巖土工程特殊施工技術(張彬)

1、,講授：張 彬?qū)W時： 40,巖土工程特殊施工技術,第一講　地下水,目前，水資源嚴重短缺，是世界性的難題。這不是我們研究的范疇，而是研究地下水的另一面，即地下水對土建工程的影響和危害。地下水對地下工程（深基坑、橋基、路基及礦山建設、城市管線附設等）設計方案、施工方法與工期、工程投資以及工程長期使用都有著十分密切的關系。如果對地下水處理不當，可能產(chǎn)生不良影響，甚至發(fā)生重大工程事故。例如（思考題）：市政管線、橋基、路基（翻漿）。地下

2、工程特殊施工方法大都針對如何處理地下水或減少其對工程的危害而相應產(chǎn)生的，是地下建筑施工的重要組成部分。一、地下水的分類 地下水按埋藏條件不同，分為三類，如圖1-1所示。,,海（江、河）,潛水位,第一隔水層,承壓水,透水層,局部隔水層,地下通道,上層滯水,C*,A*,B*,圖1-1 地下水埋藏條件示意圖,1 上層滯水地表水下滲，積聚在局部透水性小的粘性土隔水層上的水，稱為上層滯水。這種水靠雨水補給，有季節(jié)性，存在于雨季，旱季可能

3、干涸?？辈鞎r，應注意與潛水區(qū)分。2 潛水（凈壓水）埋藏在地表以下第一個連續(xù)分布的穩(wěn)定隔水層以上，具有自由水面的重力水，稱為潛水。其自由水面為潛水面，水面標高稱為地下水位。地面至潛水面的鉛直距離稱為地下水的埋藏深度。潛水由雨水與河水補給，水位也有季節(jié)性變化。地下水埋藏深度各地區(qū)相差較大，如南方一些地區(qū)不足1m，西北黃土高原深達100~200m。3 承壓水埋藏在兩個連續(xù)分布的隔水層之間，完全充滿的有一定壓力的地下水，稱為承壓水。如

4、打穿承壓水上面的第一隔水層，則承壓水因有壓力而上涌，壓力大時可以噴出,地面。對于礦山工程中的立井，深度達幾百米至千米，在施工過程中可能穿過多個承壓含水層，應引起足夠重視。思考： 1.試舉例說出上述三類地下水（湖水、井水、 泉水及江河）。 2．計算水壓力：A點、B點及C點。 3．不同地下水對地下工程的危害。如地下通道經(jīng)過A點、B點及C點時。,二. 人工降低水位法,降低水位法分明排法和人工

5、降低水位法。明排法是在基坑開挖至地下水位時，在基坑周圍內(nèi)基礎范圍以外開挖排水溝或在基坑開挖排水溝。相隔一定距離設集水井，地下水沿排水溝流入集水井，然后用水泵將水抽走。流砂去了水好象老虎去了腿明排法是一種簡單的地下水處理法，當?shù)叵滤畨狠^大而又為細粉砂時，采用明排法往往會發(fā)生涌砂冒泥即流砂現(xiàn)象，難以施工。此時應采用人工降低地下水位方法。,1、方法實質(zhì)人工降低地下水位，就是在井筒或地下工程基坑開挖前，預先在其四周埋設一定數(shù)量的濾水管或井，

6、用抽水設備抽水，形成聯(lián)合降水漏斗，使地下水位降落到坑底以下，同時在開挖過程中仍不斷抽水。從根本上防止流砂現(xiàn)象的發(fā)生，改善了工作條件，同時由于土中水被排除后，動水壓力減少或消除，邊坡可以放陡，減少挖土量。此外，由于滲流向下，在動水壓力的作用下，增加了土顆粒間的壓力，使坑底土層更為密實。人工降低地下水位方法有：輕型井點、噴射井點，電滲井點、管井井點及深井泵井點等，可根據(jù)土的滲透系數(shù)、要求降低水位的深度、工程特點及設備條件等。,2、輕型井點

7、系統(tǒng)輕型井點就是沿基坑四周將許多根直徑較細的井點管埋入地下含水層內(nèi)，井點管的上端通過彎管與總管相連接，用抽水設備將地下水從井點管內(nèi)不斷抽出，這樣便可將原有地下水降至坑底以下。輕型井點布置，見圖１－２所示。,輕型井點包括由井點管、總管組成的管路系統(tǒng)和抽吸設備兩大部分。井點管長5~8m，直徑38~50mm的鋼管做成。濾管長1~2m，直徑同井管，管壁鉆有直徑38~50mm的濾孔，按梅花狀排列，濾孔總面積與濾管表面積之比約為20~25%。,3

8、、噴射井點系統(tǒng) 當基坑開挖深度或降水深度超過6m時，上述輕型井點必須采用多層井點，但增加了挖土量與設備數(shù)量，有時因場地狹小，不可能布置。此時可考慮采用噴射井點。噴射井點系統(tǒng)布置，見圖7-7所示。,噴射井點系統(tǒng)除抽水原理與輕型井點系統(tǒng)不同外，兩者的布置基本相同。其工作原理是：高壓水泵將具有一定壓力(7~8kg/cm2)的工作水通過供水總管分配到各個井點管，從各個井點管的內(nèi)管與外管之間的環(huán)形空腔入進水窗，由噴嘴噴出。因噴射水流流速急劇增

