岩土工程特殊施工技术(张彬).ppt

讲授 张彬学时 40 岩土工程特殊施工技术 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100 200m 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5 8m 直径38 50mm的钢管做成 滤管长1 2m 直径同井管 管壁钻有直径38 50mm的滤孔 按梅花状排列 滤孔总面积与滤管表面积之比约为20 25 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 7 8kg 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 问题 降水方法的优化选择 降水对周边建筑的影响 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 问题 地质条件 水平抗力 封底 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 11 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 问题 体温混凝土强度研究 断管问题 冻胀压力 温度场 支护结构 混凝土裂缝等 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 xy x h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1 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300 500mm 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 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p 0 但是由于混凝土为多相流体 p k k 0 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3 3 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p 0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 5 2 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 问题 接头结构形式 提拔力的确定 提拔时间的确定等 间隔接头 接头管 图3 5预留法接头示意图 注浆理论与实践第四讲 概论 一 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 在施工中经常遇到以下问题 1 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 这些地下水可分为静水 自然水头 动水 地下暗河 承压水 隔水层 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 2 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 如地铁 隧道 地下室 坝体漏 渗 水 矿山井巷 洞室等 也可以通过敷设隔水层加以解决 3 沉降与失稳 受软岩 地下降水或人为扰动的影响 建筑物可能产生沉降甚至失稳 如比萨斜塔 西安大雁塔等 建筑物倒塌事故 平均每天一栋 80 以上是基础的处理不当或未处理所造成的 地下空间开挖后的塌落 冒顶或片邦 路基路面的突起或塌陷等 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 压水实验 注浆 压水 质检 施工 图4 1注浆工艺过程示意图 2 注浆的目的及其应用注浆的目的在于堵水 加固或二者兼有之 实质是人为地改变客观的地质环境 如地下工程的堵水加固工程 坝体防渗工程 山体护坡 边坡稳定 工程 建筑基础 房屋 桥梁等 加固工程及路基加固工程等 三 注浆基本理论 一 注浆堵水 加固 原理 A 渗流注浆原理 即岩层裂隙中的扩散规律 充塞作用 在岩层裂隙注浆中常用单液水泥浆或水泥 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 如何判定紊流还是层流 一般地采用流体力学中的雷诺数作为判定的依据 Re V de c V 2h c g式中V 平均速度 de 裂隙相当直经 h 裂隙开度 浆液密度 浆液容重 g 重力加速度 c 液体有效粘度 层流 Re 2100V h小时对于粘塑体浆液 紊流 Re 2100V h大时流速与注浆压力关系密切 在一定过水断面 注压大 流速高 但是随着液流长度的增加压力减弱 克服裂隙的摩阻力 流速降低 Re减小 即浆液由紊流变为层流 水泥颗粒开始沉降 可以出现以下不同阶段 图4 2渗流 堵塞过程示意图 P r P v a b d c a 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 压力 Pa 流速 Vk 沿流程逐渐降低 流速分布如图 沿壁V 0 b 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 但不足以将全部沉积物带走 c 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 d 