均匀砂层渗透注浆计算方法的研究

均匀砂层渗透注浆计算方法的研究潘志强张彬()辽宁工程技术大学土木建筑工程学院摘要本论文得出的理论计算公式考虑了灌注过程中浆液粘度随时间的变化,从而消除了现在只以初始粘度作为计算参数所造成的计算误差。同时根据颗粒均匀砂层的特性,使颗粒均匀砂层注浆的计算公式得到简化,幵给出了运用计算机matlab软件求浆液粘度不时间凼数关系的方法。关键词注浆均匀砂层计算公式a引言注浆技术有着悠久的历史,在加固工程和防水工程中有着广泛的应用。然而目前注浆技术的理论研究还不完善,很大程度上仍依靠施工经验,施工具有很大的盲目性,容易造成材料浪费戒者留下工程隐患。浆液扩散半径是控制注浆过程和施工质量的一项重要指标,目前人们按渗透注浆理论计算砂层()中浆液扩散半径时,主要有以下两种计算理论:1()球面扩散理论;2柱面扩散理论。目前的各种计算方法对浆液粘度这一影响参数均按定值处理,即按浆液的初始粘度进行计算。我们知道大多数浆液其粘度随时间增加,这就使得理论计算值比浆液实际图1浆液球形扩散图扩散范围大。也就是说,如果按目前的理论计算结果进行注浆，浆液实际扩散半径达不到所需的扩散3Brn灌浆时间()t=半径,很容易造成工程隐患。为了消除此种误差,本13khr103论文将给出考虑浆液粘度变化的理论计算公式，使khrt310()浆液扩散半径2r=理论计算结果更好的不实际相符。根据颗粒均匀Bn-1砂层的特性及渗流力学的知识，式中:k—砂土的渗透系数，ms?;本论文对颗粒均匀砂层渗透系数的计算方法进行理B—浆液粘度对水的粘度比；论推导，得到了易于应用的计算方法。h一灌浆压力，m;1r一灌浆管半径，m;0均匀砂层渗透注浆计算方法的改进2n一砂土的孔隙率。为了消除现有公式对浆液粘度按定值处理所造首先，推导在均匀砂层中渗透系数的计算公式。成的误差，同时简化均匀砂层的注浆计算公式，在本由渗流力学知识可知，对于均质的球形砂粒层，当颗论文中，均匀砂层渗透注浆理论的计算公式得到了()粒间按菱形体排列如图2所示时，砂层的孔隙率改进。下面以目前广泛采用的砂层注浆球形扩散公最低，此时砂层结构最为稳定，由于工程中所灌注的式Maag公式为例，说明改进均匀砂层渗透注浆砂层大都为承受地压且随地壳变动数万年的地层，计算公式的方法。所以可以认为工程中所灌注的砂层处于此种最稳定Maag的简化计算模型如图1所示。结构菱形体排列的状态，而且假设按菱形体排Maag推导出的浆液在砂层的渗透公式,如下:列也使工程偏于安全，所以是合理的。〔收稿日期〕2003-04-02第7卷第5期探讨不分析岩土工程界口一浆液粘度系数，Pas?;l口一水的粘度系数，Pas?。w()()由公式7和公式8，得:PvlIB()9=PvwwB式中：一浆液粘度不水的粘度比；-3P—浆液的密度，kgm?;l2-1v—浆液的运动粘滞性系数，ms?;l2砂层颗粒菱形排列图图-3P—水的密度，kgm?；w-1v—水的运动粘滞性系数，ms?。此时砂层的孔隙率n=0.26，孔隙通道的直径wpp)(为d=0.155d，d为砂层中砂粒的直径。由渗流对于特定的温度条件和特定的浆液，、、vlww0力学知识，得：是非常容易得到的。2()()将公式9代入到公式6中，得：dOk()砂层土的内在透水率=3232P0.024dgl)(10k=2Bpk32v式中：一砂层土的内在透水率，m，其大小只ww不土层的性质有关，不所注液体种类式中符号意义同上。()()无关；将k值、n值代入公式1、2中，得：32d一砂层中孔隙通道的直径，m°BpO8.32rvww()灌浆时间t二112P0.072dghr()l10将d=0.155d代入公式3中，得：032P0.0240.072dghrt2110k()=d4浆液扩散半径r=()12232Bp8.32vwwk式中：符号意义同上。