水利水电工程施工手册 第1卷 地基与基础工程02灌浆08砂砾灌浆Word文件下载.docx
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渗透系数的大小可以间接地反映地层孔隙的大小，因而也可用渗透系数判别砂砾石地层的可灌性。
根据勘探试验资料统计，不同性质的冲积层的渗透系数范围见表2-8-2，不同灌浆材料可适用地层的渗透系数见表2-8-3。
表2-8-2不同土质的渗透系数
土的分类
渗透系数范围
cm/s
m/d
砂卵石
10-1
80～120
砂砾石
6×
10-2～10-1
50～80
粗砂
3×
10-2～6×
10-2
25～80
中砂
10-2～3×
15～25
细砂
8～15
粉细砂
10-3～10-2
5～8
粉砂
10-5～6×
10-3
1～5
表2-8-3不同灌浆材料可适用地层的渗透系数
灌浆材料
可灌地层的最小渗透系数
水泥砂浆（细砂）
1.0
800
普通水泥浆
0.2
170
掺有减水剂的水泥浆
0.1
100
水泥黏土浆
5×
40
磨细水泥黏土浆
2×
20
膨润土浆
10
硅酸钠
经验表明，地层的渗透系数愈大，灌浆效果愈好，灌浆后渗透系数降低愈多。
反之，地层的渗透系数愈小，灌浆后渗透系数降低也少。
国内外若干砂砾石地基灌浆工程的情况如表2-8-4。
总之，砂砾石地层结构复杂，确定砂砾石层是否可灌，选择何种浆液适宜，最好采用上述多种判别方法进行综合分析。
对于地基中存在不同分层的情况，就要选用不同的灌注材料。
表2-8-4国内外若干砂砾石地基灌浆工程的情况
工程名
国别
建成年分
坝高或水头
（m）
帷幕面积（m）
帷幕最大深度
帷幕孔布置
灌浆孔
总长
最大灌浆
压力
（MPa）
单位注入量
平均渗透系数
（cm/s）
排数
排距
孔距
t/m
t/m2
灌浆前
灌浆后
西尔文斯坦
德国
1959
46
5200
120
7
3
2～3
8000
（0.3~0.6）H
1.3
2.5
（1～3）×
10-4
谢尔庞桑
法国
1960
42000
115
19
2～2.5
2.5～4
16200
0.6H
＜6～8
1.5
6.7
9×
10-5
米松·
太沙基
加拿大
60
6200
150
5
3～4.5
2.1
3.1
4×
马特马克
瑞士
1967
21000
110
3.5
49000
1.4
3.2
10-2～10-4
阿斯旺高坝
埃及
1971
111
54700
250
15
2.5～5
335000
3～6
6.1
10-1～10-3
船明
日本
1977
14200
4
17350
0.8～1.0H
1.37
1.67
10-1～10-2
只见
1988
19.8
铺盖灌浆深5m
2
1735
湿磨水泥260kg/m
1.7×
2.3×
密云水库
中国
66
27400
44
（4～10）×
10-5～7×
岳城水库*
1961
51.5
23
4、5
1.7～3.3
6
17790
1.8
左岸637右岸2340kg/m
7×
10-3～5×
10-4～10-3
小南海地震堆积坝*
2002
80
1.5～2
1.5～3.5
48124
0.2～1.4
0.457
（5～22）×
（0.8~7.6）×
1～11.2Lu
冶勒灌浆试验*
125.5
96
0.75～1.25
473
0.192
20～100Lu
1～4.6Lu
下坂地灌浆
试验*
2003
78
158
3.0
1665
0．641
10-6～1.8×
*采用循环钻灌法施工，其余均采用预埋花管法施工。
1.2浆液的渗透距离
由于浆液和地层的性质都十分复杂，为了研究浆液在地层中的流动状态，学者们建立了各种模型，推导了许多公式。
通过它们可以近似地估算出有关的参数。
对于由颗粒材料组成的悬浊浆液，渗透距离可用下面公式估算：
R=
γghre
＋r
（2.8.2）
2s
