巖土注漿加固理論

1、11 巖土注漿加固理論巖土注漿加固理論11 11 巖土注漿加固理論巖土注漿加固理論v巖土注漿理論：是借助于巖土注漿理論：是借助于流體力學(xué)流體力學(xué)和和固體力學(xué)固體力學(xué)的理論發(fā)展起的理論發(fā)展起來的，對(duì)漿液的單一流動(dòng)形式進(jìn)行分析，建立來的，對(duì)漿液的單一流動(dòng)形式進(jìn)行分析，建立壓力、流量、壓力、流量、擴(kuò)散半徑、注漿時(shí)間擴(kuò)散半徑、注漿時(shí)間之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。v漿液在地層中往往以多種形式運(yùn)動(dòng)，且這些運(yùn)動(dòng)形式隨著地漿液在地層中往往以多種形式運(yùn)動(dòng)，且這些運(yùn)動(dòng)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。層的變化、漿液的性質(zhì)和壓力變化而相互轉(zhuǎn)化或并存。如在如在滲透注漿滲透注漿過程中存在過程中存在劈

2、裂劈裂現(xiàn)象，在現(xiàn)象，在劈裂注漿劈裂注漿過程中存在過程中存在滲透流滲透流動(dòng)動(dòng)等，在等，在壓密注漿壓密注漿過程中存在過程中存在劈裂或滲透流動(dòng)劈裂或滲透流動(dòng)。盡管漿液在地層中。盡管漿液在地層中運(yùn)動(dòng)形式很復(fù)雜，但它在一定條件下總是以某種流動(dòng)形式為主。運(yùn)動(dòng)形式很復(fù)雜，但它在一定條件下總是以某種流動(dòng)形式為主。v因此，應(yīng)正確地運(yùn)用注漿理論，使其以所要求的因此，應(yīng)正確地運(yùn)用注漿理論，使其以所要求的運(yùn)動(dòng)形式運(yùn)動(dòng)形式為為主在地層中流動(dòng)與固化，達(dá)到注漿的目的。主在地層中流動(dòng)與固化，達(dá)到注漿的目的。11 巖土注漿加固理論巖土注漿加固理論v11.1 巖土介質(zhì)的可注性巖土介質(zhì)的可注性v11.2 巖土滲透注漿理論巖土滲透注

3、漿理論v11.3 巖土壓密注漿理論巖土壓密注漿理論v11.4 巖土劈裂注漿理論巖土劈裂注漿理論v11.5 裂隙巖體注漿理論裂隙巖體注漿理論11.1 巖土介質(zhì)的可注性巖土介質(zhì)的可注性v注漿法適用范圍以及對(duì)巖土介質(zhì)的改良結(jié)果，不僅取決于注漿法適用范圍以及對(duì)巖土介質(zhì)的改良結(jié)果，不僅取決于注注漿材料漿材料性質(zhì)，也取決于性質(zhì)，也取決于注漿方法、注漿工藝等注漿方法、注漿工藝等。注漿方法注漿方法：不僅是注漿設(shè)備的選擇，還要看試驗(yàn)結(jié)果，考慮：不僅是注漿設(shè)備的選擇，還要看試驗(yàn)結(jié)果，考慮注漿經(jīng)注漿經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)是否豐富，是否豐富，注漿管理注漿管理方法是否可行等。方法是否可行等。注漿工藝注漿工藝：包括不同：包括不同漿材漿材

4、及不同及不同注漿方法注漿方法的聯(lián)合，以適應(yīng)某些特殊的聯(lián)合，以適應(yīng)某些特殊的地質(zhì)條件和專門注漿目的。的地質(zhì)條件和專門注漿目的。v因而注漿法的適用界限變得更加復(fù)雜。因而注漿法的適用界限變得更加復(fù)雜。11.1 巖土介質(zhì)的可注性巖土介質(zhì)的可注性v在在砂礫土層砂礫土層中滲透注漿時(shí)，尤其是漿液濃度較大時(shí)，要求漿液中的顆粒中滲透注漿時(shí)，尤其是漿液濃度較大時(shí)，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(dòng)。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(dòng)。但粒狀漿材往往以多粒的形式同時(shí)進(jìn)入孔隙或裂隙，這可導(dǎo)致孔隙但粒狀漿材往往以多粒的形式同時(shí)進(jìn)入孔隙或裂隙，這可導(dǎo)致孔隙的堵塞

