第十章-714

1第十章灌浆法第一节概述灌浆法是指利用液压、气压或电化学原理，通过注浆管把浆液均匀地注入地层中，浆液以填充、渗透和挤密等方式，使土颗粒间或岩石裂隙中的水分和空气排出，经人工控制一定时间后，浆液将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整体，形成一个结构新、强度大、防水性能高和化学性良好的结石体。灌浆的主要目的有下列几方面：1、防渗：增加地基土的不透水性。防止流砂、钢板桩渗水、坝基漏水和隧道开挖时涌水，以及改善地下工程的开挖条件；2、防止桥墩和边坡护岸的冲刷；3、整治塌方滑坡、处理路基病害；4、加固、提高地基土的承载力，减少地基的沉降和不均匀沉降；5、进行托换技术，既有建筑物的地基加固与纠偏。灌浆技术在：1、水电建设中几乎每个坝址都要进行大规模防渗和加固灌浆，在其它土木工程建设中如铁道、矿井、市政和地下工程等，灌浆法也占有十分重要的地位。它不仅在新建工程，而且在改建和扩建工程中都有其广泛的应用领域。实践证明，灌浆法确实是一门重要且颇有发展潜力的地基加固技术。2、可用的浆材品种越来越多，有些浆材通过改性使其缺点消除，正向理想浆材的方向发展。3、为解决特殊工程问题，化学浆材的发展提供了更加有效的手段，使灌浆法的总体水平得到提高。然而由造价、毒性和环境污染等原因，国内外各类灌浆工程中仍是水泥系和水玻璃系浆材占主导地位，高价的有机化学浆材一般仅在特别重要的工程中，以及上述两类浆材不能可靠地解决问题的特殊条件下才使用。4、劈裂灌浆在国外已有30多年的历史，我国自20世纪70年代末在乌江渡坝基采用这类灌浆工艺建成有效的防渗帷幕后，也已取得明显的发展，尤其在软弱地基中，劈裂灌浆技术已越来越多地用作提高地基承载力和清除（或减少）沉降的手段。5、在一些比较发达的国家中，已较普遍地在灌浆施工中设立电子计算机监测系统，用来专门收集和处理诸如灌浆压力、浆液稠度和进浆量等重要数据，这不仅可使工作效率大大提高，还能更好地控制灌浆工序和了解灌浆过程本身，在勘探和灌浆施工中广泛地应用电子技术，正使灌浆法从一门“艺术”转变为一门科学。6、由于灌浆施工属隐蔽性作业，复杂的地层构造和裂隙系统难于模拟，故开展理论研究实为不易。与浆材品种的研究相比，国内外在灌浆理论方面都仍属比较薄弱的环节。灌浆法的应用范围很广，适用于土木工程中的各个领域，如坝基、房基、道路和桥梁基础、地下建筑等。2第二节原理地基处理中，灌浆工艺所依据的理论主要可归纳为以下四类：一、渗透性灌浆理论.渗透灌浆是指在压力作用下使浆液克服各种阻力，渗入地层中的孔隙或裂缝中，排挤出孔隙中存在的自由水和气体，而地基土层结构基本不受扰动和破坏。所用灌浆压力相对较小，这类灌浆一般只适用于中砂以上的砂性土和有裂隙的岩石，代表性的渗透灌浆理有：球形扩散理论、柱形扩散理论和袖套管法理论。㈠、球形扩散理论Maag（1938）首先推导出浆液在砂层中的渗透公式。在推导公式时，作了如下假定：1、被灌砂土为均质的和各向同性的；2、浆液为牛顿体；3、浆液从注浆管底端注入地基土内；4、浆液在地层中程球状扩散。浆液扩散的理论模型如图10·2·1所示。图10·2·1注浆管底端注浆球形扩散根据达西定律：3Q=kgiAt=42kgt(-dh/dr)-dh=kt24Q·dr积分后得h=kt4Q·1+C当=0时，h=H，=1时，h=h0，代入上式得H—h0=kt4Q（1011）已知：Q=4/3×n31，h1=H—h0，代入上式得h1=ktn3)11(1031由于1比0大得多，故考虑010111，则h1=0313ktn∴t=01313khn（10·2·1）或1=ntkh013（10·2·2）式中k——砂土的渗透系数（㎝/s）；Q——注浆量（㎝3）；㎏——浆液在地层中的渗透系数（㎝/s），㎏=k；——浆液粘度对水的粘度比；4A——渗透面积（㎝2）；1——浆液的扩散半径（㎝）；h0——注浆点以上的地下水压头；H——地下水压头和灌浆压力之和（㎝）；0——灌浆管半径（㎝）；t——灌浆时间（s）；n——砂土的孔隙率。