（岩土工程专业论文）砂土层中超细水泥注浆机理的试验研究.pdf

摘要 摘要 文章主要研究了超细水泥在砂土层中的注浆扩散机理，以及超细水泥浆液注 浆法对砂土层加固机理与加固效果。 注浆工艺是把一种或几种浆液注入岩土体中的施工方法，通过浆液与被注介 质发生化学胶结作用、离子交换作用、惰性充填作用或挤密压密作用面使得岩土 体得到加固或者防渗处理。首先，本文从颗粒微观角度分析了土层注浆加固机理。 从普通水泥无法注入砂土层的基本问题入手，先介绍普通水泥的特性；接着， 总结超细水泥的发展历史、运用现状、发展趋势，以及存在豹问题和解决问题的 方案、方法；其次，介绍超细水泥的特性。 本文提出新型土层注浆室内试验装置设计方案。设计两套注浆试验装置，一 套为可拆卸式中型长方体注浆试验箱，进行不同土层注浆的二维模拟试验；一套 为小型立方体试验装置，用于浆液扩散参数的试验，确定注浆压力、注浆流量、 渗透速度、时间、浆液的扩散半径等。 超细水泥浆液在注浆介质中有渗透注浆、挤密注浆和劈裂注浆三种形式，本 文以普通水泥浆液扩散机理为基础，分析超细水泥在砂土层中的扩散规律。 用超细水泥注浆法有利于解决砂土层注浆难的问题。用超细水泥注浆后土体 的基本物理力学指标有较大改善。不同水灰比注浆结果显示：由于含水率的影响， 湿密度随着深度的增加而呈线性增加，干密度、内摩擦角则在注浆管中部出现最 大值；增大水灰比会提高浆液的扩散半径，但太大反而会降低加固效果，较佳水 灰比为2 左右。 图4 8 表2 6 参5 6 关键词：。注浆超细水泥 砂土层扩散机理加固机理 分类号：( t d 2 6 5 3 ) a b s t r a c t n j sp a p e ri s m a i n l y a b o u ts o i er e s e a r c h e so ns u p e r - f i n ec e m e n tg r o u t s d i s p e r s i o na n df e i n f b r c e m e 丑tm l e sj ns a n d ys o i l 。 l n j e c t i o ng m u t 抽g i sat e c h n i q u et o s t r e n 昏h e nt h e 盯o u n d o fr e d u c ei t s p e n n e a b i l i t yb y 也ew a y so fm e c h a 西c a lr e a c t i o n ， i 蛐e x c h a n g e ， a b s o l u t em h n go r h y d r o 舌a c t u t i n g 尉f s to fa n ，t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h er e i n f o r c 锄e n tm e c h a n i s mo fi n j e c t e d m a t e r i a l t 0s o i lf r o mm i c r o c o s m i cp o i n tv j e w s e c o n d l y ，s t a n i i l gw i t ha ni n t r o d u c t i o no fa u n i v e r s a lp h e n o m e n o nt h a ts a n d ys o i l c a i lh a r m yb et f e a t c db yi n j e c t i n gp o r t l a n dc e m e n t ，t h i sp a p e rd e s c r i b e sp e d o 咖卸c e s o fc o m m o n l yi l s e dp o i t l a n df o ra ne a d i e rp a na dp r c s e t st 董l ep 1 0 d u c t i o l l i s t o r y ， u s e si nm o d e r nd a y sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d so fs u p e r f ：i n ec e m e n tf o rt h el a t t e rp a n w h i c hi n d u d e ss o m es u g g e s t i o no ni t sp r e s e n tp m b l e ma n dd e s c r i p t i o no fi t sd i f i - e r c n t p e r f o i ：i 】1 a n c c sa g a i n s tp o n l a n dc c m e n t t h i r d l y ， m i sp a p e ri l i u s t l a t e ss o m e e wb r a n db i u ep f i n t s0 f 掣d u t i n g r e s e a t c h e x p e r i m t a li n s t n l m 蚰t w 色h a v es e t 押os u i t so ft h e m ：o n e ， t l l em a i l l 。