《化学加固法》PPT课件.ppt

第五章,化学加固法,主要内容,1化学加固法的概念 2灌浆法的概念、应用范围、灌浆法的分类、浆液材料。 3水泥土深层搅拌法、加固机理、设计计算、施工工艺、质量检验方法。 4高压喷射注浆法的概念、注浆形式、高压喷射注浆法的优点、加固机理、设计计算、适用范围、质量检验。,一、化学加固法的概念,1.化学加固法（Chemical Stabilization） 它是指利用水泥浆液、粘土浆液或其它化学浆液通过灌注压入、机械搅拌或高压喷射，使浆液与土颗粒胶结起来，以改善地基土的物理和力学性质的地基处理方法。,二、灌浆法,（一）、概念 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，浆液通过填充、渗透和挤密等方式，赶走土体颗粒间或岩石裂隙中的水气后占据其位置，硬化后形成一个结构新、强度大、防水性能高和化学稳定性良好的结石体。,（二）、灌浆法应用范围,灌浆法在我国煤炭、冶金、水电、建筑、交通和铁道等部门都进行了广泛的使用，并取得了良好的效果。 灌浆法的应用范围包括以下几个方面： 地铁的灌浆加固。用来减少施工时地面的变形，限制地下水的流动和控制施工现场土体的位移和变形等。 坝基砂砾石灌浆。可作为坝基的有效防渗措施。 对钻孔灌注桩的两侧和底部进行灌浆。以提高桩与土之间的表面摩阻力和桩端土体的力学强度。 后拉锚杆灌浆。在深基坑开挖工程中，用灌浆法进行锚固段施工。 竖井灌浆。用以处理流砂和不稳定地层。 隧洞大塌方灌浆加固。 建筑物的纠偏加固。 加固桥索支座岩石。 混凝土结构裂缝处理、蓄水池及压力管道堵漏等。,加固目的有以下几方面：,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； 防止桥墩和边坡护岸的冲刷； 整治坍方滑坡，处理路基病害； 提高地基土的承载力，减少地基的沉降和不均匀沉降； 进行托换技术，对古建筑的地基加固。,（三）、灌浆法的分类,1.渗透灌浆 渗透灌浆是指在压力作用下，使浆液充填于土的孔隙和岩石裂隙中，将孔隙中存在的自由水和气体排挤出去，而基本上不改变原状土的结构和体积，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。对砂性土的灌浆处理大都属于这种机理。,2.充填灌浆,充填灌浆是指用于地基土内的大孔隙、大空洞的灌浆。如卵石、碎石，卵砾层及隧道回填灌浆都属于这类灌浆。 3.挤密灌浆 挤密灌浆是指用于较高的压力灌入浓度较大的水泥浆或水泥砂浆，使粘性土体变形后在灌浆管端部附近形成“浆泡”，由浆泡挤压土体，并向上传递反压力，从而使地层上抬，硬化的浆液混合物是一个坚固的压缩性很小的球体。挤密灌浆法可用于非饱和和土体和含有孔隙的松散土。它可用来调整不均匀沉降进行托换技术施工，以及在大开挖或隧道开挖时对邻近土体进行加固。但是当加固深度小于12m时，加固的质量很难保证，除非其上原有建筑物能提供制约。,4.劈裂灌浆,劈裂灌浆是指在压力作用下，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起岩石和土体结构的破坏和扰动，使地层中原有的裂隙和孔隙张开，形成新的裂隙和孔隙，促使浆液的可灌性和扩散距离增大，故所用灌浆压力较高。 