（水工结构工程专业论文）粘土中压力注浆动态数值模拟研究.pdf

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gi sap o p u l a rm e t h o di nd e a l i n gw i t hg r o u n d w o r k w i t hi t sm a n y a d v a n t a g e ss u c ha ss a v i n gt i m ee f f i c i e n c ya n de c o n o m ye r e ，t h i st e c h n o l o g yh a sb e e n w i d e l yu s e di nt h ef i e l d so f t r a f f i ci r r i g a t i o nw o r k sa n da r c h i t e c t u r e b e c a u s er e s e a r c h a b o u tg r o u t i n gi nc l a ym u s tc o m b i n ep e n e t r a t i o nh y d r o f r a c t u r ea n dc o n t p a c t i o n , i ti s m u c hc o m p l i c a t e dt h a nt h o s ei nc r a c ka n dg r a v e l a tp r e s e n tm o s tr e s e a r c hg i v e s p r i o r i t yt om o v e m e n ta n dd i f f u s e n e s so f $ e 1 o s i t yi nc r a c ka n dg r a v e l ，b u tr e s e a r c ho f g r o u t i n gi nc l a yi s n tp a i dm u c ha t t e n t i o nt o r e c e n ty e a r sa sd e v e l o p m e n to ft h e c o m p u t e ra n ds o f t w a r e ，i tb e c o m e sr e a l i t yu s i n gn u m e r i cs i m u l a t i o nt or e s e a r c h g r o u t i n gi nc l a y u s i n gt h es o f t w a r eo f p f c 2 d ，t h eg r o u t i n gi nc l a yi sl u c u b r a t e da n d s u c ha c h i e v e m e n t sa r er e a c h e d ：( 1 ) g r o u t i n gt e c h n o l o g i e si ne x i s t e n c eg r o u t i n g m a t e r i a la n ds e r o s i t ya r cs t u d i e da n dr a t i o n a lm e t h o d sa r cp u tf o r w a r di nc h o o s i n g g r o u t i n gt e c h n o l o g ya n ds e r o s i t y ( 2 ) b a s eo nn u m e r i cs i m u l a t i o nh i a xt e s tam e t h o d i se x p l o r e dt os i m u l a t ec l a y 丽t hp f c 2 d ( 3 ) am e t h o di se x p l o r e dt os i m u l a t e g r o u t i n gu s i n gp f c 2 d ( 4 ) t h er e l a t i o nb e t w e e ns e r o s i t yp r e s s u r ea n dd i f f u s e n e s so f g r o u t i n gi nc l a yw i t hd i f