（岩土工程专业论文）桩端注浆模拟试验及渗透注浆机理研究.pdfVIP

摘要 桩端注浆模拟试验及渗透注浆机理研究 摘要 本文以国家科技支撑计划 千米级斜拉桥技术标准和关键结构及特性研究 项目 项同编号 2 0 0 6 b a g 0 4 8 0 1 3 为依托 以苏通大桥为工程背景 室内模拟试验为手段 对桩端注浆机理展开进 一步的研究 开展的主要工作和取得的成果如下 首先 设计并完成了相应的室内模拟试验 按照试验计划的研究内容 在试验箱中制备不同饱 和度的砂土土层 采用不同压力注浆 分别研究不同饱和度 不同注浆压力对注浆效果 渗透规律 的影响 并研究注浆固化物强度发展变化规律以及注浆对土中应力的影响 制作不同成分配合比的 立方体试样 并区别试样的养护条件 研究不同种类添加剂 不同外界养护条件对试样强度 内部 微观结构的影响 其次 分析归纳由试验所得的试验现象和试验数据 对级配和土层是否饱和对注浆效果的影响 浆液的流动规律 固化物强度发展变化规律 添加剂的效果和不同外界条件对固化物强度和内部结 构的影响等内容提出了比较新颖的结论 关键词 注浆机理模拟试验注浆效果固化物添加剂 a b s t r a c t s i m u l a t i o nt e s to np i l e e n dg r o u t i n ga n dm e c h a n i c a l r e s e a r c ho np e r m e a t i n gg r o u t i n g a b s t r a c t t h i sp a p e ri sb a s e do nt h en a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n i c a ls u p p o r tp r o j e c t t e c h n i c a ls t a n d a r d sa n d k e ys t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i cr e s e a r c ho ft h o u s a n d m e t e rs c a l ec a b l e s t a y e db r i d g e p r o j e c tn u m b e r 2 0 0 6 b a g 0 4 8 01 3 t h ei n d o o rs i m u l a t i o ne x p e r i m e n tw a sa p p l i e dt oi n v e s t i g a t et h ep i l e e n d p o s t g r o u t i n gm e c h a n i s mb a s e d o nt h es u t o n gb r i d g e t h em a i nw o r ka n da c h i e v e dr e s u l t sa r ea c h i e v e da s f o i l o w s f i r s to fa l l i n d o o rs i m u l a t e dt e s ti sf i n i s h e db a s e do ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dp u r p o s e t h eg r o u t i n g m e t h o di sa d o p t e di nt h ee x p e r i m e n t a lb o xt os t u d yt h ee f f e c to f t h ed i f f e r e n tg r o u t i n gp r e s s u r eo ns a t u r a t e d s o i l sa n du n s a t u r a t e ds o i l s t h ed e v e l o p m e n ta n dc h a n g e so fg r o u t i n gs o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e sa n di n t e n s i t y a n di nt h el a wo ft h es o i lg r o u t i n go ft h ei m p a c to f s t r e s s t h r o u g ht h ep r e p a r a t i o no fi n c o r p o r a t i o na d d i t i v e s a m p l e st os t u d ys a m p l e so fd i f f e r e n ta d d i t i v e so nt h es t r e n g t h t h ei n t e r n a lm i c r o s t r u c t u r e t h ea c c u r a t e a n dr e l i a b l ed a t aw e r eo b t a i n e dt h r o u g ht h eu p p e re x p e r i m e n