岩土注浆加固理论.ppt

11 岩土注浆加固理论,注浆理论的研究对象主要是浆液在岩土体中流动时所完成的两个主要过程:(1)物理化学过程；(2)流体力学过程。物理化学过程：注浆材料的凝结和硬化机理、浆液的流变性能等；流体力学过程：浆液沿注浆管道及在地下沿孔隙或空洞的流动扩散规律。,近几十年来,国内外许多学者根据流变学和地下水动力学原理对注浆法进行了大量理论研究,发展了一些注浆理论。但总体来说,与注浆材料、注浆工艺、注浆设备的快速发展呈鲜明对比的是注浆理论的研究相对还比较落后,进展缓慢。其主要原因是被注介质的不均匀性和不确定性以及浆液本身的多变性，并且注浆机制的研究一直被人们所忽视,这些都增加了理论分析的困难。,注浆技术的分类：浆液材料：水泥注浆和化学注浆；浆液性能：粒状注浆和液体注浆；注浆用途：加固注浆、防渗注浆和基础托换注浆；注浆压力：静压注浆和高压注浆；按照地质条件、注浆压力、浆液对岩土体的作用机理、浆液的运动形式和替代方式,注浆可分为渗透注浆、劈裂注浆、压密注浆、充填注浆(裂隙注浆）和高压喷射注浆五类。,压密,劈裂,渗透,喷射,11 岩土注浆加固理论,11.1 岩土介质的可注性11.2 岩土渗透注浆理论11.3 岩土压密注浆理论11.4 岩土体劈裂注浆理论11.5 裂隙岩体的注浆理论,岩土注浆理论是借助于水力学、流体力学和固体力学的理论发展起来的，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。,11.1 岩土介质的可注性,注浆法的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，以适应某些特殊的地质条件和专门注浆目的，因而注浆法的适用界限变得更加复杂。,11.1 岩土介质的可注性,在砂砾土层中渗透注浆时，尤其是当浆液的浓度较大时，要求浆液中的颗粒直径比土的孔隙小，粒状浆材中的颗粒才能在孔隙或裂隙中流动。但粒状浆材往往以多粒的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；,11.1 岩土介质的可注性,此外，地基土是非均质体，裂隙或孔隙的大小不相同，粒状浆材的颗粒尺寸不均匀，若想封闭所有的孔隙，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。许多实验结果表明，注浆材料能够顺利渗透到土颗粒间的条件是:,11.1 岩土介质的可注性,若土颗粒粒径 0.8mm,渗透系数 10-1cm/s，水泥浆材可以注入。当孔隙尺寸小于这一数值时，水泥浆液就不能注人，即使增加注浆压力也不会得到理想渗透注浆效果。这时只有减小粒状浆材的颗粒尺寸，如采用超细水泥等，才能得到满意的结果。,表11-1 各种注浆材料的适用范围,11.2 岩土渗透注浆理论,渗透注浆(Permeation Grouting)是指在不破坏地层岩土颗粒排列的条件下,浆液充填于颗粒间隙中,从而取代、排出其中的空气和水,将颗粒胶结成整体。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。一般渗透注浆要满足可注性条件。渗透注浆浆液一般均匀地扩散到岩土颗粒间的孔隙内，将岩土颗粒胶结起来，可增强岩土体的强度和防渗能力。,11.2 岩土渗透注浆理论,1)抗渗止水工程:开挖竖井、隧道等地下工程,防止和控制涌水;地下工程开挖时防止基础沉降;坝基防渗注浆,建筑物地基下部或周围防渗体的建立;基础及城市地下工程防止流砂管涌及地面隆起等。2)地基加固工程:加固软弱地基,提高地基土的承载力,扩散上部荷载,降低应力水平;回升和加固建(构)筑物地基;地铁的注浆加固,通过渗透注浆用以减少施工时地面位移和控制施工现场土体的位移等;隧洞大开挖注浆加固;竖井注浆,用以处理流砂和不稳定地层。3)防止变形工程:防止产生滑动,维持坡面稳定;构筑物本身的加强,开挖基坑时对附近已有构筑物的防护。4)对灌注桩的两侧和底部注浆,用以提高桩与土间的侧摩阻力和桩端土体的力学强度。在锚杆和锚索施工过程中,用渗透注浆做成锚固体。