f e r e n ti n i t i a ls t r e s si ss t u d i e d ( 5 ) t h es t r e s st r a n s f o r m a t i o no f c l a yi ss t u d i e dd u r i n gg r o u t i n g ( 6 ) t h es t r e s sd i s t r i b u t i o ni ss t u d i e du n d e rd i f f e r e n t s e r o s i t yp r e s s u r e ( 7 ) t h en o r m a ls t r e s s sa n ds h e a r s t r e s s sa ta n ys e c t i o na r es t u d i e d ， k e y w o r d ：g r o u t i n gg r o u n d w o r kr e i n f o r c e n u m e r i cs i m u l a t i o np f c c l a y 2 第一章绪论 第一章绪论 灌浆法是利用液压、气压或电化学原理，通过注浆管将水泥浆液、粘土浆液 或其他化学浆均匀地注入地层中，浆液以填充、渗透和挤密、劈裂“1 等方式填充 土颗粒间或岩石裂隙中的空隙，经一定时间凝固后，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、防渗性能高和化学稳定性良好的 。凝结体” 1 1 注浆技术的发展历史 注浆技术最早可以追溯到1 9 世纪初叶，被欧洲一些国家应用于基础工程、水 坝、矿山工程中，1 8 0 2 年，法国工程师c h a r l e sb e r i g u y 在d i e p p e 采用了灌注黏 土和水硬石灰浆的方法修复了一座受冲刷的水闸。1 8 8 4 年化学浆液开始问世，再 后来又有了水玻璃注浆材料。2 0 世纪4 0 年代，注浆技术的研究和应用发展进入一 个鼎盛时期，各种水泥浆材和化学浆材相继问世，尤其是6 0 年代以来，有机高分 子化学浆材得到迅速的发展，各国大力发展和研制注浆材料及其注浆技术，我国 在这段时期内在注浆技术方面的研究和工程应用也得到迅速发展，规模较大随 着化学注浆的出现和发展，注浆理论和工艺相继产生1 9 3 8 年马格( m a g g ) 发表了 在颗粒材料中注浆的简化理论。随后出现了柱状渗透理论，注浆工艺也在不断的 革新。随着注浆技术的广泛应用和深入研究，逐步形成渗透注浆、压密注浆、劈 裂注浆和复合注浆等理论和工艺。注浆设备和观测仪器也在不断的更新换代。2 0 世纪6 0 年代，英国采用灌浆的方法处理了巴尔德赫德坝的心墙裂缝。在1 9 7 0 年美 国也采用灌浆技术处理了希尔克里格坝的心墙与山坡接头处的漏水问题。随着土 木工程建设的发展，其中如何处理不良地质现象在岩土工程中显得尤为重要，应 用注浆技术可以有效地加固不良地层，在软地基处理、防护工程及隧道支护工程 中具有广泛的应用价值。1 。 1 2 注浆技术研究现状 1 2 1 注浆技术的理论研究 3 山东大学硕士学位论文 1 二维粗糙裂隙中的浆体流动 窦铁生，赵国赢。1 认为在二维平面等厚光滑裂隙中，宾汉流体浆体在压力作 用下有平衡方程：a _ z ，一妾：0 ，根据裂隙内浆液边界条件m ：引入边界条件和 4 rd z 流变方程r = l o + r y ，对平衡方程式积分，得：r = 軎( z 一 ) ；f o = 一筹z 。推 导出浆体在裂隙中的压力p 分布及最终扩散范围( r ) 为 p = 晶一鲁( ) r = 詈+ ( 1 - 1 ) 窦铁生，赵国赢训应用幂律流体的流变特性，推导出幂律浆液流经水平裂隙 时产生的径向压力梯度，它与离开灌浆孔距离的1 1 次幂成反比。而任一点处的压 力值与扩散半径的对数和浆液粘度成正比，与裂隙宽的三次方成反比。在此基础 上，分析了浆液趋于牛顿流体时的扩散半径，以及灌浆各因素之间( 灌浆压力、 灌浆时间、扩散半径) 的相互影响关系。 w i t t k e 旧于1 9 6 8 年提出，一条宽为4 ，倾角为口的平面裂隙被直径为2 r o 的 垂直钻孔切割时，在有效灌浆压力p 的作用下，浆液达到的距离取妒) 为 胄 = r o + a p r o + ( 4 ，f o ) ( 以一y ) s i n o t c o s t , ( 1 2 ) 式中：f o 为临界阻力。 