岩土注浆加固理论

1、岩土注浆加固理论 11 岩土注浆加固理论岩土注浆加固理论 岩土注浆加固理论 注浆理论的研究对象主要是浆液在岩土体中流动时所完 成的两个主要过程: (1)物理化学过程； (2)流体力学过程。 物理化学过程：注浆材料的凝结和硬化机理、浆液的流 变性能等； 流体力学过程：浆液沿注浆管道及在地下沿孔隙或空洞 的流动扩散规律。 岩土注浆加固理论 近几十年来, 国内外许多学者根据流变学和地 下水动力学原理对注浆法进行了大量理论研究, 发展了一些注浆理论。但总体来说, 与注浆材 料、注浆工艺、注浆设备的快速发展呈鲜明对 比的是注浆理论的研究相对还比较落后, 进展 缓慢。其主要原因是被注介质的不均匀性和不被注

2、介质的不均匀性和不 确定性确定性以及浆液本身的多变性，并且注浆机制 的研究一直被人们所忽视, 这些都增加了理论 分析的困难。 岩土注浆加固理论 注浆技术的分类： 浆液材料：水泥注浆和化学注浆； 浆液性能：粒状注浆和液体注浆； 注浆用途：加固注浆、防渗注浆和基础托换注浆； 注浆压力：静压注浆和高压注浆； (1)按照地质条件、注浆压力、浆液对岩土体的作用机 理、浆液的运动形式和替代方式, 注浆可分为渗透注 浆、劈裂注浆、压密注浆、充填注浆(裂隙注浆）和 高压喷射注浆五类。 压密劈裂渗透喷射 岩土注浆加固理论 11 岩土注浆加固理论岩土注浆加固理论 v11.1 岩土介质的可注性岩土介质的可注性 v1

3、1.2 岩土渗透注浆理论岩土渗透注浆理论 v11.3 岩土压密注浆理论岩土压密注浆理论 v11.4 岩土体劈裂注浆理论岩土体劈裂注浆理论 v11.5 裂隙岩体的注浆理论裂隙岩体的注浆理论 岩土注浆加固理论 v岩土注浆理论是借助于水力学、岩土注浆理论是借助于水力学、流体力学流体力学和和固体力学固体力学的理的理 论发展起来的，对浆液的单一流动形式进行分析，建立压论发展起来的，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。力、流量、扩散半径、注浆时间之间的关系。 v浆液在地层中往往以多种形式运动，且这些运动形式随着浆液在地层中往往以多种形式运动，且这些运动形式随着 地

4、层的变化、浆液的性质和压力变化而相互转化或并存。地层的变化、浆液的性质和压力变化而相互转化或并存。 如在渗透注浆过程中存在劈裂现象，在劈裂注浆过程中存在渗透流如在渗透注浆过程中存在劈裂现象，在劈裂注浆过程中存在渗透流 动等，在压密注浆过程中存在劈裂或渗透流动。尽管浆液在地层中动等，在压密注浆过程中存在劈裂或渗透流动。尽管浆液在地层中 运动形式很复杂，但它在一定条件下总是以某种流动形式为主。运动形式很复杂，但它在一定条件下总是以某种流动形式为主。 v因此，应正确地运用注浆理论，使其以所要求的因此，应正确地运用注浆理论，使其以所要求的运动形式运动形式 为主在地层中流动，达到注浆的目的。为主在地层中

5、流动，达到注浆的目的。 岩土注浆加固理论 11.1 11.1 岩土介质的可注性岩土介质的可注性 v注浆法的适用范围以及对岩土介质的改良结果，不仅取决注浆法的适用范围以及对岩土介质的改良结果，不仅取决 于注浆材料的性质，也取决于注浆方法和注浆工艺。于注浆材料的性质，也取决于注浆方法和注浆工艺。 v注浆方法注浆方法的选择不仅是注浆设备的选择，还要看试验结果，的选择不仅是注浆设备的选择，还要看试验结果， 考虑注浆经验是否丰富，注浆管理的方法是否可行等。考虑注浆经验是否丰富，注浆管理的方法是否可行等。 v在注浆工程实践中，常常采用联合在注浆工程实践中，常常采用联合注浆工艺注浆工艺，包括不同浆，包括不同

6、浆 材及不同注浆方法的联合，以适应某些特殊的地质条件和材及不同注浆方法的联合，以适应某些特殊的地质条件和 专门注浆目的，因而注浆法的适用界限变得更加复杂。专门注浆目的，因而注浆法的适用界限变得更加复杂。 岩土注浆加固理论 11.1 11.1 岩土介质的可注性岩土介质的可注性 v在砂砾土层中渗透注浆时，尤其是当浆液的浓度较大时，在砂砾土层中渗透注浆时，尤其是当浆液的浓度较大时， 要求浆液中的颗粒直径比土的孔隙小，粒状浆材中的颗粒要求浆液中的颗粒直径比土的孔隙小，粒状浆材中的颗粒 才能在孔隙或裂隙中流动。但粒状浆材往往以多粒的形式才能在孔隙或裂隙中流动。但粒状浆材往往以多粒的形式 同时进入孔隙或裂

