巖土注漿加固理論教學(xué)內(nèi)容課件

1、11 巖土注漿加固理論注漿理論的研究對(duì)象主要是漿液在巖土體中流動(dòng)時(shí)所完成的兩個(gè)主要過程: (1)物理化學(xué)過程；(2)流體力學(xué)過程。物理化學(xué)過程：注漿材料的凝結(jié)和硬化機(jī)理、漿液的流變性能等；流體力學(xué)過程：漿液沿注漿管道及在地下沿孔隙或空洞的流動(dòng)擴(kuò)散規(guī)律。近幾十年來, 國內(nèi)外許多學(xué)者根據(jù)流變學(xué)和地下水動(dòng)力學(xué)原理對(duì)注漿法進(jìn)行了大量理論研究, 發(fā)展了一些注漿理論。但總體來說, 與注漿材料、注漿工藝、注漿設(shè)備的快速發(fā)展呈鮮明對(duì)比的是注漿理論的研究相對(duì)還比較落后, 進(jìn)展緩慢。其主要原因是被注介質(zhì)的不均勻性和不確定性以及漿液本身的多變性，并且注漿機(jī)制的研究一直被人們所忽視, 這些都增加了理論分析的困難。注漿

2、技術(shù)的分類：漿液材料：水泥注漿和化學(xué)注漿；漿液性能：粒狀注漿和液體注漿；注漿用途：加固注漿、防滲注漿和基礎(chǔ)托換注漿；注漿壓力：靜壓注漿和高壓注漿；按照地質(zhì)條件、注漿壓力、漿液對(duì)巖土體的作用機(jī)理、漿液的運(yùn)動(dòng)形式和替代方式, 注漿可分為滲透注漿、劈裂注漿、壓密注漿、充填注漿(裂隙注漿）和高壓噴射注漿五類。壓密劈裂滲透噴射巖土注漿理論是借助于水力學(xué)、流體力學(xué)和固體力學(xué)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，建立壓力、流量、擴(kuò)散半徑、注漿時(shí)間之間的關(guān)系。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。如在滲透注漿過程中存在劈裂現(xiàn)象，在劈裂注漿

3、過程中存在滲透流動(dòng)等，在壓密注漿過程中存在劈裂或滲透流動(dòng)。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。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)形式為主在地層中流動(dòng)，達(dá)到注漿的目的。11.1 巖土介質(zhì)的可注性注漿法的適用范圍以及對(duì)巖土介質(zhì)的改良結(jié)果，不僅取決于注漿材料的性質(zhì)，也取決于注漿方法和注漿工藝。注漿方法的選擇不僅是注漿設(shè)備的選擇，還要看試驗(yàn)結(jié)果，考慮注漿經(jīng)驗(yàn)是否豐富，注漿管理的方法是否可行等。在注漿工程實(shí)踐中，常常采用聯(lián)合注漿工藝，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

4、質(zhì)的可注性在砂礫土層中滲透注漿時(shí)，尤其是當(dāng)漿液的濃度較大時(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)。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，因此，僅僅滿足顆粒尺寸小于孔隙尺寸是不夠的；同時(shí)漿液在流動(dòng)過程中存在著凝結(jié)過程，也會(huì)造成漿液通道的堵塞；11.1 巖土介質(zhì)的可注性此外，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。許多實(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:11.1 巖土介質(zhì)的可注性若土顆粒粒徑 0.8m

5、m, 滲透系數(shù) 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(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。這時(shí)只有減小粒狀漿材的顆粒尺寸，如采用超細(xì)水泥等，才能得到滿意的結(jié)果。表11-1 各種注漿材料的適用范圍材 料組成成分顆粒粒徑（mm）地基的滲透系數(shù)（cm/s）適用范圍水泥10-2礫砂、粗砂裂隙寬度0.2 mm膨潤土粘土10-4砂、礫砂超細(xì)水泥0.0120.01010-4 砂、礫砂、多孔磚墻，裂隙寬度0.05 mm的混凝土、巖石化學(xué)漿液10-7細(xì)砂、砂巖、微裂隙的巖石11.2 巖土滲透注漿理論滲透注漿(Permeation Grouting) 是指在不破

