第四章 注漿設計計算

1、第四章 注漿設計計算第一節(jié) 靜壓注漿設計計算注漿理論主要有以下四類：（一）滲透灌漿（二）劈裂灌漿（三）壓密灌漿（四）電動化學灌漿（一）滲透灌漿 滲透灌漿是指在壓力作用下使?jié){液充填土的孔隙和巖石的裂隙，排擠出孔隙中存在的自由水和氣體，而基本上不改變原狀土的結構和體積（砂性土灌漿的結構原理），所用灌漿壓力相對較小。 這類灌漿一般只適用于中砂以上的砂性土和有裂隙的巖石。代表性的滲透灌漿理論有球形擴散理論、柱形擴散理論和袖套管法理論。1球形擴散理論Maag(1938)的簡化計算模式假定是 ：被灌砂土為均質的 和各向同性的；漿液為牛頓體；漿液從注漿管底端 注入地基土內；漿液在地層中呈球 狀擴散。 漿液擴

2、散半徑的計算30113ntrKhr式中：K為砂土的滲透系數（cm/s）； 為漿液粘度對水的粘度比； r0為灌漿管半徑（cm）；t為灌漿時間（s）；n為砂土的孔隙率。 為灌漿壓力h1（二）劈裂灌漿 劈裂灌漿是指壓力作用下，漿液克服地層的初始應力和抗拉強度，引起巖石和土體結構的破壞和擾動，使其沿垂直于小主應力平面上發(fā)生劈裂，使地層中原有的裂隙或孔隙、漿液的可灌性和擴散距離增大，而所用的灌漿壓力相對較高。1砂和砂礫石地層cotsin2)1)(2)1)(0Ckhrrhkhrrhpwwww當灌漿壓力p0達到上式時，地層就會導致的破壞 劈裂灌漿式中：r為砂或砂礫石的重度（cm3/g）； rw為水的重度，（

3、cm3/g）； h為灌漿段深（m）； hw為地下水位高度，（m）； k為主應力比。2粘性土層 在存在多種劈裂現象的條件下，則可用式下確定土層被固結的程度C：%100)1()(1(010nnnVC式中：V為灌入土中的水泥結石總體積（m3） n0為土的天然孔隙率； n1為灌漿后土的孔隙率。（三）壓密灌漿 壓密灌漿是指通過鉆孔在土中灌入極濃的漿液，在注漿點使土體壓密，在注漿管端部附近形成漿泡。 當漿泡的直徑較小時，灌漿壓力基本沿鉆孔的徑向擴展。隨著漿泡尺寸的逐漸增大，便產生較大的上抬力而使地面抬動。 壓密灌漿常用于中砂地基，粘土地基中若有適宜的排水條件也可采用。如遇排水困難可能在土體中引起高孔隙水壓

4、力時，這就必須采取很低的注漿速率。壓密灌漿可用于非飽和的土本，以調整不均勻沉降進行托換技術以及在大開挖或隧道開挖時對鄰近土進行加固 。（四）電動化學灌漿 電動化學灌漿是指在施工時將帶孔的注漿管作為陽極，濾水管作為陰極，將溶液由陽極壓入土中，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)域中土的含水量降低，并形成滲漿通中路，化學漿液也隨之流入土的孔隙中，并在土中硬結。灌漿法的加固機理主要是： 化學膠結作用； 惰性填充作用； 離子交換作用。二、灌漿設計計算（一）設計程序和內容地基灌漿設計一般遵循以下幾個程序；（1）地質調查 查明地基的工程地質特性和水文地質條件；（2）方案選擇 根據工

5、程性質、灌漿目的，初步選定灌漿方案；（3）灌漿試驗 除進行室內灌漿試驗外，對較重要的工程，還應 選擇有代表性的地段進行現場灌漿試驗，以便為確 定灌漿技術參數及灌漿施式方法提供依據；（4）設計和計算 確定各項灌漿參數和技術措施；（5）補充和修改設計 在施工期間和竣工后的運用過程中，根據 觀測所得的異常情況，對原設計進行必要的調整。設計內容主要包括 （1）灌漿標準 通過灌漿要求達到的效果和質量指標；（2）施工范圍 包括灌漿程度、長度和寬度；（3）灌漿材料 包括漿材種類和漿液配方；（4）漿液影響半徑 指漿液在設計壓力下所能達到的有 效擴散距離；（5）鉆孔布置 根據漿液影響半徑和灌漿體設計厚度，確 定