5、，因此，僅僅滿足的堵塞，因此，僅僅滿足顆粒尺寸顆粒尺寸小于小于孔隙尺寸孔隙尺寸是不夠的；是不夠的；且漿液在流動(dòng)過程中存在著且漿液在流動(dòng)過程中存在著凝結(jié)過程凝結(jié)過程，也會(huì)造成漿液通道的堵塞；，也會(huì)造成漿液通道的堵塞；此外，地基土是非均質(zhì)體，此外，地基土是非均質(zhì)體，裂隙或孔隙裂隙或孔隙的大小不相同，粒狀漿材的的大小不相同，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。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。v實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，注漿材料能夠順利滲透到土顆粒間的條件是實(shí)驗(yàn)

6、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：注入比：15108515dDN89510dDN11.1 巖土介質(zhì)的可注性巖土介質(zhì)的可注性v若土顆粒粒徑若土顆粒粒徑d 0.8mm, 滲透系數(shù)滲透系數(shù)K 10-1cm/s，水泥漿材可以注入。，水泥漿材可以注入。v當(dāng)孔隙尺寸小于這一數(shù)值時(shí)，水泥漿液就不能注人，即使增加注漿壓力當(dāng)孔隙尺寸小于這一數(shù)值時(shí)，水泥漿液就不能注人，即使增加注漿壓力也不會(huì)得到理想滲透注漿效果。也不會(huì)得到理想滲透注漿效果。v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。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。表表11-1 各種注漿材料

7、的適用范圍各種注漿材料的適用范圍材材 料料顆粒粒徑顆粒粒徑（mm）地基滲透系數(shù)地基滲透系數(shù)（cm/s）適用范圍適用范圍水泥水泥10-2礫砂、粗砂；裂隙寬度礫砂、粗砂；裂隙寬度0.2 mm膨潤(rùn)土粘土膨潤(rùn)土粘土10-4砂、礫砂砂、礫砂超細(xì)水泥超細(xì)水泥0.0100.01210-4 砂、礫砂、多孔磚墻砂、礫砂、多孔磚墻裂隙寬度裂隙寬度0.05 mm混凝土、巖石混凝土、巖石化學(xué)漿液化學(xué)漿液10-7細(xì)砂、砂巖、微裂隙的巖石細(xì)砂、砂巖、微裂隙的巖石11.2 巖土滲透注漿理論巖土滲透注漿理論v注漿材料在外力作用下可滲入到巖土體的裂隙或孔隙中。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，一般情

8、況下，注漿壓力注漿壓力越大，注入的越大，注入的漿液量漿液量越多，越多，擴(kuò)散的距離擴(kuò)散的距離也就也就越遠(yuǎn)，加固的越遠(yuǎn)，加固的效果效果也就越好。也就越好。v但注漿材料的滲透性好壞與許但注漿材料的滲透性好壞與許多因素多因素有關(guān)，如有關(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(dòng)、注漿材料的時(shí)間特性等。非均質(zhì)性、地下水的流動(dòng)、注漿材料的時(shí)間特性等。v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

9、氣和水。的孔隙中，從而取代或排出其中的空氣和水。v一般滲透注漿要滿足一般滲透注漿要滿足可注性條件可注性條件其漿液一般均勻地?cái)U(kuò)散到巖土顆粒其漿液一般均勻地?cái)U(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)度強(qiáng)度和和防滲能力防滲能力。11.2 巖土滲透注漿理論巖土滲透注漿理論v漿液擴(kuò)散形狀取決于注漿方式：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。球面擴(kuò)散。當(dāng)采用花管分段注漿，漿液則呈當(dāng)采用花管分段注漿，漿液則呈柱面擴(kuò)散柱面擴(kuò)散。v漿液特性：漿液特

