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1、注浆加固边坡的设计与施工1.1 概述1.1.1注浆加固技术的概念 注浆加固技术：用液压或者气压将能凝固的液浆注入物体的裂缝或孔隙，以改变注浆对象的物理力学性质，以满足各类土木建筑工程的需要。1.1.2 注浆技术的优点1.施工设备简单 注浆工程施工设备主要由钻孔机械 、注浆泵 、搅拌装置 、喷枪 、流量计 、止浆塞等 ,这些设备除钻孔机械稍复杂外 ,其他都比较简单。2.规模小、耗资少 这种加固方法相对其他方法而言,工程实施规模小 ,人工 、 材料 、机械消耗小 ,相应减少加固施工耗资。3.占地面积小 、施工灵活方便。 由于施工设备简单 、施工场地小 ,在狭小的场地 、矮小的空间均可施工 ,对施工
2、周围交通影响小 ,在城市高层建筑 、市政工程深基础施工中显示出得天独厚的优势。4.工期短 、见效快 注浆工程施工必须连续进行 ,可以小时进行 ,施工效率高。由于通常属化学注浆 ,胶凝时间短 ,工程实施见效快。5.施工噪声和震动小 施工机械简单 ,且大部分时间都是靠注浆泵工作由液体压力完成 ,施工中产生的噪声和震动很小 对施工周围环境影响小,在居民区施 工其优点更显突出。6.加固深度可深可浅 ,易于控制 由于该工法是采用成孔压力把浆液注入地层达到加 固的目的 ,其加固深度 就好控制,只要地层允许可在成孔范围内任意实施 。7.应用领域广泛 注浆的应用极广 ,而切其应用范 围还在不断扩大。目前的主要
3、应用领域有土建 、市政工程 、水利电力、交通能源 、隧道 、地下铁路、矿井、地下建筑等 。1.1.3 注浆技术的历史 注浆技术的发展已有百年历史，法国人开辟了注浆施工的先河英 国于1860年在阿里因普瑞贝矿首次用水泥注浆对井筒进行注浆堵水 ,成功地解决了井筒漏水问题 ,发明了硅酸盐水泥,从此水泥开始成为注浆的主要材料；此后又有化学注浆、水玻璃注浆材料和双液单系统注浆法和水玻璃氯化钙注浆法的出现。 特别是到了20 世纪40年代,注浆技术的研究和应用进入了一个鼎盛时期,各种水泥浆材、化学浆材相继问世 ,注浆技术的应用范围及规模也越来越大。1.1.4 注浆法的分类 按工程问题分为：1.坝基注浆2.隧
4、道注浆3.基坑注浆4.边坡加固注浆5.混凝土结构补强注浆 按材料分为：1.水泥注浆2.化学注浆（主要使用于微裂缝的注浆）3.混合注浆注浆法的分类 按注浆对象分为：1.岩石注浆2.砂砾注浆3.粘土注浆 按功能分为：1.防渗注浆2.加固注浆3.基础托换注浆注浆法的分类按浆液的分布状态分 1.渗透注浆：指浆液以渗透渗入方式，渗入土体孔隙的注浆方式。 2.挤密注浆：指用很稠的浆液灌入事先在地基土内钻进的孔中并挤向土体，在注浆处形成浆泡，浆液的扩散靠对周围土体的压缩。 3.劈裂注浆：劈裂注浆是目前应用最广泛的一种注浆方法，是在钻孔内施加液体压力于土体，当液体压力超过劈裂压力时土体产生水力劈裂，也就是土体
5、突然出现裂缝，吃浆量突然增加，劈裂注浆在注浆孔附近形成网状浆脉，通过浆脉挤压土体和浆脉的骨架作用加固土体。1.1.5 注浆加固在边坡中的应用 注浆在边坡中有两方面的应用： 一方面是对于由崩滑堆积体、岩溶角砾岩堆积体，以及松动岩体构成的极易滑动的边坡或由于开挖形成的多卸荷载裂隙边坡，对坡体注入水泥砂浆，以固结坡体并提高坡体强度，避免不均匀沉降，防止出现滑裂面。 另一方面对于正处于滑动的边坡、存在潜在滑面的边坡，或者处于不稳定的滑坡运用注浆技术对滑带压力注浆，从而提高滑面的抗剪强度，提高坡体稳定性。 影响注浆效果技术的因素：工程问题，地质特征，注浆材料，压浆技术颜 峰 姜福兴 裂隙岩体注浆加固效果