7、隙，这可导致孔隙的堵塞，因此，仅仅同时进入孔隙或裂隙，这可导致孔隙的堵塞，因此，仅仅 满足颗粒尺寸小于孔隙尺寸是不够的；满足颗粒尺寸小于孔隙尺寸是不够的； v同时浆液在流动过程中存在着凝结过程，也会造成浆液通同时浆液在流动过程中存在着凝结过程，也会造成浆液通 道的堵塞；道的堵塞； 岩土注浆加固理论 11.1 11.1 岩土介质的可注性岩土介质的可注性 v此外，地基土是非均质体，裂隙或孔隙的大小不相同，此外，地基土是非均质体，裂隙或孔隙的大小不相同， 粒状浆材的颗粒尺寸不均匀，若想封闭所有的孔隙，粒状浆材的颗粒尺寸不均匀，若想封闭所有的孔隙， 就要求粒状浆材的颗粒尺寸必须很小，这从技术和经就要求

8、粒状浆材的颗粒尺寸必须很小，这从技术和经 济的角度来看也是困难的。济的角度来看也是困难的。 v许多实验结果表明，注浆材料能够顺利渗透到土颗粒许多实验结果表明，注浆材料能够顺利渗透到土颗粒 间的条件是间的条件是: 1510 85 15 d D N 8 95 10 d D N 岩土注浆加固理论 11.1 11.1 岩土介质的可注性岩土介质的可注性 v若土颗粒粒径若土颗粒粒径 0.8mm, 0.8mm, 渗透系数渗透系数 1010-1 -1cm/s cm/s，水泥浆材可以注入。，水泥浆材可以注入。 v当孔隙尺寸小于这一数值时，水泥浆液就不能注人，即使增加注浆压力当孔隙尺寸小于这一数值时，水泥浆液就不

9、能注人，即使增加注浆压力 也不会得到理想渗透注浆效果。这时只有减小粒状浆材的颗粒尺寸，如也不会得到理想渗透注浆效果。这时只有减小粒状浆材的颗粒尺寸，如 采用超细水泥等，才能得到满意的结果。采用超细水泥等，才能得到满意的结果。 dK 表表11-1 各种注浆材料的适用范围各种注浆材料的适用范围 材材 料料 组成成分颗粒粒径组成成分颗粒粒径 （mm） 地基的渗透系数地基的渗透系数 （cm/s） 适用范围适用范围 水泥水泥10-2 砾砂、粗砂砾砂、粗砂 裂隙宽度裂隙宽度0.2 mm 膨润土粘土膨润土粘土10-4砂、砾砂砂、砾砂 超细水泥超细水泥0.0120.01010-4 砂、砾砂、多孔砖墙，裂隙宽砂

10、、砾砂、多孔砖墙，裂隙宽 度度0.05 mm的混凝土、岩石的混凝土、岩石 化学浆液化学浆液10-7细砂、砂岩、微裂隙的岩石细砂、砂岩、微裂隙的岩石 岩土注浆加固理论 11.2 11.2 岩土渗透注浆理论岩土渗透注浆理论 v渗透注浆(Permeation Grouting) 是指在不破坏地层 岩土颗粒排列的条件下,浆液充填于颗粒间隙中,从 而取代、排出其中的空气和水,将颗粒胶结成整体。 v一般渗透注浆是在不足以破坏地层构造的压力下一般渗透注浆是在不足以破坏地层构造的压力下 即不产生水力劈裂，把浆液注入到粒状土的孔隙即不产生水力劈裂，把浆液注入到粒状土的孔隙 中，从而取代或排出其中的空气和水。中，

11、从而取代或排出其中的空气和水。 v一般渗透注浆要满足可注性条件。渗透注浆浆液一一般渗透注浆要满足可注性条件。渗透注浆浆液一 般均匀地扩散到岩土颗粒间的孔隙内，将岩土颗粒般均匀地扩散到岩土颗粒间的孔隙内，将岩土颗粒 胶结起来，可增强岩土体的强度和防渗能力。胶结起来，可增强岩土体的强度和防渗能力。 岩土注浆加固理论 11.2 11.2 岩土渗透注浆理论岩土渗透注浆理论 1) 抗渗止水工程:开挖竖井、隧道等地下工程,防止和控制 涌水;地下工程开挖时防止基础沉降;坝基防渗注浆,建筑物 地基下部或周围防渗体的建立;基础及城市地下工程防止流 砂管涌及地面隆起等。 2) 地基加固工程:加固软弱地基,提高地基

12、土的承载力,扩 散上部荷载,降低应力水平;回升和加固建(构) 筑物地基; 地铁的注浆加固,通过渗透注浆用以减少施工时地面位移和 控制施工现场土体的位移等;隧洞大开挖注浆加固;竖井注 浆,用以处理流砂和不稳定地层。 3) 防止变形工程:防止产生滑动,维持坡面稳定;构筑物本 身的加强,开挖基坑时对附近已有构筑物的防护。 4) 对灌注桩的两侧和底部注浆,用以提高桩与土间的侧摩 阻力和桩端土体的力学强度。在锚杆和锚索施工过程中,用 渗透注浆做成锚固体。 岩土注浆加固理论 11.2 11.2 岩土渗透注浆理论岩土渗透注浆理论 v注浆材料在外力作用下可渗入到岩土体的裂隙或孔注浆材料在外力作用下可渗入到岩土

