巖土注漿技術(中國地質(zhì)大學)

1、巖土注漿技術第一節(jié) 注漿模式  一、靜壓注漿         靜壓注漿（也稱為灌漿）按灌漿理論可分為滲透灌漿、劈裂灌漿和壓密灌漿三種。 （ 1 ）滲透灌漿         滲透灌漿是指在壓力作用下，漿液填充土的孔隙和巖石的裂隙，排擠出孔隙和裂隙中的水和氣體，而基本上不改變土和巖石的結(jié)構(gòu)和體積，所用壓力相對較小。滲透灌漿一般只使用于中砂以上的砂性土和有裂隙的巖石，這種滲透注漿是建筑上最常適用的一種注漿類型。具有代表性的滲透灌漿理論有球形擴散理論和柱

2、形擴散理論。 （ 2 ）劈裂灌漿          劈裂灌漿是指在壓力作用下，將漿液克服地層的初始應力和抗拉強度，引起巖石和土體結(jié)構(gòu)的破壞和擾動，使其沿垂直于小主應力的平面劈裂，使地層中原有的裂隙或孔隙張開，或形成新的裂隙或孔隙，漿液的可灌性和擴散半徑增大，而所用的壓力相對較大。注漿壓力的選用應根據(jù)土質(zhì)及其埋深確定。 （ 3 ）壓密灌漿          壓密灌漿是指通過鉆孔在土中注入極濃的漿液，在注漿點使土體壓密，在注漿管端部形成漿泡，漿泡一般

3、為球形或圓柱形。隨著漿泡尺寸的逐漸增大，便產(chǎn)生較大的上抬力而使地面抬動，常用此法調(diào)整地基的不均勻沉降。研究表明，向外擴張的漿泡在土體中引起復雜的徑向和切向應力體系。緊靠漿泡處土體遭到嚴重破壞和剪切，并形成塑性變形區(qū)；離漿泡較遠的土體則基本上發(fā)生彈性變形。壓密灌漿常用于中砂地層和有適宜排水條件的粘土層。         實踐證明，幾種灌漿機理在實際施工中有可能單獨發(fā)生，也有可能兩種或兩種以上同時發(fā)生。嚴格地說，純粹的滲透灌漿僅發(fā)生在極其特殊的情況下，而實際施工中往往會伴隨劈裂、壓密等作用。 二、噴射注漿   

4、;       噴射注漿比常規(guī)注漿體現(xiàn)了更大的優(yōu)越性，利用噴射注漿可形成經(jīng)濟型的防滲帷幕。注漿從底部向上進行，水和空氣在非常高的壓力下從彼此隔開的精密噴嘴中噴射出，在高壓射流作用下，土層顆粒與注漿材料混合，形成復合體。目前處理深度已經(jīng)成功地超過 40m 。          噴射注漿有三種方法，即圓柱注漿、嵌板注漿和翼板注漿。圓柱注漿是噴射管上升、回轉(zhuǎn)的同時形成圓柱，通過圓柱的部分重疊就能產(chǎn)生一個屏障。嵌板注漿是當噴漿管上升時噴射，但只在垂直面內(nèi)，互相連接

5、的嵌板形成具有低滲透率的隔離。翼板注漿使用兩個噴嘴，但不回轉(zhuǎn)，可形成一個扇形注漿區(qū)。譬如旋噴樁法（日本稱 CCP 工法）是應用鉆機將鉆桿下端裝有特殊噴嘴的鉆頭鉆到預定深度后，用高壓泵把配制好的漿液通過鉆桿經(jīng)由噴嘴轉(zhuǎn)換成高壓高速射流，將土顆粒切削破壞，漿液和土顆粒混合，并逐漸凝固和硬化。鉆桿以一定速度旋轉(zhuǎn)和提升，同時噴射漿液，從而在土層中形成圓柱固結(jié)體旋噴樁。 三、爆破注漿          爆破注漿是用炸藥在注漿孔中爆破，使巖層增加網(wǎng)狀裂隙并溝通原有裂隙，以增大漿液的擴散半徑，實現(xiàn)少孔注漿，提高堵水效果。這種新工藝

6、由美國首先研究成功。它適用于巖層裂隙不發(fā)育，有足夠強度的脆性巖石。 四、電動化學注漿          如果土層的滲透系數(shù)小于 10 -4 cm /s ，只靠一般的靜壓力難于使?jié){液注入土的空隙，此時用電滲透法比較有效。電動化學注漿就是把帶孔的注漿管作為陽極，一定距離的濾水管作為陰極，將注漿液從陽極壓入土中，并通以直流電，在電滲作用下，孔隙水由陽極流向陰極，促使通電區(qū)域中的含水量降低，并形成滲流通道，漿液也隨之流入土的孔隙中，并在土中凝結(jié)硬化。 第二節(jié) 注漿液性能及其設計    

7、0;      以改良地基為目的，在地基中注入的材料稱為注漿材料，廣義上講，凡是一種流體在一定條件下可以變?yōu)楣腆w的物質(zhì)，均可作為注漿材料。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，工程的需要，近年來出現(xiàn)不少比較理想的注漿材料，供不同地質(zhì)條件下選用。原材料包括主劑（可能是一種或幾種）和助劑（可能沒有，也可能是一種或幾種），助劑可根據(jù)它在漿液中的作用，分為固化劑、催化劑、速凝劑、緩凝劑和懸浮劑等。           注漿材料品種很多，性能也各不相同，但是作為注漿材料，應有一些共同的性

8、質(zhì)，一種理想的注漿材料，應該滿足以下要求： （ 1 ）漿液粘度低、流動性好、可注性好，能夠進入細小縫隙和粉細砂層； （ 2 ）漿液凝固時間能夠在幾秒至幾小時內(nèi)任意調(diào)節(jié)，并能準確控制； （ 3 ）漿液固化時體積不收縮，能牢固粘結(jié)砂石； （ 4 ）漿液結(jié)石率高，強度大； （ 5 ）漿液無毒、無臭，不污染環(huán)境，對人體無害，屬非易燃、易爆物品。          最早用于注漿的材料，是石灰和粘土。 1864 年開始使用水泥注漿。它們均是顆粒性材料，難于充填細小裂隙和充塞砂層。水泥漿液凝結(jié)時間長。 1900 年荷蘭采礦工程師