式中符号意义同上。d—砂层中砂粒的直径，m。B下面，说明公式中浆液粘度不水的粘度比的由渗流力学知识，得：处理方法。首先，通过试验测定不同时刻的浆液粘度，然后，利用计算机应用Matlab软件对数据进行g()k5=kv分析，可得到浆液粘度不时间的凼数关系。设浆液k式中：k、符号意义同上;口口()粘度不时间的凼数关系为二t,则在t时刻ll-2g—重力加速度，m?s;()(p)有浆液粘度不水的粘度比二t/v。在考wwl2-1v—浆液的运动粘滞性系数，ms?。B虑整个灌注过程时，浆液粘度不水的粘度比应取()()把公式4代入公式5中，得：整个灌注过程中的浆液平均粘度不水的粘度比，即2t0.024dg()=6k口()tdtl32v?0B()=13pvt式中符号意义同上。wwB下面，我们推导浆液粘度对水的粘度比不浆式中：t—整个灌浆过程所用时间，s;液的运动粘滞性系数v的关系。由渗流力学知识，其他符号意义同上。()()()u将公式13分别代入到公式11和公式12我们知道浆液粘度系数不浆液的运动粘滞性系数v有如下关系。中，可得均匀砂层渗透注浆球形扩散理论的计算公()uP式如下：7=v口灌浆时间式中：一浆液粘度系数，Pas?;3-3t23p—浆液的密度，kgm?;.56rll5u()tdt)(14t二l2-12?Oppv—浆液的运动粘滞性系数，ms?dgvhrlww10又有公式浆液扩散半径3口2lpptdgvhrlww10()B8=()15r=口2wtu()td1115.56l?B式中：一浆液粘度对水的粘度比;035VOL.7No.53323式中：t—整个灌浆过程所用时间，s;2t(19.262r-3rr-2r+3r000()口tdtl2r一浆液扩散半径，m;?0ppdghvrl1ww0t=222d—砂层中砂粒的直径，m;()p57.78tr-rdgh0l1+-2tg一重力加速度，ms?;口()tdtl?0h一灌浆压力，m;1()18r—灌浆管半径，m;0柱形扩散理论的模型如图3所示。口()t—浆液粘度不时间的凼数关系表达l圉3浆敲柱獅章留—当浆液做社腦扩散时,其改进公式釦下:汹浆时间式,Pas?;-3P—浆液的密度，kgm?;l-3P一水的密度，kgm?;w2-1v—水的运动粘滞性系数，ms?ow由渗流力学知识得到，v不温度t的关系为w0.0178)(16=v21+0.337t+0.000221tPP对于特定的温度条件和特定的浆液，、、vlww是非常容易得到的。下面，对均匀砂层渗透注浆的球形扩散理论计()()算公式14、15的适用范围进行论述。Maag公式()的推导做了下述假定:1被灌砂土为均质的和各向图3浆液柱形扩散图()()同性的;2浆液为牛顿体;3采用填压法灌浆，浆当浆液做柱形扩散时，其改进公式如下:()液从灌浆管底端注入地层;4浆液在地层中呈球状灌浆时间()扩散。根据Maag公式的假定条件和公式14、3r2()()()15的推导过程，我们可以得出计算公式14、15173.33rln2tr0u()()tdt适用于符合以下条件的工程：1被灌砂土为均质近()t=192?0PPdghvl1ww()()球形砂粒层且各向同性；2浆液为牛顿流体；3采浆液扩散半径()用填压法灌浆，浆液从灌浆管底端注入地层;4浆323PPdghvtl1ww液在地层中呈球状扩散。对于其它渗透理论的计()r=20tru()算公式，为了消除现有tdt173.33lnl?Or0公式中对浆液粘度按定值处理所造成的误差和简化公式17、18、19、20中，各符号意义如下：均匀砂层的注浆计算公式，也可以进行如上所述的t—整个灌浆过程所用时间，s；改进，可得到相应的计算公式，在此不再重复推导，r—浆液扩散半径,m;只给出推导结果,以方便大家的应用。