12巖土注漿加固設計課件

1、12 巖土注漿加固設計第1頁，共30頁。12 巖土注漿加固設計12.1 注漿工程調查12.2 注漿加固試驗12.3 注漿加固參數(shù)設計12.3.1 注漿加固范圍的確定12.3.2 注漿量的計算12.3.3 注漿壓力12.3.4 注漿孔距第2頁，共30頁。12.1 注漿工程調查在進行注漿設計之前，要進行工程地質和巖土工程性質的調查。調查的范圍是地層需要處理的范圍。工程調查的目的是解決以下三個問題：(1) 能否采用注漿方法處理；(2) 注漿處理時采用何種漿液材料，注漿壓力和注漿量的確定；(3) 注漿處理后，地層強度增加或滲透性減小的程度。工程調查的內(nèi)容包括以下幾點：(1)注漿區(qū)的地質構造及漿液可能流

2、失的通道和空穴；(2)地質分層及需要注漿處理地層的土質或巖性特征；(3)需要處理地層的強度或滲透程度；(4)構筑物的損害程度和注漿會對周圍構筑物的影響；(5)注漿過程中，廢漿排放對環(huán)境的影響和注漿后地下水位的變化對鄰近居民飲水及灌溉的影響。第3頁，共30頁。12.1 注漿工程調查砂礫沉積層注漿，一般采用滲透注漿，因而要獲得每一層的滲透系數(shù)、孔隙率、孔隙的大小、地下水位及流速、流向和水的化學性質。土的顆粒大小是選擇漿液類型和可注性的衡量指標。地層的孔隙率(n)決定著漿液的消耗量。滲透系數(shù)的大小影響漿液的注入速率。粘性土注漿加固，多采用劈裂注漿。土體的力學特性較為重要。裂隙巖體注漿，要了解注漿部位

3、是屬于斷層、破碎帶，還是軟弱層，查明其產(chǎn)狀及分布范圍。要了解結構面的滲透幾何參數(shù)。工程調查中的試驗內(nèi)容分為室內(nèi)土工試驗和現(xiàn)場試驗。第4頁，共30頁。12.1 注漿工程調查表12-1 注漿調查的試驗內(nèi)容室內(nèi)土工試驗現(xiàn)場試驗1土顆粒分析2空隙率3透水系數(shù)4土的含水量5土的密度與土顆粒比重6有機質含量7土的力學性質試驗1地基強度方面：動力、靜力觸探，旁壓試驗2水力學性質方面：抽水或壓水試驗3水流、水質方面：地下水流向、流速，水的pH值和離子含量4節(jié)理裂隙統(tǒng)計：節(jié)理的組數(shù)、產(chǎn)狀、密度、寬度、粗糙度等5巖體力學性質：裂隙的水力劈裂，斷裂指數(shù)第5頁，共30頁。12.2 注漿加固試驗（1）注漿試驗的目的及內(nèi)

4、容注漿試驗研究目的及內(nèi)容1注漿管的入土方式振動入土法射水入土法旋轉入土法2注漿材料的選擇注漿材料的性質試驗注漿模擬試驗3注漿工藝4注漿效果降低滲透性現(xiàn)場抗?jié)B試驗取樣抗?jié)B試驗強度提高值標準貫入試驗靜力觸探荷載試驗取樣強度試驗彈性波探測5對周圍環(huán)境的影響周圍地層的變形周圍建筑物的變形地下水質變化第6頁，共30頁。12.2 注漿加固試驗（2）注漿孔的布置注漿試驗時，試驗孔的布置分為單孔注漿試驗和群孔注漿試驗。單孔試驗是來檢查設備能力是否滿足試驗要求，調查注漿的難易程度、注漿量和注漿壓力等參數(shù)。群孔試驗主要是檢驗各種試驗效果。圖12-1 各種注漿孔的布置方式第7頁，共30頁。為地基土的重度，水下采用有