,11.2 岩土渗透注浆理论,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，注入的浆液量越多，扩散的距离也就越远，加固的效果也就越好。但注浆材料的渗透性好坏与诸多因素有关，如:岩土的孔隙率及孔隙大小、材料的可注性、注浆施工方法、地基的非均质性、地下水的流动、注浆材料的时间特性等。,11.2 岩土渗透注浆理论,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。,11.2.1 牛顿流体在地层中的渗透公式,浆液具有易流动性,静止时不能承受切力抵抗剪切变形,但在运动状态下,浆液就具有低抗剪切变形的能力即粘滞性。在剪切变形过程中,浆体质点之间存在着相对运动,使浆体内部出现成对的切力,其作用是抗拒浆体内部的相对运动,从而影响着浆体的运动状态。由于这种粘滞性的存在,浆液在运动中要克服内摩擦力而做功。牛顿于1686 年提出并验证了此规律,因此称为牛顿流体。牛顿流体的本质即是在温度不变的条件下,流体的动力粘滞系数值不变,为一固定斜率的直线。,11.2.1 牛顿流体在地层中的渗透公式,牛顿流体是典型的粘性流体，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。,11.2.1 牛顿流体在地层中的渗透公式,（1）球状扩散理论1）Maag公式 Maag于1938年推导出浆液在砂层中的渗透公式。认为：注浆材料在土体中流动是层流，并服从达西定律；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；不考虑注浆材料的密度与水的密度的差别；在注浆期间，注浆材料的粘度不变；注浆源为点源，浆液在地层中呈球状扩散。,11.2.1 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 和已知，同时考虑，即，则得到：,11.2.1 牛顿流体在地层中的渗透公式,2）Raffle-Greenwood公式Raffle和Greenwood推导出注浆点源的球形扩散半径、浆液流量和浆液压力之间的关系式为浆液从注浆点源扩散到半径为 的球面所需的时间为Raffle-Greenwood公式可简化为Maag公式。,11.2.1 牛顿流体在地层中的渗透公式,（2）柱面扩散公式柱状注浆时液面扩散方式如图所示，根据达西定律有当 时，；时，可推导出已知，可得非水溶性浆液渗透扩散理论可参考有关资料。,宾汉姆流体在地层中的渗透公式,宾汉姆流体是典型的塑性流体，其流变曲线是不通过原点的直线。流体具有这种性质的原因是由于流体含有一定的颗粒浓度，在静止状态下形成颗粒之间的内部结构。在外部施加的剪切力很小时，浆液只会产生类似于固体的弹性变形。当剪切力达到破坏极限后(超过内聚力)，浆体才会发生类似于牛顿流体的流动，浆液的这种性质称为塑性。（塑性体）,宾汉姆流体在地层中的渗透公式,宾汉姆流体的流变方程表示为塑性流体的表观粘度为,牛顿流体,宾汉姆流体在地层中的渗透公式,可见，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WC接近于1处，水灰比大于1属于牛顿流体，水灰比小于1为宾汉姆流体。,11.2.2 宾汉姆流体在地层中的渗透公式,对于宾汉姆流体柱面扩散方式来说，根据渗流微分方程宾汉姆流体在粗颗粒岩土体中渗透系数为经整理后得塑性流体随时间而变化的流动规律,11.2.2 宾汉姆流体在地层中的渗透公式,当 时，可忽略不计，取，。计算在已知时间T 及注浆流量 Q 为常量时的注浆扩散半径注浆流量从而,11.2.2 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。,注浆材料的流变特性,浆液在孔隙中流动，其流变学特性取决于浆液材料的结构特性，可分为牛顿体和非牛顿体。不遵循牛顿内摩擦定律的流体的统称。有些非牛顿流体的流变特性,还随外力作用的时间而变化,故可分为与时间无关的及与时间有关的两种。