岩土工程特殊施工技术.ppt

讲授：xxx 学时： 50 第一讲 地下水 目前，水资源严重短缺，是世界性的难题。这不 是我们研究的范畴，而是研究地下水的另一面，即地 下水对土建工程的影响和危害。地下水对地下工程（ 深基坑、桥基、路基及矿山建设、城市管线附设等） 设计方案、施工方法与工期、工程投资以及工程长期 使用都有着十分密切的关系。如果对地下水处理不当 ，可能产生不良影响，甚至发生重大工程事故。例如 （思考题）：市政管线、桥基、路基（翻浆）。地下 工程特殊施工方法大都针对如何处理地下水或减少其 对工程的危害而相应产生的，是地下建筑施工的重要 组成部分。 一、地下水的分类 地下水按埋藏条件不同，分为三类，如图1-1所示 。 海（江、河） 潜水位 第一隔水层 承压水 透水层 局部隔水层 地下通道 上层滞水 C* A* B* 图1-1 地下水埋藏条件示意图 1 上层滞水 地表水下渗，积聚在局部透水性小的粘性土隔水层上 的水，称为上层滞水。这种水靠雨水补给，有季节性 ，存在于雨季，旱季可能干涸。勘察时，应注意与潜 水区分。 2 潜水（净压水） 埋藏在地表以下第一个连续分布的稳定隔水层以上， 具有自由水面的重力水，称为潜水。其自由水面为潜 水面，水面标高称为地下水位。地面至潜水面的铅直 距离称为地下水的埋藏深度。 潜水由雨水与河水补给，水位也有季节性变化。地下 水埋藏深度各地区相差较大，如南方一些地区不足1m ，西北黄土高原深达100200m。 3 承压水 埋藏在两个连续分布的隔水层之间，完全充满的有一 定压力的地下水，称为承压水。如打穿承压水上面的 第一隔水层，则承压水因有压力而上涌，压力大时可 以喷出 地面。对于矿山工程中的立井，深度达几百米 至千米，在施工过程中可能穿过多个承压含水 层，应引起足够重视。 思考： 1.试举例说出上述三类地下水（湖水、井水、 泉水及江河）。 2计算水压力：A点、B点及C点。 3不同地下水对地下工程的危害。如地下通 道经过A点、B点及C点时。 二. 人工降低水位法 降低水位法分明排法和人工降低水位法。明排 法是在基坑开挖至地下水位时，在基坑周围内 基础范围以外开挖排水沟或在基坑开挖排水沟 。相隔一定距离设集水井，地下水沿排水沟流 入集水井，然后用水泵将水抽走。流砂去了水 好象老虎去了腿 明排法是一种简单的地下水处理法，当地下水 压较大而又为细粉砂时，采用明排法往往会发 生涌砂冒泥即流砂现象，难以施工。此时应采 用人工降低地下水位方法。 1、方法实质 人工降低地下水位，就是在井筒或地下工程基坑开挖 前，预先在其四周埋设一定数量的滤水管或井，用抽 水设备抽水，形成联合降水漏斗，使地下水位降落到 坑底以下，同时在开挖过程中仍不断抽水。从根本上 防止流砂现象的发生，改善了工作条件，同时由于土 中水被排除后，动水压力减少或消除，边坡可以放陡 ，减少挖土量。此外，由于渗流向下，在动水压力的 作用下，增加了土颗粒间的压力，使坑底土层更为密 实。 人工降低地下水位方法有：轻型井点、喷射井点，电 渗井点、管井井点及深井泵井点等，可根据土的渗透 系数、要求降低水位的深度、工程特点及设备条件等 。 2、轻型井点系统 轻型井点就是沿基坑四周将许多根直径较细的 井点管埋入地下含水层内，井点管的上端通过 弯管与总管相连接，用抽水设备将地下水从井 点管内不断抽出，这样便可将原有地下水降至 坑底以下。轻型井点布置，见图所示。 轻型井点包括由井点管、总管组成的管路系统和抽吸 设备两大部分。井点管长58m，直径3850mm的钢管做 成。滤管长12m，直径同井管，管壁钻有直径3850mm 的滤孔，按梅花状排列，滤孔总面积与滤管表面积之比约 为2025%。 3、喷射井点系统 当基坑开挖深度或降水深度超过6m时，上述轻型井点 必须采用多层井点，但增加了挖土量与设备数量，有时因 场地狭小，不可能布置。此时可考虑采用喷射井点。喷射 井点系统布置，见图7-7所示。 喷射井点系统除抽水原理与轻型井点系统不同 外，两者的布置基本相同。其工作原理是：高 压水泵将具有一定压力(78kg/cm2)的工作水通 过供水总管分配到各个井点管，从各个井点管 的内管与外管之间的环形空腔入进水窗，由喷 嘴喷出。因喷射水流流速急剧增加，压力水头 相应降低，吸走周围空气而形成高度真空 (700mm以上)。管内外的压力差将地下压力水 吸入井管。地下水及一部分空气通过滤网，从 滤管中的芯管上升至扬水器，经过喷嘴两侧与 喷射出来的高速水流一起进入混合室，并在混 合室中混合，进行能量交换，流速逐渐减小， 由流速水头逐渐变为压力水头，地下水被排至 地面，并经排水总管进入集水池重新参与工作 循环，多余的水被排走。 4、管井井点和深井泵井点 在遇有流砂，特别是地下水充沛的土层，宜用管井井点或深井泵井 点，两者与轻型井点的不同之处是每个井点均单独采用一台泵，而 后者是将泵放置在井管中。井点布置，见图7-8及图7-9所示。 5、电渗井点 在饱和的粘性土中，由于土的透水性差(渗透系数小于0.1m/d)， 用一般的抽水方法很难抽出地下水，因此，必须用电渗井点排水。 