g l o m b a r d i ( 隆巴迪) “1 在其著作中介绍了浆液扩散半径公式： 置= 譬 ( 1 3 ) o 式中：p 为灌浆压力，f 为 裂隙宽度，c 为单位面积凝聚力( 抗剪强度) r 此公式是隆巴迪在圆管内做了许多次浆液运动试验，发现浆液扩散半径与灌 浆压力、圆管半径成正比，与稳定浆液的凝聚力成反比，因而得出上述公式。但 通过小浪底工程灌浆试验验证，得出的计算浆液扩散半径比实测值约大1 0 0 倍。 此后一些学者对此公式进行了改进： 足= 口l 口2 c e ( p t l c ) ( 1 4 ) 式中：吼为直、斜孔效益系数；嘞为管壁与隙壁差异系数；口为单位换算系数， 结合小浪底工程，口2 = o 0 1 ；口= 1 0 0 0 。 4 第一章绪论 王民寿，樊天龙等m 对隆巴迪公式进行修正，认为隆巴迪公式应乘以一个修 正系数k ( k 1 ) ，但是没有给出k 值的各影响因素的权重。 牛永田，王占亭m 分析了灌浆压力以及浆液浓度对灌浆质量的影响，认为： ( 1 ) 使用较稀浆液灌浆，增加了灌浆的复杂程度，延长了灌浆时间，尤其在较高 的灌浆压力下，造成浆液过度扩散，浪费灌浆材料，而且所灌裂隙不能完全被水 泥填充，有些通路仍保持清水充填。其结果在裂隙中的充填物是多孔的和透水的。 ( 2 ) 灌浆的目的是在灌浆段周围要求的半径范围内堵塞尽可能多的裂隙。浆液在 岩体内是沿裂隙扩散的，扩散半径与灌浆压力存在密切关系。直接影响灌浆质量。 压力太低，扩散半径小，形成的帷幕不密实，不能满足防渗要求；压力过大，造 成浆液扩散过远，浪费灌浆材料。 刘嘉材例应用牛顿流体的摩阻力定律，研究了浆液在裂缝中的流动特性和扩 散半径，推导出表示各参数关系的理论表达式： f ：1 0 2 1 0 - 7 r ( r 2 - ：r 2 ) l n r r( 1 5 ) ( p 一昂) 西2 式中t 一浆液扩散半径为r 时所需的灌浆时间m i n ； r 一浆液初始粘度，砌s ； r 一扩散半径沁m ，等于灌浆孔距的o 7 倍； ，一灌浆孔半径，c m ； p 一灌浆压力m p a ； p o 一灌浆段的地下水静压力m p a ： b 一裂缝宽度，m m 。 ； 将上式变换为计算扩散半径，并采用工程上的计量单位，变为下式： r = 9 0 0 5 + ，c ( 1 6 ) 式中：t 用m i n ；，7 用m p a s ，此公式没有考虑裂隙的粗糙度及地下水粘性阻力 的影响。 2 渗透灌浆 渗透灌浆代表性的理论有球形扩散理论、柱性扩散理论和袖套管法理论。 ( 1 ) 球形扩散理论 m a g g ( 1 9 3 8 年) 假定“”：被灌砂土为均质和各向同性的；浆液为牛顿 体；浆液从注浆管底端注入地基土内( 此假定是相对于柱型扩散理论而言，即 注浆点为点源) ；浆液在地层中呈球状扩散。 f - 鱼3 k 啊r e 或，i = 浮 ( 1 7 ) 式中：k 为砂土渗透系数( c m ，s ) ；声为浆液粘度对水的粘度比，r ，为浆液扩散半 径( c m ) ，h 。为灌浆压力( m p a ) ；h o 为注浆点v j , 上的地下承压水头( m p a ) ：r o 为灌浆管半径( c m ) ；t 为灌浆时间( s ) ；n 为砂土的孔隙率。 m a g g 公式比较简单，对粘度随时间变化不大的浆液能给出渗入性的初步轮 廓。所以目前较多的工程均使用此公式。除m a g g 公式外，常见的还有k a r o l 和 r a f f l e 公式等： 酬从式署f 一_ o 6 2 停 ( 1 - 8 ) 一撼一丽计l t 吖t ；b 一竽晤一- ”。) 另外，r 棚e 和g r e a n w o o d 推导出注浆点源的球型扩散半径、浆液流量和浆 液压力之间的关系式“： 噍= 羔书+ 爿 小 式中：k 为地层渗透系数，为浆液粘度与水的粘度之比：q 为注浆量( c 缸3 ) ； h 为球形扩散半径，对于柱型注浆源，0 = ( l ，d 弦( 其中l 为柱长，d 为柱直径) ， 其它参数同上。 浆液从注浆源( 钻杆底部) 扩散到半径为r 的球面所需的时间为： 一面计l t 吖t 彳, - 7 寸等( 删 ( 1 - 1 1 ) 式中：为塑性粘度；其他符号同前。 如果略去方括号内的第二项，并且f ，右远大于1 ，此公式就简化为m a g g 6 第一章绪论 公式。 