10、性：v牛頓流體牛頓流體v賓漢姆流體賓漢姆流體11.2.1 牛頓流體在地層中的滲透公式牛頓流體在地層中的滲透公式牛頓流體牛頓流體典型粘性流體，流變曲線是通過原點(diǎn)的直線，即典型粘性流體，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。大多數(shù)的化學(xué)漿液都屬于牛頓流體。計(jì)算公式：計(jì)算公式： 球狀擴(kuò)散理論球狀擴(kuò)散理論Magg公式公式Raffle-Greenwood公式公式柱面擴(kuò)散理論柱面擴(kuò)散理論11.2.1 牛頓流體在地層中的滲透公式牛頓流體在地層中的滲透公式u 球狀擴(kuò)散理論球狀擴(kuò)散理論 Magg公式公式 ：Magg于于1938年推導(dǎo)出漿液在砂層中年推導(dǎo)出漿液在砂層中的滲透公式。認(rèn)為：

11、的滲透公式。認(rèn)為：漿液在砂體中流動(dòng)是層流，服從漿液在砂體中流動(dòng)是層流，服從達(dá)西定律達(dá)西定律；地基是均質(zhì)的半無限體；地基是均質(zhì)的半無限體；在地下水位以下注漿時(shí)，地下水無動(dòng)水壓力；在地下水位以下注漿時(shí)，地下水無動(dòng)水壓力；不考慮注漿材料的密度與水的密度的差別；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；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。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牛頓流體在地層中的滲透公式v根據(jù)達(dá)西定律：根據(jù)達(dá)西定律：v式中式中v根據(jù)邊界條件可推導(dǎo)出根據(jù)邊界條件可推導(dǎo)出 和和v已知已知 ，

12、同時(shí)考慮，同時(shí)考慮 ，即，即 ，v則得到：則得到： iAtKQg24 rAKKdrdhig，)11(4100rrKtQhH)11()(400rrhHKtQnrQhhH31043，01rr 00111rrr03113Ktrnrh01313rKhnrt11.2.1 牛頓流體在地層中的滲透公式牛頓流體在地層中的滲透公式Raffle-Greenwood公式公式Raffle和和Greenwood于于1961年推導(dǎo)出注漿點(diǎn)源的球形擴(kuò)散半徑、漿年推導(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)散到半徑為漿液從注漿點(diǎn)源擴(kuò)散到半徑為 r1 的球面所需的

13、時(shí)間為的球面所需的時(shí)間為Raffle-Greenwood公式可簡(jiǎn)化為公式可簡(jiǎn)化為 Magg公式。公式。11011114rrrnKQh12113203021130rrrKhnrt11.2.1 牛頓流體在地層中的滲透公式牛頓流體在地層中的滲透公式u柱面擴(kuò)散公式柱面擴(kuò)散公式v根據(jù)達(dá)西定律有根據(jù)達(dá)西定律有v當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， ； 時(shí)，時(shí)， ；可推導(dǎo)出；可推導(dǎo)出v已知已知 ， ，可得，可得v非水溶性漿液滲透擴(kuò)散理論可參考有關(guān)資料。非水溶性漿液滲透擴(kuò)散理論可參考有關(guān)資料。iAKqg0rr Hh 1rr 0hh 0110ln2rraKqhhH011ln2rraKhqanrQ21qtQ 210111/ln2rrn

14、tKhr101212)/ln(Khrrrnt11.2.2 賓漢姆流體在地層中的滲透公式賓漢姆流體在地層中的滲透公式v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。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)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)。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(shí)，漿液只會(huì)產(chǎn)生類似于固體的彈性變形。在外部施加的剪切力很小時(shí)，漿液只會(huì)產(chǎn)生類似于固體的彈性變形。當(dāng)剪切力達(dá)到破壞極限后當(dāng)剪切力達(dá)到破壞極限后( (超過內(nèi)聚力超過內(nèi)聚力) )，漿

