注浆理论与技术新进展.pptx

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1、一、应用与发展史 注浆是最有效也是最有前途的加固、堵漏方法。岩土注浆是最有效的地层（地基）处理技术之一，迄今已有近200年历史。（四阶段）1原始粘土浆液阶段（18021857年）初次：1802年法国人查理斯.贝尔格尼修理冲刷闸时，向地层挤压粘土浆液。之后用于建筑物地基加固，之后传入英国、埃及。注入方法原始，浆液简单：粘土、火山灰、生石灰。第1页/共74页2初级水泥浆液注浆阶段（18581919年）硅酸盐水泥出现1826年英国；1845年美国沃森第一次在溢洪道陡槽基础下灌注水泥砂浆；18561858年英国基尼普尔，水泥注浆试验成功；1864年巴洛利用水泥浆液进行隧道衬砌壁后充填注浆，并用于伦敦、

2、巴黎地铁。注浆设备：在18801905年研制压缩空气及压力注浆泵，水泥及注浆泵相继出现，为注浆技术应用创造了条件。第2页/共74页3中级化学浆液注浆阶段（19201969年）化学注浆的开始1920年荷兰采矿工程师尤斯登首次采用水玻璃、氯化钙双液双系统二次压注法，直至20世纪40年代，一直以水玻璃为主；50年代以后1969年，以美国为首研制丙烯酰铵浆液（特点：粘度接近水，凝胶时间可任意调节）等10余种性质各异的化学浆液。但土体加固多用水泥一水玻璃类浆液。化学注浆阶段的特点：相继产生注浆理论和工艺，从1938年马格提出的球形扩散理论到柱状渗透理论逐步形成渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆、复合注浆等理论

3、和工艺。注浆设备和检测仪器也在更新换代。第3页/共74页4现代注浆阶段（1969年至今）以60年代未期出现的高压喷射注浆技术为标志，使注浆结石体由散体发展为结构体。注浆材料发展向超细水泥方向发展，逐步取代化学浆液，减少环境污染和工程造价。应用范围：随着工程需求而产生、发展，出现问题解决问题注浆理论技术发展 19世纪桥梁；20世纪高层；21世纪地下工程。注浆技术广泛应用于城市地下工程、地基、矿山、路桥、隧道、边坡、水利等工程领域。第4页/共74页第5页/共74页第6页/共74页第7页/共74页第8页/共74页第9页/共74页二、注浆理论与技术的主要研究内容1注浆对象的可注性能不能注浆；2注浆浆液

4、及其特性强度、流动性、凝固 时间、注浆材料选择；3浆液在岩土层中流变特性及流动规律 浆液扩散机理、注浆压力、扩散半径等；4注浆设备及工艺注浆泵、注浆器、注浆 方式（常量、常压、上行、下行）；5注浆效果检测方法。第10页/共74页三、研究方法（6种）1工程地质和水文地质方法用工程地质和水文地质方法（钻探、抽水）调查拟注浆范围的地层及岩性特征和地下水特征（水源、水位、水压、流向、流速、水质）确定注浆平面位置、层位，选择浆液的胶凝时间。第11页/共74页2土工试验及压水试验对注浆范围内土质进行室内土工试验，了解土的物理力学性质，尤其是颗粒分布、孔隙度、渗透系数，是判断可注性和计算注浆量的重要依据。裂

5、隙岩体压水试验，可以得到注入率，据此既可确定浆液类型、浆液浓度、注浆率，还可用于检测注浆效果。第12页/共74页 3室内模拟试验和现场试验 室内模拟试验可以观察到注浆全过程，可直观看到浆体分布。可模拟复杂条件下（地质、水流、裂隙状态）注浆参数。现场试验可提供可注性和注浆参数；作为设计、施工依据。4化学试验方法 通过化学分析和化学试验获得注浆浆液的配比和性质。常用于新材料研制和已有材料改性。第13页/共74页5理论计算和工程类比注浆范围（支护参数）应用土力学和岩石力学理论来确定（解析法、数值计算）注浆工艺参数（注浆压力、注浆量、浆液浓度、胶凝时间、注浆时间（滞后时间）等）采取注浆理论计算与工程类

6、比相结合的方法确定。第14页/共74页6钻孔检查和物探方法（检查注浆效果）防渗帷幕注浆效果检查压水或抽水试验（井筒、深基坑）；加固注浆效果检查钻孔取芯、物探（弹性波）；注浆减沉效果核定建议采用钻孔法。第15页/共74页四、注浆分类按注浆压力分为：静压注浆、高压喷射注浆。1静压注浆压力较低，注浆压力随浆流迂到的阻力增大而升高，浆液注入后为流动状态。根据地质条件、注浆压力、浆液对土体的作用机理、浆液运动形式不同，静压注浆分为四种：充填或裂隙注浆 用于大洞穴，构造断裂带，衬砌壁后注浆及节理裂隙的防渗固结注浆，压力可小可大。第16页/共74页 渗透注浆 在不破坏地层颗粒排列条件下，浆液充填于颗粒间隙中

