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1、注漿加固邊坡的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)1概述1.1注漿加固技術(shù)概念注漿加固技術(shù)是用液壓或氣壓把能凝固的漿液注入物體的裂縫或孔隙,以改變注漿對(duì)象的物理力學(xué)性質(zhì),以滿足各類土木建筑工程的需要;注漿加固技術(shù)的成敗與工程問題、地質(zhì)特征、注漿材料和壓漿技術(shù)等直接相關(guān),如果忽視其中的任何一個(gè)環(huán)節(jié),都可能造成注漿工程的失敗。工程問題、地質(zhì)特征是灌漿取得成功的前提,注漿材料和壓漿技術(shù)是注漿加固技術(shù)的關(guān)鍵。隨著注漿技術(shù)和相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展,今天灌漿法已成為解決各類工程問題的非常重要的手段,許多不能滿足工程要求的物體,幾乎都可借助注漿技術(shù)解決問題,例如某些化學(xué)漿液可以注入0.01mm)小裂隙,某些漿液的結(jié)石強(qiáng)度可高達(dá)60M
2、Pa注漿的對(duì)象可以是巖石、土體、混凝土等多種材料。在公路邊坡注漿加固中,注漿對(duì)象主要是巖層和土體。注漿通過把漿液注入巖石的裂隙或土體的孔隙,待漿液凝固后,使巖層和土體的強(qiáng)度大大提高,并改變巖土的力學(xué)性狀,從而增強(qiáng)巖土的穩(wěn)定性。§1.2注漿法的分類注漿法的分類很多,可以按解決的工程問題、漿液材料的品種、注漿的對(duì)象、漿液分布狀態(tài)和注漿功能等進(jìn)行分類。按解決的工程問題可分為壩基注漿、隧道注漿、基坑注漿、邊坡加固注漿、混凝土結(jié)構(gòu)物補(bǔ)強(qiáng)加固注漿等。壩基注漿主要用于解決壩基的滲漏問題和強(qiáng)度問題,如果壩基是滲透性較大的地層,在建壩之前采用注漿在壩基中形成防滲帷幕,帷幕一般深入基巖中一定深度。隧道注
3、漿主要用以解決在隧道施工過程中的塌方及圍巖穩(wěn)定性問題。基坑注漿主要用以解決城市高層房屋建筑中基坑開挖或基坑壁的穩(wěn)定問題,通常可采用注漿加錨桿的作法進(jìn)行加固。按漿液材料的品種可分為水泥注漿、化學(xué)注漿、混合注漿。水泥注漿是指注漿采用的漿液為水泥漿,純水泥漿是由水和水泥按一定比例混合而成,常用的水灰比在0.5:15:1之間;水泥漿具有結(jié)石強(qiáng)度高、造價(jià)低、無毒不污染環(huán)境,在巖土加固和防滲中普遍采用;由于普通水泥漿在細(xì)小裂隙和微空隙地層中的可灌性較差,一般只能灌注大于0.20.3mm勺裂隙和空隙,因此研究出了超細(xì)水泥漿,超細(xì)水泥漿可以灌注更小的裂縫?;瘜W(xué)注漿是指注漿采用的漿液為化學(xué)漿材制成,化學(xué)注漿主要
4、用于微裂縫的注漿,通常所用的化學(xué)漿液有硅酸鹽漿(含水硅酸鈉,又稱水玻璃)、酸性水玻璃、丙烯酰胺類漿液、改5)!性環(huán)氧樹脂漿液以及聚氨酯漿液等?;旌献{是指注漿采用的漿液為混合漿材制成,如在水泥漿中加入粉煤灰形成粉煤灰水泥漿,在水泥漿中加入硅粉形成硅粉水泥漿,而在水泥漿中加入水玻璃形成水泥水玻璃漿,等等。按注漿的對(duì)象可分為巖石注漿、砂礫注漿、粘土注漿。巖石注漿是指注漿加固的地層是巖層;砂礫注漿是指注漿加固的地層是砂礫層;粘土注漿是指注漿加固的地層是粘土。按漿液的分布狀態(tài)可分為充填注漿、滲透注漿、劈裂注漿、劈裂滲透注漿以及擠密注漿等。充填注漿是指注入漿液充填地基土內(nèi)的大孔隙、大空洞的注漿,如卵石層