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 图4 3渗流注浆P t曲线 t P Qmin P0 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的 不能立即卸压 待结石体有一定强度 B 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部位压出一树状通道 随着浆液的不断扩散 土层的密实性 抗渗性稳定性增加 枝体间的土体被压密 枝体为 筋体 形成有一定强度的复合体 见图4 4 C 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 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 图4 4管道注浆原理图 二 注浆参数的基本方程 均匀土层 渗流微分方程 Qo Kf W dp dr 式中Qo 注入量 Kf 砂层渗透系数 浆液动力粘度 W 柱体表面积 三 注浆参数注浆参数包括注浆压力 Po 注入量 Qo 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 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1 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 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 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 超声波等 可靠度低 30 左右 对工程造成极大的被动 2 注浆材料的影响注浆材料是注浆技术的主体 注浆材料的性能直接影响注浆效果及注浆成本 注浆材料占注浆总成本的40 70 材料从几公斤 几千吨 价格从几百元 吨 几十万元 吨 同时对注浆技术的发展起主导作用 对注浆材料的总要求体现在 三性 的控制上 即可注性 可控性和抗渗性 l可注性是指浆液的流动性好 粘度小 渗透能力强 l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 l抗渗性是指浆液结石后有较强的抗渗水能力 3 注浆参数的影响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 对注浆工程实现全过程控制 4 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 电动泵及风动泵等 搅拌机 风动 电动 混合器 类似 三通 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 5 注浆方式 方案 的影响根据地质及水文地质条件的要求 一般把注浆方式 方案 分为 预注浆 后注浆 前进式注浆 后退式注浆 如果选择不当既浪费材料 增加工程难度 也难以保证注浆效果 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 问题 注浆技术的现状与发展 注浆堵水应用技术 注浆加固应用技术 注浆在路基加固工程中的应用等 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的 也是不科学的 一般的常用以下公式计算 1 以地下水压为计算依据 Po 2 2 5 PbPo 3 5 Pb式中Po 受注点注浆压力 Pb 受注点最大水压力 2 以水压力同时考虑岩层产状为计算依据 Po N Pb式中N 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 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 按理想状态下柱状体 如渗透注浆 估算 Qo A R2 h n 式中A 浆液损耗系数R 扩散半径 n 孔隙率 浆液充填系数 三 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 为了使问题明了化 便于问题的研究 做如下的简化 即将结石体简化为直径为裂隙开度 的圆柱体 柱体的表面积所受的抗剪切应力为 c 则合抗力为Tc 挡水断面所受应力为Pb 合力为Fb 为保证有效堵水则应满足 Tc FbTc E c Fb Pb 2 4代入上式简化后得出有效扩散距离为 E N Pb c N 综合系数 Pb c R 牛顿流体球状渗透当浆液仅从注浆孔端部注入时 可以设想为以该点为中心的球形注浆 马格 Maag 应用达西 Darcy 定律作为原始公式推导了注浆的渗透理论公式 根据达西定律 得出浆液的扩散半径 第六讲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 一 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 1 有良好的可注性 即粘度低 流动性强 渗透力高 2 良好的稳定性 即不沉淀 不离析 3 凝胶时间可调 能满足特殊情况的要求 如动水情况 4 结实后的收缩量小 结石率高 抗渗性强 5 对环境无污染且成本低 定量分析通过实验手段测试其性能参数 主要参数包括 1 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 秒 泊 厘泊 为计量单位 2 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 