（道路与铁道工程专业论文）柔性管加筋注浆新技术试验及应用研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着经济的发展，带动了高速公路的快速发展。在建设 高速公路的过程中，有些特殊路段，比如桥头、涵洞和路基交汇处的 过渡段，由于现场条件限制，大型压实机械无法在这些区域施工。因 而在没有大型压实机械参与施工的条件下，要达到高的压实度比较困 难。为了解决压实度困难的问题，可以采用注浆工艺进行处理。 本文研究的柔性管注浆加筋技术是通过预先埋设水平塑料注浆 花管进行现场单点注浆试验以确定现场注浆参数，包括注浆压力、注 浆量、注浆扩散半径和注浆控制标准等。通过对现场试验区域土壤进 行注浆前后物理及力学性能比较，从而验证注浆区域的注浆效果。近 年来随着计算技术的发展，使得采用数值模拟的方式研究均质土体中 的注浆成为可能，本文则利用离散元程序p f c 2 d 对现场柔性管加筋注 浆试验进行了数值模拟研究。 本文主要做了以下几方面的工作： ( 1 ) 通过现场试验研究，获得了柔性管加筋注浆管的铺设间距、 预埋设方式以及注浆施工参数和施工工艺，能对同类型回填加固工程 采用本新技术施工提供借鉴和指导； ( 2 ) 通过现场试验研究，得到了如下成果：回填料的平均干密度提 高约1 0 1 7 ，平均空隙比约减小3 1 1 2 ；承载力在2 7 天自然养护后 比正常压实施工时的高出3 0 - - 5 0 ；回填料的n 1 0 和n 6 3 5 试验的贯 入阻力( 6 天用n l o 测试和2 7 天用n 6 3 5 测试) 较正常压实施工填土高 出2 0 7 0 ； ( 3 ) 通过现场试验研究，获得了注浆压力与注浆速率的时程曲线。 ( 4 ) 采用数值模拟的方法，获得了在不同围压条件下浆液扩散范围 与注浆压力规律。 ( 5 ) 通过理论分析，获得了柔性管加筋注浆新技术的注浆参数，包 括：注浆压力，注浆扩散半径。 关键词：注浆，渗透，劈裂，压密，注浆压力，注浆扩散半径 硕上学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m yh a sd r i v e nt h ef a s t d e v e l o p m e n to ft h ef r e e w a y i nt h ep r o c e s so ft h ef r e e w a yc o n s t r u c t i o n ， d u et ot h el i m i t a t i o n so fo n t h e - s p o tc o n d i t i o n ，g o o d s i z e dc o n s t r u c t i o n m a c h i n e sa r eu n a b l et ou s ei ns o m es p e c i a ls e c t i o n s ，s u c ha st h e t r a n s i t i o n a ls e c t i o ni nt h ei n t e r s e c t i o no ft h ee n do fb r i d g e ，c u l v e r ta n d s u b g r a d e i ti sm o r ed i f f i c u l tt oa c c o m p l i s ht h eh i g hc o n s o l i d a t i o nw i t h o u t g o o d s i z e dc o n s t r u c t i o nm a c h i n e sp a r t i c i p a t i n gi nc o n s t r u c t i o n i no r d e r t os o l v et h i sp r o b l e m ，c e m e n t g r o u t i n gt e c h n o l o g yc a n b ea d o p t e d i nt h i st h e s i s ，t h ef l e x i b l et u b er e i n f o r c e dg r o u t i n gi sa c c o m p l i s h e d b yl a y i n gr e t i r e dp l a s t i cg r o u t i n gt u b ei n a d v a n c et o o p e r a t ef i e l d s i n g l e p o i n tg r o u t i n g t e s tw i t hf i n a la c h i e v e m e n to ff i e l d g r o u t i n g p a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gt h eg r o u t i n gp r e s s u r e ，g r o u t i n gc a p a c i t y , g r o u t i n g d i f f