9、尤斯登發(fā)明了水玻璃氯化鈣溶液，這是化學注漿的開始。          20 世紀 50 年代，美國發(fā)明以丙烯酰胺為主劑的有機化學注漿材料 AM-9 。其凝固時間可準確控制。這是發(fā)展注漿材料的重要飛躍。          我國于 1965 年前，基本采用單液水泥注漿法。 1964 年研制成功 MG-646 新型化學漿液， 1967 年研制成功水泥水玻璃雙液注漿法。它同時具備水泥漿和化學漿液的優(yōu)點（水泥漿的強度，水玻璃的滲透性），又使兩者的

10、短處減小到不妨礙實用的程度，是一種各得其所的漿液。          注漿材料從 19 世紀初的原始材料開始到當今的有機高分子化合物漿液，前后經(jīng)歷了 170 多年的歷史，發(fā)展了近百種漿液材料。各種漿液各有特點及其適用范圍。雖然化學漿液較之水泥漿液更理想，擴大了注漿法應用范圍，但無論國內(nèi)或國外，化學漿液都比水泥漿液成本高、貨源少。所以，現(xiàn)在水泥仍然是注漿的主要材料。          水泥漿的主要缺點是顆粒問題，因為顆粒大，難以注入細小裂隙和空隙。針對此問題，一方面可

11、以減小水泥粒度，采用超細水泥，國外一般注漿用的水泥細度為 5000cm 2 /g ，有的達到 10 000 27 000cm 2 /g ，使其能注入 0.05 0 .09mm 的裂隙。另一方面可預先用化學漿液處理受注巖層，降低表面張力，起潤滑作用，使水泥易于注入。使用的化學溶液有水玻璃、苛性鈉等。            改進水泥性能，應致力于尋找新的水泥添加劑，研究出更好的水泥漿。英國 GEOSEAL-Z 型水泥添加劑，使水泥具有速凝、不沉淀、不收縮的作用。水泥漿中加入這種添加劑，使?jié){液產(chǎn)生奶油

12、狀粘性，水泥顆粒保持懸浮，無水析出，固結(jié)體強度均勻，體積不縮，保證飽滿地充填裂隙。             美國在水泥漿中加入一種高分子物質(zhì)和某些金屬鹽作為添加劑，使水泥具有觸變性，即在攪拌或泵注條件下，具有流動性，而當停止攪拌或泵注一段時間后，漿液粘度大幅度增加，變成不流動。             注漿材料分類方法很多，按漿液所處的狀態(tài)分為真溶液、懸浮液和乳化液；按工藝性質(zhì)

13、，可分為單漿液和雙漿液；按漿液顆?？煞譃榱顫{液和化學漿液；按漿液主劑性質(zhì)可分為無機系列和有機系列兩大類（圖 8-1 ）。 圖 8-1 注漿材料分類 一、漿液的性能 1、 漿液的滲入能力 （ 1 ）基本概念            漿液的滲入性是指漿液滲入縫隙中的能力，滲入性越好，漿液在一定壓力下的擴散距離就越大，或者只需用較小的灌漿壓力就能把漿液輸送至預定的距離。            漿液的滲入

14、能力受尺寸效應及流變效應的控制，但隨所用灌漿原理和漿材品種的不同，控制因素又分為下述幾種情況：            滲入性灌漿當采用粒狀漿材時，材料顆粒尺寸越小和漿液流動性越好，漿液滲入能力就越高；            滲入性灌漿當采用真溶液化學漿材時，漿液的滲入能力僅受漿液流動性的影響；            劈裂灌漿也受

15、上述規(guī)律的制約，但因被灌縫隙的尺寸和形式可能在灌漿過程中發(fā)生變化，故尺寸效應和流變效應的影響比較復雜。 （ 2 ）顆粒細度的影響            從尺寸效應出發(fā)，漿材顆粒的細度越高，滲入能力就越強。但細度越高，其比表面積也越大，在相同時間內(nèi)顆粒的水化程度和絮凝程度就越快，從而導致漿液變稠，粘度增加。這就說明，顆粒細度將導致相對矛盾的兩種效果，如果處理不當，對滲入能力和灌漿效果將造成不利的影響。 （ 3 ）流動性維持能力       

16、;     漿液的粘度在凝結(jié)前維持不變，就能使?jié){液在灌漿過程中維持同樣的滲入能力，然而除少數(shù)幾種漿液如丙凝外，大多數(shù)漿液的流動性都隨時間而變小，即漿液的粘度隨時間而增加，在理論計算中把漿液粘度視為常數(shù)將使計算結(jié)果出現(xiàn)誤差。            另外，在灌漿過程中，由于漿液受攪拌和摩擦等作用，其粘度變化將更明顯，例如把水泥漿連續(xù)攪拌和循環(huán)，漿液即逐漸變稠，出現(xiàn)“回濃”現(xiàn)象，粘度也大大增加。 （ 4 ）特殊條件       &#

17、160;    一般情況下，漿液滲入能力越強越有利于灌漿，但在某些特殊條件下，高滲入能力反而不利，在大孔隙地層中灌漿時，往往要采用流動性和維持能力較差的漿液，才能提高灌漿質(zhì)量和降低施工成本。在地下水流速較大的地層，除采用上述漿液外，還常需采取兩項措施：其一，摻入促進劑以加速漿液的凝固過程；其二，若地層孔隙較大，還要在地層中投入石塊或級配砂石料，才能實現(xiàn)預期的灌漿目的。 2、漿液的穩(wěn)定性             對于化學漿材，穩(wěn)定性是指它在常溫常壓下存放時，

18、是否會發(fā)生強烈的化學反應和改變其基本性質(zhì)。對于粒狀漿材，除化學穩(wěn)定性，尚包含下面兩個意義。 （ 1 ）顆粒沉淀分層性             水泥漿和水泥砂漿等是一種不穩(wěn)定的懸浮體系，其顆粒極易在水溶液中沉淀分層，粘土漿則是比較穩(wěn)定的懸浮體系，有些高塑性粘土和膨潤土甚至能用較低的濃度制成穩(wěn)定性很高的漿液，粘土水泥混合漿的穩(wěn)定性介于上兩種漿液之間。             在灌漿過程中，當漿液在縫隙中的流動速度減慢或完