19世纪初，列斯用直流电通过含水土时，发现了电动现象。电 动主要包括电渗和电泳两种现象。在饱和粘土中插入两根电极，通 过直流电，则阳极周围的土中水会向阴极流动，土中细颗粒向阳极 移动或压密，前者称电渗现象，后者称电泳现象。 分减少，阴极处则增加。因此，电渗现象在粘土颗粒含量 多且含水量大的饱和土层较显著，若含水量接近塑性限界 ，则电渗现象很弱。电泳现象是带负电荷的土颗粒由阴极 向阳极移动，对土层起固结作用，从而对软土地基有加强 作用。电渗井点布置，（金属棒钢筋和井点管的阴阳 极）。 三. 板桩法 当通过厚度不大的松软岩层或不稳定含水层的地下工程施 工中，可采用板桩法施工。板桩法的实质是在地下工程尚 未开挖前，在其开挖范围以外，将板桩依次打入，穿过不 稳定含水层，插入到隔水层一定深度（即预先在地下构筑 防水帷幕）。此后，在板桩的临时支护下进行开挖与砌筑 作业。 条件：厚度不大（含水层厚度大，板桩未插入隔水层会发 生何情况）、不含漂石、探头石等。 第二讲 冻结法 冻结法是通过人为制冷的方法，将土层（岩层 ）中的水冻结，形成有一定强度和厚度的冻结 体（临时防护结构），在其保护下进行岩土开 挖的特殊施工方法。它是受自然法的启发发展 起来的，人工冻结法和液氮或干冰（固体CO2 ）。下面简单介绍各方法的实质。 1。自然冻结法 来自西伯利亚河床下金矿开采。（包括直接冻 结和木垛加碎石冻结） 自然冻结厚度 木垛 流动水 流砂层 矿床 碎石 2-2 木垛加碎石冻结示意图图2-1 直接冻结示意图 2人工冻结法（压缩机制冷） 即采用人工制冷的方法（如冰箱、冷冻机等），将 岩土冻结。制冷的主要设备如下： 压缩机 冷凝器（蒸发器） 调节阀 如何将以上四种设备组成制冷系统。？ 关键是两个要点：物质的状态变化伴随热量的传递，二是 热的传递规律（第二定律）。 1） 热量传递 吸热 吸热 固态 液态 汽态（如水） 放热 放热 现象：室内喷水、凉水、酒精、丙酮擦身，立冬温、 开春冷等。 制冷的过程也就是利用某种特定的物质的状态变化来 实现的，这种物质叫制冷剂。从上式分析，水变汽吸热（ 100度），能做制冷剂吗。必须是汽化温度低于0度（必要 条件），这类物质很多，常用的有：氨（一个大气压下， 汽化温度35）、液氮制氧副产品195、CO2 78、氟里昂30等。人为造成这类物质状态变换机 制，即能实现制冷。如何构建这种机制，这就是第二个问 题。 热量从高温热源到低温热源传递是热力学第二定律。 我们的目的是将热量从低温热源向高温热源传递，如何实 现，这就是热力学第二定律，外界作功。以氨为例说明制 冷过程（地层或冰箱）设备连接图和压焓图。 冷却水循环去冷水塔（+25） p 冷媒剂循环（-30） 供液管 冻结管 回液管 1 2 图2-3 冻结系统示意图 压-焓图 i 冻土 冷媒剂（盐水） 4 2 1 4 3 制冷（剂）循环 2）制冷、冻结原理 饱和蒸汽氨（-35）由1进入压缩机，压缩机对其作功 ，饱和蒸汽氨变成过热蒸汽氨（+120），沿等熵线到达 2；过热蒸汽氨等压进入冷凝器，与冷却水进行热交换， 转化为饱和蒸汽氨（+30），到达3（+30）为饱和 液态，继续冷却变为过冷液态3（+25），经过调节阀， 等焓降压到4，进行汽化，同时吸收周围介质（冷媒剂） 的热量，到达1（-35），至此完成一次制冷循环，周而 复始，达到制冷的目的。 盐水（冷媒剂）在蒸发器内，吸收氨气的冷量，低温盐 水由盐水泵，有供液管进入冻结管，与岩土进行热交换后 进入回液管，再回到蒸发器，完成一次盐水循环。循环的 结果，盐水不断吸收岩土的热量使其冻结，直到达到设计 的冻土厚度。 人工冻结热量传递的途径是：岩土（冻土）盐水氨 冷却水大自然。 作功 冷源 热源 3）液氮或干冰（固体CO2）直接冻结 根据上述原理即不难理解液氮或干冰（固体CO2）直接 冻结，它是针对一些局部的工程量不大的制水工程（成本 高）。 固体CO2可以直接汽化（密封高压），液氮可直接汽化。 （与打火机同理） 第三讲 水（泥浆）下浇注混凝土技术 一应用情况 此法引自水电部门，在水库坝堤的防渗工程中称其为 “地下防渗墙”，水下筑墙、桩基、墩台基础、边坡稳定 等常用此法。建筑部门用此法构筑地基基础，称之为“地 下连续墙”。 已有建筑拟建建筑已有建筑 连续墙 滑动面 边坡 防渗墙 基岩 坝堤 已有建筑 图3-1 水下（泥浆下）浇注混凝土应用事例 拟建建筑 已有建筑 二特点及技术关键 工艺简单、设备少、施工安全、质量可靠。适用有于松 软的稳定土层，不应有大的卵石、漂石。技术关键是：槽 孔施工、泥浆下浇注混凝土及接头的处理。 三泥浆护壁原理 一般地，在槽孔施工中为了维护槽孔的形态（不塌孔） ，必须采取维护措施，一般采取水或泥浆护壁，即在造孔 的过程中，始终保持孔内充满泥浆，泥浆的作用除了平衡 土压（水压）力外，泥浆中的颗粒还充填了土的裂隙或孔 隙，起到维护槽壁的作用。 槽孔形成后，将泥浆排净后可见槽壁表面有一层“泥皮 ”，有的泥皮薄而韧，而有的则厚而松。就是这层薄而韧 的泥皮起着隔离和保护槽壁的作用（相当于“喷层”）， 那么，泥皮是如何形成的？ 