（地质工程专业论文）砂砾层渗透注浆机理研究与工程应用.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 注浆作为一种地基处理手段在各种工程中均有应用，注浆分为很 多种，本文着重研究其中的渗透注浆。在工程中应用渗透注浆如果要 达到安全经济的目的，必然需要对浆液的扩散半径做要求，扩散半径 不能太小，以免安全事故，不能太大，这样不经济。本文研究的意义 就在于此：如何有效的控制扩散半径以达到用最适当的注浆量达到最 好的效果。 以往的理论公式在这方面做过深入的研究，但是仍然有缺陷。主 要集中在流体粘度随时间变化这一问题的处理上。本文在前人研究的 基础上，对理论进行进一步改善，以使得这些理论更加符合实际。 在结合流体力学，渗流力学，土力学的基础上，依靠计算机，本 文得到了均匀多孔介质中粘时变流体扩散半径流量和压力之间较以 往计算方法更加可靠的一种关系式。 基于热力学和渗流力学在某些部分相似的基础上，结合有限元模 拟软件对这一关系式进行了证实，证明其是正确的。 除此之外，本文还对这一计算方法进行了适当的简化以使得其更 加适合实际应用，并用工程实例示范了其在工程上的应用方法。 关键词均匀渗透介质，粘时变流体，注浆流量，扩散半径，注浆压 力 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s 眦c t g r o u t i n gh a sb ea p p l i e di nm a n yd i f f e r e n te n g i n e e r i n g ，a so n eo f t h e g r o u n di m p r o v e m e n tt e c h n i q u e s ，w h i l ea lem a n y k i n d so fg r o u t i n g t h i s p a p e rf o c u s e ss p e c i f i c a l l yo np e r m e a t i o ng r o u t i n g i ne n g i n e e r i n gw ec a no n l yi m p a c tt h er a d i u sp r o l i f e r a t i o nt oa c h i e v e h i g h e s tl e v e lo fs a f e t ya n dc o s te f f e c t i v e n e s s 1 1 1 eg r o u t i n gr a d i u sc a nn o t b et o os m a l lo t h e r w i s ei ti su n s a f e ，t h er a d i u sc a n n o tb et o ob i go re l s eo r i tw i l ln o tb ec o s te f f e c t i v e n ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st oe x a m i n eh o w t oc o n t r o lg r o u t i n gv o l u m ew i t hm i n i m u mm a t e r i a l st oa c h i e v et h eb e s t r e s u l to f g r o u t i n g f o rm a n yy e a r ss c h o l a r sh a v eb er e s e a r c h e dt h i sa r e a ，a n dh a v e d e v e l o p e dt h e o r i e s t h e s et h e o r i e s ，h o w e v e rh a v et h o s ef l a w sa r er e l a t i n g t h ep r o b l e mo fs l u r r yv i s c o s i t yc h a n g eo v e rt i m e ih a v ei m p r o v e do nt h e t h e o r i e so fp a s ts c h o l a r sa n dh a v ea t t e m p t e dt os t r e a m l i n ei tw i t ht h e a c t u a lr e s u l t s w o r k i n g w i t ht h ec o m b i n a t i o no ff l u i d d y n a m i c s ，s e e p a g e m e c h a n i c sa n ds o i lm e c h a n i c si na d d i t i o nt oac o m p u t e r , ih a v em a d ea m o r er e l i a b l ef o r m u l at h a td e s c r i b e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr a d i u