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4.8灌(注)浆法
4.
8.1概述灌浆法是指利用液压、气压或电化学原理,通过灌浆管把浆液均匀灌入地层中,浆液以填充、渗透和挤密等方式赶走土颗粒间或岩石裂隙中的水分和空气后占据其位置,经一定时间后,浆液将原来松散的土颗粒或裂隙胶结成一个整体,形成一个结构新、强度高防水性能及化学稳定性良好的固结体1802年,法国的土木工程师查理斯·贝里格尼(CharesRerigny,采用灌浆技术来修复被水流侵蚀了的挡潮闸的砾土地基在修复基础的木板桩后,通过闸板钻间距为1m的孔,采用一种“压浆泵”(blowpump),把塑状粘土通过钻孔注入压浆泵由一个内径为8cm的木制圆筒组成,筒内装满塑状粘土,在顶部安装了一个木制活塞,用此将粘土强制挤入孔内重复这一步骤,直至粘土完全充填基础底板与地基之间的空隙第一次灌浆的初步应用取得了巨大成功,修复的挡潮闸又投入使用,这是在基础工程的历史上第一次有记载的灌浆技术应用1845年,美国W.E.沃森(W.E.Worthen)在一个溢洪道陡槽基础下采用“压浆泵”灌入水泥砂浆,1854年又进行了闸墩砌体的加固那时,灌浆仅仅作为对有缺陷的基础的补救措施来使用,并不被认为是一种施工方法1886年,英国豪斯古德(Hosagood)在印度建桥时采用化学浆液固砂,自此,化学浆液在印度问世1886年,金尼普尔(Kinniple)采用粘土水泥砂浆阻止尼罗河的达梅塔(Dmietta)和罗萨塔(Rosetta)坝坝基下的地下渗流此时,英国研制出了“压缩空气灌浆泵”,促进了水泥灌浆法的发展1887年德国的杰沙尔斯基(Jeziorsky)利用一个钻孔灌注水玻璃,另一个相邻钻孔灌注氯化钙,创造了原始的硅化法灌浆技术的进一步发展和广泛应用,是在矿山竖井的建设中用于防止竖井开挖时地下水的渗入1920年荷兰采矿工程师尤斯登(E.J.Joosten)首次论证了化学灌浆的可靠性,采用了水玻璃、氯化钙双液双系统两次压注法,于1926年获得了专利灌浆技术有系统的改进始于美国科罗拉多河上的胡佛坝(Hoover)因地基开挖引起的裂缝所进行的岩石固结灌浆根据胡佛坝基的灌浆工程实践,制定了灌浆工程的设计和施工规范40年代,日本的丸安隆和博士在灌浆时采用了水玻璃、铝酸纳双液单系统的
1.5次灌浆法,为以后加快浆液凝胶时间的使用创造了条件此时也出现了粘土水泥系的灌浆材料50年代美国研制了粘度接近水,凝胶时间可任意调节的丙烯酸胺类树脂浆液(AM-9)以后又出现了丙烯酸盐类、尿醛树脂类、木质素类等多种灌浆材料灌浆方法是改善灌浆工程的灌浆效果的重要环节最初采用比较经济、简便的填压式灌浆法,相继又出现了循环式灌浆法、双管灌浆法、花管套壳料灌浆法及电渗灌浆法等工艺,大幅度改善了灌浆效果从脉状灌浆、渗透灌浆发展到应用多种材料的复合灌浆法从无向压灌发展到通电、抽水、压气和喷射等多种诱导灌浆通过预处理以及孔内爆破等方法,来提高浆液的可灌性以及应用定向钻进、多孔同时灌浆等方法来缩短灌浆工期灌浆设备的改进、灌浆技术的管理以及灌浆效果的测定方法也是灌浆技术发展中的重要方面目前在灌浆设备方面已使用了轻型液压钻机及能自行的履带式全液压钻机、高速搅拌机、集中制浆系统和各种新型止浆塞和混合器灌浆设备机具已向专用化、组合化、系列化发展的趋势在灌浆过程的控方面,已研制出了自动记录、集中管理和自动化监控在灌浆效果的测定方面,应用了压水或注水、抽水试验,电测、弹性波探测、各种物理力学测试、放射能探测、微观测试等多种检测仪器和手段灌浆技术的研究和应用在我国起步较晚,50年代开始初步掌握灌浆技术,1953年开始研究应用水玻璃作为灌浆材料随着我国水利、水电、高速公路等工程建设的发展,我国灌浆材料在种类、性能上得到了快速的发展细水泥和超细水泥、稳定浆液、混合浆液、酸性水玻璃、丙强、弹性聚氨脂、水溶性聚氨脂、丙烯酸盐、不饱和聚脂、热沥青、木质素类、脲醛树脂类和不同的外加剂等在各种灌浆工程中也得到应用我国在配套灌浆设备机具和检测手段等方面也相应地获得了重大的发展配套灌浆的灌浆钻孔钻机、高压灌浆泵、高速搅拌机、高压耐磨阀门、止浆装置以及自动记录仪、集中制浆系统等设备仪器的出现,为我国灌浆技术的稳步发展创造了条件在检测方面,从目测样品、压水试验等常现力法,发展到声波监测、变形检测、电子显微镜等多种宏观和微观的检测手段灌浆工艺技术上,以高压灌浆为代表的整套灌浆技术、水泥脓浆灌浆技术、水泥浆液和化学浆液联合灌浆技术等,为处理复杂地基的防渗加固工程提供了条件在水利水电工程建设中,我国已建造30m以上的水坝3000余座,其中高于100m的高坝有20余座水工建筑物及普通工民建采用灌浆技术改善复杂地基性能,解决了众多建筑物防渗和加固难题经几十年灌浆工作者的努力,在灌浆工程领域已具备了多种材料和工艺技术,积累了丰富的工程经验,在某些方面已达到了较高水平,与国际逐步接轨但相对而言,与国际居领先水平的发达国家相比某些方面尚有差距结合我国目前工程的需要,在灌浆工程中仍然有下述几个方面需进一步做出努力,以求灌浆技术的进一步发展l)进一步研究和开发评价灌浆效果的方法及检测仪器,并使其标准化2)开拓灌浆技术应用范围和领域3)研制高效自动化灌浆设备、机具、监测纪录仪器灌浆技术是一门古老而又新型的技术,随着化学、材料、机械、电子、计算机等工业和工程技术的发展及建设工程的大量需求,灌浆技术也必将以更高的速度向前发展
4.
8.