6、壞地層巖土顆粒排列的條件下,漿液充填于顆粒間隙中,從而取代、排出其中的空氣和水,將顆粒膠結(jié)成整體。一般滲透注漿是在不足以破壞地層構(gòu)造的壓力下即不產(chǎn)生水力劈裂，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。滲透注漿漿液一般均勻地?cái)U(kuò)散到巖土顆粒間的孔隙內(nèi)，將巖土顆粒膠結(jié)起來，可增強(qiáng)巖土體的強(qiáng)度和防滲能力。11.2 巖土滲透注漿理論1) 抗?jié)B止水工程:開挖豎井、隧道等地下工程,防止和控制涌水;地下工程開挖時(shí)防止基礎(chǔ)沉降;壩基防滲注漿,建筑物地基下部或周圍防滲體的建立;基礎(chǔ)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:加固軟弱地基,提高地基土的承

7、載力,擴(kuò)散上部荷載,降低應(yīng)力水平;回升和加固建(構(gòu)) 筑物地基;地鐵的注漿加固,通過滲透注漿用以減少施工時(shí)地面位移和控制施工現(xiàn)場(chǎng)土體的位移等;隧洞大開挖注漿加固;豎井注漿,用以處理流砂和不穩(wěn)定地層。3) 防止變形工程:防止產(chǎn)生滑動(dòng),維持坡面穩(wěn)定;構(gòu)筑物本身的加強(qiáng),開挖基坑時(shí)對(duì)附近已有構(gòu)筑物的防護(hù)。4) 對(duì)灌注樁的兩側(cè)和底部注漿,用以提高樁與土間的側(cè)摩阻力和樁端土體的力學(xué)強(qiáng)度。在錨桿和錨索施工過程中,用滲透注漿做成錨固體。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

8、性好壞與諸多因素有關(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(dòng)、注漿材料的時(shí)間特性等。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，這時(shí)相當(dāng)于點(diǎn)源，漿液呈球面擴(kuò)散；當(dāng)采用花管式分段注漿，漿液則呈柱面擴(kuò)散。11.2.1 牛頓流體在地層中的滲透公式漿液具有易流動(dòng)性,靜止時(shí)不能承受切力抵抗剪切變形,但在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,漿液就具有低抗剪切變形的能力即粘滯性。在剪切變形過程中,漿體質(zhì)點(diǎn)之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng),使?jié){體內(nèi)部出現(xiàn)成對(duì)的切力,其作用是抗拒漿體內(nèi)部的相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而影響著漿體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由于這種粘滯性的存在,漿液在運(yùn)動(dòng)中要克服

9、內(nèi)摩擦力而做功。牛頓于1686 年提出并驗(yàn)證了此規(guī)律,因此稱為牛頓流體。牛頓流體的本質(zhì)即是在溫度不變的條件下,流體的動(dòng)力粘滯系數(shù)值不變,為一固定斜率的直線。11.2.1 牛頓流體在地層中的滲透公式牛頓流體是典型的粘性流體，其流變曲線是通過原點(diǎn)的直線，方程式為:大多數(shù)的化學(xué)漿液都屬于牛頓流體。11.2.1 牛頓流體在地層中的滲透公式（1）球狀擴(kuò)散理論1）Maag公式 Maag于1938年推導(dǎo)出漿液在砂層中的滲透公式。認(rèn)為：注漿材料在土體中流動(dòng)是層流，并服從達(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(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；在注漿期間，注漿材料的粘度不變；

10、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(shí)考慮 ，即 ，則得到： 11.2.1 牛頓流體在地層中的滲透公式2）Raffle-Greenwood公式Raffle和Greenwood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 的球面所需的時(shí)間為Raffle-Greenwood公式可簡(jiǎn)化為Maag公式。11.2.1 牛頓流體在地層中的滲透公式（2）柱面擴(kuò)散公式柱狀注漿時(shí)液面擴(kuò)散方式如圖所示，根據(jù)達(dá)西定律有當(dāng) 時(shí)， ； 時(shí)， ，可推導(dǎo)出已知 ， ，可得非水溶性漿液滲透

11、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的塑性流體，其流變曲線是不通過原點(diǎn)的直線。流體具有這種性質(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(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(超過內(nèi)聚力)，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)稱為塑性。（塑性體）11.2.2 賓漢姆流體在地層中的滲透公式賓漢姆流體的流變方程表示為塑性流體的表觀粘度為牛頓流體11.2.2 賓漢姆流體在地層中的滲透公式可見，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