t s e c o n d l y t h ep a p e ra n a l y s e st h ei n d o o re x p e r i m e n t sa n dt h ef i n a lr e s u l t s t h ev a l u a b l ec o n c l u s i o n s h a v es o m ei n s t r u c t i o no nt h ep r a c t i c a lw o r k e s p e c i a l l yi nt h et e r m so f w h e t h e rs o i ls a t u r a t i o ni n f l u e n c e d t h ee f f e c to fg r o u t i n g e f f e c to fg r o u t i n ga d d i t i v e sa n dd i f f e r e n te x t e r n a lc o n d i t i o n st os o l i d i f i c a t i o n i n t e n s i t ya n di n t e r n a ls t r u c t u r ew h i c hh a v el i t t l ei n v e s t i g a t i o nb e f o r e t h e yh a v ep r o p o s e ds o m er e l a t i v e n o v e lc o n c l u s i o n s t h e s ew o u l di n s t m c to t h e rr e s e a r c h e r s f u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s g r o u t i n gm e c h a n i s m s i m u l a t i o nt e s t g r o u t i n ge f f e c t s o l i d i f i c a t i o n a d d i t i v e s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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 除了文中特另 j d n 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 也不包含为获得东南大学或其它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 并表示了谢意 研究生签名 压l 剪鸷 日 期 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 可 以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包括刊登 授权东南大学研 究生院办理 研究生签名 团堑熟 导师签名 f 协苫 日期 驾她 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 城市建设飞速发展 高层 超高层建筑大量兴建 在工程设计与施工中 如何选择合理 经济 安全的地基处理方式在土地资源日趋紧张的今天显得尤为重要 大直径灌注桩因具有承载力高 无 振动 无挤土 造价低等优点 在基础形式中得到广泛的应用 但是 地层条件的复杂性 施工工 艺等因素 往往会不同程度地降低桩的承载力 使得其实际承载力与公式计算值有较大出入 由于 对地基基础的承载力要求越来越高 只有把灌注桩的桩长 直径加大 增加群桩基础的桩数才能满 足承载力要求 这时 桩身混凝十体积也成倍增加 十分不经济 如何有效地大幅度提高单桩承载 力 缩短施工工期 减少支出 就成为我们需要研究的课题 随着灌注桩注浆技术的出现和兴起 这些问题都得到了很好的解决和改善 作为世界第一大斜拉桥一苏通长江大桥 其主桥长2 0 8 8m 主跨为1 0 8 8m 是长江口第一 桥 它是国家莺点干线公路跨越长江的重要通道 也是我国建桥史上工程规模最大 综合建设条件 最为复杂的特大型桥梁工程 大桥主墩基础采用钻孔灌注桩群桩基础 桥址区第四纪地层分布广泛 第四纪全新统地层颗粒较细 沉积时间短 工程地质性质较差 为保证桩的承载力达到要求 除了 选用合理的钻具 采用合理的工艺参数和加强质量管理外 苏通大桥指挥部经过充分论证 决定使 用桩底注浆技术来保证桩的承载特性满足设计要求 灌注桩注浆是在桩身混凝土达到一定强度后 通过埋设在桩身的注浆管 将具有固化能力的浆 液 如纯水泥浆 掺合外加剂的水泥浆等 压入桩端或桩侧 这些浆液通过渗透 填充 置换 劈裂 压密等作用 清除了桩底沉渣和桩周泥皮对桩的不利影响 改善了桩土界面条件 使桩的端 阻力和侧摩阻力得到不同程度的提高 并可减小桩的沉降 从而改善桩的承载性能 虽然灌注桩注浆技术被大量使用 然而关于桩端注浆技术的理论却还落后于实践 对注浆机理 的研究还不是很透彻 在工程设计和施工中多采用经验参考值 这往往会造成施工中浆体材料的浪 费或者注浆效果与设计要求有较大差距 