岩土注浆加固理论

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岩土注浆加固理论11

岩土注浆加固理论岩土注浆理论：是借助于流体力学和固体力学的理论发展起来的，对浆液的单一流动形式进行分析，建立压力、流量、扩散半径、注浆时间之间的关系。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。因此，应正确地运用注浆理论，使其以所要求的运动形式为主在地层中流动与固化，达到注浆的目的。11

岩土注浆加固理论11.1岩土介质的可注性11.2岩土渗透注浆理论11.3岩土压密注浆理论11.4岩土劈裂注浆理论11.5裂隙岩体注浆理论11.1岩土介质的可注性注浆法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性质，也取决于注浆方法、注浆工艺等。

注浆方法：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，注浆管理方法是否可行等。

注浆工艺：包括不同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专门注浆目的。因而注浆法的适用界限变得更加复杂。11.1岩土介质的可注性在砂砾土层中渗透注浆时，尤其是浆液浓度较大时，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；

且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；

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，就要求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。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

注入比：11.1岩土介质的可注性若土颗粒粒径d

≥0.8mm,

渗透系数K

≥10-1cm/s，水泥浆材可以注入。当孔隙尺寸小于这一数值时，水泥浆液就不能注人，即使增加注浆压力也不会得到理想渗透注浆效果。只有减小粒状浆材颗粒尺寸，如采用超细水泥等，才能得到满意结果。

表11-1

各种注浆材料的适用范围材

料粒粒径（mm）地基渗透系数（cm/s）适用范水泥<0.1～0.08>10-2砂、粗砂；裂隙度>0.2

mm膨土粘土<0.05>10-4砂、砂超水泥0.010～0.012>10-4砂、砂、多孔裂隙度＞0.05

mm混凝土、岩石化学液>10-7砂、砂岩、微裂隙的岩石11.2岩土渗透注浆理论注浆材料在外力作用下可渗入到岩土体的裂隙或孔隙中。

一般情况下，注浆压力越大，注入的浆液量越多，扩散的距离也就越远，加固的效果也就越好。但注浆材料的渗透性好坏与许多因素有关，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。一般渗透注浆是在不足以破坏地层构造的压力下，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。一般渗透注浆要满足可注性条件——其浆液一般均匀地扩散到岩土颗粒

间的孔隙或间隙内，将土颗粒胶结起来，可增强土体的强度和防渗能力。11.2岩土渗透注浆理论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，相当于点源，浆液呈球面扩散。

当采用花管分段注浆，浆液则呈柱面扩散。浆液特性：牛顿流体宾汉姆流体11.2.1牛顿流体在地层中的渗透公式牛顿流体——典型粘性流体，流变曲线是通过原点的直线，即:大多数的化学浆液都属于牛顿流体。计算公式：球状散理Magg公式Raffle-Greenwood公式柱面扩散理论11.2.1牛顿流体在地层中的渗透公式球状散理Magg公式：Magg于1938年推出液在砂中的渗透公式。：

液在砂体中流是流，服从达西定律；

地基是均的半无限体；

在地下水位以下注，地下水无水力；

不考注材料的密度与水的密度的差；

在注期，注材料的粘度不；

注源点源，液在地中呈球状散。11.2.1牛顿流体在地层中的渗透公式根据达西定律：式中根据边界条件可推导出和已知，同时考虑，即，则得到：11.2.1牛顿流体在地层中的渗透公式Raffle-Greenwood公式

Raffle和Greenwood于1961年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

浆液从注浆点源扩散到半径为r1

的球面所需的时间为

Raffle-Greenwood公式可简化为Magg公式。11.2.1牛顿流体在地层中的渗透公式柱面扩散公式根据达西定律有当 时，；时，；可推导出已知，，可得非水溶性浆液渗透扩散理论可参考有关资料。11.2.2宾汉姆流体在地层中的渗透公式宾汉姆流体是典型塑性流体，其流变曲线是不通过原点的直线。

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。

当剪切力达到破坏极限后(超过内聚力)，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塑性。

宾汉姆流体的流变方程表示为

塑性流体的表观粘度为11.2.2宾汉姆流体在地层中的渗透公式姆流体比牛流体具有高的流阻力，注姆型液需要大的力，液才能散。

多数粘土液和一些粘度很大的化学液属于姆流体；

水泥由牛流体姆流体的界水灰比生在W／C接近于1；

水灰比大于1属于牛流体，水灰比小于1姆流体。11.2.2宾汉姆流体在地层中的渗透公式对于宾汉姆流体柱面扩散方式来说，根据渗流微分方程宾汉姆流体在粗颗粒岩土体中渗透系数为经整理后得塑性流体随时间而变化的流动规律11.2.2宾汉姆流体在地层中的渗透公式当