s f l o w sa n dp r e s s u r ew i t hg r o u ta n dt i m e v a r y i n gv i s c o u sf l u i di np o r o u s m e d i a t h i s p a p e rp r o v e s t h ec o r r e c t n e s so ft h i sf o r m u l a b yu s i n g t h e r m o d y n a m i c a n d s e e p a g e m e c h a n i c sa sw e l la sf i n i t ee l e m e n t s o f t w a r e t h i sp a p e rs i m p l i f i e st h ef o r m u l ai no r d e rt om a k ei tm o r ee f f i c i e n t w h e nu s e di n e n g i n e e r i n ga n di l l u s t r a t e s ap r o je c te x a m p l ew h i c h d e m o n s t r a t e sh o wt h i sf o r m u l ac a nb ea p p l i e di ne n g i n e e r i n g k e yw o r d su n i f o r mi n f i l t r a t i o nm e d i u m ，t i m e v a r y i n gv i s c o u sf l u i d ， g r o u t i n gf l o w , g r o u t i n gr a d i u s ，g r o u t i n gp r e s s u r e s l l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：丛塑日期：埠年上月卫日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 在地基处理，地下水防治等岩土领域的工程中，注浆有着重要的应用，本文 主要研究其中的渗透注浆。渗透注浆工程中对注浆半径的控制是一个关键的问 题，长期以来注浆半径的控制主要依赖的是以往的经验，然而经验往往不可靠， 如何实现对注浆半径的精确控制是把注浆这项重要的工艺变成科学技术而不是 技艺的关键问题，也是岩土工程师们长期以来的研究课题。在长期的研究过程中 工程n 4 1 对注浆技术的掌握日益成熟，并获得了大量的研究成果，其中有代表性 的成果是有关于均匀介质渗透注浆的球状扩散理论、柱状扩散理论、以及 r a f f l e g r e e n w o o d 公式。然而这些公式理论都有不考虑浆液粘滞度变化这个和扩 散半径有着重要关系参数，这是扩大理论和实际差距的一个重要的原因，本文将 针对这一问题展开研究和讨论。 1 1 注浆概述 灌浆，亦称注浆，是将某种浆液，一般是具有流动性、凝固后具有胶结力的 浆液，注入到地层或结构物的裂隙、孔隙或孔洞内，以提高其整体性和密实性， 改善其力学和抗渗性能的一种工程手段。注浆技术涉及化学、流体力学、工程地 质学、水文地质学、土力学、岩石力学、材料力学、工程机械学、勘探地球物理 学等学科，而且还和液压技术、泵技术、射流技术、电子技术息息相关。由于在 各种灌浆材料中，水泥是容易获得、性能优越、价格较低的材料，所以水泥灌浆 是应用最普遍的灌浆技术，在水利水电工程中应用尤多。 1 2 注浆的分类及介绍 目前按常规的分类可以分为两大类，即静压注浆和高压喷射注浆【1 1 。 1 2 1 静压注浆 静压注浆的实质是指禾i 用液压、气压和电化学原理，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，将原来松散的土粒或裂隙胶结 成一个整体。针对的对象是砂及砂砾石、软粘土和湿陷性黄土【硐。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 静压注浆一般压力较低，注浆压力随着浆流遇到的阻力增大而升高，浆液注 入后为流动状态。因此，将其称为静压注浆，通常所说的注浆泛指静压注浆。根 据地质条件、注浆压力、浆液对土体的作用机理、浆液的运动形式和替代方式可 将静压注浆分为四种： 1 ) 充填或裂隙注浆 大洞穴、构造断裂带、隧道衬砌壁后注浆，岩土层面、岩体裂隙、节理和断 层的防渗、固结注浆。 2 ) 渗透注浆 在不破坏地层颗粒排列的条件下，浆液充填于颗粒间隙中，将颗粒胶结成整 体。渗透注浆的必要条件是浆液的粒径远小于土颗粒的粒径。 3 ) 压密注浆 压密注浆是注入极稠的浆液，形成球形或圆柱形浆泡，压密周围土体，使土 体产生塑性变形，但不使土体产生劈裂破坏。 4 ) 劈裂注浆 劈裂注浆是浆液在孔内随着注浆压力的增加，先压密周围土体，当压力大到 一定程度时，浆液流动使地层产生劈裂，形成脉状或条带状胶结体。劈裂注浆主 要用于土体加固，但是在6 0 - 7 0 年代，水电部门将劈裂注浆用于土坝坝体和软 弱地基的防渗处理。劈裂注浆也用于裂隙岩体的防渗和补强。高压劈裂注浆在软 弱岩层内多发生水力劈裂后的浆液充填。