注浆加固原理.doc

3 注浆作用机理3.1 注浆理论基础3.1.1 浆液的可注性 根据尺寸效应定理，进行渗透注浆的前提是满足浆材对空隙的尺寸效应，即假定粒状浆材的颗粒尺寸为 d，地层的空隙尺寸为 Dp ，则浆液渗入空隙的前提 条件为DR =p 1Ed式中： RE 净空比。一种迄今流行的理论认为，当净空比 RE 3 时，用下式作为渗入性注浆设计 注浆材料的基础。DR =p 3Ed3.1.2 砂砾石注浆目前尚无有效方法可以测出 Dp 值，需采用数学方法加以估算，有效孔隙比 的计算公式如下：De =pED式中： eE 砂砾石的有效孔隙比；D 砂砾石的颗粒直径。 由于河床砂砾石一般都受过比较充分的摩擦。试验证明，河床砂砾由于颗粒大小混合而堆积得比较紧密，其有效孔隙比多变化在 0.1950.215 之间，计算时 取平均值 0.2，于是上式可以简化为：Dp = 0.2D因此，评价砂砾石可注性的简化公式为：N = D =rd( D15 )sg( D85 ) 15该式被国内外广泛采用。3.1.3 裂隙岩石注浆 在岩层中钻孔取样虽然比在砂砾石层中容易，但想从岩芯中得到有关空隙尺寸的准确资料目前仍很困难。以下为根据一般水文地质资料估算空隙尺寸的近似方法，可供注浆时参考。设一宽度为 d 的平面裂隙被半径为 r0 的钻孔垂直地穿过并用压力 p 进行压 水，则该裂隙的吸水量可按下式进行计算：p pd 3q1 =6h lg(R / r0 )式中： q1 裂隙吸水量， L / min ； d 裂隙宽度，mm；h 水的粘度，厘泊； R 水的扩散距离，m； p 压水压力，MPa； r0 钻孔半径，cm； 可注比值 Nr 的估算公式Mtchell J.K.给出以下可注比值 Nr 的估算公式（见下表） 影响渗入注浆可注性的主要因素还有浆液的粘度。粘度越大，流动阻力也越大，能灌注的影响半径也越小，或需要用较高的压力以克服其流动阻力。可注比 Nr 的估算公式土层岩层Nr = (D15 )s /(D85 )gNr = (D10 )s /(D95 )gNr = d /(D95 )g24持续可注性11持续可注性5持续可注性11不可注6不可注2不可注注： (D) 、 (D) 土体颗粒分析试验求得的粒径级配曲线中 15%和 10%的颗粒直径；15 s10 s(D85 )g 、 (D95 )g 根据将材颗粒分析试验求得的粒径级配曲线中 85%和 95%的颗粒直径；d 岩层裂隙的宽度。3.1.4 浆液在岩层中的运动形式和规律 浆液在岩土层的运动和凝胶规律是根据地层性质及其导浆结构、浆液类型及流线特性、注浆方式和参数选取而决定的，一般浆液运动形式和规律分两大类。（1）孔隙性岩土层渗透注浆 孔隙性岩土层是由许多相互连通的网状孔隙而形成的导浆系统。当浆液材料与孔隙通路相适应，在注浆压力不大的条件下，浆液以渗透方式注入孔隙。这时， 浆液的运动形式是渗透扩散胶凝，最后将松散的固体颗粒胶结成整体。这种 注浆，浆液流动符合液体渗流定律，浆液是以注浆孔为中心向外扩散。在注浆过程中，注浆压力克服浆液流动的粘滞阻力和自身的凝胶阻力，随着 浆液扩散距离的延长和注浆时间的延续，阻力增加，注浆压力逐渐升高，直到浆 液的扩散范围达到设计要求时，即可停止注浆。注浆压力和扩散半径、浆液粘度、 松散岩土的颗粒直径和形状、级配等因素有关。（2）裂隙岩层渗透注浆 由几组裂隙相互切割连成网状裂隙而形成的导浆系统，根据浆液性质不同，运动可分为：溶液类和胶体类浆液的运动规律 这种浆液的流动规律符合渗透定律，浆液的流动、扩散和凝胶规律与前述相似。悬浊浆液的运动规律 从整体上看它仍服从渗流定律，但从微观上看，悬浊浆液在裂隙中的流动可以认为是固体颗粒的水力运输。 浆液逐渐凝固硬化成结合体，由于结石率小于，故岩层内仍有一定间隙，因此，加大注浆压力，这会使原有裂隙有所扩大，注浆后扩大的裂隙回缩，能使 裂隙完全封闭。而且由裂隙回弹产生的压力是大面积的法向正应力，它能在厚度 仅为 1mm 左右的浆层中造成巨大的压力梯度，对浆液的排水固结特别有效。萨巴得提出，在平均注浆压力 pa 作用于裂隙面为半无限弹性介质的岩体上， 注浆孔荷载作用中心位置的岩石弹性变形，可依下式计算：4 (1 -n 2 )d0 =Epa R 在注浆方向上的裂隙边缘变形量为：8(1 -n 2 )dr =p Epa R 式中： d0 荷载中心位置裂隙变形，m； E 岩石弹性模量，MPa；n 岩石泊松比； R 径向注浆距离，m； pa 平均注浆压力，MPa。