p a ni sa m e d i u m s i z en c x i b l ec u b o i dt m n kw h i c hc a nb e 璐e df o r2 d ss i m u l a t i o ne x r i e n c e ； 山eo t h e ro n ei sam i n i s i z ei n n e x m l ec u b eb o xw h i c hc a nb eu s e dt or 髂e 砌t h e d i s p e r s i o np a r 锄e t e f ss u c ha sg r o u t i n gp r e s s u r e ，i n j c c t c dv 0 1 u m ee t c a c c o r d j i l gt ot h ed i s p e r s i o nw a y 0 fg r o u t ，g m u t i n gi n d u d e s 廿l 仃a t i o ng f o u t i n g ， c o m p a c t i o n 黟0 u t i n ga n dh y d r 0 f r a c t u r i g 掣o u t i n g t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h e p e a s i o nm e c h a n i s mo fs u p e r - m i c r 0c e m e n t 乎d u to nt h eb a s j so fd i s p e f s j d n m e c h a n i s mo fc o m m 0 i l l yu s e dc e m e n t t h i sp a p e rc n d sw i t hs o m ec o n d u s i o n st h a ti n c l u d eac o n f 妇s t a t e m e n tt h a t s u p e f - m i c r oc e m e n ti ss u i t a b l ef o rt h et r e a t m e n tt os a n ds o i l ， i l k s t r a t i n gb yt h e j n c r e a s eo fc o n c e n t r a i o na da n 9 1 eo f 蝤c t i o n f i g i l r e4 8 t a b l e2 6r e f e r e n c e5 6 k e y w o r d s ：珂e c t i 彻g r o u t i n gs u p e 卜m i c mc e m e n t s a n d ys o i l d i s p e r s i o nm e c h a n i s m r e i n f o r c e m e n tm e c h a i l i s m 独创性声明 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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 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 塞微垄王杰堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：铆恕签字吼游翻阳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞微理三太堂有保留、使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞邀堡王太堂可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名：刍乍 锄擀：弘瞒 彳 签字日期驯侔翻厂日签字日期：纠睥6 月厂日 l 绪论 _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 。_ l _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ - _ _ _ _ _ 。_ - 。- 。一 1 绪论 注浆技术是岩土工程学的一个分支，居于地基处理的范畴。像土力学发展一 样，注浆技术由经验方法逐步完善成为一门具有理论的技术。它涉及化学、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。 1 1 概述 国内外一直认为注浆是以经验为主的学科，是一门技术，甚至有入认为是一 种“工艺”( a r t ) 0 3 。一些学者认为，它像工程地质学、土力学、岩体力学、水文 逾质学一样是一门科学，因为研究的对象都是岩土，而处于地下的岩土具有各向 异性、不均质性和复杂的地质构造及结构，所以浆体的分布就与地质构造密切相 关，具有不确定性，是一种概率型分布。