1.1灌(注)浆法的分类1.充填灌浆用于坑道、隧道背面、构筑物基础下及高速公路下的大空洞以及土体中大孔隙的回填灌浆其目的在于加固整个土层以及改善土体的稳定性这种灌浆法主要是使用水泥浆、水泥粘土浆、水泥粉煤灰等粒状材料的混合浆液一般情况下灌浆压力较小,浆液不能充填细小孔隙,所以止水防渗效果较差若以高标准止水防渗为目的,灌浆前应结合工程状况、涌水位置、涌水量等条件,选择适当的灌浆方法及灌浆材料2.劈裂灌浆和脉动灌浆劈裂灌浆或脉动灌浆是指在灌浆压力作用下,改变地层的初始应力和强度,引起岩石和土体结构的破坏,使地层中原有的裂隙或空隙张开,把浆液注入到渗透性小的地层中,浆液扩散呈脉状分布3.基岩裂隙灌浆基岩中存在的裂隙使整个地层强度变弱或形成涌水通道,在这种裂隙中进行的灌浆称为裂隙灌浆,多用于以止水或加固为目的的岩石坝基防渗和加固、隧洞、竖井的开掘4.渗透灌浆渗透灌浆是使浆液渗透扩散到土粒的空隙中,凝固后达到土体加固和止水的目的浆液性能、土体空隙的大小、空隙水、非均质性等方面对浆液渗透扩散有一定的影响,因而也就必将影响到灌浆效果5.界面灌浆、接缝灌浆和接触灌浆界面灌浆、接缝灌浆和接触灌浆是指在层面或界面灌浆,向成层土地基或结构界面进行灌浆时,浆液首先进入层面或界面等弱面,形成片状的固结体,从而改善层面或界面的力学性能6.混凝土裂隙灌浆受温度、所承受的荷载、基础的不均匀沉降及施工质量等的影响,所产生的混凝土裂隙和缺陷,往往可通过灌浆进行加固和防渗处理,以恢复结构的整体性7.挤密灌浆当使用高塑性浆液,地基又是细颗粒的软弱土时,灌入地基中的浆液在压力作用下形成局部的高压区,对周围土体产生挤压力,在灌浆点周围形成压力浆泡,使土体孔隙减小,密实度增加挤密灌浆主要靠挤压效应来加固土体固结后的浆液混合物是一个坚硬的压缩性很小的球状体它可用来调整基础的不均匀沉降,进行基础托换处理,以及在大开挖或隧道开挖时对邻近土体进行加固
4.
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1.2灌(注)浆法的应用范围灌浆法在土木工程的各个领域中,特别是在水电工程、井巷工程及高速公路中得到了广泛的应用,已成为不可缺少的施工方法它的应用主要有以入几个方面1)建筑物地基的加固(提高地基承载力,提高桩基承载力)2)土坡稳定性加固(提高土体抗滑能力)3)挡土墙后土体的加固(增加土的抗剪能力,减小土压力)4)已有建筑混凝土裂缝缺陷的修补(混凝土构筑物补强)5)坝基的加固及防渗(提高岩土体密实度、改善其力学性能,减小透水性,增强抗渗能力)6)地下构筑物的止水及加固(增强土体的抗剪能力,减小透水性)7)井巷工程中的加固及止水8)裂隙岩体的止水和破碎岩体的补强(提高岩体整体性)9)动力基础的抗振加固(提高地基土抗振能力)10)矿采空区的充填加固(提高地基承载力及采空区的整体稳定性)
4.
8.2灌(注)浆材料
4.
8.
2.1灌浆材料的分类灌浆工程中所用的材料由主剂(原材料)、溶剂(水或其它溶剂)及外加剂混合而成通常所说的灌浆材料是指浆液中的主剂灌浆材料必须是能固化的材料灌浆材料由原材料固结成为结石体的过程如下������#0;��������#0;����#0;������#0;��������#0;��������#0;����#0;灌浆材料的分类方法很多,习惯上把灌浆原材料分为粒状材料和化学材料两个系统,如下所示��������#0;��������#0;��������#0;������#0;������#0;����������#0;��������#0;����������#0;��������#0;����������#0;��������#0;����������#0;����������#0;������#0;浆液浆液是由主剂、固化剂,以及溶剂、助剂经混合后所配成的液体、分为溶液型和悬浊液两大类悬浊液型浆液由粒状浆材配制,溶液型浆液由化学浆液配制浆液中的主剂一般指所使用的主要原材料,工程中常用该原材料名称命名浆液,如水泥、粘土、聚氨脂、环氧浆液等浆液中固化剂通常也是浆液的必要组份,工程中也常用主剂和固化剂原材料名称共同命名浆液如水泥水玻璃浆液、水下班氯化钙浆液等浆液中的溶剂往往是稀释剂,主要用来提供浆液的流动性,如水、丙酮等浆液中的助剂根据需要加入,可能是一种或数种助剂根据它的浆液中所起的作用,分为催化剂、速凝剂、缓凝剂、悬浮剂、流动剂、改性剂等对于某种灌浆浆液来说,主剂、固化剂可能是一种或数种;溶剂、助剂或有或无,多根据灌浆材料特性和工程需要确定
4.
8.