6、合理的孔距、排距、孔數和排數；（6）灌漿壓力 規(guī)定不同地區(qū)和不同程度的允許最大灌漿 壓力；（7）灌漿效果評估 用各種方法和手段檢測灌漿效果。（二）方案選擇灌漿方案的選擇一般遵循下述原則： （1）灌漿目的如為提高地基強度和變形模量，一般可選用以水泥為基本材料的水泥漿、水泥砂漿和水泥-水玻璃漿等。 （2）灌漿目的 如為防滲堵漏時，可采用粘土水泥漿、粘土水玻璃漿、水泥粉煤灰混合物、丙凝、AC-MS、鉻木素以及無機試劑為固化劑的硅酸鹽漿液等。灌漿方案選擇遵循原則 （3）在裂隙巖層中灌漿一般采用純水泥漿以及在基中或在水泥砂漿中摻入少量膨潤土；在砂礫石層中或在溶洞中采用粘土水泥漿；在砂層中一般只采用化學漿

7、液，在黃土中采用單液硅化法或堿液法。 （4）對孔隙較大的砂礫石層或裂隙巖層中采用滲入性注漿法，在砂層灌注粒狀漿材宜采用水力劈裂法。（三）灌漿標準1防滲標準 防滲標準不是絕對的，應根據每個工程各自的特點，通過技術經濟比較確定一個相對合理的指標。對重要的防滲工程，都要求將地基土的滲透系數降低至10-410-5cm/s以下。 2強度和變形標準為了增加磨擦柱的承載力，主要應沿樁的周邊灌漿， 以提高樁側界面間的粘聚力，對、支承樁則在柱底灌 漿以提高樁端土的抗壓強度和變形模量；為了減少壩基礎的不均勻變形，僅需在壩下游基礎受 壓部分進行固結灌漿，以提高地基土的變形模量，而 無需在整個壩基灌漿；對振動基礎，有

8、時灌漿目的只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，則應在墻背至滑動面附近的 土體中灌漿，以提高地基土的重度和滑動面的抗剪強度。3施工控制標準 灌漿后的質量指標只能在施工結束后通過現場檢測來確定。有些灌漿工程甚至不能進行現場檢測，因此必須制定一個能保證獲得最佳灌漿效果的施工控制標準。（四）漿材及配方設計原則（五）確定擴散半徑 漿液擴散半徑r是一個重要參數，它對灌漿工程量及造價具有重要的影響。r值可按上節(jié)的理論公式估算；當地質條件較復雜或計算參數不易選準時，就應通過現場灌漿試驗來確定。現場灌漿試驗時，常采用三角形及矩形布孔方法。（六）孔位布

9、置 注漿孔的布置是根據漿液有效范圍，且應相互重疊，使被加固土體在平面和深度范圍內連成一個整體的原則決定的。1單排孔的布置如灌漿體的設計厚度為T，則灌漿孔距為：4222Trl2多排孔布置 當單排孔不能滿足設計厚度的要求時，就要采用兩排以上的多排孔。而多排孔的設計原則是要充分發(fā)揮灌漿孔的潛力，以獲得最大的灌漿體厚度，不允許出現兩排孔間的搭接不緊密的“窗口”，也不要求搭接過多出現浪費。（七）灌漿壓力 灌漿壓力是指不會使地表面產生變化和鄰近建筑物受到影響的前提下可能采用的最大壓力。 灌漿壓力值與地層土的密度、強度和初始應力、鉆孔深度、位置及灌漿次序等因素有關，而這些因素又難于準確地預知，因而宜通過現場

10、灌漿試驗來確定。第二節(jié) 高壓噴射注漿設計計算一、高壓水噴射流性質 高壓水噴射流是通過高壓發(fā)生設備，使它獲得巨大能量后，從一定形狀的噴嘴，用一種特定的流體運動方式，以提高的速度連續(xù)噴射出來的、能量高度集中的一般液流。 高壓噴射注漿噴射流種類（1）單管噴射流為單一的高壓水泥漿噴射流；（2）二重管噴射流為高壓漿液噴射流與其外部環(huán)繞的壓 縮空氣噴射流，組成為復合式高壓噴射流；（3）三重管噴射流由高壓水噴射流與其外環(huán)繞的壓縮空 氣噴射流組成，亦、為復合式高壓噴射流；（4）多重管噴射流為高壓水噴射流。 以上4種噴射流破壞土體的效果不同，但其構造可劃分為單液高壓噴射流和水（漿）、氣同軸噴射流兩種類型二、加固