5、、碎石層、砂礫層等的注漿;滲透注漿是漿液在壓力作用下,滲入土的孔隙和巖石的裂隙中,將孔隙中的自和氣體排擠出去,但不改變土體結(jié)構(gòu)的原狀和體積,漿液凝固后把土顆粒粘接在一起,土層的抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性能得以提高;所謂劈裂注漿,即漿液在較高(相對(duì)滲透、充填注漿)壓力的作用下,似利斧劈入粘土層,漿液的劈裂路線呈縱橫交叉的脈狀網(wǎng)絡(luò),故此又稱脈狀注漿,固結(jié)形態(tài)多呈偏平球體或板狀固結(jié);劈裂滲透注漿控制注人壓力、速度使其先形成劈裂注入,但形成的劈裂面不大,此后漿液沿劈裂脈作滲透注人,固結(jié)形狀為扁平球體。擠密注漿是用一定的壓力注入粘稠的不易流動(dòng)的惰性漿液取代并擠壓周圍土體,凝固形狀多為柱體或球體占據(jù)一定的空間,同時(shí)
6、壓密土體。按注漿功能可分為防滲注漿、加固注漿、基礎(chǔ)托換注漿。防滲注漿是指主要用于防止?jié)B漏的注漿,一般用于水庫壩基;加固注漿是指主要用于增強(qiáng)地層或結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性的注漿;基礎(chǔ)托換注漿是指為了阻止各類建筑物基礎(chǔ)因地基原因引起不均勻沉降導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)或基礎(chǔ)開裂、避免危及建筑物的安全,在基礎(chǔ)下面的空隙或軟土地基中進(jìn)行的加固灌漿;這種灌漿不但可以阻止基礎(chǔ)繼續(xù)下沉,而且能將建筑物回升,使不均勻沉降減小。對(duì)上述注漿的分類,不管那一類注漿,其實(shí)質(zhì)都是為了減小物體的滲透性以及提高物體的力學(xué)強(qiáng)度和抗變形能力。所以都可歸屬于防滲注漿和加固注漿的范疇。§1.3注漿加固技術(shù)在邊坡處治中的應(yīng)用引起邊坡失穩(wěn)的原因
7、主要有兩個(gè)方面,一是由于外界因數(shù)破壞了邊坡原有的平衡狀態(tài)使邊坡產(chǎn)生滑動(dòng),如邊坡上緣加荷、邊坡下部開挖等等;另一是由于外界因數(shù)影響降低邊坡土體或滑面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)使邊坡失穩(wěn),如坡體中的地下水作用不但可以產(chǎn)生水壓力而且降低邊坡的C、。值。但最終邊坡失穩(wěn)的實(shí)質(zhì)是由于邊坡的下滑力超過了邊坡抗剪強(qiáng)度所提供的阻滑力,因此注漿加固邊坡就是要達(dá)到一方面增強(qiáng)邊坡坡體的抗剪強(qiáng)度、減小坡體的滲透性,從而提高其地基承載力、減小水壓力或動(dòng)水力,另一方面提高可能的潛在滑面的抗剪強(qiáng)度以增強(qiáng)坡體的穩(wěn)定性。注漿加固技術(shù)在邊坡處理中的應(yīng)用一般有兩個(gè)方面,一種是對(duì)于由崩滑堆積體、巖溶角礫巖堆積體、以及松動(dòng)巖體構(gòu)成的極易滑動(dòng)的邊坡或