6、的影响因素分析1.2 注浆材料1.2.1注浆材料的分类1.2.2 注浆浆液的性质（1）浆液的渗入性 浆液的渗入性是指浆液渗入岩土的能力。浆液的渗透性直接影响浆液的扩散距离，渗入性好，浆液的扩散距离大。 浆液的渗透性与所用的灌浆原理和浆液的种类有关，不同的灌浆原理和不同的浆液品种，其控制因素是不同的。 渗透灌浆在采用粒状浆液材料时，浆液的渗透能力与颗粒的大小有关; 化学灌浆，浆液的渗透能力将受到流动性的影响; 劈裂灌浆，尺寸效应和流变效应将产生较复杂的影响。颗粒细度和浆液浓度对浆液黏度的影响 从尺寸效应出发，浆液的颗粒的细度越高，渗入能力越强，但同时导致浆液的黏度增加，浆液变稠，影响渗入能力。因
7、此在实际的浆液配制时硬正确处理浆液的细度。2cm / g（2）浆液的稳定性浆液的稳定性主要是指浆液的化学稳定性，即浆液是否会发生强烈的化学反应，以致影响浆液的基本力学性质。在边坡注浆加固中采用的粒状浆材的稳定性主要指水泥浆和水泥砂浆的分层性和析水性。（3）浆液的结石率结石率是指浆液的最初体积与凝结后的结石体积比，一般用百分数表示。结石率越高加固效果越好。影响结石率降低的因素主要由析水沉淀和浆液的自身收缩。改良方法：在浆液中掺入高塑性粘土和降低浆液的含水量。（4）浆液的强度特性浆材的强度越高加固效果越好。（5）浆液的耐久性加固岩体处于的特殊环境下，如养护条件差，水压力长期作用，化学侵蚀等，可能使
8、浆液灌注后强度降低、灌注效果降低甚至无效。因此浆液的耐久性是注浆工程的一个重要课题。1.3 注浆理论 注浆理论研究浆液在岩土裂隙中的流动规律，揭示地质条件、浆液的性质和注浆工艺之间的相互关系，为注浆设计和现场施工提供科学依据。 渗透注浆理论 注浆理论 水力劈裂注浆理论 1.3.1 渗入注浆理论31101031rnt =3 k hr3 k hr tr =n 1.砂土注浆体球形扩散公式假定砂土各向同性，浆液为牛顿流体，浆液从灌浆管底部进入地层后呈球形扩散：式中：k砂土的渗透系数，cm/s； 浆液的黏度对水的粘度比; 浆液的扩散半径，cm； 浆液的压力水头高度，cm； 灌浆管的半径,cm； t灌浆时
9、间，s； n砂土的孔隙率。1r1h0r 2.砂土注浆的柱形扩散公式： 3.砂砾石层的注浆扩散公式 4.裂隙岩石的注浆扩散公式pc注浆压力；p0裂隙内水压力；b裂隙宽度，cm；浆液的粘度；21101rn lnr /t=2khr（）2011 0d1t=r n4kvh r0.21c02.2110r=9005rr20（ p-p） tb 2.渗入性注浆的尺寸效应渗入性注浆的尺寸效应是指由于渗入性注浆是在压力较小、地层结构不受破坏的条件下使浆液渗入裂缝，因而要完全实现渗入性注浆，就必须使浆材的颗粒尺寸小于裂缝尺寸。假设浆液的颗粒尺寸为d，地层裂缝的尺寸为 尺寸效应可以表示为R= /d1.R通常称为净空比。
10、理论上只要R1即可实现渗入性注浆，但在实际过程中，当浆液浓度较大时，浆粒会群集进入裂缝，从而使裂缝堵塞。为了避免这种现象，一般使R3，这时浆材颗粒的群集容易被注浆压力冲散。pDpDpDpe =D /ED地层裂缝的尺寸 的确定1）砂砾石的空隙尺寸一般采用数学方法估算：设D为砂砾石的颗粒直径，可定义有效空隙比 有效空隙比一般在0.1950.215之间变化，如果取平均值0.2，则砂砾石的空隙尺寸可近似表示为 =0.2D2）岩石裂隙的尺寸由一种运用钻孔压水实验的方法确定 式中：水的粘度； R水的扩散距离pD36qlogre=P0R（）48rPQLP3.渗入性灌浆的流变效应流变效应指浆液在裂缝中流动时，