19、全終止流動，以及攪漿機因故暫停工作時，粒狀漿材的顆粒將發(fā)生沉淀分層，使?jié){液的均勻性降低，流動性變壞或完全喪失。因此，穩(wěn)定性較差的漿液可能帶來下述對灌漿工程極為不利的后果：顆粒沉積后使?jié){體底部的密度變?yōu)樽畲?，上部最小，結(jié)石強度亦按此規(guī)律分布；易造成包括灌漿機具管路和地層縫隙等灌漿通道的堵塞，尤其是在卵礫石地層，由于孔隙縱橫交錯和凹凸不平，不穩(wěn)定漿液很容易將某些滲流斷面縮小或填滿， 通道被堵塞后，將導致灌漿過程的過早結(jié)束，或者要采取特殊措施如用水沖洗通道或施加更大的灌漿壓力，才能恢復正常的灌漿。 （ 2 ）析水性          

20、60;  隨著固體顆粒的下沉，漿液中的水將被析出并向漿液頂端上升，這種析水機理可用斯脫克定律表達如下：                                             

21、0;             （ 8-1 ）               式中： q 起始析水速度； d m 懸液中水泥顆粒的當量圓球直徑； 水的運動粘度； c 水泥的密度； w 水的密度； W 漿液的水灰比， W =1 。              從式（ 8-1 ）

22、可以看出，漿液水灰比是影響析水率的主要因素，研究證明，當水灰比為 1.0 時，水泥漿的最終析水率可高達 20% 。由于漿液析出，也可能造成下述幾種后果：              由于析水與顆粒沉淀現(xiàn)象是伴生的，所以析水的結(jié)果也將導致漿液流動性變差，造成機具和灌漿通道的堵塞，并使結(jié)石強度均勻性降低。              若析水作用發(fā)生在灌漿結(jié)束之后，則可能在灌漿體的頂部造成空穴，如

23、不進行補灌，將使灌漿效果降低。                但是，由于水泥顆粒凝結(jié)所需的水灰比僅為 0.25 0.45 ，大大小于灌漿時所用的水灰比，因而只有把多余水分盡量排走，才能使灌漿體獲得必要的強度。沉淀析水也是滲入性灌漿的一種理論依據(jù)。因此，如果析水現(xiàn)象發(fā)生在適當?shù)臅r刻且有漿液補充由析水形成的空隙，則漿液的析水現(xiàn)象不但無害，甚至是必需的。 3、結(jié)石率         

24、       結(jié)石率是指漿液凝固后結(jié)石體積 V s 與漿液最初體積 V 0 之比，以百分數(shù)表示。如果結(jié)石率大于 1 ，則結(jié)石體膨脹；如果結(jié)石率小于 1 ，則結(jié)石體收縮。在強度指標得到滿足的條件下，結(jié)石率越高，加固效果就越好，然而由于種種原因，不少漿材都難以達到理想的結(jié)石率。 （ 1 ）析水沉淀                析水沉淀現(xiàn)象是導致結(jié)石率降低的重要原因之一，這里不再贅述。降低漿液含水量和在漿液中摻

25、入高塑性粘土等，可減少這種不利影響。 （ 2 ）體積收縮              有些漿液例如丙凝，因含水量太多，凝固后若處于干燥條件下，凝膠將產(chǎn)生不同程度的收縮。雖然干縮后再浸水又會使凝膠膨脹，但在體積變化過程中可能在凝膠體內(nèi)產(chǎn)生裂縫。因此，這類漿液不宜在干燥環(huán)境中應用。             有些漿液例如硅凝膠，即便在潮濕狀態(tài)下也會發(fā)生一定的收縮。但這種收縮不

26、屬于干縮，也不是水或有害化學劑對硅膠的溶蝕，而是由于硅膠中的硅離子發(fā)生縮聚作用而把自由水從硅膠中擠出的結(jié)果，這種作用被稱為脫水收縮，其結(jié)果將使灌漿效果降低。              有些高分子聚合體的收縮性很高，例如甲凝的收縮率高達 15% 20% 。這是因為甲凝漿液的主要成分是甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸丁酯，在引發(fā)劑過氧化苯甲酰和促進劑二甲基苯胺等的作用下，各單體分子逐步組成聚合鏈，分子間距也隨之縮短，從而引起較大的收縮。      

27、;        但據(jù)研究，高分子聚合物的這種體縮僅出現(xiàn)在聚合過程中，漿液一旦凝固，聚合物的體積就不再發(fā)生變化，而且漿液在收縮過程中，其密度也相應地增加。              關于水泥漿材，有人認為結(jié)石略有收縮，有的試驗結(jié)果證明，不管結(jié)石是用壓力成型還是自由沉降成型，只要在水中養(yǎng)護，不但不發(fā)生收縮，反而略有膨脹。 4、力學強度         

28、0;    巖土加固灌漿的實質(zhì)在于： 改良被灌介質(zhì)的現(xiàn)有性質(zhì)； 從根本上 改變被灌介質(zhì)的物理化學狀態(tài)，從而在被灌范圍內(nèi)產(chǎn)生一種新的物質(zhì)。              灌漿之所以能達到上述目的，主要依靠下述三種作用：              （ 1 ）化學膠結(jié)作用 不管是水泥漿或化學漿，都具有能產(chǎn)生膠結(jié)力的化學反應，把分開的巖石或

29、土連結(jié)在一起，從而使巖土的整體結(jié)構(gòu)得到加強。              （ 2 ）惰性填充作用 填充在巖石裂隙及土孔隙中的漿液凝固后，因其具有不同程度的剛性而能改變巖層及土體對外力的反應機制，使巖土的變形受到約束。              （ 3 ）離子交換作用 漿液在化學反應過程中，某些化學劑能與巖土中的元素進行離子交換，從而形成具有更加優(yōu)良性質(zhì)的新材料

