1、11 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。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,
2、这些都增加了理论分析的困难。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v岩土注浆理论是借助于岩土注浆理论是借助于水力学、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，建立论发展起来的，对浆液的单一流动形式进行分析，建立压压力、流量、扩散半径、注浆时间力、流量、扩散半
3、径、注浆时间之间的关系。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。如在如在渗透注浆渗透注浆过程中存在过程中存在劈裂劈裂现象，在现象，在劈裂注浆劈裂注浆过程中存在过程中存在渗透流渗透流动动等，在等，在压密注浆压密注浆过程中存在过程中存在劈裂或渗透流动劈裂或渗透流动。尽管浆液在地层中。尽管浆液在地层中运动形式很复杂，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。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
4、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。为主在地层中流动，达到注浆的目的。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，不仅取决于于注浆材料注浆材料的性质，也取决于的性质，也取决于注浆方法注浆方法和和注浆工艺注浆工艺。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，考虑考虑注浆经验注浆经验是否丰富，是否丰富，注浆管理注浆管理的方法是否可行等。的方法是否可行等。v
5、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。11.1 11.1 岩土介质的可注性岩土介质的可注性v在在砂砾土层砂砾土层中渗透注浆时，尤其是当浆液的浓度较大时，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，要求浆液中的颗粒直径比土的孔隙小，粒状浆材粒状浆材中的颗粒中的颗粒才能在孔隙或裂隙中流动。但才能在孔隙或裂隙中流动。
6、但粒状浆材粒状浆材往往以多粒的形式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，仅仅同时进入孔隙或裂隙，这可导致孔隙的堵塞，因此，仅仅满足满足颗粒尺寸颗粒尺寸小于小于孔隙尺寸孔隙尺寸是不够的；是不够的；v同时浆液在流动过程中存在着同时浆液在流动过程中存在着凝结过程凝结过程，也会造成浆液通，也会造成浆液通道的堵塞；道的堵塞；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，此外，地基土是非均质体，裂隙或孔隙裂隙或孔隙的大小不相同，的大小不相同，粒状浆材粒状浆材的颗粒尺寸不均匀，若想封闭所有的孔隙，的颗粒尺寸不均匀，若想封闭所有的孔隙，就要求就要求粒状浆
7、材粒状浆材的颗粒尺寸必须很小，这从技术和经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:15108515dDN89510dDN11.1 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/scm/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，水泥浆液就不能注人，即使增加注浆压力也不
8、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、砾砂、多孔砖墙，裂隙宽度度0.05 mm的混凝土、岩石的
9、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11.2 11.2 岩土岩土渗透注浆渗透注浆理论理论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，从而取代或排出其中的空气和水。v一般渗透注浆要满足一般渗透注浆要满足可注性条件可注性条件。渗透注
10、浆浆液一。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，可增强岩土体的胶结起来，可增强岩土体的强度和防渗能力。强度和防渗能力。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
11、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。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。
12、也就越好。v但注浆材料的渗透性好坏与但注浆材料的渗透性好坏与诸多因素诸多因素有关，如有关，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。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。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，浆液呈液呈球面扩散球面扩散；当采用花管式分段注浆，浆液则呈当采用花管式分段注浆，浆液则呈柱面扩
13、散柱面扩散。11.2.1 11.2.1 牛顿流体牛顿流体在地层中的渗透公式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。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
14、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。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，并服从流动是层流，并服从达西定律达西定律；地基是；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
15、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，间，注浆材料的粘度不变注浆材料的粘度不变；注浆源为点；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。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：iAtKQg24 rAKKdrdhig，)11(4100rrKtQhH1004()11()Kt HhQrrnrQh
16、hH31043，01rr 010111rrr03113Ktrnrh01313rKhnrt0rr Hh 1rr 0hh 24QdrdhKtr11.2.1 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。110111
17、14rrrnKQh12113203021130rrrKhnrt1r11.2.1 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。iAKqg0rr Hh 1rr 0hh 0110ln2rraKqhhH011ln2rraKhqanrQ21qtQ 210111/ln2rrntKhr101212)/ln(K