11、浆液内部，浆液与孔壁之间将产生摩擦阻力，从而影响渗入性灌浆的可灌性。这种影响可以从浆液在空隙中流动时单位时间的流量计算公式中看出来： 对于牛顿流型体（在圆管中流动时剪切率与剪应力成正比 式中：r毛细管的半径; 有效灌浆压力； 牛顿型流体的粘度； L浆液在管中流动的距离。 对于非牛顿流型体（当剪应力超过屈服应力的时候，流体才能流动）式中： 浆液的塑性粘度； 屈服应力。40p2)8rPQLr（0p 4.渗入性灌浆的局限性 由前述可知，渗透性灌浆由于存在尺寸效应和流变效应的制约，一般在大空隙介质中容易实施。而在实际地层中的裂隙有大有小，要在小裂隙中提高浆液的注满度，一方面缩小浆材的颗粒尺寸，另一方面
12、要准确确定裂缝尺寸。1.3.2 劈裂注浆理论鉴于渗入性注浆的局限性，后来提出了劈裂注浆理论。该理论是通过增大注浆压力，使细小裂缝产生水力劈裂，以提高浆液的可注性。1）岩层的劈裂公式假定地层为各向同性、均匀的线弹性体，钻孔壁开始发生水力劈裂的条件是垂直劈裂：水平劈裂式中： 注浆压力； h岩石的竖向自重应力； 岩石的泊松比； 岩石的侧压力系数； 岩石的抗拉强度； N比例系数，与地层的渗透系数有关和浆液的粘度有关，在01之间变化，对于不透水岩石取1，透水性较大的岩石接近0.00t1p()(2)1hKSN0K0t1p()()(1)h SNtS0p2）砂和砂砾石的劈裂公式在砂和砂砾石地层中注浆，当注浆压
13、力达到下述公式的标准时就会导致地层破坏。式中 ： 注浆压力； 砂砾石的容重； 水的容重； h 注浆段的深度； 地下水位高度； K主应力比；w0pwhwwww0h-h-h-h-p =+cctg22sin（）（1 K）（）（1 K）3）粘性土劈裂公式在粘性土中，水力劈裂将引起土体固结和挤出等现象，当仅有固结时，注浆量体积V及单位体积所需的浆量Q可由以下公式计算：式中： 注浆压力 ； p 有效注浆压力 ； a浆液扩散半径 ； u注浆压力 ； 土的压缩系数 。 20v0v(-u)m4pmaVpr drQ0pvm 1.4.1 设计内容与设计程序 边坡工程地质的调查 工程调查的内容有：地质构造和地层分布情
14、况；土的颗粒级配、含水量、孔隙率、渗透系数、土体强度、有机质含量等物理力学指标；地下水分布和特性；注浆处理范围及其周边区域的构筑物情况。 注浆方案的选择 注浆标准的确定 边坡注浆位置的确定 浆液的配方设计 钻孔的布置与注浆压力的确定 注浆后的边坡的稳定性验算1.4 注浆加固设计 注浆加固设计前而言，注浆法的设计和施工还存在很强的经验性。边坡注浆加固可按下方案选择： 注浆标准 注浆标准是指注浆后应达到的质量标准，在边坡工程中，由于边坡的地质条件千差万别，稳定性差异较大，因而很难规定一个统一的标准，基本原则是要求边坡稳定安全系数达到公路规范的规定。 一般而言，可以根据边坡的地质情况和要求的稳定性反
15、求边坡岩土体的强度参数（c，值），以该强度参数作为对边坡注浆加固设计的标准。 注浆材料及配方设计原则 1）劈裂注浆法的浆液材料可选用以水泥为主剂的悬浊液，也可选用水泥和水玻璃的双液型混合液。 2）用作防渗堵漏的浆液可选用水玻璃、水玻璃与水泥的混合液或化学浆液。 3）压密注浆可选用低坍落度的水泥砂浆。 4）动水情况下的堵漏注浆宜采用双液注浆或其它初凝时间短的速凝配方。 5）在有地下动水流的情况下，不宜采用单液水泥浆等初凝时间长的浆液。 浆液使用的原材料及制成的浆体应符合下列要求： (1)制成的浆体应能在设计要求的时间内凝固，其本身的强度、防渗性和耐久性应能满足设计要求。 (2)浆体在凝固后其体积
16、不应有较大的收缩率，一般应小于 3体积量。 (3)所制成的浆体在 1 小时内不应发生析水现象。 为了改善浆液性能，根据工程需要可在浆液拌制时加入早强剂、减水剂、微膨胀剂、抗冻剂、缓凝剂等外加剂，掺加量可参考产品说明并应作相关试验确定。 浆液的扩散半径的确定及注浆孔平面布置 浆液扩散半径与浆液的流动性和胶凝时间、注浆压力、注浆量、注浆时间等因素有关，其确定方法包括理论公式计算、经验判断和现场注浆试验。 由于地层条件的复杂性，理论公式计算时采用的参数很难符合实际情况，所以在没有足够施工经验的条件下，推荐采用现场注浆试验方法确定浆液扩散半径。 在进行现场注浆试验时要选择不同特点的地基，最好采用多种注