u s i o nr a d i u sa n dg r o u t i n gc o n t r o l l i n gs t a n d a r de t c b yc o m p a r i n gt h e p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs o i li nf i e l dt e s ta r e ab e f o r ea n d a f t e rg r o u t i n g ，t h eg r o u t i n ge f f e c ti nc o r r e s p o n d i n ga r e ac a nb ev e r i f i e d i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，i ti s p o s s i b l et oa d o p tn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n t og r o u t i n gi s s u ei nu n i f o r ms o i l t h ep a p e rd e a l sw i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw h i c ha p p l i e sd i s c r e t e e l e m e n t p r o g r a m i n t of l e x i b l et u b er e i n f o r c e dg r o u t i n gf i e l dt e s t f o l l o w i n gc o n t r i b u t i o n sa r ea c h i e v e db y t h i st h e s i s ： ( 1 ) t h r o u g hf i e l dt e s tr e s e a r c h ，t h el a y i n gd i s t a n c e ，p r e b u r y i n g m o d e ，g r o u t i n gp a r a m e t e r sa n dg r o u t i n gp r o c e s so ft h ef l e x i b l er e i n f o r c e d g r o u t i n gt u b ec a nb eo b t a i n e d i tc a np r o v i d er e f e r e n c e sa n dg u i d a n c ef o r s u c hk i n do fb a c k f i l lc o n s o l i d a t i o nc o n s t r u c t i o nw i t ht h i sn e w t e c h n o l o g y ； ( 2 ) b yc o m p l e t i n gt h ef i e l dt e s t i n gr e s e a r c h ，s t a t i s t i c s c a nb e o b t a i n e da sf o l l o w i n g s ：t h ea v e r a g ed r yd e n s i t yo fb a c k f i l lh a sb e e n i m p r o v e dn e a r l y10 17 ，w h i l et h ea v e r a g ev o i dh a sd e c r e a s e d31 12 ； t h eb e a r i n gc a p a c i t yo f2 7d a y so nn a t u r a lm a i n t e n a n c ei sh i g h e rf r o m 30 t o5 0 t h a nt h a to nn o r m a lc o m p a c tc o n s t r u c t i o n ；t h ep e n e t r a t i o n r e s i s t a n c eo ft h en i 0a n dn 6 3 5t e s t ( 6d a y so nn l ot e s ta n d2 7d a y so nn 6 3 5 t e s t ) o nb a c k f i l li sh i g h e r2 0 t o7 0 t h a nt h a to nn o r m a lc o m p a c t i o n c o n s t r u c t i o n ( 3 ) t h et i m e p a t hc u r v eo fg r o u t i n gp r e s s u r ea n dg r o u t i n gr a t ec a n b eo b t a i n e d t h r o u g hf i e l dt e s tr e s e a r c h ( 4 ) t h