在裂隙岩体内浆液在缝隙内流动给两壁 岩石以压缩应力，产生扩缝效应使浆液继续充填，高压劈裂注浆可提高注浆效果。 静压注浆按其施工作用不同也可分为：固结灌浆，帷幕灌浆，接触灌浆。 1 1 固结灌浆 固结灌浆是在岩土表层中钻孔，加固浅层地基常见的灌浆方法，作用是增强 地基的承载能力，提高地基的抗滑稳定性能和防渗能力。特点是钻孔浅，孔多， 灌浆孔在地基内呈面状分布。当岩石裂隙中充填有粘土等杂质时，常常将注浆孔 划分成组，使用风或水进行群孔冲洗，然后再进行群孔灌浆。 2 ) 帷幕灌浆 帷幕灌浆是为增强各种基础抗渗透能力而被广泛采用的一种处理方法【6 l 。在 钻孔中灌浆，使浆液压入岩石裂隙或砂砾石层的孔隙中去，形成一道类似帷幕的 混凝土防渗墙，特点是一般钻孔较深，呈多排线形组合，灌浆压力也较大【7 - 8 。 3 ) 接触灌浆 接触灌浆通常是指在岩石基础上修建重力坝时，在坝体混凝土与岩石接触面 之间，采用的一种方法，目的在于使两者结合紧密，保持整体性【9 1 。 静压注液工程中按浆液组成不同可分粒状和化学浆液两大类。粒状浆液又可 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 分为不稳定粒浆液和稳定粒状浆液，化学浆液又可分为无机浆液和有机浆液。 静压注浆其加固目的有以下几个方面： 1 ) 增加地基土的不透水性，防止流沙、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 ) 整治坍方滑坡，处理路基病害。 4 ) 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，加固各种地基。 1 2 2 高压喷射注浆 以高压喷射直流冲击破坏土体，浆液与土体以半置换或全置换凝固为固结体 的高压喷射注浆法，从施工方法、加固质量到适用范围，不但与静压注浆法有所 不同，而且与其他地基处理方法相比，亦有独到之处【1 0 1 2 1 。主要特点有：适用范 围广，施工简便，可控制固结体形状，可垂直、倾斜和水平喷射，耐久性好，浆 液材料来源广。 目前，高压喷射注浆法的基本种类有单管法、二重管法、三重管法、和多重 管法等多种方法。( 如图1 1 ) 水气浆一次切割法双管法( 三管同轴或并行) c j p 水气，浆气两次切割法r j p 土壤超稳定管理施工法( s s s h a n 法) 全方位大孔径旋喷法( m j s 法) 图1 - 1 高压喷射注浆分类树状图 f i g 1 - 1c l a s s i f i c a t i o nt r e eo f h i g hp r e s s u r e j e tg r o u t 3 囤 困 围 困 中南大学硕士学位论文第一章绪论 注浆材料品种很多，性能也各不相同。但是作为注浆材料，应有一些共同性 质，一种理想的注浆材料，应该满足以下要求： 1 ) 浆液无毒、无臭，不污染环境，对人体无害，属非易燃、易爆物品。 2 ) 浆液配制方便，操作容易掌握，原材料来源丰富，价格便宜，能够大 规模使用。 3 ) 浆液粘度低，流动性好，可注性强，能够进入细小裂隙和粉细砂层。 4 ) 浆液稳定性好，常温、常压下较长时间存放其基本性质不改变，不发 生强烈的化学反应。 5 ) 浆液对注浆设备、管路等无腐蚀性，并且容易清洗。 6 ) 浆液凝固时间能在几秒至几小时内任意调节，并且能准确控制。 7 ) 浆液固结时无收缩现象，固结后有一定的粘结性，能牢固地与岩石、 混凝土及砂子等粘结。 8 ) 浆液结石率高，结石体有一定的抗压和抗拉强度，不龟裂，抗渗性好。 9 ) 结石体耐酸、碱、盐、生物细菌等腐蚀，并且不受温度、湿度的影响， 耐老化性能好。 1 3 注浆发展历史 1 3 1 注浆发展历史 注浆技术的历史大致可分为四个阶段：原始粘土浆液阶段( 1 8 0 2 - 1 8 5 7 年) ， 初级水泥浆液注浆阶段( 1 8 5 8 - - 一1 9 1 9 年) ，中级化学浆液注浆阶段( 1 9 2 0 - - 1 9 6 9 年) ， 现代注浆阶段( 1 9 6 9 年之后) 。 1 8 0 2 年，法国人查理斯贝里格尼在修理第厄普( d i e p p e ) 冲刷闸时，用一种木 制冲击简装置，人工锤击方法向地层挤压粘土浆液，被称为注浆的开始。此后， 法国在1 9 世纪中叶，应用这种注浆方法对建筑物的地基处理加固。这种方法相 继传入英国和埃及。从1 8 0 2 年到1 8 5 7 年期间，注浆技术处于原始萌芽阶段，注 入的方法比较原始，浆液主要是由粘土、火山灰、生石灰等简单材料。 1 8 2 6 年，英国的阿斯普丁研制成功硅酸盐水泥。1 8 4 5 年，美国沃森在一个 溢洪道陡槽基础下灌注水泥砂浆。英国的基尼普尔在1 8 5 6 - 1 8 5 8 年间用水泥做 为注浆材料进行了一系列注浆试验，并获得成功，这是第一次用水泥材料注浆。 1 8 6 4 年，巴洛利用水泥浆液在隧洞衬砌背后充填注浆并用于伦敦巴黎地铁。1 8 7 6 年，美国的托马斯、霍克斯莱利用浆液下流方式向腾斯托尔水坝的岩石地基注入 硅酸盐水泥浆液。1 8 8 0 , - - - 1 9 0 5 年，他们又相继研制了压缩空气和类似目前采用的 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 压力注浆泵等注浆设备。