17、浆方法，以求得不同条件下的浆液扩散半径。 现场注浆试验常采用三角形布孔或矩形布孔的方式，如图所示。 注浆试验结束后可通过以下方法评价浆液扩散半径： (1)钻孔压水或注水，求出注浆体的渗透性； (2)钻孔取样，检查空隙充浆情况； (3)用大口径钻井或人工开挖竖井，肉眼观察地层充浆情况，并取样进行室内试验研究。 考虑到地基土的不均匀性，在确定设计浆液扩散半径时要注意选取符合设计要求的，在多数条件下可以达到的扩散距离。确定了浆液扩散半径后，即可设计注浆孔布置。注浆孔的布置应能使被加固土体在平面和深度范围内连成一个整体。 在一般情况下，用作防渗的注浆应设置不少于 3排的注浆孔，多排孔的布置以梅花形布孔
18、为宜，注浆孔间距可按 0.81.2m范围设计；用作提高土体强度的劈裂注浆孔间距可按 1.02.0m范围设计； 压密注浆在选用落度较小的水泥砂浆时，注浆孔间距可按理论球状浆体直径的 25 倍设计。灌浆压力的确定 渗透注浆的最大容许注浆压力推荐采用注浆试验曲线确定，即在注浆试验过程中，逐步提高注浆压力，求得压力和流量关系曲线(如右图所示)，当压力升到某一数值(pf)时，注浆流量突然增大，表明地层已产生劈裂，因而把这一压力值作为确定最大容许注浆压力的依据。 在缺乏试验资料或在进行注浆试验前需预定一个试验压力值时，也可根据以下砂砾地基注浆的经验公式确定。 pe =c( 0.75T+Kh） 或 pe =
19、T+cK h 式中：pe容许注浆压力，100kPa； c 与注浆期次有关的系数，第一期孔 c=1，第二期c=1.25， 第三期孔 c=1.5； T地基覆盖层厚度，m； K与注浆方式有关的系数，自上而下注浆时 K=0.8， 自下而上时 K=0.6； 与地层性质有关的系数，可在 0.51.5 之间选择。结构疏松、渗透性强的地层取低值，结构紧密、渗透性弱的地层取高值； h注浆段至地面深度，m； 系数，在 13 之间选择； 地面以下，注浆段以上土层的重度； 2）岩石注浆压力 式中： 容许注浆压力； D注浆段深度； 表面段容许注浆压力 ； m注浆段每加深1m容许增加的应力，可见下表： BP0BPPmD0
20、P1.5 边坡注浆加固技术的施工 1.5.1 注浆施工前期工作 施工前的原位现场调查现场原位注入试验制定施工计划 1.5.2 注浆施工管理在暂行准则中对工法的选择、设计、施工和水质监测等项目做了如下规定1）注浆法中使用的浆液，目前为水玻璃类浆液，不允许使用有毒或者氟化物。2）关于注浆法的设计和施工，要求注浆地点周围的地下水和公共水域应维持在一定的水质标准，应切实掌握该地区地层的性质、地下水位和公共水域等状况。、3）注入机器的清洗水、注浆注入地点的涌水等废水排向公共水域时，其水质必须达到相应的标准。4）为了防止注浆造成的地下水和公共水域的水质污染，施工单位必须监视注浆周围的地下水位和公共水域的水
21、质污染状况。在边坡加固中如采用纯水泥浆液，则上述问题就可以避免。1.5.3 注浆施工的常用方法注浆施工方式可以分为直接注浆法：所谓直接注浆法是指采用振入或钻孔放入的方式直接将注浆管置入土体中进行注浆的方法。根据采用注浆管形式的不同，直接注浆法可分为注浆管注浆法、花管注浆法、钻杆注浆法、止浆塞注浆法等。 注浆管注浆法指直接通过注浆管下部的管口进行注浆的方法； 花管注浆法是通过在侧壁设置多层注浆孔的注浆管(花管)进行注浆的方法； 钻杆注浆法是指直接通过钻孔用的钻杆进行注浆的方法。埋管注浆法：埋管注浆法是指通过埋设或预埋于结构内的密封管进行注浆的方法，主要用于需穿透结构对其外部进行注浆处理的情况。埋管注浆法形式多样，用途广泛。 低坍落度砂浆压密注浆法(CCG 注浆工法) ：柱状布袋注浆法