5.电动化学灌浆 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0.31.0V/cm），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。,(四)、浆材,灌浆浆液是由主剂（原材料）、溶剂（水或其它溶剂）以及各种外加剂混合而形成的浆液。通常所提的浆液材料，是指浆液中所用的主剂。外加剂可根据其在浆液中所起的作用，分为固化剂、催化剂、速凝剂、缓凝剂和悬浮剂等。 浆液材料按原材料和浆液特性分类，通常可如下图所示：,1.粒状浆材,粒状浆材是指由水泥、粘土、沥青以及它们的混合物制成的浆液。常用的粒状浆材是纯水泥浆、水泥粘土浆和水泥砂浆，以上浆液又称水泥基浆液，并可掺入各种外加剂，以改善浆液的性质。 水泥基浆液是以水泥浆为主的浆液。采用水泥灌浆可使土体形成高强度的固结体，应用最广的是普通硅酸盐水泥，在地下水无侵蚀性条件下经常使用。这种浆液是一种悬浊液，取材容易，配方简单、价格便宜、不污染环境。我国苏州虎丘塔就是采用水泥浆液对塔基进行托换加固的。,苏州虎丘塔,在灌注较大空隙和裂隙时，常常在水泥浆液中掺砂（水泥砂浆），以节约水泥，并更好地充填空隙。当浆液中加入一定数量的粘土（作外加剂）后，由于粘土本身是高分散性的，所以可提高浆液的稳定性，防止浆液沉淀和析水。 由于常用的水泥颗粒较粗，一般只能灌注直径大于0.2mm的孔隙。所以，选择浆液材料应满足对地基土的可灌性。浆材的适用条件可采用“可灌比”表示如下：,水泥浆的水灰比一般在0.62.0之间。常用的水灰比是1：1。为了调节水泥浆的性能，有时可加入速凝剂或缓凝剂等附加剂。水玻璃和氯化钙就是常用的速凝剂，其用量为水泥重量的（12）；常用的缓凝剂有木质素磺酸钙和酒石酸，其用量约为水泥重量的（0.20.5）。,（1）.粒状浆液的主要性质,粒状浆液的主要性质包括：分散度、沉淀析水性、凝结性、热学性、收缩性、结石强度、渗透性和耐久性。 .分散度 它是影响可灌性的主要因素，一般分散度越高，可灌性就越好。分散度也将影响到浆液和灌浆结石的物理力学性质。普通水泥最大颗粒尺寸约在60100m之间，这种颗粒尺寸使水泥浆液难于进入渗透系数小于5cm/s的砂土孔隙或宽度小于200m的裂隙中去。 水是粒状浆液的分散介质，又能与水泥颗粒发生水化和水解反应。一般能供饮用的淡水都可以使用，但不应含过量的硫酸盐（不大于0.1%）、氯化钠（不大于0.5%），以及糖类、碱类和悬浮物质等。,.沉淀析水性,是指在浆液搅拌过程中，水泥颗粒处于分散和悬浮于水中的状态，但当浆液制成和停止搅拌时，除非浆液极为浓稠，否则水泥颗粒将在重力作用下沉淀，并使水向浆液顶端上升。 制备好的粒状浆液应保持悬液状态，不应产生沉淀析水而使颗粒沉淀分层，堵塞渗浆通道，使灌浆过程过早结束；或者降低灌浆结石的均匀性，在灌浆体中形成空隙，使土体难以被充填密实。粘土由于分散度高和亲水性好，因而加入粘土、膨润土等外加剂于浆液中，可使其稳定性大大提高。但加入粘土后将使结石强度降低，因此它只能用于防渗而不能作为加固浆材。,.