泥皮 PJ PN 图3-2 泥浆护壁原理示意图 四压气洗孔原理 在水（泥浆）下，如何将钻凿下来的土体运出地面？通常采用压气排碴的方法 ，其原理如下： xy H0 钻杆 Lw 钻头 压气管 压气排液器 图3-3 压气洗孔原理示意图 x h h 在钻杆内放入压气排液器。 h 扬程； H0排液器置入深度； Lw尾管长度； x 泥浆比重； h三相混合体比重； xy二相混合体比重。 未通压气前： x=h=xy（均为泥浆），系统处于静止状态。 通压气后： x不变，h下降，xy上升，系统平衡打破，呈现以下状态： xyxh 由于压缩空气进入钻杆，比重降低，在钻头底部形成负压，尽而 产生液体流动，洗井液带动岩碴进入钻头、钻杆，最终排出地面， 流入沉淀池净化。同时，地面泥浆系统不断向井内补充新的泥浆， 确保泥浆面水平不变。这里h是变量，随着气泡的上升，气泡逐 渐变大，h变小，流速增大。 五泥浆下灌注混凝土 泥浆下灌注混凝土的实质 （ 1）沿槽孔的长度方向布置若干垂直导管； （ 2）把地面配置好的混凝土同时注入导管； 3）随着混凝土顶面的上升，顶出泥浆（进入地面泥浆池参与循环 ），同时提拔导管，直至混凝土灌满整个槽段。 问题：接头问题 ？ 图3-4 泥浆下灌注混凝土示意图 混凝土 导管 泥浆 槽孔 2 泥浆下灌注混凝土的施工要点 （1）管底部高出基底300500mm，顶部高出泥 浆面一定高度； （2）随着混凝土面的上升，不断提、拆导管， 但必须保证其埋在混凝土一定的深度以防提漏 ； （3）开始灌注时导管内必须放置隔水栓，以防 止混凝土与泥浆的混合； （4）确定拔管时间，即不能过早也不能过晚； （5）混凝土必须连续一次浇注完毕，尤其是浇 注开始，必须一次埋住导管 。 1 3。浆下混凝土的流动规律 混凝土在不同的超压力的作用下，呈不同的流动状态（规律） ，而不同的流动状态，直接影响混凝土的成型质量，一般的混凝土 在泥浆下可能呈现以下状态： （1） （1） 图3-5 浆下混凝土的流动规律 4.混凝土的技术要求 泥浆下浇注混凝土是通过在导管内靠自重下流、在超压力作用下 向两侧扩散、顶升等环节完成的，因此与一般的混凝土浇注有所不 同，要求混凝土有好的流动性（不堵管、能流畅的扩散及顶升）， 好的和易性（流动时不离析、稳定性好），在配比方面要保证混凝 土的强度和抗渗性。 一般的，混凝土的流动性和和易性是对立的，解决的办法是填加 外加剂（如减水剂、缓凝剂，或适当增加水泥的用量。 5.直升导管法几个参数的确定 按泥浆下浇注混凝土的实质及施工要点的要求，有以下几个参数 需要确定： h1导管高出泥浆面的最小距离； h导管埋入混凝土的最大深度； L导管间距。 h1 h 2 1 h2 p (1).h1的确定 根据压力平衡关系，可得导管出口处的超压力p： p=1* h1+(1-2)* h2 从上式便可得到h1。混凝土顺利扩散的基本条件是超压 力p0，但是由于混凝土为多相流体，pk(k0). （2）导管间距的确定 一般地，导管的间距越小，混凝土的上升越平稳、越均 匀，否则混凝土上升表面坡度大，易将泥浆卷入混凝土。 但同时灌注的导管多，灌注过程控制困难，目前还无理论 计算方法，可按经验，一般取33.5m。 (3).管埋入深度的确定 如果将混凝土视为理想流体，从理论上讲p0即可流 动，但混凝土为多相流体，其力学特征随时间变化。如果 导管埋的过深，则灌注困难（超压力小、下部可能初凝） ，过浅则可能出现翻浆现象，该问题应进行理论试验研究 ，一般的取1.52.5m. 六。接头处理技术 一个完整的地下连续墙是有若干个槽段组成的，问题 是如何将槽段与槽段连接成一个整体，使其即防渗，又有 一定的连接强度，这就是接头的处理问题。接头的形式有 多种，一般的有以下几种： （1）弧型接头 弧型接头 （第一槽段；第二槽段） 利用弧型钻头造孔，该接头即承压又抗渗，是较理想 的接头方式，问题是如何实现该接头？（加一钻） （2）直线型接头 该接头形式利用矩形钻头（抓斗）造孔，即不稳定，也不抗渗， 易造成两槽段间不连续，达不到抗渗加固的目的，一般不宜采用。 浇注混凝土之前，在形成的槽段两端，放置形状适宜的隔板（钢 板、预制钢筋混凝土隔板等），固定后建筑混凝土。 该接头的技术关键是，要求有一定刚度的隔板，安装时不偏写斜 、不扭转。 （3）隔板接头 隔板 （4）间隔接头间隔接头 （1） （2） （3） 导向孔 分别或同时构造、槽段并浇注混凝土（1）；在两槽段中间钻 导向孔（2）；利用双反弧冲击钻头造孔并浇注混凝土，实现、 槽段的连接。 （5）预留法接头 见图*所示，该法要点为：在混凝土浇注之前，预先在槽段的两端 下放接头管，边浇注混凝土边拔导管，最后形成凹型的连续墙两侧 端头。 间隔接头 接头管 图3-5 预留法接头示意图 注浆理论与实践 第第四讲：概论讲：概论 一一 注浆技术的提出注浆技术的提出 地下工程施工（地表以下各类建筑物与结构物的地下工程施工（地表以下各类建筑物与结构物的 总称）与地面建筑施工相比更多地受到地质与水文地总称）与地面建筑施工相比更多地受到地质与水文地 质的影响，增加了工程的难度，延误工期、加大成本质的影响，增加了工程的难度，延误工期、加大成本 。