巖土注漿加固理論

11巖土注漿加固理論11巖土注漿加固理論巖土注漿理論：是借助于流體力學(xué)和固體力學(xué)的理論發(fā)展起來的，對漿液的單一流動形式進(jìn)行分析，建立壓力、流量、擴(kuò)散半徑、注漿時間之間的關(guān)系。漿液在地層中往往以多種形式運(yùn)動，且這些運(yùn)動形式隨著地層的變化、漿液的性質(zhì)和壓力變化而相互轉(zhuǎn)化或并存。如在滲透注漿過程中存在劈裂現(xiàn)象，在劈裂注漿過程中存在滲透流動等，在壓密注漿過程中存在劈裂或滲透流動。盡管漿液在地層中運(yùn)動形式很復(fù)雜，但它在一定條件下總是以某種流動形式為主。因此，應(yīng)正確地運(yùn)用注漿理論，使其以所要求的運(yùn)動形式為主在地層中流動與固化，達(dá)到注漿的目的。11

巖土注漿加固理論11.1巖土介質(zhì)的可注性11.2巖土滲透注漿理論11.3巖土壓密注漿理論11.4巖土劈裂注漿理論11.5裂隙巖體注漿理論11.1巖土介質(zhì)的可注性注漿法適用范圍以及對巖土介質(zhì)的改良結(jié)果，不僅取決于注漿材料性質(zhì)，也取決于注漿方法、注漿工藝等。注漿方法：不僅是注漿設(shè)備的選擇，還要看試驗結(jié)果，考慮注漿經(jīng)驗是否豐富，注漿管理方法是否可行等。注漿工藝：包括不同漿材及不同注漿方法的聯(lián)合，以適應(yīng)某些特殊的地質(zhì)條件和專門注漿目的。因而注漿法的適用界限變得更加復(fù)雜。11.1巖土介質(zhì)的可注性在砂礫土層中滲透注漿時，尤其是漿液濃度較大時，要求漿液中的顆粒直徑比土的孔隙小，粒狀漿材中的顆粒才能在孔隙或裂隙中流動。但粒狀漿材往往以多粒的形式同時進(jìn)入孔隙或裂隙，這可導(dǎo)致孔隙的堵塞，因此，僅僅滿足顆粒尺寸小于孔隙尺寸是不夠的；且漿液在流動過程中存在著凝結(jié)過程，也會造成漿液通道的堵塞；此外，地基土是非均質(zhì)體，裂隙或孔隙的大小不相同，粒狀漿材的顆粒尺寸不均勻，若想封閉所有的孔隙，就要求粒狀漿材的顆粒尺寸必須很小，這從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度來看也是困難的。實(shí)驗結(jié)果表明，注漿材料能夠順利滲透到土顆粒間的條件是

注入比：11.1巖土介質(zhì)的可注性若土顆粒粒徑d≥0.8mm,滲透系數(shù)K≥10-1cm/s，水泥漿材可以注入。當(dāng)孔隙尺寸小于這一數(shù)值時，水泥漿液就不能注人，即使增加注漿壓力也不會得到理想滲透注漿效果。只有減小粒狀漿材顆粒尺寸，如采用超細(xì)水泥等，才能得到滿意結(jié)果。表11-1各種注漿材料的適用范圍材料顆粒粒徑（mm）地基滲透系數(shù)（cm/s）適用范圍水泥<0.1～0.08>10-2礫砂、粗砂；裂隙寬度>0.2mm膨潤土粘土<0.05>10-4砂、礫砂超細(xì)水泥0.010～0.012>10-4