9、加，壓力水頭相應降低，吸走周圍空氣而形成高度真空(700mm以上)。管內(nèi)外的壓力差將地下壓力水吸入井管。地下水及一部分空氣通過濾網(wǎng)，從濾管中的芯管上升至揚水器，經(jīng)過噴嘴兩側與噴射出來的高速水流一起進入混合室，并在混合室中混合，進行能量交換，流速逐漸減小，由流速水頭逐漸變?yōu)閴毫λ^，地下水被排至地面，并經(jīng)排水總管進入集水池重新參與工作循環(huán)，多余的水被排走。,4、管井井點和深井泵井點在遇有流砂，特別是地下水充沛的土層，宜用管井井點或深井泵

10、井點，兩者與輕型井點的不同之處是每個井點均單獨采用一臺泵，而后者是將泵放置在井管中。井點布置，見圖7-8及圖7-9所示。,5、電滲井點 在飽和的粘性土中，由于土的透水性差(滲透系數(shù)小于0.1m/d)，用一般的抽水方法很難抽出地下水，因此，必須用電滲井點排水。 19世紀初，列斯用直流電通過含水土時，發(fā)現(xiàn)了電動現(xiàn)象。電動主要包括電滲和電泳兩種現(xiàn)象。在飽和粘土中插入兩根電極，通過直流電，則陽極周圍的土中水會向陰極流動，土中細顆粒向陽

11、極移動或壓密，前者稱電滲現(xiàn)象，后者稱電泳現(xiàn)象。,分減少，陰極處則增加。因此，電滲現(xiàn)象在粘土顆粒含量多且含水量大的飽和土層較顯著，若含水量接近塑性限界，則電滲現(xiàn)象很弱。電泳現(xiàn)象是帶負電荷的土顆粒由陰極向陽極移動，對土層起固結作用，從而對軟土地基有加強作用。電滲井點布置，（金屬棒——鋼筋和井點管的陰陽極）。問題：降水方法的優(yōu)化選擇、降水對周邊建筑的影響。,三. 板樁法當通過厚度不大的松軟巖層或不穩(wěn)定含水層的地下工程施工中，可采用板樁法施

12、工。板樁法的實質(zhì)是在地下工程尚未開挖前，在其開挖范圍以外，將板樁依次打入，穿過不穩(wěn)定含水層，插入到隔水層一定深度（即預先在地下構筑防水帷幕）。此后，在板樁的臨時支護下進行開挖與砌筑作業(yè)。條件：厚度不大（含水層厚度大，板樁未插入隔水層會發(fā)生何情況）、不含漂石、探頭石等。問題：地質(zhì)條件、水平抗力、封底。,第二講 凍結法,凍結法是通過人為制冷的方法，將土層（巖層）中的水凍結，形成有一定強度和厚度的凍結體（臨時防護結構），在其保護下進

13、行巖土開挖的特殊施工方法。它是受自然法的啟發(fā)發(fā)展起來的，人工凍結法和液氮或干冰（固體CO2）。下面簡單介紹各方法的實質(zhì)。1。自然凍結法來自西伯利亞河床下金礦開采。（包括直接凍結和木垛加碎石凍結）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,自然凍結厚度,木垛,流動水,流砂層,礦床,碎石,2-2 木垛加碎石凍結示意圖,圖2

14、-1 直接凍結示意圖,2．人工凍結法（壓縮機制冷） 即采用人工制冷的方法（如冰箱、冷凍機等），將巖土凍結。制冷的主要設備如下：,壓縮機 冷凝器（蒸發(fā)器） 調(diào)節(jié)閥如何將以上四種設備組成制冷系統(tǒng)。？關鍵是兩個要點：物質(zhì)的狀態(tài)變化伴隨熱量的傳遞，二是熱的傳遞規(guī)律（第二定律）。1 1）  熱量傳遞　　　　　 吸熱　　　　　

15、 吸熱 固態(tài) 液態(tài) 　 汽態(tài)（如水）　　　 放熱　　　　　　 放熱,,,,,現(xiàn)象：室內(nèi)噴水、涼水、酒精、丙酮擦身，立冬溫、開春冷等。 制冷的過程也就是利用某種特定的物質(zhì)的狀態(tài)變化來實現(xiàn)的，這種物質(zhì)叫制冷劑。從上式分析，水變汽吸熱（100度），能做制冷劑嗎。必須是汽化溫度低于0度（必要條件），這類物質(zhì)很多，常用的有：氨（一個大氣

16、壓下，汽化溫度—35℃）、液氮——制氧副產(chǎn)品—195℃、CO2—78℃、氟里昂—30℃等。人為造成這類物質(zhì)狀態(tài)變換機制，即能實現(xiàn)制冷。如何構建這種機制，這就是第二個問題。 熱量從高溫熱源到低溫熱源傳遞是熱力學第二定律。我們的目的是將熱量從低溫熱源向高溫熱源傳遞，如何實現(xiàn)，這就是熱力學第二定律，外界作功。以氨為例說明制冷過程（地層或冰箱）——設備連接圖和壓焓圖。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

