岩土注浆技术中国地质大学Word格式文档下载.docx

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劈裂灌浆是指在压力作用下，将浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起岩石和土体结构的破坏和扰动，使其沿垂直于小主应力的平面劈裂，使地层中原有的裂隙或孔隙张开，或形成新的裂隙或孔隙，浆液的可灌性和扩散半径增大，而所用的压力相对较大。

注浆压力的选用应根据土质及其埋深确定。

（3）压密灌浆

压密灌浆是指通过钻孔在土中注入极浓的浆液，在注浆点使土体压密，在注浆管端部形成浆泡，浆泡一般为球形或圆柱形。

随着浆泡尺寸的逐渐增大，便产生较大的上抬力而使地面抬动，常用此法调整地基的不均匀沉降。

研究表明，向外扩张的浆泡在土体中引起复杂的径向和切向应力体系。

紧靠浆泡处土体遭到严重破坏和剪切，并形成塑性变形区；

离浆泡较远的土体则基本上发生弹性变形。

压密灌浆常用于中砂地层和有适宜排水条件的粘土层。

实践证明，几种灌浆机理在实际施工中有可能单独发生，也有可能两种或两种以上同时发生。

严格地说，纯粹的渗透灌浆仅发生在极其特殊的情况下，而实际施工中往往会伴随劈裂、压密等作用。

二、喷射注浆

喷射注浆比常规注浆体现了更大的优越性，利用喷射注浆可形成经济型的防渗帷幕。

注浆从底部向上进行，水和空气在非常高的压力下从彼此隔开的精密喷嘴中喷射出，在高压射流作用下，土层颗粒与注浆材料混合，形成复合体。

目前处理深度已经成功地超过40m。

喷射注浆有三种方法，即圆柱注浆、嵌板注浆和翼板注浆。

圆柱注浆是喷射管上升、回转的同时形成圆柱，通过圆柱的部分重叠就能产生一个屏障。

嵌板注浆是当喷浆管上升时喷射，但只在垂直面内，互相连接的嵌板形成具有低渗透率的隔离。

翼板注浆使用两个喷嘴，但不回转，可形成一个扇形注浆区。

譬如旋喷桩法（日本称CCP工法）是应用钻机将钻杆下端装有特殊喷嘴的钻头钻到预定深度后，用高压泵把配制好的浆液通过钻杆经由喷嘴转换成高压高速射流，将土颗粒切削破坏，浆液和土颗粒混合，并逐渐凝固和硬化。

钻杆以一定速度旋转和提升，同时喷射浆液，从而在土层中形成圆柱固结体——旋喷桩。

三、爆破注浆

爆破注浆是用炸药在注浆孔中爆破，使岩层增加网状裂隙并沟通原有裂隙，以增大浆液的扩散半径，实现少孔注浆，提高堵水效果。

这种新工艺由美国首先研究成功。

它适用于岩层裂隙不发育，有足够强度的脆性岩石。

四、电动化学注浆

如果土层的渗透系数小于10-4cm/s，只靠一般的静压力难于使浆液注入土的空隙，此时用电渗透法比较有效。

电动化学注浆就是把带孔的注浆管作为阳极，一定距离的滤水管作为阴极，将注浆液从阳极压入土中，并通以直流电，在电渗作用下，孔隙水由阳极流向阴极，促使通电区域中的含水量降低，并形成渗流通道，浆液也随之流入土的孔隙中，并在土中凝结硬化。