15、體才會(huì)發(fā)生類似于牛頓流，漿體才會(huì)發(fā)生類似于牛頓流體的流動(dòng)，漿液的這種性質(zhì)稱為體的流動(dòng)，漿液的這種性質(zhì)稱為塑性塑性。賓漢姆流體的流變方程表示為賓漢姆流體的流變方程表示為塑性流體的表觀粘度為塑性流體的表觀粘度為pn1/ )(/nppnn11.2.2 賓漢姆流體在地層中的滲透公式賓漢姆流體在地層中的滲透公式v賓漢姆流體比牛頓流體具有較高的流動(dòng)阻力，注賓漢姆型漿賓漢姆流體比牛頓流體具有較高的流動(dòng)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)。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；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；水泥漿水泥漿由牛

16、頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)橘e漢姆流體的由牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)橘e漢姆流體的臨界水灰比臨界水灰比發(fā)生在發(fā)生在WC接近于接近于1處；處；水灰比大于水灰比大于1屬于屬于牛頓流體牛頓流體，水灰比小于，水灰比小于1為為賓漢姆流體賓漢姆流體。11.2.2 賓漢姆流體在地層中的滲透公式賓漢姆流體在地層中的滲透公式v對(duì)于賓漢姆流體柱面擴(kuò)散方式來說，根據(jù)滲流微分方程對(duì)于賓漢姆流體柱面擴(kuò)散方式來說，根據(jù)滲流微分方程v賓漢姆流體在粗顆粒巖土體中滲透系數(shù)為賓漢姆流體在粗顆粒巖土體中滲透系數(shù)為v經(jīng)整理后得經(jīng)整理后得v塑性流體隨時(shí)間而變化的流動(dòng)規(guī)律塑性流體隨時(shí)間而變化的流動(dòng)規(guī)律rdraKQdpg2)/1 (1CBAEKg)/2(1QarCBA

17、EKg000ln2rrCBrraQEAppr)(0rrQant11.2.2 賓漢姆流體在地層中的滲透公式賓漢姆流體在地層中的滲透公式v當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， 可忽略不計(jì)，取可忽略不計(jì)，取 ， 。計(jì)算在已知時(shí)間。計(jì)算在已知時(shí)間T T 及注漿流量及注漿流量 Q 為常量時(shí)的注漿擴(kuò)散半徑為常量時(shí)的注漿擴(kuò)散半徑v注漿流量注漿流量v從而從而r0r20rRr Tt 21TanQR00/ln2)(rRaBCRAppEQR2100ln2)(rRnTBCRAppERR0004 . 0max66. 2RppdAnR11.2.2 賓漢姆流體在地層中的滲透公式賓漢姆流體在地層中的滲透公式計(jì)算公式可解決的注漿工程問題：計(jì)算公式可

18、解決的注漿工程問題：v（1）已知）已知 和和 ，根據(jù)公式，根據(jù)公式 可計(jì)算出擴(kuò)散半徑。可計(jì)算出擴(kuò)散半徑。v（2）已知壓差（）已知壓差（ ）及注漿時(shí)間）及注漿時(shí)間 時(shí)，按照公式時(shí)，按照公式 計(jì)算注漿擴(kuò)散半徑。計(jì)算注漿擴(kuò)散半徑。v（3）已知注漿流量）已知注漿流量 及擴(kuò)散半徑及擴(kuò)散半徑 ，可按照公式，可按照公式 計(jì)算孔底最大壓力計(jì)算孔底最大壓力( )，并根據(jù)公式，并根據(jù)公式 計(jì)算注漿時(shí)間。計(jì)算注漿時(shí)間。v（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)）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(shí)，隨著時(shí)間的變化（半徑的增大），將出現(xiàn)介質(zhì)的滲注入分散性漿液時(shí)