17、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,冷卻水循環(huán)——去冷水塔（+25℃） p,冷媒劑循環(huán)（-30℃）,供液管凍結管,回液管,1,2,３３｀,圖2-3 凍結系統(tǒng)示意圖,壓-焓圖 i,凍土,冷媒劑（鹽水）,4,2,1,4,３｀,3,制冷（劑）循環(huán),2）制冷、凍結原理飽和蒸汽氨（-35℃）由1進入壓縮機，壓縮機對其作功，飽和蒸汽氨變成過熱蒸汽氨（+120℃），

18、沿等熵線到達2；過熱蒸汽氨等壓進入冷凝器，與冷卻水進行熱交換，轉化為飽和蒸汽氨（+30℃），到達3｀（+30℃）為飽和液態(tài)，繼續(xù)冷卻變?yōu)檫^冷液態(tài)3（+25℃），經(jīng)過調(diào)節(jié)閥，等焓降壓到4，進行汽化，同時吸收周圍介質(zhì)（冷媒劑）的熱量，到達1（-35℃），至此完成一次制冷循環(huán)，周而復始，達到制冷的目的。鹽水（冷媒劑）在蒸發(fā)器內(nèi)，吸收氨氣的冷量，低溫鹽水由鹽水泵，有供液管進入凍結管，與巖土進行熱交換后進入回液管，再回到蒸發(fā)器，完成一次鹽水循環(huán)

19、。循環(huán)的結果，鹽水不斷吸收巖土的熱量使其凍結，直到達到設計的凍土厚度。,人工凍結熱量傳遞的途徑是：巖土（凍土）→鹽水→氨→冷卻水→大自然。 作功冷源 熱源,,3）液氮或干冰（固體CO2）直接凍結 根據(jù)上述原理即不難理解液氮或干冰（固體CO2）直接凍結，它是針對一些局部的工程量不大的制水工程（成本高）。固體CO2可以直接汽化（密封高壓），液氮可直接汽化。（與打火機同理）問題：體溫混

20、凝土強度研究、斷管問題、凍脹壓力、溫度場、支護結構、混凝土裂縫等。,第三講 水（泥漿）下澆注混凝土技術,一．應用情況此法引自水電部門，在水庫壩堤的防滲工程中稱其為“地下防滲墻”，水下筑墻、樁基、墩臺基礎、邊坡穩(wěn)定等常用此法。建筑部門用此法構筑地基基礎，稱之為“地下連續(xù)墻”。,,,,,,,,已有建筑,擬建建筑,已有建筑,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,連續(xù)墻,滑動面,邊坡,防滲墻,基巖,壩堤,已有建筑,圖3-1 水下（泥漿下

21、）澆注混凝土應用事例,擬建建筑,已有建筑,二．特點及技術關鍵工藝簡單、設備少、施工安全、質(zhì)量可靠。適用有于松軟的穩(wěn)定土層，不應有大的卵石、漂石。技術關鍵是：槽孔施工、泥漿下澆注混凝土及接頭的處理。三．泥漿護壁原理一般地，在槽孔施工中為了維護槽孔的形態(tài)（不塌孔），必須采取維護措施，一般采取水或泥漿護壁，即在造孔的過程中，始終保持孔內(nèi)充滿泥漿，泥漿的作用除了平衡土壓（水壓）力外，泥漿中的顆粒還充填了土的裂隙或孔隙，起到維護槽壁的作用。

22、 槽孔形成后，將泥漿排凈后可見槽壁表面有一層“泥皮”，有的泥皮薄而韌，而有的則厚而松。就是這層薄而韌的泥皮起著隔離和保護槽壁的作用（相當于“噴層”），那么，泥皮是如何形成的？,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,泥皮,PJ,PN,圖3-2 泥漿護壁原理示意圖,四．壓氣洗孔原理 在水（泥漿）下，如何將鉆鑿下來的土體運出地面？通常采用

23、壓氣排碴的方法，其原理如下：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,γxy,H0,鉆桿,Lw,鉆頭,壓氣管,壓氣排液器,圖3-3 壓氣洗孔原理示意圖,γx,h,γh,在鉆桿內(nèi)放入壓氣排液器。h ——揚程；H0————排液器置入深度；Lw————尾管長度；γx ——泥漿比重；γh——三相混合體比重；γxy——二相混合體比重。未通壓氣前：γx=γh=γxy（均為泥漿），系

24、統(tǒng)處于靜止狀態(tài)。通壓氣后：γx不變，γh下降，γxy上升，系統(tǒng)平衡打破，呈現(xiàn)以下狀態(tài)：γxy>γx>γh由于壓縮空氣進入鉆桿，比重降低，在鉆頭底部形成負壓，盡而產(chǎn)生液體流動，洗井液帶動巖碴進入鉆頭、鉆桿，最終排出地面，流入沉淀池凈化。同時，地面泥漿系統(tǒng)不斷向井內(nèi)補充新的泥漿，確保泥漿面水平不變。這里γh是變量，隨著氣泡的上升，氣泡逐漸變大，γh變小，流速增大。,五．泥漿下灌注混凝土1．泥漿下灌注混凝土的實質(zhì) （