在施工中经常遇到以下问题：。在施工中经常遇到以下问题： 1.1.涌水（冒水）：如深基坑开挖（也可通过地面涌水（冒水）：如深基坑开挖（也可通过地面 井点排水解决）、地铁、隧道工程、人防工程、矿山井点排水解决）、地铁、隧道工程、人防工程、矿山 井巷工程、露天开采工程、地下商业街等，施工中常井巷工程、露天开采工程、地下商业街等，施工中常 常遇到涌水问题，无法正常施工。这些地下水可分为常遇到涌水问题，无法正常施工。这些地下水可分为 静水（自然水头）、动水（地下暗河）、承压水静水（自然水头）、动水（地下暗河）、承压水（隔（隔 水层）。岩土开挖后，地下水由于失去平衡而沿着岩水层）。岩土开挖后，地下水由于失去平衡而沿着岩 层的裂隙或土层的空隙涌入地下空间，危机人身安全层的裂隙或土层的空隙涌入地下空间，危机人身安全 。 2 2 漏（渗）水：地下结构施工或竣工使用后漏（渗）水：地下结构施工或竣工使用后 ，在地下水头的作用下，地下水会沿着结构，在地下水头的作用下，地下水会沿着结构 缝、施工缝或质量薄弱部（在水环境下难以缝、施工缝或质量薄弱部（在水环境下难以 保证施工质量）位漏（渗）入地下空间。如保证施工质量）位漏（渗）入地下空间。如 地铁、隧道、地下室、坝体漏（渗）水等，地铁、隧道、地下室、坝体漏（渗）水等， 也可以通过敷设隔水层加以解决。也可以通过敷设隔水层加以解决。 3 3 沉降与失稳：在软岩、地下降水或人为扰沉降与失稳：在软岩、地下降水或人为扰 动的影响会造成建筑物的沉降甚至失稳，如动的影响会造成建筑物的沉降甚至失稳，如 比萨斜塔、西安大雁塔等；建筑物倒塌事故比萨斜塔、西安大雁塔等；建筑物倒塌事故 （平均每天一栋，（平均每天一栋，80%80%以上是基础的处理不以上是基础的处理不 当或未处理所造成的）；地下空间开挖后的当或未处理所造成的）；地下空间开挖后的 塌落（冒顶或片邦）；路基路面的突起或塌塌落（冒顶或片邦）；路基路面的突起或塌 陷等。陷等。 二.注浆法的含义及其应用 1注浆法的含义及其工艺过程 含义：就是将可凝固的浆液在注浆压力的作用 下，注入到岩层的裂隙或土层的孔隙中，用以 堵水或加固（通俗地讲就像医生给病人注射液 体类似-血管既裂隙，不同的是注入的材料不 同，否者即为人为“血栓”。注浆法的关键是 可 凝固的浆液（注浆材料）和有一定的注浆压力 。 工艺过程：浆液配制同时钻孔和注浆设备安装 压压水实验实验 注浆浆压压水质检质检 施工。 图4-1 注浆工艺过程示意图 2 2注浆的目的及其应用注浆的目的及其应用 注注浆浆浆浆的目的在于堵水、加固或二的目的在于堵水、加固或二 者兼有之，者兼有之，实质实质实质实质 是人是人为为为为地改地改变变变变客客观观观观的的 地地质环质环质环质环 境。如地下工程的堵水加固工程境。如地下工程的堵水加固工程 、坝坝坝坝体防渗工程、山体体防渗工程、山体护护护护坡（坡（边边边边坡坡稳稳稳稳定定 ）工程、建筑基）工程、建筑基础础础础（房屋、（房屋、桥桥桥桥梁等）加梁等）加 固工程及路基加固工程等。固工程及路基加固工程等。 三三注浆基本理论注浆基本理论 （一）。注浆堵水（加固）原理（一）。注浆堵水（加固）原理 ( (A).A).渗流注浆原理（即岩层裂隙中的扩散规律渗流注浆原理（即岩层裂隙中的扩散规律-充塞作充塞作 用）用） 在岩层裂隙注浆中常用单液水泥浆或水泥在岩层裂隙注浆中常用单液水泥浆或水泥-水玻璃浆。水玻璃浆。 水泥浆属于悬浊液的非稳定材料（静放后有沉降），水泥浆属于悬浊液的非稳定材料（静放后有沉降）， 水泥浆在岩层裂隙中的流态是由紊流变为层流，在层水泥浆在岩层裂隙中的流态是由紊流变为层流，在层 流状态下固体颗粒沉降而产生充塞作用（紊流状态中流状态下固体颗粒沉降而产生充塞作用（紊流状态中 固体颗粒呈脉动流动，使其保持悬浮状态，层流状态固体颗粒呈脉动流动，使其保持悬浮状态，层流状态 中固体颗间无交换现象，颗粒靠自重下落，沉积凝固中固体颗间无交换现象，颗粒靠自重下落，沉积凝固 ）。）。 如何判定紊流还是层流如何判定紊流还是层流? ?一般地采用流体力学中的雷诺数一般地采用流体力学中的雷诺数 作为判定的依据：作为判定的依据： Re=V.de. /c =V.2h. /c.gRe=V.de. /c =V.2h. /c.g 式中式中 VV平均速度；平均速度； dede裂隙相当直经；裂隙相当直经； h h 裂隙开度；裂隙开度； 浆液密度；浆液密度； 浆液容重；浆液容重； gg重力加速度重力加速度; ; cc液体有效粘度。液体有效粘度。 层流：层流： Re2100 V.h Re2100 V.h 小时小时 对于粘塑体浆液：对于粘塑体浆液： 紊流紊流: : Re Re 2100 V.h 2100 V.h 大时大时 流速与注流速与注浆压浆压浆压浆压 力关系密切，在一定力关系密切，在一定过过过过水断面，注水断面，注压压压压 大、流速高，但是随着液流大、流速高，但是随着液流长长长长度的增加度的增加压压压压力减弱（克力减弱（克 服裂隙的摩阻力）、流速降低、服裂隙的摩阻力）、流速降低、ReRe减小，即减小，即浆浆浆浆液由紊液由紊 流流变为层变为层变为层变为层 流，水泥流，水泥颗颗颗颗粒开始沉降。