19、，隨著時(shí)間的變化（半徑的增大），將出現(xiàn)介質(zhì)的滲透率下降。透率下降。QT21TanQRrpp 0T2100ln2)(rRnTBCRAppERRQR000ln2rrCBrraQEAppr0p21TanQR11.2.3 滲透注漿的極限壓力滲透注漿的極限壓力v在半無限空間可滲透注漿的土體內(nèi)注漿時(shí)，如果注漿壓力超過某一極限在半無限空間可滲透注漿的土體內(nèi)注漿時(shí)，如果注漿壓力超過某一極限值值( ( P Pu u ) )，漿液流動(dòng)將會(huì)由滲透方式轉(zhuǎn)化為劈裂方式。，漿液流動(dòng)將會(huì)由滲透方式轉(zhuǎn)化為劈裂方式。v只有當(dāng)注漿壓力小于只有當(dāng)注漿壓力小于P Pu u時(shí)，才能保證漿液在土中是滲透的。滲透注漿極時(shí)，才能保證漿液在土

20、中是滲透的。滲透注漿極限壓力限壓力P Pu u的表達(dá)式為的表達(dá)式為v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(duì)土體應(yīng)力場(chǎng)的影響，上式簡(jiǎn)化為滲透力對(duì)土體應(yīng)力場(chǎng)的影響，上式簡(jiǎn)化為00lnln)21 (2)2)(1 (2rrHKpcu)1 (20HKpcu11.3 巖土壓密注漿理論巖土壓密注漿理論v壓密注漿：壓密注漿：是用是用極稠極稠的漿液（塌落度的漿液（塌落度1000），采用），采用牛頓牛頓-雷廷格雷廷格公式公式eveR20205 .5418)(RRRReddgveR302008 .25RRedveRRRed

21、v001 .5111.5.2 水泥漿液在巖體裂隙中的流動(dòng)機(jī)理水泥漿液在巖體裂隙中的流動(dòng)機(jī)理v在在靜止?fàn)顟B(tài)靜止?fàn)顟B(tài)和和層流狀態(tài)層流狀態(tài)，水泥沉淀速度最快，水泥沉淀速度最快，過渡態(tài)過渡態(tài)次之，次之，紊流紊流最慢。最慢。一般在鉆孔附近呈紊流，遠(yuǎn)離鉆孔為層流。因此，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水泥漿在層流段沉積。v影響水泥沉淀速度影響水泥沉淀速度的的因素因素有：水泥比重、顆粒大小、水泥漿的濃度和外有：水泥比重、顆粒大小、水泥漿的濃度和外加劑。加劑。v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；

22、當(dāng)顆粒直徑粒直徑0.001 mm時(shí)，水泥漿液為時(shí)，水泥漿液為穩(wěn)定漿液穩(wěn)定漿液。v其他條件相同時(shí)，漿液愈稀，水泥顆粒的沉降速度愈快。其他條件相同時(shí)，漿液愈稀，水泥顆粒的沉降速度愈快。v濃度增加，顆粒之間相互碰撞、摩擦的機(jī)會(huì)增多，顆粒下沉阻力增大，濃度增加，顆粒之間相互碰撞、摩擦的機(jī)會(huì)增多，顆粒下沉阻力增大，速度減慢。速度減慢。v摻入一定數(shù)量摻入一定數(shù)量分散劑分散劑，可以延緩水泥的析水沉淀速率。，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(dòng)機(jī)理水泥漿液在巖體裂隙中的流動(dòng)機(jī)理v漿液在管道中輸送和在大裂隙中流速較高多表現(xiàn)為漿液在管道中輸送和在大裂隙中流速較高多表現(xiàn)為紊流紊流，而

23、在細(xì)裂隙中，而在細(xì)裂隙中多表現(xiàn)為多表現(xiàn)為層流層流。v注漿時(shí)漿液自孔壁縫口進(jìn)入地層裂隙后，越向外流，控制漿液的斷面積注漿時(shí)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，越大，漿液的流速與距孔中心的距離成反比漿液的流速與距孔中心的距離成反比。v流速減小，水泥顆粒流速減小，水泥顆粒動(dòng)能動(dòng)能減小。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。漿的析水沉積過程。11.5.2 水泥漿