式中：
R－浆液的渗透距离，cm；
γ—水的密度，g/cm3；
g—重力加速度，9.81cm/s2；
h—注入压力，以水头表示，cm；
re—孔隙的等值半径，cm；
s—浆液的屈服强度，达因/cm2；
r—灌浆孔半径，cm。
re值与地基的渗透系数有关，可按表2-8-5选取。
ν值参考图2-8-2取用。
表2-8-5孔隙等值半径
k（cm/s）
re（cm）
备注
1
0.019
孔隙比等于0.3
0.0059
0.0019
0.00059
图2-8-2水泥浆液的屈服强度
1.3砂砾石地层注浆量估算
在覆盖层没发生明显抬动的情况下，每一灌段的总注浆量可以用下式估算：
Q=πR2Lnαβ（2-8-3）
式中Q—灌浆段总注浆量，m3；
R—预计灌浆渗透半径，m；
L—灌浆段长度，m；
n—地层孔隙率，%；
α—灌浆的充填率，取0.8～1.0；
β—富裕系数，取1.5。
2砂砾石地基灌浆的一般要求
（1）做好灌浆试验灌浆试验对于砂砾石地层的灌浆十分重要，进行灌浆之前，应仔细调查分析地质情况，选择灌浆方法和浆液材料，拟定灌浆参数，之后应选择有代表性的地点进行必要的现场试验，根据试验的成果最后确定施工方案及灌浆参数。
（2）设置盖重和制定表层处理措施砂砾石地层一般比较松散，灌浆时往往发生冒浆、串浆现象，压力不易提升。
因此预先在砂砾石表面建造一层盖重（混凝土或粘性土铺盖）是十分必要的。
表层处理也可采用开挖置换或进行加密孔灌浆，灌浆时应增加浆液中水泥含量，采用自上而下灌浆法。
（3）进行浆液配比设计和浆液试验砂砾石灌浆一般注入量很大，对浆液的要求也更为严格和多样化，浆液的质量对灌浆工程的质量和造价的影响很大。
因此，预先要认真进行浆液的成分和配比设计。
砂砾石地基多灌注水泥黏土浆，各地黏土性能差别很大，因此各种浆液配比还要经过室内试验和现场试验调整确定。
（4）施工次序砂砾石灌浆的施工次序应遵照分排分序逐渐加密的原则进行：
先灌注下游排，再灌注上游排，后灌注中间排孔。
同一排孔中分2～3个次序灌注，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔、Ⅲ序孔。
相邻两个不同次序孔的灌浆原则上应待先序孔灌完后，后序孔方可开始施工，但当采用自上而下灌浆法时，后序孔可在滞后先序孔10m的条件下随后施工。
3灌浆方法
砂砾石地层灌浆的方法很多，我国常用的有循环钻灌法、预埋花管法、套管灌浆法和打管灌浆法。
3.1循环钻灌法
循环钻灌法是我国独创的一种灌浆方法，也称边钻边灌法。
这种方法是在冲积层中自上而下逐段进行钻孔和灌浆，各段灌浆都在孔口封闭。
循环钻灌法后来被扩展到岩石地基灌浆施工中，并加以改进，发展成为目前普遍采用的孔口封闭灌浆法。
3.1.1循环钻灌法的特点
（1）适宜于砂卵砾石中灌注水泥黏土浆或水泥浆；
（2）在钻孔的过程中，也利用循环泥浆对地层进行灌浆；
（3）由于每段灌浆都是在孔口封闭，各个灌浆段可以得到多次复灌，因而灌浆质量好；
（4）与预埋花管法相比，可以节省大量的管材；
（5）工序相对比较简单，操作容易。
循环钻灌法的缺点是：
由于钻灌工序交替进行，因此工效相对较低；
各段灌浆均在孔口封闭，因而灌浆时地表常常冒浆严重，既使进行深部灌浆时，也不能使用很高的灌浆压力；
当覆盖层由多种地层组成，需要灌注不同类型浆液时，难以施工。
3.1.2循环钻灌法的施工程序及技术要点
循环钻灌法的主要施工程序有：
建造盖重层或灌浆盖板→孔口管段钻孔→孔口段灌浆→镶铸孔口管→待凝→第二段钻孔→第二段灌浆→第三、四段钻孔、灌浆……直至终孔→封孔。
图2-8-3为循环钻灌法灌浆示意图。
采用循环钻灌法应注意以下施工技术要点。
（1）建造灌浆盖板
为了使灌浆达到一定的压力，防止和减少冒浆，确保灌浆效果，一般需要在砂砾石表面构筑一个盖重层，它可以是黏土铺盖，也可以是混凝土板。