在桩底灌浆可以提高桩的承载力，对于支撑在砂或砂砾石层上的桩，黄敏等 “”在渗流理论的基础上，认为注浆过程是一个把土孔隙中水挤出的过程，分析了 桩底灌浆的超静水压力及其梯度、灌浆量与浆球半径关系，推导出灌浆半径的公 式： 。 足= f 瓢 ( 卜1 2 ) 式中：r e 为灌浆管半径，n 为土体孔隙率，v c 为浆液体积。 最后作者给出了超静水压力水头的分布、灌浆压力水头梯度分布的规律，并 探讨了浆液渗透系数和土的孔隙率对灌浆半径的影响。 沈锡英“”根据达西定律和速度分量满足连续性方程分别求得了灌浆流量恒 定和随时间线性增加情况下的空间各点的流量表达式。并在假定某点的流量与灌 浆量之比q q 。 0 0 5 时，认为无浆液，从而得到浆球半径r 与时间的关系式为： 当灌浆流量恒定时： ，= 3 9 4 、g t 0 - 1 3 ) 式中：g = k k ，k 为土体渗透系数，置，为土介质的体积变化模量。 当灌浆流量随时间线性增加时： ，= 3 1 以- k ， ( 卜1 4 ) 可以看出，作者认为浆球半径与f 成正比；k 、k 。越大，浆球半径越大。 ( 2 ) 柱形扩散理论 ； 根据柱形扩散理论有： 。 式中：q 为单位时间的注浆量，其它符号同前。 ( 卜1 5 ) ( 卜t 6 ) 7 攀 = f 山东大学硕士学位论文 林松梅。”等也根据达西定律在如下假定下：被加固土体为均质各向同性： 浆液为牛顿体，即液体剪切率与剪应力成正比例；液体在地层中按层流渗透， 加固体呈规则柱状体；加固体范围内无地下水。 再加上简单的边界条件推导出灌浆半径与时间的关系式： 培k0 8 7 堕f ( 1 一1 7 ) 19 r dn m p 。 式中：h 。为有孔灌浆管处液体受到的压力( 厘米水头) ；m 为经验系数；h 为有孔 灌浆管的高度( c m ) ；其它符号同前。 根据此式求解r 值较困难，通过它的反函数求解t ，每当给定一个r 值，便 求得一个t 值。根据设计需要确定出r 后，求解出灌浆时间t 。只要t 小于浆液 的凝固时间，由灌浆时间t 可以控制灌浆量及加固半径。 文献“1 根据渗流微分方程给出了宾汉姆流体的柱面扩散公式： r = ，= 竿丸( 刊 ( 卜1 8 ) 式中：e = 面m 。a d ：，以为孔隙直径，n 为体积孔隙率；。为土颗粒直径；a 为苗 试验确定的常数；b = t o ，卢；r o 为流体开始流动时的极限剪切力；p 为塑性粘 度；c = 互荔鲁可；r 为距离注浆孔中心的距离；t 为时间，p 。为孔底最大压 力；乓为距离注浆孔中心r 处浆液的压力。 ： 詹美礼等“5 1 基于非牛顿流体力学和浓度扩散理论，对柱状注浆理论进行了改 进，得出了浆液在地层中的运移范围。又假定浆液浓度达到注入浆液浓度的6 0 以上时作为灌浆的有效注浆半径，从而得到有效灌浆半径等于浆液运移范围 的0 7 倍。并给出了灌浆前后孔隙率改变的理论公式。 ( 3 ) 袖套管理论 假定浆液在砂砾中做紊流运动，则其扩散半径为： ，l = 2 ( 1 1 9 ) 第一章绪论 其中d c 为被灌土体的有效粒径；p 为浆液的运动粘滞系数，其余符号同前。 3 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，使其沿垂直于小主应力平面上发生劈裂，使地层中原有的裂隙或者 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 王民寿“等从力学角度，将劈裂灌浆过程归结为。劈裂的浆刃效应，充填的 扩张效应以及挤密的回弹效应”，说明了在强固结、弱胶结的地层中采用劈裂灌 浆是适用的。 ( 1 ) 砂和砂砾石地层 由于灌浆压力的作用，使砂砾石土中的有效应力减小，当灌浆压力p o 达到 下式时，地层破坏： p ：鲤! 血幽一丝i 垂必+ c - t 妒( 卜2 0 ) zz s m 口 式中：r 为砂或砂砾石的重度( 锄3 ，曲；r - 为水的重度( c m 3 ，g ) ；h 为灌浆段深度( m ) ； h - 为地下水位高度( m ) ；k 为主应力比。 ( 2 ) 粘性土 在粘性土层中，水力劈裂将引起土体固结及挤出现象，在只有固结作用的条 件下，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 ：r ( o h )，4 石r 2 (121p n 2 d r ) 。