25、1）沿槽孔的長度方向布置若干垂直導管；（ 2）把地面配置好的混凝土同時注入導管；3）隨著混凝土頂面的上升，頂出泥漿（進入地面泥漿池參與循環(huán)），同時提拔導管，直至混凝土灌滿整個槽段。 問題：接頭問題 ？,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,圖3-4 泥漿下灌注混凝土示意圖,混凝土,導管,泥漿,槽孔,2．  泥漿下灌注混凝土的施工要點（1）管底部高出基底300~500mm，頂部高

26、出泥漿面一定高度；（2）隨著混凝土面的上升，不斷提、拆導管，但必須保證其埋在混凝土一定的深度以防提漏；（3）開始灌注時導管內(nèi)必須放置隔水栓，以防止混凝土與泥漿的混合；（4）確定拔管時間，即不能過早也不能過晚；（5）混凝土必須連續(xù)一次澆注完畢，尤其是澆注開始，必須一次埋住導管 。,3.漿下混凝土的流動規(guī)律 混凝土在不同的超壓力的作用下，呈不同的流動狀態(tài)（規(guī)律），而不同的流動狀態(tài)，直接影響混凝土的成型質(zhì)量，一般的混凝土

27、在泥漿下可能呈現(xiàn)以下狀態(tài)：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,⑴,⑶,⑵,⑵,（1）,⑵,⑶,（1）,⑶,,,,,,,,,,,,,,,圖3-5 漿下混凝土的流動規(guī)律,,4.混凝土的技術要求泥漿下澆注混凝土是通過在導管內(nèi)靠自重下流、在超壓力作用下向兩側擴散、頂升等環(huán)節(jié)完成的，因此與一般的混凝土澆注有所不同，要求混凝土有好的流動性（不堵管、能流暢的擴散及頂升），好的和易性（流動時不離析、穩(wěn)定性好），在配比方面要保證混凝土的強度和抗?jié)B性

28、。一般的，混凝土的流動性和和易性是對立的，解決的辦法是填加外加劑（如減水劑、緩凝劑，或適當增加水泥的用量。5.直升導管法幾個參數(shù)的確定按泥漿下澆注混凝土的實質(zhì)及施工要點的要求，有以下幾個參數(shù)需要確定：h1—導管高出泥漿面的最小距離；h—導管埋入混凝土的最大深度；L—導管間距。,,,,,,,,,,,,,,,,,h1,h,γ2,γ1,h2,p,(1).h1的確定根據(jù)壓力平衡關系，可得導管出口處的超壓力p：p=γ1* h1+(

29、γ1-γ2)* h2從上式便可得到h1。混凝土順利擴散的基本條件是超壓力p≥0，但是由于混凝土為多相流體，p>k(k>0).（2）導管間距的確定一般地，導管的間距越小，混凝土的上升越平穩(wěn)、越均勻，否則混凝土上升表面坡度大，易將泥漿卷入混凝土。但同時灌注的導管多，灌注過程控制困難，目前還無理論計算方法，可按經(jīng)驗，一般取3~3.5m。(3).管埋入深度的確定 如果將混凝土視為理想流體，從理論上講p>0即可流動

30、，但混凝土為多相流體，其力學特征隨時間變化。如果導管埋的過深，則灌注困難（超壓力小、下部可能初凝），過淺則可能出現(xiàn)翻漿現(xiàn)象，該問題應進行理論試驗研究，一般的取1.5~2.5m.,六.接頭處理技術一個完整的地下連續(xù)墻是有若干個槽段組成的，問題是如何將槽段與槽段連接成一個整體，使其即防滲，又有一定的連接強度，這就是接頭的處理問題。接頭的形式有多種，一般的有以下幾種：（1）弧型接頭 Ⅰ

31、 Ⅱ  弧型接頭（Ⅰ——第一槽段；Ⅱ——第二槽段）利用弧型鉆頭造孔，該接頭即承壓又抗?jié)B，是較理想的接頭方式，問題是如何實現(xiàn)該接頭？（加一鉆）,,（2）直線型接頭 ⅠⅡ 該接頭形式利用矩形鉆頭（抓斗）造孔，即不穩(wěn)定，也不抗?jié)B，易造成兩槽段間不連續(xù)，達不到抗?jié)B加固的目的，一般不宜采用。澆注混凝土之前，在形成的槽段兩端，放置形狀適宜的隔板（鋼板、預制鋼筋混凝土隔板等

32、），固定后建筑混凝土。  該接頭的技術關鍵是，要求有一定剛度的隔板，安裝時不偏寫斜、不扭轉。,,（3）隔板接頭,隔板,（4）間隔接頭間隔接頭Ⅰ Ⅱ （1） （2） （3）,導向孔,分別或同時構造Ⅰ、Ⅱ槽段并澆注混凝土（1）；在兩槽段中間鉆導向孔（2）；利用雙反弧沖擊鉆頭造孔并澆注混凝土，實現(xiàn)Ⅰ、Ⅱ槽段的連接。（5）預留法接頭見圖*所示，

33、該法要點為：在混凝土澆注之前，預先在槽段的兩端下放接頭管，邊澆注混凝土邊拔導管，最后形成凹型的連續(xù)墻兩側端頭。問題：接頭結構形式、提拔力的確定、提拔時間的確定等。,間隔接頭,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,接頭管,圖3-5 預留法接頭示意圖,注漿理論與實踐第四講：概論,一 ．注漿技術的提出 地下工程施工（地表以下各類建筑物與結構物的總稱）與地面建筑施工相比更多地受到地質(zhì)與