2.2悬浊液型灌(注)浆材料悬浊液型灌浆材料是指固体颗粒悬浮在水中的灌浆材料主要包括纯水泥浆、水泥粘土浆、水泥水玻璃浆等这些材料容易取得,成本较低,无毒性,既适用于岩土地基加固,也适用于防渗所以在各类工程中应用较为广泛水泥浆材属于颗粒材料,易析水沉淀,所以有时要加入分散剂或悬浮剂等助剂来增加其稳定性,以适应各种不同工程的需要1.水泥浆液灌浆工程中最常用的是普通硅酸盐水泥某些情况下也采用矿渣水泥、火山灰水泥等,但通常要求水灰比不大于1灌浆用水泥必须符合质量标准,不能使用受潮结块的水泥水泥属颗粒性水硬性材料,最大粒径为
0.085mm配制水泥浆用水应符合拌制混凝土用水要求水泥水化硬化依赖水,灌浆液作为流体更需要大量的水,一般浆液中的水分远大于水泥水化硬化所需水量,所以浆液固化过程中析水较多,硬化需要的时间也较长虽水泥浆液有不足之处,但其材料容易取得,成本较低,无毒性,施工工艺简单方便,适用于大多岩土地基的防渗与加固,常用于岩体裂隙灌浆水泥密度的大小与熟料的矿物组成,混合材料的种类及掺量有关,硅酸盐水泥的密度一般为3050~3200kg/m3水泥储存时间延长,密度减小水泥的细度是决定水泥性能的重要因素之一水泥的颗粒越细,其比表面积越大,水化反应速度越快,标准强度越高国家标准规定细度是按GB1345-77《水泥细度检验方法(筛析法)》进行测定,该标准规定以水筛法的
0.080mm方法孔筛余量为细度指标,灌浆工程一般要求筛余量不大于5%水泥的凝结时间对工程施工有重要意义国家标准规定凝结时间用凝结时间测定仪(维卡仪)进行测定硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45min,终凝时间不得迟于12h国家标准规定硅酸盐水泥标号分为
425、
525、
625、725四个标号,普通硅酸盐水泥分为
275、
325、
425、
525、
625、725六个标号水泥标号是根据各龄期的抗压和抗折强度指樯决定的一般把3d、7d以前的强度称为早期强度,28d及以后的强度称为后期强度同一水泥用不同方法测试时所得强度不同GB177-85规定水泥浆的浓度用水灰比W表示,即(
4.8-1)水泥浆的体积Vg为(
4.8-2)水泥体积Vc为(
4.8-3)水的体积Vw为(
4.8-4)式中—水的质量—水泥的质量;—水的体积;—水泥的体积;—水泥的密度,通常取为3;—水的密度,通常取为1g/cm3由上述可知,在任意水灰比条件下,取水的密度为1g/cm3,则配制一定体积水泥浆所需水泥和水分别为(
4.8-5)(
4.8-6)浆液由稀变浓或由浓变稀一般根据目前浆液中的水泥量和水量,按需达到的水灰比加入水泥或水水泥浆的凝结时间会随着水灰比的增加而延长温度升高,水化作用加速,凝结时间缩短为了对纯水泥浆与掺有附加剂的水泥浆进行对比,现将纯水泥浆的基本性能列表如下(表
4.8-1)表
4.8-1纯水泥浆的基本性能水灰比粘度s密度g/cm3结石率%凝胶时间抗压强度(Mpa)初凝终凝3d7d14d28d
0.5∶
11391.86997h41min12h36min
4.
146.
4615.
322.
00.75∶
1331.629710h47min20h33min
2.
432.
605.
5411.21∶
1181.498514h56min24h27min
2.
002.
402.
428.
901.5∶
1171.376716h52min34h47min
2.
042.
331.
782.222∶
1161.305617h7min48h15min
1.
662.
562.
102.80注1)采用425#普通硅酸盐水泥;1)测定数据为平均值纯水泥浆易沉淀析水、稳定性差、凝结时间较长,在地下水流速较大的条件下灌浆时,浆液易受水的冲刷和稀释为了改善水泥浆的性质,常在水泥浆中掺入一定量附加剂,如表
4.8-2所示根据不同的需要,可配制出各种性能的浆液详见表
4.8-
3、
4.8-4表
4.8-2水泥浆的附加剂及掺量名称试剂用量(占水泥重)%说明速凝剂氯化钙1~2加速凝结和硬化水玻璃1~5加速凝结硅酸钠铝酸钠
0.5~3缓凝剂木质磺酸钙
0.2~
0.5增加流动性酒石酸
0.1~
0.5糖
0.1~
0.5流动剂木质磺酸钙
0.2~
0.3去垢剂
0.05产生空气钠磺酸盐甲醛缩合物
0.2~
1.5加气剂松香树脂
0.1~
0.2产生约10%的空气膨胀剂铝粉
0.005~
0.02约膨胀15%饱和盐水30~60约膨胀1%防析水剂膨润土2~10纤维素
0.2~
0.3硫酸铝约20产生空气表
4.8-3水泥浆基本性质水灰比附加剂凝结时间抗压强度(MPa)备注名称用量(%)初凝终凝1d3d7d28d1∶1--14h56min24h27min
0.
82.
05.
98.
91.水泥为425#普通硅酸盐水泥
2.附加剂用量为占占水泥重量的百分数
3.氯化钙用量一般占水泥5%以下
4.水玻璃用量一般占水泥3%以下1∶1水玻璃37h20min14h23min
1.
01.
85.5…1∶1氯化钙27h10min15h4min
1.
01.
96.
19.51∶1氯化钙36h50min13h8min
1.
12.
06.
59.
80.4∶1“711”31min2min
15.1…
30.
947.
80.4∶1“711”54min5min
19.8…
35.
947.
10.4∶1阳泉一型23min6min
0.6……
34.11∶1三乙醇胺/氯化钙
0.05/
0.56h45min12h35min
2.
43.
97.
214.31∶1三乙醇胺/氯化钙
0.1/
0.17h23min12h58min
2.
34.
69.
815.21∶1三异丙醇胺/氯化钙
0.05/
0.511h3min18h22min
1.
42.
77.
712.01∶1三异丙醇胺/氯化钙
0.1/
0.19h36min14h12min
1.
83.
58.
213.1表
4.8-4分散剂、悬浮剂对水泥浆稳定性的影响附加剂水灰比最终析水率(%)全析水时间(min)备注名称用量(%)1∶
142.860水泥为425#矿渣硅酸盐水泥,加水搅拌5min后,放置于250ml量筒中,每隔10min观测一次析水率,直至稳定为止FeSO411∶
123.550FeSO431∶
115.150FeSO451∶
112.630膨润土31∶
127.0550膨润土51∶
124.5870膨润土81∶
120.450纸浆废液11∶
134.41120纸浆废液51∶
132.58120Na3PO411∶
131.5570Na3PO431∶
128.270一般对掺入膨润土或高塑性粘土、析水率不大于5%的水泥浆液,常称为稳定浆液根据灌浆工程需要,水泥浆中可掺入下列掺合料砂应为质地坚硬的天然砂或机制砂,粒径不宜大于
2.5mm,细度模数不宜大于
2.0,SO3含量宜小于1%,含泥量不宜大于3%,有机物含量不宜大于3%粘性土塑性指数不宜小于14,粘粒(粒径小于
0.005mm)含量不宜低于25%,含砂量不宜大于5%,有机物含量不宜大于3%粉煤灰就为精选的粉煤灰,烧失量宜小于8%,SO3含量宜小于3%,,细度不宜低于同时使用水泥的细度水玻璃模数宜为
2.4~
3.0,浓度宜为30~45B’e掺入掺合料的水泥浆液常称不混合浆液塑性屈服强度大于20MPa的混合浆液则称为膏状浆液帷幕灌浆要求水泥细度为通过80方孔筛余量不宜大于5%,制浆材料采用重量称量现场制浆时,要求加料准确并注意加料顺序,即先往搅拌机中放入规定量的水,然后再加入水泥搅拌均匀后再加入附加剂浆液的搅拌时间,使用普通搅拌机时不少于3min,使用高速搅拌机时不少于3s搅拌时间大于4h的浆液应废弃任何季节灌浆浆液的温度应保持在5~40℃之间2.水泥粘土类浆液粘土的粒径一般极小(
0.005mm),遇水具有胶体化学特征粘土矿物的特征是其原子呈层状排列,不同的排列形式组成了不同的粘土矿物,常见的有高岭土、伊利土、蒙脱土在水泥浆中,根据施工的目的和要求,经常需要加入一定量的粘土,有时粘土掺量比水泥的用量还要多,故单列一类水泥粘土类浆液水泥粘土浆的浓度一般按水泥、粘土、水的质量比表示,粘土颗粒密度通常取为
2.75t/m3水泥粘土浆液的配比及性能如表
4.8-5所示表
4.8-5粘土用量对浆液性能的影响水灰比粘土用量占水泥%粘度密度g/cm3凝胶时间结石率(%)抗压强度MPa初凝终凝3d9d14d28d
0.5∶15滴流
1.842h42min5h52min
9911.85-
33.