24、液在巖體裂隙中的流動(dòng)機(jī)理水泥漿液在巖體裂隙中的流動(dòng)機(jī)理v水泥注漿的充填過程水泥注漿的充填過程水泥顆粒在巖縫中水泥顆粒在巖縫中開始沉積地點(diǎn)開始沉積地點(diǎn)離孔壁的距離，將隨注漿壓力和漿離孔壁的距離，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，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)。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(gè)不斷加厚的成一個(gè)不斷加厚的“脊背脊背”，逐步縮小巖縫的寬度。，逐步縮小巖縫的寬度。當(dāng)巖縫寬度縮小到一定

25、程度以后，不是出現(xiàn)當(dāng)巖縫寬度縮小到一定程度以后，不是出現(xiàn)吃漿率的減小吃漿率的減小，就是出，就是出現(xiàn)現(xiàn)壓力自動(dòng)升高壓力自動(dòng)升高；若保持壓力不變，進(jìn)漿率就減小。；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(dòng)速度也跟著減小，從而進(jìn)漿率的減小，使得漿液在每一點(diǎn)上的流動(dòng)速度也跟著減小，從而在靠近鉆孔的方向又形成新的在靠近鉆孔的方向又形成新的“脊背脊背”，直到巖縫基本填滿為止。，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(dòng)機(jī)理水泥漿液在巖體裂隙中的流動(dòng)機(jī)理v不同不同寬度寬度的巖縫，采用同一濃度漿液時(shí)，充填的巖縫，采用同一濃度漿液時(shí)，充填范圍范圍和和時(shí)間時(shí)間是不同的

26、。是不同的。寬寬裂隙裂隙充填距離較遠(yuǎn)，時(shí)間較長(zhǎng)；而充填距離較遠(yuǎn)，時(shí)間較長(zhǎng)；而窄裂隙窄裂隙充填范圍很小，時(shí)間很短。充填范圍很小，時(shí)間很短。v在實(shí)際注漿中，遇到在實(shí)際注漿中，遇到吃漿量很大吃漿量很大，長(zhǎng)時(shí)間不見減小情況時(shí)，可采取，長(zhǎng)時(shí)間不見減小情況時(shí)，可采取逐級(jí)逐級(jí)變濃變濃漿液的措施進(jìn)行注漿。漿液變濃，意味著粘度和流動(dòng)阻力的增大，漿液的措施進(jìn)行注漿。漿液變濃，意味著粘度和流動(dòng)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。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。v變濃一級(jí)漿液變濃一級(jí)漿液，就要出現(xiàn)一個(gè)更靠近孔壁的沉積點(diǎn)和一個(gè)新脊背。，就要出現(xiàn)一個(gè)更靠近孔壁的

27、沉積點(diǎn)和一個(gè)新脊背。過快過快變濃漿液變濃漿液，可能造成巖縫突然堵塞，前后形成的，可能造成巖縫突然堵塞，前后形成的“脊背脊背”互不銜接，使互不銜接，使巖縫得不到充分的充填。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(dòng)機(jī)理水泥漿液在巖體裂隙中的流動(dòng)機(jī)理v在在一個(gè)注漿段包含不同寬度的裂隙一個(gè)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(dòng)性較好的稀漿，為使所有裂隙都能充滿漿液，首先使用粘度小、流動(dòng)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。充填較小的裂隙，然后再用較稠的漿液注較大的裂隙。v漿液由稀變濃應(yīng)逐級(jí)改變。漿液由稀變濃應(yīng)逐級(jí)改變。我國(guó)

28、現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的水灰比可采用我國(guó)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(gè)比級(jí)；共九個(gè)比級(jí)；A. . C. Houlsby 推薦水泥漿液的最佳起始水水灰比為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(dòng)機(jī)理水泥漿液在巖體裂隙中的流動(dòng)機(jī)理v注漿過程中注漿過程中變漿時(shí)機(jī)變漿時(shí)機(jī)需根據(jù)需根據(jù)壓力壓力與與吸漿率吸漿率變化情況決定：變化情況決定：在在吃漿率吃漿率大于大于10 L/min以前，若連續(xù)注入