凝结性,浆液的凝结过程分为两个阶段： 浆液的流动性减少到不能泵送时的初期阶段； 凝结后浆液随时间而逐渐硬化的阶段。研究表明，水泥浆的初凝时间一般在24小时，粘土水泥浆更慢，所需时间更长。 .浆液的水化热和收缩性也是不容忽视的。 .结石强度 影响结石强度的因素主要包括：浆液的起始水灰比、结石的孔隙率、水泥的品种及掺合料等，其中以浆液浓度最为重要。,.渗透性 结石的渗透性也与浆液起始水灰比、水泥含量及养护龄期等一系列因素有关。不论纯水泥浆还是粘土水泥浆，其渗透性都很小。 . 耐久性 水泥结石在正常条件下是耐久的，但若灌浆体长期受水压力作用，则可能使结石破坏。纯水泥浆的帷幕还存在溶蚀问题，特别是当地下水有侵蚀性时，其溶蚀作用更强掺加粘土可以提高其抗溶蚀的能力。有侵蚀性地下水存在时，宜根据具体情况选用矿渣水泥、火山灰水泥、抗硫酸盐水泥或高铝水泥等品种，以延长灌浆体的寿命。此外，结石的密度越大，则透水性越小，灌浆体的寿命也越长。,（2）.附加剂,为了改善水泥浆液的性能，以适应不同的灌浆目的和自然条件，常在水泥浆液中掺入各种附加剂,2.化学浆材,化学浆液是一种真溶液，其优点是可以进入水泥浆液不能灌注的小孔隙，粘度和凝固时间可以在很大范围内调整，可用于堵漏、加固等领域。化学浆液已经在国内外得到了广泛应用，解决了不少工程难题，在理论和实践上都有很大的进步。 化学浆液的品种很多，包括环氧树酯类、聚氨酯类、丙烯酰胺类、甲基丙烯酸脂类、硅酸盐类和木质索类等，以下只介绍几种常用的化学浆材。,(1)环氢树酯类,环氧树酯类浆材是工程中较早采用的高强度化学材料。经过采用活性稀释剂和优选各种外加剂改良其性能后，浆液的粘度虽然大大降低了，但其仍能保持高强特性，使之能灌注和加固混凝土结构的细微裂隙、基岩的细裂隙和断层破碎带等低渗透性地层，并解决了水下和低温固化问题。改性环氧树酯材料为无毒或低毒。有些改性的环氧树酯浆材增加了与粘土颗粒表面的亲和力，具有一定的吸渗能力，可使薄层粘性土和泥化夹层固化。,(2)聚氨酯类,聚氨酯是采用多异氰酸酯和聚醚树酯等作为主要原材料，再加入各种外加剂配制而成的浆液。将其灌入地层后，遇水即反应生成聚氨酯泡沫体，起加固地基和防渗堵漏等作用。 聚氨酯类浆材有水溶性和非水溶性两类，前者强度较低，但遇水后体积膨胀，有良好的防渗性能；后者只能溶于有机溶剂，也是良好的防渗材料。 目前在土木工程领域中用得比较广泛的是非水溶性聚氨酯，其中又以“二步法”所制的浆液为最好，该法又称预聚法。它是把主剂先合成为聚氨酯的低聚物（预聚体），然后再把预聚体和外加剂按需要配成浆液。,1).聚氨酯浆材的特点,浆液粘度低，可灌性好，结石有较高强度，可与水泥浆材相结合，构建高标准的防渗帷幕； 浆液遇水反应，可用于动水条件下的堵漏； 安全可靠，不污染环境； 耐久性好； 操作简单，经济效益高。,2).聚氨酯类中的外加剂有以下几种：,增塑剂。常用的为邻苯二甲酸二丁酯等，用以降低大分子间的相互作用力，提高材料的韧性。 稀释剂。常用的为丙酮和二甲苯等，其中丙酮的稀释效果最好，用以降低预聚体或浆液的粘度，提高浆液的可灌性。 表面活性剂。一般采用吐温和硅油等，用以提高泡沫的稳定性和改善泡沫的结构。 催化剂。常用三乙醇胺和三乙胺等，用以加速浆液与水的反应速度，并控制发泡时间。