213.
60.75∶
15401.657h50min13h1min
934.
056.
967.
947.891∶
15191.528h30min14h30min
872.
415.
174.
288.
121.5∶
1516.
51.3711h5min23h50min
661.
293.
453.
247.362∶
1515.
81.2813h53min51h52min
571.
252.
582.
587.
850.5∶110不流动-2h24min5h29min100--
20.3-
0.75∶
110651.685h15min9h38min
992.
936.
965.12-1∶
110211.567h24min14h10min
911.
684.
552.88-
1.5∶
110171.438h12min20h15min
791.
562.
793.30-2∶
110161.329h16min30h24min
581.
251.
582.52-
0.75∶
115711.704h35min8h50min
990.
402.
402.95-1∶
115231.626h20min14h13min
951.
301.
562.18-
1.5∶
115191.517h45min24h5min
800.
850.
971.40-2∶
115161.349h50min29h16min
600.
731.
132.24-从表
4.8-5可以看出,水泥浆掺入粘土后可使浆液结石率提高;还可改善水泥分层离析程度,从而改善浆液的可注性;但掺入粘土过多会使结石体抗压强度降低,凝结时间延长作为加固灌浆时,粘土掺量不宜过多,一般掺量为5%~15%(占水泥重量)在水泥粘土类浆液中,也可以加入附加剂以改善其性能,如表
4.8-
6、表
4.8-7所示表
4.8-6水玻璃用量对水泥粘土浆性能的影响水灰比粘土用量占水泥%水玻璃用量占水泥%凝胶时间抗压强度MPa初凝终凝3d7d14d1∶150106h30min26h40min
0.
310.
710.861∶150154h6min11h52min
0.
861.
471.701∶150203h18min6h36min
1.
551.
942.191∶150255h5h
1.
771.
972.641∶150301h43min3h42min
2.
043.
123.76表
4.8-7“711”速凝剂对水泥粘土性能的影响水灰比粘土用量占水泥(%)“711”速凝剂占水泥(%)凝胶时间抗压强度MPa初凝终凝3d7d
1.5∶110046h33min28h33min
0.
2320.
381.5∶17545h58min25h50min
0.
3180.
581.5∶15045h55min18h46min
0.
2480.
501.5∶1044h58min18h37min
0.
1940.383.粘土类浆液1)纯粘土浆液由于其广泛的来源和低廉的成本,在土工堤坝防渗灌浆工程中得到了较多的应用土工堤防渗灌浆工程中,粘土浆液依靠应力条件下的脱水固结性能,可在充填灌浆、劈裂灌浆的过程中和后期的应用条件下,形成固结防渗体粘土灌浆多用于病险土工堤坝的防渗灌浆工程2)粘土类浆液中,为了改善性能而研制了粘土水玻璃浆液,其配方如下粘土40%~60%,水玻璃为粘土浆的10%~15%,熟石灰为粘土重量的1%~3%,其余是水其主要性能为凝结时间为几十秒至几十分钟,粘度为20~23s,渗透系数为10-5~10-6cm/s,pH值为11~124.水泥水玻璃类浆液水泥水玻璃浆液亦称CS浆液,C(Cement)代表水泥,S(Silicate)代表水玻璃它是以水泥和水玻璃为主剂,两者按一定的比例月票用双液方式注入,必要时加入速凝剂或缓凝剂所组成的灌浆材料这种浆液克服了单液水泥浆的凝结时间长且不能控制、结石率低等缺点,提高了水泥灌浆的效果,扩大了水泥灌浆的适用范围可用于防渗和加固灌浆,在地下水流速较大的地层中采用这种混合型浆液可达到快速堵漏的目的这是一种用途极广、使用效果良好的灌浆材料1)水玻璃水下班不是单一的化合物,而是氧化钠(Na2O)与无水二氧化硅(SiO2)以各种比例结合的化学物质,其分子式为Na2O·nSiO2水泥浆中加入水玻璃有两个作用,一是作为速凝剂使用,掺量较少,一般约占水泥重量的3%~5%;另一个作用是作为主材料使用,掺量较多灌浆用水玻璃对其模数和浓度有一定的要求,模数M是描述不玻璃性能的一个重要参数,其定义为(
4.8-7)水玻璃模数的大小对灌浆影响很大模数小时,二氧化硅含量低,凝结时间长,结石体强度低;模数大时,二氧化硅含量高,凝结时间短,结石体强度高模数过大过小都对灌浆不利灌浆时,一般要求水玻璃的模数在
2.4~
3.4较为合适水玻璃的浓度以波美度表示波美度与密度有如下关系(
4.8-8)或(
4.8-9)水玻璃出厂浓度一般为(50~56),而灌(注)浆使用的范围为(30~45),其浓度变换可用下式计算(
4.8-10)(
4.8-11)式中—原水玻璃体积;—原水玻璃密度;—加入水的体积;—水的密度;—稀释后的水玻璃体积;—稀释后的水玻璃密度为方便计算,式
4.8-
10、
4.8-11可简化为 (
4.8-12)固体的水玻璃需加水煮沸,待全部溶解后,用波美度表示浓度,但需说明固体水玻璃很难溶解2)水泥水玻璃浆液的性能根据灌浆工程的实际需要,水泥水玻璃浆液一般用于加固和堵水灌浆对于堵水,特别是水压较大、流速较快或填充岩土的大裂隙时,要求浆液的凝结时间短且具有一定的抗压强度;对于加固地基,则要求浆液具有足够的抗压强度现分别讨论如下a凝胶时间水玻璃能显著加快水泥的凝胶时间凝胶时间随水玻璃浓度、水泥浆的浓度(水灰比)、水玻璃与水泥浆的体积比等因素的变化而变化0#0;
0.5#0;
1.0#0;
1.5#0;��������min#0;������#0;C:S��1��1����24��425#��������������#0;45Be#0;40Be#0;35Be#0;图
4.8-1水泥浆浓度对凝胶时间的影响一般情况下,水玻璃浓度减小,凝胶时间缩短,并呈直线关系;水灰比W越小,水泥与水玻璃之间的反应越快,凝胶时间越短总的说来,水泥浆越浓,反应越快;水玻璃则越稀反应越快各因素对浆液凝胶时间分别如图
4.8-
1、图
4.8-
2、图
4.8-3所示b抗压强度决定水泥水玻璃浆液抗压强强度的主要因素是水泥浆的浓度(水灰比)其它条件一定时,水泥浆越浓其抗压强度越高,如表
4.8-8所示水玻璃浓度对抗压强度的影响见表
4.8-90#0;30#0;35#0;40#0;��������min#0;����������Be#0;C:S��1:1����23��425#��������������#0;20#0;40#0;60#0;80#0;45#0;W*��1:1#0;W*��
0.8:1#0;W*��
0.6:1#0;C:S��1:1����23��425#��������������#0;0#0;
0.4#0;
0.6#0;
0.8#0;��������min#0;C:S#0;20#0;40#0;10#0;30#0;60#0;50#0;80#0;70#0;100#0;90#0;
0.3#0;
0.5#0;
0.7#0;45Be#0;40Be#0;35Be#0;30Be#0;图
4.8-2水玻璃浓度对凝胶时间的影响图
4.8-3C:S对凝胶时间的影响表
4.8-8水泥浆浓度对水泥水玻璃浆液结石体抗压强度的影响水玻璃浓度Be’水泥浆浓度水灰比水泥浆与水玻璃体积比抗压强度MPa7d14d28d
400.5∶11∶
120.