29、量已達(dá)以前，若連續(xù)注入量已達(dá)450 L以上，注漿壓以上，注漿壓力或吸漿率均無明顯變化，則變濃一級(jí)；力或吸漿率均無明顯變化，則變濃一級(jí)；在在吸漿率吸漿率小于小于10 L/min以后，若連續(xù)注入時(shí)間已達(dá)以后，若連續(xù)注入時(shí)間已達(dá)2 h以上，壓力和以上，壓力和吸漿率均無變化，也變濃一級(jí)；吸漿率均無變化，也變濃一級(jí)；若變濃漿液后若變濃漿液后壓力明顯逐漸升高或吸漿率逐漸減小壓力明顯逐漸升高或吸漿率逐漸減小，則不宜再變濃，則不宜再變濃漿液就用當(dāng)時(shí)的濃度，直至注漿結(jié)束；漿液就用當(dāng)時(shí)的濃度，直至注漿結(jié)束；若變濃后若變濃后吸漿率驟減或壓力驟升吸漿率驟減或壓力驟升，再退回用原來的漿液濃度來注。，再退回用原來的漿液濃

30、度來注。11.5.2 水泥漿液在巖體裂隙中的流動(dòng)機(jī)理水泥漿液在巖體裂隙中的流動(dòng)機(jī)理v水泥漿液在巖體裂隙內(nèi)的沉積排水機(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裂隙巖體注漿所用的水泥漿液的水灰比水灰比多在多在15之間，水泥水化大之間，水泥水化大約需約需525水（一般為水泥重量的水（一般為水泥重量的25左右），而其余的左右），而其余的7595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，粒載運(yùn)到預(yù)定地點(diǎn)后，多余的水分就應(yīng)排除多余的水分就應(yīng)排除。而這些多余的水分是以怎樣的方式排除呢而這些多余的水分

31、是以怎樣的方式排除呢?目前有兩種認(rèn)識(shí)，即目前有兩種認(rèn)識(shí)，即“固固結(jié)排水結(jié)排水”和和“流動(dòng)沉積流動(dòng)沉積”理論。理論。11.5.2 水泥漿液在巖體裂隙中的流動(dòng)機(jī)理水泥漿液在巖體裂隙中的流動(dòng)機(jī)理固結(jié)排水理論固結(jié)排水理論德國(guó)的德國(guó)的庫(kù)茨納爾庫(kù)茨納爾認(rèn)為：注漿過程分為認(rèn)為：注漿過程分為“填滿填滿”與與“飽和飽和”兩個(gè)階段。兩個(gè)階段。在在填滿階段填滿階段，漿液進(jìn)入并充填了裂隙的絕大部分，在，漿液進(jìn)入并充填了裂隙的絕大部分，在飽和階段飽和階段，漿，漿液中的多余水分在液中的多余水分在飽和壓力飽和壓力（最高壓力）下產(chǎn)生類似于太沙基的（最高壓力）下產(chǎn)生類似于太沙基的土土力學(xué)固結(jié)力學(xué)固結(jié)現(xiàn)象而被排出，使水泥顆粒彼此

32、接近?，F(xiàn)象而被排出，使水泥顆粒彼此接近。但對(duì)于但對(duì)于堅(jiān)硬和透水性差堅(jiān)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的巖石，很難用固結(jié)排水理論解釋水泥漿的排水機(jī)理。排水機(jī)理。11.5.2 水泥漿液在巖體裂隙中的流動(dòng)機(jī)理水泥漿液在巖體裂隙中的流動(dòng)機(jī)理流動(dòng)沉積理論流動(dòng)沉積理論漿液進(jìn)入巖縫后漿液進(jìn)入巖縫后流動(dòng)速度流動(dòng)速度和和壓力壓力是隨離開鉆孔的距離而迅速降低。是隨離開鉆孔的距離而迅速降低。當(dāng)漿液在裂隙內(nèi)的當(dāng)漿液在裂隙內(nèi)的流速流速降低到某一降低到某一臨界值臨界值時(shí)，水泥顆粒在時(shí)，水泥顆粒在重力重力作用作用下首先在臨界流速處陸續(xù)向底部沉落。下首先在臨界流速處陸續(xù)向底部沉落。沉積的結(jié)果使?jié)B漿斷面縮小，