砂、礫砂、多孔磚墻裂隙寬度＞0.05mm混凝土、巖石化學(xué)漿液>10-7細(xì)砂、砂巖、微裂隙的巖石11.2巖土滲透注漿理論注漿材料在外力作用下可滲入到巖土體的裂隙或孔隙中。一般情況下，注漿壓力越大，注入的漿液量越多，擴(kuò)散的距離也就越遠(yuǎn)，加固的效果也就越好。但注漿材料的滲透性好壞與許多因素有關(guān)，如:巖土的孔隙率及孔隙大小、材料的可注性、注漿施工方法、地基的非均質(zhì)性、地下水的流動、注漿材料的時間特性等。一般滲透注漿是在不足以破壞地層構(gòu)造的壓力下，把漿液注入到粒狀土的孔隙中，從而取代或排出其中的空氣和水。一般滲透注漿要滿足可注性條件——其漿液一般均勻地擴(kuò)散到巖土顆粒間的孔隙或間隙內(nèi)，將土顆粒膠結(jié)起來，可增強(qiáng)土體的強(qiáng)度和防滲能力。11.2巖土滲透注漿理論漿液擴(kuò)散形狀取決于注漿方式：當(dāng)由鉆桿端孔注漿，注漿孔較深，相當(dāng)于點(diǎn)源，漿液呈球面擴(kuò)散。當(dāng)采用花管分段注漿，漿液則呈柱面擴(kuò)散。漿液特性：牛頓流體賓漢姆流體11.2.1牛頓流體在地層中的滲透公式牛頓流體——典型粘性流體，流變曲線是通過原點(diǎn)的直線，即:大多數(shù)的化學(xué)漿液都屬于牛頓流體。計算公式：球狀擴(kuò)散理論Magg公式Raffle-Greenwood公式柱面擴(kuò)散理論11.2.1牛頓流體在地層中的滲透公式球狀擴(kuò)散理論Magg公式：Magg于1938年推導(dǎo)出漿液在砂層中的滲透公式。認(rèn)為：漿液在砂體中流動是層流，服從達(dá)西定律；地基是均質(zhì)的半無限體；在地下水位以下注漿時，地下水無動水壓力；不考慮注漿材料的密度與水的密度的差別；在注漿期間，注漿材料的粘度不變；注漿源為點(diǎn)源，漿液在地層中呈球狀擴(kuò)散。11.2.1牛頓流體在地層中的滲透公式根據(jù)達(dá)西定律：式中根據(jù)邊界條件可推導(dǎo)出和已知，同時考慮，即，則得到：11.2.1牛頓流體在地層中的滲透公式Raffle-Greenwood公式Raffle和Greenwood于1961年推導(dǎo)出注漿點(diǎn)源的球形擴(kuò)散半徑、漿液流量和漿液壓力之間的關(guān)系式為漿液從注漿點(diǎn)源擴(kuò)散到半徑為r1

的球面所需的時間為Raffle-Greenwood公式可簡化為Magg公式。11.2.1牛頓流體在地層中的滲透公式柱面擴(kuò)散公式根據(jù)達(dá)西定律有當(dāng)時，；時，；可推導(dǎo)出已知，，可得非水溶性漿液滲透擴(kuò)散理論可參考有關(guān)資料。11.2.2賓漢姆流體在地層中的滲透公式賓漢姆流體是典型塑性流體，其流變曲線是不通過原點(diǎn)的直線。具有這種性質(zhì)的原因：是由于流體含有一定的顆粒濃度，在靜止?fàn)顟B(tài)下形成顆粒之間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在外部施加的剪切力很小時，漿液只會產(chǎn)生類似于固體的彈性變形。當(dāng)剪切力達(dá)到破壞極限后(超過內(nèi)聚力)，漿體才會發(fā)生類似于牛頓流體的流動，漿液的這種性質(zhì)稱為塑性。賓漢姆流體的流變方程表示為塑性流體的表觀粘度為11.2.2賓漢姆流體在地層中的滲透公式賓漢姆流體比牛頓流體具有較高的流動阻力，注賓漢姆型漿液需要較大的壓力，漿液才能擴(kuò)散較遠(yuǎn)。多數(shù)粘土漿液和一些粘度很大的化學(xué)漿液屬于賓漢姆流體；水泥漿由牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)橘e漢姆流體的臨界水灰比發(fā)生在W／C接近于1處；水灰比大于1屬于牛頓流體，水灰比小于1為賓漢姆流體。11.2.2賓漢姆流體在地層中的滲透公式對于賓漢姆流體柱面擴(kuò)散方式來說，根據(jù)滲流微分方程賓漢姆流體在粗顆粒巖土體中滲透系數(shù)為經(jīng)整理后得塑性流體隨時間而變化的流動規(guī)律11.2.2賓漢姆流體在地層中的滲透公式當(dāng)>>時，可忽略不計，取，。計算在已知時間T及注漿流量