424.
424.
8400.75∶11∶
111.
617.
718.5401∶11∶
14.
410.
611.
3401.25∶11∶
10.
94.
49.
0401.5∶11∶
10.
50.
92.3表
4.8-9水玻璃浓度对水泥水玻璃浆液结石体抗压强度的影响水玻璃浓度Be’水泥浆浓度水灰比水泥浆与水玻璃体积比抗压强度MPa7d14d28d
350.5∶11∶
117.
420.
020.
2350.75∶11∶
114.
413.
214.8351∶11∶
17.
38.
510.
4351.25∶11∶
13.
24.
05.
8351.5∶11∶
11.
22.
02.
8400.5∶11∶
120.
424.
424.
8400.75∶11∶
111.
617.
718.5401∶11∶
14.
410.
611.
3401.25∶11∶
10.
94.
49.
0401.5∶11∶
10.
50.
92.
3450.5∶11∶
124.
525.
025.
8450.75∶11∶
18.
216.
919.2451∶11∶
12.
96.
911.
3451.25∶11∶
10.
52.
65.
8451.5∶11∶
10.
30.
60.8当水泥浆浓度较大时,随着水玻璃浓度的增加,抗压强度增高;当水泥浆浓度较小时,随着水玻璃浓度的增加,抗压强度降低当水泥浓度处于中间状态时,则其抗压强度变化不大,也比较复杂水泥浆与水玻璃体积比对结石体抗压强度有一定的影响当水泥浆与水玻璃体积比在10:4~1:
0.6时,其抗压强度最高,说明水泥浆与水玻璃有一定适当的配合比,在这个配合比的范围内,反应进行得最完全,强度也就最高实际上,浓水泥浆需要浓水玻璃;稀水泥浆需要稀水玻璃,水玻璃过量对其抗压强度将产生不良影响综合考虑凝胶时间、抗压强度、施工及造价等因素,水泥水玻璃浆液的常用配方为水泥为425#或525#普通硅酸盐水泥;水泥浆的水灰比为
0.8:1~1:1;水泥浆与水玻璃的体积比为1:
0.5~1:
0.8;水玻璃模数为
2.4~
3.4,浓度为(35~40)%3)浆液配制水泥水玻璃浆液的组成及配制方法见表
4.8-
10、表
4.8-11表
4.8-10水泥水玻璃浆液组成及配方原料规格要求作用用量主要性能水泥425#或525#普通矿碴硅酸盐水泥主剂1凝胶时间可控制在几十秒至几十分钟范围内抗压强度5~20MPa水玻璃模数
2.4~
3.4浓度30~45Be’主剂
0.5~1氢氧化钙工业品速凝剂
0.05~
0.20磷酸氢二钠工业品缓凝剂
0.01~
0.03表
4.8-11实用水泥水玻璃复合浆液配方浆液材料和配方地质条件加固目的应用效果水玻璃+水泥浆水玻璃45Be’水泥浆W:C=1:1两者体积比1:1粒土组成
0.25mm
60.1%~
61.5%
1.25mm~
0.1mm
29.5%~
32.2%
0.01mm~
0.05mm
6.8%~
9.3%提高地基承载力桥基原下沉量达45mm,加固后停止下沉水玻璃37Be’水泥浆W:C=1:1两者体积比1:1泥石流堵水其隧道灌浆堵水效果良好水玻璃37Be’水泥浆W:C=1:1两者体积比1:
0.5~1:1粗砂夹卵石孔隙率n=40%防冲刷及抵抗侧向土压力桥墩沿沉井周围深度方向加固了3~5m,整体性良好,抗压强度
5.1MPa水玻璃40Be’水泥浆W:C=1:1两者体积比1:
0.5砂夹卵石层含泥纠正沉井倾斜,防止钢板桩漏水桥墩钢板桩围堰筑岛,堵水效果显著水玻璃+水泥浆+氯化钙水玻璃:水泥浆:氯化钙=1:
1.3:1水泥浆W:C=1:1土粒组成》
0.6mm土粒占75%
0.25~
0.6mm占25%防止冲刷提高承载力桥墩沉井底部加固体具有良好的均匀性、整体性、抗压强度4~6MPa水玻璃:水泥浆:氯化钙=1:
1.3:1水玻璃:45Be’水泥浆W:C=1:1中砂,粒径大于
0.25mm的颗粒占50%以上防冲刷整体性好,桥墩基础防冲刷试验良好使用缓凝剂时,应注意加料顺序、搅拌放置时间加料顺序为水→缓凝剂→水泥,搅拌时间应不少于5min,放置时间不宜超过30min搅拌及放置时间对凝胶时间的影响见表
4.8-
12、表
4.8-13表
4.8-12搅拌时间对缓凝效果的影响水玻璃浓度Be/水泥浆浓度(水灰比)磷酸氢二钠用量(%)凝胶时间搅拌30s搅拌5min
400.75:101min28s1min30s
400.75:126min36s9min41s
400.75:
12.259min0s13min39s
400.75:
12.510min53s18min27s401:102min0s2min8s401:124min8s5min35s401:
12.258min1s12min13s401:
12.513min25s29min15s表
4.8-13放置时间对缓凝效果的影响水玻璃浓度Be/水泥浆浓度(水灰比)水泥浆与水玻璃体积比浆液放置时间(mm)凝胶时间401:11:11513min48s401:11:13012min20s401:11:1608min0s401:11:1906min13s4)水泥水玻璃浆液的特点a浆液凝胶时间可控制在几秒至几十分钟范围内;b结石体抗压强度较高,可达10~20MPa;c凝结后结石率可达100%;d结石体渗透系数为10-3cm/s;e可用于裂隙为
0.2mm以上的岩体或粒径为1mm以上的砂层;f材料来源丰富,价格较低;g对环境及地下水无毒性污染,但有NaOH碱溶出,对皮肤有腐蚀性;h结石体易粉化,有碱溶出,化学结构不够稳定5细水泥浆液普通水泥颗粒较大,渗透能力有限,一般只能渗入大于