5、效重度 ；為基礎荷載面上的地基土的重度，水下采用有效重度 ；12.3.1 注漿加固范圍的確定（1）地基加固計算 地基承載力的大小可用下式計算（圖12-2）：圖12-2 地基注漿加固范圍 式中:為長期承載力標準值，kPa；、為形狀系數(shù)；為地基土的粘聚力；為承載力系數(shù)（粘聚力項）；為承載力系數(shù)（內(nèi)摩擦項）；為承載力系數(shù)（埋深項）；為基礎埋深。如果進行短期強度計算時，可將式右邊系數(shù)1/3變成2/3。第8頁，共30頁。（1）地基加固計算注漿加固地基，主要改變地基土的 、 、 值，注漿后地基土的 值變化較大，而 和 變化不太大。注漿加固地基，注漿范圍超出基底寬度 (1/2)b 左右為好。 在持力層較淺時

6、，持力層以上軟弱層全部加固。持力層較深時，可用威斯塔卡特公式，根據(jù)等應力線或塑性區(qū)決定加固范圍（圖12-3），也可用有限元法模擬計算加固范圍。圖12-3 等應力線和注漿范圍 1-加載產(chǎn)生的等應力線2-加固后地基承載力等應力線第9頁，共30頁。減小 。值，可增大 ，（2）基坑邊坡及基底注漿加固1）基坑邊坡注漿加固 基坑邊坡的主動土壓力為（圖12-4）圖12-4 具有粘聚力的土壓力強度分布 被動土壓力為注漿增加土體的第10頁，共30頁。（2）基坑邊坡及基底注漿加固1）基坑邊坡注漿加固 設注漿前的土壓力：注漿后的土壓力：注漿后使坑壁穩(wěn)定性增加量：考慮到安全性，注漿范圍應深入到滑動面以下。注漿范圍如圖

7、所示。圖12-5 基坑邊坡注漿范圍 第11頁，共30頁。（2）基坑邊坡及基底注漿加固2）擋土墻背后的注漿加固對于擋土墻為 H 型鋼的橫向板樁，其注漿范圍參數(shù)如下：圖12-6 擋土墻后的注漿范圍 第12頁，共30頁。（2）基坑邊坡及基底注漿加固3）基坑底板的加固計算在滑動面附近化學注漿 基坑壁后荷重為滑動力矩為抗滑力矩為安全系數(shù)為圖12-7 坑壁穩(wěn)定分析圖 為了不產(chǎn)生基底隆起，采用注漿方法提高 ，滿足 1.2的條件，加固的深度應大于 （即滑動面以下），加固的寬度應大于2 。第13頁，共30頁。（2）基坑邊坡及基底注漿加固 加固基坑底板 據(jù)BBBroms的計算，對基底軟粘土進行了 3 m 厚的注漿

8、加固，能使墻體的水平位移及地表沉降減少約 50，支撐軸力減少約 40，基底隆起減少約 35。 他還作了加固 6 m 厚的比較，發(fā)現(xiàn)加固6m厚的各項指標僅比加固3m厚的減少了1020。因此，他認為：加固3m厚是經(jīng)濟合理的。 但根據(jù)上海工程實踐情況，加固 3 m 厚，地表沉降量與開挖深度之比為0.54，加固 910 m 厚，沉降量與開挖深度之比僅為0.10.2。因此，軟粘土在很軟弱時，加固厚度的增加，其效果是明顯的。第14頁，共30頁。（3）隧洞及地下工程注漿加固1）土質隧洞的注漿加固 隧道開挖后，拱頂部的松動范圍圖12-8 土質隧洞松動區(qū)注漿范圍 拱頂松動土壓力 注漿后，松動范圍內(nèi)的 值增加，松