Q為常量時的注漿擴(kuò)散半徑注漿流量從而11.2.2賓漢姆流體在地層中的滲透公式計算公式可解決的注漿工程問題：（1）已知和，根據(jù)公式可計算出擴(kuò)散半徑。（2）已知壓差（）及注漿時間時，按照公式

計算注漿擴(kuò)散半徑。（3）已知注漿流量及擴(kuò)散半徑，可按照公式計算孔底最大壓力()，并根據(jù)公式計算注漿時間。（4）塑性流體的滲透系數(shù)、有效粘度都是半徑的函數(shù)，在向孔隙介質(zhì)注入分散性漿液時，隨著時間的變化（半徑的增大），將出現(xiàn)介質(zhì)的滲透率下降。11.2.3滲透注漿的極限壓力在半無限空間可滲透注漿的土體內(nèi)注漿時，如果注漿壓力超過某一極限值(Pu)，漿液流動將會由滲透方式轉(zhuǎn)化為劈裂方式。只有當(dāng)注漿壓力小于Pu時，才能保證漿液在土中是滲透的。滲透注漿極限壓力Pu的表達(dá)式為注漿后一般注漿壓力迅速增加，注漿孔附近形成不穩(wěn)定漿液，略去漿液滲透力對土體應(yīng)力場的影響，上式簡化為11.3巖土壓密注漿理論壓密注漿：是用極稠的漿液（塌落度<25mm），通過鉆孔擠向土體，在注漿處形成球形漿泡，漿體的擴(kuò)散靠對周圍土體的壓縮。鉆桿自下而上注漿將形成樁式柱體。漿體取代了注漿范圍內(nèi)的土體，在注漿鄰近區(qū)存在大的塑性變形帶；離漿泡較遠(yuǎn)的區(qū)域土體發(fā)生彈性變形，因而土的密度明顯增加。漿液在土體中擠走周圍土體，起置換作用，而不向土體內(nèi)滲透。不同于滲透注漿漿液可滲入土顆粒間孔隙內(nèi)，將土顆粒膠結(jié)起來。壓密注漿對土體產(chǎn)生擠壓作用，使?jié){體周圍土體發(fā)生塑性變形，遠(yuǎn)區(qū)土體發(fā)生彈性變形，不發(fā)生水力劈裂，這是壓密與劈裂注漿的根本區(qū)別。11.3巖土壓密注漿理論在壓密注漿過程中，剛開始時，漿柱的直徑和體積較小，壓力主要是徑向的也就是水平方向。隨著漿柱體積的增加，將產(chǎn)生較大的向上壓力，壓密注漿的擠密作用和上抬力對沉陷基礎(chǔ)加固和抬升是非常有效的?，F(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，緊靠漿泡處的密度并不增加，但離漿泡0.3～1.8m內(nèi)有擠密作用，在這個壓密帶內(nèi)，距漿泡愈遠(yuǎn)，則擠密愈差。對非飽和土擠密較明顯；對飽和土漿泡先引起超孔隙壓力，待孔隙壓力消散后土的密度才會提高。漿柱體的形狀在均勻地基中是球形和圓柱形，在不均質(zhì)地基中，漿柱大都呈不規(guī)則形狀，漿液總是擠向不均地基中的薄弱土區(qū)，從而使土體的變形性質(zhì)均一化。漿柱體的大小受地基土的密度、含水量、力學(xué)特性、地表約束條件、注漿壓力、注漿速率等因素控制。11.3.1壓密注漿漿液的要求壓密注漿要求：漿液在高壓下可泵送——即漿液不能太稠；漿液注入巖土體后不易產(chǎn)生劈裂破壞——即漿液不能太稀。11.3.1壓密注漿漿液的要求通常采用水泥砂漿。使用的砂料要有一定的級配，要求100％通過篩孔直徑為2.36mm的方孔篩，含約20％的50μm細(xì)粒的天然砂。砂粒過粗，漿液容易失水，形成阻塞；