18、hrrrnt11.2.2 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宾汉姆流体宾汉姆流体是典型的塑性流体，其流变曲线是不是典型的塑性流体，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。颗粒之间的内部结构。在外部施加的剪切力很小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时，浆液只会产生类似于固体的弹性变形。当。当剪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
19、流体的流动生类似于牛顿流体的流动，浆液的这种性质称为，浆液的这种性质称为塑性塑性。（。（塑性体塑性体）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pn1/)(/nppnn牛顿流体牛顿流体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：宾汉姆型浆液需要力，注：宾汉姆型浆液需要较大的压力较大的压力，浆液才，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
20、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水泥浆由牛顿流体转变为宾汉姆流体的临界水灰临界水灰比比发生在发生在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。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
21、化的流动规律塑性流体随时间而变化的流动规律rdraKQdpg2)/1(1CBAEKg)/2(1QarCBAEKg000ln2rrCBrraQEAppr)(0rrQant11.2.2 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，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r0r20rRr Tt 21TanQR00/ln2)(rRaBCRAppEQR2100ln2)(rRnTBCRAppERR0004.0max66.2RppdAnR
22、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
23、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。QT21TanQRrpp 0T2100ln2)(rRnTBCRAppERRQR000ln2rrCBrraQEAppr0p21TanQR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，可分为决于浆液材料的结构特性，可分为牛牛顿体顿体和和非牛顿体非牛顿体。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。有些非牛顿流体的流变特
24、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。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流动好的化学浆液属于牛顿体牛顿体水泥、粘土、污泥、沥青等都可水泥、粘土、污泥、沥青等都可当作当作宾汉
25、流体宾汉流体来考虑。来考虑。宾汉流体宾汉流体只有切应力只有切应力(超过屈服）超过屈服）才能产生相对流动。才能产生相对流动。粘度粘度是浆液的最主要的流变参数。是浆液的最主要的流变参数。注浆材料的流变特性注浆材料的流变特性反映了反映了粘度不变粘度不变及及粘度渐变型粘度渐变型浆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化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
26、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。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
27、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upupup00lnln)21(2)2)(1(2rrHKpcu)1(20HKpcu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(1938)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
28、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。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,
29、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西马山防洪
30、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。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
31、 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,无备用排水能力。威胁矿井安全生产,增加排水成本。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。西马山防洪坝渗
32、透注浆加固工程西马山防洪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,在注浆压力增大和渗水点水质变浊时,适时渗入
33、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。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。11.3 11.3 岩土压密注浆理论岩土压密注浆理论压密注浆压密注浆起源于美国起源于美
34、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：压密注浆最大优点：是它对于最软弱土层区域能起到最大是它对于最软
35、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。11.3 11.3 岩土压密注浆理论岩土压密注浆理论v压密注浆是用压密注浆是用极稠极稠的浆液（塌落度的浆液（塌落度25 mm1000），采用），采用牛顿牛顿-雷廷格雷廷格公式公式eveR20205.5418)(R
36、RRReddgveR302008.25RRedveRRRedv001.5111.5.2 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在在静止状态静止状态和和层流状态层流状态，水泥沉淀速度最快，水泥沉淀速度最快，过渡态过渡态次之，次之，紊流紊流最慢。一般在钻孔附近呈紊流，远离钻孔为层流。因此最慢。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水泥浆在层流段沉积。v影响水泥沉淀速度影响水泥沉淀速度的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
37、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，水泥浆液为液为稳定浆液稳定浆液。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力增大，速度减慢。在水泥浆液中掺入一定数量的分散剂分散剂，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。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浆液浆液在管