13、体的裂隙或孔 隙中。一般情况下，隙中。一般情况下，注浆压力注浆压力越大，注入的越大，注入的浆液量浆液量 越多，越多，扩散的距离扩散的距离也就越远，加固的也就越远，加固的效果效果也就越好。也就越好。 v但注浆材料的渗透性好坏与诸多因素有关，如但注浆材料的渗透性好坏与诸多因素有关，如: 岩土的孔隙率及孔隙大小、材料的可注性、注浆岩土的孔隙率及孔隙大小、材料的可注性、注浆 施工方法、地基的非均质性、地下水的流动、注施工方法、地基的非均质性、地下水的流动、注 浆材料的时间特性等。浆材料的时间特性等。 岩土注浆加固理论 11.2 11.2 岩土渗透注浆理论岩土渗透注浆理论 v浆液扩散形状取决于注浆方式。

14、浆液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，浆当由钻杆端孔注浆，注浆孔较深，这时相当于点源，浆 液呈球面扩散；液呈球面扩散； 当采用花管式分段注浆，浆液则呈柱面扩散。当采用花管式分段注浆，浆液则呈柱面扩散。 岩土注浆加固理论 11.2.1 11.2.1 牛顿流体在地层中的渗透公式牛顿流体在地层中的渗透公式 浆液具有易流动性,静止时不能承受切力抵抗剪切变形,但在运动状态 下,浆液就具有低抗剪切变形的能力即粘滞性。在剪切变形过程中,浆 体质点之间存在着相对运动,使浆体内部出现成对的切力,其作用是抗 拒浆体内部的相对运动,从而影响着浆体的运动状态。由于这种粘滞 性的存

15、在,浆液在运动中要克服内摩擦力而做功。牛顿于1686 年提出 并验证了此规律,因此称为牛顿流体。牛顿流体的本质即是在温度不 变的条件下,流体的动力粘滞系数值不变,为一固定斜率的直线。 岩土注浆加固理论 11.2.1 11.2.1 牛顿流体在地层中的渗透公式牛顿流体在地层中的渗透公式 v牛顿流体是典型的粘性流体，其流变曲线是通过原点的直线，牛顿流体是典型的粘性流体，其流变曲线是通过原点的直线， 方程式为方程式为: : v大多数的化学浆液都属于牛顿流体。大多数的化学浆液都属于牛顿流体。 岩土注浆加固理论 11.2.1 11.2.1 牛顿流体在地层中的渗透公式牛顿流体在地层中的渗透公式 （1）球状扩

16、散理论）球状扩散理论 1）Maag公式公式 Maag于于1938年推导出浆液在砂层中年推导出浆液在砂层中 的渗透公式。认为：注浆材料在土体中的渗透公式。认为：注浆材料在土体中 流动是层流，并服从达西定律；地基是流动是层流，并服从达西定律；地基是 均质的半无限体；在地下水位以下注浆均质的半无限体；在地下水位以下注浆 时，地下水无动水压力；不考虑注浆材时，地下水无动水压力；不考虑注浆材 料的密度与水的密度的差别；在注浆期料的密度与水的密度的差别；在注浆期 间，注浆材料的粘度不变；注浆源为点间，注浆材料的粘度不变；注浆源为点 源，浆液在地层中呈球状扩散。源，浆液在地层中呈球状扩散。 岩土注浆加固理论

17、 11.2.1 11.2.1 牛顿流体在地层中的渗透公式牛顿流体在地层中的渗透公式 v根据达西定律：根据达西定律： v式中式中 v根据边界条件可推导出根据边界条件可推导出 和和 v已知已知 ，同时考虑，同时考虑 ，即，即 ， v则得到：则得到： iAtKQ g 2 4 rA K K dr dh i g ， ) 11 ( 4 10 0 rrKt Q hH 1 0 0 4() 11 () Kt Hh Q rr nrQhhH 3 10 4 3 ， 01 rr 010 111 rrr 0 3 1 1 3Ktr nr h 01 3 1 3rKh nr t 0 rr Hh 1 rr 0 hh 2 4 Qd

18、r dh Kt r 岩土注浆加固理论 11.2.1 11.2.1 牛顿流体在地层中的渗透公式牛顿流体在地层中的渗透公式 v2）Raffle-Greenwood公式公式 Raffle和和Greenwood推导出注浆点源的球形扩散半径、浆液流量和推导出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为浆液压力之间的关系式为 浆液从注浆点源扩散到半径为浆液从注浆点源扩散到半径为 的球面所需的时间为的球面所需的时间为 Raffle-Greenwood公式可简化为公式可简化为Maag公式。公式。 110 1 111 4rrrnK Q h 1 2 1 1 3 2 0 3 0 2 1 1 3 0 r

19、r r Kh nr t 1 r 岩土注浆加固理论 11.2.1 11.2.1 牛顿流体在地层中的渗透公式牛顿流体在地层中的渗透公式 v（2 2）柱面扩散公式）柱面扩散公式 v柱状注浆时液面扩散方式如图所示，根据达西定柱状注浆时液面扩散方式如图所示，根据达西定 律有律有 v当当 时，时， ； 时，时， ，可推导出，可推导出 v已知已知 ， ，可得，可得 v非水溶性浆液渗透扩散理论可参考有关资料。非水溶性浆液渗透扩散理论可参考有关资料。 iAKq g 0 rr Hh 1 rr 0 hh 0 1 10 ln 2r r aK q hhH 0 1 1 ln 2 r r aKh q anrQ 2 1 qt