砂粒過細(xì)，漿液難以控制。一般含水量是干密度的10～20％。含水量控制方法是現(xiàn)場做塌落度試驗，實(shí)際上含水量增加一點(diǎn)，塌落度成倍增加。例如含水量為100％時，塌落度為25mm；含水量增加1％，塌落度可達(dá)到50mm。塌落度參照混凝土試驗要求，取25～75mm。11.3.2壓密注漿的力學(xué)機(jī)制壓密注漿形成漿泡后，其半徑隨著注漿壓力的增大而增大。當(dāng)漿泡水平投影面積與注漿壓力之乘積（即上抬力）足以將上覆土層抬起時，注漿壓力不再升高，應(yīng)停止注漿。對給定的上覆土層厚度而言，導(dǎo)致上抬所需之注漿壓力與漿泡半徑或水平投影面積有關(guān)。11.3.2壓密注漿的力學(xué)機(jī)制曲線I和曲線Ⅱ的交點(diǎn)所對應(yīng)的壓力就是該注漿點(diǎn)的上抬壓力。它隨著上覆土層的厚度、地基剛度的增加而增加；而地基土的剛度又與土類型、密實(shí)度、含水量及注漿速率有關(guān)。11.3.2壓密注漿的力學(xué)機(jī)制壓密注漿的主要控制因素是：注漿壓力。注漿壓力的大小與注漿速率有直接的關(guān)系。大多數(shù)工程的起始注漿速率為20～30L/min。如果壓力增加較慢，則注漿速率可緩慢提高。壓力增加的最大速率為：20～40kPa/min。11.3.2壓密注漿的力學(xué)機(jī)制當(dāng)壓力的增加呈平穩(wěn)上升時，表明基土是比較均勻的。當(dāng)壓力變化波動較大時，則表明基土具有很大不均質(zhì)性。（a）均質(zhì)基土（b）非均質(zhì)基土圖11-7注漿壓力特性11.3.2壓密注漿的力學(xué)機(jī)制假定注漿速率為常數(shù)，則注漿壓力與時間關(guān)系可繪成曲線:如果壓力突然增大，可能發(fā)生阻塞或堵管；如果壓力突然停止增加或減小，可能地面已開始隆起，或漿液遇到空洞。圖11-8注漿壓力與時間關(guān)系1-砂阻塞；2-正常情況；3-隆起