>> 时， 可忽略不计，取

， 。计算在已知时间T及注浆流量

Q为常量时的注浆扩散半径注浆流量从而11.2.2宾汉姆流体在地层中的渗透公式计算公式可解决的注浆工程问题：可计算出扩散半径。（1）已知

和 ，根据公式（2）已知压差（ ）及注浆时间时，按照公式计算注浆扩散半径。计（3）已知注浆流量 及扩散半径 ，可按照公式算孔底最大压力( )，并根据公式 计算注浆时间。（4）塑性流体的渗透系数、有效粘度都是半径的函数，在向孔隙介质注入分散性浆液时，随着时间的变化（半径的增大），将出现介质的渗透率下降。11.2.3渗透注浆的极限压力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(

Pu

)，浆液流动将会由渗透方式转化为劈裂方式。只有当注浆压力小于Pu时，才能保证浆液在土中是渗透的。渗透注浆极限压力Pu的表达式为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11.3岩土压密注浆理论密注：是用极稠的液（塌落度<25

mm），通孔向土体，在注形成球形泡，体的散靠周土体的。

杆自下而上注将形成式柱体。体取代了注范内的土体，在注近区存在大的塑性形；离泡的区域土体生性形，因而土的密度明增加。

液在土体中走周土体，起置作用，而不向土体内渗透。

不同于渗透注液可渗入土粒孔隙内，将土粒胶起来。密注土体生作用，使体周土体生塑性形，区土体生性形，不生水力劈裂，是密与劈裂注的根本区□。11.3岩土压密注浆理论在密注程中，开始，柱的直径和体小，力主要是径向的也就是水平方向。随着柱体的增加，将生大的向上力，密注的密作用和上抬力沉陷基加固和抬升是非常有效的。

，靠泡的密度并不增加，但离泡0.3～1.8

m内有密作用，在个密内，距泡愈，密愈差。

非和土密明；和土泡先引起超孔隙力，待孔隙力消散后土的密度才会提高。柱体的形状在均匀地基中是球形和柱形，在不均地基中，柱大都呈不形状，液是向不均地基中的薄弱土区，从而使土体的形性均一化。

柱体的大小受地基土的密度、含水量、力学特性、地表束条件、注力、注速率等因素控制。11.3.1压密注浆浆液的要求压密注浆要求：

浆液在高压下可泵送——即浆液不能太稠；

浆液注入岩土体后不易产生劈裂破坏——即浆液不能太稀。11.3.1压密注浆浆液的要求

通常采用水泥砂

。使用的砂料要有一定的配，要求100％通孔直径

2.36mm的方孔，含

20％的50μm粒的天然砂。砂粒粗，液容易失水，形成阻塞；砂粒

，液以控制。

一般含水量是干密度的10～20％。

含水量控制方法是做塌落度，上含水量增加一点，塌落度成倍增加。

例如含水量

100％塌落度

25mm；含水量增加1％，塌落度可达到50

mm。

塌落度参照混凝土要求，取25～75

mm。11.3.2压密注浆的力学机制压密注浆形成浆泡后，其半径随着注浆压力的增大而增大。

当浆泡水平投影面积与注浆压力之乘积（即上抬力）足以将上覆土层抬起时，注浆压力不再升高，应停止注浆。

对给定的上覆土层厚度而言，导致上抬所需之注浆压力与浆泡半径或水平投影面积有关。11.3.2压密注浆的力学机制曲线

I 和曲线

Ⅱ 的交点所对应的压力就是该注浆点的上抬压力。

它随着上覆土层的厚度、地基刚度的增加而增加；

而地基土的刚度又与土类型、密实度、含水量及注浆速率有关。11.3.2压密注浆的力学机制密注的主要控制因素是：注力。

注力的大小与注速率有直接的关系。

大多数工程的起始注速率

20～30

L/min。如果力增加慢，注速率可慢提高。力增加的最大速率：20～40

kPa/min。11.3.2压密注浆的力学机制当力的增加呈平上升，表明基土是比均匀的。当力化波大，表明基土具有很大不均性。（a）均质基土 （b）非均质基土图11-7

注浆压力特性11.3.2压密注浆的力学机制假定注浆速率为常数，则注浆压力与时间关系可绘成曲线:

如果压力突然增大，可能发生阻塞或堵管；

如果压力突然停止增加或减小，可能地面已开始隆起，或浆液遇到空洞。图11-8

注浆压力与时间关系1-砂阻塞；2-正常情况；3-隆起11.3.3压密注浆的抬升作用压密注浆可以引起三种土体变形模式：

当上抬力超过上层土重量时，一个圆锥型破坏模式将会发生，相应的地面隆起就变得明显——地面隆起。

当上抬力不足上层土重时，周围土仅发生弹性或塑性膨胀，地面抬升很小——腔膨。

当破坏模式变化时，浆液很容易沿裂面窜到地面，发生明显的水力劈裂现象——水力劈裂。11.3.3压密注浆的抬升作用引起型剪切破坏的机理是非常复的。原因在于与周土之的摩擦力很确定。

假于极限状，摩擦力可以忽略，Moh.Yany和H.Wang（1994）建立了型破坏条件：

当考柱子荷

L

，11.4岩土劈裂注浆理论图11-10

土体中的应力和劈裂面劈裂注浆：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：发生在阻力最小的应力面，劈裂压力与地基中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骨架作用加固土体。11.4.1劈裂注浆过程及力学分析劈裂注浆是一个先压密后劈裂的过程，浆液在土体中流动分为三个阶段：（1）第一阶段——鼓泡压密阶段（2）第二阶段——劈裂流动阶段（3）第三阶段——被动土压力阶段11.4.1劈裂注浆过程及力学分析（1）第一阶段——鼓泡压密阶段

刚开始注浆，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，形成椭球形泡体挤压土体。

压力和流量曲线表明：曲线初始部分吃浆量少，而压力增长快，说明土体尚未裂开；曲线中的第一个峰值压力（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。11.4.1劈裂注浆过程及力学分析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。径向位移可用下式计算：11.4.1劈裂注浆过程及力学分析（2）第二阶段——劈裂流动阶段当力大到一定程度（启裂力），液在地中生劈裂流，劈裂面生在阻力最小的小主力面。

当地存在已有弱破裂面，先沿着弱面劈裂流。

当地比均匀，初始劈裂面是垂直的。劈裂力与地中小主力及抗拉强度成正比，垂直劈裂力：11.4.1劈裂注浆过程及力学分析劈裂流段的基本特征：力先很快降低，持在一低左右。

但是由于液在劈裂面上形成的力推裂迅速开，而在裂的最前端出力集中，所以力然低，却能使裂迅速展。11.4.1劈裂注浆过程及力学分析（3）第三阶段——被动土压力阶段裂展到一定程度，注力又重新上升，地中大小主力方向生化，水平向主力化被土力状，需要有更大的注力才能使土中裂加或生新的裂，出第二个力峰。

由于此水平向力大于垂直向力，地出水平向裂（即二次劈裂）。水平劈裂力11.4.1劈裂注浆过程及力学分析被土力段是劈裂注加固地基的关段。

垂直劈裂后大量注使小主力有所增加，小了大小主力之的差，提高了土体的定性；

在生水平劈裂后形成水平方向脉，可使基上抬和偏。

脉网的作用是提高土体的法向力之和。并提高土体的度。注程中地很浅，液沿水平剪切方向流，会在地表出冒象。因此，劈裂注的极限力可足下式：11.4.1劈裂注浆过程及力学分析法默等人对土体劈裂注浆引起的地面抬升提出了计算方法，假定土体存在着截端圆锥体破坏带。截端圆锥体重：截锥体抗剪强度：上抬力：抬升条件：图11-12

截圆锥体地面抬升示意图11.4.2劈裂注浆的能量分析根据能量守恒原理，注浆所耗能量应等于存贮在土体中的能量加上劈裂过程所耗能量，即注浆所耗总能量与注浆速率和注浆压力有关：11.4.3压密注浆和劈裂注浆的关系压密注浆是通过浆泡挤压相邻土体达到加固目的，而劈裂注浆则是通过浆脉来挤压和加固邻近土体。（a）压密注浆 （b）劈裂注浆图11-13压密注浆和劈裂注浆对比图11-14

压密注浆与劈裂注浆加固力学比较紧靠浆泡处土中应力增量随着距离增大迅速减小。11.4.3压密注浆和劈裂注浆的关系劈裂注浆浆脉内浆液压力远小于浆泡压力，引起的应力增量极小，不过浆脉延伸的很远，它与土的接触面积远大于浆泡与土的接触面积，并且它在远离注浆孔处的∆p值降低很小。在钻孔中注浆量相同的条件下，压密注浆的加固作用强，但影响范围小，劈裂注浆的加固作用弱，但影响范围大。在压密注浆过程中，必须采用稠浆和快速注入。

实际中常发生稠浆堵塞输浆管现象。当采用稀浆冲洗时，从而出现注浆压力突然下降现象，压密注浆可转化为劈裂注浆。在劈裂注浆过程中，土体一旦劈开，即使将稀浆改用稠浆，劈裂注浆也不会转化为压密注浆。11.5