0.1mm的裂隙或孔隙为解决细小孔隙的灌浆问题,有时不得不使用价格较贵、耐久性差、结石体强度低、有时还存在环境污染的化学灌浆材料为解决普通水泥颗粒较大、渗透能力有限的问题,多年来,灌浆工程界采用干法和湿法磨细方式以期加以改善超细水泥是一种性能优越的灌浆材料,其颗粒的最大粒径为12μm,平均粒径可达4μm,比表面积相当大,因而在非常细小的裂隙中的渗透能力远高于普通水泥如在其中加入一些助剂,可改善超细水泥浆液的可注性能国内外的灌浆实践证明,在细小的孔隙中,超细水泥具有较高的渗透能力,能渗入细砂层(渗透系数10-3~10-4cm/s)和岩石的细裂隙中,与一般化学浆材相比具有较高的强度和较好的耐久性能由于其比表面积很大,同等流动性条件下用水量增加,欲配制流动性较好的浆液需水量较大,而保水性又很强的浆液中多余的水分不易排除,将影响结石体的强度所以当采用超细水泥灌浆时,浆液的水灰比应控制在一定范围内,往往需要掺入高效减水剂来改善浆液的流动性目前超细水泥价格较贵,影响其使用范围表
4.8-14为3组有代表性的配方,可供灌浆设计和施工控制参考表
4.8-14超细水泥浆的基本性能编号配方(重量比)密度g/cm3凝结时间抗折强度(MPa)抗压强度(MPa)水泥水助剂初凝终凝7d28d90d7d28d90d
11006011.715h55min7h10min
4.
926.
285.
2534.
237.
337.
521008011.597h2min8h40min
4.
825.
745.
7820.
923.
525.
8310010011.507h53min9h3min
3.
995.
595.
7320.
523.
124.5工程中,根据需要也可采用不同细度的干法磨细水泥干法磨细水泥的储存、运输难度常制约其使用范围为降低干法磨细水泥的造价,方便施工,工程中常利用水具良好分散性的特点,在现场直接采用磨细水泥浆的方式磨细水泥浆的方法磨细水泥颗粒,称为湿法磨细湿法磨细的水泥浆必须立即用于灌浆施工,目前尚无较好的测试方法测试其细度,往往用灌浆效果来判断
4.
8.
2.3水玻璃类浆液水玻璃又称硅酸钠(Na2O·nSiO2),在某些固化剂作用下,可以瞬时产生凝胶,因此可作为灌浆材料水玻璃类浆液是以水玻璃为主剂,加入胶凝剂,反应生成凝胶它因为来源广泛,价格便宜,对环境无害而被广泛采用它既可作为单一浆液灌注,还可用作为水泥灌浆的速凝剂使用一般用于灌浆的水玻璃模数以
2.4~
3.4为宜水玻璃浆液用作主剂时,可以根据工程需要采用不同的固化剂,其凝胶时间及性能可通过不同的配方试验来确定作水泥掺加剂时,也应依不同目的与要求通过试验确定现介绍几种应用较多的浆液
1.水玻璃氯化钙浆液水玻璃、氯化钙两种浆注解在土体中相遇时发生发应而生成二氧化硅胶体,与土颗粒一起形成整体,起到防渗和加固的作用这种浆液主要用于建筑、交通部门的地基加固或无粘性土的堵水水玻璃-氯化钙浆液的反应为Na2O·nSiO2+CaCl2+mH2O→nSiO2m-1H2O+CaOH2加固每立方料土体所需浆液视土体的孔隙率而定加固后的地基承载力砂土为(1500~3000)kPa,粉砂约为500kPa,粘性土约为800kPa水玻璃氯化钙浆液可用一根管交替注入,但在换液前必须清洗管路;也可用双管注入法,即一根管注入水玻璃,别一根管注入氯化钙浆液,使两种浆液在地基中相遇而起化学反应凝胶为提高浆液的扩散能力,可为两根管通直流电,称为电动硅化法需要说明的是两种浆液在相遇险时的瞬间可产生化学反应,凝胶时间不好控制,因此灌(注)浆效果受操作技术及施工经验影响较大2.水玻璃铝酸钠浆液水玻璃与铝酸钠在地基中反应而生成的凝胶物-硅胶和硅酸盐可以胶结土颗粒其反应方程式为3Na2O·SiO2+2NaAlO2→Al2SiO32+4Na2O这种浆液主要用于堵水或加固地基改变水玻璃模数、浓度、铝酸钠含铝量可调节凝胶时间水玻璃模数越高,凝胶时间越短;浓度越低,凝胶时间越短;铝酸盐含铝量增加,凝胶时间缩短高浓度浆液的粘度虽高,若被地下水稀释时,反而具有凝胶时间缩短的性质其次,铝酸盐含量的多少会影响结石体的抗压强度3.水玻璃氟硅酸浆液氯硅酸(H2SiF6)水溶液无色、呈强酸性、能侵蚀玻璃,需保存于塑料容器中浆液的凝胶时间主要受水玻璃、氟硅酸用量的多少影响,参见表
4.8-15表
4.8-15水玻璃、氟硅酸用量对凝胶时间的影响水玻璃浓度Be’水玻璃用量(ml)氟硅酸用量(ml)水用量ml凝胶时间水玻璃浓度Be’水玻璃用量(ml)氟硅酸用量(ml)水用量mlmin凝胶时间minss401008070601008070601008070602020202015151515101010103030303035353535404040408531249643317141325401715504052820461314351008070601008070601515151510101010353535354040404085321714985002640185340173010080706010080702020202015151530303030353535100032138412825503534351008070602020202030303030521020122524由表中可见,水玻璃浓度降低,或水玻璃用量减小均使凝胶时间缩短固结体抗压强度随水玻璃浓度的增加而增加,随氟硅酸用量的增加而增加这种浆液配方简单、操作方便使用时,水玻璃与氟硅酸两者可等体积注入,氟硅酸不足部分可加水补充工程中应注意的是两种药液相遇时会絮状沉淀物产生,可能影响浆液在地基中的扩散能力,并且氟硅酸有腐蚀性,成本较高,浆液凝胶体的耐久性尚没有可靠的资料说明4.水玻璃乙二醛浆液这是一种性能良好的水下班浆液,但其成本较高且受不源的限制,因而使用上受到了影响影响凝胶时间的因素见图