38、道中输送和在大裂隙中在管道中输送和在大裂隙中流速较高多表现为流速较高多表现为紊流紊流，而，而在细裂隙中多表现为在细裂隙中多表现为层流层流。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，液的断面积越大，浆液的流速与距孔中心的距离成反比浆液的流速与距孔中心的距离成反比。v流速减小，水泥颗粒流速减小，水泥颗粒动能动能减小，这样一方面重力沉淀速度增减小，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
39、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。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水泥颗粒在岩缝中开始沉积地点开始沉积地点离孔壁的距离，将随注浆压力和浆离孔壁的距离，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
40、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，不是出现小到一定程度以后，不是出现吃浆率的减小吃浆率的减小，就是出现，就是出现压力自动升压力自动升高高；若保持压力不变，进浆率就减小。进浆率的减小，使得浆液在；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。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不同不同宽度
41、宽度的岩缝，采用同一浓度浆液时，充填的的岩缝，采用同一浓度浆液时，充填的范围范围和和时间时间是不同的。是不同的。宽裂隙宽裂隙充填距离较远，时间较长；而充填距离较远，时间较长；而窄裂隙窄裂隙充填范围很小，时间很短。充填范围很小，时间很短。v在实际注浆中，遇到在实际注浆中，遇到吃浆量很大吃浆量很大，长时间不见减小情况时，可采取，长时间不见减小情况时，可采取逐级逐级变浓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，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
42、。v变浓一级浆液变浓一级浆液，就要出现一个更靠近孔壁的沉积点和一个新脊背。，就要出现一个更靠近孔壁的沉积点和一个新脊背。过快过快变浓浆液变浓浆液，可能造成岩缝突然堵塞，前后形成的，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，采用由稀变稠，变换得当变换得当的充填情况；的充填情况；(c)采用由稀变稠，采用由稀变稠，变换不得当变换不得当的充填情况的充填情况11.5.2 水泥浆液在岩体裂隙中
43、的流动机理水泥浆液在岩体裂隙中的流动机理v在在一个注浆段包含不同宽度的裂隙一个注浆段包含不同宽度的裂隙。为使所有裂隙都能充满。为使所有裂隙都能充满浆液，首先使用粘度小、流动性较好的浆液，首先使用粘度小、流动性较好的稀浆稀浆，充填较小的裂，充填较小的裂隙，然后再用隙，然后再用较稠较稠的浆液注较大的裂隙。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
44、液的最佳起始水水灰比为3:1。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注浆过程中注浆过程中变浆时机变浆时机是根据是根据压力压力与与吸浆率吸浆率的变化情况而决定。的变化情况而决定。在在吃浆率吃浆率大于大于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；在在吸浆率吸浆率小于小于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；若变浓浆液后若变浓浆液
45、后压力明显逐渐升高或吸浆率逐渐减小压力明显逐渐升高或吸浆率逐渐减小，则不宜再变浓，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；若变浓后若变浓后吸浆率骤减或压力骤升吸浆率骤减或压力骤升，再退回用原来的浆液浓度来注。，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裂隙岩体注浆所用的水泥浆液的水灰比水灰比多在多在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
46、左右），而其余的左右），而其余的7595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，粒载运到预定地点后，多余的水分就应排除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。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德国的库茨纳尔库茨纳尔认为：注浆过程分为认为：注浆过程分为“填满填满”与与“饱和饱和”两个阶段。
47、两个阶段。在在填满阶段填满阶段，浆液进入并充填了裂隙的绝大部分，在，浆液进入并充填了裂隙的绝大部分，在饱和阶段饱和阶段，浆，浆液中的多余水分在液中的多余水分在饱和压力饱和压力（最高压力）下产生类似于太沙基的（最高压力）下产生类似于太沙基的土土力学固结力学固结现象而被排出，使水泥颗粒彼此接近。现象而被排出，使水泥颗粒彼此接近。但对于但对于坚硬和透水性差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的岩石，很难用固结排水理论解释水泥浆的排水机理。排水机理。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v2）流动沉积理论）流动沉积理论浆液进入岩缝以后的浆液进入岩缝以
48、后的流动速度流动速度和和压力压力是随着离开钻孔的距离而迅速是随着离开钻孔的距离而迅速降低。当浆液在裂隙内的降低。当浆液在裂隙内的流速流速降低到某一降低到某一临界值临界值时，水泥颗粒在时，水泥颗粒在重重力力作用下首先在临界流速处陆续向底部沉落。作用下首先在临界流速处陆续向底部沉落。沉积的结果使渗浆断沉积的结果使渗浆断面缩小面缩小，注浆压力和浆液流速都发生变化。多余的水分在沉积层顶，注浆压力和浆液流速都发生变化。多余的水分在沉积层顶部微小的缝隙内以清水的形式流到远方，直至裂隙完全填满为止。部微小的缝隙内以清水的形式流到远方，直至裂隙完全填满为止。沉积理论沉积理论忽视浆液在注浆过程中向周围裂隙排水的
49、作用，它很难解忽视浆液在注浆过程中向周围裂隙排水的作用，它很难解释在重力条件下沉积时，水灰比越大，释在重力条件下沉积时，水灰比越大，结石重度结石重度和和力学强度力学强度就越小就越小的问题。的问题。11.5.3 裂隙岩体的劈裂注浆裂隙岩体的劈裂注浆v假定岩石是各向同性、均匀连续的线弹性体，在钻孔壁面处发生水力劈假定岩石是各向同性、均匀连续的线弹性体，在钻孔壁面处发生水力劈裂的条件：裂的条件：垂直劈裂垂直劈裂水平劈裂水平劈裂 v不少不少完整岩石完整岩石抗拉强度都大于抗拉强度都大于7.89.8 MPa，一般岩体内注浆压力都不，一般岩体内注浆压力都不超过超过5.97.8 MPa，因此，完整岩石很难发生
50、水力劈裂。，因此，完整岩石很难发生水力劈裂。v而在而在裂隙岩体裂隙岩体内注浆时，由于裂隙岩体存在不同形式的软弱面，强度很内注浆时，由于裂隙岩体存在不同形式的软弱面，强度很低，容易在较低压力下首先劈裂并导致岩层的变形，压力在低，容易在较低压力下首先劈裂并导致岩层的变形，压力在 2.06.0 MPa以下就出现岩层表面上抬或耗浆量突然增加。以下就出现岩层表面上抬或耗浆量突然增加。v软弱面软弱面和和软弱层软弱层的存在控制着劈裂的发生和发展。的存在控制着劈裂的发生和发展。hKNhpt002)1(1hNhpt1)1(1011.5.3 裂隙岩体的劈裂注浆裂隙岩体的劈裂注浆v裂隙岩体内注浆，裂隙岩体内注浆，注