el a wb e t w e e ng r o u t i n gd i f f u s i o nr a n g ea n dg r o u t i n gp r e s s u r e u n d e rd i f f e r e n ta m b i e n tp r e s s u r e sc a nb eo b t a i n d e db yu s i n gn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d ( 5 ) g r o u t i n gp a r a m e t e r so ft h ef l e x i b l er e i n f o r c e dg r o u t i n gt u b e i n c l u d i n gg r o u t i n gp r e s s u r ea n dt h ed i s c r e t er a d i u so fg r o u t i n g ，c a nb e o b t a i n e db y t h e o r ya n a l y s i s k e yw o r d s g r o u t i n g ，p e n e t r a t i o n ，f r a c t u r e ，c o m p a c t i o n ， g r o u t i n gp r e s s u r e ，g r o u t i n gd i f f u s i o nr a d i u s i i i 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，除了论文中特另t l d r i 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己在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：趁丞年上月牝日 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。 作者签名： 导师签j名二r匕,v期：立凄乙年上月、日 硕上学位论文第一章绪论 1 1 工程背景 第一章绪论 长沙至重庆公路通道湖南省常吉( 常德一吉首) 高速公路位于湖南省西北部， 公路沿途的地形地貌为山岭重丘区、丘陵地貌。该路跨越山区，地形起伏大，山 岭陡峻，沟谷幽深。按照公路路基施工技术规范( j t gf 1 0 2 0 0 6 ) 、公路工 程质量检验评定标准( j t g f 8 0 1 2 0 0 4 ) 以及常吉公司下发的台背回填材料选择 及设计的要求，公路沿途桥涵台背回填宜选择砂类土或渗透性好、轻质、无机结 合等材料，严禁采用腐植土、盐渍土、淤泥、白垩土、硅藻土和冻土块。并在公 路施工过程中严格控制桥头过渡段的材料、压实施工方法以及质量，来减少桥头 的差异沉降。但实际上，在没有大型压实机械参与施工的情况下，要达到规范要 求的压实度比较困难。为了有效预防和减少桥头跳车现象的发生，保证行车的舒 适和安全，在公路的建设施工过程中必须采用有效的回填处理施工方法以及有效 的工程质量评价措施及标准。为了能够在台背回填柔性管加筋注浆施工中有据可 依，用试验结论为依据指导施工，本课题通过对柔性管加筋注浆技术处理台后回 填土的试验理论研究，在论证用柔性管加筋注浆技术处理高速公路桥涵台背回填 土的可行性的基础上，提出了用柔性管加筋注浆技术处理台背回填工程的试验方 法、设计方法、施工工艺及质量评定方法。 1 2 注浆技术的历史和现状 1 2 1 国外注浆技术发展概况 注浆技术有着悠久的历史。根据文献记载【1 】【2 】，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进行加固。这种方法相继传入英国和埃及。从18 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测引。1 8 3 8 年，英国汤姆逊隧 道开始用水泥泵进行充填注入，水泥粒径较大，不得不研究溶液态的化学浆液材 料注浆；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，用水泥作为注浆材料进行了一系列注浆试验，并获 得成功，这是第一次采用水泥作为注浆材料【10 1 。18 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 硕十学位论文第一章绪论 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 4 年，英国豪斯右德( h o s a g o o d ) 在印度建桥时，首次使用化学药品固结砂获得成功； 1 8 8 7 年，德国切撤尔斯基利用一个钻孔注浓水玻璃，邻居孔注氯化钙创造了原 始硅化法并获专利；1 9 0 9 年，比利时人勒马儿塔蒙特( l e m a i r ed u m o n t ) 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，并提出了双液单系统的一次 压注法并获专利【l5 j ；1 9 1 4 年，比利时的阿尔伯特弗兰利伊斯( a l b e r tf r a n c o i s ) 用 水玻璃和硫酸铝注浆l l 引。 