8、由于開挖形成的多卸荷裂隙邊坡,對(duì)坡體注入水泥砂漿,以固結(jié)坡體并提高坡體強(qiáng)度,避免不均勻沉降,防止出現(xiàn)滑裂面。另一種是對(duì)于正處于滑動(dòng)的邊坡、存在潛在滑面的邊坡、或者處于不穩(wěn)定的滑坡,運(yùn)用注漿技術(shù)對(duì)滑帶壓力注漿,從而提高滑面抗剪強(qiáng)度,提高滑體穩(wěn)定性;這種情況實(shí)際上是把注漿加固作為邊坡滑帶改良的一種技術(shù),滑帶改良后,邊坡的安全系數(shù)評(píng)價(jià)一般采用抗剪斷標(biāo)準(zhǔn)。由上述可知,邊坡注漿加固一般適用于以巖石為主的滑坡、崩塌堆積體、巖溶角礫巖堆積體,以及松動(dòng)巖體邊坡(圖9.1)。同時(shí)采用注漿加固邊坡前必須進(jìn)行注漿試驗(yàn)和效果評(píng)價(jià),注漿后必須進(jìn)行開挖或鉆孔取樣檢驗(yàn)。§2注漿材料及漿液的性質(zhì)在注漿工程中,使用的
9、漿液都是由主劑(主要的原材料,如水泥、砂、粘土、粉煤灰、水玻璃等)、溶劑(水或其他溶劑)以及各種外加劑(如催化劑、固化劑、凝膠劑、緩凝劑等)按照一定的比例而成的混合液體。注漿材料是指構(gòu)成注漿漿液的材料,簡(jiǎn)稱漿材,通常所說的漿材多數(shù)系指主劑,即主要原材料。由于漿材品種和性能的好壞將直接影響到注漿工程的成敗、質(zhì)量和造價(jià),因而注漿工程界長(zhǎng)期以來對(duì)注漿材料的研究和發(fā)展都極為重視。目前可用的漿材種類繁多,特別是在我國(guó),漿材性能和應(yīng)用問題得到了系統(tǒng)深入的研究,部分漿材通過改性使其缺點(diǎn)消除后,在工程中應(yīng)用廣泛。§2.1注漿材料及其性能目前可供使用的漿材總體上可以分為化學(xué)類漿材和粒狀漿材兩大類。所謂
10、化學(xué)漿材是指配成漿液后要發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的材料,主要有水玻璃類的各種漿材和有機(jī)高分子類各種漿材;而粒狀漿材是指水泥、粘土、砂、粘土、粉煤灰等顆粒狀的材料,又稱非化學(xué)漿材。(1)粒狀漿材粒狀漿材是構(gòu)成懸濁型漿液的主劑,目前工程中主要使用的粒狀漿材有水泥、粘土、砂、粘土、粉煤灰、硅粉等。一般性水泥:一般性水泥有普通硅酸鹽水泥、礦渣水泥、高鋁水泥和耐酸水泥。其中普通硅酸鹽水泥是注漿工程最常用水泥;礦渣水泥與普通硅酸鹽水泥的主要差別使氧化鈣的含量低;高鋁水泥是由磨細(xì)的磯土和石灰石的混合物熔融而成,它的水凝速度快,是一種早強(qiáng)的水硬性膠凝材料;耐酸水泥是磨細(xì)的石英砂與具有高度分散表面的活性硅土物質(zhì)的混合物,具
11、有抗酸腐蝕作用。粘土:化學(xué)成分是含水的鋁硅酸鹽及一些金屬氧化物。細(xì)粒成分多,親水性好。在水泥漿中添加粘土,可大大提高漿液的穩(wěn)定性。膨潤(rùn)土:以蒙脫石為主要成分的粘土礦物。吸水性好,吸水后膨脹形成不透水的可塑膠體;是較好的防水材料。粉煤灰:在潮濕的條件下固結(jié)體具有自硬性,單軸強(qiáng)度隨齡期的增大而增大。摻入水泥中作為注漿材料使用的主要作用是節(jié)約水泥、降低成本,同時(shí)可以提高漿液結(jié)石的抗溶蝕能力和防滲帷幕的耐久性。超細(xì)水泥:與一般水泥相比具有滲透能力強(qiáng)、化學(xué)活性好、固化速度快、強(qiáng)度高(可達(dá)62MPa)抗離析能力強(qiáng)(分散性大,沉淀少)。硅粉:是冶金廠生產(chǎn)硅鐵和工業(yè)硅過程中的副產(chǎn)品,主要成分是Si02,平均粒