例如埃及阿斯旺高坝砂砾石帷幕灌浆建造了厚达22～40m黏土铺盖，密云水库和岳城水库的黏土铺盖厚达8m。
采用混凝土盖板的厚度应根据地层结构和灌浆压力进行选择，宜以地面允许抬动不得超过砂砾石灌浆深度的1%～2%，宽度可超出边排孔1.5m，混凝土的强度等级为C15。
图2-8-3循环钻灌法灌浆图示
1－灌浆管（Φ42mm钻杆）；
2－防浆环；
3－孔口管；
4－封闭器；
5－黏土铺盖；
6－混凝土或砂浆；
7－孔口管下部的花管；
8－压力表；
9－进浆管；
10－回浆管；
11－阀门；
12－孔壁；
13－盖板灌浆段；
14－砂砾石层；
15－钻机立轴；
16－孔内灌浆管；
17－射浆花管
（2）孔口管段钻孔与灌浆
在混凝土灌浆盖板浇筑完成并达到70%强度以后，就可以开始钻进孔口管段。
钻孔直径比孔口管直径大一级即可，深度以穿透混凝土盖板深入被灌的冲积层1.0～1.5m为宜。
然后在混凝土盖板内安装灌浆塞进行灌浆，直至达到结束条件。
（3）镶铸孔口管
在循环钻灌法工艺中，每一个灌浆孔都要镶铸一根孔口管。
孔口管的作用很重要，它钻孔时保护孔口，灌浆时用于安设孔口封闭器，实现全孔的压力灌浆。
当灌浆是在已经浇筑了混凝土盖板的条件下进行时，其孔口管的施工方法可参见本章第六节1.3。
当灌浆需在土层中设置灌浆帽时，灌浆帽的结构见图2-8-3。
施工方法为先挖一个面积0.8m×
1.0m、深0.8m的浅坑，在浅坑中央用Φ130～150mm钻头钻进1.5～2.0m，再换小一级钻头钻至砂砾石层内1m，之后，在全孔内下设底部带有孔眼的孔口管。
浅坑底部孔口管四周缠绕麻绳或草绳作为防浆环，浅坑内浇筑混凝土。
孔口管管口高出地面10cm，加工有螺纹可与孔口封闭器联接。
（4）自上而下逐段钻孔与灌浆
钻孔按本章第三节6.2所述进行。
一般使用最稀一级水泥黏土浆（如水泥：
黏土：
水=1：
1：
12）作为冲洗和护壁的循环泥浆，遇到孔壁坍塌掉块的孔段，可酌情换用浓一级或二级的浆液护壁，严重时可使用纯水泥浆，或停钻先行灌注。
待孔壁稳定后恢复正常钻进。
对钻进时灌入到地层中的浆液应进行计量统计，计入孔段注入量中。
每一段钻孔和灌浆的长度视地层的渗透情况和钻孔孔壁的稳定性而定，一般为1～2m。
孔口管以下两段均为0.5m，孔口管段及其以下两段，灌注纯水泥浆，以便在上部形成一个强度较高的盖重层。
每一段钻孔完成后，应当使用清水或稀循环泥浆冲洗钻孔10min，冲净孔底钻渣。
接着进行灌浆，灌浆方法为孔口封闭、循环式灌浆，即在孔口管上安设孔口封闭器，使用钻杆作为灌浆管下至接近孔底（距孔底不大于0.2m）进行灌注，直至达到结束条件。
灌浆时应当注意经常活动灌浆管和保持孔口有一定的回浆量，避免灌浆管被浆液凝住，造成事故。
一段灌浆完成以后，接着可进行下一段钻孔作业，而不必待凝。
直至终孔。
3.2预埋花管法
预埋花管法，也称套阀花管法、袖阀花管法。
它是法国人首先发明的，称为索列丹斯（Soletanche）法。
这种方法是首先钻出灌浆孔，在孔内下入特制的带有孔眼的灌浆管（花管），灌浆管与孔壁之间填入特制的“填料”，然后在灌浆管里安装双灌浆塞分段进行灌浆。
3.2.1预埋花管法的特点
（1）灌浆孔一次连续钻完，灌浆和钻孔工序分开进行，施工效率高。
（2）灌浆在花管中进行，无塌孔之虑，灌浆段隔离也比较容易。
（2）可以任意采用自下而上或自上而下灌浆方式，也可以先灌全孔中的任何一段，或对某一段进行多次复灌，灌浆质量有保证。
（3）可以使用较大压力灌浆，灌浆过程中发生冒浆、串浆的可能性小。
根据地层情况和工程需要，可以进行渗透性质的灌浆，也可以进行挤密灌浆或劈裂灌浆。
（4）对各种冲积层的适应性好，可区别不同冲积层选用不同的浆液。
可适应深厚覆盖层灌浆。
预埋花管法的主要缺点是需要预埋花管，且无法回收。
以前我国塑料工业不发达，需要使用大量钢管，加大了工程造价。
其次，预埋花管法的施工程序较多，花管的制作和下设、填料、灌浆等技术均比较复杂。