随着注浆技术的发展，注浆理论和工艺相继产生【6 1 】。1 9 3 8 年马格( h 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，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。 1 2 2 国内注浆技术发展概况 我国对注浆技术的研究和应用1 】【1 8 j 起步较晚，五十年代初才丌始起步，但 发展较快，某些方面已达列世界先进水平。上世纪5 0 年代初期，我国已开始了 矽化法的研究，在固砂、防止湿陷性黄土的湿陷、加固构筑物方面作做了大量的 工作。同时，矿山行业逐渐采用井巷注浆技术。上世纪5 0 年代后期，注浆技术 在水坝防渗和加固工程中逐步应用。经过四十多年的努力，我国在注浆技术方面 己取得较大的进展，特别是在水泥注浆材料的研制方面己处于世界先进行列。 六十年代中期，我国已开始注意化学注浆的毒害及环境污染问题，并提出了 改进方法，其应用范围日益广泛。随后发表了一系列的研究成果。如环氧树脂 化学灌浆的毒性与防护( 1 9 7 8 ) 、丙凝浆液毒性研究( 1 9 8 2 ) 等。 应该说，我国是世界上最早系列地制订化学注浆技术规范的国家。我国三峡 岩基专题研究组等单位从1 9 5 9 年起就先后制订了一系列试验规程和注浆施工规 范，如三峡岩基灌浆试验技术规程( 1 9 5 9 ) 、水工建筑物基础帷幕丙凝化学 灌浆施工技术规范( 1 9 8 2 ) 、环氧树脂化学灌浆施工技术规范( 1 9 8 2 ) 等，为 我国注浆技术的标准化打下了良好的基础。 注浆技术在国内以水工部门应用得较早【1 6 】【1 9 】【2 纠，目前我国已建造3 0 m 以上 的水坝近3 0 0 0 座，其中高于1 0 0 m 的高坝有2 0 余座。水工建筑物采用灌浆技术 改善复杂地基性能，解决了许多建筑物防渗和加固难题【5 列。从1 9 6 4 年开始，在 湖南水口山矿山进行防水帷幕的注浆施工，可以说，经几十年灌浆工作者的努力， 在我国水利水电工程建设中，灌浆工程领域已具备了众多的材料种类和工艺技 2 硕士学位论文第一章绪论 术，积累了丰富的工程经验，其中某些方面已达到了相当高的水平，和国际上也 逐步接轨，并在某些方法上有独到之处。 在我国铁路建设中，山岭隧道的施工也广泛应用了注浆法【l 刀。在地表进行帷 幕注浆以截断地下水对隧道开挖的影响，同时在隧道开挖的工作面上进行预注浆 以加固围岩，堵塞地下水，如京广复线上的大瑶山隧道与京九线的岐山隧道的施 工中既使用了地表帷幕注浆，也使用了工作面预注浆方法，顺利地通过了特大涌 水层。 在我国城市地铁建设中，人们应用注浆法以提高施工的安全性。如在北京地 铁建设中，人们用改性的水玻璃浆液固结细砂层，以顺利通过细砂层，而在广州 地铁施工中则使用加有超细水泥的粘土固化浆液固结水砂层。 1 3 注浆方法的分类及其特点 目前注浆方法按常规可分为两大类，即静压注浆法和高压喷射注浆法t 5 1 t 3 0 1 。 静压注浆法 静压注浆法是利用液压、气压和电化学的原理，通过注浆管将能强力固化的 浆液注入地层中，浆液以充填、渗透、挤密和劈裂等方式，挤走土颗粒或岩石裂 隙中的水分和空气后占据其位置，浆液固结后将原来松散的土粒或裂隙胶结成一 个整体，从而改变岩土体的物理力学性质。静压注浆法加固地基优点是：浆液扩 散范围大，对砂砾石、砂卵石地层注浆效果好，注浆固结体强度较高，注浆浆液 全部进入地层中，浆液利用率高。 静压注浆法【2 8 1 力口固地基的缺点是：注浆浆液可控性较差，易出现串浆及跑浆 现象，浆液易流失到加固区域以外的地方，加固影响区域很难有效控制，为使静 压注浆能有效控制加固范围，我国注浆技术人员又开发了袖阀管静压注浆法，但 深度上的可控性仍没有得到有效解决。在加固处理粘性土和粉细砂层地基时，浆 液注入主要是靠挤密和劈裂作用，加固后注浆固结体强度较低且浆液扩散的均匀 性较差，不能成桩体状。静压注浆法适用土质范围：中粗砂及砂砾石，破碎岩石 与卵砾石，软粘土和湿陷性黄土。 高压喷射注浆法【6 2 】 高压喷射注浆法是利用高压射流切割原理，通过带有喷嘴的注浆管在土层的 预定深度以高压设备使浆液或水成为2 0 m p a 左右或更高的高压射流从喷嘴中喷 射出来，冲击切割土体，当喷射流的动压超过土体结构强度时，土粒便从土体中 剥离。一部分细小的颗粒随浆液冒出地面，其余土粒在喷射流的冲击力、离心力 和重力的作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例和质量大小有规律的重 新排列，浆液凝固后，便在土中形成一个固结体。固结体是浆液与土以半置换或 3 硕上学位论文第一章绪论 全置换的方式凝固而成的。 高压喷射注浆法加固地基的优点是：j j h 固地基时浆液在喷切割土体极限范围 之内固结，浆液可控性好，不易流失到远距离的加固区域外，以置换土体方式固 结，固结体强度高。