注浆后的岩土力学性质与岩体力学、土 力学相似，同样存在各向异性和离散性。因此，岩土中浆液的分布可用地质方法 分析，岩土与浆液组合体的力学性质仍然可用岩土力学方法确定，浆液在地层中 的运动规律受到地层孔隙特性、浆液压力的控制，从而形成渗透流动、压密流动、 劈裂流动等形式。除此，浆液本身也有其特点，因而注浆理论引用了流体力学的 概念，发展了自己的理论。尽管如此，注浆工程设计仍处于半理论、半经验状态， 因而人们提出“岩土注浆工程学”的概念，以便促进注浆技术的发展。 1 1 1 注浆法概念 注浆法( i n j e c t i o ng m u t i n 亩，也称灌浆法( g r o u t i l l 亩，是指利用液压、气压或 电化学原理，通过注浆管路把浆液( g r o u t ) 注入到岩体、土体或人工构筑物的裂隙 ( 孔隙或缝隙) 中，浆液通过填充、渗透、挤密等方式驱替裂隙( 孔隙或缝隙) 中的 水、空气或软弱填充物，经过一段时间以后，与原来岩体、土体或人工构筑物胶 结成个整体，以增加受注介质强度、提高稳定性和整体性、减小渗透性以达到 加固地层或防渗堵漏的目的的一种岩土工程方法。 安徽理工大学硕士论文 1 ，1 2 注浆的目的与作用 岩土注浆主要有两个目的，一个是堵水防渗，二是加固增强。根据具体情况， 有的以堵水为主，有的以加固为主，有的二者兼有。不论是堵水或是加固，浆液 在地层中要起以下四种作用： ( 1 ) 化学胶结作用：水泥浆液和化学浆液具有能发生胶结力的化学反应，把 已经分开的岩石或土粘合在一起，从而使岩土的主整体性得到加强，使其联合承 载力和结构刚度得到提高。 ( 2 ) 离子交换作用：浆液在化学反应过程中，某些化学剂能和土中的元素进 行离子交换发生化学反应，将形成性能优良的新材料。 ( 3 ) 惰性充填作用：浆液在岩土裂隙等孔隙中凝固结石，把地层中的孔隙充 填起来，可以阻止水流，提高地层的密室性，改善岩土体对外力的反应机制，使 岩土变形受到约束。 ( 4 ) 挤密压密作甩：在浆液被压入地层的过程中，将对地层产生挤压作用， 从而使那些无法进入浆液的细小裂隙和孔隙受到压缩和挤密，使地层的密实性和 力学性能季辱到提高。 1 1 3 注浆的应用范围 注浆法加固土体与其它加固方法如土钉墙、喷锚网、地下连续墙、搅拌桩、 拉锚、s m l 】i r 桩、型钢桩、钢扳桩、内支撑等形式相比具有以下优点0 3 ；施工设备 简单；规模小，耗资少；占地面积小，对交通影响小；工期短，见效快； 旋工中产生的噪声和振动小，对环境影响小；狭窄的场地、矮小的空间均可 施工：加固深度可深可浅，易于控制。就其施工机理来说，注浆是对岩土的原 位加固并能改变岩土固有的物理力学性质，所以广泛应用在土木建筑工程中。 ( 1 ) 注浆法在基础托换中的应用 各种房屋、塔基等，常因各种原因发生沉降并导致上部建筑物的不均匀下沉 和开裂，危及建筑物的安全和使用。用注浆加固基础下面的孔隙和软弱土层，可 以制止基础继续下沉，而且能将建筑物回升，使不均匀沉降减小。 ( 2 ) 地铁及隧道的注浆加固 在修建地铁及隧道时，常用注浆法加固隧道周围松散软弱围岩，以便减少在 施工过程中发生的地面位移，限制地下水的流动以控制旋工现场岩土体位移、塌 1 绪论 方等。 ( 3 ) 竖井加固注浆 在竖井开挖过程中，常遇到流沙和不稳定地层，用注浆的方法进行加固处理 后再施工。 ( 4 ) 后拉锚枰注浆 在基坑开挖过程中，用注浆法加固锚杆的锚固区。 ( 5 ) 隧洞大塌方注浆加固 隧道常遇到大塌方事故。注浆法和锚杆相结合形成的锚注法，在处理这类工 程中获得了良好的应用。 ( 6 ) 坝基砂砾石注浆 坝基中常遇到渗透性较大的砂砾石层，通过注浆，提高砂砾石层的强度和抗 渗能力。 ( 7 ) 建井穿过含水层注浆 在建井工程中，会遇到井巷穿过含水层，用注浆堵水的方法，加固井巷周围 盼含水层，阻止地下水向井巷施工面渗透，保证并巷顺利通过。 ( 8 ) 用注浆法提高灌注桩承载力 为了提高钻孔灌注桩的承载力，在钻孔桩两侧埋设注浆管进行注浆，以提高 桩与土之间的摩擦力；对钻孔桩底部进行压力注浆，以增强桩底土体强度。 ( 9 ) 加固桥索支座岩体 用水泥或高强度化学浆，提高桥梁岩石支座的力学强度和完整性。 ( 1 0 ) 其它特殊工程的应用 例如，地下核电站工程、混凝土裂纹修补工程和混凝土壁后注浆工程等。 1 1 4 注浆材料 常用的注浆材料有水泥、粘土、沥青及其它化学材料。水泥浆和化学浆液不 仅可以充填岩层中的空隙，而且可以将岩石中的部分碎屑胶结在一起，使它们胶 结成为统一而密实的整体，从而使岩层强度提高。沥青的粘结作用并不大，但作 为密封材料来说其抗渗性很好。 由于采用的浆液材料物理化学性质不同，在岩石裂隙或孑l 隙中的流动规律也 不同。例如沥青虽然也是高分子系胶体溶液，但是在高温条件下，它非常接近均 匀的液体，并遵循牛顿内摩擦定律。而水泥浆、泥浆及其混合物具有塑性，不遵 安徽理工大学硕士论文 循牛顿定律，所以熔化的沥青在其它条件相同时渗透系数只与粘度有关，而水泥 浆悬浮液的渗透系数除了与粘度有关、还与其流动速度有关，这将使计算问题更 加复杂，不过在某种情况下这两种浆液材料的流动方程很相似。 