4.8-4~图
4.8-6,影响抗压强度的因素见图
4.8-7~图
4.8-925��#0;10#0;20#0;30#0;10#0;20#0;30#0;��������min#0;����������������#0;������50����������#0;10��#0;15��#0;0#0;10#0;20#0;
0.5#0;
1.0#0;
1.5#0;��������min#0;��������������#0;������50������10����������#0;0#0;图
4.8-4温度、乙二醛用量对凝胶时间的影响图
4.8-5乙酸用量对凝胶时间的影响10#0;20#0;30#0;
0.2#0;
0.4#0;
0.6#0;��������min#0;����������������#0;��=
0.4#0;����15��#0;0#0;��=
0.5#0;
0.8#0;
1.0#0;��=
0.2#0;��=
0.3#0;
0.5#0;
1.0#0;
1.5#0;10#0;20#0;30#0;����������MPa��#0;����������������#0;������50����������#0;
2.0#0;.#0;.#0;图
4.8-6水玻璃浓度、乙二醛浓度对凝胶时间的影响图
4.8-7乙二醛用量对抗压强度的影响
0.5#0;
1.0#0;
1.5#0;10#0;30#0;50#0;����������������#0;
2.0#0;��=
0.3#0;��=
0.2#0;����������MPa��#0;20#0;40#0;0#0;������50������10����������#0;
1.0#0;
0.5#0;
1.0#0;��������������#0;
2.0#0;����������MPa��#0;0#0;������250������5����������#0;图
4.8-8水玻璃用量对抗压强度的影响图
4.8-9乙酸用量对抗压强度的影响以上几种浆液的组成、性能及主要用途见表
4.8-16表
4.8-16水玻璃类浆液的组成、性能及主要用途浆液原料规格要求用量凝胶时间注入方式抗压强度MPa主要用途备注水玻璃氧化钙浆液水玻璃氯化钙模数
2.5~
3.0浓度43~45Be’密度
1.26~
1.28浓度30~32Be’45%53%瞬间单管或双管《
3.0加固基础灌(注)浆效果受操作技术影响较大水玻璃铝酸钠浆液水玻璃铝酸钠模数
2.3~
2.4浓度40Be’含铝量160~190g/L11几十秒~几十分双液
3.0堵水或加固改变水玻璃模数、浓度、铝酸钠含铝量和温度可调节凝胶时间铝酸钠含量多少会影响其抗压强度水玻璃硅氟酸浆液水玻璃氟硅酸模数
2.4~
3.4浓度30~45Be’浓度28~30%
10.1~
0.4几秒~几十分双液
1.0堵水或加固两液等体积注入,硅氟酸不足部分加水补充两液相遇时有絮状沉淀物产生水玻璃乙二醛浆液水玻璃乙二醛乙酸模数
3.2浓度42Be’浓度35%浓度90%
10.2~
0.60~
0.02几秒~几十分双液2堵水或加固两液等体积注入,乙二醛不足部分加水补充,乙酸为速凝剂~胶凝剂的品种较多,有些胶凝剂与水玻璃的反应速度很快,如氯化钙、磷酸和硫酸铝等,它们和主剂必须在不同的灌浆管或不同的时间内分别注入,所以称双液灌浆法;另一些胶凝剂如盐酸、碳酸氢钠和铝酸钠等与水玻璃的反应速度较慢,因而主剂与胶凝剂能在灌浆前预先混合注入同一钻孔中,所以称为单液灌浆法双液法中两种化学剂的反应几乎是立即发生,而单液法中浆液的凝胶时间较长,粘度增长速度较慢,故单液法的有效扩散半径比双液法大,但单液法的凝胶强度一般比双液法低为克服单液法的这一缺点,近年来用有机物作为胶凝剂的研究和应用得到迅速发展,这些有机剂包括二醛、醋酸乙酯、甲酰胺等5.酸性水下班浆液通常所用水玻璃为碱性材料,其凝胶体有碱溶出、脱水收缩和腐蚀现象,这影响了它的耐久性,而且可能对环境有一定的污染而酸性水玻璃可在中性或酸性条件下凝胶,且凝胶体没有碱溶出1)HS水玻璃(酸性水玻璃)浆液为使水玻璃浆液能在中性或酸性条件下凝胶,可将水玻璃进行酸化,其反应如下Na2O·SiO2+n-1H2SO4→nSiOH2SO4+Na2SO4+H2O在酸化过程中,必须保持pH值不大于2,因为此时它的稳定性最高,不易自凝在该种酸性(pH≤2)水玻璃中,加入一定量的凝胶剂能使其凝胶因pH值对浆液的凝胶影响很大,对凝胶时间的控制较为困难,可采用加pH缓冲液的方法来改变凝胶时间的控制条件,以便能较容易地调整浆液的凝胶时间,如图
8.4-10所示该种浆液的粘度为3×10-3Pa·s,相对密度为
1.10,凝胶时间可以从瞬时到数十分钟内高速其固砂体在海水中浸泡1年半,强度无显著变化北京地铁遥于加固粉细砂层的酸性水玻璃浆液如下a原材料水玻璃模数
2.8~
3.4;浓度大于40;硫酸浓硫酸(98%),或用废硫酸代替;缓凝剂若干b改性(酸性)水玻璃组成及制浆方法甲液水玻璃浓度15;乙液10%~20%硫酸加适量缓凝剂;甲乙与乙液的配比为(6~
7.5)1,另加10%外加pH值变化在4~7之间配制浆液时,将一定量甲液倒入乙液中,混合均匀c改性水玻璃性能相对密度