30、。                漿材強度越高，自然加固效果越好，但根據(jù)灌漿實踐經(jīng)驗及室內(nèi)試驗研究可知，被灌介質(zhì)強度的增減是一種受多種因素制約的復雜的物理化學過程，灌漿材料本身的性質(zhì)固然是很重要的因素，還需有各方面的配合才能得到比較理想的加固效果。 5、 耐久性               在某些條件下，灌漿體的結(jié)構(gòu)將遇到破壞，力學強度將逐漸降低，從而使灌漿

31、效果降低甚至變得無效，因而漿材的耐久性也是一個重要課題，下面分幾方面來敘述。 （ 1 ）養(yǎng)護條件             處于潮濕環(huán)境或在無壓水下養(yǎng)護時，多數(shù)灌漿體的結(jié)構(gòu)和強度都比較穩(wěn)定或有所提高；在干燥條件下，由于漿體水分的損失，導致體積的縮小和密度的提高，有些材料的強度將明顯地增長；但在反復干濕循環(huán)條件下，由于灌漿體結(jié)構(gòu)遭到破壞，其強度將呈現(xiàn)連續(xù)下降趨勢。 （ 2 ）水壓力作用            

32、有些漿材，例如水泥灌漿體，當長期承受水壓力作用時，結(jié)石中的氧化鈣可能被溶解和帶走，晶體結(jié)構(gòu)因而破壞，從而使結(jié)石強度降低。             研究資料表明，當水泥石中的氧化鈣被溶出 25% 時，其強度將損失 50% 。有人以此作為灌漿體破壞的標準，推導出灌漿體的壽命為                    

33、;                                  (8.2)              式中 ： T 灌漿體中的氧化鈣被溶出 25% 的時間，（年）； W 每立

34、方米灌漿體中的水泥量， kg/m 3 ； b 灌漿體承受水壓力的厚度， m ； K 灌漿體的滲透系數(shù)， m/ 年； J 水力比降； C 1 水泥中水化鋁酸四鈣的極限氧化鈣濃度， C 1 =1.08kg/m 3 ； C 2 水泥中水化鋁酸三鈣的極限氧化鈣濃度， C 2 =0.56kg/m 3 。               從上式可以看出，影響灌漿體耐久性的因素主要有二，一為結(jié)石承受的滲透壓力，壓力越大，壽命就越短；二為灌漿體自身的質(zhì)量，在滲透壓力相同的條件下，結(jié)石越密實和滲透

35、性越小，壽命就越長。 （ 3 ）化學侵蝕              自然界水中含有數(shù)十種化學離子成分，其中 Cl - 、 SO4 2- 、 HCO3 - 、 K + 、 Na + 、 Mg 2+ 、 Ca 2+ 等七種離子分布最廣，當水泥灌漿體處在這些地下水環(huán)境中時，將產(chǎn)生各種類型的侵蝕作用，其中以下述兩種侵蝕最為有害：             溶出性侵蝕 有害化學離子將使水泥

36、石中的水化硅酸鈣分解，不斷析出 CaO ，并導致結(jié)石強度的降低。              硫酸鹽侵蝕 含硫酸鹽的礦物水與水泥結(jié)石中的石灰作用時，將生成石膏。在 SO4 2- 離子較多的環(huán)境水中，石膏將結(jié)晶膨脹，并導致水泥結(jié)石的破壞。此外， SO4 2- 還能與水泥石中的鋁酸三鈣反應生成硫鋁酸鈣晶體（水泥桿菌），其體積比原參加反應的固相物質(zhì)的體積增大很多，也將在結(jié)石中產(chǎn)生內(nèi)應力而使結(jié)石結(jié)構(gòu)破裂。因此，水泥中的 C3A 含量愈多，硫酸鹽侵蝕性就愈大。 二、注漿液設計  

37、;            選擇注漿材料時，應考慮巖土性質(zhì)、水文地質(zhì)條件、工程要求、原料供應及施工成本諸因素。            （ 1 ）在基巖裂隙含水層中注漿，需漿量大，且開鉆井筒，要求漿液有較高的強度。所以一般采用水泥漿液或水泥水玻璃漿液。             （ 2

38、 ）在松散含水層中注漿，粗砂可采用水泥水玻璃漿液。對于中砂、細砂、粉砂，砂質(zhì)粘土以及細小裂隙，由于水泥等顆粒性材料難以注入，應采用化學漿液，如丙烯酰胺、聚氨酯、脲醛樹脂等。             （ 3 ）處理巖溶、斷層、破碎帶或突水事故，應先充注惰性材料，如砂子、爐渣、巖粉、礫石等，后注水泥水玻璃漿液，如此較經(jīng)濟合理。             （ 4 ）無機硅酸鹽材料，如水泥、水玻璃

39、等，源多價廉，是基本注漿材料，應優(yōu)先選用。              化學漿液具有粘度小，可控制凝膠時間的特點，是松散含水層不可缺少的材料，但價格昂貴，只在必須采用化學漿液條件下才采用?，F(xiàn)將各種注漿材料的適用范圍列于表 8-1 。各種注漿材料的基本性能、成分、成本及適用范圍比較見表 8-2 。               （ 5 ）對滲入性灌漿工藝，漿液必須滲入土的孔隙，即所用

40、漿液必須是可灌的，這是一項最基本的技術要求，不滿足它就談不上灌漿；但若采用劈裂灌漿工藝，則漿液不是向天然孔隙中滲入，而是向被較高灌漿壓力擴大了的孔隙滲入，因而對可灌性的要求就不如滲入性灌漿那么嚴格。              （ 6 ）一般情況下，漿液應具有良好的流動性和流動性維持能力，以便在不太高的灌漿壓力下獲得盡可能大的擴散距離；但在某些地質(zhì)條件下，例如地下水的流速較高和土的孔隙尺寸較大時，往往要采用流動性較小和觸變性較大的漿液，以免漿液擴散至不必要的距離和防止地下水對漿液的稀釋及

41、沖刷。               （ 7 ）漿液的析水性要小，穩(wěn)定性要高，以防在灌漿過程中或灌漿結(jié)束后發(fā)生顆粒沉淀和分離，并導致漿液的可泵性、可灌性和灌漿體的均勻性大大降低。                （ 8 ）對防滲灌漿而言，要求漿液結(jié)石具有較高的不透水性和抗?jié)B穩(wěn)定性；若灌漿目的是加固地基，則結(jié)石應具有較高的力學強度和較小的變形性。與永久性