12、徑0.6iimx比表面積15X1042X108cm2/g。在漿液中摻入硅粉,可以改善漿液的可灌性和穩(wěn)定性,同時(shí)由于硅粉中的能與水泥水化放出來的反應(yīng)生成Ca/Si的CSHE膠,這種凝膠的強(qiáng)度高于Ca(OH)2晶體,從而使得漿液結(jié)石的強(qiáng)度大大提高。砂:是砂漿、水泥砂漿的主要材料。在漿液中摻砂可以降低成本、防止?jié){液擴(kuò)散過遠(yuǎn)、提高漿液的固結(jié)強(qiáng)度。通常要求砂粒徑小于2mm,且級(jí)配均勻。由粒狀漿材為主劑配置的漿液,稱為懸濁型漿液,它是指一種或幾中上述漿材懸浮在水中形成的漿液,又稱為非化學(xué)類漿液。目前邊坡工程中采用的主要是水泥基漿液,即在水泥漿中加入其他的粒狀漿材形成的懸濁型漿液。其分類如圖9.2所示。(2
13、)水玻璃類漿材水玻璃又稱硅酸鈉,是常見的可溶性硅酸鹽。因呈玻璃狀,所以溶于水后所得到的粘稠溶液叫做水玻璃。表達(dá)水玻璃的化學(xué)和物理性質(zhì)的參數(shù)有兩個(gè):模數(shù):是指水玻璃含二氧化硅SiO2的克分子數(shù)與氧化鈉Na0的克分子數(shù)的比值,用mW示°Sio2的克分子數(shù)m=Na2。的克分子數(shù)硅酸鈉可以表示為Na0-mSiCbo模數(shù)的高低對(duì)漿液的凝結(jié)時(shí)間和結(jié)石強(qiáng)度都有一定的影響,注漿用水玻璃的模數(shù)一般為2.43。波美度:在化學(xué)工業(yè)中用于表示水玻璃密度的一種指標(biāo)(°be'),但在注漿領(lǐng)域中一般采用密度(d)來表示,他們之間存在如下關(guān)系:d114.15-144.3一0be'水玻璃溶于
14、水時(shí)發(fā)生水解反應(yīng),致使水玻璃溶液呈堿性;通常堿(Na2。)的量用重量百分比表示。實(shí)踐表明水玻璃是無毒物質(zhì),不會(huì)污染地下水。由水玻璃作為主劑配置的漿液,稱為水玻璃類漿液。根據(jù)水玻璃類漿材組分、液態(tài)類型、酸堿性和加入不同的反應(yīng)劑,可將水玻璃類漿液分成多種類型(圖9.3)。(3)有機(jī)高分子類漿材由于大多數(shù)高分子溶液含有劇毒物質(zhì),目前被一些國(guó)家列為禁用漿液。但由于這類漿材滲透性好,凝膠時(shí)間易于控制,注入后的土層抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性均較理想等優(yōu)點(diǎn),故這類漿液是注入水泥漿液、水玻璃漿液無法解決工程疑難問題時(shí)的必不可少的主要材料,所以一些國(guó)家仍載繼續(xù)使用,如丙烯酰胺類、無毒丙凝、改良的環(huán)氧樹脂、聚氨酯等漿材。高
15、分子類漿液的種類繁多,其分類概況如圖9.4所示。2.2注漿漿液的性質(zhì)(1)漿液的滲入性漿液的滲入性是指漿液滲入巖土孔隙的能力。漿液滲入性的好壞直接影響道漿液的擴(kuò)散距離,滲入性好,漿液的擴(kuò)散距離大。漿液的滲入性與所用的灌漿原理和漿液的種類有關(guān),不同的灌漿原理和不同漿液品種,其控制因素是不相同的。如滲入性灌漿在采用粒狀漿材注漿時(shí),材料顆粒越小,漿液的流動(dòng)性越好,滲入能力越高;但如果采用真溶液化學(xué)漿液時(shí),漿液的滲入能力將受到流動(dòng)性的影響。對(duì)于劈裂灌漿時(shí),如果灌漿裂縫和形式在灌漿過程中發(fā)生變化,尺寸效應(yīng)和流變效應(yīng)將產(chǎn)生較復(fù)雜的影響。從尺寸效應(yīng)出發(fā),漿材顆粒的細(xì)度越高,滲入能力越強(qiáng);但同時(shí)導(dǎo)致漿液的粘度