l ( o h )， 石 2 ( 一 q = p m ( 卜2 2 ) 式中；4 为浆液的扩散半径( m ) ；p 。为灌浆压力( m p a ) ；u 为孔隙水压力( m p a ) ； m 为土的压缩系数；p 为有效灌浆压力( m p a ) 。 在存在多种劈裂现象的情况下，用下式确定土层固结度c ： c ：( ! - v ) ( n o - n i ) 1 ( 1 - 2 3 ) ( 1 一n o ) 式中：v 为灌入土中的水泥结石总体积( 立方米) ；n 0 为土的天然孔隙率，n l 为 灌浆后土的孔隙率 一 4 灌浆压力的确定o ” 浆液的扩散半径与灌浆压力的大小密切相关，因此，人们往往倾向于采用较 9 山东大学硕士学位论文 高的灌浆压力，在保证灌浆质量的前提下，使钻孔数尽可能减少。高压灌浆还能 使一些微细孔隙张开，有利于注浆。对于灌浆压力有两种不同的看法： ( 1 ) 尽可能提高灌浆压力的观点 这种观点认为：在灌浆过程中，压力使岩石中的裂隙张开，水泥颗粒沉淀 在裂隙壁上，而当压力被释放时，裂缝趋于闭合，挤压水泥，从而使水泥和岩石 非常紧密地胶结在一起。在高压下，浆液会进一步扩散，将减少达到预定成果 所需灌浆孔的数量，从而节省费用。当裂缝被灌浆材料填塞时，灌浆期间产生 的压力会压实这种材料，在内部形成一种晶格结构，从而减小被灌岩土的渗透系 数。在压力灌浆时，水从浆液中被挤出，在裂缝中形成一种高摩阻力材料，使 浆液与岩石能够更好地胶结。 ( 2 ) 灌浆压力尽量小的观点 这种观点认为：压力高于上部荷载，灌浆材料就会呈扁豆状或平面状渗透 到土层中松软地带，在地层中形成剪裂面，浆液冒出，造成浪费。压力过大， 造成隆起，对周围建筑物不利。在确定灌浆压力的时候，必须考虑地层的承受 能力，特别是在地表附近的灌浆段。 ( 3 ) 灌浆压力的确定 在无附加压重的情况下，【只l = 晶+ m h ，式中昂为地面段容许灌浆压力， m 为灌浆段每加深一米容许增加的压力值，h 为灌浆段深度。 地面有附加压重时， 置】- 】+ 置加，式中k 为系数，一股取1 - - 3 ，为 压重重度，h 为压重厚度。 砂砾石地基灌浆压力由下式确定， 弓】_ c ( o 7 5 t4 - 置砌) ( 1 2 4 ) 最】= 朋+ c k 2 h ( 卜2 5 ) 式中：c 为与灌浆期次有关的系数，第一期孔c = i ，第二期孔c = i 2 5 ，第三期 孔c = 0 5 ；t 为地基覆盖层厚度；k 为与灌浆方式有关的系数，自上而下灌浆k = o 8 ，反之，k = 0 6 ；五为与地层有关的系数，在0 5 1 5 之间选择，结构疏松 取低值，反之取高值；h 为地面至灌浆段深度；口为系数，在1 3 之间选择；，为 地表面以上覆盖层的熏度。 1 0 第一章绪论 还有考虑浆液浓度对灌浆压力影响的经验公式： 【只】= 昂+ r h r a ( n t h ) 一( 日l 一h 2 ) ( 1 - 2 6 ) 1 2 2 注浆技术的实验研究 谭愈荣“”曾设计了一套模拟试验装置，可以在管内充填各种填料，并通过加 压装置加压模拟灌浆压力，由于外管为透明玻璃筒，可以清楚分析浆液的渗透速 度、渗透半径和胶凝情况等。 前苏联学者“”曾选用不同渗透系数、不同粒度模数的细砂，注入粘度不同的 化学浆液得到了注浆时间、浆液粘度、渗透速度、注入量、注浆压力以及扩散半 径等各因素之间的关系。如浆液扩散半径与注浆压力、被注砂子特性、浆液粘度 的关系式为： r = 2 8 3 8 2 p 。5 3 mo。“3to鄙(1-27) 式中：r 为扩散半径( c m ) ；p 为注浆压力a ) ；m 为砂子的粒度模数，对应于 此公式的砂子粒度模数为m = 2 5 5 5 x 1 0 2 ；a 为浆液粘度( m p a s ) ；t 为注浆时 间( m i n ) ； 对多孔介质“”注浆模拟试验结果得到以下回归公式： r = 8 7 p ”k 。3 ”，r “9 f “1 埘r 0 3 i i o 2 7 。 ( 1 2 8 ) 式中：r 为浆液的实际扩散半径，p 为注浆压力，k 为被注介质的渗透系数，胁 为浆液的初始粘度，t 为注浆时问，t 为注浆凝胶时间，h 为注浆段高度。从上公 式可见，注浆压力对浆液扩散的影响最显著，其次是浆液的初始粘度和浆液的凝 胶时间，再次是被注介质的渗透率和注浆时间。 