34、水文地質(zhì)的影響，增加了工程的難度，延誤工期、加大成本。在施工中經(jīng)常遇到以下問題： 1.涌水（冒水）：如深基坑開挖（也可通過地面井點排水解決）、地鐵、隧道工程、人防工程、礦山井巷工程、露天開采工程、地下商業(yè)街等，施工中常常遇到涌水問題，無法正常施工。這些地下水可分為靜水（自然水頭）、動水（地下暗河）、承壓水（隔水層）。巖土開挖后，地下水由于失去平衡而沿著巖層的裂隙或土層的空隙涌入地下空間，危機人身安全。,2． 

35、60;   漏（滲）水：地下結構施工或竣工使用后，在地下水頭的作用下，地下水會沿著結構縫、施工縫或質(zhì)量薄弱部（在水環(huán)境下難以保證施工質(zhì)量）位漏（滲）入地下空間。如地鐵、隧道、地下室、壩體漏（滲）水、礦山井巷、洞室等，也可以通過敷設隔水層加以解決。3．  沉降與失穩(wěn)：受軟巖、地下降水或人為擾動的影響，建筑物可能產(chǎn)生沉降甚至失穩(wěn)，如比薩斜塔、西安大雁塔等；建筑物倒塌事故（平均每天一棟，80%以上是基

36、礎的處理不當或未處理所造成的）；地下空間開挖后的塌落（冒頂或片邦）；路基路面的突起或塌陷等。,．二.注漿法的含義及其應用1．注漿法的含義及其工藝過程 含義：就是將可凝固的漿液在注漿壓力的作用下，注入到巖層的裂隙或土層的孔隙中，用以堵水或加固（通俗地講就像醫(yī)生給病人注射液體類似---血管既裂隙，不同的是注入的材料不同，否者即為人為“血栓”。注漿法的關鍵是可凝固的漿液（注漿材料）和有一定的注漿壓力。工藝過程：漿液配制同時鉆孔

37、和注漿設備安裝→壓水實驗→注漿→壓水→質(zhì)檢→施工。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,圖4-1 注漿工藝過程示意圖,2．注漿的目的及其應用 注漿的目的在于堵水、加固或二者兼有之，實質(zhì)是人為地改變客觀的地質(zhì)環(huán)境。如地下工程的堵水加固工程、壩體防滲工程、山體護坡（邊坡穩(wěn)定）工程、建筑基礎（房屋、橋梁等）加固工程及路基加固工程

38、等。,三．注漿基本理論（一）。注漿堵水（加固）原理 (A).滲流注漿原理（即巖層裂隙中的擴散規(guī)律---充塞作用）在巖層裂隙注漿中常用單液水泥漿或水泥---水玻璃漿。水泥漿屬于懸濁液的非穩(wěn)定材料（靜放后有沉降），水泥漿在巖層裂隙中的流態(tài)是由紊流變?yōu)閷恿鳎趯恿鳡顟B(tài)下固體顆粒沉降而產(chǎn)生充塞作用（紊流狀態(tài)中固體顆粒呈脈動流動，使其保持懸浮狀態(tài)，層流狀態(tài)中固體顆間無交換現(xiàn)象，顆?？孔灾叵侣?，沉積凝固）。如何判定紊流還是層流?一般地采

39、用流體力學中的雷諾數(shù)作為判定的依據(jù)：Re=V.de. ρ/μc =V.2h. γ/μc.g式中 V——平均速度； de——裂隙相當直經(jīng)； h ——裂隙開度； ρ——漿液密度；,γ——漿液容重； g——重力加速度; μc——液體有效粘度。 層流： Re≤2100 V.h 小時

40、 對于粘塑體漿液： 紊流: Re ≮ 2100 V.h 大時 流速與注漿壓力關系密切，在一定過水斷面，注壓大、流速高，但是隨著液流長度的增加壓力減弱（克服裂隙的摩阻力）、流速降低、Re減小，即漿液由紊流變?yōu)閷恿鳎囝w粒開始沉降?？梢猿霈F(xiàn)以下

41、不同階段：,,圖4-2 滲流——堵塞過程示意圖,P,r,P,v,,,(a),(b),(d),(c),(a) 階段：漿液在注漿壓力作用下通過注漿孔進入巖層裂隙，此時注漿壓力必須大于水壓力。壓力（Pa）、流速（Vk）沿流程逐漸降低，流速分布如圖（沿壁V=0）；(b) 階段：上部水泥顆粒降入中區(qū)被帶走，下部沉積，故過漿斷面縮小，壓力、流速增加，但不足以將全部沉積物帶走；(c) 階段：在這些沉積物的后面，壓力、流速突然減低，并在其后發(fā)生新