20、Q 2 1 01 1 1 /ln 2 rrn tKh r 1 01 2 1 2 )/ln( Kh rrrn t 岩土注浆加固理论 11.2.2 宾汉姆流体在地层中的渗透公式宾汉姆流体在地层中的渗透公式 v宾汉姆流体是典型的塑性流体，其流变曲线是不宾汉姆流体是典型的塑性流体，其流变曲线是不 通过原点的直线。流体具有这种性质的原因是由通过原点的直线。流体具有这种性质的原因是由 于流体含有一定的颗粒浓度，在静止状态下形成于流体含有一定的颗粒浓度，在静止状态下形成 颗粒之间的内部结构。在外部施加的剪切力很小颗粒之间的内部结构。在外部施加的剪切力很小 时，浆液只会产生类似于固体的弹性变形。当剪时，浆液只

21、会产生类似于固体的弹性变形。当剪 切力达到破坏极限后切力达到破坏极限后( (超过内聚力超过内聚力) )，浆体才会发，浆体才会发 生类似于牛顿流体的流动，浆液的这种性质称为生类似于牛顿流体的流动，浆液的这种性质称为 塑性。（塑性体）塑性。（塑性体） 岩土注浆加固理论 11.2.2 宾汉姆流体在地层中的渗透公式宾汉姆流体在地层中的渗透公式 宾汉姆流体的流变方程表示为宾汉姆流体的流变方程表示为 塑性流体的表观粘度为塑性流体的表观粘度为 pn 1 / )(/ nppnn 牛顿流体牛顿流体 岩土注浆加固理论 11.2.2 宾汉姆流体在地层中的渗透公式宾汉姆流体在地层中的渗透公式 v可见，宾汉姆流体比牛顿

22、流体具有较高的流动阻可见，宾汉姆流体比牛顿流体具有较高的流动阻 力，注：宾汉姆型浆液需要较大的压力，浆液才力，注：宾汉姆型浆液需要较大的压力，浆液才 能扩散较远。能扩散较远。 v多数粘土浆液和一些粘度很大的化学浆液属于宾多数粘土浆液和一些粘度很大的化学浆液属于宾 汉姆流体；汉姆流体； v水泥浆由牛顿流体转变为宾汉姆流体的临界水灰水泥浆由牛顿流体转变为宾汉姆流体的临界水灰 比发生在比发生在WC接近于接近于1处，水灰比大于处，水灰比大于1属于牛属于牛 顿流体，水灰比小于顿流体，水灰比小于1为宾汉姆流体。为宾汉姆流体。 岩土注浆加固理论 11.2.2 11.2.2 宾汉姆流体在地层中的渗透公式宾汉姆

23、流体在地层中的渗透公式 v对于宾汉姆流体柱面扩散方式来说，根据渗流微分方程对于宾汉姆流体柱面扩散方式来说，根据渗流微分方程 v宾汉姆流体在粗颗粒岩土体中渗透系数为宾汉姆流体在粗颗粒岩土体中渗透系数为 v经整理后得经整理后得 v塑性流体随时间而变化的流动规律塑性流体随时间而变化的流动规律 r dr aK Q dp g 2 )/1 (1CBA E K g )/2(1QarCBA E K g 0 0 0 ln 2 rrCB r r a Q E A ppr )( 0 rr Q an t 岩土注浆加固理论 11.2.2 11.2.2 宾汉姆流体在地层中的渗透公式宾汉姆流体在地层中的渗透公式 v当当 时，

24、时， 可忽略不计，取可忽略不计，取 ， 。计算在已知时间。计算在已知时间 T T 及注浆流量及注浆流量 Q 为常量时的注浆扩散半径为常量时的注浆扩散半径 v注浆流量注浆流量 v从而从而 r 0 r 2 0 rRr Tt 2 1 T an Q R 0 0 /ln 2 )( rR aBCR A ppE Q R 2 1 0 0 ln 2 )( r R n TBCR A ppE R R 0 0 0 4 . 0 max 66. 2 R pp d A n R 岩土注浆加固理论 11.2.2 11.2.2 宾汉姆流体在地层中的渗透公式宾汉姆流体在地层中的渗透公式 以上公式可解决的注浆工程问题：以上公式可解决

25、的注浆工程问题： v（1）已知）已知 和和 ，根据公式，根据公式 可计算出扩散半径。可计算出扩散半径。 v（2）已知压差（）已知压差（ ）及注浆时间）及注浆时间 时，按照公式时，按照公式 计算注浆扩散半径。计算注浆扩散半径。 v（3）已知注浆流量）已知注浆流量 及扩散半径及扩散半径 ，可按照公式，可按照公式 计算孔底最大压力计算孔底最大压力( )，并根据公式，并根据公式 计算注浆时间。计算注浆时间。 v（4）塑性流体的渗透系数、有效粘度都是半径的函数，在向孔隙介质）塑性流体的渗透系数、有效粘度都是半径的函数，在向孔隙介质 注入分散性浆液时，随着时间的变化注入分散性浆液时，随着时间的变化(半径的

26、增大半径的增大)，将出现介质的渗透，将出现介质的渗透 率下降。率下降。 Q T 2 1 T an Q R r pp 0T 2 1 0 0 ln 2 )( r R n TBCR A ppE R R Q R 0 0 0 ln 2 rrCB r r a Q E A ppr 0 p 2 1 T an Q R 岩土注浆加固理论 注浆材料的流变特性注浆材料的流变特性 浆液在孔隙中流动，其流变学特性取浆液在孔隙中流动，其流变学特性取 决于浆液材料的结构特性，可分为牛决于浆液材料的结构特性，可分为牛 顿体和非牛顿体。顿体和非牛顿体。 不遵循牛顿内摩擦定律的流体的统称。不遵循牛顿内摩擦定律的流体的统称。 有些非