11、地基的機理（一）高壓噴射流對土體的破壞作用 破壞土本的結構強度的最主要因素是噴射動壓，根據動量定律，在空氣中噴射時的破壞力為：mQP式中：P為破壞力（N）； 為密度（kg/m3）； Q為流量（m3/s）Q=mA； m為噴射流的平均速度（m/s）。高壓噴射流對土體的破壞作用 在一定的噴嘴面積A的條件下，為了取得更大的破壞力，需要增加平均流速，也就是需要增加旋噴壓力，一般要求高壓脈沖泵的工作壓力在20Mpa以上，這樣就使射流像剛體一樣，沖擊破壞土體，使土與漿液攪拌混合，凝固成圓柱狀的固結體。（二）水（漿）、氣同軸噴射流對土的破壞作用 單射流雖具有巨大的能量，但由于壓力在土中急居衰減，因此破壞土的有

12、效射程較短，致使旋噴固結體的直徑較小。 當在噴射出口的高壓水噴流的周圍加上圓筒狀空氣射流，進行水、氣同軸噴射時，空氣流使水或漿的高壓噴射流從破壞土體上將土粒迅速吹散，使高壓噴射流的噴射破壞條件得到改善，阻力大大減少，能量消耗降低，因而增大了高壓噴射流的破壞能力，形成的旋噴固結體直徑較大。水（漿）、氣同軸噴射流對土的破壞作用 旋噴時，高壓噴射流在地基中，把土體切削破壞，其加固范圍就是噴射距離加上滲透部分或壓縮部分的長度為半徑的圓柱體。由于旋噴體不是等顆粒的單體結構，固結質量也不均勻，通常是中心部分強度低，邊緣部分強度高。 定噴時，高壓噴射注漿的噴嘴不旋轉，只作水平的固定方向噴射，并逐漸向上提升，

13、便在土中沖成一條溝槽，并把漿液灌進槽中，最后形成一個板狀固結體。（三）水泥與土的固結機理 水泥與水拌合后，首先產生鋁酸三鈣水化物和氫氧化鈣，它們可溶于水，但溶解度不高，很快就達到飽和，這種化學反應連續(xù)不斷地進行，就析出一種膠質物體。這種膠質物體有一部分混在水中懸浮，后來就包圍在水泥微粒的表面，形成一層膠凝薄膜。所生成的硅酸二鈣化物幾乎不溶于水，只能以無定形體的膠質包圍在水泥微粒的表層，另一部分滲入水中。由水泥各種成分所生成的膠凝膜，逐漸發(fā)展起來成為膠凝體。 膠凝體產生下列現象 膠凝體增并吸收水分，使凝固加速，結合更密；由于微晶（結晶核）的產生進而產生出結晶體， 結晶體與膠凝體相互包圍滲透并達到

14、一種穩(wěn) 定狀態(tài)，這就是硬化的開始；水化作用繼續(xù)深入到水泥微粒內部，使未水化 部分再充盈為止。 無論水化時間持續(xù)多久，很難將水泥微粒內核全部水化完了，所以水化過程中一個長久的過程。三、加固土的基本性質1直徑較大 旋噴固結體的直徑大小與土的種類和密實程度有密切的關系。對粘性土地基加固，單管旋噴注漿加固體直徑一般為0.30.8m；三管管旋噴注漿加固體直徑可達0.71.8m；二重管旋噴注漿加固體直徑介于以上兩者之間。多重管旋噴直徑為2.04.0m。2固結體形狀可不同 在均質土中，旋噴的圓柱體比較均稱；而在非均質土或有裂隙土中，旋噴的圓柱體不均稱，甚至在圓柱體旁長出翼片。由于噴射流脈動和提升速度不均勻，