还有一种既有粘性,又有弹性的流体,称粘弹性流体。我们研究流体的流变学特征，一般是假定被测液体为牛顿流体，但是，实际上自然界90%的流体为非牛顿流体。,注浆材料的流变特性,流动好的化学浆液属于牛顿体水泥、粘土、污泥、沥青等都可当作宾汉流体来考虑。宾汉流体只有切应力(超过屈服）才能产生相对流动。粘度是浆液的最主要的流变参数。,注浆材料的流变特性,反映了粘度不变及粘度渐变型浆液粘度随时间变化规律。,粘度不变型,粘度渐变型,瞬时凝胶,完全凝胶,凝胶时间点,指数规律，渐变型,高压与低压下浆液粘度变化,11.2.3 渗透注浆的极限压力,现场试验表明,进行土层渗透注浆,如果注浆压力在一定条件下,浆液就会均匀渗透,但如果超过某一极限注浆压力(Pmax),浆液将由渗透转化为劈裂。只有当注浆压力小于Pmax时,才能保证浆液在土层中均匀渗透。,11.2.3 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,历史上,国内外许多学者对渗透注浆进行了理论研究,代表性的有球型扩散Magg(1938)公式、Raffle-Greenwood(1961)公式、柱型扩散公式、袖套管法计算公式、宾汉流体扩散公式、粘时变流体在地层中的渗透公式、刘嘉材的单平板裂隙注浆渗透模型、Baker(1955)通过图解法得出的浆液在孔隙中的扩散规律、Louis 的牛顿浆液在二维粗糙裂隙中的流动公式,此后,Wittke,Wallner,H.B 加宾,G.Lombadi,Amadei 等相继推导出了宾汉流体在裂隙中的流动规律,前苏联学者进行了细砂层中浆液扩散参数的实验研究,奥地利学者进行了单裂隙浆液流动过程的模拟实验,还有我国水利水电科学研究院研制的平板型注浆实验台以及东北大学研制的槽型反扁圆柱状试验台等,这些实验和理论都促进了渗透注浆技术理论的发展。,但是,上述计算公式和理论都是在特定的物理模型基础上得到的,它们总结了注浆中的一些规律,具有一定的理论价值,但是由于复杂的地层条件和注浆工程的隐蔽性,应该说没有任何一个公式能真正准确地反映出工程中浆液的流动规律,这些公式都存在缺陷,甚至与实际情况相差很大。目前渗透注浆理论仍然存在着许多问题有待于深入研究,渗透注浆存在的不足如下：,渗透注浆理论公式的不足,1)现有渗透注浆理论都没有考虑被注介质的非均质性和各向异性,应建立一种适用于各向异性的渗透注浆理论;2)渗透注浆施工过程的监控及注浆效果的检测技术目前还不成熟,仍然是注浆技术的一个薄弱环节,对注浆效果也没有一个明确的判别标准,往往凭经验定性判断;3)渗透注浆工程的注浆效果与被注介质的工程地质、水文地质有相当密切的关系,而目前的注浆理论仅对注浆技术本身进行研究,缺乏对被注介质的研究。,渗透注浆理论公式的不足,西马山防洪坝渗透注浆加固工程,西马山矿井防洪坝,是采用矿山排弃废石沿微山湖边堆集而成。防洪坝渗透水问题,多年来一直未能得到有效处理,特别是随着国家“南水北调东线工程”的实施,微山湖水位将进一步上涨,防洪坝渗水水量将进一步增大,对防洪坝和矿井安全带来了严重的威胁。,西马山防洪坝渗透注浆加固工程,西马山碎石防洪坝三面被微山湖环绕。坝体上层为矿山排弃碎石堆积层,粒度01.5 m,大小不均、松散,厚度45 米,是防洪坝主要渗水层。中层为微山湖第四纪黑色泥土层,厚度23 m,不透水。底层为岩浆石,不渗水。由于近年来微山湖水位上涨,在碎石层与粘土层间出现长280 m 大面积渗水带,部分地点出现管涌状出水,对泥土层冲刷严重。井下排水量比正常期增加460m3/h,无备用排水能力。威胁矿井安全生产,增加排水成本。,西马山防洪坝渗透注浆加固工程,在防洪坝渗水280 m(两端各超出最端渗水点40 m)长度范围内,利用碎石孔隙与水泥结合,形成混凝土围幕封堵渗透水。采取工艺:KD100 钻机,干式钻孔,孔径110mm 圆环型合金钻头,钻孔深度56 m,具体钻孔深度要求进入泥土层0.5 m。使用长度34 m 注浆管,一端配有法兰盘。在坝体中间,采取双排钻孔,水泥、水玻璃双液注浆,每孔间距2 m,2 排间距1 m。