11.3.3壓密注漿的抬升作用壓密注漿可以引起三種土體變形模式：當(dāng)上抬力超過上層土重量時，一個圓錐型破壞模式將會發(fā)生，相應(yīng)的地面隆起就變得明顯——地面隆起。當(dāng)上抬力不足上層土重時，周圍土僅發(fā)生彈性或塑性膨脹，地面抬升很小——腔膨脹。當(dāng)破壞模式變化時，漿液很容易沿裂面竄到地面，發(fā)生明顯的水力劈裂現(xiàn)象——水力劈裂。11.3.3壓密注漿的抬升作用引起錐型剪切破壞的機(jī)理是非常復(fù)雜的。原因在于錐與周圍土之間的摩擦力很難確定。假設(shè)處于極限狀態(tài)，摩擦力可以忽略，Moh.Yany和H.Wang（1994）建立了錐型破壞條件：當(dāng)考慮柱子荷載L時，則11.4巖土劈裂注漿理論圖11-10土體中的應(yīng)力和劈裂面劈裂注漿：是在鉆孔內(nèi)施加液體壓力于弱透水性地基中，當(dāng)液體壓力超過劈裂壓力（滲透注漿和壓密注漿的極限壓力）時土體產(chǎn)生水力劈裂，也就是在土體內(nèi)突然出現(xiàn)一裂縫，于是吃漿量突然增加。劈裂面：發(fā)生在阻力最小的應(yīng)力面，劈裂壓力與地基中小主應(yīng)力及抗拉強(qiáng)度成正比，漿液愈稀，注入愈慢，則劈裂壓力愈小。劈裂注漿在鉆孔附近形成網(wǎng)狀漿脈，通過漿脈擠壓土體和漿脈骨架作用加固土體。11.4.1劈裂注漿過程及力學(xué)分析劈裂注漿是一個先壓密后劈裂的過程，漿液在土體中流動分為三個階段：（1）第一階段——鼓泡壓密階段（2）第二階段——劈裂流動階段（3）第三階段——被動土壓力階段11.4.1劈裂注漿過程及力學(xué)分析（1）第一階段——鼓泡壓密階段剛開始注漿，漿液所具備的能量不大，不能劈裂地層，漿液聚集在注漿管孔附近，形成橢球形泡體擠壓土體。壓力和流量曲線表明：曲線初始部分吃漿量少，而壓力增長快，說明土體尚未裂開；曲線中的第一個峰值壓力（點(diǎn)壓力）即為啟裂壓力。啟裂壓力前的曲線段稱為鼓泡壓密階段。11.4.1劈裂注漿過程及力學(xué)分析鼓泡壓密作用可用承受內(nèi)壓的厚壁圓筒模型來分析，可近似地用彈性理論的平面應(yīng)變問題求徑向位移以估計土體的壓密變形。徑向位移可用下式計算：11.4.1劈裂注漿過程及力學(xué)分析（2）第二階段——劈裂流動階段當(dāng)壓力大到一定程度時（啟裂壓力），漿液在地層中產(chǎn)生劈裂流動，劈裂面發(fā)生在阻力最小的小主應(yīng)力面。當(dāng)?shù)貙哟嬖谝延熊浫跗屏衙?，先沿著軟弱面劈裂流動。?dāng)?shù)貙颖容^均勻時，初始劈裂面是垂直的。劈裂壓力與地層中小主應(yīng)力及抗拉強(qiáng)度成正比，垂直劈裂壓力為：11.4.1劈裂注漿過程及力學(xué)分析劈裂流動階段的基本特征：壓力值先很快降低，維持在一低壓值左右擺動。但是由于漿液在劈裂面上形成的壓力推動裂縫迅速張開，而在裂縫的最前端出現(xiàn)應(yīng)力集中，所以這時壓力雖然低，卻能使裂縫迅速發(fā)展。11.4.1劈裂注漿過程及力學(xué)分析（3）第三階段——被動土壓力階段裂縫發(fā)展到一定程度，注漿壓力又重新上升，地層中大小主應(yīng)力方向發(fā)生變化，水平向主應(yīng)力轉(zhuǎn)化為被動土壓力狀態(tài)，這時需要有更大的注漿壓力才能使土中裂縫加寬或產(chǎn)生新的裂縫，出現(xiàn)第二個壓力峰值。由于此時水平向應(yīng)力大于垂直向應(yīng)力，地層出現(xiàn)水平向裂縫（即二次劈裂）。水平劈裂壓力為11.4.1劈裂注漿過程及力學(xué)分析被動土壓力階段是劈裂注漿加固地基的關(guān)鍵階段。垂直劈裂后大量注漿使小主應(yīng)力有所增加，縮小了大小主應(yīng)力之間的差別，提高了土體的穩(wěn)定性；在產(chǎn)生水平劈裂后形成水平方向漿脈時，可使基礎(chǔ)上抬和糾偏。漿脈網(wǎng)的作用是提高土體的法向應(yīng)力之和。并提高土體的剛度。實(shí)際注漿過程中地層很淺時，漿液沿水平剪切方向流動，會在地表出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象。因此，劈裂注漿的極限壓力值可滿足下式：11.4.1劈裂注漿過程及力學(xué)分析法默等人對土體劈裂注漿引起的地面抬升提出了計算方法，假定土體存在著截端圓錐體破壞帶。