3.2.2预埋花管法的施工程序及技术要点
预埋花管法的主要施工程序有：
钻孔→清孔→下填料→下花管→起套管（如采用套管护壁钻孔时）→待凝→冲孔→卡塞→开环→灌浆。
见图2-8-4。
图2-8-4预埋花管法施工程序图示
1-钻孔并下套管；
2-注入填料；
3-下设花管；
4-拔出套管；
5-下入双灌浆塞灌浆
各道工序中应注意以下技术要点。
（1）钻孔可以使用各种适宜的机械和方法钻进灌浆孔（见本章第三节）。
由于在钻孔中要下入花管，因此钻孔终孔孔径不宜太小，通常为φ91～φ150mm。
为确保钻孔顺利进行，孔口宜埋设保护管。
钻孔过程中应详细记录地层情况，先导孔要绘制钻孔柱状图。
这些资料是日后决定灌浆浆液、压力的依据。
应尽量防止孔斜，各个深度的钻孔偏距不得超过孔深的2.5%。
采用护壁泥浆钻进时，最好使用膨润土泥浆。
泥浆的技术性能应进行专项试验和定期检验。
钻孔结束后应立即清孔，除尽残留岩芯、岩屑。
清孔可采用黏度为20～22s的稀泥浆。
清孔完成后应立即注入填料，下设花管，否则以后应当重新清孔。
（2）下填料填料又称“夹圈”，是一种低强度的水泥粘土浆。
它在花管与钻孔的环状间隙中起胶结和封闭作用，保证浆液在灌浆时能横向流出，而不会沿孔壁上冒。
填料由水泥、粘土和水组成，并可加入适当水玻璃等外加剂调节其性能。
具体的配合比应当根据工程要求和使用材料由试验室经过试验得出。
北京密云水库坝基帷幕灌浆使用的填料中水泥、砂质壤土（塑性指数14～17）与水比例为1:
1.2:
3.2、1:
2.6:
4、1:
5，相应待凝期分别为5、7、14d。
长江堤防若干防渗帷幕灌浆工程填料采用的配比是水泥：
粉质黏土：
水为1：
（1.5～1.7）：
2，5～7d强度为0.3～0.5MPa。
开环压力0.1～0.3MPa。
填料中的黏土成分含有一些粉粒较好，对黏粒含量过高的黏土，可加入一定比例的粉细砂或粉煤灰。
向灌浆孔中充灌填料应使用灌浆泵和导管从孔底注入，置换出孔内清孔泥浆，至孔口返出的填料与注入的填料密度之差不大于0.02g/cm3为止。
充灌时间应尽量缩短，最长不超过60min。
填料须具备这样的性能：
力学强度适宜，能兼顾易于被压裂开环和防止向上冒浆的需要；
收缩性小，在凝固过程中不会与孔壁或花管脱开；
早期强度增长快，后期强度增长慢。
（3）下花管花管可用φ60~φ89mm的管材制成（图2-8-5），以前使用钢管，现在多使用塑料管。
在满足管内可顺利下入灌浆塞的前提下，管子直径宜尽量小。
花管内壁须光滑，管底封闭要严密牢固。
管子上每隔33~50cm钻一环出浆孔，每环孔3～4个，孔径10～15mm。
出浆孔的外围，用弹性良好的橡皮套箍紧，橡皮套的厚度为1.5~2.2mm，宽度100~150mm。
一些工程上曾用自行车内胎作橡皮套，效果良好。
为了防止在下花管时橡皮套移动或翻卷，可在其下端用细铁丝或塑料胶带缠绕扎紧，称之为防滑环。
这样，每个橡皮套如同一个单向阀门，在灌浆压力作用下浆液可以由里向外流出，但灌浆结束或中止后，浆液不能返流。
为了使花管周围填料厚度均匀，花管需位于钻孔中心的位置，为此可在花管上每隔一定距离（10～15m）安设定位装置。
用作花管的塑料管应当尺寸规格整齐标准，便于加工和连接；
内壁平整光滑，灌浆塞可以在里面移动自如；
具有足够的强度，能承受灌浆和下管时的内外压力。
中国水利水电科学研究院岩土工程研究所经过试验，采用外径63mm、内径53mm、每米重量1.15kg的PVC（聚氯乙烯）塑料管可以满足上述要求。
由于帷幕灌浆通常比较深，每根花管都需要用多根塑料管连接起来。
通过实验可采用插压法连接，如图2-8-6。
先将每个接头与下面一节花管连接好，管子的端头和接触面要涂抹粘结剂。
可采用四氢呋喃等粘结剂，四氢呋喃涂抹5min后就可以提供较高的粘结力。
下管时，后一节管插入前一节管已经安好的接头内，插好后再用注射器向接头缝隙中注满四氢呋喃，这种连接方法迅速、方便、可靠。