27、牛顿流体的流变特性有些非牛顿流体的流变特性,还随外还随外 力作用的时间而变化力作用的时间而变化,故可分为与时故可分为与时 间无关的及与时间有关的两种。还有间无关的及与时间有关的两种。还有 一种既有粘性一种既有粘性,又有弹性的流体又有弹性的流体,称粘称粘 弹性流体。弹性流体。 我们研究流体的流变学特征，一般是我们研究流体的流变学特征，一般是 假定被测液体为牛顿流体，但是，实假定被测液体为牛顿流体，但是，实 际上自然界际上自然界90%的流体为非牛顿流体。的流体为非牛顿流体。 岩土注浆加固理论 注浆材料的流变特性注浆材料的流变特性 流动好的化学浆液属于牛顿体流动好的化学浆液属于牛顿体 水泥、粘土、污

28、泥、沥青等都可水泥、粘土、污泥、沥青等都可 当作宾汉流体来考虑。当作宾汉流体来考虑。 宾汉流体只有切应力宾汉流体只有切应力( (超过屈服）超过屈服） 才能产生相对流动。才能产生相对流动。 粘度是浆液的最主要的流变参数。粘度是浆液的最主要的流变参数。 岩土注浆加固理论 注浆材料的流变特性注浆材料的流变特性 反映了粘度不变及粘度渐变型浆反映了粘度不变及粘度渐变型浆 液粘度随时间变化规律。液粘度随时间变化规律。 粘度不变型粘度不变型 粘度渐粘度渐 变型变型 瞬时瞬时 凝胶凝胶 完全完全 凝胶凝胶 凝胶凝胶 时间点时间点 指数规律，渐变型指数规律，渐变型 高压与低压下浆液粘度变化高压与低压下浆液粘度变

29、化 岩土注浆加固理论 11.2.3 11.2.3 渗透注浆的极限压力渗透注浆的极限压力 现场试验表明, 进行土层渗透注浆,如果注 浆压力在一定条件下,浆液就会均匀渗透,但 如果超过某一极限注浆压力(Pmax) ,浆液将 由渗透转化为劈裂。只有当注浆压力小于 Pmax时,才能保证浆液在土层中均匀渗透。 岩土注浆加固理论 11.2.3 11.2.3 渗透注浆的极限压力渗透注浆的极限压力 v在半无限空间可渗透注浆的土体内注浆时，如果注浆压力超过某一极限在半无限空间可渗透注浆的土体内注浆时，如果注浆压力超过某一极限 值值( )，浆液流动将会由渗透方式转化为劈裂方式。只有当注浆压力小，浆液流动将会由渗透

30、方式转化为劈裂方式。只有当注浆压力小 于于 时，才能保证浆液在土中是渗透的。渗透注浆极限压力时，才能保证浆液在土中是渗透的。渗透注浆极限压力 的表达式的表达式 为为 v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，上式简化为渗透力对土体应力场的影响，上式简化为 u p u p u p 0 0 lnln )21 (2 )2)(1 (2 rr HK p c u )1 (2 0 HKp cu 岩土注浆加固理论 历史上, 国内外许多学者对渗透注浆进行了理论研究, 代表性 的有球型扩散Magg (1

31、938) 公式、Raffle - Greenwood (1961) 公式、柱型扩散公式、袖套管法计算公式、宾汉流体扩散公 式、粘时变流体在地层中的渗透公式、刘嘉材的单平板裂隙 注浆渗透模型、Baker (1955) 通过图解法得出的浆液在孔隙 中的扩散规律、Louis 的牛顿浆液在二维粗糙裂隙中的流动 公式, 此后, Wittke , Wallner , H. B 加宾, G. Lombadi , Amadei 等相继推导出了宾汉流体在裂隙中的流动规律, 前苏联学者 进行了细砂层中浆液扩散参数的实验研究, 奥地利学者进行 了单裂隙浆液流动过程的模拟实验, 还有我国水利水电科学 研究院研制的平板

32、型注浆实验台以及东北大学研制的槽型反 扁圆柱状试验台等, 这些实验和理论都促进了渗透注浆技术 理论的发展。 岩土注浆加固理论 但是, 上述计算公式和理论都是在特定的物理模 型基础上得到的, 它们总结了注浆中的一些规律, 具有一定的理论价值, 但是由于复杂的地层条件 和注浆工程的隐蔽性, 应该说没有任何一个公式 能真正准确地反映出工程中浆液的流动规律,这些 公式都存在缺陷, 甚至与实际情况相差很大。目 前渗透注浆理论仍然存在着许多问题有待于深入 研究,渗透注浆存在的不足如下： 渗透注浆理论公式的不足渗透注浆理论公式的不足 岩土注浆加固理论 1) 现有渗透注浆理论都没有考虑被注介质的非均 质性和各