回时，在法国北部和秘鲁煤矿工作的罗伊曼克斯、玻蒂 埃尔、萨克雷埃尔、弗兰士等人，在涌水量大的立井施工中，用硅酸盐水泥进行 注浆试验，对注浆材料的配方注浆泵和注浆工艺做了不少改进，为现在岩层注浆 技术奠定了基础。日本最早于1 9 1 5 年在长崎县松岛煤矿的立井施工中，采用水 泥注浆。1 9 2 4 年，为了处理旧丹那隧道的涌水事故，也使用了水泥浆液。硅酸盐 水泥的发明和注浆泵的相继出现，为注浆技术的应用创造了条件。 荷兰采矿工程师尤斯登在1 9 2 0 年首次采用水玻璃、氯化钙双液双系统二次 压注法，被认为是应用化学注浆技术的开始。实际上，化学注浆的历史比这还要 早。1 8 8 4 年英国的豪斯古德( h o s a g o o d ) 在印度建桥时就用化学药品固砂。1 8 8 6 年， w r 奎尼普尔( w r k i n n i p l e ) 采用粘土水泥浆阻止尼罗河的达梅塔( d m i e a a ) 和罗 萨塔( r o s e , a ) 坝基下的渗流。同时，英国研制了“压缩空气注浆泵 ，促进了水泥 注浆法的发展。 注浆技术的进一步发展和广泛应用是在矿井建设工程中，主要用于防止竖井 开挖时地下水渗入，所采用的浆液是水泥浆液。1 9 1 0 年采用了自动记录压力表， 对记录的注浆性状作了系统的研究，建立了注浆压力和渗透性之间的关系。1 9 2 0 年荷兰采矿工程师e j 尤斯登( j o o s t e n ) 首次论证了化学注浆的可靠性，采用了水 玻璃、氯化钙双液双系统的两次压注法，并于1 9 2 6 年取得了专利。 注浆技术有系统的改进始于美国科罗拉多河上的胡佛( h o o v e 0 坝基的帷幕注 浆，为了补救因开挖基坑引起的裂缝，进行了加固注浆。根据胡佛坝基的注浆工 程实践，首次制定了注浆工程设计和施工规范。 本世纪4 0 年代，注浆技术的研制和应用得到了迅速的发展，各种水泥浆材 和化学浆材相继问世。特别是6 0 年代以来，各国大力发展新型注浆材料，注浆 工艺和设备得到了空前的进步，其应用范围越来越广泛。 灌浆工程基本上是伴随着水利水电工程的发展而发展的，人类依靠先进的科 学技术大规模开发利用水能资源，始于2 0 世纪，西方欧美发达国家曾对此做出 过开拓性的贡献。但随着其资源的开发殆尽和受经济、社会因素的制约，水电行 业逐渐成为“夕阳行业”，全球水电开发的重点，已历史性地转移到发展中国家和 地区。我国西倚世界屋脊、东临浩瀚大海，水电资源非常丰富。全国河流多年平 均径流量达2 7 0 0 0 亿立方米，尤其水能蕴藏量达6 7 6 亿k w ，可开发容量约3 7 8 亿k w ，均居世界第一，堪称得天独厚，所以对灌浆技术的研究在我国的国情下 显得尤为重要。 我国对注浆技术的研究和应用起步较晚，但发展较快，某些方面已达到世界 先进水平。5 0 年代初我国开始了矽化法的研究，在固砂、防止湿陷性黄土的湿陷 和加固构筑物方面作了大量的工作。同时，矿山行业逐渐采用了井巷注浆技术。 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 5 0 年代后期，在水坝的防渗和加固工程中逐渐应用。6 0 年代以后，我国已开始 注意化学注浆的毒害及环境污染问题，并提出一系列的改进方法，其应用范围日 益广泛。 尽管灌浆在过去有了长足的发展但是一些方面还不能满足工程建设的需要。 这表现在灌浆理论方面的研究，包括灌浆机理、灌浆工程的设计方法尚不成熟， 灌浆目前在更大程度上还是- - 1 7 技艺1 1 3 1 。 1 3 2 渗透注浆发展史 1 9 0 2 年以前的注浆发展历史实际上就是渗透注浆的发展史，随着渗透注浆技 术的发展，注浆理论和工艺相继产生并发展。1 9 3 8 年马格( m a a g ) 发表了在颗 粒材料中注浆的简化理论，该理论假设浆液在均匀各向同性介质中流动时按球形 扩散流动，从而使注浆压力流量扩散半径、浆液的粘度、地层的孔隙性及渗透性 等因素联系起来。随后，出现了柱状渗透理论，渗透注浆设备也得到不断的革新。 但是，直到现在对注浆技术的理论研究仍然很不完善，在工程施工中很大程度上 仍依靠工程技术人员施工经验，导致施工中具有很大的盲目性，容易造成注浆材 料的浪费或者留下工程隐患1 1 4 6 1 。在注浆工程中人们主要通过改变注浆压力、浆 液的粘度等方法来控制浆液的扩散距离即控制浆液扩散半径【1 7 - l 引。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，目前人们按渗透理论对砂砾层中水 泥浆液的扩散半径进行计算时常常忽略浆液粘度变化的影响采用以下两种计算 理论进行计算：l 、球面扩散理论；2 、柱面扩散理论。即在计算浆液扩散半径时 采用球面扩散公式马格公式，或者是采用柱面扩散公式。这两种计算浆液扩散半 径的方法中对浆液粘度这一影响参数均按照定值来进行处理，即按浆液的初始粘 度进行计算。我们知道，对于大多数浆液来说其粘度是随时间的增加而增加的这 就使得按上面两种扩散理论计算所得的理论值比实际中浆液的扩散范围大，也就 是说如果按照上面两种扩散理论的计算公式计算浆液扩散半径结果进行注浆设 计很可能使得工程实际中浆液的扩散半径达不到工程要求从而造成工程隐患。