钻孔布置形式见右图。,西马山防洪坝渗透注浆加固工程,钻孔:采取干式钻孔,加长钻具,控制钻进速度,根据钻孔情况及时下地表管,遇大块岩石时可移位钻孔。,注浆:注浆管下孔深度距泥土层12 m 处为宜,在注浆管上部用法兰盘与自制双头注浆帽联接,按两孔间注浆交圈厚0.5 m,近似圆台体(上部直径1.2 m、下部直径1.8 m、高4 m)及孔隙率25%,计算每孔总注浆量为1.8 m3,水泥量为2 t;按250 kg/m 的水泥量,水泥和水1 1 的比例制浆,先注入纯水泥桨,以保证钻孔注浆交圈厚度,形成围幕,在注浆同时观察周围地面、注入压力及渗水点水质变化情况,防止地面出浆,在注浆压力增大和渗水点水质变浊时,适时渗入30Be,水玻璃20%30%,进行双液注浆。随着水玻璃的加入,注浆管逐渐被托起,上升到注浆管2/3 位置时,停止注浆,完成该孔施工,进行下孔施工。主要材料消耗:水泥500 kg/m,水玻璃65 kg/m。,西马山防洪坝渗透注浆加固工程,经过50 天的围幕渗透注浆施工,共完成钻孔203孔,加固防洪坝280 m,经地面检查,各渗水处均被封堵,无渗水现象。井下泵房排水量恢复到正常水量,排水量减少460 m3/h。对碎石坝渗水封堵,采用钻孔围幕注浆方案,投入少、施工简单,取得了较好的封堵效果。,11.3 岩土压密注浆理论,压密注浆起源于美国,称其为CPG(compaction grouting)方法,该法已有60 多年的应用历史,1970 年Mitchell 对压密注浆和其它注浆法进行了比较,1973 年Brom 和Winer 论述了压密注浆和注浆力学,1974 年Brom 和Winer 提出了压密注浆的设计和施工准则,之后,Graf 和Winer 等人一直致力与压密注浆技术的研究。压密注浆最大优点：是它对于最软弱土层区域能起到最大限度的压密作用。在压密注浆过程中,浆泡挤压邻近的土体,使土体被压密,承载力提高,浆液不向土体渗透,只对土体产生挤压作用,使土体密实,因而土体不发生水力劈裂,这就是压密注浆与劈裂注浆的根本区别。,11.3 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。它不像渗透注浆，浆液可渗入土颗粒间孔隙内，将土颗粒包围胶结起来，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。,11.3 岩土压密注浆理论,在压密注浆过程中，刚开始时，浆柱的直径和体积较小，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。现场观测发现，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。浆柱体的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的薄弱土区，从而使土体的变形性质均一化。浆柱体的大小受地基土的密度、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。,11.3.1 压密注浆浆液的要求,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。例如含水量为100时，塌落度为25 mm。当含水量增加1，塌落度可达到50 mm。塌落度参照标准混凝土塌落度试验要求，我国规定塌落度为2575 mm。,11.3.2 压密注浆的力学机制,压密注浆形成浆泡后，其半径随着注浆压力的增大而增大（I曲线）。当浆泡的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（II曲线）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:它随着上覆土层的厚度、地基刚度的增加而增加，而地基土的刚度又与土类型、密实度、含水量及注浆速率有关。,11.3.2 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。