可以出粒开始沉降。可以出现现现现以下不以下不 同同阶阶阶阶段：段： 图4-2 渗流堵塞过程示意图 P r P v (a) (b) (d ) (c) (a) (a) 阶段：浆液在注浆压力作用下通过注浆孔进阶段：浆液在注浆压力作用下通过注浆孔进 入岩层裂隙，此时注浆压力必须大于水压力入岩层裂隙，此时注浆压力必须大于水压力 。压力（。压力（PaPa）、）、流速（流速（VkVk）沿流程逐渐降低沿流程逐渐降低 ，流速分布如图（沿壁，流速分布如图（沿壁V=0V=0）；）； (b) (b) 阶段：上部水泥颗粒降入中区被带走，下部阶段：上部水泥颗粒降入中区被带走，下部 沉积，故过浆断面缩小，压力、流速增加，沉积，故过浆断面缩小，压力、流速增加， 但不足以将全部沉积物带走；但不足以将全部沉积物带走； ( (c) c) 阶段：在这些沉积物的后面，压力、流速突阶段：在这些沉积物的后面，压力、流速突 然减低，并在其后发生新的沉积；然减低，并在其后发生新的沉积； ( (d) d) 阶段：随着沉积床的增大，流量减少、压阶段：随着沉积床的增大，流量减少、压 力增大，沉积床上端发生沉积，直到整个钻力增大，沉积床上端发生沉积，直到整个钻 孔，至此完成裂隙全过程充塞过程。孔，至此完成裂隙全过程充塞过程。 注浆是一项隐蔽工程，即看不见摸不着，上述过程注浆是一项隐蔽工程，即看不见摸不着，上述过程 是理论分析的结果，反映在注浆压力、浆液流量的变化是理论分析的结果，反映在注浆压力、浆液流量的变化 （可控变量）见下图。（可控变量）见下图。 图4-3 渗流注浆P-t曲线 t P Qmin P 0 注意的几个问题：注意的几个问题： * * 浆液的凝胶时间（时间的长与短均是不允许浆液的凝胶时间（时间的长与短均是不允许 的）；的）； * * 不能立即卸压（待结石体有一定强度）。不能立即卸压（待结石体有一定强度）。 ( (B).B).管道（割裂或脉状）注浆管道（割裂或脉状）注浆 粘土层或细砂土层的挤压加固注浆（利用化学粘土层或细砂土层的挤压加固注浆（利用化学 浆或磨细水泥高压注浆）。在注浆过程中，首浆或磨细水泥高压注浆）。在注浆过程中，首 先是孔隙水被排除，浆液挤入孔隙并沿薄弱先是孔隙水被排除，浆液挤入孔隙并沿薄弱部部 位位压压出一出一树树状通道，随着状通道，随着浆浆液的不断液的不断扩扩散，土散，土 层层的密的密实实性、抗渗性性、抗渗性稳稳定性增加（枝体定性增加（枝体间间的土的土 体被体被压压密、枝体密、枝体为为“筋体筋体”）, ,形成有一定形成有一定强强度度 的复合体的复合体，见图，见图4-44-4。 （C C）。）。渗透注浆（均匀扩散）渗透注浆（均匀扩散） 在流砂层、粗砂层，采用单液水泥浆、化学浆、在流砂层、粗砂层，采用单液水泥浆、化学浆、 或磨细水泥浆，高压注入。过程为：均匀排水、或磨细水泥浆，高压注入。过程为：均匀排水、 浆液扩散、挤压、密实，形成固砂体。浆液扩散、挤压、密实，形成固砂体。 图4-4 管道注浆原理图 （二）。注浆参数的基本方程（均匀土层）（二）。注浆参数的基本方程（均匀土层） 渗流微分方程：渗流微分方程： Q Q o o = = K K f f . W /(. W /(dpdp/ /drdr). ). 式中式中 Q Q o o 注入量；注入量； K K f f 砂层渗透系数；砂层渗透系数； 浆液动力粘度；浆液动力粘度； W W 柱体表面积柱体表面积. . （三）。注浆参数三）。注浆参数 注浆参数包括注浆压力（注浆参数包括注浆压力（P P o o ）、）、注入量（注入量（Q Q o o ）、）、 扩散半径等，是控制施工、保证施工质量的关键，扩散半径等，是控制施工、保证施工质量的关键， 后面有专门论述。后面有专门论述。 图4-5 渗透注浆原理图 四注浆技术所涉及的主要技术问题四注浆技术所涉及的主要技术问题 1.1. 地质及水文地质影响地质及水文地质影响 地质及水文地质条件千差万别，注浆工程施工前，地质及水文地质条件千差万别，注浆工程施工前， 科学准确地探测、分析研究地质及水文地质状况（如含科学准确地探测、分析研究地质及水文地质状况（如含 水量、赋存深度、水压、水质、裂隙产状、孔隙率等）水量、赋存深度、水压、水质、裂隙产状、孔隙率等） 是保证注浆效果、甚至是工程成败的关键。目前的探测是保证注浆效果、甚至是工程成败的关键。目前的探测 手段（抽、压水、超声波手段（抽、压水、超声波等）可靠度低（等）可靠度低（30%30%左右），左右）， 对对对对工程造成极大的被工程造成极大的被动动动动 。 2.2.注浆材料的影响注浆材料的影响 注注浆浆浆浆材料是注材料是注浆浆浆浆技技术术术术的主体，注的主体，注浆浆浆浆材料的性能直接材料的性能直接 影响注影响注浆浆浆浆效果及注效果及注浆浆浆浆成本（注成本（注浆浆浆浆材料占注材料占注浆总浆总浆总浆总 成本的成本的 40%70%40%70%，材料从几公斤，材料从几公斤 几千吨，价格从几百元几千吨，价格从几百元/ /吨吨 几几 十万元？