42、灌漿工程相比，臨時性工程對所述要求較低。                 （ 9 ）制備漿液所用原材料及凝固體都不應具有毒性，或者毒性盡可能小，以免傷害皮膚、刺激神經(jīng)和污染環(huán)境。某些堿性物質(zhì)雖然沒有毒性，但若流失在地下水中也會造成環(huán)境污染，故應盡量避免這種現(xiàn)象。                 （

43、10 ）有時漿材尚應具有某些特殊的性質(zhì)，如微膨脹性、高親水性、高抗凍性和低溫固化性等，以適應特殊環(huán)境和專門工程的需要。                 （ 11 ）不論何種灌漿工程，所用原材料都應就近取材，而且價格盡可能低，以降低工程造價。但在核算工程成本時，應把耗費量與總體效果綜合起來考慮，例如有些化學漿材雖然單價較高，卻因其強度較高和穩(wěn)定性較好，常可把灌漿體做得更薄或更淺。      

44、0;         （ 12 ）關于漿液的凝結(jié)時間，要注意幾個問題：         漿液的凝結(jié)時間變幅較大，例如化學漿液的凝結(jié)時間可在幾秒鐘到幾小時之間調(diào)整，水泥漿一般為 3 4h ，粘土水泥漿則更慢，可根據(jù)灌漿土層的體積、滲透性、孔隙尺寸和孔隙率、漿液的流變性和地下水流速等實際情況決定。       漿液的凝結(jié)有初凝和終凝之分，但漿液的凝結(jié)時間并無嚴格定義。許多試驗室都是根據(jù)自己擬定的方法研究漿液的凝結(jié)時間，由

45、于標準不一，難于進行比較。           總地來說，漿液的凝結(jié)時間應足夠長，以使計劃注漿量能滲入到預定的影響半徑內(nèi)。當在地下水中灌漿時，除應控制注漿速率以防漿液被過分稀釋或被沖走外，還應設法使?jié){液能在灌注過程中凝結(jié)。           在進行漿液設計時尤應注意以下指標： 1 粘度             粘度是表示漿液流動時，因分子間相互作用產(chǎn)生的阻

46、礙運動的內(nèi)摩擦力。其單位為 Pa · s ?，F(xiàn)場常以簡易粘度計測定，以“秒”作單位。一般所稱的粘度，系指漿液配成時的初始粘度。粘度大小影響漿液擴散半徑；影響注漿壓力、流量等參數(shù)的確定。              漿液在固化過程中，粘度變化有兩種類型： （ 1 ）一般漿液材料，如單液水泥漿、環(huán)氧樹脂類、鉻木素等，粘度是逐漸增加，直至最后固化，漿液擴散的過程也是粘度增長的過程。 （ 2 ）丙烯酰胺類漿液。凝膠前，雖聚合已開始，但粘度不變，到凝膠發(fā)生，粘度突變，頃刻形成固

47、體，有利于注漿。 2 滲透能力                滲透能力即滲透性，指漿液注入巖層的難易程度。對于懸濁液，滲透能力取決于顆粒大??；對于溶液，則取決于粘度。顆粒注漿滲透入地層的能力取決于懸浮材料的顆粒尺寸，這就必須要求漿液的顆粒比需要充填的空洞要小。                根據(jù)試驗，砂性土孔隙直徑（

48、D ）必須大于漿液顆粒直徑（ d ）的 3 倍以上漿液才能注入，即：                                               

49、;                          (8-3)               式中： K - 注入系數(shù)。         &

50、#160;   據(jù)此，國內(nèi)標準水泥，粒徑 0.085mm ，只能注入到 0.255mm 的孔隙或粗砂中。凡水泥不能滲入的中、細、粉砂層，只能用化學漿液。 3 凝膠時間             凝膠時間是指參加反應的全部成分從混合時起，直到凝膠發(fā)生，漿液不再流動為止的一段時間。其測定方法，凝固時間長的用維卡儀，一般漿液通常采用手持玻璃棒攪拌漿液，以手感覺不再流動或拉不出絲為止，來測定凝固時間。 4 滲透系數(shù)         &#

51、160;   滲透系數(shù)是指漿液固化后結(jié)石體透水性的高低，或表示結(jié)石體抗?jié)B性的強弱。 5 抗壓強度              注漿材料自身抗壓強度的大小，決定了材料的使用范圍。大者可用以加固，小者則僅能堵水。在松散砂層中，漿液與介質(zhì)凝結(jié)之結(jié)石體強度，對于流砂中鉆井是至關重要的。               表 8-3 是幾種注漿材

52、料的主要性能指標，以供選擇。 第三節(jié) 灌漿標準的確定 一、灌漿標準           所謂灌漿標準，是指設計者要求地基灌漿后應達到的質(zhì)量指標。所用灌漿標準的高低，關系到工程量、進度、造價和建筑物的安全等問題。 （一）設計標準           設計標準涉及的內(nèi)容較多，而且工程性質(zhì)和地質(zhì)條件千差萬別，灌漿的目的和要求各不相同，因而很難規(guī)定一個比較具體和統(tǒng)一的準則，只能根據(jù)具體情況作出具體的規(guī)定。下面僅提出幾點與確定

53、灌漿標準有關的原則和方法。 1、防滲標準            防滲標準是指滲透性的大小。防滲標準越高，表明灌漿后地基的滲透性越低，灌漿質(zhì)量也就越好，因為滲透性越小，地下水在介質(zhì)中的流速越低，地基上發(fā)生管涌破壞的可能性就越小。但是，防滲標準越高，灌漿技術的難度就越大，一般灌漿工程量及造價也越高。因此，防滲標準不應是絕對的，每個灌漿工程都應根據(jù)自己的特點，通過技術經(jīng)濟的比較，確定一個相對合理的指標。原則上，對比較重要的建筑，對滲透破壞比較敏感的地基都要求采用較高的標準。   &