,（a）均质基土（b）非均质基土图11-7 注浆压力特性,11.3.2 压密注浆的力学机制,假定注浆速率为常数，则注浆压力与时间关系可绘成曲线:如果压力突然增大，可能发生阻塞或堵管；如果压力突然停止增加或减小，可能地面已开始隆起，或浆液遇到空洞。,图11-8 注浆压力与时间关系 1-砂阻塞；2-正常情况；3-隆起,11.3.3 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。,图11-9 土体的三种变形模型,11.3.3 压密注浆的抬升作用,引起锥型剪切破坏的机理是非常复杂的。原因在于锥与周围土之间的摩擦力很难确定。假设处于极限状态，摩擦力可以忽略，Moh.Yany和H.Wang(1994)建立了锥型破坏条件：当考虑柱子荷载 时，则,虽然压密注浆的机理先后被国外的学者探讨过,但是,目前对压密注浆的认识还主要是依靠工程经验和现场实验。该方法最适用的土体是渗透注浆所不能进行的细砂层、粉砂层、黏土层等,也可用于有充分排水条件的粘土和非饱和粘性土,在大开挖或隧道开挖时对邻近土进行加固,特别是对已建成的建筑物软基,进行压密注浆加固是提高地基承载力的一种良好手段。目前,与国外的压密注浆工艺相比,我国所进行的压密注浆工艺,在注浆点周围邻近土体的加固强度指标很难达到理想的设计要求,在工艺方面还需要进一步的改进。,对压密注浆的认识,压密注浆处理湿陷性黄土地基,研究证明，对于一般黄土，在干密度15kN/m3时，湿陷性消失，对于新近堆积的湿陷性黄土，干密度15kN/m3时，仍具有明显的湿陷性，只有当干密度大于15kN/m3较多时，湿陷性才消失。因此，可用注浆的方法提高湿陷性黄土的密实度（增大），消除其湿陷性，提高其承载力。,选用何种注浆材料在很大程度上决定了工程造价、施工的难易和加固效果。处理湿陷性黄土，对所选用的材料有如下要求：1）可就地取材，价格低廉，以降低工程造价；2）耐久性好；3）尽可能使用工业废料；4）在满足可注性要求的前提下，尽量提高浆液中固体物含量，以免浆液析出较多的水，影响黄土地基的承载力。可用的材料主要有：粉细砂、粉煤灰、水泥、黄土、水玻璃等。,压密注浆处理湿陷性黄土地基,压密注浆处理湿陷性黄土地基,水泥-水玻璃浆液凝胶速度快，结石率高，早期强度也高，但材料费用大，可在应急工程中采用；采用水泥-黄土浆液可有效降低工程造价，而且处理后的地基能够满足工程需要；若加固工程附近有可利用的工业废料，可使用水泥-黄土-粉煤灰浆液，既可降低工程成本，又可化害为利、保护环境。增加浆液中固体物含量是提高加固效果，降低工程造价的有效措施。,注浆的目的有两个：一是消除黄土的湿陷性；二是提高地基承载力。,压密注浆处理湿陷性黄土地基,压密注浆工艺流程,11.4 岩土体劈裂注浆理论,劈裂注浆是目前应用最广泛的一种注浆方法，其理论研究远远滞后于工程应用。,图11-10 土体中的应力和劈裂面,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。,11.4.1 劈裂注浆过程及力学分析,实验表明，劈裂注浆是一个先压密后劈裂的过程。浆液在土体中流动可分为三个阶段：（1）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，其压力和流量曲线如图所示，曲线的初始部分吃浆量少，而压力增长快，说明土体尚未裂开，曲线中的第一个峰值压力（点压力）即为启裂压力。启裂压力前的曲线段称为鼓泡压密阶段（与压密注浆相似）。,11.4.1 劈裂注浆过程及力学分析,（1）第一阶段鼓泡压密阶段鼓泡压密作用可用承受内压的厚壁圆筒模型来分析，可近似地用弹性理论的平面应变问题求径向位移以估计土体的压密变形。径向位移可用下式计算：,11.4.1 劈裂注浆过程及力学分析,（2）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，垂直劈裂压力为,11.4.1 劈裂注浆过程及力学分析,（2）第二阶段劈裂流动阶段劈裂流动阶段的基本特征：压力值先很快降低，维持在一低压值左右摆动，但是由于浆液在劈裂面上形成的压力推动裂缝迅速张开，而在裂缝的最前端出现应力集中，所以这时压力虽然低，却能使裂缝迅速发展。