7、，将颗粒胶结成整体。渗透注浆必要条件：d浆液1000浆液流动状态不同水泥颗粒下沉速度Ve不同（析水速度）第34页/共74页Ve计算：水泥浆液的流动属于两相流体，在静止状态下，水泥浆液具有析水沉淀特性。在不同的流动状态下其沉淀速度是不一样的。水泥颗粒的下沉速度-即析水速度Ve，在不同流动状态下可以按以下公式计算：对于完全静止和层流浆液（Re=1），采用斯托克斯公式第35页/共74页对于过渡流态浆液（Re=2300），采用阿莲公式第36页/共74页对于紊流（Re 1000），采用牛顿一雷廷格公式第37页/共74页式中：Ve 水泥颗粒下沉速度，cm/s；R水泥颗粒密度，g/cm3；0水泥颗粒在水中密

8、度，g/cm3；dR水泥颗粒直径，mm；水泥粘性系数。第38页/共74页在静止和层流状态，水泥颗粒下沉速度最快，过渡态次之，紊流最慢。一般在钻孔附近浆液呈紊流，远离钻孔为层流。因此，水泥浆液在层流段沉积。另外，影响水泥沉淀速度的因素还有水泥的比重、颗粒大小、水泥浆液的浓度和外加剂。通常，在相同浆流速度和浓度下，水泥比重和颗粒越大，越容易下沉；当水泥颗粒直径7.89.8MPa，注浆压力0.1mm时，可用普通水泥注浆加固。第43页/共74页第44页/共74页裂隙开度可用布辛涅斯克公式估算。该公式假定在一个圆形体内，由弹性材料夹持的缝面上因承受均匀荷载而引起弹性变形。变形后承载面中心处变形量流体波及

9、面前缘处变形量第45页/共74页 式中：E 岩石弹性模量V 岩石泊松比R 浆液扩散半径 Pa作用于裂隙壁面上平均压力 裂隙初始开度第46页/共74页乔卫国提出的压水扩缝计算方法本研究提出采用压水扩缝注水泥浆新工艺加固开度小于0.1mm0.1mm的裂缝岩体，对该工艺的技术可行性、机理及有关参数计算方法进行了理论分析和实验室试验研究，给出了有关注浆参数的确定方法。第47页/共74页（1 1）理论分析 向围岩裂隙中注入液体时，在液体压力作用下，裂隙周围的岩体产生弹性压缩而增大裂隙开度，裂隙开度的增加值与液体压力的关系取决于裂隙体的弹性，可用下式近似表示。式中：裂隙中液体压力为P P时的开度；0 0裂

10、隙的初始开度；裂隙开度增大系数；P P裂隙中液体压力。第48页/共74页 由上式可知：当细小裂隙的开度增大系数超过2MPa2MPa-1-1时，液体压力增加252530MPa30MPa可使裂隙开度增加50506060倍。在这种压力下，即使在=0.05=0.050.1MPa0.1MPa-1-1,即变形量极小的所谓刚性岩石，其裂隙的开度也会增加到原来的2 24 4倍。鉴于上述分析，对开度小于0.10mm0.10mm的细小裂隙，先采用压水扩缝，而后进行水泥注浆的压水扩缝注浆加固岩体的工艺在技术上是可行的。第49页/共74页 根据瓦赫拉米耶夫.及日尔托尔.有关裂隙注水理论，针对矿山巷道注浆的特点，经过综

11、合分析，建立了理论计算公式，用来计算压水扩缝时使裂缝开度增加到0.1mm0.1mm以上时注浆孔中必须的注水压力。式中：P P2 2注浆孔中注水压力（即随后进行水泥注浆的压力）；压水扩缝后距注浆孔R R处裂隙开度。对压水扩缝后的裂隙注浆，应采用常压注入水灰比为1:21:2的稳定水泥浆液，这种浆液的结石率几乎为百分之百。常压注浆压力应与注水压力相同，这时可以认为扩缝后的裂隙开度在注浆过程中保持不变，是一种刚性的裂隙。第50页/共74页（2 2）模拟试验与数据分析 实验室试验的主要目的是检验理论分析得到的计算公式的准确性，并研究稳定水泥浆液（水灰比为1:21:2）在压水扩缝的裂隙中扩散过程。实验在一