高压旋喷注浆能定向定位，能形成连续的圆柱状的旋喷桩体， 能直接承受上部荷载。高压旋喷注浆法适用于土质范围大，在砂层中注浆效果尤 佳。 高压喷射注浆法加固地基的缺点是：高压旋喷注浆法加固地基时浆液只能在 喷射破坏土体的极限范围之内固结，浆液扩散范围较小，对有结石物或硬物阻碍 时无法达到所需加固范围。同时注浆浆液受喷射流动性的制约，水灰比较大，固 结体收缩也较大。高压喷射注浆法对卵砾石地基及含有大纤维质的腐植土注浆效 果较差。 高压喷射注浆法适用土质范吲2 9 】为砂类土、粘性土、湿陷性黄土和淤泥。 1 4 注浆技术在工程中的应用 注浆是岩土工程中一门专业性很强的学术分支，用注浆处理各种岩土工程问 题，已成为常用的方法。随着注浆技术的同益成熟和发展，它的应用范围和作用 逐渐扩大。注浆技术在岩土加固中的应用主要包括以下几方面【3 j 【2 8 1 【6 0 】【6 3 】： ( 1 ) 大坝灌浆加固及防水【3 0 】【6 3 】 大坝灌浆始于二十世纪二十年代，主要有坝基加固和帷幕灌浆，兼有防渗与 加固的双重作用。国外典型实例主要有瑞士的m a t t m a r k y 大坝，塞浦路斯的 y e m a s o y i a 大坝，美国的r o e k v - - b e a c h 大坝，德国的f r a l l e n a u 大坝，英国的 w i m b l e b a l l 大坝。在国内有葛州坝，龙羊峡大坝，二滩电站及举世瞩目的三峡工 程。 ( 2 ) 建筑物基础托换 各类房屋、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。用注浆法加固基础下面的软弱土，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。 ( 3 ) 隧道及地铁工程 隧道，尤其是水下隧道及城市地铁开挖过程中常常会遇到软弱破碎带及涌砂 涌水现象，致使工程无法正常施工。解决这些难题的首选方法之一就是灌浆法。 ( 4 ) 盾构隧道、基坑工程、管线保护等的跟踪注浆加固( 3 4 】 当盾构向前推进时，由于盾构外径比衬砌外径大，随即出现盾尾的空隙，需 采用注浆的方式及时充填处理，减小土体挠动，防止土体坍塌，在基坑工程中， 对支护结构变形，可在壁后跟踪注浆充填法进行加固。 4 硕士学位论文第一章绪论 ( 5 ) 竖井注浆 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。 ( 6 ) 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 的含水层，阻止地下水向井巷施工面渗透，保证井巷顺利通过。 ( 7 ) 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。 ( 8 ) 其它特殊工程的应用跟踪注浆充填法进行加固【4 5 】【5 5 】。 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。 可以预料，随着各项建设事业的更大发展，对注浆法的需求将与日俱增，它 所发挥的作用亦将愈来愈大。因此，继续发展注浆技术，研究注浆理论和注浆控 制方法具有重要意义。 1 5 本论文的研究内容、研究方法及研究目标 1 5 1 研究内容 研究单点注浆试验在一定注浆压力下柔性花管的注浆加固范围、注浆工艺及 其注浆效果，进而确实柔性管加筋注浆新技术在处理台背回填土注浆工程的的施 工参数。 1 5 2 研究方法 通过在对室内试验和柔性管加筋注浆新技术单点注浆试验进行分析研究，确 实柔性管加筋注浆新技术在处理台背回填土注浆工程的的施工参数，并结合柔性 管加筋注浆新技术的对比试验及载荷试验，论证用柔性管加筋注浆新技术处理高 速公路桥涵台背回填土的可行性。 硕士学位论文 第一章绪论 1 5 3 研究目标 图1 一i 注浆施工工艺流程图 ( 1 ) 确定柔性管加筋注浆新技术处理台背回填工程的应用及质量评定标准； ( 2 ) 探讨用柔性管加筋注浆新技术处理台背回填工程的作用机理。 ( 3 ) 提出用柔性管加筋注浆施工新技术的设计计算与施工工艺。 1 6 本章小结 ( 1 ) 简要概述了注浆技术在国内外的发展及其现状。 ( 2 ) 简要介绍了注浆方法的分类及其特点。 ( 3 ) 简要概述了注浆技术在工程中的应用。 ( 4 ) 简要概述了本文的研究内容、研究方法和研究目标。 6 硕上学位论文第二章注浆技术的理论基础 第二章注浆技术的理论基础 注浆理论研究浆液在岩土缝隙中的流动规律1 2 3 】【6 9 。7 1 】，揭示地质条件、浆材性 质和工艺技术之间的相互关系，为灌浆设计和现场施工提供科学的依据。 随着注浆技术的出现和发展，注浆理论和工艺相继产生。1 9 3 8 年，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，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，注浆工艺也在不断革新。 随着注浆技术的广泛应用和深入研究，注浆理论也在不断地发展。 