,11.4.1 劈裂注浆过程及力学分析,（3）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），由于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），水平劈裂压力为,11.4.1 劈裂注浆过程及力学分析,（3）第三阶段被动土压力阶段被动土压力阶段是劈裂注浆加固土地基的关键阶段，垂直劈裂后大量注浆，使小主应力有所增加，缩小了大小主应力之间的差别，提高了土体的稳定性，在产生水平劈裂后形成水平方向浆脉时，可使基础上抬和纠偏。浆脉网的作用是提高土体的法向应力之和。并提高土体的刚度。实际注浆过程中，在地层很浅时，浆液沿水平剪切方向流动会在地表出现冒浆现象，因此，劈裂注浆的极限压力值可满足下式：,11.4.1 劈裂注浆过程及力学分析,法默等人对土体劈裂注浆引起的地面抬升提出了计算方法，假定土体存在着截端圆锥体破坏带，如图11-12所示。,截端圆锥体重：,截锥体抗剪强度：,上抬力：,抬升条件：,图11-12 截圆锥体地面抬升示意图,11.4.2 劈裂注浆的能量分析,开挖掘进时,围岩受到爆破、空气、水、地温、地应力的作用,矿物的物理化学反应,围岩的变形、加固和支护,这些都是能量吸放的结果。劈裂注浆加固围岩所耗能量包括:一部分消耗于注浆改善围岩结构而被围岩所吸收,它转化为围岩和浆体的变形能而贮存其中,成为围岩内部潜能的组成部分;另一部分是注浆劈裂过程中所消耗的能量。根据能量守恒原理，注浆所耗能量应等于存贮在土体中的能量加上劈裂过程所耗能量，即注浆所耗总能量与注浆速率和注浆压力有关：由于劈裂过程的复杂性和浆液充填、扩散、分布的非均匀性,以及围岩本身结构的复杂性,构成劈裂注浆所耗能量的各部分有待继续研究,并以此选择合理的注浆压力和流量。,对劈裂注浆的认识,劈裂注浆在岩土工程（地下工程）施工中有着广泛的应用,国内外许多学者对如何确定其注浆范围、注浆压力、注浆材料及注浆量等参数都做过大量的探讨和研究。但是在实际工程中大部分的注浆设计都是建立在经验的基础上进行,目前并没有较合理的理论方法。地下工程一经开挖扰动将出现破裂区、塑性区和弹性区,应力重新分布,在此围岩中钻孔将再次引起应力重新分布。劈裂注浆导致产生新的裂缝及原有的裂缝的扩展,并使其充满与围岩凝固胶结。,劈裂注浆过程的总结,1)浆液充满注浆开始,浆液充满注浆管、注浆孔和围岩中较大的裂隙;2)初次劈裂当填充阶段结束后,注浆压力将很快上升,直至孔内浆液压力达到起裂压力时,初次劈裂将在最小主应力面发生,随后浆液压力迅速下降,而流量增大;3)二次劈裂阶段初次劈裂阶段结束后,注浆流量增加导致注浆压力继续回升,浆液流量又将继续减少,即而又产生二次劈裂,此时的注浆压力大于初次劈裂的压力;,劈裂注浆过程的总结,4)三次劈裂阶段过程与二次劈裂相似,不过注浆压力更高;5)结束注浆阶段注浆压力上升到规定压力时结束注浆。劈裂注浆的全过程从力学上说有两方面的机制:1)浆液传导作用,即浆液顺着裂隙及土体颗粒间隙流动充填,使岩土体的密度和压力都增加,这是一组传导方程控制的过程;2)劈裂注浆的效果,还表现为裂隙的张开,压力能量的耗散及裂隙的压力残存,这是一组能量方程控制的过程;,对劈裂注浆的认识,需要指出的是，在裂隙岩石中注浆时,控制水力劈裂发生和发展的主要因素为岩土体中已经存在的软弱构造,现场研究结果也证明,多数劈裂裂缝并不受主应力方向的控制,而取决于裂隙和软弱夹泥的存在及其产状。,11.4.3 压密注浆和劈裂注浆的关系,压密注浆是通过浆泡挤压相邻土体达到加固目的，而劈裂注浆则是通过浆脉来挤压和加固邻近土体（图11-13）。,（a）压密注浆（b）劈裂注浆 图11-14 压密注浆与劈裂注浆图11-13 压密注浆和劈裂注浆对比 加固力学比较,紧靠浆泡处土中应力增量 随着距离增大迅速减小（图11-14）。