管道型注浆1）孔隙性岩层人工压裂管道型注浆 孔隙性岩层内，由于浆液材料与孔隙通路不相适应或采用了高压注浆，浆液不能以渗透方式逐渐注入到孔隙中去，而是继续在注浆压力作用下，当压力升高 到一定高度，便在地层的薄弱部位形成压裂脉状管道导浆系统。浆液的运动过程是压裂流动凝胶，如此反复多次，直到形成树枝状或脉 状切割的胶凝带而不再被压裂为止。与此同时，松散地层被压密，渗透系数减小， 地层透水能力降低。因此，地层强度有所提高，可起到阻水、防渗、截流、固结 的作用。注浆压力起着压裂地层，扩大浆液通道及克服流动阻力的作用。在实施过程中其变化规律是：压力开始上升，地层压裂后压力下降，同时浆液扩散距离受胶 凝时间和浆液粘度的影响；浆液凝胶后再加大注浆压力，浆液凝胶后的地层再压 裂，形成新的通道；如此反复多次，压力一次比一次升高，直到地层压密达到设 计要求的渗透系数和扩散半径决定于浆液凝胶时间，所以，注浆参数是根据经验 和试验决定的。2）岩溶层管道型注浆 浆液在裂隙中的运动是按管道流方式进行，其特点是流动扩散凝胶。注浆压力是用来克服浆液与岩壁间的摩擦阻力、粘结力和局部（弯曲、变径）阻力 以及静水压力。管道流动阻力比渗流要小，因此，浆液扩散范围较远。为避免浆 液流失，一般采用低压灌注，间歇注浆，并控制凝胶时间。注浆压力与管道直径、注浆流速、扩散距离、浆液性质以及岩壁粗糙程度和 弯道大小、变径情况等因素有关。可根据管道流压力降公式计算，或反求扩散半 径，由扩散半径控制凝胶时间。3.2 渗透注浆理论渗透型注浆取决于三个基本要素，即浆液流变学特性，渗透流线特性及浆液 在地层中的扩散形态。浆液的流变学特性：t = m du或t = m dudydy该式称为浆液的物理方程。 浆液的流线特性曲线和基本方程如表。浆液流变特性曲线和方程流线形态层流紊流雷诺数10101001002000渗流特性线性非线性非线性特性曲线v周基本方程线性渗流定律达西定律V = kg J非线性渗透定律哲才公式V = k J 1/ 2g福熙海麦公式V = aV + bV 2浆液在地层中的实际扩散形态相当复杂，很难使它按照需要实行人工控制。 它主要受地层的矿物组成、软硬程度和其中的空隙形态所制约。根据注浆机理大 体上可分成脉状扩散和渗透扩散两种。脉状扩散是浆液沿着地层原有的和因劈裂 形成的裂隙通道扩散扩散，其形式类似于脉管；渗透扩散是浆液沿着地层岩土、 砂颗粒之间的孔隙均匀扩散基本上不改变地层颗粒位置，类似于水在其中渗透。一般说来，在裂隙岩层中注浆，浆液多呈脉状扩散，只有在溶洞充填物、断 层破碎带和软弱夹层、砂、砾土中才可能会有部分渗透扩散。浆液的扩散形式，虽然浆液在扩散中其表面是不规则的，但在理论计算仍按均匀扩散考虑。扩散形 式有柱面、球面、柱面半球面三种，如下图所示。r0ll(a) (b)(c)柱面扩散球面扩散柱面半球面扩散浆液在地层中的扩散形态3.3 压密注浆理论压密注浆是指通过钻孔在土中注入极浓的浆液，随着注浆量的增加，在持续 压力作用下在注浆点使土体压密而形成浆块。压密注浆的主要特点之一，是它在较软弱的土体中具有较好的效果。此法最 常用于中砂层，粘土地层中若有适宜的排水条件也可采用。可发现和加固最软弱 的土体带。经实践得出：注浆体的扩大会导致土体内出现复杂的径向和切向应力体系。 在紧靠浆块处的土体存在大的破裂、剪切和塑性变形带。这一带的土体密度由于 挠动而降低。随着从土体到浆块的增加，土体变形主要为弹性变形，而土体密度 有明显的增加。3.4 劈裂注浆理论劈裂注浆指在压力作用下，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起岩石 土体结构的破坏和挠动，使其沿垂直于小主应力平面上发生劈裂，使地层中原有 的裂隙或孔隙、浆液的可注性和扩散距离都增大，而所有的注浆压力相对较高。在岩层中，一般假定地层为一各向同性、均匀连续的线性弹性体，因而可用 下述方程表达钻孔井壁处开始发生水力劈裂的条件：*垂直劈裂p0 = 1 -n 2K+ St g h(1 - N )n 3g h 1*水平劈裂p0 = 1 -n 1 + St g h(1 - N1 )n g h 式中： p0 注浆压力，MPa； g h 由岩石重量产生的垂直应力，Pa；n 岩石的泊松比； K3 侧压力系数； St 岩石的抗拉强度，MPa；N1 用来