截端圓錐體重：截錐體抗剪強(qiáng)度：上抬力：抬升條件：圖11-12截圓錐體地面抬升示意圖11.4.2劈裂注漿的能量分析根據(jù)能量守恒原理，注漿所耗能量應(yīng)等于存貯在土體中的能量加上劈裂過程所耗能量，即注漿所耗總能量與注漿速率和注漿壓力有關(guān)：11.4.3壓密注漿和劈裂注漿的關(guān)系壓密注漿是通過漿泡擠壓相鄰?fù)馏w達(dá)到加固目的，而劈裂注漿則是通過漿脈來擠壓和加固鄰近土體。（a）壓密注漿（b）劈裂注漿圖11-14壓密注漿與劈裂注漿圖11-13壓密注漿和劈裂注漿對比加固力學(xué)比較緊靠漿泡處土中應(yīng)力增量隨著距離增大迅速減小。11.4.3壓密注漿和劈裂注漿的關(guān)系劈裂注漿漿脈內(nèi)漿液壓力遠(yuǎn)小于漿泡壓力，引起的應(yīng)力增量極小，不過漿脈延伸的很遠(yuǎn)，它與土的接觸面積遠(yuǎn)大于漿泡與土的接觸面積，并且它在遠(yuǎn)離注漿孔處的?p值降低很小。在鉆孔中注漿量相同的條件下，壓密注漿的加固作用強(qiáng)，但影響范圍小，劈裂注漿的加固作用弱，但影響范圍大。在壓密注漿過程中，必須采用稠漿和快速注入。實(shí)際中常發(fā)生稠漿堵塞輸漿管現(xiàn)象。當(dāng)采用稀漿沖洗時，從而出現(xiàn)注漿壓力突然下降現(xiàn)象，壓密注漿可轉(zhuǎn)化為劈裂注漿。在劈裂注漿過程中，土體一旦劈開，即使將稀漿改用稠漿，劈裂注漿也不會轉(zhuǎn)化為壓密注漿。11.5裂隙巖體的注漿理論裂隙巖體的帷幕注漿和固結(jié)注漿，都是將一定的漿液注入到巖體裂隙內(nèi)。帷幕注漿的漿材主要是防滲材料。固結(jié)注漿的漿材主要是高強(qiáng)度材料。裂隙巖體內(nèi)存在大量的節(jié)理裂隙，尤其是多次構(gòu)造作用形成的節(jié)理分布相當(dāng)復(fù)雜，研究漿液在巖體裂隙內(nèi)流動規(guī)律就更復(fù)雜。11.5裂隙巖體注漿理論目前，只能利用裂隙巖體的一些滲流模型，研究漿液在較為簡單的裂隙模型內(nèi)的流動規(guī)律?，F(xiàn)有的注漿公式只限于水平單一裂隙或一組裂隙內(nèi)漿液的流動，較為復(fù)雜的模型還需做大量的研究工作。這里假設(shè)漿液在裂隙內(nèi)流動為層流，符合達(dá)西定律。我們重點(diǎn)介紹牛頓流體、賓漢姆流體在一水平平滑和粗糙裂隙內(nèi)的擴(kuò)散公式。11.5.1漿液在巖體裂隙中的流動規(guī)律牛頓型漿液的流動公式W．S．Baker對懸浮液型注漿材料在粗顆粒的無粘性土中的滲透，中國水利水電科學(xué)研究院劉嘉才對牛頓流體漿液在裂隙中的擴(kuò)散，均推導(dǎo)出同樣的如下公式：表明：在注漿過程中，距注漿孔軸線距離r的任意一點(diǎn)處的注漿壓力衰減值，與擴(kuò)散半徑的對數(shù)成正比，與漿液粘度成正比，與縫寬的三次方成反比。因此，縫隙的寬度愈小，壓力衰減的越厲害。