,11.4.3 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 值降低很小。如图中的曲线以下面积F表示劈裂注浆的加固效果。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。,压密注浆与劈裂注浆加固力学比较,压密注浆,劈裂注浆,11.4.3 压密注浆和劈裂注浆的关系,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，从而出现注浆压力突然下降现象，压密注浆可转化为劈裂注浆。然而，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。,劈裂注浆加固黄土地基实践,某机场主跑道南北长3400m，东西宽45m，地层自上而下为：黄土、砂砾层和基岩。黄土层北端厚2.44.0m，向南逐渐变厚为7.68.4m，属级自重湿陷性，孔隙比0.91.2，含水量为1540，变化较大，北部含水量普遍较大，多为软塑流塑状态，南部及中段含水量较小，多为可塑软塑状态。黄土层垂直节理发育，病害主要表现为：裂隙、洞穴、软土带和塌陷四种，分布在18个病区。,注浆材料为水泥、细砂和粉煤灰，浆液配比为水泥：砂：粉煤灰=1:2:2，水灰比为1:1。加固范围南北长3400m，东西宽1745m，加固厚度自0.8m以下1.53.5m，布设注浆孔1.8万个，加固土方3.4万m3。,需要说明的是，起始劈裂压力和扩展压力并不同时存在，不能叠加。注浆过程中，地基土开裂后，起始劈裂压力自然会稍降且过渡到扩展压力。根据公式来确定注浆压力实际上是半经验半理论的。注浆设计要求将最大压力定为1.6MPa，稳定压力定为1.0MPa。结果使跑道面上抬和跑浆现象较为普遍，因此，只得将最大瞬时压力定为1.0MPa，稳定压力不大于0.5MPa。,在副跑道北端经注浆加固后，承载力变化不大，甚至有减小的趋势。这是因该区含水量较大，且多呈流塑状态的原因。因此，用劈裂注浆加固流塑状态粘性土时应慎重，至少应调整浆液配方，用粒状浆材来加固流塑土的作用机理已不是以劈裂为主了，而是混合与置换，固结体由片状为主变为以团状为主。,副跑道北端静力触探试验结果（注浆7天）,主跑道南端经注浆加固后，地基承载力有明显提高。这是由于南端地基土一般为可塑软塑状态的缘故。由此可见，采用劈裂注浆加固含水量相对较低的黄土地基效果较好。,主跑道北端静力触探试验结果（注浆35天）,11.5 裂隙岩体的注浆理论,充填或裂隙注浆：岩体裂隙、节理和断层的防渗注浆，或者洞穴、构造断裂带、隧道衬砌壁后注浆，或者采空区注浆、回填土的孔隙填充注浆等都属于此类，其形式都是将一定的浆液注入岩(土)体的空穴、裂隙内，通过浆液由液相转变为固相，以达到填实加固和止水的目的。以防水为目的的帷幕注浆主要使用防渗材料;以岩体加固为目的的固结注浆主要使用高强度材料。土层充填注浆一般注浆深度不大，静压注浆即可;岩层裂隙、采空区注浆一般注浆深度大，压力也较高。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。,裂隙注浆技术工程实践深孔全封闭预注浆法防治隧道断层破碎带透水,本溪八盘岭隧道有长410m的断层带，其中250m由F6、F7两条区域性断裂层组成。由于受东西向主压应力的作用，岩体挤压破碎严重，多呈碎石状镶嵌结构。断层破碎带内构造、节理和石灰岩溶裂隙水富集，涌水量达10000m3/d，局部有突水发生。地表水与地下水连通性好。地下水位高于铁路路肩设计标高137m，给施工造成很大困难。该断层处理的关键问题是止水，不能因开挖而影响这一地域的地下水径流的平衡条件。,裂隙注浆技术工程实践,根据八盘岭隧道具体工程的需要，进行了一系列的试验研究。最终采用：水泥-水玻璃双液浆 进行工程处理试验原料：425号、525号普通硅酸盐水泥，水玻璃出厂浓度45Be，模数275，磷酸氢二钠缓凝剂。试验目的：分析双液浆的水灰比、水泥浆与水玻璃体积比、水玻璃浓度、缓凝剂掺量以及水泥品种等因素间的内在联系，及其对双液浆凝胶时间、抗压强度等的影响。