16、增加,漿液變稠,影響滲入能力。因此在實(shí)際漿液的配制時(shí)應(yīng)正確處理漿液的細(xì)度。表9.1為不同水灰比對(duì)漿液粘唐的影響。對(duì)于漿液的滲入性,一般情況下,滲入能力越高越有利于注漿;但如果邊坡巖土層孔隙較大,或有地下水流時(shí),流動(dòng)性好、滲入能力強(qiáng)往往并不利于注漿;此時(shí)為了實(shí)現(xiàn)預(yù)期的注漿目的,通常需要在漿液中加入早凝劑或級(jí)配砂石料。(2)漿液的穩(wěn)定性漿液的穩(wěn)定性主要是指漿液的化學(xué)穩(wěn)定性,即漿液是否會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng),以致影響漿液的基本力學(xué)性質(zhì)。在邊坡注漿加固中采用的粒狀漿材的穩(wěn)定性主要是指水泥漿和水泥砂漿的分層性和析水性。眾所周知,水泥漿和水泥砂漿是一種不穩(wěn)定的懸浮體系,其顆粒容易載水溶液中沉淀分層。在灌漿過
17、程中,如果漿液在裂縫中的流動(dòng)速度緩慢或完全終止流動(dòng)時(shí),粒狀漿材的顆粒將發(fā)生沉淀分層,使?jié){液的均勻性降低,從而喪失流動(dòng)性。對(duì)于穩(wěn)定性較差的漿液會(huì)導(dǎo)致漿液分層后的上下強(qiáng)度不均、灌漿通道堵塞,從而影響灌漿效果。漿液的析水性是指隨著固體顆粒的下沉,漿液中的水被析出并向漿32Pw13W式中:q起始析水速率;dm懸液中水泥顆粒的當(dāng)量圓球直徑; 水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù); 水泥的密度; 水的密度;W漿液的水灰比。漿液的析水可能會(huì)造成漿液的流動(dòng)性變壞、結(jié)石強(qiáng)度均勻性降低、灌漿體頂部出現(xiàn)空隙等影響灌漿效果的不良現(xiàn)象。(3)漿液的結(jié)石率結(jié)石率是指漿液的最初體積于凝固后結(jié)石體積之比,一般以百分?jǐn)?shù)表示。在強(qiáng)度指標(biāo)得到滿足的條
18、件下,結(jié)石率越高加固效果越好,然而由于種種原因,不少漿材都難以達(dá)到理想的結(jié)石率。影響結(jié)石率降低的因素主要有析水沉淀和漿液自身的體積收縮。通常在漿液中摻入高塑性粘土和降低漿液的含水量可以有效地阻止?jié){液的結(jié)石率的降低。圖9.5為粘土和水量對(duì)結(jié)實(shí)率的影響。圖9.5粘土和水量對(duì)結(jié)實(shí)率的影響(4)漿液的強(qiáng)度特性邊坡注漿加固的目的主要是改善邊坡巖土體的力學(xué)特性,增強(qiáng)滑帶巖土的力學(xué)強(qiáng)度。因此漿材的強(qiáng)度越高,加固效果就越好。實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)表明,要提高灌漿后的結(jié)石強(qiáng)度,除了增強(qiáng)漿材的強(qiáng)度外,還須考慮其他影響因素,如在灌漿后的結(jié)石網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、漿液的含水量、漿液的摻合料、水泥漿的攪拌時(shí)間、注漿壓力等等。(5)漿液的耐久