有的学者还设计试验系统分析了粘度对压力分布的影响“”，认为随着浆液的 粘度逐渐增加，浆液渗流压力的分布并不呈线性的函数关系递减，而随着粘度的 增加，衰减的速度也在增加；浆液的渗流压力分布和扩散距离之间呈二次抛物线 关系 有学者研究了孔隙水对注浆的影响。“。在充满孔隙水的多孔介质中，保持泵 压和粘度不变，只要浆液粘度大于水的粘度，渗流的运动将是减速运动，粘度越 大，速度越慢，而且速率递减越快。 l l 山东大学硕士学位论文 1 2 3 注浆技术的数值模拟 李宁等n 。1 从工程仿真模拟分析的角度，对灌浆后岩土体的变形、强度、损伤 及渗透特性的主要变化规律进行了力学模拟和仿真分析。 吴顺川利用岩土颗粒元程序p f c 2 d ，从微观上模拟压力注浆浆液扩散、土 体压密及产生劈裂效应的过程，对土体改性注浆过程、理论、方法从微观上进行 了合理的解释。 郑鹏武等。”采用数值模拟方式模拟了溶洞、暗河、断层对渗流场的影响，研 究了注浆与不注浆两种工况下的渗流情况。 1 3 问题的提出 自灌浆技术应用于工程以来，在无数科技工作者努力下，对其进行的研究已 取得了长足的进展，分析现有研究成果，影响浆液扩散范围主要因素，多归结为 注浆压力、裂隙宽度、浆液粘滞性，注浆土体的粒径及水泥颗粒的细度、注浆持 续时间等，一般不考虑注浆体中应力对浆液扩散范围的影响。这对于岩石裂隙、 砂砾等大孔隙进行充填注浆或渗透注浆影响不大，而对于受注浆体中应力影响比 较大的劈裂注浆、挤密注浆，在确定浆液扩散范围时则必须考虑土体中应力的影 响。 不同于裂隙岩体及砂砾中的注浆，土体中注浆加固不仅取决于浆液在已有裂 隙中的渗透，注浆过程中浆体对土体的压密、劈裂也对注浆效果有很大的影响。 而裂隙产生及土体被压密的程度除与土体性质有关外，还取决于土体中的应力状 ， 态，因此研究土体中注浆必须将注浆压力、土体性质以及土体应力结合起来。 另外目前对注浆过程中不同阶段土体中压应力的变化、不同注浆压力对土体 应力分布的影响、土体中任一截面处正应力与剪应力的对比关系研究也比较少， 亟需深入探讨研究。 1 4 本文的主要研究内容及研究方法 结合注浆技术的研究现状，本文主要做以下工作： 1 绘制土样的应力应变曲线。结合实际工程，采用室内三轴试验测定土体 的物理力学参数，并绘制侧压为i o o k p a 、2 0 0 k p a 、3 0 0 k p a 围压下土体的应力应 第一章绪论 变曲线 2 进行数值试验，确定数值模型参数。采用数值双轴试验的方式，进行数 值模型应力应变曲线与室内三轴试验应力应变曲线的拟和试验，确定数值模型 参数。 3 研究不同注浆压力时浆液扩散半径。运用离散元程序建立模型，结合土 体中应力状态、土体性质，研究探讨注浆压力与浆液扩散半径关系。 4 研究注浆过程中不同阶段土体中压应力的变化规律，在数值模型中设定 观测点，实时监测记录注浆过程中土体中应力，并对监测结果进行分析研究。 5 研究不同注浆压力对土体应力分布的影响。设定土体初始侧向应力状态， 布置监测点，监测并记录注浆过程中由注浆孔向外土体中的应力变化。逐步提高 注浆压力，研究土体中应力随注浆压力的改变情况。 6 研究土体中任一截面处正应力与剪应力的对比关系研究。布置监测点， 监测并记录注浆过程中土体某一截面正应力与剪应力，研究注浆过程中正应力与 剪应力变化规律。 1 5 小结 本章主要作了以下几方面的工作： 1 研究了注浆技术的发展历史。 2 研究了注浆技术的研究现状，其中包括注浆技术的理论研究、试验研究、 以及数值模拟研究方面的进展。 3 分析现有研究成果，提出目前需要解决的问题。，： 4 确定了本课题的研究内容并制定了研究方法。 山东大学硕士学位论文 第二章灌浆加固技术 用灌浆的方式处理地基基础( 包括防渗或固结灌浆等) ，已经成为常用的方 法，而真正成为一种正式的施工技术，只是最近几十年的事。尽管时间比较短， 由于这种施工技术有省工、有效、经济的优点，所以它在交通、水利、建筑等 工程领域内得到了广泛的应用。1 。 2 1 常用的灌浆技术 我国在5 0 年代初才开始使用注浆技术。它分为静压注浆、高压喷射注浆， 其中静压注浆又分为：充填注浆、渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆以及最近几年 新发展的托底注浆。 1 压密注浆( c o n t p a c t i o ng r o u t i n g ) 珏町 通过钻孔向土中灌入浓浆液，在注浆点使土体压密而形成浆泡，当浆泡的直 径较小时，灌浆压力基本上沿钻孔的径向即水平向扩散。