42、的沉積；(d) 階段：隨著沉積床的增大，流量減少、壓力增大，沉積床上端發(fā)生沉積，直到整個鉆孔，至此完成裂隙全過程充塞過程。,注漿是一項隱蔽工程，即看不見摸不著，上述過程是理論分析的結果，反映在注漿壓力、漿液流量的變化（可控變量）見下圖。,圖4-3 滲流注漿P---t曲線,t,P,Qmin,P0,注意的幾個問題： * 漿液的凝膠時間（時間的長與短均是不允許的）； * 不能立即卸壓（待結石體有一定強度）。(B).管道（割裂或脈

43、狀）注漿 粘土層或細砂土層的擠壓加固注漿（利用化學漿或磨細水泥高壓注漿）。在注漿過程中，首先是孔隙水被排除，漿液擠入孔隙并沿薄弱部位壓出一樹狀通道，隨著漿液的不斷擴散，土層的密實性、抗?jié)B性穩(wěn)定性增加（枝體間的土體被壓密、枝體為“筋體”）,形成有一定強度的復合體，見圖4-4。,（C）。滲透注漿（均勻擴散）在流砂層、粗砂層，采用單液水泥漿、化學漿、 或磨細水泥漿，高壓注入。過程為：均勻排水、漿

44、液擴散、擠壓、密實，形成固砂體。,圖4-4 管道注漿原理圖,（二）。注漿參數(shù)的基本方程（均勻土層）滲流微分方程： Qo = Kf. W /(dp/dr). μ 式中 Qo ——注入量； Kf——砂層滲透系數(shù)； μ——漿液動力粘度； W ——柱體表面積.（三）。注漿參數(shù) 注漿參數(shù)包括注漿壓力（Po）、注入量（Qo）、擴散半徑等，是控

45、制施工、保證施工質(zhì)量的關鍵，后面有專門論述。,圖4-5 滲透注漿原理圖,四．注漿技術所涉及的主要技術問題1. 地質(zhì)及水文地質(zhì)影響 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件千差萬別，注漿工程施工前，科學準確地探測、分析研究地質(zhì)及水文地質(zhì)狀況（如含水量、賦存深度、水壓、水質(zhì)、裂隙產(chǎn)狀、孔隙率等）是保證注漿效果、甚至是工程成敗的關鍵。目前的探測手段（抽、壓水、超聲波等）可靠度低（30%左右），對工程造成極大的被動 。2.注漿材料的影響

46、 注漿材料是注漿技術的主體，注漿材料的性能直接影響注漿效果及注漿成本（注漿材料占注漿總成本的40%~70%，材料從幾公斤~幾千噸，價格從幾百元/噸~幾十萬元？噸）。同時對注漿技術的發(fā)展起主導作用。對注漿材料的總要求體現(xiàn)在“三性”的控制上，即可注性、可控性和抗?jié)B性。,l可注性是指漿液的流動性好（粘度?。B透能力強；l可控性是指漿液凝膠時間人為控制，即不能擴散的過遠有能達到要求的距離；l抗?jié)B性是指漿液結石后有較強的抗?jié)B水能力。3．

47、注漿參數(shù)的影響 為了最大限度地克服注漿的盲目性，實現(xiàn)注漿工程的科學化，就應有科學的控制參數(shù)，對注漿工程實現(xiàn)全過程控制。,4．注漿設備的影響 注漿設備是注漿工程的必備硬件。注漿設備系統(tǒng)簡單、操作方便，主要包括：注漿泵（動力源，有單液泵、雙液泵、液壓泵、電動泵及風動泵等）、攪拌機（風動、電動）、混合器（類似“三通”實現(xiàn)不同漿液的均勻混合）、止?jié){塞（防止跑漿、實現(xiàn)分段注漿的技術手段。5．注漿方式（方案）的影響 根據(jù)

48、地質(zhì)及水文地質(zhì)條件的要求，一般把注漿方式（方案）分為：預注漿、后注漿、前進式注漿、后退式注漿，如果選擇不當既浪費材料、增加工程難度，也難以保證注漿效果。,五．注漿新技術簡介 旋噴注漿法，即利用高壓水射流旋轉切割土體，同時進行泥漿、水泥漿地下攪拌，形成地下混合灌注樁；綜合注漿法，即將以粘土為主作為注漿材料，配備可移式注漿站（注漿臺車）；直接堵漏技術，即對構筑物的滲漏水直接封堵（需特殊的材料及設備）；還有其他的化學注漿新技術等。問題

49、：注漿技術的現(xiàn)狀與發(fā)展；注漿堵水應用技術；注漿加固應用技術；注漿在路基加固工程中的應用等。,第五講：注漿參數(shù)一 .注漿壓力 注漿壓力是給予漿液擴散、充塞、壓實的能力。壓力過大則漿液擴散過遠，造成浪費，壓力過小則漿液難以進入，或達不到所需的厚度而造成注漿失效。影響注漿壓力的因素很多，可用以下函數(shù)關系表示： Po=f(H, Ro , μ, 1/K , 1/t) 式中 H——水頭壓力；

50、 Ro——擴散距離； μ——漿液粘度； 1/K——裂隙開度； 1/t——凝膠時間。,,把所有的因素都表述出來或考慮進去是不可能 的，也是不科學的，一般的常用以下公式計算： 1．    以地下水壓為計算依據(jù)：Po′=(2~2.5) PbPo′=3~5+Pb式中 Po′——受注點注漿壓力； Pb——受注點最大水壓力。．2.&#