33、向异性, 应建立一种适用于各向异性的渗 透注浆理论; 2) 渗透注浆施工过程的监控及注浆效果的检测技 术目前还不成熟, 仍然是注浆技术的一个薄弱环节, 对注浆效果也没有一个明确的判别标准, 往往凭经 验定性判断; 3) 渗透注浆工程的注浆效果与被注介质的工程地 质、水文地质有相当密切的关系, 而目前的注浆理 论仅对注浆技术本身进行研究, 缺乏对被注介质的 研究。 渗透注浆理论公式的不足渗透注浆理论公式的不足 岩土注浆加固理论 西马山防洪坝渗透注浆加固工程西马山防洪坝渗透注浆加固工程 西马山矿井防洪坝,是采用矿山排弃废石沿微山湖边堆集而 成。防洪坝渗透水问题,多年来一直未能得到有效处理,特 别是

34、随着国家“南水北调东线工程”的实施,微山湖水位将 进一步上涨,防洪坝渗水水量将进一步增大,对防洪坝和矿 井安全带来了严重的威胁。 岩土注浆加固理论 西马山防洪坝渗透注浆加固工程西马山防洪坝渗透注浆加固工程 西马山碎石防洪坝三面被微山湖环 绕。坝体上层为矿山排弃碎石堆积 层,粒度01. 5 m ,大小不均、松散, 厚度45 米,是防洪坝主要渗水层。 中层为微山湖第四纪黑色泥土层,厚 度23 m ,不透水。底层为岩浆石,不 渗水。 由于近年来微山湖水位上涨,在碎石 层与粘土层间出现长280 m 大面积渗 水带,部分地点出现管涌状出水,对泥 土层冲刷严重。井下排水量比正常 期增加460m3/h ,无

35、备用排水能力。 威胁矿井安全生产,增加排水成本。 岩土注浆加固理论 西马山防洪坝渗透注浆加固工程西马山防洪坝渗透注浆加固工程 在防洪坝渗水280 m(两端各超出最 端渗水点40 m) 长度范围内,利用碎 石孔隙与水泥结合,形成混凝土围 幕封堵渗透水。 采取工艺: KD100 钻机,干式钻孔, 孔径110mm 圆环型合金钻头,钻孔 深度56 m ,具体钻孔深度要求进 入泥土层0. 5 m。使用长度34 m 注浆管,一端配有法兰盘。 在坝体中间,采取双排钻孔,水泥、 水玻璃双液注浆,每孔间距2 m ,2 排间距1 m。钻孔布置形式见右图 。 岩土注浆加固理论 西马山防洪坝渗透注浆加固工程西马山防洪

36、坝渗透注浆加固工程 钻孔:采取干式钻孔,加长钻具, 控制钻进速度,根据钻孔情况及时下 地表管,遇大块岩石时可移位钻孔。 注浆: 注浆管下孔深度距泥土层12 m 处为宜, 在注浆管上部用法兰 盘与自制双头注浆帽联接, 按两孔间注浆交圈厚0. 5 m ,近似圆台体(上 部直径1. 2 m、下部直径1. 8 m、高4 m)及孔隙率25 % , 计算每孔总注浆 量为1. 8 m3 ,水泥量为2 t ; 按250 kg/ m 的水泥量,水泥和水1 1 的比例 制浆,先注入纯水泥桨,以保证钻孔注浆交圈厚度,形成围幕, 在注浆同时 观察周围地面、注入压力及渗水点水质变化情况, 防止地面出浆, 在注浆压力增大

37、和渗水点水质变浊时,适时渗入30Be ,水玻璃20 % 30 % ,进行双液注浆。随着水玻璃的加入,注浆管逐渐被托起,上升到注 浆管2/ 3 位置时,停止注浆,完成该孔施工,进行下孔施工。 主要材料消耗:水泥500 kg/ m ,水玻璃65 kg/ m。 岩土注浆加固理论 西马山防洪坝渗透注浆加固工程西马山防洪坝渗透注浆加固工程 经过50 天的围幕渗透注浆施工,共完成钻孔203孔, 加固防洪坝280 m,经地面检查,各渗水处均被封堵, 无渗水现象。 井下泵房排水量恢复到正常水量,排水量减少460 m3/h 。 对碎石坝渗水封堵,采用钻孔围幕注浆方案, 投入 少、施工简单,取得了较好的封堵效果。

38、 岩土注浆加固理论 11.3 11.3 岩土压密注浆理论岩土压密注浆理论 压密注浆起源于美国压密注浆起源于美国, 称其为称其为CPG ( compaction grouting) 方法方法, 该法已有该法已有60 多年的应用历史多年的应用历史, 1970 年年 Mitchell 对压密注浆和其它注浆法进行了比较对压密注浆和其它注浆法进行了比较, 1973 年年 Brom 和和Winer 论述了压密注浆和注浆力学论述了压密注浆和注浆力学, 1974 年年 Brom 和和Winer 提出了压密注浆的设计和施工准则提出了压密注浆的设计和施工准则, 之后之后, Graf 和和Winer 等人一直致力与

39、压密注浆技术的研究。等人一直致力与压密注浆技术的研究。 压密注浆最大优点：是它对于最软弱土层区域能起到最大压密注浆最大优点：是它对于最软弱土层区域能起到最大 限度的压密作用。在压密注浆过程中限度的压密作用。在压密注浆过程中,浆泡挤压邻近的土体浆泡挤压邻近的土体, 使土体被压密使土体被压密, 承载力提高承载力提高, 浆液不向土体渗透浆液不向土体渗透, 只对土体只对土体 产生挤压作用产生挤压作用,使土体密实使土体密实, 因而土体不发生水力劈裂因而土体不发生水力劈裂, 这这 就是压密注浆与劈裂注浆的根本区别。就是压密注浆与劈裂注浆的根本区别。 岩土注浆加固理论 11.3 11.3 岩土压密注浆理论岩