33、注漿壓力和漿液流速都發(fā)生變化。多沉積的結(jié)果使?jié)B漿斷面縮小，注漿壓力和漿液流速都發(fā)生變化。多余水分在沉積層頂部微小的縫隙內(nèi)以清水形式流到遠(yuǎn)方，直至裂隙余水分在沉積層頂部微小的縫隙內(nèi)以清水形式流到遠(yuǎn)方，直至裂隙完全填滿為止。完全填滿為止。沉積理論沉積理論忽視漿液在注漿過程中向周圍裂隙排水的作用，它很難解忽視漿液在注漿過程中向周圍裂隙排水的作用，它很難解釋在重力條件下沉積時(shí)，水灰比越大，釋在重力條件下沉積時(shí)，水灰比越大，結(jié)石重度結(jié)石重度和和力學(xué)強(qiáng)度力學(xué)強(qiáng)度就越小就越小的問題。的問題。11.5.3 裂隙巖體的劈裂注漿裂隙巖體的劈裂注漿v假定巖石是各向同性、均勻連續(xù)的線彈性體，在鉆孔壁假定巖石是各向同性

34、、均勻連續(xù)的線彈性體，在鉆孔壁面處發(fā)生水力劈裂的條件：面處發(fā)生水力劈裂的條件：垂直劈裂垂直劈裂水平劈裂水平劈裂 hKNhpt002)1 (1hNhpt1)1 (1011.5.3 裂隙巖體的劈裂注漿裂隙巖體的劈裂注漿v不少不少完整巖石完整巖石抗拉強(qiáng)度都大于抗拉強(qiáng)度都大于7.89.8 MPa，一般巖體內(nèi)，一般巖體內(nèi)注漿壓力都不超過注漿壓力都不超過5.97.8 MPa，因此，完整巖石很難發(fā)，因此，完整巖石很難發(fā)生水力劈裂。生水力劈裂。v而在而在裂隙巖體裂隙巖體內(nèi)注漿時(shí)，由于裂隙巖體存在不同形式的軟內(nèi)注漿時(shí)，由于裂隙巖體存在不同形式的軟弱面，強(qiáng)度很低，容易在較低壓力下首先劈裂并導(dǎo)致巖層弱面，強(qiáng)度很低，

35、容易在較低壓力下首先劈裂并導(dǎo)致巖層的變形，壓力在的變形，壓力在 2.06.0 MPa以下就出現(xiàn)巖層表面上抬或以下就出現(xiàn)巖層表面上抬或耗漿量突然增加。耗漿量突然增加。軟弱面軟弱面和和軟弱層軟弱層的存在控制著劈裂的發(fā)生和發(fā)展。的存在控制著劈裂的發(fā)生和發(fā)展。11.5.3 裂隙巖體的劈裂注漿裂隙巖體的劈裂注漿v裂隙巖體內(nèi)注漿，裂隙巖體內(nèi)注漿，注漿壓力低注漿壓力低、漿液流速小，漿液在裂隙內(nèi)、漿液流速小，漿液在裂隙內(nèi)以以滲透滲透和和充填充填為主。為主。v當(dāng)采用當(dāng)采用高壓注漿高壓注漿時(shí)，裂隙巖體的節(jié)理和裂隙被不同程度地時(shí)，裂隙巖體的節(jié)理和裂隙被不同程度地?cái)U(kuò)擴(kuò)張張，使巖層發(fā)生上抬現(xiàn)象，即，使巖層發(fā)生上抬現(xiàn)象，即壓力擴(kuò)縫效應(yīng)壓力擴(kuò)縫效應(yīng)。v壓力擴(kuò)縫壓力擴(kuò)縫的的實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì)是由于流體在縫隙內(nèi)流動(dòng)給兩壁巖體以是由于流體在縫隙內(nèi)流動(dòng)給兩壁巖體以壓縮壓縮應(yīng)力應(yīng)力（擴(kuò)張