9、動壓力 減小。第15頁，共30頁。（3）隧洞及地下工程注漿加固2）環(huán)形隧洞注漿加固 均勻土質隧道超前注漿 應力表達式為其中注漿寬度為圖12-9 隧道應力圖 第16頁，共30頁。（3）隧洞及地下工程注漿加固 裂隙巖體圍巖的注漿厚度可根據(jù)圍巖松動圈厚度確定。圍巖松動圈厚度可通過多點位移計或聲波測試儀等測得。也可根據(jù)圍巖的物理力學性質，按有關公式進行圍巖松動圈厚度的計算，如修正的芬納公式等。在松動圈內(nèi)注漿，可形成外殼支護層，它具有較大的承載能力，支護層與巖體共同作用。加固圈的半徑可使加固巖石環(huán)的承載力滿足或大于作用于加固殼的壓力，即：水電部門統(tǒng)計，圍巖固結注漿深度在 0.52.0 倍隧洞半徑間變化，

10、建議按 1.3 倍隧洞半徑計算。前蘇聯(lián)在巷道注漿加固中，加固帶的厚度取 35 m，我國煤炭部門巷道注漿加固厚度約為 23 m。日本青函隧道則采用了如下的經(jīng)驗數(shù)據(jù)：一般地質條件，壓漿半徑是隧洞半徑的 24 倍，地質條件不好時，壓漿半徑是隧洞半徑的 36 倍，地質條件特別壞時，壓漿半徑是隧洞半徑的 8 倍。第17頁，共30頁。（4）豎井加固地面預注漿與圓形隧洞相同，注漿厚度為第18頁，共30頁。12.3.2 注漿量的計算計算注漿量時應考慮：注漿類型、巖土的孔隙率和裂隙率、漿液充填程度等因素。滲透注漿的好壞取決于滲透半徑內(nèi)體積土的孔隙充填程度，充填率越高，注漿的效果越好。劈裂注漿的注漿量與注漿范圍內(nèi)

11、漿脈的多少有關，漿脈越多，注漿量也越多，注漿效果也越好。但漿液不可能無限制地注，應該有個最佳的注漿量。壓密注漿的漿量和漿泡的直徑有關。壓密范圍越大，要求的漿泡直徑也越大。在不產(chǎn)生劈裂的條件下，漿泡直徑是很有限的，漿量也有限。裂隙巖體注漿的注漿量與吸水率有關。下面分別討論滲透注漿、劈裂注漿、裂隙巖體的注漿量計算方法。第19頁，共30頁。（1）滲透注漿的注漿量計算常用的滲透注漿的漿量計算公式為常見的滲透注漿地層有砂層和砂礫層，各地層的灌注充填率見表12-5。表12-5 不同土層的灌注充填率土質類型N 值孔隙率 n（%） （%） （%）松散砂質土0105050802540中等密實砂質土1030405

12、0702030密實砂質土30以上3050651520濕陷性黃土306050801548第20頁，共30頁。（2）劈裂注漿的注漿量計算對于脈狀劈裂注漿，只考慮孔隙率為主體的注漿率是不能確定注漿量的。下面從三個方面來求注漿量。 1）從土的含水率來求注漿量 對于軟塑性土，注漿時漿脈可以使土體發(fā)生壓縮脫水，使天然含水量降低到塑限以下，土體變?yōu)橛菜軤?，加之脈狀漿體成網(wǎng)狀分布于土體，使土體穩(wěn)定性增加，這種注漿通常稱為軟土固結注漿。注漿量表示為2）從土被壓縮的難易程度來求注漿量漿脈的插入可認為土顆粒間孔隙縮小，孔隙縮小的體積即為漿脈的總體積，這樣可按照土的壓縮指數(shù)來求注漿量第21頁，共30頁。（2）劈裂注漿

13、的注漿量計算 3）經(jīng)驗法 仍按滲透注漿公式 ， ，對于粘性土 值見表12-6。表12-6 粘性土值N 值孔隙率 n（%） （%） （%）粘性土松散04607530401830中等48506020301018 工程實踐經(jīng)驗，注漿量約為土體體積的 10或更大些。比較合理的辦法是在現(xiàn)場通過觀測到的注漿壓力的變化來決定注漿量。第22頁，共30頁。（3）裂隙巖體注漿量計算 1）注水泥漿液的起始水灰比 霍爾斯比(1982)建議根據(jù)裂隙的平均寬度選擇初始水灰比為：裂縫平均寬度 1.0，水灰比 1:1。還可根據(jù)相同壓力條件下的鉆孔壓水試驗資料，按照表12-7選擇漿液的起始濃度。表12-7 注漿漿液的起始濃度單