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。硬化的浆液混合物是一个坚固的压缩性 很小的球体。压密灌浆可用于非饱和土体。当合理的使用灌浆压力并造成适宜的 上抬力时，能使下沉的建筑物回升到精确的位置，此种方法用于处理一些古建筑。 2 劈裂灌浆( h y d r o f r a c t u r eg r o u t i n g ) 嘲 浆液在较高压力的作用下劈入粘土层( 通常土颗粒的粒径小于0 o l m ) ，。淼液 的劈裂路线呈纵横交叉的脉状网络，固结形态多呈扁平或板状固结。 3 劈裂渗透注浆( h y d r o f r a c t u r ea n dp e n e t r a t i o ng r o u t i n g ) 控制注入压力和速度使其先形成劈裂注浆，但形成的劈裂面不大，此后浆液 沿劈裂脉作渗透注入，固结形状为扁平球体。 4 充填灌浆( f i l lg r o u t i n g ) 充填注浆是指注入浆液充填地基土内的大空隙、大空洞的注浆，卵石层、 碎石层、砂砾层及隧道工程中的背后回填注浆等均属这类注浆。 1 4 第二章灌浆加同技术 5 渗透注浆( p e n e t r a t i o ng r o u t i n g ) 渗透注浆汹1 方式的机理是浆液在压力作用下，渗入土的空隙和岩石裂隙中 汹1 ，将空隙中的自由水和气体排挤出去，但不改变土体结构的原状和体积。浆液 凝固后把土颗粒粘接在一起，使土层的抗压强度和抗渗性能得以提高。相对而言， 注浆压力较小。通常只适用于中砂以上的砂性土和有空隙的岩石。固结形态为球 形。这一类灌浆一般只适用于中砂以上的砂性土和有裂隙的地表浅层岩石 6 托底灌浆 托底灌浆是一项新技术，还处在开发阶段，用于大孔隙介质的充填灌浆，构 成一种悬挂式的水平帷幕“1 在遇深厚层大孔隙介质时，只需在有限厚度内进行 灌浆加固，采用传统的灌浆技术无法控制浆液向底部扩散流失，造成浆液消耗大， 工程造价高，而托底灌浆既能很好的解决这一问题，又同时达到良好的基础加固 效果。 7 高压喷射灌浆蚴 高压喷射灌浆技术是用钻机钻孔，然后把带有喷头的灌浆管下至土层的预定 位置，利用高压射流作用切割掺搅地层，改变原地层的结构和组成，同时灌入水 泥浆或复合浆液形成凝结体，以此达到加固地基和防渗的目的。它的主要优点是： 不需要对地基开挖，只要钻孔至某一地下设计深度，就可以按设计要求造成一定 几何形状的混凝土凝结体，这是目前任何别的施工法都难以达到的。固结体的形 状和喷射流的移动方向有关。一般分为旋转喷射( 简称旋喷) ，定向喷射( 简称 定喷) 和摆动喷射( 简称摆喷) 。旋喷桩主要用于加固地基，提高地基的抗剪强 ，。 度，改善地基土的变形性能，使其在上部结构荷载作用下，不至破坏或产生过大 的变形。定喷固结体呈壁状，摆喷形成厚度较大的扇状固结体。定喷和摆喷通常 用于地基防渗加固工程。该技术主要用于水库土坝地基防渗加固，经改造用于地 基覆盖层、接触带等的防渗，在大块径、堆石体等地质条件也可建造防渗墙，也 可用于提高地基承载力，尤其适用于第四纪冲积层、残积层及人工填土等。其优 点是不需要对地基进行开挖，即可在地基的某一深度建造符合设计要求的防渗 体，但在岩溶塌陷发育地区，往往由于漏浆严重不易形成完整的浆柱固结体，很 难达到预期的加固效果。 山东大学硕士学位论文 2 2 灌浆材料 2 1 1 灌浆材料的种类1 灌浆材料主要可分为两类：一类是固粒浆材，即固体颗粒的灌浆材料，如水 泥、粘土、砂等；另一类是呈真溶液的化学浆材。 1 固粒灌浆材料 固粒灌浆材料有许多种，应根据灌浆的目的和地基地质条件而选择适用的灌 浆材料。一般来讲，作为灌浆用的材料，应具有下述的特性： ( 1 ) 颗粒细。作为灌浆材料的首要条件是要求颗粒细，即具有一定的细度， 以便能灌入到岩层的裂隙、孔洞中去，这是实现灌浆的前提。如果材料的颗粒粗， 不能进入受灌的裂隙或孔洞，则灌浆就失去了作用。一般来讲，浆材的粒径需小 于裂隙宽度的1 3 l 5 ，灌浆才易奏效。 ( 2 ) 稳定性好。固粒材料与水混合后，所制成的浆液，其颗粒在一定的时间 内和一定的条件下( 如搅拌、流动) 在浆液中应能保持呈均匀分散的悬浮状态，使 其成为均质的浆液，并具有稳定性好，流动性强的性能。这样，才有利于灌注工 作，才能保证获得良好的灌浆质量。 ( 3 ) 粘结性强。