粗 砂层水泥渗透注浆工程中对浆液扩散半径的另一种计算方法是把水泥浆液看作 是一种粘时变流体，目前对于粘时变流体的注浆计算工程技术人员对浆液粘度按 注浆过程中浆液粘度所达到的最大值进行考虑，即在计算浆液扩散半径时对浆液 粘度这一影响参数按浆液粘度最大时刻的粘度来考虑。按这种计算方法计算所得 的浆液扩散半径一般小于浆液实际扩散半径容易导致注浆工程中注浆材料的浪 费【1 9 1 。 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 渗透注浆理论发展现状 渗透注浆理论是借助于流体力学和固体力学的理论发展而来的i 2 0 圳】，对浆液 的单一流动形式进行建立压力流量扩散半径注浆时间之间的关系。实际上，浆液 在地层中往往以多种形式运动，而且这些运动形式随着地层的变化浆液性质和压 力变化而相互转化或并存。如在渗透注浆过程中可能存在劈裂现象在劈裂注浆过 程中存在着渗透流动在压密注浆过程中存在劈裂或渗透流动1 2 2 1 。尽管浆液在地 层中的运动形式很复杂，但它在一定条件下总是以某种流动形式为主，在对注浆 技术进行研究时我们可以对浆液的扩散进行简化，只考虑作为主要影响因素的流 动形式以方便于研究工作的进行，渗透注浆是在不足以破坏地层构造的压力即不 产生水力劈裂的条件下把浆液注入到粒状土的孔隙中从而取代排出其中的空气 和水，一般渗透注浆的必要条件是满足可注性条件，渗透注浆浆液一般均匀的扩 散到土颗粒间的孔隙内将土颗粒胶结起来增强土体的强度和防渗能力。浆液扩散 形状取决于注浆方式，当由钻杆端孔注浆，注浆孔较深这是相当于点源浆液呈球 面扩散，当采用花管式分段注浆浆液呈柱面扩削1 】【2 3 彩】。 由以往科学工作者的研究可知水泥浆液在水灰比大于l ：1 时可以看作是一种 牛顿流体，下面本论文将对牛顿流体在砂层中的渗透公式进行探讨。 1 4 1 球面扩散公式 m a a g 于19 3 8 年首先推导出浆液在砂层的渗透公式 2 5 1m a a g 的简化计算模 式假定是：( 1 ) 被灌砂土为均匀的各向同性的；( 2 ) 浆液为牛顿体；( 3 ) 浆液从注浆 管底端注入地基土内；( 4 ) 浆液在地层中呈球状扩散。其公式推导的理论扩散模型 如下图( 图1 - 2 ) ： 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图卜2m a a g 公式示意图 f i g 1 - 2m a a gf o r m u l ad i a g r a m 根据达西定律： q = k g a t = 4 矿k g t ( - d d r h ) 一砌：婴办 4 e r r z k t 积分后得： 办：盟一1 + c 4 r c k tr 当，= r o 时办= h ：，= 时h = h o ；代入上式得： 日一= 罴c 毒一 已知： q = ；刀3 刀， 如= h 一，代入上式得： ，p ( l 一! 印 扛= 啬l 8 ( 1 _ 1 ) ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) ( 1 4 ) ( 1 - 5 ) 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 由于 t ：r o 大得多， 所以 ，：立丝 3 k h l r o 或 巫p n 故考虑一1 一一1 一1 ， ，o ( 1 - 6 ) ( 1 - 7 ) ( 1 - 8 ) 式中：k 砂砾层的渗透系数( c m s ) ； q 一注浆量( 册3 ) ； k g 一浆液在地层中的渗透系数( c 朋s ) k g = k p ； 一浆液粘度对水的粘度比； 彳一渗透面积； ，、浆液的扩散半径( c 历) ； h 、向一灌浆压力( m p a ) ； 玩注浆点以上的地下水承压水头( m p a ) ； 日地下水压力和管将压力之和( c m ) ； 一灌浆管半径( c m ) ； ，一灌浆时间( s ) ； 力砂土的孔隙率。 球形渗透公式除了m a a g 公式以外还有r a f f l e g r e e n w o o d 公式 办= 羔瞅丢+ 页1 ) + 帮1 ( 1 - 9 ) 9 国一仃 塑弛 = ： 氏 j呵n 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 2 柱形扩散理论 如下图为柱形扩散理论模型( 图1 3 ) ： 图卜3 柱状扩散公式示意图 f i g 1 - 3c o l u m n a r - p r o l i f e r a t i o n 当牛顿流体作柱形扩散时： 砂2l n r l 一t = 卫 2 砌 = 此外还有假设浆液在砂粒中作紊流运动的袖套管法理论， 间，压力岛的关系为： = 2 式中：吃被灌土体的有效粒径； d 一浆液的运动粘滞系数。 i o ( 1 - 1 0 ) ( 1 一1 1 ) 其扩散半径与时 ( 1 1 2 ) 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 在对浆液在多孔介质中渗透的理论推导中，浆液的粘滞度被假设为一个定 值，并且等于浆液的初始粘滞度，我们知道，一定配料的浆液的粘滞度是随时间 变化的，无论是从上述的m a a g 球状扩散公式，还是柱状扩散公式【2 。