3 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 秒 分 小时 表示 以肉眼观察或实验测定 4 渗透系数 Kf 指结石后的抗渗水能力 由渗透仪测定 5 抗压强度 指结石体的单轴或双轴抗压强度 意义不大 图6 1不同浆液的粘度变化 c w t 二 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 水玻璃浆 CS 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 11 单液水泥浆常用的水泥品种有325 425 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 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 为了改善单液水泥浆的性能常加入某些添加剂 如NaCl 水玻璃 红星1 2 等 或采用水泥新品种 如磨细水泥 膨胀水泥 速凝水泥等 1 CS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1 1 5 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 CS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 壁后注浆 直接堵漏注浆的情况 水玻璃又称刨花碱 Na2O nSiO2 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 CaSi nH2O 其两个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 4 2 8Be 145 145 取30 35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 水泥品种 水玻璃浓度 c s 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 水泥越新时间越短 w c越小时间越短 水泥浆及水玻璃浓度的影响 在w c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w c越高则凝胶时间越长 温度的影响 温度越高则凝胶时间越短 tttw cw cT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35Be 矿渣硅酸盐水泥40Be 过期水泥45Be c 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 ts c图6 6s c 水泥与水玻璃的体积比 的影响 注 w c 1 1 自下而上分别是30 45Be 从图4 12得出以下结论 在w c一定的条件下水玻璃增加则凝胶时间加长 水玻璃浓度越高则凝胶时间越长 3 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 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 O Si O Si O Si O Si O OOOO O si O Si O Si O Si O 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 A 水玻璃 氯化钙 CaCl2 浆液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 Na2O nSiO2 CaCl2 H2O Ca OH 2 n SiO2 2NaCl水玻璃 模数 2 5 3 0波美度Be 43 45浆液配比方案氯化钙 1 26 1 28模数 2 5 3 0水玻璃 氯化钙 0 8 1 此类浆液可在瞬间凝固 按常规注浆工艺是不可行的 而应结合浆液的特点探讨新的施工工艺 下面介绍三套方案 方案一 交替注浆法注入定量的水玻璃 冲洗管路 注入定量的CaCl2 冲洗管路 方案二 地层混合注浆法两套独立的注浆系统 分别注入两种不同的浆液 地层中混合 方案三 电渗注浆法注浆系统与方案二基本相同 只是在注浆管上加上直流电以增加浆液的扩散能力 B 水玻璃 铝酸钠浆液 铁道部科研院的科研成果 浆液配比方案 一般的取S AL 1 1也可根据需要调制 凝胶时间1min左右 可采用地面混合器注浆方式 1 4 聚氨脂类 溶液型 属于高分子聚合物 其特点是该浆液不容于水 见水发泡膨胀 凝固后体积增大8 9倍 但成本高 价格昂贵 2万元 m3以上 只用在特种工程中 5 丙烯酰胺类 溶液型 适用于双液注浆 主剂 胶联剂 还原剂 其特点是可注性好 似水 凝胶时间可调几秒 几小时 凝固突变 适用于封堵动水 价格为5000 m3元 以上 第七讲注浆方案及难题解疑一 注浆方案注浆方案包括 地面预注浆 前进式 后退式及全程式 工作面注浆及后注浆 地面预注浆是指土体开挖前预先打孔注浆 如果注浆段较长则进行分段注浆 见图7 1 1 全程式 2 前进式 3 后退式图7 1注浆方案示意图 都是通过止浆塞实现分段注浆的 但止浆效果不理想是个技术问题 分段注浆时上分段或下分段都能得到复注 提高注浆效果 工作面注浆与地面预注浆基本相同 只是工作场地不同 如隧道掘进施工中 探知前方有水 此时应在距含水段一定距离前停止掘进 必要时构筑止浆垫 或止浆墙 打孔注浆 然后继续掘进 后注浆是指地下构筑物形成后渗漏水的注浆处理方法 