向钻孔内下花管时，填料对花管的浮力很大，需要采取增重措施（如在管内填入粉细砂），使其平衡自由下降。
下管时边下边填砂，动作要迅速，但不得强力下压或扭转。
图2-8-5灌浆花管组装与结构示意图
（a）灌浆管组装；
（b）B－B剖面；
（c）－C剖面；
1－花管；
2－防滑环；
3－橡皮箍；
4－射浆孔
图2-8-6塑料管插压法连接示意图
下花管是预埋花管法灌浆的一道关键工序，预先应当做好充分准备，力求一次成功，避免出现故障又起拔重来，造成损失。
花管下入前应当逐节进行检查，在地面进行全孔预安装，逐节编号，各环出浆孔位置应与图纸一致。
下管时应详细校核并记录各段花管长度和搭接尺寸，下设位置与设计位置的偏差等。
花管下端离孔底距离不得大于20cm。
孔口高出地面10～20cm。
花管下设时间不宜太长，一般应控制在6～8h以内。
花管下设完成填料凝固后，在花管内下入细管，将充填的细砂冲洗出来，保持管内干净。
花管在不进行灌浆工作的时间，管口都要加上塞子或盖子，防止落入异物。
（4）待凝花管下设完毕以后，需待凝一段时间。
视填料配合比及地下水活动情况不同，一般待凝为5~14d。
（5）开环通过压力作用，压开橡胶皮箍，压裂填料形成通路，给浆液进入砂砾石层创造条件，这一工序叫“开环”。
在压浆过程中压力突降或吸浆率突增时，表示已经开环。
开环可以采用清水，也可以采用1：
8～1：
4的稀黏土水泥浆。
开环后清水或稀浆应持续灌注5～10min，根据其渗透性确定开灌浆液配比。
（6）灌浆开环后就可以开始灌浆。
每一环孔作为一个灌浆段单独进行灌浆，灌浆方法可以任意采取自上而下或自下而上方式灌注，都属于纯压式灌浆。
3.3打管灌浆法
打管灌浆法是一种最简单的钻孔灌浆方法。
它是将钢管（灌浆管）打入到砂砾石层中，然后利用该钢管进行灌浆。
这种方法适用于砂砾石层埋藏较浅、厚度较薄、结构疏松、孔隙率大、块石较小的地质条件，以及临时性工程或对防渗性能要求不高的帷幕灌浆工程。
堤防或小型土坝的加固灌浆也常采用这种方法。
当砂卵砾石中夹有漂石时，钢管则难以打入，需要采用其它钻孔方法补打灌浆孔的措施。
打管灌浆的施工程序是：
打管→冲洗→灌浆→提管→灌浆→直至孔口。
见图2-8-7。
打管灌浆需要的专用器具是灌浆管。
灌浆管是一根厚壁无缝钢管，直径可为Φ50～75mm，其上部有管帽可承受锤击，并可与输送浆液的管路相联；
其下部接钻有出浆孔眼的花管，花管段长1～2m，孔眼呈梅花形排列，孔距10cm，孔径10～15mm。
花管的末端带有一锥尖。
各道工序中的技术要点是：
（1）打管使用机械或人工锤击将灌浆管击打贯入砂砾石地基中，直至设计深度。
为了以后灌浆时减少冒浆，打管时可在管子周围堆放一些细砂，让其跟管下沉，保持管壁与地层接触紧密。
（2）冲洗在打管的过程中，砂土等细料不可避免地会涌入灌浆管内，因此灌浆前应在灌浆管内下入细管，通水冲洗干净。
（3）灌浆先灌最下面一段，至达到结束条件（通常是灌完一定浆量）。
这种灌浆方法，使用压力很小，有时只能自流式灌浆，即依靠浆液的自重压力进行灌注。
打管灌浆属于自下而上纯压式灌浆。
图2-8-7打管灌浆法施工程序示意图
2－导管；
3－打管帽；
4－吊锤；
5－导杆；
6－管内涌砂；
7－锥形体；
8－冲洗进水管；
9－压力表；
10－进浆管；
11－地面；
12－灌浆段；
13－盖重层；
14－受灌砂砾石层
（4）提管下段灌完以后，立即就可以将灌浆管上提一个段长的高度（通常是1～2m），然后重复以上冲洗—灌浆的工序，直至孔口或设计确定的高程。
图2-8-8为两种灌浆花管的结构示意图，图a所示花管打入地层时直接锤击锥头，可打入较深的砂砾层；
图b所示灌浆管带有活动锥尖，打管时桩尖密闭，上提时锥尖落下
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