51、160;   以水壓力同時考慮巖層產(chǎn)狀為計算依據(jù)：Po′=N. Pb式中 N——與裂隙產(chǎn)狀有關的參數(shù)。,此外還有在特定環(huán)境下推導的公式，如H.B佳賓公式等。 二．注入量注入量是了解漿液的充塞狀態(tài)、選擇注漿泵、材料估算及配制漿液的依據(jù)，有如下計算方法：1 ．   依據(jù)壓水實驗估算：Qo= K. q.Pb. h式中 K——灌注系數(shù)； q——吸水率；

52、 h——注漿段高度。,,2．   按理想狀態(tài)下柱狀體（如滲透注漿）估算：Qo= A. π. R 2.h. n. β式中 A——漿液損耗系數(shù) R——擴散半徑； n——孔隙率，%； β——漿液充填系數(shù)。 三． 有效擴散半徑 有效擴散半徑或叫有效擴散距離是指漿液擴散后形成有效堵水或加固厚度所需要的擴散距離。下面以裂隙注漿為例探討如何估算有效擴散距離。,

53、為了使問題明了化，便于問題的研究,做如下的簡化，即將結石體簡化為直徑為裂隙開度δ的圓柱體，柱體的表面積所受的抗剪切應力為τc，，則合抗力為Tc，擋水斷面所受應力為Pb.，合力為Fb。為保證有效堵水則應滿足： Tc≥Fb Tc=π. δ.E. [τc] Fb=π. Pb..δ2 /4 代入上式簡化后得出有效擴散距離為：E≥N. δ.Pb./ [τc] (N：綜合系數(shù))

54、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Pb.,,τc,R=,,,牛頓流體球狀滲透當漿液僅從注漿孔端部注入時，可以設想為以該點為中心的球形注漿。馬格(Maag)應用達西(Darcy)定律作為原始公式推導了注漿的滲透理論公式。根據(jù)達西定律，得出漿液的擴散半徑：,第六講 注漿材料 注漿材料即是配制漿液的原材料，這種材料配制出的漿液基本特點是其物體特征是可變的，即由液相變?yōu)楣滔啵ㄓ梢后w狀態(tài)變?yōu)楣腆w狀態(tài)），以實現(xiàn)堵水加固的作用。一． 注漿

55、材料的技術要求（技術標準）不是所有的材料都可以作為注漿材料的，必須符合行業(yè)的技術要求，下面從定性和定量兩個方面探討注漿材料的基本要求。定性分析：1。有良好的可注性，即粘度低、流動性強、滲透力高；2。良好的穩(wěn)定性，即不沉淀、不離析；3．凝膠時間可調(diào)，能滿足特殊情況的要求，如動水情況；4．結實后的收縮量小，結石率高、抗?jié)B性強；5． 對環(huán)境無污染且成本低。,定量分析通過實驗手段測試其性能參數(shù)，主要參數(shù)包括：1．粘度

56、：流體流動時內(nèi)摩阻力的大小。粘度的大小與材料的組成、性質(zhì)、配比及環(huán)境溫度等因素有關，通常以“秒”、“泊”、“厘泊”為計量單位；2．滲透能力：即漿液進入巖層的難易程度。對懸濁液取決于內(nèi)中顆粒的大小，對溶液則取決于粘度的大?。?． 凝膠時間（指初凝時間）：指漿液開始攪拌到失去自由流動性的這段時間，以“秒”、“分”、“小時”表示。以肉眼觀察或?qū)嶒灉y定；4．  滲透系數(shù)（Kf）：指結石后的抗?jié)B水能力，由滲

57、透儀測定；5． 抗壓強度：指結石體的單軸或雙軸抗壓強度，意義不大。,,,,,,,,,,圖6-1 不同漿液的粘度變化,μc,μw,t,． 二.幾種常有的注漿材料 施工中常用的注漿材料有：單液水泥漿、水泥---水玻璃漿（CS）、化學漿（水玻璃類、脲醛樹脂類、烙木素類、聚氨脂類、丙烯酰胺類等）。11．  單液水泥漿 常用的水泥品種有325#、425#普通硅酸鹽水泥。這種漿液配制簡單，結石后的強度

58、高，但是其穩(wěn)定性差、結石率低、凝膠時間長（長達十幾個小時），一般僅用于裂隙巖層靜水條件下。 為了改善單液水泥漿的性能常加入某些添加劑，如NaCl、水玻璃、紅星1#、2#等，或采用水泥新品種，如磨細水泥、膨脹水泥、速凝水泥等。,1．  CS漿液 在單液水泥漿中加入少量的水玻璃是為了加速漿液的凝膠（占水泥量的1~1。5），當水玻璃加到一定程度，單液水泥漿的特性發(fā)生了質(zhì)的變化（凝膠時間可調(diào)、穩(wěn)定性增強、抗?jié)B性

59、好），經(jīng)過工程實踐，形成了較為完善的雙液漿體系。CS漿是我國注漿工程中最常用的注漿材料，常用于裂隙大水、動水、壁后注漿、直接堵漏注漿的情況， 水玻璃又稱刨花堿（Na2O.nSiO2）——含氧硅酸鈉，是石英砂與碳酸鈉在高溫條件下反應而得到的副產(chǎn)品，與水泥的理化反應尚不完全清楚，初步認為是與水泥中的反應生成含水硅酸鈣（CaSi.nH2O），其兩個重要的性能指標是模數(shù)和波美度，分別以下式表示：,M=SiO2/Na2O 取