,(3)丙烯酰胺类,这类浆材国外叫AM9，国内习惯称之为丙凝，由主剂丙烯酰胺、引发剂过硫酸氮（简称AP）、促进剂二甲氨基丙腈（简称DAP）和缓凝剂铁氰化钾（简称KFe）等组成。 丙凝浆液属于真溶液，其粘度与水相似，浆液的凝结时间可以在瞬间至几个小时内精确地调整，且凝结过程中几乎不会受到水和空气的干扰，凝结后几分钟即可达到极限强度。浆液凝固后的耐久性和稳定性良好，且凝胶本身基本上不透水（渗透系数约为110-9cm/s），可用于永久性灌浆工程，在国内外较早得到广泛应用。但由于凝胶体抗压强度低，干缩较大，而且曾因发生AM9中毒事件，国外曾经一度禁止使用。,国内研究表明，丙凝单体是有毒的，而聚合后的凝胶体是无毒的，只要聚合完全就不会污染环境，并且研制成ACMS浆材，其性能与AM9相当，而毒性仅为AM9的1%。另外，试验证明了丙凝胶体在细孔隙中可抵抗数百的水力比降而不被挤出，而在粗孔隙中则很容易挤出，且在水压下极不稳定，从而论证了丙凝防水帷幕的稳定性。,(4)硅酸盐类,硅酸盐（水玻璃）是一种无机胶凝材料，创始于1887年，具有价格低廉，无毒性和可灌性好等优点，目前仍在广泛应用。其主剂是水玻璃，与无机胶凝剂（如氯化钙、磷酸、硫酸铝、盐酸等）或有机胶凝剂（如乙二醛、醋酸乙酯、甲酰胺等）反应生成硅胶，起加固作用。,(5)水玻璃水泥浆类,该类浆液由水玻璃溶液与水泥浆混合而成，它兼有两种浆材的优点，凝胶时间可在几秒到几十分钟内准确控制，也是一种用途广泛、使用效果良好的灌浆材料，结石率可高达98%以上，而且结石强度也较高。,(6)木质素类,木质素类浆液的主剂是纸浆废液，再加入一定量的固化剂，因此属于“三废利用“，其来源广，价格低，是一种很有发展前途的注浆材料。 木质素浆液目前包括铬木素浆液和硫木素浆液。前者出现较早，其固化剂是重铬酸钠，该浆液含有的6价铬离子是剧毒物质，有可能污染地下水，因此其应用受到限制。国内有关部门进行了研究，逐步从有毒到低毒，从低毒到无毒，最后出现了硫木素浆液。,(五）、浆液材料的选择,不同浆液材料的性能有所不同，应根据实际的工程情况，在施工中具体选择某一种较为合适的灌浆材料。选择的具体要求是： 浆液应是真溶液而不是悬浊液。浆液粘度低、流动性好，可以进入细小裂隙。 浆液的凝胶时间可随意调节，可以从几秒钟至几个小时，并能准确地控制，浆液一经发生凝胶就在瞬间完成。 浆液的稳定性好。在常温常压下，长期保存不发生任何化学反应，不改变其性质。 浆液无毒无臭。不污染环境，对人体无害，属非易爆物品。,(五）、浆液材料的选择,浆液容易清洗，并对注浆设备、管路、混凝土结构物、橡胶制品等无腐蚀性。 浆液固化时无收缩现象，固化后与岩石、混凝土等有一定的粘接性。 浆液结石体有一定的抗拉和抗压强度，抗渗性能和防冲刷性能良好，不龟裂。 结石体耐老化性能好，能长期耐酸、碱、盐、生物细菌等腐蚀，而且不受温度和湿度的影响。 材料来源丰富、价格低廉。 浆液配制方便，操作简单。,(六)、灌浆理论,1.渗透灌浆 具代表性的渗透灌浆理论有球形扩散理论，柱形扩散理论和袖套管法理论。 1）球形扩散理论,2）柱形扩散理论,柱形扩散理论为另一种渗透理论，图52为柱形扩散理论的模型。当牛顿流体作柱形扩散时。,2.劈裂灌浆,1）粘性土地层 在粘性土地层中，水力劈裂竖引起土体固结，产生挤出等现象。