19、性在灌漿加固的巖土體中,由于某些特殊的環(huán)境下,如養(yǎng)護(hù)條件差、水壓力長(zhǎng)期作用、化學(xué)侵蝕等,可能使?jié){液灌注后力學(xué)強(qiáng)度降低、灌漿效果降低甚至無效。因此漿液的耐久性便成為灌漿工程的一個(gè)重要課題。處于潮濕環(huán)境或無水壓的條件下,多數(shù)灌漿體的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度都比較穩(wěn)定或有所提高。但在反復(fù)干濕變化的條件下,灌漿體的結(jié)構(gòu)將遭到破壞,具強(qiáng)度將呈現(xiàn)連續(xù)下降趨勢(shì)。對(duì)于長(zhǎng)期承受水壓力的灌漿體,由于結(jié)石中的氧化鈣被溶解或帶走,結(jié)石的強(qiáng)度也將降低。已有研究表明,當(dāng)水泥中的氧化鈣被溶解25%時(shí),強(qiáng)度降低50%,于是由此可以推導(dǎo)出灌漿體的壽命:0.081Wb ' 1 + 1KJ式中:T灌漿體中的氧化鈣被溶解25%的時(shí)間,年;
20、W每立方米灌漿體中的水泥量,k9/m3b灌漿體承受水壓力的厚度;K灌漿體的滲透系數(shù);J水力比降;C1水泥中水化鋁酸四鈣的極限氧化鈣濃度;C2水泥中水化鋁酸三鈣的極限氧化鈣濃度。對(duì)于化學(xué)侵蝕主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面,一是有害化學(xué)離子分解水泥石中的水化硅酸鈣,導(dǎo)致結(jié)石強(qiáng)度的降低;二是含硫酸鹽的礦化水與水泥結(jié)石中的石灰作用,生成石膏,石膏膨脹,導(dǎo)致水泥結(jié)石破壞。3注漿理論任何一種注漿工藝都必定依據(jù)一定的注漿理論,注漿理論研究漿液在巖土裂縫中的流動(dòng)規(guī)律,揭示地質(zhì)條件、漿液性質(zhì)和注漿工藝之間的相互關(guān)系,為注漿設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工提供科學(xué)的依據(jù)。傳統(tǒng)的注漿工藝是以滲入性理論為基礎(chǔ),注漿時(shí)采用的注漿壓力相對(duì)較低,可以不
21、破壞巖土的原有結(jié)構(gòu),但對(duì)于滲透性較小的巖土介質(zhì)可灌性較差;而近年來廣泛采用的水力劈裂注漿是基于水力劈裂理論而形成的,這種注漿可以人為地?cái)U(kuò)大巖土中的裂縫,提高巖土的可灌性,已解決了不少的特殊工程問題。下面分別介紹滲入性注漿理論和水力劈裂注漿理論。3.1滲入性注漿理論1.滲入性灌漿理論公式1938年馬格(Maag)首次發(fā)表牛頓型漿液球形擴(kuò)散公式,隨后各國(guó)學(xué)者又導(dǎo)出了一些理論公式,運(yùn)用這些公式可以計(jì)算有關(guān)注漿參數(shù)的大致范圍,了解影響注漿效果的各種因數(shù),對(duì)注漿設(shè)計(jì)、施工都具有一定意義。1)砂土注漿球形擴(kuò)散公式Maag假定被灌砂土為均質(zhì)各向同牲體,漿液為牛頓流體,漿液從灌漿管底部進(jìn)入地層后呈球形狀擴(kuò)散,
22、推導(dǎo)出漿液的滲透公式為t=r1n(9.1)(9.2)式中:k砂土的滲透系數(shù),cm1/s;B漿液粘度對(duì)水的粘度比;ri漿液的擴(kuò)散半徑,cm;hi灌漿壓力水頭高度,cmiro灌漿管半徑,cm;t灌漿時(shí)間,s;n砂土的孔隙率。公式(9.1)或(9.2)表明對(duì)于均質(zhì)砂性土,漿液在注漿管底部的擴(kuò)散可近似看作球形擴(kuò)散,在不同灌漿時(shí)間的擴(kuò)散半徑可由公式計(jì)算出。除了上述球形擴(kuò)散公式外,常見的還有Karol和Rafle公式:Karol公式:"n 3khi(9.3)r2nx 10 n t 二Raffle 公 式133kh1 _3 r。3(9.4)(9.5)(9.6)3)砂礫石層的注漿擴(kuò)散公式孤石層中作紊