第二节注浆液性能及其设计

以改良地基为目的，在地基中注入的材料称为注浆材料，广义上讲，凡是一种流体在一定条件下可以变为固体的物质，均可作为注浆材料。

随着生产的发展，工程的需要，近年来出现不少比较理想的注浆材料，供不同地质条件下选用。

原材料包括主剂（可能是一种或几种）和助剂（可能没有，也可能是一种或几种），助剂可根据它在浆液中的作用，分为固化剂、催化剂、速凝剂、缓凝剂和悬浮剂等。

注浆材料品种很多，性能也各不相同，但是作为注浆材料，应有一些共同的性质，一种理想的注浆材料，应该满足以下要求：

（1）浆液粘度低、流动性好、可注性好，能够进入细小缝隙和粉细砂层；

（2）浆液凝固时间能够在几秒至几小时内任意调节，并能准确控制；

（3）浆液固化时体积不收缩，能牢固粘结砂石；

（4）浆液结石率高，强度大；

（5）浆液无毒、无臭，不污染环境，对人体无害，属非易燃、易爆物品。

最早用于注浆的材料，是石灰和粘土。

1864年开始使用水泥注浆。

它们均是颗粒性材料，难于充填细小裂隙和充塞砂层。

水泥浆液凝结时间长。

1900年荷兰采矿工程师尤斯登发明了水玻璃—氯化钙溶液，这是化学注浆的开始。

20世纪50年代，美国发明以丙烯酰胺为主剂的有机化学注浆材料AM-9。

其凝固时间可准确控制。

这是发展注浆材料的重要飞跃。

我国于1965年前，基本采用单液水泥注浆法。

1964年研制成功MG-646新型化学浆液，1967年研制成功水泥—水玻璃双液注浆法。

它同时具备水泥浆和化学浆液的优点（水泥浆的强度，水玻璃的渗透性），又使两者的短处减小到不妨碍实用的程度，是一种各得其所的浆液。

注浆材料从19世纪初的原始材料开始到当今的有机高分子化合物浆液，前后经历了170多年的历史，发展了近百种浆液材料。

各种浆液各有特点及其适用范围。

虽然化学浆液较之水泥浆液更理想，扩大了注浆法应用范围，但无论国内或国外，化学浆液都比水泥浆液成本高、货源少。

所以，现在水泥仍然是注浆的主要材料。

水泥浆的主要缺点是颗粒问题，因为颗粒大，难以注入细小裂隙和空隙。

针对此问题，一方面可以减小水泥粒度，采用超细水泥，国外一般注浆用的水泥细度为5000cm2/g，有的达到10000～27000cm2/g，使其能注入0.05～0.09mm的裂隙。

另一方面可预先用化学浆液处理受注岩层，降低表面张力，起润滑作用，使水泥易于注入。

使用的化学溶液有水玻璃、苛性钠等。

改进水泥性能，应致力于寻找新的水泥添加剂，研究出更好的水泥浆。

英国GEOSEAL-Z型水泥添加剂，使水泥具有速凝、不沉淀、不收缩的作用。

水泥浆中加入这种添加剂，使浆液产生奶油状粘性，水泥颗粒保持悬浮，无水析出，固结体强度均匀，体积不缩，保证饱满地充填裂隙。

美国在水泥浆中加入一种高分子物质和某些金属盐作为添加剂，使水泥具有触变性，即在搅拌或泵注条件下，具有流动性，而当停止搅拌或泵注一段时间后，浆液粘度大幅度增加，变成不流动。