注浆法可以用于坚硬含裂隙的岩石( 砂岩、页岩、石灰岩、花岗岩、花岗片麻 岩) 也可用于含碎石及砾石的土层。当然土层必须有足够的裂隙和孔隙宽度以便浆 液能注入。分散系液体能否渗透到裂隙或孔隙中去取决于裂隙、孔隙的最小尺寸 与浆液内固相颗粒尺寸的比例关系。根据多年施工及试验经验得知，裂隙开裂宽 度不小于( 0 1 5 o 2 5 ) 1 0 切时，水泥颗粒才能注入。在松散土层注浆时要求土 的最小粒径应大于4 x1 0 3 四。如果采用细颗粒水泥浆，当土壤颗粒粒径小于2 l 酽历时也能注入。用沥青注浆时，粘度是决定性因素，冷却后粘度立即增大，在 狭小的裂隙和孔隙中很难注入。 注浆材料是注浆工程中一个重要的组成部分。能否正确合理地选择注浆材料 将直接影响注浆工程的成败与技术经济指标。 蕞单使用的注浆材料是右灰和粘士；1 8 8 4 年齐始用水泥注浆。粘士与水泥均 属于颗粒性材料，其粒径为5 8 5 _ 肪因此，用它们在砂土( 粒径小于1o 。3 动和细 裂隙( 宽度小于o 1 脚) 渗透系数低于1 0 。2 锄占土层中注浆非常困难。但是，由于 水泥注浆具有结石体强度离，材料来源广，价格低，运输、贮存方便，以及注浆 工艺比较简单等优点，迄今水泥仍是应用最广泛的主要注浆材料。 为了提高注浆加固岩石、砂、土与堵水效果，2 0 世纪初出现了化学注浆材料。 这种注浆材料比水泥可注性好，凝胶时间容易调整，某些化学浆材固砂强度也较 高，所以近二十年来发展很快。我国在化学注浆方面的研究与应用只从使用水玻 璃开始的。5 0 年代末逐步开始使用环氯树胎、甲基丙烯酸酯。6 0 年代开始使用丙 烯酰胺。后来服醛树脂、铬木素、聚氨酯均相继被应用并取得了成功。 注浆材料的分类方法很多，即使在同一个国家，不同的部门对注浆材料的分 类也不尽相同。根据注浆目的可分为以加固为主的注浆材料和以堵水为主的注浆 材料。但是，有时很难区分开，有些浆液既能用于加固，也能用于堵水。所以， 一般还是按浆材种类与组成来划分。这样可分为水泥浆、粘土浆和化学浆三种， 见表l 。 4 1 绪论 表 注浆材料分类表 单液水泥浆 水泥浆 水泥一水玻璃双液浆 粘土浆 粘土一水泥浆 水玻璃类 注浆材料分类 腮醛树腊类 铬术索类 化学浆 丙烯酰胺类 聚氢酯类 其他 施工中，对理想注浆材料的一般要求是： ( 1 ) 浆液是真溶液，而不是悬浊液。浆液粘度低，流动性能好，能渗到细小裂 隙与细粉砂层。 ( 2 ) 凝胶时间可从凡秒至几小时范围肉调节，并能准确地控铆，浆液凝胶在瞬 间完成。 ( 3 ) 浆液的稳定性好，在常温常压下、长期存放不改变性质，不发生任何化学 反应。 ( 4 ) 浆液应无毒无嗅，对环境不污染，对人体无害，非易燃易爆物品。 ( 5 ) 浆液对注浆设备、管路、混凝土结构物、橡胶制品等无腐蚀性，并且容易 清洗。 ( 6 ) 浆液l 司化时无收缩现象，固化后与岩石、混凝土、砂子等有一定粘结性。 ( 7 ) 浆液结石体有一定抗压抗拉强度、抗龟裂，抗渗性能好、防冲刷性能好 ( 8 ) 结石体面耐老化。能长期耐酸、碱、生物细菌等腐蚀，并能不受温度、湿 度交化的影响： ( 9 ) 材料来源丰富，价格便直。、 ( 1 0 ) 浆液配制方便，操作容易。 注浆材料按溶液所处的状态可分为真溶液、悬浊液和乳化液；按工业性质可 分为单液浆和双液浆：按浆液颗粒可分为粒状浆液和化学浆液：按浆液主剂性质 分为无机系列和有机系列两大类。参见图1 。 5 塞丝墨三奎堂堡主丝茎 一 注浆材料 无机系列 单液水泥类浆液 水泥粘土类浆液 可控粘土固化浆液 水泥一水玻璃浆液 水玻璃类浆液 一列雕 图1 注浆材料主剂分类 f i 9 1a a s s 诳c a t i o no fg r o u tm a t e r i a la c c o r d i n gt 0i t sp r o p e r t y 1 1 5 注浆的分类 注浆技术按照常规的分类可分为静压注浆和高压喷射注浆两大类。按照地质 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。注浆技 术可以分为渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆和喷射注浆四类。注浆试验表明，浆 液往往是以几种方式联合作用于土体，上述注浆方式的分类，是根据注浆过程中 浆液以某种方式为主作用于土体来进行的。根据浆液在岩( 土) 层中的运动形式和 浆液对注浆对象的作用方式可以分为以下几种类型： ( 1 ) 充填或裂隙注浆( f i l l i n go rf i s s u r eg r o u t i n g ) 岩体裂隙、节理和断层的防渗注浆，或者洞穴、构造断裂带、隧道衬砌壁后注 浆，或者采空区注浆、回填土的孔隙填充注浆等都属于此类。 ( 2 ) 渗透注浆( p e n c t r a t i o ng r o u 廿n 0 渗透注浆是在不足以破坏土体构造的压力下，把浆液注入到粒状土的孔隙中， 从而取代和排出其中的空气和水，浆液一般是均匀的扩散到土颗粒间的孔隙内， 将士颗粒胶结起来以达到增强土体强度和防渗能力的目的。 ( 3 ) 压密注浆( c o m p a c t i o ng r o u t i n g ) 压密注浆通常就是指土体的压密注浆，可以适用于中细砂和a 够充分排水 的粘土。