12、个含有裂隙的模拟试验台上进行。该试验台具有一个径向扇形裂隙，夹角为1111，可以模拟离注浆孔2.5m2.5m范围内裂隙注浆充填过程。为保证所需要的裂隙开度增加量，模型裂隙一侧采用厚度为110mm110mm的弹性变形橡胶板，该板比岩体具有更大的弹性变形系数。当模型裂隙不再吸收水泥浆液时，关闭注浆泵，停止注浆。打开模型顶盖，将裂隙沿长度方向均匀分为1010个区段，每区段长度为0.25m0.25m，分别收集、量测每区段中水泥沉积物的体积。某区段水泥沉积物体积与该区段裂隙体积的比值，即为模型裂隙中该区段水泥浆液的实际结石率，该值反映了压水扩缝后每个区段的注浆效果。第51页/共74页（3）结论 压水扩缝

13、注水泥浆工艺加固0.1mm裂隙岩体是可行的，可保证小开度裂隙充填胶结密实，提高注浆加固效果。压水扩缝时使裂缝开度增加到0.1mm以上时注浆孔中必须的注水压力为 根据上式建立的诺模图（图11），可用于确定注水扩缝时最终注水压力P2。第52页/共74页图图11 压水扩缝注浆时确定最终压力诺模图压水扩缝注浆时确定最终压力诺模图 第53页/共74页3保证均匀注浆半径和充填质量的工艺和技术锥形注浆器（可控压力）变浓度和压力注浆器易恭猷（可控压力）第54页/共74页可控浆液压力和浓度注浆器研究 地下工程围岩裂隙分布规律为，靠近巷道轮廓处的裂隙开度和裂隙密度最大，随着与巷道轮廓距离增大，其开度和密度逐渐减小

14、。因此，理想的注浆工艺应该是在注浆孔底部以较大压力注入稀水泥浆液，而在孔口部低压注入浓浆，从而保证在注浆孔周围形成一个浆液扩散半径较为均匀、胶结密实的圆柱体，而不是半径迥异的锥台体。为此，研制了一种可变注浆孔内压力的新型注浆器。第55页/共74页图9 可控浆液压力和浓度的注浆器构造示意图 1、注浆管 2、外管 3、内管 4、集水腔 5、导水管 6、丝堵 7、止浆垫 8、导水压板 9、螺母 10、滤水沙子 11、滤水条缝 注浆器结构：可控浆液压力和浓度注浆器由注浆管1、带有许多透水条缝的金属外管2和内管3、以及装在内外管之间的滤水材料10组成。第56页/共74页注浆器原理 该注浆器的工作原理在于

15、注浆时水泥浆液通过注浆管1 1压入注浆孔底部，并沿注浆孔壁与外管2 2之间的空隙向孔口部流动，这时水泥浆液中部分水透过外管、内管上的滤水条缝1111，经内外管之间的滤水沙子1010和集水腔4 4、导水管5 5排出注浆孔外。这样，浆液自孔底部向孔口部流动越远，其经过的滤水条缝越多，浆液失水亦越多，其浓度也越高，而其压力则越低，从而满足了向孔底部小开度裂隙以较高压力注稀浆，向孔口部大开度裂隙以较低压力注浓浆的需要。该注浆器可以使孔口压力降低为孔底的1/71/71/81/8，从而使注浆孔周围浆液扩散半径在孔口部与孔底部基本均衡。通过模拟试验确定了注浆器的主要参数，验证了该注浆器改变注浆孔内浆液压力的

16、有效性。第57页/共74页模拟试验装置模拟试验采用注浆孔模拟试验台第58页/共74页 图 注浆孔模拟试验台 1、注浆孔 2、模拟裂隙 3、裂隙空腔 4、隔断 5、隔断小孔 6、裂隙孔口 7、压力表 8、水泥浆液 9、出浆孔 10、高压胶管 11、水泥沉积物 12、水 第59页/共74页表1 模拟注浆试验结果第60页/共74页结论 根据1818组5454次模拟试验结果，提出的注浆器的合理参数为：注浆器长度2.1m2.1m、外管直径48mm48mm、滤水沙粒径为0.630.630.35mm0.35mm、滤水沙厚度10mm10mm、滤水条缝宽度0.6mm0.6mm、间距10mm10mm或5mm5mm

17、，该注浆器适用于直径52mm52mm的注浆孔。它可以改变注浆孔中浆液压力，使孔口压力降低为孔底的1/71/71/81/8，从而使注浆孔周围浆液扩散半径在孔口部与孔底部基本均衡（R R口R R底=1.5=1.52.02.0）。设计的长条式滤水条缝，便于用钢丝刷清洗；采用河沙作滤水材料，价格低廉，便于更换，从而保证该注浆器重复使用。第61页/共74页4注浆方式选择判据 本研究根据弹性变形理论分析了巷道围岩裂隙开度在注浆过程中增大和恢复的机理，提出了采用稀水泥浆液注浆时，选择常量法和常压法的判断准则，给出了使用该判据选择合理注浆方法的步骤。根据完成的水泥浆液在裂隙中扩散过程的理论分析和实验研究结果，