注浆材料分类方法很多，按浆液所处的状态分为真溶液、悬浮液和乳化液；

按工艺性质，可分为单浆液和双浆液；

按浆液颗粒可分为粒状浆液和化学浆液；

按浆液主剂性质可分为无机系列和有机系列两大类（图8-1）。

图8-1注浆材料分类

一、浆液的性能

1、浆液的渗入能力

（1）基本概念

浆液的渗入性是指浆液渗入缝隙中的能力，渗入性越好，浆液在一定压力下的扩散距离就越大，或者只需用较小的灌浆压力就能把浆液输送至预定的距离。

浆液的渗入能力受尺寸效应及流变效应的控制，但随所用灌浆原理和浆材品种的不同，控制因素又分为下述几种情况：

①渗入性灌浆当采用粒状浆材时，材料颗粒尺寸越小和浆液流动性越好，浆液渗入能力就越高；

②渗入性灌浆当采用真溶液化学浆材时，浆液的渗入能力仅受浆液流动性的影响；

③劈裂灌浆也受上述规律的制约，但因被灌缝隙的尺寸和形式可能在灌浆过程中发生变化，故尺寸效应和流变效应的影响比较复杂。

（2）颗粒细度的影响

从尺寸效应出发，浆材颗粒的细度越高，渗入能力就越强。

但细度越高，其比表面积也越大，在相同时间内颗粒的水化程度和絮凝程度就越快，从而导致浆液变稠，粘度增加。

这就说明，颗粒细度将导致相对矛盾的两种效果，如果处理不当，对渗入能力和灌浆效果将造成不利的影响。

（3）流动性维持能力

浆液的粘度在凝结前维持不变，就能使浆液在灌浆过程中维持同样的渗入能力，然而除少数几种浆液如丙凝外，大多数浆液的流动性都随时间而变小，即浆液的粘度随时间而增加，在理论计算中把浆液粘度视为常数将使计算结果出现误差。

另外，在灌浆过程中，由于浆液受搅拌和摩擦等作用，其粘度变化将更明显，例如把水泥浆连续搅拌和循环，浆液即逐渐变稠，出现“回浓”现象，粘度也大大增加。

（4）特殊条件

一般情况下，浆液渗入能力越强越有利于灌浆，但在某些特殊条件下，高渗入能力反而不利，在大孔隙地层中灌浆时，往往要采用流动性和维持能力较差的浆液，才能提高灌浆质量和降低施工成本。

在地下水流速较大的地层，除采用上述浆液外，还常需采取两项措施：

其一，掺入促进剂以加速浆液的凝固过程；

其二，若地层孔隙较大，还要在地层中投入石块或级配砂石料，才能实现预期的灌浆目的。

2、浆液的稳定性

对于化学浆材，稳定性是指它在常温常压下存放时，是否会发生强烈的化学反应和改变其基本性质。

对于粒状浆材，除化学稳定性，尚包含下面两个意义。

（1）颗粒沉淀分层性

水泥浆和水泥砂浆等是一种不稳定的悬浮体系，其颗粒极易在水溶液中沉淀分层，粘土浆则是比较稳定的悬浮体系，有些高塑性粘土和膨润土甚至能用较低的浓度制成稳定性很高的浆液，粘土水泥混合浆的稳定性介于上两种浆液之间。

在灌浆过程中，当浆液在缝隙中的流动速度减慢或完全终止流动，以及搅浆机因故暂停工作时，粒状浆材的颗粒将发生沉淀分层，使浆液的均匀性降低，流动性变坏或完全丧失。

因此，稳定性较差的浆液可能带来下述对灌浆工程极为不利的后果：

颗粒沉积后使浆体底部的密度变为最大，上部最小，结石强度亦按此规律分布；

易造成包括灌浆机具管路和地层缝隙等灌浆通道的堵塞，尤其是在卵砾石地层，由于孔隙纵横交错和凹凸不平，不稳定浆液很容易将某些渗流断面缩小或填满，通道被堵塞后，将导致灌浆过程的过早结束，或者要采取特殊措施如用水冲洗通道或施加更大的灌浆压力，才能恢复正常的灌浆。

（2）析水性

随着固体颗粒的下沉，浆液中的水将被析出并向浆液顶端上升，这种析水机理可用斯脱克定律表达如下：

（8-1）

式中：

q——起始析水速度；

dm——悬液中水泥颗粒的当量圆球直径；

ν——水的运动粘度；

ρc——水泥的密度；

ρw——水的密度；

W——浆液的水灰比，W=1。

从式（8-1）可以看出，浆液水灰比是影响析水率的主要因素，研究证明，当水灰比为1.0时，水泥浆的最终析水率可高达20%。

由于浆液析出，也可能造成下述几种后果：

①由于析水与颗粒沉淀现象是伴生的，所以析水的结果也将导致浆液流动性变差，造成机具和灌浆通道的堵塞，并使结石强度均匀性降低。

②若析水作用发生在灌浆结束之后，则可能在灌浆体的顶部造成空穴，如不进行补灌，将使灌浆效果降低。

但是，由于水泥颗粒凝结所需的水灰比仅为0.25～0.45，大大小于灌浆时所用的水灰比，因