压密注浆是指浆液在压力的作用下，通过钻孔挤密体，以达到加固目 的。 1 绪论 ( 4 ) 劈裂注浆( h y d r o 珩a c t t l r eg r o u t j n 亩 劈裂注浆使用的浆液一般较压密注浆更稀，浆液在注浆压力作用下一般直 接就对土体产生了水力劈裂，劈裂的方向是以出浆口为中心向四周扩展的。 ( 5 ) 高压喷射注浆( j e lg r o u t i n 毋 高压喷射注浆的压力一般较高( 2 0 m p a 7 0 肿a ) ，流体在喷嘴外呈射流状。 2 注浆技术发展历史与研究现状 注浆技术作为工程技术的一个新领域不过只有一百多年的历史。但在我国几 千年以前就普遍使用无机材料一粘土、有机材料一糯米浆( 淀粉) 、树胶等作为砌 块的胶结材料以及防渗水材料，把石灰、桐油作为胶结材料并用于工程实践的例 子也相当普遍。 1 2 1 注浆技术的发展历史 国外最早记载的注浆工程是法国工程师查尔斯贝里格尼( c h a r l e sb c r i 萨y ) 在1 8 0 2 年采用注浆技术修复被水流侵蚀了的挡潮闸的砾石地基工程。化学注浆最 早的记载是1 8 8 4 年英国的豪斯古德( h o s a g o o d ) 在印度建桥时采用了化学药品固 砂。1 8 8 7 年，德国的切撤尔斯基( j c z i o r s k y ) 开创了水玻璃一c a c l 。硅化注浆法且获 得专利。1 9 0 9 年，比利时的勒马尔塔蒙特( h m a i r ed u m o m ) 在水玻璃中加入稀酸， 发现了改变水玻璃p h 值的凝固机理。1 9 1 4 年，比利时的阿尔伯特弗兰科伊斯 ( 舢b e nf r a n i s ) 使用了水玻璃一硫酸铝浆液。1 9 2 0 年荷兰采矿工程师尤斯登 ( e o o s t e r ) 首次论证了化学浆液的可注性，采用了水玻璃一c a c l ，双系统两次压注 法，并于1 9 2 6 年获得了专利。五十年代，美国研制出丙烯酞胺浆液( 蛳一9 ) ，后来 又出现了木质素、稼醛树脂、酚醛树脂、丙烯酸盐、聚氨脂、环氧树脂、不饱和 聚脂等浆液。 1 2 2 注浆技术研究与应用的高潮 2 0 世纪5 0 年代以来，由于第二次世界大战后经济的迅猛发展和日益增多的 岩土工程事故及自然灾害防治的迫切要求，注浆技术在全世界得到普遍重视、研 究和应用。 美国麻省理工学院在j 0 年代成立了专门的化学加固实验室，主持人为土力学 7 安徽理工大学硕士论文 家朗伯( l a m b e ) 教授和化学家米谢尔( 姐i c h e l l ) 教授。并在美匡l 土木工程学会 下设置了注浆协会，主席为化学注浆专家卡诺尔( r k a r 0 1 ) 教授。1 9 8 8 年在奥 地利建立了跨学科的注浆工程组织，该组织包括设计与施工、水力学、断裂力学 以及计算机方面的专家。1 9 8 9 年国际岩石力学学会在此基础上创立了国际岩石注 浆专业委员会，主席为奥地利萨尔孜堡( s a l z b u r g ) 大学的韦德曼( r w i d 氆a n ) 教授。1 9 9 3 年在奥地利召开了“国际岩石和混凝土灌浆会议”，旨在解决国际上 尚未解决的理论与实际问题。 1 2 3 注浆理论的研究现状 随着注浆工程的蓬勃发展，注浆理论的研究水平有所提高，但是由于复杂的 地层条件、施工过程检测的困难以及试验手段的局限，造成了注浆理论的研究远远 落后于注浆技术所需要的水平。综合起来看，注浆过程包括量方面因素，一方面 是注浆浆液的流动过程，另一方面是注浆后的加固效果。 l 注浆渗流过程 注浆浆液的流动过程是浆液和被注介质共同作用的结果，因此，对注浆浆液和 被注介质的认识是研究注浆渗流过程的基础。 ( 1 ) 岩体结构理论的研究现状 岩体孔隙或裂隙是浆液流动的通道，由于岩体的结构不同，造成浆液流动的 方式和途径不同，从而产生不同的注浆效果，因此对岩体结构的研究是研究整个 注浆系统的基础。目前，国内外在岩体结构方面的研究主要有以下方面： a 多孔介质理论。该理论认为岩体是一种多孔结构，孔隙是流体流经岩体的 通道。根据其孔隙分布有无方向性，又可分为各向同性多孔介质，各向异性多孔介 质。 b 拟连续介质理论。该理论认为岩体虽受裂隙分割，但岩体空间内每一点上 物质质点和裂隙点都保持连续，因此在岩体内每一点上都同时存在岩石介质和空 隙介质，浆液就是通过这些空隙在岩体内流动。 c 裂隙介质理论。该理论认为岩体是受裂隙分割的不连续体，浆液在岩体内 通过裂隙网络流动。 d 孔隙和裂隙双重介质理论。该理论认为岩体是由孔隙性差而透水性强地裂 隙系统和孔隙性好而透水性弱的岩块组成，浆液在该种介质中流动时，既可在裂 隙中流动有可在岩块中流动，并在两者之间发生强烈的质量交换。虽然，目前岩 1 绪论 体结构理论模型较多，但大多集中于多孔介质模型的研究，而注浆过程中浆液的 渗透受浆液中水泥颗粒的限制，一般不能渗入岩块的孔隙中，而主要通过裂隙进 行渗透，因此，岩体结构模型中适用于注浆的理论模型不多。 2 浆液流动特性的研究现状 目前，国内注浆工程中经常用的注浆浆液主要有化学类注浆浆液、水泥类注 浆浆液、粘土类注浆浆液等等，但从流动特性上来分，总可分为牛顿流体和非牛 顿流体浆液，而现有的注浆理论大多是基于牛顿流体的注浆理论。 