虽然最近几年国内也有一些学者针对桩端注浆技术进行了 一些研究 但是这些研究基本都是基于一些具体工程的实际测试结果的分析 而对其机理上的进一 步研究还没有系统的进行 这种理论与实践之间的差距 使得对灌注桩注浆技术的研究不但是桩端 注浆理论自身发展的需要 更是工程界的迫切要求 为配合圈家科技支撑计划 苏通大桥关键技术研究 的子课题 千米级斜挝桥技术标准和关键 结构及特性研究 项目编号 2 0 0 6 b a g 0 4 8 0 1 3 中超大规模群桩基础承载性能试验研究 特制 定桩端注浆室内模拟试验计划 对桩端注浆机理和注浆效果作进一步研究 指导工程实践 使设计 和施工更加合理 既避免资源浪费又保证工程安全可靠 1 2 本文的研究内容 通过桩端注浆室内模拟试验 本文将进一步研究桩端注浆机理及混凝土添加刹在注浆中的合理 使用 尤其针对七体是否饱和对注浆效果的影响 不同外界条件对注浆固化物强度的影响等问题展 开研究 具体内容为 1 饱和与非饱和土注浆效果研究 通过对饱和与非饱和土进行桩端注浆 研究浆液扩散范围 固化物形状并对土中的应力的变化 情况进行测量研究 东南人学硕士学位论文 2 不同注浆压力的注浆效果 注浆机理研究 研究不同注浆压力下的浆液扩散范围 流动规律 3 固化物强度随时问的发展变化规律研究 研究注浆后随着时问的发展 注浆固化物强度的发展变化规律 4 不同外界条件下注浆效果研究 研究水泥浆与砂土的混合物在有光与无光条件下 密闭与大气条件下等不同外界条件下的强度 发展规律 5 注浆添加剂效果的研究 通过添加不同种类 不同配比的注浆添加剂 研究添加剂对水泥浆与砂土混合物结构 成分 强度的影响 结合桩端注浆室内模拟试验方法 本文的研究目的有 1 目前对桩端注浆研究多通过现场试验对比来进行 本项研究依据室内模拟试验对桩端注浆机 理 注浆效果进行了初步研究 并对现有规范提出合理的建议 2 研究了可大幅改善注浆效果的添加剂 1 3 室内试验开展工作的概况 为了能够更清楚地表达作者的试验意图和试验工作内容 使读者能够更为直观 全面的了解试 验的总体情况 特将室内注浆模拟试验开展情况作如下初步汇总 见表1 3 1 2 第一章绪论 表1 3 1 试验工作内容汇总 研究基本土的饱 工作内容数量 内容方法和状态 土样中插入注浆管 分别以o 0 5 m p a 0 i o m p a o 1 5 m p a o 2 0 m p a 0 3 0 m p a 的压力注浆 试验过程记录相对应的注浆量 注浆7 d 后挖取固化物 观察2 0 根x 2 次 饱和土砂 浆液的扩散范围 上泛高度 固化物的形状 与非饱 土 饱和 和土注 中 在注浆管的管底和管侧埋设土压力盒 采集数据 记录注浆过程和注浆结束 浆效果注 后土中应力的变化情况 挖取固化物 观察固化物的形状并与土压力盒所测2 次 研究浆 得的数据相比照 得出土中应力变化的规律 非饱和同饱和土同饱和土 不同注 砂 土样中插入注浆管 分别以o 0 5 m p a 0 i m p a o 1 5 m p a 0 2 m p a 0 3 m p a 浆压力 土 饱和的压力注浆 试验过程记录相对应的注浆量 注浆7 d 后挖取同化物 观察2 0 根 2 次 注浆机 由 浆液的扩散范围 上泛高度 固化物的形状 注 理研究 浆 非饱和同饱和士同饱和土 固化物 砂土采用0 1 m p a 注浆压力 水灰比1 0 注浆 记录相对应的注浆量 挖取同化 强度发 中注 饱和 物 将固化物置于水中养护 分别制取3 0 d 6 0 d 9 0 d 1 8 0 d 龄期条件下 3 0 个 展规律 浆尺寸为4 0 m 4 0 m 4 0 h m 的立方体试样进行强度试验 的研究 不掺添加剂的固化物配比 水厌比 o 60 8 7 2 个 不同添制 水泥含量 2 02 53 02 02 53 0 加剂的作 掺添加剂的同化物配比 注浆效 试 水灰比0 6水泥含量 2 0 添加剂种类j m l h f 果研究 块 1 9 2 个 添加剂含蛀 0 5o 8i 01 281 21 62 0 添加剂种类 j m ap c a 添加剂含最 o 30 5o 8 1 00 5 0 8 1 0 1 2 f i 同外 水灰比 0 6 水泥含量 2 5 界条件 制 对固化 作 2 7 个 物强 试 度 结 块 不同养护条件有光 不密闭有光 密闭 无光 不密闭无光 密闭 构的影 响研究 3 第 二章桩端注浆技术概述 第二章桩端注浆技术概述 2 1 桩端注浆技术简述 2 1 1 桩端注浆技术的基本含义 钻孔灌注桩桩端注浆技术是成桩时在桩底预置注浆管路和注浆装置 待桩身达到一定强度后 通过注浆管路 利用压力作用 将固化浆液 如纯水泥浆 水泥砂浆 加外加剂及掺合料的水泥浆 超细水泥浆 化学浆液等 经桩端的预留压力注浆装置均匀地注入桩端地层 压力浆液对桩端土 层 中风化与强风化基岩 桩端虚土及桩端附近的桩周土层起到渗透 填充 置换 劈裂 压密及 固结或多种形式组合等不同作用 改变其物理力学性能及桩与岩 土之间的边界条件 消除虚土隐 患 从而提高桩的承载力以及减少桩基沉降量 2 1 2 桩端注浆分类 1 按照浆液与土体相互作用的方式可分为 渗透注浆 劈裂注浆 压密注浆 渗透注浆 见图2 1 1 是指浆液在压力的作用下 使浆液充填土体的孔隙和岩体的裂缝 将 孔隙中的自由水与空气排挤出去 浆液与土体凝固固化后成为结石体 