岩土注浆加固理论教学内容课件

1、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

2、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

3、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

4、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 0.8m

5、m, 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材 料组成成分颗粒粒径（mm）地基的渗透系数（cm/s）适用范围水泥10-2砾砂、粗砂裂隙宽度0.2 mm膨润土粘土10-4砂、砾砂超细水泥0.0120.01010-4 砂、砾砂、多孔砖墙，裂隙宽度0.05 mm的混凝土、岩石化学浆液10-7细砂、砂岩、微裂隙的岩石11.2 岩土渗透注浆理论渗透注浆(Permeation Grouting) 是指在不破

6、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

7、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

8、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

9、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；

10、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

11、扩散理论可参考有关资料。11.2.2 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）11.2.2 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11.2.2 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

12、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

13、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，

14、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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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

20、 ,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

21、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

22、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,

23、 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1000），采用牛顿-雷廷格公式11.5.2 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。因此,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

24、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。11.5.2 水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理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。11.5.2 水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理（2）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

25、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。11.5.2 水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理不同宽度的岩缝，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

26、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。图11-16 浆液变浓对充填情况的影响(a)采用同一级稀浆液的充填情况；(b)采用由稀变稠，变换得当的充填情况；(c)采用由稀变稠，变换不得当的充填情况11.5.2 水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理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

27、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。11.5.2 水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理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，

28、直至注浆结束；若变浓后吸浆率骤减或压力骤升，再退回用原来的浆液浓度来注。11.5.2 水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理（3）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。11.5.2 水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理1）固结排水理论德国的库茨纳尔认为：注浆过程分为“填满”与“饱和”两个阶段。在填满阶段，浆液进入并充填了裂隙的绝大部分，在饱和阶段，浆液中的多余水分在饱和压力（最高压力）下产生类似于太沙基的土力学固结现象而被排出，使水泥颗粒彼此接近。但对于坚硬和透水性差的岩石，很难用固结排水理论解释水泥浆的排水机理。11.5.2 水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理2）流动沉积理论浆液进入岩缝以后的流动速度和压力是随着离开钻