40、土压密注浆理论 v压密注浆是用极稠的浆液（塌落度压密注浆是用极稠的浆液（塌落度25 mm1000），采用牛顿），采用牛顿-雷廷格公式雷廷格公式 e v e R 20 2 0 5 .54 18 )( R RRR e d dg v e R 3 0 2 0 0 8 .25 R Re dv e R R R e dv 0 0 1 .51 岩土注浆加固理论 11.5.2 水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理 v在静止状态和层流状态，水泥沉淀速度最快，过渡态次之，在静止状态和层流状态，水泥沉淀速度最快，过渡态次之， 紊流最慢。一般在钻孔附近呈紊流，远离钻孔为层流。因此紊流最慢。一般在

41、钻孔附近呈紊流，远离钻孔为层流。因此, , 水泥浆在层流段沉积。水泥浆在层流段沉积。 v影响水泥沉淀速度的影响水泥沉淀速度的因素因素还有水泥比重、颗粒大小、水泥浆还有水泥比重、颗粒大小、水泥浆 的浓度和外加剂。在相同流速和相同浓度下，水泥的比重和的浓度和外加剂。在相同流速和相同浓度下，水泥的比重和 颗粒越大，越容易下沉；当颗粒直径颗粒越大，越容易下沉；当颗粒直径0.0010.001 mm时，水泥浆时，水泥浆 液为稳定浆液。液为稳定浆液。 v其他条件相同时，浆液愈稀，水泥颗粒的沉降速度愈快。浓其他条件相同时，浆液愈稀，水泥颗粒的沉降速度愈快。浓 度增加，颗粒之间相互碰撞、摩擦的机会增多，颗粒下沉

42、阻度增加，颗粒之间相互碰撞、摩擦的机会增多，颗粒下沉阻 力增大，速度减慢。在水泥浆液中掺入一定数量的分散剂，力增大，速度减慢。在水泥浆液中掺入一定数量的分散剂， 可以延缓水泥的析水沉淀速率。可以延缓水泥的析水沉淀速率。 岩土注浆加固理论 11.5.2 水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理 v浆液在管道中输送和在大裂隙中流速较高多表现为紊流，而浆液在管道中输送和在大裂隙中流速较高多表现为紊流，而 在细裂隙中多表现为层流。在细裂隙中多表现为层流。 v注浆时浆液自孔壁缝口进入地层裂隙后，越向外流，控制浆注浆时浆液自孔壁缝口进入地层裂隙后，越向外流，控制浆 液的断面积越大，浆液

43、的流速与距孔中心的距离成反比。液的断面积越大，浆液的流速与距孔中心的距离成反比。 v流速减小，水泥颗粒动能减小，这样一方面重力沉淀速度增流速减小，水泥颗粒动能减小，这样一方面重力沉淀速度增 加，另一方面颗粒易被接触到的岩壁所吸附，且水泥颗粒间加，另一方面颗粒易被接触到的岩壁所吸附，且水泥颗粒间 的相互吸引，易形成颗粒集团，从而促进水泥浆的析水沉积的相互吸引，易形成颗粒集团，从而促进水泥浆的析水沉积 过程。过程。 岩土注浆加固理论 11.5.2 水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理 v（2）水泥注浆的充填过程）水泥注浆的充填过程 水泥颗粒在岩缝中开始沉积地点离孔壁的距离，

44、将随注浆压力和浆水泥颗粒在岩缝中开始沉积地点离孔壁的距离，将随注浆压力和浆 液稠度、岩缝宽度不同而不同。压力越大，浆液越稀，岩缝越宽，液稠度、岩缝宽度不同而不同。压力越大，浆液越稀，岩缝越宽， 开始沉积的地点距钻孔越远。开始沉积的地点距钻孔越远。 从沉积点开始，水泥颗粒将陆续从浆液中被分离出来，在岩缝中形从沉积点开始，水泥颗粒将陆续从浆液中被分离出来，在岩缝中形 成一个不断加厚的成一个不断加厚的“脊背脊背”，逐步缩小岩缝的宽度。当岩缝宽度缩，逐步缩小岩缝的宽度。当岩缝宽度缩 小到一定程度以后，不是出现吃浆率的减小，就是出现压力自动升小到一定程度以后，不是出现吃浆率的减小，就是出现压力自动升 高

45、；若保持压力不变，进浆率就减小。进浆率的减小，使得浆液在高；若保持压力不变，进浆率就减小。进浆率的减小，使得浆液在 每一点上的流动速度也跟着减小，从而在靠近钻孔的方向又形成新每一点上的流动速度也跟着减小，从而在靠近钻孔的方向又形成新 的的“脊背脊背”，直到岩缝基本填满为止。，直到岩缝基本填满为止。 岩土注浆加固理论 11.5.2 水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理 v不同宽度的岩缝，采用同一浓度浆液时，充填的范围和时间是不同的。不同宽度的岩缝，采用同一浓度浆液时，充填的范围和时间是不同的。 宽裂隙充填距离较远，时间较长；而窄裂隙充填范围很小，时间很短。宽裂隙充填距离较