从而达到加固十体的作用 渗透注浆基本上不改变原土体的结构和体积 注浆压力较小 适合注入到中粗砂的土质或有裂缝的 岩体 被加固体的特征为 水泥浆在压力作用下渗透到岩土的孔隙中 水泥与土体 岩石 发生固 化化学反应 形成一种新的 结合体 劈裂注浆是指在压力作用下 浆液克服地层的初始应力和抗于逆强度 引起岩石和土体的破坏和 扰动 使其沿着垂直于小主应力的平面发生劈裂 见图2 1 2 劈裂压力与土体的初始应力及抗 拉应力成正比 劈裂后地层中原有的裂隙和孔隙张开 并形成新的裂隙 使得浆液的可注入性和扩 散距离均增大 一般来说 劈裂注浆所需的注浆压力高于渗透注浆所需的压力 劈裂注浆加固体的 特征为 水泥浆劈裂进入土体 在士体中形成明显的网状 脉状 结石体 该网状 脉状 结石体 对原土层起到 加劲 作用 氅 缝 t 压浆譬 灌注桩 l 隰露 髫警黧两浆液旁 姻承暇月 透毽 图2 1 1 渗透注浆示意图图2 1 2 劈裂注浆示意图 1 1 主浆管 妥一 参 釜 鼻 互 o 义 薮泡k l 压密注浆示意图 压密注浆是用较稠的浆液 在浆液压力作用下 在注浆点处集中形成近于圆形的浆泡 通过浆 泡挤压土体 使十体挤密 从而提高土体的力学性能 压密注浆多采用较稠的浆液和快速的施工工 艺 压密注浆固结体特征为 加固体水泥含量较大 固结体为水泥结石 强度很高 加固体体积相 对较小 加固土体的范围较小 固结体与土体之间具有较为清晰的分界面 固结体周围一定范围内 土体的密实度得到了提高 4 东南大学硕士学位论文 2 按注浆工艺可分为 闭式注浆和开式注浆两类 闭式注浆 闭式注浆工艺是将预制的弹性良好的腔体 又称承压包 预压包 注浆胶囊等 或 压力注浆室随钢筋笼放入孔底 成桩后在压力作用f 把浆液注入腔体内 随注浆压力和注浆量的 增加 弹性腔体逐渐膨胀 扩张 在桩端土层中形成浆泡 浆泡逐渐扩大 压密沉渣和桩端土体 并用浆体取代 置换 部分桩端土层 随着注浆压力和注浆最的加大 扩大头逐渐形成 压密区范 围也逐渐增大 直至达到设计要求为止 闭式注浆示意图见图2 1 4 开式注浆 开式注浆工艺是把浆液通过注浆管 单 双或多根 经桩端的预留注浆空腔 预 留注浆通道或预留的特殊注浆装置等 直接注入桩端士层 岩体中 浆液与桩端沉渣和周围土体呈 混合状态 呈现出渗透 填充 置换 劈裂等效应 开式注浆示意图见图2 1 5 u 型注浆回路是 一种典型的开式注浆 也是一种目前被广泛的一种注浆方法 i i r 注浆管 灌注桩 一 婀 1 燃虞 蕊名 啦 c交鎏蔓叠 e c c i 图2 1 4 闭式注浆示意图图2 1 5 开式注浆示意图 2 1 3 桩端注浆桩与传统灌注桩的比较 1 采用桩端注浆技术可大幅度提高桩的承载力 技术经济效益显著 2 采用桩端注浆可改变桩端虚士 包括孔底扰动士 孔底沉淀土 孔口与孔壁回落土等 的组 成结构 形成水泥土扩大头 可解决普通灌注桩桩端虚土这一技术难题 对确保桩基工程质量具有 重要意义 3 桩端注浆时可测试注浆量 注浆压力和桩顶上抬量等参数 既能进行注浆桩的质量管理 又 能预估单桩承载力 4 技术工艺简练 施工方法灵活 注浆设备简单 便于普及 2 1 4 桩端注浆技术的适用范围及施工流程 桩端注浆技术的适用性较广 几乎可适用于各种土层及强 中风化岩层 既能在水位以上干作 业成孔成桩 也能在有地下水的情况下成孔成桩 螺旋钻成孔 贝诺特法成孔 正循环钻成孔 反 循环钻成孔 潜水钻成孔 人工挖孔 钻斗钻成孔和冲击钻成孔灌注桩在成桩前 只要在桩端预留 压力注浆装置 均可在成桩后进行桩端压力注浆 施工流程图如图2 1 6 5 第 二章桩端注浆技术概述 施j 参敦选择 钢筋笼制作 压浆效果验收h 压浆施工 压浆材科准备卜一 i 压浆设备安装 图2 1 6 桩端注浆施工流程图 2 1 5 桩端注浆技术施工中存在的问题 1 须精心施工 否则会造成注浆管被堵 地面冒浆和地下窜浆等现象 2 须注意相应的灌注桩的成孔与成桩工艺 确保其施工质量 否则将影响压力注浆工艺的效果 3 压力注浆必须在桩身混凝土强度达到一定值后方可进行 故延长施工工期 但当施工场地桩 数较多时 可采取合适的施工流水作业以缩短工期 4 由于场地士质的差异 注浆效果也存在差异 因此注浆后各根桩的承载力也存在一定差异 不利于保证各桩承载力的均匀性 2 2 桩端注浆作用机理 2 2 1 化学机理1 9 l 作为常用的注浆材料 普通硅酸盐水泥主要由c a o s i 0 2 a 1 2 0 3 f e 2 0 3 及s 0 3 等成分构成 水泥与水拌和后 水化产生c a o h 2 和水化硅酸钙等水化物 溶液中的c a 2 含量增加 与土颗粒发 生阳离子交换作用 等当最地置换出k n a 形成水泥与土体的团粒结构 并封闭了土颗粒之间 的孔隙并形成坚固的联结 另外 水泥土中的c a o h 2 与水中或土中的c 0 2 化合生成不溶于水的 c a c 0 3 也使土体的强度提高 2 2 2 物理力学机理 桩端注浆的灌注桩 其桩端承载力提高的物理力学机理主要有以下几点 1 桩端注浆浆液首先渗入桩端虚土 沉渣 与之发生物理化学反应而固化 凝结成一个强度 高 化学性能稳定的结石体 提高桩端阻力 随着注浆量的增加及注浆压力的提高 浆液不断向 土层中渗透 胶结 在桩端形成梨形体 增大了桩端承压面积 当渗透能力受到周围致密土体的 限制时 压力升高 