捌，或者是 袖套管法理论中我们都可以看到浆液粘滞度对浆液扩散半径的影响，如果把浆液 的粘滞度考虑成浆液的初始粘滞度来计算的话，势必造成实际扩散半径比计算半 径小而有可能酿成工程隐患【2 6 t 。所以如何看待浆液的粘滞度这一因子对计算结果 的影响显得非常重要，目前注浆理论中假定在注浆过程中浆液粘度不变的做法起 到了简化计算公式的作用，但这种做法同时也降低了计算结果的准确性。以往对 浆液扩散规律进行研究时对浆液粘度按定值处理是可以理解的，因为当对浆液粘 度按变量处理时理论公式会变得相当复杂。所以，在计算机尚未广泛应用的条件 下为了便于理论公式在实际工程设计中的使用对浆液粘度进行简化处理可以接 受。随着计算机技术的发展，以前很难完成甚至无法完成的计算现在都能够利用 计算机快速准确的完成。所以，我们完全有理由为了提高理论计算结果的准确性 而对浆液粘度这一参数不再做此简化处理。目前，已经有人提出了采用注浆时间 段内浆液的平均粘滞度来代替初始粘滞度以使结果更加贴近实际 2 7 - 3 1 】，本文作者 认为，这种做法略显粗糙，浆液在地层中扩散时不仅粘滞度随时间变化而且不同 浆液随时间变化的规律也是不一样的，同时流速也随着时间的推进扩散半径的增 加在逐渐降低，这一系列的变化同时发生，仅仅采用平均粘滞度来处理这些变化 很难说明问题。 1 5 本课题的研究内容及意义 1 5 1 研究意义 以往的注浆扩散公式都是以浆液的初始粘滞度作为计算参数如m a a g 公式， 这种做法使得设计计算中浆液的粘滞度小于实际注浆过程中浆液的粘滞度导致 浆液的实际扩散半径往往小于设计扩散半径，而产生了一些工程隐患，从而不得 不借助经验来保证工程的安全性。这使得理论公式在实际工程中只能作为一个一 定程度上的参考来使用，也因此付出了降低了经济效益的代价。但是如果考虑浆 液的粘时变性质会使得计算非常复杂。目前有人提出了一种考虑浆液粘滞度随时 间变化的公式，但其本质上是采用t 时间内的平均浆液粘滞度来代替随时问变化 的粘滞度，这样做虽然计算上大大简化但通过下文的分析可以知道这样做使得实 际扩散半径会大于设计扩散半径，同样损失了经济效益，也没能进一步改善理论 在实际中的地位。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 本着使工程安全经济的原贝l j 而本文从实际出发根据不同时间配制的浆液在 地层不同时间的粘滞度所产生的摩擦力提出了更加贴近实际的公式，虽然理论和 实际的差距受多方面因素的控制，但这种做法使得理论在对浆液粘滞度随时间变 化这一重要因素的掌握这一层面上更加可靠，也使得工程从经济上来说更加合 理。 因此对浆液粘时变性质进行深入分析和改进具有重要的理论和现实意义。 1 5 2 研究内容 本文把如何考虑浆液粘时变性质对浆液扩散半径的影响作为研究课题，着重 研究在注浆设计计算中如何考虑浆液的粘度随时间变化这一因素。研究内容如 下： 1 ) 浆液粘滞度随时间变化的研究，包括不同条件下浆液的粘度随时间变化 的粘滞度曲线的变化。 2 ) 各向同性地层的结构特点研究，研究其孔隙分布特点并为计算模型的建 立提供依据。 3 ) 提出计算模型，并在这一模型的基础上建立对改进理论的推导以及编写 计算程序得到新的计算公式。 4 ) 采用软件模拟以及数值分析的方法针对新的计算公式的合理性进行分析 研究。 5 ) 在工程实例中对于新的计算公式和以往计算公式的区别及优缺点进行分 析研究。 1 2 中南大学硕士学位论文 第二章注浆浆液性能及被注地层的特点研究 第二章注浆浆液性能及被注地层的特点研究 注浆浆液对于不同的工程会使用不同的材料，针对工程中对浆液性质的不同 要求还会添加不同的其他材料和j l - 力n 剂。但是注浆浆液都有一个共同的性质：浆 液粘滞度会随时问变化。根据水灰比和外加剂的不同，粘滞度时间曲线会有 不同。在注浆过程中这一因素会极大的影响浆液的扩散半径的控制，因为大多数 工程中都采用水泥浆作为注浆材料。因此本章针对水泥浆液的性质进行研究和探 讨。 被注地层的结构特点也是影响浆液扩散的另一重要因素，不同结构的地层中 孔隙的大小和分布都不同，从而影响到浆液扩散，所以本章中也将对被注地层主 要是均匀砂砾层进行分析研究。 2 1 水泥浆液的流型研究 浆液和地下水一样，在地层中流动时，按其流线形态分为层流和紊流两种。 当浆液流速较小时，流线相互平行，称为层流，当流速较大时，流线相互混杂， 称为紊流。区分两种流态的指标是雷诺数，实验证明，当雷诺数在1 0 附近时， 层流开始破坏变成紊流状态，一般条件下地下水和浆液的运动均属于层流。 一般情况下，浆液在地层中的运动规律和地下水的运动规律非常相似，不同 之处是浆液具有粘度，不像水那样容易流动。浆液的流变性正是反映浆液在外 力作用下的流动性。浆液的流动性越好，浆液在流动过程中损失的压力越小，浆 液在沿途中扩散的距离越远。反之，浆液在流动过程中损失的压力大，浆液不易 扩散3 2 - 3 3 1 。 浆液的粘度是指浆液混合好后的静态粘性，而且把粘度看作是常数，然而注 浆所用的浆液可能是单液，也可能是复合浆液，混合可能在孔口，也可能在孔底， 混合后浆液不是以一定的粘度向地层渗透，浆液在凝胶以前，其粘度随外力和时 间变化3 4 1 。 