吨）。同十万元？吨）。同时对时对时对时对 注注浆浆浆浆技技术术术术的的发发发发展起主展起主导导导导作用。作用。 对对对对注注浆浆浆浆材料的材料的总总总总要求体要求体现现现现在在“三性三性”的控制上，即可的控制上，即可 注性、可控性和抗渗性。注性、可控性和抗渗性。 l l 可注性是指浆液的流动性好（粘度小）、渗可注性是指浆液的流动性好（粘度小）、渗 透能力强；透能力强； l l可控性是指浆液凝胶时间人为控制，即不能可控性是指浆液凝胶时间人为控制，即不能 扩散的过远有能达到要求的距离；扩散的过远有能达到要求的距离； l l抗渗性是指浆液结石后有较强的抗渗水能力抗渗性是指浆液结石后有较强的抗渗水能力 。 3 3注浆参数的影响注浆参数的影响 为了最大限度地克服注浆的盲目性，实现为了最大限度地克服注浆的盲目性，实现 注浆工程的科学化，就应有科学的控制参数注浆工程的科学化，就应有科学的控制参数 ，对注浆工程实现全过程控制。，对注浆工程实现全过程控制。 4 4注浆设备的影响注浆设备的影响 注浆设备是注浆工程的必备硬件。注浆设备注浆设备是注浆工程的必备硬件。注浆设备 系统简单、操作方便，主要包括：注浆泵（动系统简单、操作方便，主要包括：注浆泵（动 力源，有单液泵、双液泵、液压泵、电动泵及力源，有单液泵、双液泵、液压泵、电动泵及 风动泵等）、搅拌机（风动、电动）、混合器风动泵等）、搅拌机（风动、电动）、混合器 （类似（类似“三通三通”实现不同浆液的均匀混合）、实现不同浆液的均匀混合）、 止浆塞（防止跑浆、实现分段注浆的技术手段止浆塞（防止跑浆、实现分段注浆的技术手段 。 5 5注浆方式（方案）的影响注浆方式（方案）的影响 根据地根据地质质质质及水文地及水文地质质质质条件的要求，一般把条件的要求，一般把 注注浆浆浆浆方式（方案）分方式（方案）分为为为为：预预预预注注浆浆浆浆、后注、后注浆浆浆浆、前、前 进进进进式注式注浆浆浆浆、后退式注、后退式注浆浆浆浆，如果，如果选择选择选择选择 不当既浪不当既浪费费费费 材料、增加工程材料、增加工程难难难难度，也度，也难难难难以保以保证证证证注注浆浆浆浆效果。效果。 五注浆新技术简介 旋喷注浆法，即利用高压水射流旋转切割土 体，同时进行泥浆、水泥浆地下搅拌，形成地 下混合灌注桩；综合注浆法，即将以粘土为主 作为注浆材料，配备可移式注浆站（注浆台车 ）；直接堵漏技术，即对构筑物的渗漏水直接 封堵（需特殊的材料及设备）；还有其他的化 学注浆新技术等。 第五讲：注浆参数 一 .注浆压力 注浆压力是给予浆液扩散、充塞、压实的能力。压 力过大则浆液扩散过远，造成浪费，压力过小则浆 液难以进入，或达不到所需的厚度而造成注浆失效 。影响注浆压力的因素很多，可用以下函数关系表 示： Po=f(H, Ro , , 1/K , 1/t) 式中 H水头压力； Ro扩散距离； 浆液粘度； 1/K裂隙开度； 1/t凝胶时间。 把所有的因素都表述出来或考虑进去是不可能把所有的因素都表述出来或考虑进去是不可能 的，也是不科学的，一般的常用以下公式计算：的，也是不科学的，一般的常用以下公式计算： 1 1 以地下水压为计算依据：以地下水压为计算依据： P Po o =(22.5) P=(22.5) P b b P Po o =35+P=35+P b b 式中式中 P P o o 受注点注浆压力；受注点注浆压力； P P b b 受注点最大水压力。受注点最大水压力。 2.2. 以水压力同时考虑岩层产状为计算依据：以水压力同时考虑岩层产状为计算依据： P Po o =N. P=N. P b b 式中式中 NN与裂隙产状有关的参数。与裂隙产状有关的参数。 此外还有在特定环境下推导的公式，如H.B佳宾公式等。 无实用价值，不予探讨。 二注入量 注入量是了解浆液的充塞状态、选择注浆泵、材料估算 及配制浆液的依据，有如下计算方法： 1 依据压水实验估算： Qo= K. q.Pb. h 式中 K灌注系数； q吸水率； h注浆段高度。 2 2 按理想状态下柱状体（如渗透注浆）估算：按理想状态下柱状体（如渗透注浆）估算： Q Qo o = A. . R= A. . R 2 2.h. n. .h. n. 式中式中 AA浆液损耗系数浆液损耗系数 RR扩散半径；扩散半径； nn孔隙率，孔隙率，% %； 浆液充填系数。浆液充填系数。 三三 有效扩散半径有效扩散半径 有效扩散半径或叫有效扩散距离是指浆液扩散后形成有效扩散半径或叫有效扩散距离是指浆液扩散后形成 有效堵水或加固厚度所需要的扩散距离。下面以裂隙注有效堵水或加固厚度所需要的扩散距离。下面以裂隙注 浆为例探讨如何估算有效扩散距离。浆为例探讨如何估算有效扩散距离。 为了使问题明了化，便于问题的研究为了使问题明了化，便于问题的研究, ,做如下的简化，做如下的简化， 即将结石体简化为直径为裂隙开度即将结石体简化为直径为裂隙开度 的圆柱体，柱体的圆柱体，柱体 的表面积所受的抗剪切应力为的表面积所受的抗剪切应力为 c c， ， ，则合抗力为则合抗力为T T c c ，挡挡 水断面所受应力为水断面所受应力为P Pb. b.