对桩端持力层起到压密作用 提高桩端承载力 2 桩端持力层为粗粒土时 注浆时浆液渗入率高 浆液主要通过渗透 部分挤密 填充及固 结作用 大幅度地提高桩端持力层的强度和变形模量 并形成扩大头 增大桩端受力面积 提高 桩端阻力 持力层为细粒土时 浆液渗入率低 主要表现为劈裂注浆 浆液沿劈裂脉渗入土层 使单一介质士体被网状结石体分割加筋成复合土体 提高桩端土体密度并能有效地传递和分担荷 载 从而提高桩端阻力 3 在压力作用下 浆液沿桩土间泥皮在桩端以上一定高度范围内上泛 加固泥皮 充填桩身 与桩周土体的间隙并渗入到桩周土层一定宽度范围 提高桩侧摩阻力 4 当桩端浆液的渗透受到限制 压力不断增大时 将给桩端施加向上的反向预应力 使桩身 微微向上抬 此反向预应力将承担部分向下的竖向荷载 从而提高单桩承载力 6 东南大学硕士学位论文 5 在注浆压力作用下 使桩端土体的部分压缩变形在施工期内提前完成 减少日后使用期问 的竖向压缩变形 2 3 国内外注浆技术的发展与应用 2 3 1 注浆工艺的发展与应用 1 国外注浆工艺的发展及应用 自1 9 6 1 年b r a c e d a 报道了压力注浆在委内瑞拉修建m a r a c a i b o 大桥基桩中首次运用以来 在 世界多个国家的桥梁中得到了广泛的应用 p a r a n a 运河上桥梁桩端注浆使用了砾石篮装置 泰国工程师8 0 年代在修建斜拉桥的桩基时使 用了由砾石篮注浆装置改进而来的注浆装置 1 9 8 1 年 l i z z i f 介绍了一种 f c p 桩 运用了预留 压力注浆腔室的闭式注浆工艺 1 9 8 3 年 l i t t e j o h n 等介绍了一种袖阀管桩端注浆装置 此装置适用 于低渗透性且低黏性的粉质砂十地层 1 9 8 3 年 s t o c k e r m f 提出了袖阀管 压力腔联合注浆装置 通过注浆不但提高了桩端阻力 桩侧摩阻力也同时得到提高 1 9 8 5 年 k r u b a s i kk 介绍了德陶 b i l t i n g e r tb e r g e r 公司发明压力腔和压力箱新工法 1 9 9 3 年 f l e m i n g w g k 介绍了一种u 型注浆 管 u 型注浆管属于开式注浆工艺的预留注浆通道装置 通过不断改进 u 型注浆管成为目前最为 广泛使用的注浆管道形式 2 国内注浆工艺的发展及应用 桩端注浆技术在我国的应用始于二十世纪八十年代初 1 9 8 3 年 北京市建筑工程研究所在国内 首先研究开发出预留注浆空腔方式的桩端压力注浆桩 1 9 8 5 年交通系统公开报道用桩身预埋的声测 管进行桩底注浆处理桩底沉渣 沈保汉和曾鸣于1 9 8 7 年研制开发出带活动钢板的预留注浆空腔方 式的桩端压力注浆装置 1 9 8 8 年徐州市第二建筑设计院在国内首先研制开发出泥浆护壁灌注桩的预 留注浆通道方式的桩端压力注浆技术 进入2 0 世纪9 0 年代后 桩端压力注浆技术在国内得到蓬勃发展 目前已有1 6 种桩端压力注 浆装置 杨耕 易良研制开发出人工挖孔桩桩端压力注浆工艺 黑龙江省桩基础工程公司在1 9 9 5 年研制开发出有注浆管及溢浆管的人工挖孔桩桩端压力注浆工艺 南通市房屋建设开发公司研制开 发出泥浆护肇钻孔灌注桩的简易桩端压力注浆装置 应权和沈保汉于1 9 9 7 年研制开发出y q 桩端 中心压力注浆装置和注浆工艺 2 0 0 3 年 靖向党等 发明了多功能注浆测试装型引 实现了一台仪 器多工艺条件下的多项指标或数据测试 2 3 2 注浆效果及机理研究成果 1 国外研究成果 1 9 9 1 年a u s t r u l i a 悉尼大学发表了桩端持力层为海相石灰岩时灌注桩注浆模拟试验研究成果 同年 泰国发表了桩端持力层为硬黏土层时桩端注浆灌注桩承载性能的研究报告 o l e v s k u 在1 9 9 2 年介绍了一种通过桩端注浆来挤出桩底泥炭夹层 以减少住宅的次固结变形的新地基处理方法 1 9 9 3 年f l e m i n g 分析了桩底注浆方法对钻孔灌注桩承载力和沉降性质的影响 考虑了注浆桩在桩底 注浆时桩体的变位情况 1 9 9 4 年 o s a m u 通过室内模拟试验研究 指出桩端固结体破坏形式与其 尺寸问的关系 1 9 9 5 年b o l e s l a w 指出 在大直径桩施工时 孔壁周围七体产生应力释放 孔底的 土层受到扰动 桩端注浆 可大幅度地改善桩的承载性能 1 9 9 8 年b d l i t t l e c h i l d 采用有限元法模 拟桩底 桩侧注浆机理 得出桩侧和桩底注浆可提高桩基承载力 2 国内研究成果 7 第二章桩端注浆技术概述 国内学者通过室内模型试验及现场试验也有很多的研究发现 施峰 1 9 9 5 通过超长大直径压浆 桩与非压浆桩的对比试验研究 表明桩底压浆可以大幅提高单桩承载力 且改变了超长桩的受力机 理 使k s 曲线从 急进型 破坏变为 缓降型 杨米加等 1 9 9 7 1 6 1 从岩体等效渗流模型出发 建立了依赖于注浆方式的注浆渗流模型 并首次提出了两相介质渗透注浆模型 姚海林 1 9 9 8 根据 原位测试结果分析后压浆钻孔灌注桩的荷载传递规律和大面积堆载试验对承载力的影响 张忠苗等 2 0 0 0 应用考虑应变软化的球 柱 孔扩张理论对桩底后压浆进行分析 推导出极限扩张压力与土 质参数之间的关系 