浆液的流变性按时间效应和其力学特性曲线分类如下表所示( 表2 1 ) ： 1 3 中南大学硕士学位论文 第二章注浆浆液性能及被注地层的特点研究 表2 - 1 浆液流变性特征曲线分类表 t a b l e2 一lr h e o l o g i c a lf l u i dc h a r a c t e r i s t i cc u r v ec l a s s i f i c a t i o n 牛顿流体 粘性流体假塑性流体 膨胀流体 非 与时间无牛 关的流体 粘塑性流体非宾 顿 带屈服值假塑性流体 汉姆 流 塑性流体带屈服值膨胀流体 流体 体 宾汉姆流体 与时间有 粘时变流体 触变流体 关的流体振凝流体 牛顿流体和宾汉姆流体的流变曲线是比较简单的直线。也是注浆常用的两种 流体。牛顿流体是单相的均匀体系，水和多数化学浆液以及比较稀的水泥浆液属 于牛顿流体。宾汉姆流体是具有固相颗粒的非均匀流体( 泥浆、水泥浆) 1 3 5 - 3 6 1 。其 屈服值与液体中个颗粒间的静电引力有关，它是悬浮液的典型特征。其他的非线 性流体，随着剪切速率增加，表观粘度下降，称为假塑性流体，流动过程中表现 为剪切稀释。随着剪切速率的升高，其表观粘度增大称为膨胀流体，流动过程中 表现为剪切稠化。 2 1 1 粘性流体 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，方程表达式为： f2 厂 ( 2 1 ) 式中：f 剪应力( 砌) ； 7 一剪切速率( s 。1 ) ； 一动力粘滞度，或粘滞系数( m p a s ) 。 大多数化学浆液都属于牛顿流体。牛顿流体的流动性主要受粘滞性控制。当 压力一定时，浆液在均匀土中的流动速度随着扩散半径的增大而减小。 粘性流体的流变曲线都通过坐标原点，可以用下面通式表示： _ = 矽” ( 2 2 ) 式中：k 一粘度度量，不等于粘度值； 刀一流变指数( 当力 l 为牛顿流体，n = l 时为 1 4 中南大学硕士学位论文 第二章注浆浆液性能及被注地层的特点研究 膨胀流体) 。 因此，粘性流体又可以称为冥律流体。 2 1 2 塑性流体 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 这种性质是由于流体含有一定的颗粒浓度，在静止状态下形成颗粒间的内部结 构。在外部施加的剪应力：f i i l 4 , 时，浆液只会产生类似于固体的弹性。当剪切力达 到破坏结构后( 超过内聚力) ，浆液才会发生类似与牛顿流体的流动，浆液的这种 性质称为塑性。 宾汉姆流体的流变方程表示为： r2r 一+ i x p 7 ( 2 3 ) 式中：f 。一剪切力或剪切强度或宾汉姆塑变值( 砌) ； 。一塑性粘度( 砌s 或者m p a s ) 。 塑性流体的表观粘度为： i x 。= f 72 ( f 一。i x ，r ) r2 p + f n 广 ( 2 4 ) 可见，宾汉姆流体比牛顿流体具有更高的流动阻力，注宾汉姆流体需要较大 的压力，浆液才能扩散较远。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【3 7 1 。水泥浆液出牛顿流体转变为宾汉姆流体的临界水灰比发生在w c 接 近与1 处。水灰比大于l 的浆液属于牛顿流体，水灰t l 4 , 于l 的浆液为宾汉姆流 体。 2 1 3 粘塑性流体 由于固相颗粒的不均匀性，在表面引力与斥力作用下易于形成结构。在低剪 切速率下其流变曲线往往偏离直线形成曲线变化。在剪切速率r s l t 加至层流段时 才成直线变化。这种流体称为粘塑性流体。仍可用方程表示： 12 t o 七p p y 【2 - 5 ) 式中：一切动力，也叫屈服值( e a ) 。 粘塑性流体的粘度： p n2p p + t o i 7 0 【2 - 6 ) 粘塑性流体的粘度由塑性粘度口和结构粘度r o t 7 o 组成。t o t o 代表颗粒形 成结构奇嘴势弓f 起的剪切阻力。剪切速率越高， o 越小，以也越小，这种 表观粘度随剪切速率升高而降低的现象，称为剪切稀释作用。 1 5 中南大学硕士学位论文第二章注浆浆液性能及被注地层的特点研究 2 1 4 粘时变流体 流体的粘性与温度、剪切速率y 等有关外，还与切变运动时间有关。如图 ( 2 1 ) 所示在剪切速率7 不变的条件下，曲线a 随着时间t 的延长，剪切力t 逐 步降低至i j 稳定为止，称为触变流体，触变流体属于剪切稀释液；曲线b 随着时间 t 的延长，剪切力逐步上升到稳定为止，称为振凝流体，振凝流体属于剪切稠化 液。 t t a 为触变流体b 为振凝流体 图2 - 1 流体切变运动时阃与粘度变化关系图 f i g 2 - 1r e l a t i o n s h i pg r a p ho ff l u i dv i s c o s i t yc h a n g e s & f l u i de x e r c i s et i m e 泥浆是典型的触变流体，特别是彭润土泥浆，具有较好的触变性，水泥和水 拌成水泥浆后，随着时间的延长，浆液越来越稠，其流变曲线也表现出振凝性。 关于流变参数的测定常采用范氏旋转粘度计，牛顿流体可以直接读数，非牛 顿流体的流变参数不能直接读数，多采用两点法进行换算。 砂砾地层渗透注浆普遍使用的浆液材料是水泥浆液和水泥粘土浆液。