静压注浆，它按注浆理论可分为渗透注浆、劈裂注浆、压密注浆【3 2 儿5 5 】。 渗透灌浆是指在压力作用下浆液渗入岩土的孔隙和裂隙，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。浆液在土中的扩散形状取决于注浆方式，当由钻杆端 孔注浆，注浆孔较深，这时相当于点源，浆液呈球形扩散；当采用花管式分段注 浆时，浆液呈柱形渗透。 劈裂灌浆是指在灌浆压力作用下，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度， 引起岩石或土体结构的破坏和扰动，使地层中原有的裂隙或孔隙张开，或形成新 的裂缝或孔隙，从而使低透水性地层的可灌性和浆液扩散距离增大，这种灌浆法 所用的灌浆压力相对较高。 根据美国土木工程学会( a s c e ) 注浆专业委员会1 9 9 2 年给出的定义，压密 注浆就是用特制的高压泵将极稠的低流动性浆液注入到预定的土层的注浆方法， 注入过程中浆液不进入土体的孔隙，而形成一个各向同性的整体，能够产生可控 的位移量以置换并挤密周围松散或软弱的土层。 2 1 渗透注浆理论 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，对浆液的单一流 动形式进行分析，建立压力、流量、扩散半径、注浆时间之间的关系。传统的注 浆工艺是以“渗入性理论”为基础【4 9 】【5 3 】，注浆时只采用相对较低的注浆压力，使浆 液在孔隙或缝隙中扩散时不致破坏岩土的原有结构。 渗透注浆【2 4 】1 3 0 1 1 4 7 ( p e r m e a t i o ng r o u t i n g ) 是指在压力作用下使浆液充填土的孔 隙和岩石的裂隙，排挤出孔隙中存在的自由水和气体，而基本上不改变原状土的 结构和体积( 砂性土注浆的结构原理) ，所用注浆压力相对较小。代表性的注浆理 论有球形扩散理论和柱形扩散理论【7 】【3 7 j 。 7 硕上学位论文 第二章注浆技术的理论基础 2 1 1 球形扩散公式 m a a g 于1 9 3 8 年首次发表牛顿型浆液球形扩散公式【4 3 1 ，m a a g 的简化计算模 式见图2 一l 。 m a a g 简化计算模式的假定是：被注砂土为均质的和各向同性的；浆液为 牛顿体；浆液从注浆管底端注入地基土内；浆液在地层中呈球形状扩散。 根据达西定律： 式中： 根据边界条件，由式( 2 1 ) 推导出 日小篇c 专一寺， 地下水位 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 风2 r h o 图2 1 注浆浆液球形扩散示意图 妒等导 池3 ) 己知h 一= ，q = 言 f i l 3 n 同时考虑 ，目pi 圪- i ，：= 于是式( 2 2 ) 、( 2 - 3 ) 8 讲k = ， 9 锄 l i 4 k 一 = k 丝办 = 硕上学位论文 第二章注浆技术的理论基础 化简为： 矗：3 f l n ( 2 4 ) 3 k t r o f ：立堕( 2 5 ) 3 k l 鼍r o 式中：k 为砂土的渗透系数( c m s ) ；q 为浆液流量( c m 3 s ) ；k 。为浆液在地 层中的渗透系数( c n v s ) ；为浆液粘度与水的粘度比，= 以以；a 为渗透面 ( c m 2 ) ；，r t 为浆液的扩散半径( c m ) ；h o 为注浆点的地下水压力水头( c m ) ；扛 为注浆压力水头( c m ) ；h 为地下水水头和注浆压力水头之和( c n d ；r o 为注浆管 半径( c m ) ；t 为注浆时间( s ) ；n 为砂土的孔隙率；以为水的动力粘度系数 ( m p a s ) ；以为浆液的动力粘度系数( m p a 。s ) 。 m a a g 发表球形扩散理论以后，各国学者对渗透注浆理论都进行过研究。 r a f f l e 和g r e e n w o o d 进一步考虑了地下静水的作用，推导出了注浆点源的球 形扩散半径、浆液流量和浆液压力之间的关系式： 扛= 斟h 沼6 ， 浆液从注浆源( 钻杆底部) 扩散到半径为的球面所需的时问表示为： ，= 球睁) _ 等睁) 协7 ) 式中：k 为地层渗透系数( c m s ) ；为浆液粘度与水的粘度之比；为球形 扩散半径( c m ) ，对于柱形注浆源= ( 叫d ) v 2 ( 其中l 柱长，d 为柱直径) 。 如果略去方程( 2 7 ) 括号内的第二项，并且3 3 1 ，r a f f l e g r e e n w o o d 公 式就简化为m a a g 公式。 2 1 2 柱面扩散公式 如图2 2 所示，根据达西定律： 9 硕十学位论文 第二章注浆技术的理论基础 a 地下水位 a 图2 - 2 浆液柱状扩散示意图 q = k g a ( 2 - 8 ) 当，= 时，h = h ；r = 时，h = h o ，因而由式( 2 8 ) 可推导出： h 一= = 羔觑昙 2 万口k 矗 q2 产 8 i n l l 己知o = 万2 册，q = q t ，于是 ，i 2 ，：亟：尘( 量堡1 2 k 矗厶、，厶 ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 上述式中：q 为单位时间的注浆量( c 聊3 厶) ；，j 为浆液扩散半径( c m ) ；a 为 柱状注浆长度( c m ) 。 