23、流運(yùn)動(dòng),則擴(kuò)散公式為:漿液 r12 n(9.8)4)裂隙巖石的注漿擴(kuò)散公式假定漿液為牛頓型流體,漿液在巖石裂隙中作層流運(yùn)動(dòng),則有擴(kuò)散公式,2.21.9005.itb劉嘉村公式:'6nQPc - P03- ln貝克(Baekr)公式:7Tb2 0.21ro- r0 23VQ2r11-2 01r1_2 220g 二 e式中:PC注漿壓力;P0裂隙內(nèi)地下水壓力;b裂隙寬度,cm;T漿液的粘度;Q注漿量;一漿液密度;g重力加速度;其余符號(hào)同前。2 .滲入性注漿的尺寸效應(yīng)滲入性注漿的尺寸效應(yīng)是指由于滲入性注漿是在注漿壓力較小、地層結(jié)構(gòu)不受破壞的條件下使?jié){液滲入裂縫,因而要完全實(shí)現(xiàn)滲入性注漿,就必
24、須使?jié){材的顆粒尺寸小于裂縫的尺寸。顯然滿足這個(gè)尺寸效應(yīng)是滲入性注漿的前提條件。假設(shè)漿材的顆粒尺寸為d,地層裂縫的尺寸為D,尺寸效應(yīng)可表示為:R=D/d>1(9.9)R通常稱為凈空比。從理論上講只要R>1,就可實(shí)現(xiàn)滲入性注漿;但在實(shí)際注漿過程中,當(dāng)注漿濃度較大時(shí),漿材顆粒會(huì)群集進(jìn)入裂縫,從而使裂縫堵塞;為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生,必須使凈空比增大,一般認(rèn)為當(dāng)凈空比大于或等于3時(shí),漿材顆粒的群集容易被注漿壓力擊散;因此實(shí)際尺寸效應(yīng)應(yīng)為:R=D/d>3(9.10)公式中漿材的顆粒尺寸d容易確定;下面討論地層裂縫的尺寸DP的確士7E:1)砂礫石的空隙尺寸砂礫石的空隙尺寸目前尚無有效方法,一
25、般采用數(shù)學(xué)方法估算;設(shè)防砂礫石的顆粒直徑,可定義有效空隙比eE=D/D;根據(jù)試驗(yàn)表明,有效空隙比一般在0.195-0.215之間變化,如果取平均值eE=0.2,則砂礫石的空隙尺寸可近似表示為:DP=0.2D(9.11)2)巖石裂隙的尺寸要準(zhǔn)確測(cè)定巖石中的裂隙尺寸較為困難,這里介紹一種運(yùn)用鉆孔壓水資料估算巖石裂隙尺寸的近似方法;假設(shè)有一寬度為e的平面裂隙被半徑為0的鉆孔垂直穿過,現(xiàn)用大小為P的壓力進(jìn)行壓水實(shí)驗(yàn),并測(cè)得裂隙的吸水也忖1陰g.聯(lián)式可近似計(jì)算出裂隙的寬度:,一1二P(9.12)式中:T水的粘度;R水的擴(kuò)散距離。3 .滲入性灌漿的流變效應(yīng)滲入性灌漿的流變效應(yīng)是指漿液在裂縫中流動(dòng)時(shí),漿液內(nèi)