14、位鉆孔吸水量 （L/min.m）漿液的起始濃度水泥漿（水：灰）水玻璃：水泥漿（體積比）1.53:1-3.02;15.021.5:17.01.51.25:18.01.2:10.6:19.01:10.85:111.00.85:11:113.00.75:1150.6:1第23頁，共30頁。（3）裂隙巖體注漿量計算 2）注灰量的估計 水泥漿的注漿量與水灰比有很大的關系，故常將注漿量折算成注灰量或單位注灰量（每米段長的耗灰量），這樣注漿量就與水灰比無關。 迪爾提出單位耗漿量的分級，并指出任何小于 10 kg/m 的耗漿量完全是浪費時間和金錢。表12-8 單位耗漿量的分級單位耗漿量 （kg/m）分 級40

15、0非常高400200高200100中等高10050中等5025中等低2512.5低12.5非常低第24頁，共30頁。12.3.3 注漿壓力注漿壓力控制的好壞是注漿成敗的關鍵。在不考慮邊界條件下，提高注漿壓力，滲透注漿可以把土層顆粒孔隙中空氣和水等全部排走。劈裂注漿脈壓提高后，土顆粒更加密實和固結。但是壓力超過邊界條件允許的范圍，就會引起地面、基礎、結構物的變形和破壞。壓力應控制在邊界條件允許的最大注漿壓力內(nèi)。下面討論最大容許注漿壓力的確定。第25頁，共30頁。（1）滲透注漿 1）根據(jù)注漿試驗曲線確定 注漿試驗過程中，逐步提高注漿壓力，可求得注漿壓力與注漿量關系曲線。當壓力升至某一數(shù)值（ ），注

16、漿量突然增大時，表明了地層已產(chǎn)生劈裂，因而把這一壓力值定義為最大容許注漿壓力。圖12-10 注漿壓力和注漿量的關系 2）根據(jù)經(jīng)驗公式確定砂礫地基注漿： 或 3）根據(jù)經(jīng)驗值確定 最大容許注漿壓力等于 12 倍覆蓋層土壓力加上上部結構的荷載壓力。第26頁，共30頁。（2）劈裂注漿 最大容許注漿壓力 式中: h 為注漿處以上土柱高度，m； 為注漿地基的天然重度，kN/m3； 為土的抗拉強度，kPa。 一般軟土地基中注漿壓力在 0.30.5 MPa之間。 在隧道內(nèi)突泥或塌方處劈裂注漿，封閉情況下終壓可以提高。第27頁，共30頁。（3）裂隙巖體注漿 圖12-11是最大允許注漿壓力的經(jīng)驗曲線，曲線未考慮允

17、許壓力上限，高壓力將導致地層的水力劈裂，在帷幕注漿中是不希望發(fā)生的。 圖12-11中：堅固巖石；歐洲的經(jīng)驗法則，0.1 MPa/m；中等堅固巖石；軟弱巖石；美國的經(jīng)驗法則，0.022 MPa/m；很不穩(wěn)定的巖石 2）考慮地質條件、注漿方法以及漿液濃度的經(jīng)驗公式 1）考慮注漿段深度、地質條件的經(jīng)驗曲線圖12-11 覆蓋層厚度與允許注漿壓力的經(jīng)驗曲線（Houbby,1991）第28頁，共30頁。（3）裂隙巖體注漿 3）隧洞圍巖固結注漿壓力 襯砌隧洞圍巖固結注漿加固中，控制注漿壓力不使襯砌擠裂，注漿壓力可按下式確定： 其中 4）井壁注漿壓力第29頁，共30頁。12.3.4 注漿孔距漿液的擴散半徑與漿液的流變特性、膠凝時間、注漿壓力、注漿時間等因素有關。在注漿范圍和注漿半徑確定后，就可以確定孔間距。確定孔間距時，既要考慮最