近几十年来，国内外学者对渗透注浆法进行了广泛面深入的研究，一系列注 浆渗透理论，其中有马格理论( 球形扩教理论) 、柱形扩散理论及裂隙注浆理论等。 马格理论是以钻杆端部为注浆点的各向同性渗透注浆理论，并给出注浆压力、注 浆实践、扩散半径和注浆量之问的关系，但马格理论假设被注介质为各向同性体。 浆液在地层中里均匀球形扩散，因此，很难适用于复杂工程。柱形扩散理论是以 注浆管体的一部分作为注浆段的各向同性渗透理论，浆液呈柱形向四周扩散，从 而推导出注浆时间、扩散半径、注浆压力与注浆量之间的关系，但它与马格理论 相似，具有同样的假设，因此，也很难应用于复杂的岩体工程。 另外，还有。些裂隙注浆理论，如帝国水力水斑科学院刘嘉才教授提出的“单 平板裂隙注浆渗透模型”、b a k e r 公式、q 1 0 m b e d 公式等，但是这些理论都是基于 单裂陈模型的基础上建立的，很难应用于含复杂裂隙结构的岩体，更为重要的是， 这些理论都是建立在牛顿流体稳定渗流的基础上，不能真正反映裂隙岩体注浆渗 流过程的非稳定特性和非牛顿体特性。 国外前苏联在这方面的研究较多，得出了注浆后砂岩强度提离5 0 7 0 ， 粉砂岩和泥页岩的强度可增加2 4 倍。但综合上述研究成果，基本上都是一些定 性的试验结果，没有上升到理论的高度，因而也很难应用于实际，并且影响注浆 加固体强度的因素较多，不能简单地从强度提高多少来衡量，而应该建立岩体结 构、注浆材料和注浆加固体强度之间的关系。总之，注浆技术的应用已较为普及， 但现有的注浆理论、注浆模型试验研究水平还远远不足。因此，迫切需要提出二二 个较为完善和实际的注浆理论来指导工程实践，推动注浆技术的更大发展。 1 3 注浆技术发展趋势 我国对注浆技术的研究起步较晚，但发展较快，目前注浆技术在众多工程中 的应用取得了明显的经济效益和社会效益。 室墼墨三盔堂堡主垒茎一一 1 材料的发展 注浆材料的发展方向有两个方面，一是研究开发新材料，二是改进提高现有 浆材的性能，以满足各种需求。 超细颗粒水泥、湿磨水泥、活性硅粉等材料的强度和耐久性好，有普及的必 要。就有机高分子浆材两言，应重视其改善性能工作，最好作到彻底无毒、同时 还应降低成本。沥青+ 水泥+ 高分子聚合物构成的浆材，其最大的特点是具有抗震 性，在地下工程中的应用前景光明，也应予以重视。 2 ，工法 在掌握好高压喷射注入技术的基础上。开发超大型( 口径不小于5 肼) 超高压 ( 3 0 4 0 m p a ) 旋喷工法的研究也极为必要。 3 效果探查 当务之急，效果探查是注浆领域中的第一前沿课题。应重视p _ _ q 法、电探法、 n 值法、取优；化学成分分析法及旋转触探法的开发。 4 应重视各种注浆工程的工程优化设计计算技术的研究。 1 4 。本文研究的主要内容及技术路线 1 4 1 选题依据背景情况 随着工程建设的发展，针对砂土层的加固、止水工程越来越多。由于砂层具 有密实、标贯击数高、渗透系数大、易液化等特点，故加固、止水较为困难。目 前加固、止水方法较多，但都存在一定的局限性，如深搅桩在标贯值较高地层无 法搅动，同时还受到场地、地下障碍物等因素的影响；井点降水受到场地条件、 周邻建构筑物及深度的限制：薄壁连续墙止水受到工程造价、场地的限制等。若 能找到一种既不受场地、障碍物、地层及加固深度的限制，又能够使浆液与砂层 混合均匀的加固、止水技术，意义重大“，。 注浆法加固土体与其它加固方法、形式相比具有以下优点0 1 ；施工设备简 单；规模小，耗资少；占地面积小，对交通影响小；工期短，见效快： 施工中产生的噪声和振动小，对环境影响小；狭窄的场地、矮小的空间均可旌 工；加固深度可深可浅，易于控制。就其施工机理来说，注浆是对岩土的原位 加固并能改变岩土固有的物理力学性质，所以广泛应用在土木建筑工程中。 地下工程的治水防渗主要采用普通水泥或双快水泥注浆、化学真溶性浆液灌 1 0 1 绪论 浆和水泥一水玻璃双液注浆3 种注浆工艺。水泥注浆材料自1 8 3 8 年英国汤姆逊 隧道开始应用，人们在实践中发现普通水泥颗粒粒径较大，粗颗粒较多，这就使 它难以注入渗透系数低于5 1o - 2 c m s 的砂质地层和宽度小于o 2 册的裂隙中”3 ， 而对于微细裂隙注浆加固效果较差，换句话说，就是土层注浆存在“注浆难”的现象， 砂土层中尤其如此。用普通水泥混凝土是很难对砂性土层进行注浆处理。因此转向化学注 浆材料的研究，由于化学注浆材料的价格高、配方复杂，而且大多数化学注浆材 料都有毒，其发展受到限制，尤其1 9 7 4 年日本上冈县发生注浆污染事故后，日本、 美国禁止了有毒浆材的使用。为了在低渗透介质中提高水泥的可注性，超细水泥 注浆材料成了研究的热点“3 。 水泥浆液的可灌性主要决定于浆液的流动性和粒子的粒径，根据国内外的灌 浆经验，根据j c k i n g 判式“”：中砂土中颗粒d 。产0 5 o 7 m 挑通常超细 水泥平均值：g 。= 1 0f 脚，而普通水泥平均值：g 。= 5 0 一历。 普通水泥：n l = d 。；g 。f 1 0 1 4 1 5 因此，可以判定普通水泥不宜采用，选用超细水泥可注入砂土层。 