裂隙岩体的注浆理论裂隙岩体的帷幕注浆和固结注浆，都是将一定的浆液注入到岩体裂隙内。

帷幕注浆的浆材主要是防渗材料。

固结注浆的浆材主要是高强度材料。裂隙岩体内存在大量的节理裂隙，尤其是多次构造作用形成的节理分布相当复杂，研究浆液在岩体裂隙内流动规律就更复杂。11.5

裂隙岩体注浆理论目前，只能利用裂隙岩体的一些渗流模型，研究浆液在较为简单的裂隙模型内的流动规律。

现有的注浆公式只限于水平单一裂隙或一组裂隙内浆液的流动，较为复杂的模型还需做大量的研究工作。

这里假设浆液在裂隙内流动为层流，符合达西定律。

我们重点介绍牛顿流体、宾汉姆流体在一水平平滑和粗糙裂隙内的扩散公式。11.5.1

浆液在岩体裂隙中的流动规律牛顿型浆液的流动公式

W．S．Baker对悬浮液型注浆材料在粗颗粒的无粘性土中的渗透，中国水利水电科学研究院刘嘉才对牛顿流体浆液在裂隙中的扩散，均推导出同样的如下公式：或

表明

：在注浆过程中，距注浆孔轴线距离

r

的任意一点处的注浆压力衰减值，与扩散半径的对数成正比，与浆液粘度成正比，与缝宽的三次方成反比。因此，缝隙的宽度愈小，压力衰减的越厉害。11.5.1浆液在岩体裂隙中的流动规律Baker

假设，在注浆孔横穿宽度为δ

的单个平滑裂隙的理想情况下，浆液注入量可采用下式计算上述理论适用于饱和岩体，浆液的流动阻力是由于浆液通过较窄裂隙时与其两壁的粘滞摩擦造成的。注浆压力差11.5.1浆液在岩体裂隙中的流动规律宾汉姆浆液扩散公式

在二维平面等厚光滑裂隙中，宾汉姆浆液在压力作用下产生流动。

Wittke和Wallner根据浆液平衡方程和边界条件，推导出浆液在裂隙中应力分布及最终扩散范围为浆液在裂隙内流动时的流动速率为单位流量为

宾汉姆浆液的塑性粘度和屈服强度均影响浆液在裂隙中的平均运动速率，

和 的增加均会降低进浆速率，延长注浆时间。11.5.2

水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理水泥浆液的流动沉积特性

水泥浆的流动属于两相流体，在静止状态下，水泥浆具有析水沉淀特性。在不同流动状态下其沉淀速度是不一样的。水泥颗粒的下沉速

度（也称析水速度，），在不同流动状态下可按以下公式计算：对于完全静止和层流（雷诺指数 ＝1），采用斯托克斯公式对于过渡流态（＝2～300），采用阿连公式对于紊流（>1000），采用牛顿-雷廷格公式11.5.2水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理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，水泥浆在层流段沉积。影响水泥沉淀速度的因素有：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，水泥的比重和颗粒越大，越容易下沉；当颗粒直径<0.001mm时，水泥浆液为稳定浆液。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，颗粒下沉阻力增大，速度减慢。掺入一定数量分散剂，可以延缓水泥的析水沉淀速率。11.5.2水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理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。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，浆液的流速与距孔中心的距离成反比。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。11.5.2水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理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，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，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，在岩缝中形成一个不断加厚的“脊背”，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的“脊背”，直到岩缝基本填满为止。11.5.2水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理不同宽度的岩缝，采用同一浓度浆液时，充填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。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，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。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“脊背”互不衔接，使岩缝得不到充分的充填。11.5.2水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理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。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用8:1，5:1，3:1，2:1，1.5:1，0.8:1，0.6:1，0.5:1共九个比级；

A.C.Houlsby推荐水泥浆液的最佳起始水水灰比为3:1；

但加固注浆中水灰比一般不大于1:1。11.5.2水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理注浆过程中变浆时机需根据压力与吸浆率变化情况决定：

在吃浆率大于10

L/min以前，若连续注入量已达450

L以上，注浆压力或吸浆率均无明显变化，则变浓一级；

在吸浆率小于10

L/min以后，若连续注入时间已达2

h以上，压力和吸浆率均无变化，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。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1～5之间，水泥水化大约需5％～25％水（一般为水泥重量的25％左右），而其余的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?目前有两种认识，即“固结排水”和“流动沉积”理论。11.5.2

水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理固结排水理论

德国的库茨纳尔认为：注浆过程分为“填满”与“饱和”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。

但对于坚硬和透水性差的岩石，很难用固结排水理论解释水泥浆的排水机理。11.5.2

水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理流动沉积理论

浆液进入