18、提出了常量注稀水泥浆加固裂隙岩体时保证效果的准则：第62页/共74页 当上式条件得以满足时，应采用常量法注浆，直至达到最大终压值；当上式条件不能满足时，则采用两种注浆方法。首先仍采用常量法注浆，达到终压后则改为常压法注浆，以充填已有注浆范围内尚未完全注满的裂隙，直至浆液流量减少至初始流量的90-95%90-95%。因为裂隙与水泥沉积物之间的残余开度在停止注浆后，因裂隙岩体弹性恢复而减小，直至压紧其中水泥沉积物，从而保证水泥将裂隙岩体胶结成整体。第63页/共74页5关于注浆合理带后时间确定 通过理论分析和试验研究，建立了巷道围岩裂隙系数与巷道轮廓位移量之间相关关系，提出了采用注浆锚杆兼作注浆滞后

19、时间指示仪的方法和原理，分析了开始注浆时巷道围岩裂隙系数的合理取值范围，给出了确定巷道轮廓位移量的诺模图。旨在通过计算和量测，分别确定每个注浆孔的注浆滞后时间。第64页/共74页(1)(1)注浆滞后时间指示锚杆及其工作原理 用注浆锚杆兼作注浆滞后时间指示仪（见图1212）。巷道掘进后将注浆锚杆3 3用快硬水泥药卷5 5安装固定在注浆孔2 2内，锚杆尾部外露长度约为0.2m0.2m。通过计算确定开始注浆时巷道轮廓合理位移量U U，并在锚杆尾部作好红色标记1(a1(a图)。当巷道围岩裂隙扩展，巷道轮廓内移，锚杆尾部缩进至标记1 1时，表明该锚杆周围裂隙恰好发育至适合注浆。此时可以用快硬水泥6 6封

20、堵注浆锚杆孔口，安装注浆软管，开始注浆(b(b图)。显然，确定达到最佳注浆条件时巷道轮廓的合理位移量U U，是该方法的一个关键。第65页/共74页图图12 注浆滞后时间指示锚杆注浆滞后时间指示锚杆a注浆滞后时间指示锚杆初始安装图；b巷道轮廓位移后指示锚杆状态图1注浆时巷道轮廓合理位移量标记；2注浆锚杆孔；3注浆锚杆，22黑铁管；4锚杆出浆孔；5快硬水泥锚固药卷；6快硬水泥封口药卷；7注浆软管 第66页/共74页(2)开始注浆时巷道轮廓合理位移量U的计算方法 要保证巷道围岩达到最佳注浆加固效果，就必须在围岩中形成必要的裂隙，所产生的轮廓位移量U可由下式计算：（见图13）编制了专用软件“Micro

21、soft QBasicMicrosoft QBasic”求解上述超越方程。可计算当巷道轮廓处裂隙系数m mK K达到某给定值时，巷道轮廓的位移量U U。第67页/共74页图13 巷道轮廓位移计算图 1巷道掘进刚结束时轮廓线的位置；2产生位移U时巷道轮廓线的位置；3巷道围岩裂隙区的边界；4裂隙 第68页/共74页 (3)(3)结论 现场试验测试和计算结果证明：1 1）当巷道围岩中裂隙系数m mK K=4=45%5%时，实施注浆加固的效果最好。因为此时围岩中大部分裂隙已张开，但是尚未产生大变形和围岩冒落；2 2）当m mK K=4=45%5%时，巷道轮廓合理位移量U U为30-45mm30-45m

22、m；3 3）本研究提出的确定注浆合理滞后时间的方法，首先计算和给出巷道断面合理收敛量U U，再通过注浆锚杆自动显示巷道表面位移量。由于每根锚杆周围地质条件的差异，裂隙发育时间，即达到给定位移量所需时间亦不同。因此，每根锚杆提供的开始注浆时间（滞后时间）也不同，一般为10102020天。这样可根据每根注浆锚杆周围裂隙发育的实际情况，在适当时间分别对每根锚杆注浆，从而提高整个巷道的注浆加固质量。第69页/共74页6关于注浆锚杆与注浆加固技术的研究现状（1）岩体俄研究最早、成果最高，仍领先 易“八五攻关”指出锚注 而 1989年 俄 国 出 书，介 绍 该 工 艺，Ho （2），化学注浆，金属矿山岩体注浆加固（3）土体注浆加固，日本领先（4）国内：建井所高压喷射注浆第70页/共74页第71页/共74页7、主要参考书1 .,.,.:,1994.2 邝建政，昝月稳，王杰，杜嘉鸿等.岩土注浆理论与工程实例.北京：科学出版社，2001.3 -,.,.,-.:-，2003.第72页/共74页 谢 谢!第73页/共74页感谢您的观看！第74页/共74页