㈡、柱形扩散理论图10·2·2为柱形扩散理论的模型。图10·2·2浆液柱状扩散图当牛顿流体作柱形扩散时：t=101212lnkhn（10·2·3）1=011ln2ntkh（10·2·4）假定浆液在砂砾石中作紊流运动，则其扩散半径1为；1=2001dhknt（10·2·5）5式中d0——为被灌土体的有效粒径；——浆液的运动粘滞系数；其余符号同Maag球状公式。二、劈裂灌浆理论劈裂灌浆是指在压力作用下，向钻孔泵送不同类型的流体，以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上发生劈裂，使地层中原有的裂隙或孔隙张开，形成新的裂隙或孔隙，浆液的可灌性和扩散距离增大，而所用的灌浆压力相对较高。㈠、砂和沙砾地层可按照有效应力的库仑—莫尔破坏标准进行计算：2'3'1·sin'=2'3'1cos'·c'（10·2·6）式中'1——有效大主应力；'3——有效小主应力；'——有效内摩擦角；c'——有效粘聚力。由于灌浆压力的作用，使砂砾石土的有效应力减小。当灌浆压力Pe达到式（10·2·7）时，就会导致地层的破坏：Pe=sin2)1)((2)1)(('KhrrhKhh·cot'（10·2·7）式中——砂或砂砾石的重度；w——水的重度；wh——地下水位的高度；K——主应力比。上述公式所代表的破坏机理可用图10·2·3来解。从图中可见，随着孔隙水压力的增加，有效应力就逐渐减小而至与破坏包线相切，此时表明沙砾土已开始劈裂。6图10·2·3假想的水力破坏机理（二）、粘性土地层在粘性土地层中，水力劈裂将引起土体固结及挤出等现象，在只有固结作用的条件时，可用下式计算注入浆液的体积V及单位土体所需的浆液量Q：V=vamp)(00·4drr2（10·2·8）Q=vpm（10·2·9）式中a——浆液的扩散半径；0p——灌浆压力；——孔隙水压力；vm——土的压缩系数；p——有效灌浆压力；在存在多种劈裂现象的条件下，则可用式（10·2·10）确定土层被固结的程度C：C=%100)1())(1(010nnnV（10·2·10）式中V——灌入土中的水泥结石总体积；n0——土的天然孔隙率；n1——灌浆后土的孔隙率。三、压密灌浆理论压密灌浆是指通过钻孔在土中灌入极浓的浆压，在注浆点使土体压密，在注浆管端部7附近形成“浆泡”，如图10·2·4所示。图10·2·4压密灌浆原理示意图当浆泡的直径较小时，灌浆压力基本上沿钻孔的径向扩展。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。研究证明，向外扩张的浆泡将在土体中引起复杂的径向和切向应力体系。紧靠浆泡处的土体将遭受严重破坏和剪切，并形成塑性变形区，在此区内土体的密度可能因为扰动而减小，离浆泡较远的土则基本上发生弹性变形，因而土的密度有明显的增加。浆泡的形状一般为球形或圆柱形。在均匀土中的浆泡形状相当规则，而在非均质土中则很不规则。浆泡的最后尺寸取决于很多因素，如土的密度、湿度、力学性质、地表约束条件、灌浆压力和注浆速率等。有时浆泡的横截面直径可达1m或更大，实践证明，离浆泡界面0.3～2.0m内的土体都能受到明显的加密。压密灌浆常用于中砂地基，粘土地基中若有适宜的排水条件也可采用。如遇排水困难而可能在土体中引起高孔隙水压力时，这就必须采用很低的注浆速率。压密灌浆可用于非饱和的土体，以调整不均匀沉降进行托换技术，以及在大开挖或隧道开挖时对邻近土进行加固。四、电动化学灌浆原理如地基土的渗透系数k＜scm/104，只靠一般静压力难于使浆液注入土的孔隙，此时需用电渗的作用使浆液进入土中。电动化学灌浆是指在施工时将带孔的注浆管作为阳极，用滤水管作为阴极，将溶液由阳极压入土中，并通以直流电（两电极间电压梯度一般采用0.3～1.0V/㎝），在电渗作用下，孔隙水由阳极流向阴极，促使通电区域中土的含水量降低，并形成渗浆通路，化学浆液也随之流入土的孔隙中，并在土中硬结。