， ，合力为合力为F F b b 。为保证有效堵水则为保证有效堵水则 应满足：应满足： TcTc F F b b T Tc c =. .E. =. .E. c c F F b b =. P=. Pb b 2 2 /4 /4 代入上式简化后得出有效扩散距离为：代入上式简化后得出有效扩散距离为： EN. .PEN. .Pb. b./ / c c (N (N：综合系数综合系数) ) P P b.b. c c 第六讲第六讲 注浆材料注浆材料 注浆材料即是配制浆液的原材料，这种材料配制出的浆液基注浆材料即是配制浆液的原材料，这种材料配制出的浆液基 本特点是其物体特征是可变的，即由液相变为固相（由液体本特点是其物体特征是可变的，即由液相变为固相（由液体 状态变为固体状态），以实现堵水加固的作用。状态变为固体状态），以实现堵水加固的作用。 一一 注浆材料的技术要求（技术标准）注浆材料的技术要求（技术标准） 不是所有的材料都可以作为注浆材料的，必须符合行业的技术不是所有的材料都可以作为注浆材料的，必须符合行业的技术 要求，下面从定性和定量两个方面探讨注浆材料的基本要求要求，下面从定性和定量两个方面探讨注浆材料的基本要求 。 定性分析：定性分析： 1 1。有良好的可注性，即粘度低、流动性强、渗透力高；。有良好的可注性，即粘度低、流动性强、渗透力高； 2 2。良好的稳定性，即不沉淀、不离析；。良好的稳定性，即不沉淀、不离析； 3 3凝胶时间可调，能满足特殊情况的要求，如动水情况；凝胶时间可调，能满足特殊情况的要求，如动水情况； 4 4结实后的收缩量小，结石率高、抗渗性强；结实后的收缩量小，结石率高、抗渗性强； 5 5 对环境无污染且成本低。对环境无污染且成本低。 定量分析定量分析 通过实验手段测试其性能参数，主要参数包括：通过实验手段测试其性能参数，主要参数包括： 1 1粘度：流体流动时内摩阻力的大小。粘度的大小与材粘度：流体流动时内摩阻力的大小。粘度的大小与材 料的组成、性质、配比及环境温度等因素有关，通常以料的组成、性质、配比及环境温度等因素有关，通常以 “秒秒”、“泊泊”、“厘泊厘泊”为计量单位；为计量单位； 2 2渗透能力：即浆液进入岩层的难易程度。对悬浊液取渗透能力：即浆液进入岩层的难易程度。对悬浊液取 决于内中颗粒的大小，对溶液则取决于粘度的大小；决于内中颗粒的大小，对溶液则取决于粘度的大小； 3 3 凝胶时间（指初凝时间）：指浆液开始搅拌到凝胶时间（指初凝时间）：指浆液开始搅拌到 失去自由流动性的这段时间，以失去自由流动性的这段时间，以“秒秒”、“分分”、“小时小时 ” 表示。以肉眼观察或实验测定；表示。以肉眼观察或实验测定； 4 4 渗透系数（渗透系数（K K f f ）：）：指结石后的抗渗水能力，由渗透指结石后的抗渗水能力，由渗透 仪测定；仪测定； 5 5 抗压强度：指结石体的单轴或双轴抗压强度，意抗压强度：指结石体的单轴或双轴抗压强度，意 义不大。义不大。 图6-1 不同浆液的粘度变化 c w t 二二. .几种常有的注浆材料几种常有的注浆材料 施工中常用的注浆材料有：单液水泥浆、水泥施工中常用的注浆材料有：单液水泥浆、水泥- 水玻璃浆（水玻璃浆（CSCS）、）、化学浆（水玻璃类、脲醛树脂类、化学浆（水玻璃类、脲醛树脂类、 烙木素类、聚氨脂类、丙烯酰胺类等）。烙木素类、聚氨脂类、丙烯酰胺类等）。 1111 单液水泥浆单液水泥浆 常用的水泥品种有常用的水泥品种有325325 # # 、425425 # # 普通硅酸盐水泥。这普通硅酸盐水泥。这 种浆液配制简单，结石后的强度高，但是其稳定性差种浆液配制简单，结石后的强度高，但是其稳定性差 、结石率低、凝胶时间长（长达十几个小时），一般、结石率低、凝胶时间长（长达十几个小时），一般 仅用于裂隙岩层静水条件下。仅用于裂隙岩层静水条件下。 为为为为了改善了改善单单单单液水泥液水泥浆浆浆浆的性能常加入某些添加的性能常加入某些添加剂剂剂剂， 如如NaClNaCl、水玻璃、水玻璃、红红红红星星1 1 # #2 2# # 等，或采用水泥新品种，等，或采用水泥新品种， 如磨如磨细细细细水泥、膨水泥、膨胀胀胀胀水泥、速凝水泥等。水泥、速凝水泥等。 1 1 CSCS浆液浆液 在单液水泥浆中加入少量的水玻璃是为了加速浆液在单液水泥浆中加入少量的水玻璃是为了加速浆液 的凝胶（占水泥量的的凝胶（占水泥量的1111。5 5），当水玻璃加到一定程），当水玻璃加到一定程 度，单液水泥浆的特性发生了质的变化（凝胶时间可度，单液水泥浆的特性发生了质的变化（凝胶时间可 调、稳定性增强、抗渗性好），经过工程实践，形成调、稳定性增强、抗渗性好），经过工程实践，形成 了较为完善的双液浆体系。了较为完善的双液浆体系。