蒋伟成，倪文耀根据达西定律，推导得出过柱形扩散理论公式【3 7 】： 1 0 硕士学位论文 第二章注浆技术的理论堪础 ，：r r c - r ? )( 2 1 3 ) 2 k p h 式中：t 整个注浆过程所用的时间( s ) ；r 浆液扩散半径( m ) ；r 浆液最大扩散 半径( m ) ；h 注浆孔深( m ) ；注浆管半径( m ) ，p 浆液的密度( 磁朋3 ) ； k 地 层渗透系数( m s ) 。 2 1 3 渗透注浆的极限压力 在半无限空间的可渗透注浆的土体内注浆【7 1 ，如果注浆压力超过某一极限值 p 。，浆液流动将会由渗透方式转化为劈裂方式。只有当注浆压力压力小于p 。时， 才能保证浆液是在土体中渗透的。渗透注浆极限压力p 。的表达式为 旷坐眷苦趔 ( 2 - ( n r , - n r o ) 注浆后一般注浆压力迅速增加，注浆孔附近形成不稳定浆液，略去浆液渗透 力对土体应力场的影响，上式简化为 p 。= 吒+ 2 k o y h ( 1 一y ) ( 2 1 5 ) 式中：吒为砂土的抗压强度；厂为土体的重度；h 为注浆孔的深度；k o 为 静止侧压力系数；y 为泊松比；巧为扩散半径；为注浆孔半径。 2 2 劈裂注浆理论 劈裂注裂5 8 】是一种应用比较广泛的地基加固方法，它是在弱透水性地基中施 加持续增大的注浆压力使土体产生水力劈裂。当土体被浆液劈裂之后，浆液在劈 裂面上所施加的注浆压力就会推动裂缝迅速张开并形成注浆裂缝，此时的注浆量 也将随之增加。随着注浆压力的持续增大以及浆液的逐渐注入，土体中的浆液就 会在钻孔附近形成纵横交错的网状浆脉，并通过形成的浆脉挤压土体以及浆脉的 骨架作用来加固土体，土体的法向应力以及土体刚度也因此而得到了显著提高。 在此过程中，土体加固效果的好与差不仅与注浆压力有着直接的关系，更与土体 中浆液劈丌土体的裂缝宽度和裂缝的扩散距离有着很大关系，而且这两个因素都 将直接影响着土体的最终加固效果。因为裂缝越宽，浆脉延伸的距离越远，被加 固区的效果就会越好。然而，劈裂注浆的研究却一直都局限于注浆压力和浆液成 分分析上面，而对于劈裂注浆中浆液裂缝( 即浆脉) 的扩散距离、注浆压力的衰减 规律以及多孔同时注浆时的他们的相互影响等这几个关键因素的研究就相对却 较少，而几个因素在工程应用领域又有着举足轻重的地位，因此从理论上对上述 关键因素进行研究不仅有重要的理论价值还有很大的现实意义【3 引。 劈裂注浆是目前应用最广泛的一种注浆方法，其理论远远滞后于其应用。劈 硕士学位论文 第二章注浆技术的理论基础 裂注浆是在钻孔内施加液体压力于弱透水性地基中，当液体压力超过劈裂压力 ( 渗透注浆和压密注浆的极限压力) 时土体产生水力劈裂，也就是在土体内突然出 现一裂缝，于是吃浆量突然增加，劈裂面发生在阻力最小主应力面【2 0 】【2 l 】。如图 2 3 所示： 劈裂 图2 - 3 土体中的主应力和劈裂面 劈裂压力与地基中的小主应力及抗拉强度成正比，浆液愈稀，注入愈慢，则 劈裂压力愈小。劈裂注浆在钻孔附近形成网状浆脉，通过浆脉挤压土体和浆脉的 骨架作用加固土体。 2 2 1 劈裂注浆过程及力学分析 根据实验【2 0 】【2 1 】【2 5 】，劈裂注浆是一个先压密后劈裂的过程。注浆在土体中流 动分为三个阶段【8 7 1 ，如图2 4 所示： c 皇 j c 芦 斟 瑙 媒 爆 i c a 注浆时间( 咖) 注浆时间( 舢) 图2 4 注浆压力、注浆速率与时间曲线图 1 2 硕士学位论文 第一二章注浆技术的理论基础 第一阶段：鼓泡压密阶段 开始注浆时，浆液所具备的能量不大，不能劈裂地层，浆液聚集在注浆管孔 附近，形成椭球形浆泡体挤压土体，其压力和流量曲线如图2 4 所示，曲线的初 始阶段吃浆量较少，而压力增加快，说明土体尚未开裂，曲线中的第一个峰值点 压力( a 点压力) 即为启裂压力。启裂压力前的曲线段称为鼓泡压密阶段。 鼓泡压密作用可用承受内压的厚壁圆筒模型来分析，可近似地用弹性理论的 平面应变问题求径向位移以估计土体的压密变形。径向位移材，可用下式计算： 咋2 等嘉+ 等( 、舞j _ 稿2 2 2 ) 协 式中：y 为土的泊松比；p 为注浆压力；m 为土的压缩系数； 为钻孔半径； 一为浆液的扩散半径；e 为土的弹性模量。 第二阶段：劈裂流动阶段 当压力达到一定程度时( 启裂压力) ，浆液在地层中产生劈裂流动，劈裂面发 生在阻力最小的小主应力面【8 8 j 。 当地层存在已有的软弱破裂面时，浆液先沿着软弱面劈裂流动。当地层比较 均匀时，初始劈裂面是垂直的。劈裂压力与地基中小主应力及抗拉强度成正比， 垂直劈裂压力为： p h = y h 【、尚肛+ 秀j q 郴， 式中：破，为垂直劈裂注浆压力；y 为土的重度；h 为注浆段深度；y 为泊松 比；n 为综合表示k 和z 的参数；q 为土的抗拉强度；k 为土的侧压力系数。 