因而电动化学灌浆是在电渗排水和灌浆法的基础上发展起来的一种加固方法。但由于电渗排水作用，可能会引起邻近既有建筑物基础的附加下沉，这一情况应予慎重注意。灌浆法的加固机理主要是：1、化学胶结作用；82、惰性填充作用；3、离子交换作用。根据灌浆实践经验及室内试验可知，加固后强度增长是一种受多种因素制约的复杂物理化学过程，除灌浆材料外，还有以下三个因素对上述三种作用的发挥起着重要的作用。㈠、浆液与界面的结合形式灌浆时除了要采用强度较的浆材外，还要求浆液与介质接触面具有良好的接触条件。图10·2·5为浆液与界面结合的4种典型的形式。图10·2·5（a）为浆液完全填充孔隙或裂隙，浆液与界面能牢图10·2·5浆液与界面的结合形式固地结合，图10·2·5（b）为浆液虽填满孔隙或裂隙，但两者间存在着一层连续的水膜，使浆液未能与岩土界面牢固的结合，图10·2·5（c）为浆液虽也充满了孔隙或裂隙，但两者被一层软土隔开，且浆液未曾渗入到土孔隙内，从而使整体加固强度大为降低，图10·2·5（d）为介质仅受到局部的胶结作用，地基的强度、透水性、压缩性等方面都无多大的改善。由此可知，提高浆液对孔隙或裂隙的冲填程度及对界面的结合能力，也是使介质强度增长的重要因素。㈡、浆液饱和度裂隙或孔隙被浆液填满的程度称为浆液饱和度。一般饱和度越大，被灌介质的强度也越高。不饱和充填可能在饱水孔隙、潮湿孔隙或干燥孔隙中形成，原因则可能多种，灌浆工艺欠妥可能是关键的因素，例如用不同的灌浆压力和不同的灌浆延续时间，所得灌浆结果就不一样。灌浆一般采用定量灌浆方法，而不是灌至不吃浆为止。灌浆结束后，地层中的浆液往往仍具有一定的流动性，因而在重力作用下，浆液可能向前沿继续流失，使本来已被填满的孔隙重新出现空洞，使灌浆体的整体强削弱。不饱和充填的另一个原因是采用不稳定的粒态浆液，如这类浆液太稀，且在灌浆结束后浆中的多余水不能排除，则浆液沉淀析水而在孔隙中形成空洞。可采用以下措施防止上述现象：1、当浆液充满孔隙后，继续通过钻孔施加最大灌浆压力，2、采用稳定性较好的浓浆，3、待已灌浆液达到初凝后，设法在原孔段内进行复灌。㈢、时间效应91、许多浆液的凝结时间较长，被灌介质的力学强度随时间而增长。但有时为了使加固体尽快发挥作用而必须缩短凝结时间，但为了维持浆液的可灌性则要求适当延长浆液的凝结时间。2、许多浆材都具有明显的徐变性质，浆材和被灌介质的强度都将受加荷速率和外力作用时间的影响。3、浆液搅拌时间过长或同一批浆液灌注时间太久，都将使加固体的强度削弱。第三节设计计算一、设计程序和内容㈠、设计程序1、查明场地的工程地质特性和水文地质条件。2、根据工程性质、灌浆目的及地质条件，初步选定灌浆方案。3、进行室内灌浆试验外，对较重要的工程，还要选择有代表性的地段进行现场灌浆试验，以便为确定灌浆技术参数及灌浆施工方法提供依据。4、确定各项灌浆参数和技术措施。5、在施工期间和竣工后的运用过程中，根据观测所得的异常情况，对原设计进行必要的调整。㈡、设计内容1、灌浆标准：通过灌浆要求达到的效果和质量指标。2、施工范围：包括灌浆深度、长度和宽度。3、灌浆材料：包括浆材种类和浆液配方。4、浆液影响半径：指浆液在设计压力下所能达到的有效扩散距离。5、钻孔布置：根据浆液影响半径和灌浆体设计厚度，确定合理的孔距、排距、孔数和排数。6、灌浆压力：规定不同地区和不同深度的允许最大灌浆压力。7、灌浆效果评估：用各种方法和手段检测灌浆效果。10二、灌浆方案选择灌浆方法和灌浆材料的选择一般应遵循下述原则：1、灌浆目的如为提高地基强度和变形模量，一般可选用以水泥为基本的水泥浆、水泥砂浆和水泥水玻璃浆等，或采用高强度化学浆材，如环氧树脂、聚氨脂以及以有机物为固化剂的硅酸盐浆材等。2、灌浆目的如为了防渗堵漏时，可采用粘土水泥浆、粘土水玻璃浆、水泥粉煤灰混合物、丙凝