在只有固结作用的条件下，注入浆液的体积V和单位土体所需的浆液量Q可由下式计算：,2)砂和砂砾石地层,在灌浆压力作用下，砂砾石地层中的有效应力减小。当灌浆压力pe达到下式时，就会导致地层的破坏。 对于岩石地基，目前常用的高压灌浆压力为8Mpa10Mpa，不可能在新鲜岩石内产生新的裂隙，主要是原有隐裂隙或微裂隙的扩张。在有夹泥层或泥质充填洞穴的情况下，可在灌浆压力作用下，产生不规则的水力劈裂裂缝，使浆液得以渗入，从而形成相互切割的脉状水泥浆脉，起骨架作用，达到加固的目的，而且，在灌浆结束后，地层的回弹作用使凝固的浆脉处于预应力状态，增强防渗或加固效果。,3.挤密灌浆,挤密灌浆开始时，灌浆压力基本上沿径向扩散。随着浆泡尺寸的逐渐增大，便会产生较大的上抬力，能使地面上升，或使下沉的建筑物回升，而且位置可以控制得相当精确。 浆泡形状般为球形或圆柱形。在均匀土中的浆泡形状相当规则，在非均质土中很不规则。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0.3m2.0m内的土体都能受到明显的加密。 挤密灌浆常用于中砂地基，粘性土地基中如果有适宜的排水条件也可采用。若遇排水困难，有可能产生高孔隙水压力，必须采用很低的注浆速率。这种方法也可用于非饱和的土体，以调整不均匀沉降，以及在大开挖或隧道开挖时对邻近土体进行加固。,4.电动化学灌浆,当地基土的渗透系数k104cm/s，只靠一般的静压力难以使浆液注入土的孔隙中，这时就需要采用电渗作用使浆液进入土中。 在地基土中插入金属电极并通以直流电，在直流电场的作用下，土中的水分从阳极流向阴极，这种现象称电渗。如果将汇聚在阴极的水排除。而在阳极不予补充，那么土层就会固结，引起土层的压缩。,4.电动化学灌浆,弱透水性土层土粒间的微小孔隙将水保持其中，单靠一般井点制造真空吸力难以达到理想的降水效果；在一定区域内的土体通直流电后形成电场，促使带负电荷的细小土体颗粒向阳极移动，带正电荷的水分子向阴极(即井点)方向集聚，产生电渗现象；电渗和真空的共同作用使地下水向井点快速集中，通过井点管的连续抽排，地下水位逐步下降。,(七)、灌浆法的加固机理,灌浆法的加固机理主要包括化学胶结作用、惰性填充作用和离子交换作用。 根据灌浆工程实践的经验和室内试验可知，灌浆加固后的强度增长是一种复杂的物理化学过程，受多种因素的影响和制约，除灌浆材料外，浆液与界面的结合形式、浆液饱和度及时间效应是三种重要的影响因素。浆液与介质接触面有良好的接触条件，无疑会使介质的强度增长。裂隙和孔隙被浆液填满的程度称为浆液的饱和度，一般饱和度越大，被灌介质的强度也越高。控制好浆液的搅拌时间和灌注时问等也是很重要的工作内容。,(八)、灌浆的设计与计算,1. 灌浆的设计程序 地质调查。查明需处理的地基的工程地质特性和水文地质条件； 选择灌浆方案。根据地质条件、工程类型、地基处理目的和要求，初步选择灌浆方案，包括：处理范围、灌浆材料、灌浆方法等。一般应优先考虑水泥系浆材，在特殊情况下才考虑化学浆材。 灌浆试验。除进行室内灌浆试验外，对较重要的工程，还应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； 设计和计算。