劈裂流动阶段的基本特征是：压力值先是很快降低，维持在一低压值左右摆 动，但是由于浆液在劈裂面上形成的压力推动裂缝迅速张开，而在裂缝的最前端 出现应力集中，所以这时压力虽然低，却能使裂缝迅速发展。 第三阶段：被动土压力阶段 裂缝发展到一定程度，注浆压力又重新上升，当注浆压力等于或大于土体自 重时，地层中大小主应力方向发生变化，水平向主应力转化为被动土压力状态( 即 水平主应力为最大主应力) ，这时需要有更大的注浆压力才能使土中裂缝加宽或 产生新的裂缝，出现第二个压力峰值，由于此时水平应力大于垂直向应力，地层 出现水平向裂缝。水平劈裂压力为： 办叫i 插( 、n 秀) l p p 埘 式中：玩为水平劈裂压力：n 为综合表示k 和的参数。 被动土压力阶段是劈裂注浆加固土地基的关键阶段，垂直劈裂后大量注浆， 使得小主应力有所增加，缩小了大小主应力之间的差别，提高了土体的稳定性， 顼j ：学位论文第_ 二章注浆技术的理论基础 在产生水平劈裂后形成水平方向的浆脉时，就有可能使基础上抬和纠偏。浆脉网 的作用就是提高土体的法向应力之和，并提高土体刚度。 2 2 2 劈裂注浆平面力学模型 各向同性介质圆柱形孔扩张问题，可简化为平面厚壁圆环问题【2 8 】，如图2 - 5 所示。r 为注浆管半径，进浆时，浆液形成圆柱形液泡，挤压土体，当圆柱形 液泡扩展到半径为咒时，土体出现塑性破坏区，塑性区的范围为兄r p 之间， 对应的压力为劈裂压力。在月p 之外的土体仍然为弹性状态6 7 1 。 o p 图2 5 劈裂注浆的计算模型 圆柱形孔扩张问题属于平面轴对称问题，根据弹性理论，有平衡微分方程： 一0 0 r + 堡二! 芝：0 ( 2 1 9 ) a rr 根据弹性理论，选取应力函数： 矽= c l n r ( 2 2 0 ) q = 吾掣= 号 协22 0r m q2 一2 了 l lj ， 盯4 ：垂 ( 2 2 2 ) 2 萨 旺一 式中：o r ，仃口分别表示浆液与土的交界面处的法向应力和切向应力。根据边 界条件，确定常数c ，当，= r 时，o r r = p ，代入式( 2 2 1 ) 得 ，= 墨2 p( 2 2 3 ) 因此有： = r 2 p l n r ( 2 - 2 4 ) q = 吾警= 号= 譬( 2 - 2 5 ) q2 一= 百= 专 ro rr r 1 4 硕上学位论文第二章注浆技术的理论基础 仃一磐：一譬：一q(2-26)o- 26)or仃一二专2 一亏2 一q r 由式( 2 2 5 ) 和式( 2 2 6 ) n - i 以得到弹性阶段圆柱形孔的应力扩张情况。轴对称情 况下，液泡对土体压密所产生的径向压缩位移可以表达为： ”：尘生型：o + v ) r , 2 p ( 2 - 2 7 ) ea re r 式中：y ，e 分别为土体的泊松比和弹性模量。 ( 2 - 2 5 ) 式代入( 2 2 7 ) 式，可以得到另外一个压缩位移u 与液泡径向压力关系表 达式： z ，：幽n ( 2 - 2 8 ) 2 2 3 屈雷斯卡圆柱形孑l 扩张问题的弹塑性解 屈雷斯卡准则表示当最大剪应力达到一定数值时，材料开始进入塑性状态， 是由屈雷斯卡在1 8 6 4 年提出的，也称最大剪应力条件，或第三强度理论。轴对 称条件下，屈雷斯卡条件为： 以一c r e = 2 r s ( 2 - 2 9 ) r ，为屈雷斯卡体屈服准则判定条件，最大剪应力，可通过土工试验获取， 或按照公式：f ，= c + v p g t a n 缈( y 为泊松比) 近似给出。将式( 2 2 9 ) 代入微分方程 ( 2 1 9 ) 得： 堕+ 堡：o( 2 3 0 ) d ， 积分该式得 o r = c 一2 r ，i n r ( 2 3 1 ) 式中：c 为积分常数，可由边界条件确定，塑性区内侧边界条件为r = 足，时， o r = ，即当液泡直径达到兄时，土体出现塑性破坏区，对应的浆液的压力为， 将边界条件代入式( 2 - 31 ) 可得： c = p + 2 r s i n r 。 ( 2 - 3 2 ) 将式( 2 3 2 ) 代入式( 2 31 ) 得 q 2 - 2 r j i n 瓦rj ( 2 - 3 3 ) 将式( 2 3 3 ) 代入式( 2 2 9 ) 得 旷p 2 巧l i n 云“j ( 2 - 3 4 ) 由式( 2 3 3 ) 及式( 2 3 4 ) 可以得到各点的应力状态。 屈雷斯卡材料的塑性体积应变为0 ，因此液泡体积的变化等于弹性区体积的 硕七学位论文 第二章注浆技术的理论基础 变化。 因此有： 万碍一万砰= 万群一万( b - - u p ) 2 ( 2 - 3 5 ) 式中，u p 表示塑性区外侧边界的径向位移，展开上式，并略去微小量砰和 材p 2 ，得到 2 r p u p ：l e 。2 当尸= 嘭时，o r = ，由式( 2 3 2 ) 可以得到径向位移： 矿掣彤q 由式f 2 3 3 ) n - i 得 o p = p , , - 2 z f ( 嗉) 当，= 哗时，仃，= ，应力和盯口应满足屈服条件式( 2 2 9 ) ，得到 a p a 8 = 2 t f 由此推得 o p 2 气f 由式( 2 2 6 ) 、式( 2 3 4 ) 及式( 2 4 0 ) 可以推导出： r 。e 民22 ( 1 + v )