15、固結體的外表很粗糙。三重管旋噴固結體受氣流影響，在粉質砂土中外表格外粗糙。加固土的基本性質 3重量輕 固結體內部土粒少并含有一定數量的氣泡。因此，固結體的重量較輕，輕于或接近于原狀土的密度。粘性土固結比原狀土輕約10%，但砂類土固結體也可能比原狀土重10%。 4滲透系數小 固結體內雖有一定的孔隙，但這些孔隙并不貫通，而且固結體有一層較致密的硬殼，其滲透系數達10-6cm/s或更小，故具有一定的防滲性能。加固土的基本性質5固結強度高 土體經過噴射后，土粒重新排列，水泥等漿液含量大。由于一般外側土顆粒直徑大，數量大，漿液成分也多。6單樁承載力高 旋噴柱狀固結體有較高的強度，外形凹凸不平，因 此有較

16、大的承載力，固結體直徑愈大，承載力愈高。 四、設計計算（一）旋噴直徑確定 通常應根據估計直徑來選用噴射注漿的種類和噴射方式。對于大型的或重要的工程，估計直徑應在現場通過試驗確定。（二）地基承載力的計算 用旋噴樁處理的地基，應按復合地基計算。旋噴樁復合地基承載力標準值應通過現場復合地基荷載試驗確定，也可按下式計算或結合當地情況與其土質相似工程的經驗確定。 旋噴樁單樁承載力 旋噴樁單樁承載力的規(guī)定，基本出發(fā)點是與鉆孔灌注樁相同，但在以下方面有所差異。1樁徑與樁的面積 由于旋噴樁樁身的均勻性較差，因此選用比灌注樁更高的安全度；另外樁徑與土層性質及噴射壓力有關，而這兩個因素并非固定不變，所以在計算中規(guī)

17、定選用平均值。旋噴樁單樁承載力 2樁身強度 設計規(guī)定按28d強度計算。試驗證明，在粘性土中，由于水泥水化物與粘土礦物繼續(xù)發(fā)生作用，故28d后的強度將會繼續(xù)增長，這種強度的增長為安全儲備。3綜合判斷 由于影響旋噴單樁承載力的因素較多，因此除了依據現場試驗和規(guī)范所提供的數據外，尚需結合本地區(qū)或相似土質條件下的經驗作出綜合判斷。 第三節(jié) 劈裂灌漿設計計算一、堤壩地基劈裂灌漿 堤壩地基劈裂灌漿防滲技術是1980年以后發(fā)展起來的一項新技術。它打破了長期以來認為中細砂層不可灌的傳統(tǒng)觀念，在一定范圍內以新的灌漿理論解決了粉細砂及土砂夾層堤壩透水地基的滲漏問題。 該項技術具有設備簡單、容易操作、效果好、工程造

18、價低等優(yōu)點，主要適用于堤壩軟基附加應力場主要影響范圍以內的土砂夾層或粉細砂層地基的防滲問題，尤其是對由于地下水位降引起的堤壩地基裂縫尤為適用。 對于礫卵石堤壩地基或防滲深度起過堤壩地基應力場主要影響范圍以外的防滲問題則不宜采用。1漿液選擇 堤壩地基劈裂灌漿所用漿液不同于土壩壩體和土堤的灌漿，因為堤壩地基劈裂灌漿是解決堤壩透水砂層的滲漏問題。所以，它所用的漿液一般是粘土水泥漿或以粘土、水泥、膨潤土為主的其他自凝漿液，也可是粘土固化漿液（即粘土加固化劑），對漿液要求具有良好的流動性和穩(wěn)定性，并在一定的時間內達到凝固，對于所形成的漿液結石應具有一定的強度和抗?jié)B性能。2灌漿帷幕設計 灌漿帷幕的深度，一般是根據工程對滲流控制的要求來確定。例如，有的工程要求控制滲透坡降或流速，使之不發(fā)生滲透變形，以保證地基和壩體的滲透穩(wěn)定性；也有的工程要求控制滲流量，使?jié)B漏水盡量降低到最小。由于不同工程對滲流控制的目的要求不同，所以對帷幕的深度要求亦不相同。從帷幕封堵整個透水砂層的程度來看，可分為兩種，即接地式帷幕和懸掛式帷幕。 對穿過整個透水砂礫石層，直接到基巖或相對不透水層的帷幕叫接地式帷幕，未竅過整個透水砂礫石層的帷幕叫懸掛式帷幕，在砂礫石層很厚、基巖或相對不透水層埋藏很深的情況下，為滿足基礎防滲或工程安全的要求，也可采用懸掛式防滲帷幕。二、土壩壩體劈裂灌