选用水 泥浆液注浆，经济实惠，它的胶结性能好，结石强度高，也便于施工。而水泥粘 土浆液稳定性好、注入能力强、防渗效果好，在许多情况下可以就地取材，因而 更加便宜，在很多防渗注浆工程，特别是在水利部门大坝砂砾地基注浆防渗帷幕 工程中备受青睐。因此对水泥浆液在地层中的流型研究显得非常重要。 2 1 5 浆液流型的相关探讨 f 3 8 1 关于水泥浆液在地层中渗透的流型没有统一的观点，阮文军通过实验认为 1 6 中南大学硕士学位论文第二章注浆浆液性能及被注地层的特点研究 1 ) 纯水泥浆液的流型随水灰比不同而分属幂律流体、宾汉流体、牛顿流体 三种不同流型，而不是某种单一的流型，由幂律流体转化为宾汉流体的临界水灰 比是o 7 ，由宾汉流体转化为牛顿流体的临界值为1 0 ，改变水泥品种和配方后 进行试验，可得同样的结论。 2 ) 水泥粘土浆液、水泥复合浆液、聚合物水泥浆等水泥基浆液一般为宾汉 塑性流体，但当聚合物粘度很大、且加量较大而使浆液粘度很大时浆液为幂律流 体。 3 ) 当减水剂加量超2 时，水灰比大于o 5 的纯水泥浆全部变为牛顿流体。 4 ) 对水泥粘土浆液而言，随减水剂或水灰比的增加，浆液将向牛顿流体转 化。随着粘土加量的增加，浆液向宾汉流体方向发展； 5 ) 水泥浆液在注浆过程中流型不变。 实际情况下，浆液粘滞度不仅仅随着温度和成分变化，同时也随着时间的变 化而变化，文献【3 4 】作者针对浆液粘滞度随时间变化这一现象，通过实验得到了 如下公式： 水灰比w c 为0 7 5 ：1 的水泥浆液粘度随时间变化的函数关系式为： = 2 2 1 3 4 e 。0 0 6 舡 ( 2 7 ) 水灰比w c 为1 ：1 的水泥浆液粘度随时间变化的函数关系式为： = 1 8 1 4 6 e o 0 0 7 身 ( 2 8 ) 水灰比w c 为1 5 ：1 的水泥浆液粘度随时间变化的函数关系式为： = 1 6 2 7 1 e o 姗 ( 2 9 ) 水灰比w c 为2 ：1 的水泥浆液粘度随时间变化的函数关系式为： = 1 5 5 8 8 e 。0 0 5 ( 2 - 1 0 ) 并且得到了如下曲线图1 2 1 1 ( 图2 2 ) ： 1 7 中南大学硕l 学位论史 第一章注浆浆液性能艇被洼地层的特点目院 r 吾面1 r 面3 5 j o t ( m i m a 代表卢= 2 2 1 3 4 严锄b 代表p = 1 8 1 4 6 e c 代表p = 1 62 7 1 e 。“d 代表“= 1 5 5 8 8 e 。”5 “ 图2 - 2 浆液粘度随时问变化曲线图 f i 9 2 2r ”o f r h e o l o g i c a l f l u i do v e r t i m e 图中可见粘滞度随时间的变化是明显的，实际工程中注浆时阳j 一般都会超过 6 0 m i n ，这样粘滞度在i 丰浆时间段内粘滞度的变化会比上图中的更大，因此过去 忽略浆液粘滞度随时间变化，而把浆液的初始粘滞度作为参数来应用： u q - 程中是 不合理的。 2 2 水泥浆液的可注性分析 注浆材料能否被送进地层介质孔隙井扩展到足够远的距离，既取决于地层介 质中孔隙和裂隙的大小、形状以及连通情况，义取决于浆材本身的性质。体现注 浆材料能否被送入地层介质的孔隙并扩展到足够远的距离的指标称为浆液的渗 透性。浆液渗透性的好坏直接影响到浆液的扩散距离，渗入性好，浆液的扩散半 径就大。 浆液的渗透性能与所用的注浆方式和浆液的种类有关，不同的注浆方式与不 同的浆液品种其控制园素是不一样的。如渗透注浆在采用粒状浆材注浆时，材料 颗粒越小，浆液的流动性越好，渗入能力越强；如果采用真溶液化学注浆时，浆 液的渗透能力将受到流动性的影响。 中南大学硕士学位论文 第二章注浆浆液性能及被注地层的特点研究 从浆液本身来说，对于水泥、粘土、粉煤灰等固体颗粒材料的悬浊型浆液， 其渗透性能主要取决于浆材的粒径及其流动性能1 3 9 t 。当裂隙或孔隙的尺寸小于 浆材颗粒直径时，就不能实行有效的注浆。一般认为，只有当裂隙或孔隙的尺寸 大于最粗颗粒的3 倍以上时，才能用它注浆，若小于这个界限，其中的最粗颗粒 有可能在缝口被“挡驾 ，于是迅速地形成“滤层 ，使其它较小地颗粒也无法进 入。目前，我国出产的普通水泥，占主要成分的颗粒直径约为5 0 a n 左右，最粗 的达8 0 , t u n 。所以用水泥浆液注浆时，裂隙的宽度不能小于0 2 4 m m 。南斯拉夫 专家介绍的经验指出，小于0 5 - 0 8m i l l 宽度的裂隙很难用普通水泥注好。所以， 发展超细水泥是提高水泥注浆渗透性能的有效办法。日本比较早地进行研制超细 水泥及其注浆技术，其所生产的超细水泥最大粒径为1 0 o n ，皿。为4 , t u n ，比表 面积为8 0 0 0c m 2 g ，能渗入到渗透系数为1 0 - 3 c m s 一1 0 _ 4 c m s 的细砂层中。由 我国建材研究院研制成功，目前已可批量生产的超细度水泥小于3 2 z m 的颗粒 占总量的9 5 ，最粗的不大于4 4 , l c n 。若采用水泥粘土浆液，由于粘土细粒含量 大，当其化学成分中铝酸盐的含量和金属氧化物的含量的比例为6 ：1 时，其干粉 状粘土的粒径小于2 4 , t a n 的成分占9 0 以上，加上其颗粒亲水性好，从而沉淀析 水小，所以在水泥浆液中