黄凌云等 2 0 0 2 应用灰色系统理论 分析得出大直径钻孔灌注桩的极限承载力 与其关联因子的关联度 王志辉等 2 0 0 3 采用径向基遗传神经网络 表明承载力增大系数随着压浆 压力的增加而明显增加 在达到最大的桩底压浆最后 继续压浆则承载力几乎不再增加 黄生根等 2 0 0 4 7 对后压浆技术在o i q a 的作用机理和效果进行了分析 指出在软土中 钻孔灌注桩在压浆 前后均表现出明显的摩擦桩特性 压浆后 桩周土抗剪强度提高 表现出加工硬化特性 周红波 2 0 0 5 运用有限元分析软件模拟分析某工程钻孔桩在压浆前后的承载性能 引入压浆加固体半径和压浆体 强度模拟后压浆对钻孔桩承载力的影响 杨柳春 2 0 0 6 8 l 通过对普通桩和后压浆桩静载荷试验后揭 示 在亚黏土层中 桩底后压浆技术处理桩底沉渣效果显著 明显改善桩端持力层条件 使桩体具 有强劲的后继端阻和桩端附近的侧阻力 韩学伟 2 0 0 7 t 3 根据工程静载荷试验结合有限元计算 系 统分析了后压浆对超长大直径钻孔灌注桩承载性能的影响 以及后压浆对群桩基础底部积极的联结 作用 2 4 国内外渗透注浆模拟试验的发展1 4 0 4 1 1 许多年来 国内外学者 工程技术人员对模型试验进行了卓有成效的工作 他们除了对注浆参 数进行定性的分析外 还致力于寻求这些参数之间定量计算的研究 其中的显著成果之一就是 得 出了许多关于注浆参数的理论计算公式 例如马格 m a a g 公式 卡洛尔 k a r 0 1 公式及特鲁巴克 t p y n a k 公式等等 这些公式在特定的物理模型的基础上 总结了注浆过程中的客观规律 具有一 定的理论价值 计算结果也值得借鉴 但是 由于地质条件的变化 注浆工艺的不同及研究方法的 限制 这些公式又各自存在着某些缺陷 甚至与实际情况相差较大 因此 在注浆工程设计中 对 注浆参数进行模拟试验的研究方法就显示出极大的适用性和优越性 2 4 1 无水多孔介质渗透试验 2 4 1 1 前苏联学者的渗透试验 为了解决在不同岩层中注浆的工艺参数问题 苏联学者曾在全面深入地讨论现有的理论计算公 式的基础上 建立了一个专用试验台 进行了一系列模拟试验研究 以确定注浆压力 浆液流量 渗透速度 注浆时间 浆液的扩散半径 以及与被加固岩石的性质和浆液的特性等关系 试验材料 分别是渗透系数为2 31 5 x1 0 c m s 4 6 3 0 x1 0 3 c m s 和5 7 8 7 1 0 c m s 相应粒度模数分别为0 7 0 1 2 5 和2 5 0 的细砂 注入的化学浆液黏度分别为2 5 r n p a s 4 0 r n p a s 和5 0 m p a s 根据试验结果 苏 联学者提出一系列的回归公式 1 注浆时间与注浆压力 浆液黏度和被注砂子特性的关系 t 0 1 6 3 1 0 1 0 9 m 0 4 2 5 8 2 1 式中 r 为注浆时间 m i n p 为注浆压力 m p a m 为砂子的粒度模数 z 为浆液黏度 m p a s 2 浆液渗透速度与外部各凼素的关系 1 6 1 8 6 p 1 鹏m o4 2 一1 5 8 2 2 式中 为浆液的渗透速度 m m i n 8 东南入学硕上学位论文 3 浆液注入量与注浆压力 被注砂子特性和浆液黏度的关系 q 15 6 4 5 p 1 0 9 m o 4 3 一1 5 3 2 3 式中 q 为浆液注入量 l h 4 浆液扩散半径与注浆压力 被注砂子特性和浆液黏度的关系 r 2 8 3 8 2 p o5 3 m o 2 3 0 8 3 t o 5 5 2 4 式中 r 为浆液扩散半径 e m 前苏联h b 马蒙托夫回归出化学浆液扩散经验公式为 r 0 3 5 5 0 0 2 4 p 一0 0 1 2 9 0 0 2 6 k 0 0 0 0 7 t 2 5 式中 尺为扩散半径 t 为注浆时间 p 为注浆压力 z 浆液黏度 k 为介质的渗透系数 2 4 1 2 国内学者的试验结果 国内学者所做的多孔介质中注浆模拟试验得到注浆参数的回归公式如下 尺 8 7 p o 4 7 4 9 k o 3 6 4 7i r 4 7 4 9 t o 0 9 t o3 2 加h o 2 7 2 6 式中 尺为浆液的实际扩散半径 c m p 为注浆压力 m p a k 为介质的渗透系数 o 为浆液 初始黏度 m p a s t 为注浆时间 s t 为注浆凝胶时间 s h 为注浆段高 m 从回归公式分析 注浆压力对浆液扩散的影响最为显著 其次是浆液的初始黏度和浆液的凝胶 时间 再次是被注介质的渗透率和注浆时间 2 4 2 静水条件下的驱水试验0 4 2 l 试验装置如图2 4 1 所示 被注介质部分采用有机玻璃管充填河砂 管内径5 0 r a m 长度 2 0 0 0 m m 首先在介质中充满孔隙水的情况下 开始注水玻璃浆液 在注浆过程中保持注浆压力不 变 每隔1 0 s 记录一次泄水量 l 电机 齿轮泵2 有机玻璃管3 泄水装置4 量筒 5 架子6 控制器7 浆液桶 图2 4 1 试验设备示意图 试验结果表明 在充满水的多孔介质中注浆 尽管保持泵压和黏度不变 但是进浆量却随着时 间的推移 浆液运动距离的增加而逐渐递减 直至停止进浆 浆液的黏度越大 这段时间越短 当 浆液的黏度超过一定限度时 浆液很难注入 可以说 凡是以黏度大于孔隙水的浆液注入而驱替孔 