12、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WC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(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(shí)間而變化的流動(dòng)規(guī)律11.2.2 賓漢姆流體在地層中的滲透公式當(dāng) 時(shí)， 可忽略不計(jì)，取 ， 。計(jì)算在已知時(shí)間T 及注漿流量 Q 為常量時(shí)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以上公式可解決的注漿工程問題：（1）已知 和 ，根據(jù)公式 可計(jì)算出擴(kuò)

13、散半徑。（2）已知壓差（ ）及注漿時(shí)間 時(shí)，按照公式 計(jì)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(jì)算孔底最大壓力( )，并根據(jù)公式 計(jì)算注漿時(shí)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(shí)，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。注漿材料的流變特性漿液在孔隙中流動(dòng)，其流變學(xué)特性取決于漿液材料的結(jié)構(gòu)特性，可分為牛頓體和非牛頓體。不遵循牛頓內(nèi)摩擦定律的流體的統(tǒng)稱。有些非牛頓流體的流變特性,還隨外力作用的時(shí)間而變化,故可分為與時(shí)間無關(guān)的及與時(shí)間有關(guān)的兩種。還有一種既有粘性,又有彈性的流體,稱粘彈性流體。我們研究流體的流變學(xué)特征，

14、一般是假定被測(cè)液體為牛頓流體，但是，實(shí)際上自然界90%的流體為非牛頓流體。注漿材料的流變特性流動(dòng)好的化學(xué)漿液屬于牛頓體水泥、粘土、污泥、瀝青等都可當(dāng)作賓漢流體來考慮。賓漢流體只有切應(yīng)力(超過屈服）才能產(chǎn)生相對(duì)流動(dòng)。粘度是漿液的最主要的流變參數(shù)。注漿材料的流變特性反映了粘度不變及粘度漸變型漿液粘度隨時(shí)間變化規(guī)律。粘度不變型粘度漸變型瞬時(shí)凝膠完全凝膠凝膠時(shí)間點(diǎn)指數(shù)規(guī)律，漸變型高壓與低壓下漿液粘度變化11.2.3 滲透注漿的極限壓力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明, 進(jìn)行土層滲透注漿,如果注漿壓力在一定條件下,漿液就會(huì)均勻滲透,但如果超過某一極限注漿壓力(Pmax) ,漿液將由滲透轉(zhuǎn)化為劈裂。只有當(dāng)注漿壓力小于Pmax

15、時(shí),才能保證漿液在土層中均勻滲透。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(shí)，如果注漿壓力超過某一極限值( )，漿液流動(dòng)將會(huì)由滲透方式轉(zhuǎn)化為劈裂方式。只有當(dāng)注漿壓力小于 時(shí)，才能保證漿液在土中是滲透的。滲透注漿極限壓力 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(duì)土體應(yīng)力場(chǎng)的影響，上式簡(jiǎn)化為歷史上, 國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)滲透注漿進(jìn)行了理論研究, 代表性的有球型擴(kuò)散Magg (1938) 公式、Raffle - Greenwood (1961) 公式、柱型擴(kuò)散公式、袖套管法計(jì)算公式、賓漢流體擴(kuò)散公式、粘時(shí)變流體在地層中的滲透公式、劉嘉材的

16、單平板裂隙注漿滲透模型、Baker (1955) 通過圖解法得出的漿液在孔隙中的擴(kuò)散規(guī)律、Louis 的牛頓漿液在二維粗糙裂隙中的流動(dòng)公式, 此后, Wittke , Wallner , H. B 加賓, G. Lombadi , Amadei 等相繼推導(dǎo)出了賓漢流體在裂隙中的流動(dòng)規(guī)律, 前蘇聯(lián)學(xué)者進(jìn)行了細(xì)砂層中漿液擴(kuò)散參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究, 奧地利學(xué)者進(jìn)行了單裂隙漿液流動(dòng)過程的模擬實(shí)驗(yàn), 還有我國水利水電科學(xué)研究院研制的平板型注漿實(shí)驗(yàn)臺(tái)以及東北大學(xué)研制的槽型反扁圓柱狀試驗(yàn)臺(tái)等, 這些實(shí)驗(yàn)和理論都促進(jìn)了滲透注漿技術(shù)理論的發(fā)展。但是, 上述計(jì)算公式和理論都是在特定的物理模型基礎(chǔ)上得到的, 它們總結(jié)了注