54、#160;        在砂或砂礫石層中，防滲標準多用滲透系數(shù)表示。對比較重要的防滲工程，多要求把地基滲透系數(shù)降至 10 - 4 10 - 5 cm /s 以下，對臨時性工程或允許出現(xiàn)較大滲漏量而又不致發(fā)生滲透破壞的地層，也有采用 10 - 3 cm /s 數(shù)量級的實例。            在巖石地基中，我國多采用單位吸水量 作為準則。在水利水電建設工程中防滲標準多采用 =0.01 0.03 ，在特殊情況下可能有更高的要求。 單位吸水量是用

55、鉆孔壓水試驗方法求得，其計算式為：                                                 

56、0;                                           （ 8-4 ）       &

57、#160;    式中： 地層的單位吸水量， L/m/m/min ； Q 地層的總吸水量， L ； L 壓水試驗段長（ m ）； H 壓水壓力， m ； t 試驗時間， min 。              現(xiàn)場試驗資料證明，單位吸水量與滲透系數(shù)之間存在著如下式關系：                

58、                                                    

59、60;            （ 8-5 ）              例如當 =0.01 時， k =1.5 × 10 -5 cm /s ； =0.1 時， k =1.5 × 10 -4 cm /s 。由此可知，不論在巖基或在砂礫石地基中，所用的防滲標準基本上是一致的。 2、強度和變形問題        &

60、#160;    由于灌漿目的、要求和各工程的具體條件千差萬別，不同的工程只能根據(jù)自己的特點來規(guī)定強度和變形要求，如有的是為了增加摩擦樁的承載力，主要應沿樁的周邊灌漿，以提高界面間的粘聚力；支承樁則在樁底灌漿以提高土的抗壓強度和變形模量；為了減少拱壩基礎的不均勻變形，僅需在壩下游基礎受壓部位進行固結(jié)灌漿，以提高基礎的變形模量，而無需在整個壩基灌漿；對于振動基礎，有時灌漿目的是為了改變地基的自然頻率以消除共振條件，因而不一定需用強度較高的漿材；為了減小擋土墻的土壓力，則應在墻背后至滑動面附近的土體中灌漿，以提高土的容重和滑面的粘結(jié)強度等等。（二）終結(jié)標準  

61、0;          注漿初期，孔的吸漿量大，利用其凝固時間可以控制擴散范圍，以降低材料消耗和提高灌注效果。隨著注漿的進行，孔的吸漿率下降，到注漿后期可采用單液水泥漿，以保證裂隙充堵效果。注漿結(jié)束的標準隨漿液材料、注漿工藝和設備的改進、巖石裂隙的不同而變化。目前用兩個指標表示：一是注漿壓力達到設計終壓值并保持 20min 以上；二是最終吸漿量小于設計規(guī)定值。             注漿中應定時觀測、記錄注漿壓力和

62、注入量，繪制 T - P - Q 曲線。根據(jù)曲線分析判斷注漿工作是否正常，如有異狀需進行處理或調(diào)節(jié)。              由于漿液的擴散能力與灌漿壓力的大小密切相關，所以不少人傾向于采用較高的灌漿壓力，在保證灌漿質(zhì)量的前提下，使鉆孔數(shù)盡可能減少。高灌漿壓力還能使一些微細孔隙張開，有助于提高可灌性。當孔隙中被某種軟弱材料充填時，高灌漿壓力能在充填物中造成劈裂灌注，使軟弱材料的密度、強度和不透水性等得到改善。此外，高灌漿壓力還有助于擠出漿液中的多余水分，使?jié){液結(jié)石的強度提高。但是，當灌漿壓力超

63、過地層的壓重和強度時，將有可能導致地基及其上部結(jié)構(gòu)的破壞，因此，一般都以不使地層結(jié)構(gòu)破壞或僅發(fā)生局部的和少量的破壞，作為確定地基允許灌漿壓力的基本原則。安全最大壓力取決于覆蓋層的重量、地層的強度、原地的應力和孔隙水壓力、鉆孔深度、位置及灌漿次序等。無論怎樣，這些因素和安全最大注漿壓力之間沒有簡單的關系，還需要繼續(xù)研究。               達到注漿結(jié)束標準后，需壓入一定量的清水把管路中的漿液全部壓入地層裂隙。然后關閉注漿閥，停 20 30min 使?jié){液凝結(jié)后

64、，將注漿管（雙液注漿時的內(nèi)管）和止?jié){塞上提一段，然后壓水沖洗管路至孔口返回清水為止。最后提出注漿器，拆除管路和設備。             灌漿效果一般都用鉆孔壓力（注水）試驗和鉆孔取樣進行物理力學性能試驗來評價，這些方法雖然行之有效，但需要增加不少鉆孔量。下面補充幾種比較簡便的方法。   1 .   耗灰量分析方法           

65、0;  由于灌漿一般是按逐漸加密法進行的，用水泥灌漿時孔段耗灰量應隨加密次序的增加而逐漸減少。若起始孔距布置正確，則第二次序孔的耗灰量將比第一次序孔大大減少，這是灌漿取得成效的標志之一。 2 雷達檢查             雷達透射儀可用來確定漿液的擴散范圍，其基本原理為：在兩個相鄰鉆孔中的同一高程上放置雷達透射儀，一個鉆孔發(fā)生脈沖，另一個鉆孔接收信號，由于灌漿材料吸收電磁輻射的能力很強，因而在灌漿地帶，雷達信號將大大衰減。據(jù)此就可知道該區(qū)的漿液充填情況。 3 射線檢測 &

66、#160;            本法設備簡單，施工迅速，具有足夠大的探測范圍，只要把 射線探針放入灌漿孔中，就能較快地測出砂礫石地基灌漿前后的密度變化，據(jù)此對灌漿效果作出判斷。 （三） 注漿過程的非標準（異常）現(xiàn)象              注漿過程往往并不按設計的標準進行。常見的異常事故是跑漿、串漿和堵塞管路。      

67、       注漿中發(fā)生注漿壓力突然下降，或壓力雖未明顯下降而吸漿量卻突然增大。說明漿液不在預定位置充塞，而是沿著某一大裂隙或溶洞，或壓破某一地層后，漏泄遠方。它不僅損失漿液，影響注漿效果，而且污染周圍環(huán)境。因此在設計時應有較完備的預防或處理措施，查明情況、區(qū)別對待。如調(diào)理漿液濃度，縮短凝固期，減小注漿壓力，或在漿液中增加惰性材料，采取分次復注等辦法處理。              串漿是指注漿孔間相互串通，可采取將串漿的孔口堵塞，繼續(xù)