46、远，时间较长；而窄裂隙充填范围很小，时间很短。 v在实际注浆中，遇到吃浆量很大，长时间不见减小情况时，可采取逐级在实际注浆中，遇到吃浆量很大，长时间不见减小情况时，可采取逐级 变浓浆液的措施进行注浆。浆液变浓，意味着粘度和流动阻力的增大，变浓浆液的措施进行注浆。浆液变浓，意味着粘度和流动阻力的增大， 将导致相同压力下的进浆率和流速降低，结果使得水泥提前沉积。将导致相同压力下的进浆率和流速降低，结果使得水泥提前沉积。 v变浓一级浆液，就要出现一个更靠近孔壁的沉积点和一个新脊背。过快变浓一级浆液，就要出现一个更靠近孔壁的沉积点和一个新脊背。过快 变浓浆液，可能造成岩缝突然堵塞，前后形成的变浓浆液，

47、可能造成岩缝突然堵塞，前后形成的“脊背脊背”互不衔接，使互不衔接，使 岩缝得不到充分的充填。岩缝得不到充分的充填。 图图11-16 浆液变浓对充填情况的影响浆液变浓对充填情况的影响 (a)采用同一级稀浆液的充填情况；采用同一级稀浆液的充填情况； (b)采用由稀变稠，变换得当的充填情况；采用由稀变稠，变换得当的充填情况； (c)采用由稀变稠，变换不得当的充填情况采用由稀变稠，变换不得当的充填情况 岩土注浆加固理论 11.5.2 水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理 v在一个注浆段包含不同宽度的裂隙。为使所有裂隙都能充满在一个注浆段包含不同宽度的裂隙。为使所有裂隙都能充满

48、浆液，首先使用粘度小、流动性较好的稀浆，充填较小的裂浆液，首先使用粘度小、流动性较好的稀浆，充填较小的裂 隙，然后再用较稠的浆液注较大的裂隙。隙，然后再用较稠的浆液注较大的裂隙。 v浆液由稀变浓应逐级改变浆液由稀变浓应逐级改变，我国现行规范规定的水灰比可采，我国现行规范规定的水灰比可采 用用8: :1，5: :1，3: :1，2: :1，1.5: :1，0.8: :1，0.6: :1，0.5: :1九个比九个比 级，而级，而A. . C. Houlsby 推荐水泥浆液的最佳起始水水灰比为推荐水泥浆液的最佳起始水水灰比为 3: :1。 岩土注浆加固理论 11.5.2 水泥浆液在岩体裂隙中的流动机

49、理水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理 v注浆过程中变浆时机是根据压力与吸浆率的变化情况而决定。注浆过程中变浆时机是根据压力与吸浆率的变化情况而决定。 在吃浆率大于在吃浆率大于10 L/min以前，若连续注入量已达以前，若连续注入量已达450 L以上，注浆压以上，注浆压 力或吸浆率均无明显变化，则变浓一级；力或吸浆率均无明显变化，则变浓一级； 在吸浆率小于在吸浆率小于10 L/min以后，若连续注入时间已达以后，若连续注入时间已达2 h以上，压力和以上，压力和 吸浆率均无变化，也变浓一级；吸浆率均无变化，也变浓一级； 若变浓浆液后压力明显逐渐升高或吸浆率逐渐减小，则不宜再变浓若变浓浆液后压力明显逐渐

50、升高或吸浆率逐渐减小，则不宜再变浓 浆液就用当时的浓度，直至注浆结束；浆液就用当时的浓度，直至注浆结束； 若变浓后吸浆率骤减或压力骤升，再退回用原来的浆液浓度来注。若变浓后吸浆率骤减或压力骤升，再退回用原来的浆液浓度来注。 岩土注浆加固理论 11.5.2 水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理 v（3）水泥浆液在岩体裂隙内的沉积排水机理）水泥浆液在岩体裂隙内的沉积排水机理 裂隙岩体注浆所用的水泥浆液的水灰比多在裂隙岩体注浆所用的水泥浆液的水灰比多在15之间，水泥水化大之间，水泥水化大 约需约需525水（一般为水泥重量的水（一般为水泥重量的25左右），而其余的左右），而其余

51、的75 95的水则属于多余的。它仅仅为了浆液输送方便，一旦把水泥颗的水则属于多余的。它仅仅为了浆液输送方便，一旦把水泥颗 粒载运到预定地点后，多余的水分就应排除。粒载运到预定地点后，多余的水分就应排除。 而这些多余的水分是以怎样的方式排除呢而这些多余的水分是以怎样的方式排除呢?目前有两种认识，即目前有两种认识，即“固固 结排水结排水”和和“流动沉积流动沉积”理论。理论。 岩土注浆加固理论 11.5.2 水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理 v1）固结排水理论）固结排水理论 德国的库茨纳尔认为：注浆过程分为德国的库茨纳尔认为：注浆过程分为“填满填满”与与“饱和饱和”两个阶段。两个阶段。 在填满阶段，浆液进入并充填了裂隙的绝大部分，在饱和阶段，浆在填满阶段，浆液进入并充填了裂隙的绝大部分，在饱和阶段，浆 液中的多余水分在饱和压力（最高压力）下产生类似于太沙基的土液中的多余水分在饱和压力（最高压力）下产生类似于太沙基的土 力学固结现象而被排出，使水泥颗粒彼此接近。力学固结现象而被排出，