CSCS浆是我国注浆工程中浆是我国注浆工程中 最常用的注浆材料，常用于裂隙大水、动水、壁后注最常用的注浆材料，常用于裂隙大水、动水、壁后注 浆、直接堵漏注浆的情况，浆、直接堵漏注浆的情况， 水玻璃又称刨花碱（水玻璃又称刨花碱（NaNa 2 2 O.nSiOO.nSiO 2 2 ）含氧硅酸钠含氧硅酸钠 ，是石英砂与碳酸钠在高温条件下反应而得到的副产，是石英砂与碳酸钠在高温条件下反应而得到的副产 品，与水泥的理化反应尚不完全清楚，初步认为是与品，与水泥的理化反应尚不完全清楚，初步认为是与 水泥中的反应生成含水硅酸钙（水泥中的反应生成含水硅酸钙（CaSiCaSi.nH.nH 2 2 O O），），其两个其两个 重要的性能指标是模数和波美度，分别以下式表示：重要的性能指标是模数和波美度，分别以下式表示： M=SiO2/Na2O 取2。42。8 Be=145-145/ 取3035 衡量浆的两个重要指标是凝胶时间和抗压强度。 抗压强度：与水灰比（w/c）、环境温度、水泥与水玻璃比（c/s ）等因素有关，其中有最佳级配的问题，即一定量的与一定量 的水玻璃反应，当比例相当 时强度最高 。在未达到以前 c/s越高反应越充分， 强度越高，当等于s/c#时强度达到最高值，当超过 s / c #时，再增加水玻璃则强度下降（多余的水玻璃 不参与反应，而水玻璃本身是没有机械强度的）。 图6-2 与s/c关系曲线 s/c s/c# 凝胶时间：影响浆液凝胶时间的因素很多，如水灰比、水凝胶时间：影响浆液凝胶时间的因素很多，如水灰比、水 泥品种、水玻璃浓度、泥品种、水玻璃浓度、c/sc/s、环境温度等，环境温度等， . .水泥品种的影响：含硅酸三钙越多凝胶时间越短；水水泥品种的影响：含硅酸三钙越多凝胶时间越短；水 泥越新时间越短；泥越新时间越短；w/cw/c越小时间越短。越小时间越短。 . .水泥浆及水玻璃浓度的影响：在水泥浆及水玻璃浓度的影响：在w/cw/c一定的条件下波美一定的条件下波美 度越高则凝胶时间越长；在波美度一定的条件下度越高则凝胶时间越长；在波美度一定的条件下w/cw/c越高越高 则凝胶时间越长。则凝胶时间越长。 . .温度的影响：温度越高温度的影响：温度越高则则则则凝胶凝胶时间时间时间时间 越短。越短。 t t t w/c w/c T 图6-3水泥品种的影响 图6-4水泥浆及水玻璃浓度的影响 图6-5 温度的影响 注： 普通硅酸盐水泥 35 Be 矿渣硅酸盐水泥 40 Be 过期水泥 45 Be . . c/sc/s（水泥与水玻璃的体积比）的影响：上述三种影响凝胶时间的因素理论上是水泥与水玻璃的体积比）的影响：上述三种影响凝胶时间的因素理论上是 成立的，但在施工中不易人为准确控制。而通过调整水泥与水玻璃的体积比就能较准成立的，但在施工中不易人为准确控制。而通过调整水泥与水玻璃的体积比就能较准 确地控制凝胶时间，双液注浆通过控制两种浆液的不同流量而达到上述目的。确地控制凝胶时间，双液注浆通过控制两种浆液的不同流量而达到上述目的。 t t c/sc/s 图图6-66-6 c/sc/s（水泥与水玻璃的体积比）的影响水泥与水玻璃的体积比）的影响 （注：（注：w/c=1w/c=1：1 1，自下而上分别是自下而上分别是3045 3045 BeBe） 从图从图4-124-12得出以下结论：在得出以下结论：在w/cw/c一定的条件下水玻璃增加则凝胶时间加长；水玻璃浓度越一定的条件下水玻璃增加则凝胶时间加长；水玻璃浓度越 高则凝胶时间越长。高则凝胶时间越长。 3.3. 水玻璃类浆液（溶液型）水玻璃类浆液（溶液型） 水玻璃本身不能称做注浆材料（即不能从液态转化为固态），只有在固化物的作用下水玻璃本身不能称做注浆材料（即不能从液态转化为固态），只有在固化物的作用下 才能产生凝胶物。一般地需加入酸性盐或有机物，产生硅酸才能产生凝胶物。一般地需加入酸性盐或有机物，产生硅酸稳定结构。稳定结构。 水玻璃遇水发生如下水解反应： Na2O.nSiO2+H2O=2NaOH+n.SiO2 如果向水玻璃水溶液中投入酸、酸性盐和某些有机化合 物均能消耗掉体系内含有的NaOH，打破上述平衡，使反 应连续进 行，同时产生大量的硅酸，而硅酸呈凝胶体状 态。 硅酸形成的稳定三元体网状结构，其分子结构如图所示 ： OSiOSiOSiOSiO O O O O OsiOSiOSiOSiO 水玻璃类注浆也称为硅化注浆，下面举两个硅化注浆的例水玻璃类注浆也称为硅化注浆，下面举两个硅化注浆的例 子：子： （A A）。）。水玻璃水玻璃氯化钙（氯化钙（CaClCaCl 2 2 ）浆液浆液 此类浆液主要用于建筑、交通部门的地基加固工程此类浆液主要用于建筑、交通部门的地基加固工程 ，其化学反应如下式所示：，其化学反应如下式所示： NaNa 2 2 O.nSiOO.nSiO 2 2 +CaCl+CaCl 2 2 +H+H 2 2 O=Ca(OH)O=Ca(OH) 2 2 +n.SiO+n.SiO 2 2 +2NaCl+2NaCl 水玻璃：模数水玻璃：模数=2.53.0=2.53.0 波美度波美度BeBe=4345=4345 浆液配比方案浆液配比方案 氯化钙：氯化钙：=1.261.28=1.261.28 模数模数=2.