿着软弱面劈裂流动。当地层比较均匀时，初始劈裂面是垂直的。劈裂压力与地层中小主应力及抗拉强度成正比。,第三阶段被动土压力阶段裂缝发展到一定程度，注浆压力又重新上升，地层中大小主应力方向发生变化，水平向主应力转化为被动土压力状态（即水平主应力为最大主应力），这时需要有更大的注浆压力才能使土中裂缝加宽或产生新的裂缝，出现第二个压力峰值（图中c点）。此时水平向应力大于垂直向应力，地层出现水平向裂缝（即二次劈裂。,压密注浆和劈裂注浆的关系,劈裂注浆浆脉内浆液压力远小于浆泡压力，引起的应力增量极小，不过浆脉延伸的很远，它与土的接触面积远大于浆泡与土的接触面积，并且它在远离注浆孔处的 p值降低很小。在钻孔中注浆量相同的条件下，压密注浆的加固作用强，但影响范围小，劈裂注浆的加固作用弱，但影响范围大。在压密注浆过程中，必须采用稠浆和快速注入。然而实际中，经常发生稠浆堵塞输浆管现象。当采用稀浆冲洗时，出现注浆压力突然下降现象，压密注浆可转化为劈裂注浆。在劈裂注浆过程中，土体一旦劈开，即使将稀浆改用稠浆，劈裂注浆也不会转化为压密注浆。,裂隙岩体的注浆,裂隙岩体的帷幕注浆和固结注浆，都是将一定的浆液注入到岩体裂隙内。帷幕注浆的浆材主要是防渗材料，固结注浆的浆材主要是高强度材料。裂隙岩体内存在大量的节理裂隙，尤其是多次构造作用形成的节理分布相当复杂，研究浆液在岩体裂隙内流动规律就更复杂。利用裂隙岩体的一些渗流模型，可研究浆液在较为简单的裂隙模型内的流动规律。现有的注浆公式只限于水平单一裂隙或一组裂隙内浆液的流动。较为复杂的模型还需做大量的研究工作。均假设浆液在裂隙内流动为层流，符合达西定律。,水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理,在静止状态和层流状态，水泥沉淀速度最快，过渡态次之，紊流最慢。一般在钻孔附近呈紊流，远离钻孔为层流。水泥浆在层流段沉积。影响水泥沉淀速度的因素还有水泥比重、颗粒大小、水泥浆的浓度和外加剂。在相同流速和相同浓度下，水泥的比重和颗粒越大，越容易下沉；当颗粒直径0.001 mm时，水泥浆液为稳定浆液。其他条件相同时，浆液愈稀，水泥颗粒的沉降速度愈快。浓度增加，颗粒之间相互碰撞、摩擦的机会增多，颗粒下沉阻力增大，速度减慢。在水泥浆液中掺入一定数量的分散剂，可以延缓水泥的析水沉淀速率。,浆液在管道中输送和在大裂隙中流速较高多表现为紊流，而在细裂隙中多表现为层流。注浆时浆液自孔壁缝口进入地层裂隙后，越向外流，控制浆液的断面积越大，浆液的流速与距孔中心的距离成反比。流速减小，水泥颗粒动能减小。这样一方面重力沉淀速度增加，另一方面颗粒易被接触到的岩壁所吸附，且水泥颗粒间的相互吸引，易形成颗粒集团，从而促进水泥浆的析水沉积过程。,水泥注浆的充填过程水泥颗粒在岩缝中开始沉积地点离孔壁的距离，将随注浆压力和浆液稠度、岩缝宽度不同而不同。压力越大，浆液越稀，岩缝越宽，开始沉积的地点距钻孔越远。从沉积点开始，水泥颗粒将陆续从浆液中被分离出来，在岩缝中形成一个不断加厚的“脊背”，逐步缩小岩缝的宽度。当岩缝宽度缩小到一定程度以后，不是出现吃浆率的减小，就是出现压力自动升高；若保持压力不变，进浆率就减小。进浆率的减小，使得浆液在每一点上的流动速度也跟着减小，从而在靠近钻孔的方向又形成新的“脊背”，直到岩缝基本填满为止。,不同宽度的岩缝，采用同一浓度浆液时，充填的范围和时间是不同的。宽裂隙充填距离较远，时间较长；而窄裂隙充填范围很小，时间很短。在实际注浆中，遇到吃浆量很大，长时间不见减小情况时，可采取逐级变浓浆液的措施进行注浆。浆液变浓，意味着粘度和流动阻力的增大，将导致相同压力下的进浆率和流速降低，结果使得水泥提前沉积。变浓一级浆液，就要出现一个更靠近孔壁的沉积点和一个新脊背。过快变浓浆液，可能造成岩缝突然堵塞，前后形成的“脊背”互不衔接，使岩缝得不到充分的充填。,在一个注浆段包含不同宽度的裂隙。为使所有裂隙都能充满浆液，首先使用粘度小、流动性较好的稀浆，充填较小的裂隙，然后再用较稠的浆液注较大的裂隙。浆液由稀变浓应逐级改变。我国现行规范规定的水灰比可采用：8:1，5:1，3:1，2:1，1.5:1，0.8:1，0.6:1，0.5:1九个比级；而A.C. Houlsby 推荐水泥浆液的最佳起始水水灰比为3:1。加固注浆中建议的水灰比不超过1.0。,注浆过程中变浆时机是根据压力与吸浆率的变化情况而决定。在吃浆率大于10 L/min以前，若连续注入量已达450 L以上，注浆压力或吸浆率均无明显变化，则变浓一级；在吸浆率小于10 L/min以后，若连续注入时间已达2 h以上，压力和吸浆率均无变化，也变浓一级；若变浓浆液后压力明显逐渐升高或吸浆率逐渐减小，则不宜再变浓浆液就用当时的浓度，直至注浆结束；若变浓后吸浆率骤减或压力骤升，再退回用原来浆液浓度。,水泥浆液在岩体裂隙内的沉积排水机理裂隙岩体注浆所用的水泥浆液的水灰比多在15之间，水泥水化大约需525水（一般为水泥重量的25左右），而其余的7595的水则属于多余的。它仅仅为了浆液输送方便，一旦把水泥颗粒载运到预定地点后，多余的水分就应排除。而这些多余的水分是以怎样的方式排除呢?目前有两种认识，即“固结排水”和“流动沉积”理论。,裂隙岩体的劈裂注浆,裂隙岩体内注浆，注浆压力低、浆液流速小，浆液在裂隙内以渗透和充填为主。当采用高压注浆时，裂隙岩体的节理和裂隙被不同程度地扩张，使岩层发生上抬现象，即压力扩缝效应。压力扩缝的实质是由于流体在缝隙内流动给两壁岩体以压缩应力（扩张应力），而引起岩缝宽度进一步扩展。岩缝的变形主要是弹性变形，扩展的数值可用布辛涅斯克方程估算。,较高的注浆压力使岩体裂隙产生适当的扩张和回弹，裂隙回弹产生大面积的法向应力，对浆液的排水固结特别有效，增实并与岩石结合得更紧，提高注浆质量。对缺乏足够覆重和围限的松软岩层和沉积层较大压力所引起的劈裂容易导致从表面大量地跑漏浆液，抬动建筑物，而无助于地层的增实。在大裂隙、透水性和吸浆量很大的地层中，大压力会导致浆液不必要的外流。因此，在裂隙岩体内注浆，先充填渗透，然后增大压力扩缝，并适度地劈裂注浆，有利于提高注浆效果。,