60、2。4~2。8 Be’=145-145/γ 取30~35 衡量漿的兩個重要指標是凝膠時間和抗壓強度?？箟簭姸龋号c水灰比（w/c）、環(huán)境溫度、水泥與水玻璃比（c/s）等因素有關，其中有最佳級配的問題，即一定量的與一定量的水玻璃反應，當比例相當時強度最高 。在未達到以前c/s越高反應越充分，強度越高，當?shù)扔趕/c#時強度達到最高值，當超過s / c #時，再增加水玻璃則強度下降（多余的水玻璃不參與反應

61、，而水玻璃本身是沒有機械強度的）。,圖6-2 σ與s/c關系曲線,σ,s/c,,s/c#,凝膠時間：影響漿液凝膠時間的因素很多，如水灰比、水泥品種、水玻璃濃度、c/s、環(huán)境溫度等，①.水泥品種的影響：含硅酸三鈣越多凝膠時間越短；水泥越新時間越短；w/c越小時間越短。②.水泥漿及水玻璃濃度的影響：在w/c一定的條件下波美度越高則凝膠時間越長；在波美度一定的條件下w/c越高 則凝膠時間越長。③.溫度的影響：溫度越高則凝膠時間越短。,t

62、 t t w/c w/c T 圖6-3水泥品種的影響 圖6-4水泥漿及水玻璃濃度的影響 圖6-5 溫度的影響 注： 普通硅酸鹽水泥 3

63、5 Be’ 礦渣硅酸鹽水泥 40 Be’ 過期水泥 45 Be’,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,④. c/s（水泥與水玻璃的體積比）的影響：上述三種影響凝膠時間的因素理論上是成立的，但在施工中不易人為準確控制。而通過調(diào)整水泥與水玻璃的體積比就能較準確地控制凝膠時間，雙

64、液注漿通過控制兩種漿液的不同流量而達到上述目的。 t s/c 圖6-6 s/c（水泥與水玻璃的體積比）的影響 （注：w/c=

65、1：1，自下而上分別是30~45 Be’）從圖4-12得出以下結論：在w/c一定的條件下水玻璃增加則凝膠時間加長；水玻璃濃度越高則凝膠時間越長。3.  水玻璃類漿液（溶液型） 水玻璃本身不能稱做注漿材料（即不能從液態(tài)轉化為固態(tài)），只有在固化物的作用下才能產(chǎn)生凝膠物。一般地需加入酸性鹽或有機物，產(chǎn)生硅酸——穩(wěn)定結構。,,水玻璃遇水發(fā)生如下水解反應： Na2O.nSiO2+H2O=2NaOH+n.SiO2

66、如果向水玻璃水溶液中投入酸、酸性鹽和某些有機化合物均能消耗掉體系內(nèi)含有的NaOH，打破上述平衡，使反應連續(xù)進行，同時產(chǎn)生大量的硅酸，而硅酸呈凝膠體狀態(tài)。 硅酸形成的穩(wěn)定三元體網(wǎng)狀結構，其分子結構如圖所示： ∣ ∣ ∣ ∣—O—Si—O—Si—O—Si—O—Si—O—∣ ∣ ∣ ∣O O O O∣ ∣ ∣ ∣—O—si

67、—O—Si—O—Si—O—Si—O—∣ ∣ ∣ ∣,水玻璃類注漿也稱為硅化注漿，下面舉兩個硅化注漿的例子： （A）。水玻璃——氯化鈣（CaCl2）漿液 此類漿液主要用于建筑、交通部門的地基加固工程，其化學反應如下式所示：Na2O.nSiO2+CaCl2+H2O=Ca(OH)2+n.SiO2+2NaCl  水玻璃：模數(shù)=2.5~3.0 波美度

68、Be’=43~45 漿液配比方案 氯化鈣：γ=1.26~1.28 模數(shù)=2.5~3.0 水玻璃：氯化鈣=0.8：1,,此類漿液可在瞬間凝固，按常規(guī)注漿工藝是不可行的，而應結合漿液的特點探討新的施工工藝，下面介紹三套方案。方案一：交替注漿法 注入定量的水玻璃→沖洗管路→注入定量的CaCl2→沖洗管路。。。。。。。。。方案二：地層混合注漿法兩套獨立的注漿系統(tǒng)，分別注入兩種

69、不同的漿液，地層中混合。方案三：電滲注漿法注漿系統(tǒng)與方案二基本相同，只是在注漿管上加上直流電以增加漿液的擴散能力。（B）.水玻璃——鋁酸鈉漿液(鐵道部科研院的科研成果)漿液配比方案：一般的取S:AL=1:1 也可根據(jù)需要調(diào)制。凝膠時間1min左右，可采用地面混合器注漿方式。,,1．  4.聚氨脂類（溶液型） 屬于高分子聚合物，其特點是該漿液不容于水，見水發(fā)泡膨脹，凝固后體積增大8~9倍，但成本高，價格昂貴，2萬元/