隙水时 渗流的运动将是减速运动 黏度越大 速度越慢 而且速度递减越快 2 4 3 动水条件下堵水试验 0 1 9 6 1 年 卡乐尔 k a r 0 1 和斯威夫特 s w i r l 使用丙烯酞胺浆液 a m 一9 在三维模型上研究地下水 流动对化学浆液的分布产生的影响 指出地下水对化学注浆的主要影响是把浆液从注入点冲掉 第 二个影响是改变注浆区域的形状 9 第二章桩端注浆技术概述 2 1 9 8 5 年 r j k f i z e k 和t p e r e z 用4 种浆液和5 种介质共做了7 9 组一维注浆试验 研究各种 浆液的稀释特性 在给定地下水流速的条件下 4 种浆液在同种介质中堵水所需要的凝胶时间和同 种浆液在不同介质中堵水所需要的凝胶时间 2 4 4 化学浆液在地层中扩散过程 2 4 4 1 长凝时间化学浆液在地层中的扩散过程 1 9 8 2 年 巴莱特 b a l a t 和克里斯y 亍 k r i s c h 进行了硅酸盐溶液的渗透机理试验 试验在6 0 0 m m x 6 0 0 r a m 6 0 0 m m 立方体组成的模型上进行 用一根插在中心的管子注浆 立方体用三层压实的 粗砂填满 渗透系数k 1 4 x 1 0 c m s 第一次试验是用凝胶时间为7 5 r a i n 的硅酸钠溶液注入干 燥砂中 第二次试验是用凝胶时间为2 2 m i n 的硅酸盐溶液注入饱和砂中 每次试验都采用不同颜色 的浆液 试验结果表明 已注浆液的凝胶作用不影响后续浆液的渗入 新注浆液推动己注浆液向外 扩散 并相互混合 2 4 4 2 短凝化学浆液在地层中扩散过程 r h k a r o l 进行了一组室内试验 在致密的中砂内注入6 0 0 0 c m 3 的化学浆液 他是用一端开口 的管子在静水条件下 以5 0 0 c m 3 m i n 的注入速率完成的 浆液的凝胶时间为3 0 s 按照注浆顺序 分别注入六种不同颜色的浆液 试验证实 浆液从流经土体一直到开始凝胶之前都是完全与理论一致 注浆开始时 浆液从管 子的开口端在三维方向上呈放射状扩散 浆液的扩散表面呈球面 如果注入浆液速率保持恒定 浆 液的这个前端边界线的移动速度将逐渐递减 浆液凝胶在与地下水的接触面处 从一个很薄的壳处 开始凝胶 若继续注浆 刚凝胶很薄的壳就会被挤裂 浆液沿裂开的缝隙向外扩散 流入未加固的 土体中 扩散出去的浆液又在新形成的壳体前端凝胶 注浆过程就是重复以上过程 2 4 5 国内学者模拟试验的成果 多年来 国内在注浆参数的研究方面开展了许多模拟试验 取得了一定的成果 室内注浆参数 模拟试验的主要装置是模拟试验台 根据不同的实际情况和设计思想 国内现有的模拟试验台的形 式有平板式 水利水电科学院 团管式 煤炭科学院 槽式和扁圆柱状形式 东北工学院 等 煤炭科学院研制的裂隙注浆模拟试验装置 可以直接观测注浆效果 了解浆液在岩层裂隙中的 充填情况 测定并掌握注浆结石体的耐压和抗渗能力 测定和研究主要注浆参数之间的关系 从而 分析和判断一种新材料 新工艺的优劣和适用条件 水利水电科学研究院刘亮材等建立平板式注浆模拟试验台 假设浆液在注浆压力的作用下 从 注浆孔注入裂缝内 并作平行于裂缝面的平面径向流动 应用牛顿流体摩擦阻力定律 研究了浆液 在裂缝中的流动规律 推导出注浆浆液扩散半径计算公式 文献资料还表明 淮南矿业学院的葛家刚1 2 在1 9 9 7 年曾经建立了一个室内注浆装置 主要用 于研究裂隙岩体注浆研究 中南大学的杨坪 1 3 4 2 1 在2 0 0 5 年建立了室内注浆装置 主要用于砂卵 砾 石层注浆机理研究 分别得到了浆液扩散半径 注浆量 注浆结实体强度的影响因素 并将各影响 因素进行了回归分析 i 扩散半径尺与水泥水灰比m 石层渗透系数k 注浆压力p 之间的关系为 r 2 1 9 1 8 1 3 聊o1 8 3 7 k o 9 9 p 0 4 5 铂 2 7 2 注浆最q 与水泥水灰比坍 石层渗透系数k 注浆压力p 之问的关系为 q 0 9 4 6 8 m o2 2 9 7 k o4 2 4 8 p o 7 0 5 4 2 8 3 注浆结实体抗压强度p 与地层孔隙度刀 水灰比m 注浆压力p 之间的关系为 1 0 东南大学硕上学位论文 p2 1 2 6 2 6 n o4 9 4 0 所一1 船6 0 p o1 2 2 0 2 9 我们看到 由于注浆介质的复杂性 注浆工程的隐蔽性 水文地质等条件的不确定性以及浆 液性能 注浆工艺以及注浆过程的多变性 模拟试验研究同样比较困难 综上所述 目前现有的注浆理论和模拟试验对注浆机理的研究仍然比较少 想要在注浆施工 中达到理想的效果 就需要对注浆工作机理开展进一步的研究 以充分掌握浆液在被注介质中的 运动规律 因此 在未来的注浆理论和模拟试验研究中 应多加强试验理论研究和现场实测 这 样才能获得良好的设计方案和施工效果 第j 章桩端渗透注浆机理研究 第三章桩端渗透注浆机理研究 注浆技术涉及到注浆材料 被注介质 注浆器具以及注浆工艺等诸多方面 本章将从注浆浆 液的流变特性 渗透注浆的基本理论出发 分析各种流型浆液的渗透注浆机理 比较现有规范中 的注浆理论公式 为模拟试验的合理进行奠定理论基础 3 1 浆液的流变规律 3 1 1 浆液的流变特性及分类 浆液在一定外力作用下流动和变形的性质称为浆液的流变性 浆液的流变性反映了浆液在外 