17、漿中的一些規(guī)律, 具有一定的理論價(jià)值, 但是由于復(fù)雜的地層條件和注漿工程的隱蔽性, 應(yīng)該說沒有任何一個(gè)公式能真正準(zhǔn)確地反映出工程中漿液的流動(dòng)規(guī)律,這些公式都存在缺陷, 甚至與實(shí)際情況相差很大。目前滲透注漿理論仍然存在著許多問題有待于深入研究,滲透注漿存在的不足如下：滲透注漿理論公式的不足1) 現(xiàn)有滲透注漿理論都沒有考慮被注介質(zhì)的非均質(zhì)性和各向異性, 應(yīng)建立一種適用于各向異性的滲透注漿理論;2) 滲透注漿施工過程的監(jiān)控及注漿效果的檢測(cè)技術(shù)目前還不成熟, 仍然是注漿技術(shù)的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié), 對(duì)注漿效果也沒有一個(gè)明確的判別標(biāo)準(zhǔn), 往往憑經(jīng)驗(yàn)定性判斷;3) 滲透注漿工程的注漿效果與被注介質(zhì)的工程地質(zhì)、水文

18、地質(zhì)有相當(dāng)密切的關(guān)系, 而目前的注漿理論僅對(duì)注漿技術(shù)本身進(jìn)行研究, 缺乏對(duì)被注介質(zhì)的研究。滲透注漿理論公式的不足西馬山防洪壩滲透注漿加固工程西馬山礦井防洪壩,是采用礦山排棄廢石沿微山湖邊堆集而成。防洪壩滲透水問題,多年來一直未能得到有效處理,特別是隨著國家“南水北調(diào)東線工程”的實(shí)施,微山湖水位將進(jìn)一步上漲,防洪壩滲水水量將進(jìn)一步增大,對(duì)防洪壩和礦井安全帶來了嚴(yán)重的威脅。西馬山防洪壩滲透注漿加固工程西馬山碎石防洪壩三面被微山湖環(huán)繞。壩體上層為礦山排棄碎石堆積層,粒度01. 5 m ,大小不均、松散,厚度45 米,是防洪壩主要滲水層。中層為微山湖第四紀(jì)黑色泥土層,厚度23 m ,不透水。底層為巖漿

19、石,不滲水。由于近年來微山湖水位上漲,在碎石層與粘土層間出現(xiàn)長280 m 大面積滲水帶,部分地點(diǎn)出現(xiàn)管涌狀出水,對(duì)泥土層沖刷嚴(yán)重。井下排水量比正常期增加460m3/h ,無備用排水能力。威脅礦井安全生產(chǎn),增加排水成本。西馬山防洪壩滲透注漿加固工程在防洪壩滲水280 m(兩端各超出最端滲水點(diǎn)40 m) 長度范圍內(nèi),利用碎石孔隙與水泥結(jié)合,形成混凝土圍幕封堵滲透水。采取工藝: KD100 鉆機(jī),干式鉆孔,孔徑110mm 圓環(huán)型合金鉆頭,鉆孔深度56 m ,具體鉆孔深度要求進(jìn)入泥土層0. 5 m。使用長度34 m 注漿管,一端配有法蘭盤。在壩體中間,采取雙排鉆孔,水泥、水玻璃雙液注漿,每孔間距2 m

20、 ,2 排間距1 m。鉆孔布置形式見右圖 。西馬山防洪壩滲透注漿加固工程 鉆孔:采取干式鉆孔,加長鉆具,控制鉆進(jìn)速度,根據(jù)鉆孔情況及時(shí)下地表管,遇大塊巖石時(shí)可移位鉆孔。注漿: 注漿管下孔深度距泥土層12 m 處為宜, 在注漿管上部用法蘭盤與自制雙頭注漿帽聯(lián)接, 按兩孔間注漿交圈厚0. 5 m ,近似圓臺(tái)體(上部直徑1. 2 m、下部直徑1. 8 m、高4 m)及孔隙率25 % , 計(jì)算每孔總注漿量為1. 8 m3 ,水泥量為2 t ; 按250 kg/ m 的水泥量,水泥和水1 1 的比例制漿,先注入純水泥槳,以保證鉆孔注漿交圈厚度,形成圍幕, 在注漿同時(shí)觀察周圍地面、注入壓力及滲水點(diǎn)水質(zhì)變化