68、注漿，或串漿兩孔同時注漿。為根本避免此等事故，采取鉆孔、注漿順序作業(yè)，鉆一孔、注一孔。              注漿過程遇有注漿泵壓力驟然下降，吸漿量迅速減小，可能是吸漿管或泵的低壓閥堵塞；當泵壓及孔口壓力均出現(xiàn)大幅度上升，吸漿量大幅度下降時，可能是混注器或注漿管發(fā)生堵塞。上述征兆，應分析原因、及時處理，以保證注漿工作正常進行。 二、 灌漿半徑的確定              漿液擴散半徑 r

69、是一個重要的參數(shù)，它對灌漿工程量及造價具有重要的影響，如果選用的 r 值不符合實際情況，將降低灌漿效果，甚至于導致灌漿失敗。             r 值可用理論公式估算，如選用參數(shù)接近于實際條件，則計算值具有參考價值。當?shù)鼗鶙l件較復雜或計算參數(shù)不易選準時，就應通過現(xiàn)場灌漿試驗來確定 。              現(xiàn)場灌漿試驗時，常采用三角形（圖 8-2 ）及矩形（

70、圖 8-3 ）布孔方法。           圖 8-2 三角形布孔 圖                              8-3 矩形或方形布孔 （ a ） 1- 灌漿孔； 2- 檢查孔；（ b ） 1- 序孔

71、；  （ a ） 1- 灌漿孔； 2- 試井； 3- 檢查孔              2- 序孔； 3- 序孔； 4- 檢查孔                 （ b ） 1-4- 第 次序孔； 5- 第 次序孔； 6- 檢查孔       

72、60;    灌漿試驗結(jié)束后，可通過下述方法對漿液擴散半徑進行評價： （ 1 ） 鉆孔壓水或注水，求出灌漿體的滲透性； （ 2 ） 鉆孔取樣品，檢查孔隙充漿情況； （ 3 ） 用大口徑鉆井或人工開挖豎井，用肉眼檢查地層充漿情況，并采取灌漿樣品供室內(nèi)進行試驗研究。第四節(jié) 常用注漿工法           任何灌漿工程都離不開鉆孔、注漿和效果檢查等幾部分。相對而言，鉆孔和效果檢查方法已比較成熟，注漿技術則問題較多，因為灌漿施工屬于隱蔽性工程，地層構(gòu)造復雜多變，灌漿理論不太成熟，灌

73、漿效果的好壞很大程度上取決于工程人員的經(jīng)驗。 一、砂礫石層灌漿方法           已在工程實踐中使用過的鉆孔灌漿方法主要有以下幾種。 1 打花管灌漿法            首先在地層中打入一下部帶尖頭的花管 圖 8-3(a) ，然后沖洗進入管中的砂土 圖 8-3(b) ，最后自下而上分段拔管灌漿 圖 8-3(c) 。此法雖然簡單，但遇卵石及塊石時打管很困難，故只適用于較淺的砂土層。灌漿時容易沿管壁冒漿，也是此法的缺點。 

74、0;            圖 8-3 打花管灌漿法                            圖 8-4 套管護壁灌漿法 2 套管護壁灌漿法       &

75、#160;     如圖 8-4 所示，邊鉆孔邊打入護壁套管，直至預定的灌漿深度 圖 8-4(a) ，接著下入灌漿管 圖 8-4(b) ，然后拔套管灌注第一灌漿段 圖 8-4(c) ，再用同法灌注第二段 圖 8-4(d) 及其余各段，直至孔頂，此法的缺點也是打管較困難，為使套管達到預定的灌漿深度，常需在同一鉆孔中采用幾種不同直徑的套管。 3 邊鉆邊灌法             如圖 8-5 所示，僅在地表埋設護壁管，而無需在孔中打入套管，自上而下

76、鉆完一段灌注一段，直至預定深度為止。鉆孔時需用泥漿護壁或較稀的漿液護壁。如砂礫層表面有粘性土覆蓋，護壁管可埋設在土層中 圖 8-5(a) ，如無粘土層則埋設在砂礫層中 圖 8-5(b) ，但后一種情況將使表層砂礫石得不到適宜的灌注。              邊鉆邊灌法的主要優(yōu)點是無需在砂礫層中打管，缺點也是容易冒漿而且由于是全孔灌漿，灌漿壓力難以按深度提高，灌漿質(zhì)量難以保證。 4 袖閥管法         

77、;     如圖 8-6 所示，此法為法國 Soletanche 公司所首創(chuàng)，故又稱 Soletanche 方法，于 20 世紀 90 年代開始廣泛用于國際土木工程界。在砂礫地基灌漿中，袖閥管法用得最多。                          圖 8-5 邊鉆邊灌法    &#

78、160;                                     圖 8-6 袖閥管法              

79、  袖閥管法施工工序分為下述四個步驟，見圖 8-7 。 （ 1 ） 鉆孔 通常都用優(yōu)質(zhì)泥漿，如膨潤土造漿； （ 2 ） 插入袖閥管 為使套殼料的厚度均勻，應設法使袖閥管位于鉆孔的中心 圖 8-7(b) ； （ 3 ） 澆注套殼料 用套殼料置換孔內(nèi)泥漿 8-7(c) ，澆注時應避免套殼料進入袖閥管內(nèi)，并嚴防孔內(nèi)泥漿混入套殼料中； （ 4 ） 灌漿 待套殼料具有一定強度后，在袖閥管內(nèi)放入帶雙塞的灌漿管進行灌漿 圖 8-7(d) 。 圖 8-7 袖閥管法施工程序             袖閥管法的主要優(yōu)點為：可