确定各项灌浆参数和技术措施； 补充和修改设计。在灌浆期间和竣工后的使用过程中，根据观测所得的异常情况，对原设计进行必要的修改。,2灌浆工程的设计内容,灌浆工程的设计内容主要包括以下几个方面： 灌浆标准。根据灌浆要求达到的效果和质量指标确定； 施工范围。即灌浆的深度、长宽和宽度； 灌浆材料。包括浆材种类和浆液配方； 灌浆影响半径。躺浆液在灌浆设计压力下所能达到的有效扩散距离； 钻孔布置。根据浆液影响半径和灌浆体设计厚度，确定灌浆孔布置形式、孔距、排距、孔数和排数； 灌浆压力。规定不同地区和不同深度的允许最大灌浆压力； 灌浆效果评价。采用各种手段和方法检测灌浆加固效果。,3.灌浆方案的选择原则,如果是以提高地基强度和变形模量为目的，一般选用水泥系浆材，如水泥浆、冰泥砂浆和水泥水玻璃浆等，或环氧树脂、聚氨酯等高强度的化学浆材； 如果是以防渗堵漏为目的，可采用粘土水泥浆、粘土水玻璃浆、水泥粉煤灰混合物、丙凝和铬木素等浆材； 在裂隙岩层中灌浆，一般采用纯水泥浆、水泥浆或水泥砂浆中加少量膨润土；在砂砾石地层中或溶洞中采用粘土水泥浆；在砂层中一般只采用化学灌浆，在黄土采用碱液法或单液硅化法； 渗入灌浆一般在砂砾石地层或岩石裂隙中采用；水力劈裂灌浆用于砂层；粘性土层中采用水力劈裂法或电动化学灌浆法；纠正建筑物不均匀沉降则采用挤密灌浆法。 另外，选用浆材还应考虑其对人体的危害或对环境的污染问题。,4.灌浆标准,灌浆的目的不同，其灌浆标准也有所不同。 （1）防渗标准 应根据工程的特点，通过技术经济比较确定一个相对合理的标准。对重要的防渗工程，要求灌浆后地基土的渗透系数减小到10-410-5cms以下。 （2）强度和变形标准 强度和变形标准随着工程的要求不同而不同，例如，为了减少坝基础的不均匀变形，应在坝下游基础受压部位进行固结灌浆，以提高地基土的变形模量；为了减小挡土墙上的土压力，应在墙背至滑动面附近的土体中灌浆，以提高地基土的重度和抗滑面的抗剪强度。,4.灌浆标准,（3）施工控制标准 制定施工控制标准，可以保证获得最佳的灌浆效果。 .正常情况下灌浆的理论耗浆量Q为： 式中V设计的灌浆体积；n土的孔隙率；m无效注浆量 .按耗浆量降低率进行控制。 由于灌浆是按逐步加密的原则进行的，孔段耗浆量应随加密次序的增加而逐渐减少。如果起始孔距布置正确，则第二次序孔的耗浆量将比第一次序孔大为减小，这是灌浆取得成功的标志。,5.浆材的选择,根据土质不同和灌浆目的不同，选择合适的浆材。,按土质不同对注浆材料的选择,按注浆目的的不同对注浆材料的选择,6.扩散半径的确定,浆液的扩散半径r是一个很重要的参数，它对灌浆工程量及造价影响很大，其值可以按理论公式进行估算，最好通过现场灌浆试验来确定。 现场灌浆试验时，常采用等边三角形和矩形的布孔方法。 灌浆试验结束后，应对浆液扩散半径进行评价。1）进行钻孔注水或压水试验，求出灌浆体的渗透性； 2）钻孔取样，检查孔隙充浆情况； 3）人工开挖竖井或施工大口径钻井，用肉眼检查地层充浆情况，采样进行室内试验。,7.孔位布置,注浆孔布置是根据浆液注浆的有效范围能相互重叠，使被加固的土体在平面和深度范围内连成一个整体的原则决定的。 1）单排孔布置 假定浆液的扩散半径r为已知，则灌浆体的厚度b为：,