21、情況, 防止地面出漿,在注漿壓力增大和滲水點(diǎn)水質(zhì)變濁時(shí),適時(shí)滲入30Be ,水玻璃20 %30 % ,進(jìn)行雙液注漿。隨著水玻璃的加入,注漿管逐漸被托起,上升到注漿管2/ 3 位置時(shí),停止注漿,完成該孔施工,進(jìn)行下孔施工。主要材料消耗:水泥500 kg/ m ,水玻璃65 kg/ m。西馬山防洪壩滲透注漿加固工程經(jīng)過50 天的圍幕滲透注漿施工,共完成鉆孔203孔,加固防洪壩280 m,經(jīng)地面檢查,各滲水處均被封堵,無滲水現(xiàn)象。井下泵房排水量恢復(fù)到正常水量,排水量減少460 m3/h 。對(duì)碎石壩滲水封堵,采用鉆孔圍幕注漿方案, 投入少、施工簡(jiǎn)單,取得了較好的封堵效果。11.3 巖土壓密注漿理論壓密

22、注漿起源于美國, 稱其為CPG ( compaction grouting) 方法, 該法已有60 多年的應(yīng)用歷史, 1970 年Mitchell 對(duì)壓密注漿和其它注漿法進(jìn)行了比較, 1973 年Brom 和Winer 論述了壓密注漿和注漿力學(xué), 1974 年Brom 和Winer 提出了壓密注漿的設(shè)計(jì)和施工準(zhǔn)則, 之后, Graf 和Winer 等人一直致力與壓密注漿技術(shù)的研究。壓密注漿最大優(yōu)點(diǎn)：是它對(duì)于最軟弱土層區(qū)域能起到最大限度的壓密作用。在壓密注漿過程中,漿泡擠壓鄰近的土體, 使土體被壓密, 承載力提高, 漿液不向土體滲透, 只對(duì)土體產(chǎn)生擠壓作用,使土體密實(shí), 因而土體不發(fā)生水力劈裂,

23、 這就是壓密注漿與劈裂注漿的根本區(qū)別。11.3 巖土壓密注漿理論壓密注漿是用極稠的漿液（塌落度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(dòng)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還有水泥比重、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0.001 mm時(shí)，水泥漿液為穩(wěn)定漿液。其他條件相同時(shí)，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(huì)增多，顆粒下沉阻力增大，速度減慢。在水泥

24、漿液中摻入一定數(shù)量的分散劑，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(dòng)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(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，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(dòng)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(dòng)機(jī)理（2）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

25、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(gè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)理不同寬度的巖縫，采用同一濃度漿液時(shí)，充填的范圍和時(shí)間是不同的。寬裂隙充填距離較遠(yuǎn)，時(shí)間較長；而窄裂隙充填范圍很小，時(shí)間很短。在實(shí)際注漿中，遇到吃漿量很大，長時(shí)間不見減小情況時(shí)，可采取

26、逐級(jí)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，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(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。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。圖11-16 漿液變濃對(duì)充填情況的影響(a)采用同一級(jí)稀漿液的充填情況；(b)采用由稀變稠，變換得當(dāng)?shù)某涮钋闆r；(c)采用由稀變稠，變換不得當(dāng)?shù)某涮钋闆r11.5.2 水泥漿液在巖體裂隙中的流動(dòng)機(jī)理在一個(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，充填較小的裂隙，然后再用較稠的漿液注較大的

27、裂隙。漿液由稀變濃應(yīng)逐級(jí)改變，我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的水灰比可采用8:1，5:1，3:1，2:1，1.5:1，0.8:1，0.6:1，0.5:1九個(gè)比級(jí)，而A. C. Houlsby 推薦水泥漿液的最佳起始水水灰比為3:1。11.5.2 水泥漿液在巖體裂隙中的流動(dòng)機(jī)理注漿過程中變漿時(shí)機(jī)是根據(jù)壓力與吸漿率的變化情況而決定。在吃漿率大于10 L/min以前，若連續(xù)注入量已達(dá)450 L以上，注漿壓力或吸漿率均無明顯變化，則變濃一級(jí)；在吸漿率小于10 L/min以后，若連續(xù)注入時(shí)間已達(dá)2 h以上，壓力和吸漿率均無變化，也變濃一級(jí)；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(shí)的濃度，

28、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(dòng)機(jī)理（3）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15之間，水泥水化大約需525水（一般為水泥重量的25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(shí)，即“固結(jié)排水”和“流動(dòng)沉積”理論。11.5.2 水泥漿液在巖體裂隙中的流動(dòng)機(jī)理1）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(gè)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(duì)于堅(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2）流動(dòng)沉積理論漿液進(jìn)入巖縫以后的流動(dòng)速度和壓力是隨著離開鉆