然而目前超细水泥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，容易造成材料浪费或者留下工程隐患。只有正确运 用注浆理论，合理控制注浆参数，在砂土中浆液以合理形式进行扩散，才能达到 加固的目的“ 。 一方面，作为注浆施工技术的指导，检验注浆效果是否达到要求的依据；另 一方面，研究超细水泥注浆扩散机理和加固机理成为新的需要。即有必要变更注 浆浆液材料为超细水泥或化学浆液，调整注浆参数，对砂土层注浆机理进行深入 研究。本课题以研究超细水泥或化学浆对砂土层的注浆机理为基础，以研究调整 后参数对沙土层物理力学参数影响为目的。 1 4 2 课题的主要内容 本课题主要进行两方面的工作： l 注浆试验模型装置的研制 根据课题的目的，自行研制两套注浆试验装置，一套为密封性能高的小型试 验装置，用于较大注浆压力下的注浆试验参数研究；另一套为大型试验装置，用 于研究土体注浆机理、加固后表观效果。 塞墼翌三奎兰堡主堡茎 2 注浆机理的研究 包括注浆与不注浆情况下土体物理力学性能如容重、抗剪强度、内摩擦角、 内聚力、渗透系数等参数变化的测定试验研究，超细水泥浆液在砂土体中的扩散、 渗透机理研究。 1 4 3 拟解决的主要技术问题 一方面，解决士层注浆试验装置的设计、研制问题，制作适合土层注浆试验 装置 另一方面，优化浆液参数和注浆工艺，提高、解决砂土层注浆的可注性； 第三，从微观角度上，研究悬浊液超细水泥浆液在可变非刚性砂土体结构中渗透 机理。 1 4 4 在理论和应用方面的意义 以试验数据为基础，测试砂土体，在不同的注浆施工工艺条件下，土体的物 理性能的改善状况。可以作为施工设计的数据基础。同时，通过试验值与理论计 算值的对比，可以确定理论值的准确性。正确的理论计算值可对现场注浆施工效 果做出正确的评估、预测。在理论方面，超细水泥浆液在变形孔隙士体中的渗透 机理会得到进一步的研究和讨论。这给注浆质量控制标准提供理论基础。 1 4 5 拟采用的技术措施和方法 本课题主要采取理论分析和模型实验相结合的方法进行研究。 理论分析主要研究颗粒、悬浮浆液在各种不同被注介质中的扩散形式以及各 种形式下的扩散机理。 模型注浆拟采用渗透性极佳的超细水泥浆液。利用压缩空气做压力源进行注 浆，注浆压力取1 o m p 8 左右。注浆时将模型密闭，保证达到预定的注浆压力。 用不同物理参数的砂土填筑模型，进行注浆试验。确定不同注浆浆液种类、 注浆压力作用下，浆液在砂土体中的扩散范围、注浆固结体形状、注浆后砂土密 度和强度变化大小以及以注浆孔为中心沿半径方向的变化规律做出研究。 2 超细水泥浆液基本性状 2超细水泥浆液基本性状 地下工程的治水防渗主要采用普通水泥或双快水泥注浆、化学真溶性浆液灌 浆和水泥一水玻璃双液注浆3 种注浆工艺”。水泥注浆材料自1 8 3 8 年英国汤姆逊 隧道开始应用，人们在实践中发现普通水泥颗粒粒径较大，粗颗粒较多，这就使 它难以注入渗透系数低于5 1 0 c 翔s 的砂质地层和宽度小于0 2 肋的裂隙中“3 ， 而对于微细裂隙注浆加固效果较差，因此转向化学注浆材料的研究，由于化学注 浆材料的价格高、配方复杂，而且大多数化学注浆材料都有毒，其发展受到限制。 为了在低渗透介质中提高水泥的可注性，超细水泥注浆材料成了研究的热点“3 。 2 1 普通水泥浆液基本性能 2 1 1 普通水泥浆液单液浆粘度性能 单液水泥类浆液是以水泥为主，添加一定量的附加剂，用水调剂成的浆液， 采用单液方式注入岩层，这样的浆液称为单液水泥浆。附加剂是指能改善水泥 浆液性能的速凝剂、早强剂、塑化剂、悬浮剂等。 1 ) 纯水泥浆的基本性能。纯水泥浆的基本性能如表2 所示。 表2 纯水泥浆的基本性能“” ! ! ! 堡兰! 竺呈! 堂璺型! 塾璺翌! ! 型! 生! 堕翌! 皇! ：望些! 坐星旦坐一一 水灰比 悄i q 注：采用4 2 j 号普通硅酸盐水泥，各种测定数据均采取平均值。 由表2 可见，随着水灰比的增大，水泥浆的粘度、密度、结石率、抗压强度等 一 捌些甜墅，塑m 一 鼾率 鼍警 度曲 密 度妒曲粘似附 安徽理工大学硕士论文 都有十分明显地降低，初凝、终凝时间增长。 水灰比是影响浆液稳定性的重要参数，不同水灰比的浆液的析水率见表3 。 表3 普通水泥浆液稳定性能” ：! ! ! ! 丝呈丝墼壁! 塑壁里! 垒坚 水灰比o 7 51 o o 1 2 51 5 0 析水率1 5 o 3 1 84 0 14 4 6 注：试验温度为2 6 。 由表3 可见，随着纯水泥浆水灰比的增大，水泥浆的稳定性能里下降趋势，水 灰比增大，析水率增大。 2 ) 掺附加剂单液水泥浆的基本性能 根据实际工程的需要，在水泥浆液中掺入一些附加剂来调节水泥浆的性能， 以满足工程对注浆效果的要求。常用的附加剂及其对水泥浆性能的改善表述如下： ( 1 ) 掺水泥速凝剂。 速凝剂是能够缩短水泥浆凝固时间的化学药剂，如“7 1 1 ”型、氯化钙、水玻 璃、硫酸纳等。二般情况下，在水泥浆中加久古水挖重量3 以下的水玻璃或5 以下的氯化钙一其性能如表4 所示。 表4 掺和添加剂水泥浆基本性能 一i 苎垒! 丛! 竺里c ! 垫型垫苎翌! 堡! 塑堕堕宝曼塑! ：塑堡i 苎坐堕墅墼! 