用固粒材料制成的浆液，灌入到岩层的裂隙或空洞中，经过 一定时间应能逐渐凝结而成为坚硬的结石，起到填充、固结或防渗的作用。 ( 4 ) 结石的强度高。并具有良好的耐久性。由浆液凝结而形成的结石，须具 有一定的强度、粘结力和抵抗地下水侵蚀的能力，以保证灌浆的效果及耐久性。 ， 2 化学灌浆材料 从近期的发展来看，化学灌浆材料的应用逐渐增多。由于灌浆的目的和坝基 地质条件的不同，采用的化学灌浆材料也随之而异。作为化学灌浆材料，一般应 具有如下条件： ( 1 ) 粘度低，流动性好，能顺利地灌入细微裂隙。 ( 2 ) 聚合的时间能根据实际的需要准确地控制。 ( 3 ) 凝胶体具有一定的密实性、防渗性和抗挤力。如果是为了加固的目的， 还须有一定的抗压和抗拉强度。若用于混凝土裂缝处理，则需有良好的粘结强度。 ( 4 ) 抗溶蚀性强，耐久性好，不易老化。 1 6 第= 章灌浆加固技术 ( 5 ) 浆液易于配制，操作简便。 ( 6 ) 无毒性或毒性甚微。 ( 7 ) 材料易于购置，价格较低。 2 1 2 水泥 水泥是一种粉状物，它与水化合后成为可塑性的材料，并能逐渐凝结硬化形 成像岩石一样坚硬的固体，称为水泥结石，所以水泥是一种水硬性的胶凝材料。 水泥是固粒灌浆材料中的最主要和应用得最广泛的灌浆材料，目前基础灌浆 仍多以水泥为主。 l 水泥的成分及其作用 ( 1 ) 硅酸三钙( c 3 s ) 。其与水起化学变化的速度很快，为水泥结石强度的主 要来源。水泥2 8 d 的强度多决定于它。 ( 2 ) 硅酸二钙( c 2 s ) 。其与水起化学反应的速度比硅酸三钙慢，即凝固得迟 缓，水泥的后期强度完全依赖于它。由于水泥中硅酸三钙和硅酸二钙的含量最多， 所以用石灰质和粘土质制成的水泥称做硅酸盐水泥。 ( 3 ) 铝酸三钙( c 砧。其与水起化学反应的速度最快，是决定水泥三天内强 度的主要因素，但其含量不宜过多，因为过多会使水泥水化时急速凝结硬化，不 利于施工。 ( 4 ) 亚铁铝酸四钙( c a f ) 。其与水起化学反应后强度不高，其水化物没有 胶凝性。但它在水泥熟料烧制过程中，能在烧成阶段时熔化成液体，使硅酸二钙 和氧化钙容易变成硅酸三钙。： ( 5 ) 氧化镁( m 9 0 ) 。其与水起化学反应甚慢，生成氢氧化镁，体积变大，影 响水泥体积的安定性。 ( 6 ) 游离氧化钙。在水泥熟料中还含有一些没有起变化的氧化钙。通常称 为游离石灰，它是在烧成阶段中生成硅酸三钙时没有作用完全而剩下来的。 ( 7 ) 三氧化硫。水泥中三氧化硫的含量不得超过3 5 。 2 灌浆用水泥 水泥的品种很多，灌浆工程所采用水泥的品种应根据灌浆目的、基础地质条 件以及环境水的侵蚀作用等确定。一般情况下应采用普通硅酸盐水泥。当有耐酸 1 7 山东大学硕士学位论文 或其他要求时，可采用抗酸水泥或其他类特种水泥，使用矿渣硅酸盐水泥或火山 灰质硅酸盐水泥灌浆时，应得到设计许可。灌浆浆液水灰比不应稀于1 ：1 ( 质量 比) 。 灌浆用水泥应为新鲜水泥，受潮结块的禁止使用。灌浆用水泥应具备的主要 条件是强度、细度和耐蚀性。对于强度和细度，技术规范中有明确规定，即：“回 填灌浆所用的水泥标号不应低于3 2 5 号，帷幕和固结灌浆所用的水泥标号不应低 于4 2 5 号。” 一般讲，水泥的细度与强度成正比关系，强度高的水泥，相对来说，其细度 也较高。当地基基岩中存在有微细裂隙时，对基础灌浆所用水泥的细度，也常常 提出高的要求，例如通过“8 0l lm 方孔筛的筛余量不大于2 ”。或“7 1pm 方孔 筛的筛余量不大于2 ”，甚至要求使用细水泥浆液。由于目前各水泥生产厂制 造的水泥均为混凝土工程所用的水泥，国家标准对水泥细度的要求不高，仅为通 过8 0um 方孔筛的筛余量小于1 0 9 6 即可。所以有时在细度上不能满足做为灌浆材 料的要求，并且在“出厂水泥试验报告单”上对细度这一项也无较详细的说明。 由于各水泥生产厂的技术和设备条件不尽相同，所以生产出同样强度为 4 2 5 级或5 2 5 级的普通硅酸盐水泥，其细度却可能有较大的差别。例如同样为 5 2 5 级水泥，有的水泥生产厂制造的水泥通过8 0i i 址方孔筛的筛余量为5 4 7 4 ，而有的却为2 0 2 8 ，甚至有的为小于2 。因此，在订购灌浆用的水 泥时，应针对本工程对灌浆水泥细度的要求，提出具体的细度指标，注意挑选水 泥生产厂家，必要时，可要求厂家加工磨细，交货时提出细度试验资料。 为保证基础的耐久性，要求灌浆用的