80、根據(jù)需要灌注任何一個灌漿段，還可以進行重復灌漿；可使用較高的灌漿壓力，灌漿時冒漿和串漿的可能性??；鉆孔和灌漿作業(yè)可以分開，使鉆孔設備利用率提高。             這一施工方法的缺點主要有：袖閥管被具有一定強度的套殼料膠結(jié)，難于拔出重復使用，耗費管材較多；每一個灌漿段長度固定為 33 50cm ，不能根據(jù)地層的實際情況調(diào)整灌漿段長度。 二、 裂隙巖石灌漿方法           &

81、#160; 巖石灌漿一般分為四個步驟： 鉆孔； 清洗鉆屑和巖石縫隙； 進行壓水試驗以獲得巖石滲透性資料； 注漿。             注漿方法較多，分類也不統(tǒng)一，國內(nèi)外用得較多的可分為三類： 1 自上而下孔口封閉分段灌漿法             此法的主要優(yōu)點為：全部孔段均能自行復灌，利于加固上部比較軟弱的巖層，而且免去了起下栓塞的工序，節(jié)省時間。缺點是多次重復鉆孔，使孔

82、內(nèi)廢漿較多。 2 自下而上栓塞分段灌漿法            此法雖然工序簡單，工效較高，但缺點較多，例如灌漿前的壓水資料不精確，在裂隙發(fā)育和較軟弱的巖層中容易造成串漿、冒漿和巖石上抬等事故，因而此法僅適用于裂隙不很發(fā)育和比較堅硬的巖層中。 3 自上而下栓塞分段灌漿法            栓塞易于堵塞嚴密，壓水資料比較準確，并能自上而下逐段加固巖石和減少漿液串冒和巖石上抬事故等，在地質(zhì)條件較差

83、的巖層中多采用此法。            鉆孔一般為垂直孔，若裂隙的傾角較大則可鉆斜孔以截取更多的裂隙。 灌漿一般采用純水泥漿?？紤]到巖層中往往同時存在著寬窄不同的裂隙，故國內(nèi)外灌漿規(guī)范多規(guī)定采用稀漿開始灌注，以防細裂隙被濃漿堵塞，然后根據(jù)具體情況逐步提高灌漿壓力和漿液濃度。            灌漿結(jié)束前，要用最大灌漿壓力閉漿 30 60min ，以排除灌入裂隙中漿液的多余水分。 第五節(jié) 常

84、用無機注漿材料 一、水泥漿材             水泥作為注漿材料具有強度高、耐久性好、無毒、材料來源廣、價格低廉等優(yōu)點。它是使用最早、應用最廣的注漿材料之一，一般注漿施工優(yōu)先選用普通水泥。在細裂隙和微孔地層中，其可灌性雖不如化學漿材好，但若采用劈裂灌漿原理，則不少弱透水地層都可用水泥漿進行有效的加固。因此，水泥漿在國內(nèi)外灌漿工程中一直是用途最廣和用量最大的漿材。以水泥為主包括添加一定量的外加劑，用水配制成漿液，采用單液方式注入，這樣的漿液稱為單液水泥漿。所謂外加劑，系指水泥的早強

85、劑、速凝早強劑、塑化劑、懸浮劑等。 1 純水泥漿的基本性能              所謂純水泥漿是指不包括附加劑，只有水泥和水調(diào)制而成的漿液，在室內(nèi)做了有關純水泥漿性能的試驗，其結(jié)果見表 8-4 。從試驗結(jié)果可以看出，隨著水灰比的增大，水泥漿的粘度、密度、結(jié)石率、抗壓強度等都有十分明顯的降低，初凝、終凝時間逐步延長。 2 外加劑             為了滿足實際工程需要，一般都要加入外加劑來

86、調(diào)節(jié)水泥漿的性能。 （ 1 ）水泥的速凝劑 它是一種能夠縮短水泥凝固時間的化學藥劑。水泥速凝劑的種類很多，有氯化鈣、食鹽、水玻璃、純堿、石膏、硫酸鈉、碳酸鉀、漂白粉等。復合特效速凝劑有紅星一號、陽泉 形和“ 711 ”型速凝劑。在一般情況下，水泥漿還是采用古老的辦法，即是在水泥漿中加入占水泥重量 5% 以下的氯化鈣或占水泥重量 3% 以下的水玻璃（水玻璃也是一種常用的速凝劑，加入量為 2% 3% 時，凝固期可縮短 30% 40% 。但如果加入量少于 2% ，則有延長初凝時間的作用），其作用原理見前面有關章節(jié)，這里不再贅述。在此只列出幾種外加劑的試驗效果，見表 8-5 。“ 711 ”型速凝劑起

87、速凝作用的主要成分是鋁酸鈉，它是氧化鋁與碳酸鈉在高溫作用下的產(chǎn)物。摻有“ 711 ”型速凝劑的水泥凈漿性能見表 8-6 。 （ 2 ）水泥的速凝早強劑 為了控制水泥漿的擴散范圍，縮短注漿工程的時間和提高注漿堵水效果，加入速凝早強劑將起到很好的效果。一般水泥的速凝早強劑是復合附加劑，品種如水玻璃、三乙醇胺加氯化鈉及二水石膏加氯化鈣等，其對漿液的影響見表 8-7 。 三乙醇胺可用與二乙醇胺混合液代替，成本可大大降低。 （ 3 ）水泥的分散劑和懸浮劑 純水泥漿由水和水泥按一定的比例混合而成，常用的水灰比變化在 0.5 1 5 1 之間，高水灰比僅對提高漿液的可灌性有利，而對巖土加固意義不大。為了降低水泥漿的粘度，提高漿液的流動性，增加漿液的可注性，往往要加入分散劑。另外單液水泥漿易沉淀析水，為了使水泥顆粒能較長時間懸浮于水中，就需要加入懸浮劑。實際上分散劑跟懸浮劑很難嚴格區(qū)別開來，有些藥劑加入水泥漿之后，既能起到分散作用，又能起到懸浮作用。懸浮劑有膨潤土、高塑粘土。分散劑（塑化劑）常用亞硫酸鹽紙漿廢液、食糖、硫化鈉等，以增加漿液的可注性。其作用機理見前面有關章節(jié)。 （ 4 ）水泥的其他外加劑 根據(jù)工程需要，往往在水泥漿中加入其他一些外加劑，如緩凝劑、流動劑、加氣劑、膨脹劑、防析水劑等（表 8-8 ），以滿足注