渗透注浆球d—砂层中砂粒的直径,m;形扩散理论除Maag公式外,常用-2g—重力加速度,ms?;的公式有Karol和Raffle公式。Karol和Raffle公式h一灌浆压力，m;1的扩散理论模型如图1所示。对其改进得到如下公r—灌浆管半径，m;0式：口()t—粘度渐变型浆液粘度不时间的凼数关lKarol改进公式：3系表达式，Pas?;2t2.56r115-3()口tdt)(t二l17P—浆液的密度，kgm?;2l?0PPdghvl1ww-3P—水的密度，kgm?;wRaffle改进公式：2-1v一水的运动粘滞性系数，ms?。w算例3假定工程的施工温度为20?，采用水灰比为21?36第7卷第5期探讨不分析岩土工程界332的水泥浆液灌注砂层，砂层颗粒均匀，砂粒直径为PPvhrtdgww10l=1.281mr=2t0.2mm，采用渗透注浆，浆液从灌浆管底端注入地口()tdt115.56l?0层，呈球状扩散，灌浆压力为0•3MPa，灌浆管半径按Maag公式计算，灌注30分钟时浆液的扩散为25mm，求灌注30分钟时浆液的扩散半径。首半径为：先，通过试验得出水泥浆液粘度不时间的凼3数关系。在试验中，试验环境温度不施工温度相同3khrt10=1•432mr=Bn为20?，浆液的水灰比为21?，试验测得浆液的密度-3从此算例可以看出，浆液粘度的增加对浆液扩P=1•487gc?m。主要试验仪器有粘度计、计时l散半径的影响是明显的，如果将浆液粘度按定值考器、天平等。虑,很容易造成工程隐患,因此在理论计算中应对浆通过试验测定不同时刻浆液的粘度值,测得结液粘度的变化进行考虑。目前的理论计算中,忽略果如表1所示。浆液粘度变化的做法是不合理的。表1浆液不同时刻的粘度值结论4时间/min0510151.511.621.701.81浆液粘度/MPa?s()1颗粒均匀的砂层的渗透注浆计算公式可以时间/min20253035简化,使计算求解过程更加简单。1.902.012.132.24浆液粘度/MPa?s()2为了对浆液的扩散过程有一个更加准确的认识,我们应对其灌注过程中浆液粘度的变化予以利用计算机运用软件对试验数据进行分析处考虑。理,进行拟合。通过对各种拟合形式进行对比分析,()3在求粘度渐变型浆液的粘度和时间的凼数得到用下面凼数表达浆液粘度不时间的变化关系最关系时,计算机工具的应用显得必不可少,今后计算为合适。机将会在注浆问题的研究中发挥更大的作用。0•Oilt()»=1.53et参考文献u()式中：t—t时刻的浆液粘度值，MPas?;l顾慰慈.渗流计算原理及应用.北京：中国建材工业出版社，u()t—浆液达到粘度t所需的时间，min。2000,8•20?时，水的密度2《岩土注浆理论不工程实例》协作组.岩土注浆理论不工程实-3p=0•99822gc?mw例.北京：科学出版社，2001.-2重力加速度g=9•789ms?()3《地基处理手册》第二版.北京：中国建筑工业出版社，2000•3737何修仁等.注浆加固不堵水.沈阳:东北工学院出版社,1990.4水的运动粘滞性系数-62-1v=1.004X10m?sw:辽宁阜新市中华路47号辽宁工程技术第一作者通讯地址口()PP将d、g、h、r、t、、、v、t的值代入10llww大学126信箱邮编:123000计算公式得,灌注30分钟时浆液的扩散半径为:()上接第33页参考文献3cm以内,最后,建议采用电子表格Excel辅助绘制()张莉萍.击实实验若干问题的探讨.