八盘岭隧道断层破碎带岩石破碎严重，含水量大，设计要求一次注浆段长20m，每孔注浆扩散半径为4m，浆液凝胶时间为3min，在含水地段为12min。考虑双液浆在岩体中的扩散，原方案采用掺缓凝剂的方法延长凝胶时间。又根据涌水量、岩体孔隙率等，进行了试验设计。试验结果表明：水泥浆浓度与凝结时间呈直线关系，水泥浆越浓，反应越快，水玻璃越稀，反应越快。双液浆的水灰比小，水玻璃浓度高，浆液比大，凝胶后很快进入初凝，反之，凝胶与凝结时差将逐渐拉大，浆体也由硬塑状态逐渐变为软塑状态。,裂隙注浆技术工程实践,注浆孔沿开挖轮廓线单排辐射状布置（图），孔底成双层重叠，掌子面中间的注浆孔是填补正面可能形成的注浆死角，以防止开挖时正面突水，对围岩特别破碎且涌水量较大的地段，拱部双排布孔。,裂隙注浆技术工程实践,一般注浆前先做压水试验，以冲洗岩石裂隙，扩大浆液通路，增加浆液充填的密实性，同时还可核实岩层的渗透性。但对于含水断层破碎带不宜压清水，而是直接压注水泥浆液，再注双液浆。对于塌方地段，因空隙大、水量也大，可直接压注双液浆。每孔注浆结束标准，原则上以注浆终压达到设计规定，而进浆量达到设计的80时结束注浆。,在断层长，高压水，大水量且不准排放的条件下，全封闭注浆止水达到了预期的效果。隧道开挖轮廓线外的固结止水帷幕厚度达45m，7天的固结强度平均达5.6MPa，堵水率达90以上，由于围岩固结后整体性好，取消了原设计的超前小管棚、钢支撑及钢格栅，断层带施工速度创造了单月成洞26.5m的纪录，并达到国际先进水平。,11.5 裂隙岩体的注浆理论,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。目前，只能利用裂隙岩体的一些渗流模型，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。这里假设浆液在裂隙内流动为层流，符合达西定律，分别介绍牛顿流体、宾汉姆流体在一水平平滑和粗糙裂隙内的扩散公式。,11.5.1 浆液在岩体裂隙中的流动规律,（1）牛顿型浆液的流动公式WS培卡对悬浮液型注浆材料在粗颗粒的无粘性土中的渗透，中国水利水电科学研究院刘嘉才对牛顿流体浆液在裂隙中的扩散，均推导出同样的如下公式：上式表明：在注浆过程中，距注浆孔轴线距离 的任意一点处的注浆压力衰减值，与扩散半径的对数成正比，与浆液粘度成正比，与缝宽的三次方成反比。因此，缝隙的宽度愈小，压力衰减的越厉害。,或,11.5.1 浆液在岩体裂隙中的流动规律,贝克（Baker）假设，在注浆孔横穿宽度为 的单个平滑裂隙的理想情况下，浆液注入量可采用下式计算上述理论适用于饱和岩体，浆液的流动阻力是由于浆液通过较窄裂隙时与其两壁的粘滞摩擦造成的。,注浆压力差,11.5.1 浆液在岩体裂隙中的流动规律,（2）宾汉姆浆液扩散公式在二维平面等厚光滑裂隙中，宾汉姆浆液在压力作用下产生流动。Wittke和Wallner根据浆液平衡方程和边界条件，推导出浆液在裂隙中应力分布及最终扩散范围为,浆液在裂隙内流动时的流动速率为,单位流量为,宾汉姆浆液的塑性粘度和屈服强度均影响浆液在裂隙中的平均运动速率，和 的增加均会降低进浆速率，延长注浆时间。,水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理,（1）水泥浆液的流动沉积特性水泥浆的流动属于两相流体，在静止状态下，水泥浆具有析水沉淀特性。在不同流动状态下其沉淀速度是不一样的。,1.层流(laminar flow)：当流体流动时，各质点间互相平行，不相干扰。2.紊流(turbulent flow)：流体除了向前流动外，并碎成许多漩涡，而与侧边的流体混合。3.过渡流(transition flow)：是从层流过渡到紊流的中间状态，流体行为不稳定，时而层流时而紊流。,水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理,（1）水泥浆液的流动沉积特性水泥颗粒的下沉速度（也称析水速度，