或11.5.1漿液在巖體裂隙中的流動規(guī)律Baker假設(shè)，在注漿孔橫穿寬度為δ

的單個平滑裂隙的理想情況下，漿液注入量可采用下式計算上述理論適用于飽和巖體，漿液的流動阻力是由于漿液通過較窄裂隙時與其兩壁的粘滯摩擦造成的。注漿壓力差賓漢姆漿液的塑性粘度和屈服強(qiáng)度均影響漿液在裂隙中的平均運(yùn)動速率，和的增加均會降低進(jìn)漿速率，延長注漿時間。11.5.1漿液在巖體裂隙中的流動規(guī)律賓漢姆漿液擴(kuò)散公式在二維平面等厚光滑裂隙中，賓漢姆漿液在壓力作用下產(chǎn)生流動。Wittke和Wallner根據(jù)漿液平衡方程和邊界條件，推導(dǎo)出漿液在裂隙中應(yīng)力分布及最終擴(kuò)散范圍為

漿液在裂隙內(nèi)流動時的流動速率為單位流量為11.5.2

水泥漿液在巖體裂隙中的流動機(jī)理水泥漿液的流動沉積特性水泥漿的流動屬于兩相流體，在靜止?fàn)顟B(tài)下，水泥漿具有析水沉淀特性。在不同流動狀態(tài)下其沉淀速度是不一樣的。水泥顆粒的下沉速度（也稱析水速度，），在不同流動狀態(tài)下可按以下公式計算：對于完全靜止和層流（雷諾指數(shù)＝1），采用斯托克斯公式對于過渡流態(tài)（＝2～300），采用阿連公式對于紊流（>1000），采用牛頓-雷廷格公式11.5.2水泥漿液在巖體裂隙中的流動機(jī)理在靜止?fàn)顟B(tài)和層流狀態(tài)，水泥沉淀速度最快，過渡態(tài)次之，紊流最慢。一般在鉆孔附近呈紊流，遠(yuǎn)離鉆孔為層流。因此，水泥漿在層流段沉積。影響水泥沉淀速度的因素有：水泥比重、顆粒大小、水泥漿的濃度和外加劑。在相同流速和相同濃度下，水泥的比重和顆粒越大，越容易下沉；當(dāng)顆粒直徑<0.001mm時，水泥漿液為穩(wěn)定漿液。其他條件相同時，漿液愈稀，水泥顆粒的沉降速度愈快。濃度增加，顆粒之間相互碰撞、摩擦的機(jī)會增多，顆粒下沉阻力增大，速度減慢。摻入一定數(shù)量分散劑，可以延緩水泥的析水沉淀速率。11.5.2水泥漿液在巖體裂隙中的流動機(jī)理漿液在管道中輸送和在大裂隙中流速較高多表現(xiàn)為紊流，而在細(xì)裂隙中多表現(xiàn)為層流。注漿時漿液自孔壁縫口進(jìn)入地層裂隙后，越向外流，控制漿液的斷面積越大，漿液的流速與距孔中心的距離成反比。流速減小，水泥顆粒動能減小。這樣一方面重力沉淀速度增加，另一方面顆粒易被接觸到的巖壁所吸附，且水泥顆粒間的相互吸引，易形成顆粒集團(tuán)，從而促進(jìn)水泥漿的析水沉積過程。11.5.2水泥漿液在巖體裂隙中的流動機(jī)理水泥注漿的充填過程水泥顆粒在巖縫中開始沉積地點(diǎn)離孔壁的距離，將隨注漿壓力和漿液稠度、巖縫寬度不同而不同。壓力越大，漿液越稀，巖縫越寬，開始沉積的地點(diǎn)距鉆孔越遠(yuǎn)。從沉積點(diǎn)開始，水泥顆粒將陸續(xù)從漿液中被分離出來，在巖縫中形成一個不斷加厚的“脊背”，逐步縮小巖縫的寬度。當(dāng)巖縫寬度縮小到一定程度以后，不是出現(xiàn)吃漿率的減小，就是出現(xiàn)壓力自動升高；若保持壓力不變，進(jìn)漿率就減小。進(jìn)漿率的減小，使得漿液在每一點(diǎn)上的流動速度也跟著減小，從而在靠近鉆孔的方向又形成新的“脊背”，直到巖縫基本填滿為止。11.5.2水泥漿液在巖體裂隙中的流動機(jī)理不同寬度的巖縫，采用同一濃度漿液時，充填范圍和時間是不同的。寬裂隙充填距離較遠(yuǎn)，時間較長；而窄裂隙充填范圍很小，時間很短。在實(shí)際注漿中，遇到吃漿量很大，長時間不見減小情況時，可采取逐級變濃漿液的措施進(jìn)行注漿。漿液變濃，意味著粘度和流動阻力的增大，將導(dǎo)致相同壓力下的進(jìn)漿率和流速降低，結(jié)果使得水泥提前沉積。變濃一級漿液，就要出現(xiàn)一個更靠近孔壁的沉積點(diǎn)和一個新脊背。過快變濃漿液，可能造成巖縫突然堵塞，前后形成的“脊背”互不銜接，使巖縫得不到充分的充填。11.5.2水泥漿液在巖體裂隙中的流動機(jī)理在一個注漿段包含不同寬度的裂隙。為使所有裂隙都能充滿漿液，首先使用粘度小、流動性較好的稀漿，充填較小的裂隙，然后再用較稠的漿液注較大的裂隙。漿液由稀變濃應(yīng)逐級改變。我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)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共九個比級；A.C.Houlsby推薦水泥漿液的最佳起始水水灰比為3:1；但加固注漿中水灰比一般不大于1:1。11.5.2水泥漿液在巖體裂隙中的流動機(jī)理注漿過程中變漿時機(jī)需根據(jù)壓力與吸漿率變化情況決定：在吃漿率大于10L/min以前，若連續(xù)注入量已達(dá)450L以上，注漿壓力或吸漿率均無明顯變化，則變濃一級；在吸漿率小于10L/min以后，若連續(xù)注入時間已達(dá)2h以上，壓力和吸漿率均無變化，也變濃一級；若變濃漿液后壓力明顯逐漸升高或吸漿率逐漸減小，則不宜再變濃漿液就用當(dāng)時的濃度，直至注漿結(jié)束；若變濃后吸漿率驟減或壓力驟升，再退回用原來的漿液濃度來注。11.5.2