附加剂抗压强度( m p a ) 初凝时间 终凝时间二一 水灰比用量 名称 h ：m i nh ：m i n1 d2 d7 d2 8 d ( ) 注：水泥为4 2 5 号普通硅酸盐水泥 从表4 中可见，水泥浆中加氯化钙或水玻璃均有显著速凝作用，而对水泥浆 的结石体强度影响不大。 3 ) 单液水泥浆的持点。 单液水泥浆是以水泥为主的浆液，它具有材料来源丰富、价格低廉、结石体 强度高、抗渗性能好、单液注入方式、工艺简单、操作方便等优点，是当前仍至 今后相当长时间内应用最多的一种注浆材料。 1 4 2 超细水泥浆液基本性状 2 1 2 普通水泥双液浆基本性状 水泥一水玻璃配比试验：水泥一水玻璃试验主要考察凝胶时间和抗压强度两 个指标。根据有关资料，试验结果如表5 所示。 表5 水泥一水玻璃浆液性琵试验结果表。4 旦! ! ! ：! p 婴! 坐堕曼：! g ! ! 坐 c ：s凝胶时间抗压强度 诬a ) 水灰比 一 ( 体积比)( m i n - s ) 3 d 7 d2 1 d 2 2 超细水泥基本性状 超细水泥是目前应用最广泛的注浆材料之一。作为注浆材料，它具有强度高、 耐久性好、无毒、无味、材料来源广、价格低廉等优点，一般注浆施工，优先选 用普通水泥，但由于普通水泥的颗粒特征，对于渗透系数较低的砂质地层和细小 裂隙，不宜选用普通水泥，而应采用超细水泥m 。 j ) 超细水泥化学成分指标 超细水泥是普通水泥再加工磨细而得，其化学成分与普通水泥成分一致。超 细水泥的化学组成见表6 。 表6 超细水泥的化学组成( 毗) ! 生! ! ：! 至堡里堡! ! ! ! 垩墼! ! ! 堡! ! ! 楚曼塑翌2 烧失量s i 0 2a 1 2 0 3f e 2 0 3 c a o m 9 0 s 0 3总数 0 3 2 9 o 1 3 21 2 2 ) 超细水泥性能及其改性 塞塑望王查堂堡主丝塞 一一 ( 1 ) 流动性“水泥粒子的细度与吸附水量关系如表7 所示，随着水泥的 细化，比表面积显著增大，吸附水量增大，需水量增加，流动性降低，但是高效 减水剂的应用大大降低了粒予的吸附水量，增大了浆液的流动性。表8 所示为葛 洲坝水泥厂生产的超细水泥掺高效减水剂的粘度，按水工建筑物水泥灌浆施土 技术规范，其流动性均能满足施工要求。 表7 水泥粒子细度与吸附水量关系“” 一 ：! 兰! ! 旦型型! ! ! ! 堑堕堂! 塑墅! ! ! ! ! 婴! 塑! 型! ! ! ! 堡盥型竺! 堕 水泥粒子尺寸，肛小比表面积( m 弧曲单分子层吸附水的量“质量百分数) 表8 葛洲坝水泥厂生产的超细水泥的粘度 ! 尘! 堡! ! 熊! 塑堡堕巡壁坚型堡坚鱼! 兰竺曼! 堡堡! 堕出! 壁 水灰比 o 6o 81 02 03 0 粘度s 2 6 42 0 61 8 9 1 6 11 5 o ( 2 ) 抗压和抗渗强度 水泥细化后抗压和抗渗强度均得到显著提高，表9 为葛洲坝水泥厂生产的4 2 5 号普通硅酸盐水泥经磨细后强度指标，常压析水时抗压强度增加3 0 以上，压力 脱水强度增加4 0 以上。而且压力脱水后结石强度比常压析水增加4 0 0 以上。 表9 水泥浆材结石抗压强度和抗渗值 水灰比= 0 6 ，常压自由柝永 水灰比= 1 o 8 m p a 压力脱水 品种 抗压强度抗渗强度抗压强度 抗渗强度 7 d 2 8 d 7 d 2 8 d 7 d 2 8 d 7 d 普硅7 2 11 4 oo 1o 5 3 2 ，84 9 ，5 3 5 、超细 ；1 善辱0 1 8 3 0 o 235 0 3 07 0 3 0 3 5 ( 3 ) 静切力 。 泥浆切力计是用来测量在静止时粘土颗粒之间相互吸引粘结而成的网架结构 的强度大小( 静切力) 即破坏泥浆中单位面积上网架结构所需要的力( 切力) ， 测量所得的初切力和终切力对钻井和护孔都有着很大的意义。 2 超细水泥浆液基本性状 表1 0 静切力实验数据 1 h b l e 1 0n e ts h e a rs t r e s s ( 4 ) 可灌性“1目奉m a s o s h i m o d a 等人在渗透系数为4 2 7 l o 。3 c m s 和3 7 5 1 0 c m s 的砂中成功地进行了超细水泥灌浆。超细水泥可灌入渗透系数为 1 旷3 1 0 c m s 的砂层中，相当于压水试验的1 0 u 到1 0 0 。 日本技术人员在室内容器中做过对砂层的贯穿试验，普通水泥浆液只穿入砂 层o 5 册深，而超细水泥浆液则穿入1 0 1 5 伽深”。 超细水泥注浆材料由极细的水泥颗粒组成，其平均粒径为4 f 肺最大粒径约 等于1 0f 四，比表面积在8 0 0 0 c m 2 g 以上。这一性质使超细水泥浆液有很好的可 注性。能注入渗透系数为1 0 4 1 0 一c m s 的细砂。 由于超细水泥细度极高，辅以高速搅拌措施后浆液稳定性好，水泥迸入裂隙 和孔隙的机率大，单位水泥注入量大大提高，增加了砂岩和砂砾岩的可灌性。” 2 。3 超细水泥浆液发展历史 超细水泥是8 0 年代初臼本首先研制成功的新型无机灌浆材料，美、俄国也相 继开发成这产品，由于浆液稳定性好，渗透能力强，可达到和化学浆材相近的 可注性，且浆材无污染，价格低廉，因此迅速地得到广泛应用，同时利用超细水