即将注浆孔打入构筑物内或构筑物后 从里向外止水 是一种主动的标本兼制的水处理方法 直接堵漏技术是行之有效的新技术 二 复杂地层的注浆方法所说的复杂地层是指裂隙或孔隙不发育 浆液难以注入或裂隙 孔隙十分发育 已经形成大的孔洞或溶洞 甚至形成地下暗河 如本溪水洞 此类地层给注浆带来很大困难 常规注浆难以奏效 下面介绍几种成功的注浆方法 难题一 裂隙不发育 注入困难 高压不进浆 方案一 压裂法 利用清水或稀浆 w c 2 4 高压 60 120kg cm2 注入 待正常进浆后 再根据压力 流量的大小调整浓度 原理 难以注入无非是裂隙开度小 连通性差 高压稀浆进入裂隙增加了裂隙的开度 且使不连续的裂隙连通 从而提高了吸浆量 技术关键 注意观察进浆量的变化 逐渐调高浓度 保证注浆过程的连续性 不停泵 不卸压 否则打开的裂隙又恢复了原状 在后注浆中 注浆压力以不超过结构的承载能力为原则 此法在软岩 破碎带较理想 方案二 预处理法 在正式注浆之前 预先注入一定量的预处理液 常用水玻璃或碳酸钠 以水玻璃为例 首先将水玻璃稀释至18 25Be 然后按下列程序操作 压水 注稀释水玻璃 压水 正常注浆第一次压水是为了冲开水道 把充塞物带走 压水量可以大些 第二次压水是为了将裂隙中的水玻璃带走 否则水泥浆遇水玻璃凝胶堵塞通道 只留下薄层以润滑裂隙面 此法适用于稳定的裂隙含水层 砂层中也可以试用 有待于进一步的研究 方案三 爆破注浆法 在注浆前向注浆孔内装药 间隔 少装药 进行震动爆破 人工制造裂隙 勾通裂隙 以增大注入量 其他还有电渗注浆 旋喷注浆等 以后讲 难题二 大空洞 溶洞 大裂隙 跑浆不升压 方案一 材料方面增加浆液浓度 或采用双液浆 或加惰性材料 砂 碎石 炉渣 锯末 压缩木串等 方案二 注浆设备方面采用大流量泵 或数台泵并联以增大流量 方案三 注浆工艺方面间歇 间隔 注浆 间歇时间不超过浆液的初凝时间 三 直接堵漏注浆直接堵漏注浆是处理结构漏水的有效技术手段 设备布置简单 见效快 有进一步研究应用的价值 其主要工艺过程为 压颜色水 以确定水道 寻找最佳布孔位置 钻孔深度及钻孔角度 测定过水时间 以确定浆液的凝胶时间 向堵漏器加速凝堵漏材料 根据返浆情况及时停泵 结束注浆 设备布置见图7 2 浆液遇水后 将沿压力降方向 向漏水点反向流动 当流至出水点时 按设定的时间 此时堵漏材料刚好凝胶 停泵结束注浆 完成堵漏过程 图7 2直接堵漏注浆设备布置图 第八讲高压喷射灌浆技术高压喷射法就是利用工程钻机钻孔至设计处理的深度后 用高压泥浆泵 通过安装在钻杆 喷杆 杆端置于孔底的特殊喷嘴 向周围土体高压喷射固化浆液 一般使用水泥浆液 同时钻杆 喷杆 以一定的速度边旋转边提升 高压射流使一定范围内的土体结构破坏 并强制与固化浆液混合 凝固后便在土体中形成具有一定性能和形状的固结体 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 改善地基土的水力条件及边坡稳定等工程 一 加固机理高喷法如三管高喷法用压缩空气包裹高压喷射水流冲击破坏搅动土体 同时用低压灌浆泵灌入浆液 浆液被高压水 气射流卷吸带入 同时与被搅动土体混合形成固结体 加固地基 形成桩 板 墙的机理可用五种作用来说明 1 高压喷射流切割破坏土体作用喷流动压以脉冲形式冲击土体 使土体结构破坏出现空洞 2 混合搅拌作用钻杆在旋转和提升的过程中 在射流后面形成空隙 在喷射压力作用下 迫使土粒向与喷嘴移动相反的方向 即阻力小的方向 移动 与浆液搅拌混合后形成固结体 3 置换作用三重管高喷法又称置换法 高速水射流切割土体的同时 由于通入压缩空气而把一部分切割下的土粒排出灌浆孔 土粒排出后所空下的体积由灌入的浆液补入 4 充填 渗透固结作用高压浆液充填冲开的和原有的土体空隙 析水固结 还可渗入一定厚度的砂层而形成固结体 5 压密作用高压喷射流在切割破碎土体的过程中 在破碎带边缘还有剩余压力 这种压力对土层可产生一定的压密作用 使高喷桩体边缘部分的抗压强度高于中心部分 二 基本种类按喷射介质及其管路多少可分为单管法 二管法 三管法等 图8 1高压喷射灌浆示意图 1 单管旋喷法通过单根管路 利用高压浆液 20 30MPa 喷射冲切破坏土体 成桩直径为40 50cm 其加固质量好 施工速度快和成本低 但固结体直径较小 2 二管旋喷法在单管法的基础上又加以压缩空气 并使用双通道的二重灌浆管 在管的底部侧面有一个同轴双重喷嘴 高压浆液以20MPa左右的压力从内喷嘴中高速喷出 在射流的外围加以0 7MPa左右的压缩空气喷出 在土体中形成直径明显增加的柱状固结体 达80 150cm 3 三管旋喷法使用分别输送水 气 浆三种介质的三重灌浆管 高压水射流和外围环绕的气流同轴喷射冲切破坏土体 在高压水射流的喷嘴周围加上圆筒状的空气射流 进行水 气同轴喷射 可以减少水射流与周围介质的摩擦 避免水射流过早雾化 增强水射流的切割能力 喷嘴边旋转喷射 边提升 在地基中形成较大的负压区 携带同时压入的浆液充填空隙 就会在地基中形成直径较大 强度较高的固结体 起到加固地基的作用 三 浆液材料水泥是喷射灌浆的基本材料 水泥类浆液可分为以下几种类型 1 普通型浆液一般采用普通硅酸盐水泥 不加任何外加剂 水灰比一般为0 8 1 1 5 1 固结体的抗压强度 28d 最大可达1 0 20MPa 适应于无特殊要求的工程 2 速凝 早强型适于地下水位较高或要求早期承担荷载的工程 需在水泥浆中加入氯化钙 三乙醇胺等速凝早强剂 掺入2 氯化钙的水泥 土的固结体的抗压强度为1 6MPa 掺入4 氯化钙后为2 4MPa 3 高强型喷射固结体的平均抗压强度在20MPa以上 可以选择高标号的水泥 或选择高效能的扩散剂和无机盐组成的复合