水泥漿液在巖體裂隙中的流動機(jī)理水泥漿液在巖體裂隙內(nèi)的沉積排水機(jī)理裂隙巖體注漿所用的水泥漿液的水灰比多在1～5之間，水泥水化大約需5％～25％水（一般為水泥重量的25％左右），而其余的75％～95％的水則屬于多余的。它僅僅為了漿液輸送方便，一旦把水泥顆粒載運(yùn)到預(yù)定地點(diǎn)后，多余的水分就應(yīng)排除。而這些多余的水分是以怎樣的方式排除呢?目前有兩種認(rèn)識，即“固結(jié)排水”和“流動沉積”理論。11.5.2

水泥漿液在巖體裂隙中的流動機(jī)理固結(jié)排水理論德國的庫茨納爾認(rèn)為：注漿過程分為“填滿”與“飽和”兩個階段。在填滿階段，漿液進(jìn)入并充填了裂隙的絕大部分，在飽和階段，漿液中的多余水分在飽和壓力（最高壓力）下產(chǎn)生類似于太沙基的土力學(xué)固結(jié)現(xiàn)象而被排出，使水泥顆粒彼此接近。但對于堅硬和透水性差的巖石，很難用固結(jié)排水理論解釋水泥漿的排水機(jī)理。11.5.2

水泥漿液在巖體裂隙中的流動機(jī)理流動沉積理論漿液進(jìn)入巖縫后流動速度和壓力是隨離開鉆孔的距離而迅速降低。當(dāng)漿液在裂隙內(nèi)的流速降低到某一臨界值時，水泥顆粒在重