26、部、漿液與孔壁之問將產(chǎn)生摩擦阻力,從而影響滲入性灌漿的可灌性。這種影響可以從漿液在空隙中流動(dòng)時(shí)單位時(shí)間的流量計(jì)算公式中看出。對(duì)于牛頓流型漿液(在圓管中流動(dòng)時(shí),剪切率dv/dr與剪應(yīng)力t式為:成正比,t=ydv/dr)在毛細(xì)管中流動(dòng)時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的流量Q計(jì)算公.r4VP(9.13)Q=g-8L式中:r毛細(xì)管的半徑;P-有效灌漿壓力;T漿液的粘度(牛頓型);L漿液在管中流動(dòng)的距離對(duì)于非牛頓流型漿液(如賓漢體,當(dāng)剪應(yīng)力。超過屈服應(yīng)力s后,流體才能流動(dòng),剪切率dv/dr與剪應(yīng)力予的關(guān)系為,r=ro+tddv/dr),在毛細(xì)管中流動(dòng)時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的流產(chǎn)QP%式為:8"pg'Lr'(
27、9.14)式中:Td漿液的塑性粘度;T0屈服應(yīng)力;其余參數(shù)同前。公式(9.13)表明,牛頓型漿液的流速隨漿液的粘度增大而減小;公式(9.14)表明,非牛頓型漿液的流動(dòng)性除與漿液的粘度有關(guān)外,將受到屈服應(yīng)力的影響,一部分灌漿壓力必定消耗在由屈服應(yīng)力產(chǎn)生的阻力上。4.滲入性灌漿的局限性由前述可知,滲入性灌漿由于存在尺度效應(yīng)和流變效應(yīng)的制約,一般在大空隙介質(zhì)中容易實(shí)施。而在實(shí)際地層中的裂縫有大有小,要在小縫隙中提高漿液注滿度,一方面縮小漿材的顆粒尺寸,另一方面要準(zhǔn)確確定裂縫尺寸,但實(shí)際上裂縫尺寸都是采用近似方法確定的。§ 9.3.2 劈裂注漿理論鑒于滲入性注漿的一些局限性,后來提出了劈裂注
28、漿理論,該理論是通過增大注漿壓力,使細(xì)小裂縫產(chǎn)生水力劈裂,以提高漿液的可注性。劈裂注漿的理論主要解決的問題就是產(chǎn)生水力劈裂的最小注漿壓力。對(duì)于不同地層在注漿過程中要產(chǎn)生水利劈裂所須的最小注漿壓力可通過劈裂注漿理論公式進(jìn)行計(jì)算。1)巖層劈裂公式假定地層為各向同性、均勻的線彈性體,鉆孔壁開始發(fā)生水力劈裂的條件為:垂直劈裂P0=:2hKoSt.1-Nv*(9.15)Po=th水(9.16)平劈裂,v1-N*式中:注漿壓力;巖石豎向自重應(yīng)力;式一巖石泊松比;式一巖石側(cè)壓力系數(shù);巖石抗拉強(qiáng)度;-比例系數(shù),與地層的滲透系數(shù)和漿液的粘度有關(guān),在01之間變化,對(duì)于不透水巖石取1,透水性較大的巖石接近于0。2)
29、砂和砂礫石劈裂公式22sincctg在砂和砂礫石地層中注漿,當(dāng)注漿壓力達(dá)到下述公式的標(biāo)準(zhǔn)時(shí),(9.17)式中:p0注漿壓力;丫一一砂礫石土的容重;丫w水的容重;h一一注漿段的深度;hw一一地下水位高度;K主應(yīng)力比3)粘性土劈裂公式在粘性土中,水力劈裂將引起土體固結(jié)和擠出等現(xiàn)象,當(dāng)僅有固結(jié)時(shí),注漿量體積V及單位體積所需的漿液量而由下式計(jì)算:(9.18)Q=pmv(9.19)式中:P0一一注漿壓力;p一一有效注漿壓力;a一一漿液擴(kuò)散半徑;u一一孔隙水壓力;土的壓縮系數(shù)。土層注漿后的固結(jié)度的計(jì)算公式為:(9.20)式中:V注入土中的結(jié)石總體積;n0土體的天然孔隙比;ni土體注漿后的孑L隙比;U注漿后土體的固結(jié)度。值得注意的是,在裂隙巖石中灌漿,控制水力劈裂發(fā)生和發(fā)展的主要因數(shù)是巖石中已
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