力作用下的流动性 浆液的流动性越好 浆液流动过程中压力损失越小 浆液在岩土中扩散的越 远 反之 浆液流动过程中压力损失大 浆液不易扩散 浆液的流变特性若按时间效应和其力学特性曲线分类见表3 1 1 各种与时间无关的流体的流 变曲线见图3 1 1 表3 1 1 浆液流变特性分类表 牛顿流体 黏性流体 假啦流体 与时间无关 膨胀流体 的流体 黏塑性流体 非牛顿流体 带屈服值假塑流体非宾汉姆流体 塑性流体 带屈服值膨胀流体 宾汉姆流体 与时间有关 黏时变流体 触变流体 的流体 振凝流体 1 2 东南大学硕上学位论文 剪 切 应 力 剪切速率 l 带屈服值假塑流体 2 宾汉姆流体 3 带屈服值膨胀流体 4 黏塑性流体 5 假塑流体 6 牛顿流体 7 膨胀流体 图3 1 1 与时间无关流体的流变曲线示意图 从图3 1 1 中可看出牛顿流体和宾汉姆流体的流变曲线是简单的直线 这也是注浆工程中常用 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 宾汉姆流体属于非牛顿流体 它是具有固相颗粒的非均匀流体 如泥浆 水泥浆等 其屈服 值与浆液中各颗粒间的静电引力有关 它是悬浮液的特征 假塑流体随剪切速率增大 表观黏度 下降 流动过程中表现为剪切稀释 膨胀流体随着剪切速率的升高 其表观黏度增大 流动过程 中变现为剪切稠化 为了研究水泥浆液在砂土层中的渗透规律 下面简单介绍各种流体的流变规律 3 1 2 黏性流体 黏性流体又可称为幂律流体 其流变曲线都经过坐标原点 可以用下式衷利1 5 n i f k z 或以 y k 一 k i f l 3 1 其中 k 为黏度度量 当y l s 1 时 k 为黏度 力是流变指数 当 i 1 时 该模型表示 牛顿流体 当刀 l 时 定义为膨胀流体 式中 k 和r 是黏性流 体的两个流变参数 其中胛值反映流体剪切稀化和剪切稠化的重要指数 大多数化学浆液都属于牛顿流体 牛顿流体在单个圆形毛细管内的流动速率可以用p o i s s u i n e 方程表裂1 6 1 口 丝望 3 一 口 一二 l j 1 8 式中 q 为单位时间的流量 尺为毛细管的半径 孔隙半径 p 为有效注浆压力 为浆 液在毛细管内流动距离 1 3 第三章桩端渗透注浆机理研究 上式可看出 牛顿流体浆液的流动性丰要受黏滞性控制 当压力一定时 浆液在均质土中的 流动速度随扩散半径增大而减小 3 1 3 塑性流体 塑性流体的流变曲线不通过原点 即含有屈服值 其通式如f f r o k y 3 3 其中 为屈服应力 当刀 l 时 为宾汉姆流体 r l 时 为带屈服值的假塑流体 剪切 稀化液 r 时 f r o z g 3 5 当f 时 厂 0 3 6 其中 和比分别为宾汉姆浆液的屈服应力和极限黏度 宾汉姆流体模型的表观黏度为 以 y r y 心厂 厂 f 0 厂 1 3 7 由此可见 宾汉姆流体与牛顿流体相比具有较高的流动阻力 在地层中注入宾汉姆型浆液比 注入牛顿型浆液需要更大的压力 3 1 4 黏塑性流体 从图3 1 i 可知 黏塑性流体的流变曲线在低剪切速率下往往偏离直线呈曲线变化 在剪切速 率增大至层流阶段时才呈直线变化 这是由于流体中固相颗粒的不均匀性 在表面引力和斥力的 作用下易形成结构的缘故 黏塑性流体的流变方程为 f a 厂 3 8 式中 f 也动切力 也叫屈服值 p a 黏塑性流体的表观黏度为 a a y 3 9 上式中 比为塑性黏度 f y 为结构黏度 乙 y 代表颗粒形成结构的趋势引起的剪切阻力 剪切速率越高 l 厂越小 表观黏度值也越小 这种表观黏度随剪切速率升高而降低的现象称为 剪切稀释作用 反映剪切稀释作用大小的指标是动塑比 即r a 动塑比越大 剪切稀释作 用越强 3 1 5 黏时交流体 流体的黏性除与温度 剪切速率y 等有关外 还与切变运动时间 剪切持续时间 有关 如 图3 一l 一2 所示 在剪切速率y 不变的条件下 曲线g 的剪切力f 随时间延长逐步增加到稳定 具有 这种特性的流体称为震凝流体 该流体属于剪切稠化液 曲线b 的剪切力f 随时间延长逐步降低 到稳定 具有这种特性的流体称为触变流体 该流体属于剪切稀化液 1 4 东南大学硕士学位论文 剪切 应力 时间c a 为震凝流体 b 为触变流体 图3 1 2 黏时变流体剪切应力随时间变化关系曲线图 黏时变流体的黏度随时间而增大 试验表明 许多黏度渐变型浆液 其凝胶过程中 黏度变 化都符合下列规律 f 1 k e 巾 3 1 0 式中 f 1 为浆液的黏度 t 为浆液混合的时间 k 彳为待定常数 由各种不同浆液本身 的性能所决定 泥浆是典型的触变流体 特别是膨润士泥浆 具有较好的触变性 水泥浆随着时间的延长 浆液越来越稠 其流变曲线表现出震凝性 3 1 6 水泥浆液的流变特性 许多研究 3 1 3 2 3 3 l 证实 水泥浆液的流变性与水灰比有关 水灰比较大时为牛顿流体 水灰比较 小时为宾汉姆流体 水泥浆液由牛顿流体转变为宾汉姆流体的临界水灰比发生在w c 接近于1 处 水灰比大于l 属于牛顿流体 水灰比小于l 为宾汉姆流体 见图3 1 3 水灰比小于l 的水泥浆液 的剪切强度和黏度见图3 1 4 己a b c9e ll l l f 7 一f 一 1 00200300 400 f 流动阻力 1o n a 为水 b 为w c 1 o c 为w