1.07~
1.11;粘度(2~5)×10-3Pa·s;pH值4~6(根据凝胶时间调整);凝胶时间空气中30~40min,细砂中5~30min;固砂体单轴抗压强度
0.3~
0.5MPa经试注,改性水玻璃浆液在细砂中渗透性良好,扩散均匀,每立方米浆液可固结砂体
4.2~
4.8m3d凝胶时间配方按不同砂层的要求配制了高低两种强度的浆液,其凝胶时间见表
4.8-17表
4.8-17改性水玻璃浆液凝胶时间配方高浓度浆液低浓度浆液配方高浓度浆液低浓度浆液pH值凝胶时间minpH值凝胶时间minpH值凝胶时间minpH值凝胶时间min121200436045216~7223221595561710s34626252SS水玻璃(硅溶胶)浆液为使水玻璃浆液在土体中溶出降低到最低限度,减小污染,增加固结体的耐久性,除了上述酸性水玻璃浆液外,还可通过降低水玻璃溶液中的Na2O含量得到高模数的酸性水玻璃由于在脱钠过程中已经逐步产生了硅酸,实际上已经完全改变了原水玻璃的特征这种浆液可以在中性或微酸性范围内凝胶又因为生成水溶性盐的钠离子大部分已被脱去,这就减小了它在土体中的溶出,相应地增加了固结体的耐久性,降低了环境污染的程度该浆液主要性能如下粘度5×10-3Pa·s;凝胶时间从瞬时到30min内任意调节;固砂体抗压强度
0.39~
0.59MPa;耐久性试验固砂体在水中浸泡,其强度不降低;固砂体渗透系数
1.23×10-3cm/s由于水玻璃不源丰富,价格较低,污染较小,加之各种新型固化剂的不断出现,使水玻璃类浆液性能不断改善水玻璃类浆液是一种很有发展前途的浆液,但在应用水玻璃类浆液时应注意1液凝结后能释放一定量的自由钠离子,它虽无毒,但对地下水有污染作用2具有粘塑性质,灌浆凝聚形成的硅胶承受长期荷载时,其强度将有所降低如试验中,与常用的快速加荷速率相比,慢速加荷试验所得的强度和变形模量可降低20%~50%因此当用水玻璃类浆液加固砂土时,应充分考虑加固体的蠕变特征
4.
8.
2.4有机类灌(注)浆材料在机类灌浆材料的品种很多,包括丙烯酰胺类、聚氨脂类、木质素类、脲醛树脂类、不饱和聚脂类、热沥青类、环氧树脂类等本节仅叙述几种在工程中常用的灌浆材料1.丙烯酰胺类浆液丙烯酰胺类浆液,国内简称丙凝浆液,国外称为(AM-9)是以有机化合物丙烯酰受为主剂,配合其它药剂而制成的液体其粘滞性与水接近,且凝结前维持基本不变以水溶液状态注入土中,发生聚合反应后形成具有弹性的、不溶于水的聚合物1组成主剂丙烯酰胺(简称A)是白色结晶粉状物质,相对密度
1.12,极易溶于水,易聚合,在温度30℃以下的干燥环境中可长期保存交联剂为N-N‘-亚甲基双丙烯酰胺(简称M)因丙烯酰胺在适当的条件下易生成水溶性的线性聚合物,而这种聚合物作为灌浆材料是不合适的,所以要加入N-N‘-亚甲基双丙烯酰胺,使聚合物成为不溶于水的凝胶物A和M合起来称为MG-646引发剂过磷酸胺(简称AP)为水溶性粉状材料,相对密度为
1.98,在某些还原剂作用下可生成游离基而使丙烯酰胺聚合促进剂二甲氨基丙腈(简称DAP)为黄色液体,常温下相对密度为
0.86近年来常用性能相当的三乙醇胺代替二甲氨基丙腈DAP和AP都属于催化剂,它们掺量的多少决定了丙烯烯胺浆液的凝胶时间,对浆液的粘度及稳定性也有重要影响缓凝剂铁氰化钾(简称KFe)是赤褐色粉状物质,用以延缓浆液的凝胶时间丙烯酰胺类浆液的组成及配方见表
4.8-
18、表
4.8-191980年美国研制成名为AC-400的浆材,它是以10%的丙烯酸盐水溶液为主剂其毒性比丙烯酰胺浆液低1982年中国水利水电科学研究院亦研制成类似的浆材AC-MS,这类浆材的毒性仅为上述浆材的1%左右表
4.8-18丙烯酰胺浆液的标准配方试剂名称代号作用浓度重量%粘度×10-3Pa·s凝胶时间抗压强度MPa丙烯酰胺A主剂
9.
51.2十几秒至几十分钟
0.4~
0.6N-N‘-亚甲基双丙烯酰胺M交联剂
0.5过硫酸胺AP引发剂
0.5二甲氨基丙腈DAP促进剂
0.4铁氢化钾KFe缓凝剂
0.01表
4.8-19丙烯酰胺浆液的现场配制甲液50L乙液50L丙烯酰胺
0.95kgN-N’-亚甲基双丙烯酰胺
0.5kg二甲氨基丙腈
0.8kg铁氢化钾加至50L过硫酸胺
1.2kg水50L2浆液及凝胶体的特点a浆液粘度小,与水接近,常温标准浓度下为
1.2×10-3Pa·s,且在凝胶前保持不变,因此具有良好的可注性b凝胶时间可准确地控制在几秒至几十分钟之间,且凝胶是在瞬间发生并在几分钟之内就达到其极限强度,聚合体积基本上为浆液体积的100%c凝胶体抗渗性好,其渗透系数为10-9~10-10cm/sd凝胶抗压强度较低,约
0.2~
0.6MPa一般不受配方的影响,在较大裂隙内的凝胶体易被挤出,因此仅适用于防渗灌浆e丙凝浆液及凝胶体耐久性较差,且具有一定的毒性,对神精系统有毒害,对空气和地下水有污染f丙烯酰胺浆液价格较贵,材料来源也较少g丙凝浆液与铁质易起化学作用,具腐蚀性,凡浆液所流经的部件均宜采用不与浆液发生化学作用的材料制成2#0;4#0;6#0;8#0;10#0;20#0;40#0;60#0;80#0;100#0;11#0;12#0;13#0;14#0;15#0;16#0;17#0;18#0;19#0;20#0;AP=
0.1%#0;AP=
0.2%#0;
0.3%#0;
0.4%#0;
0.5%#0;MG-64610%DMAPN
0.4%Kfe
0.004#0;��������min#0;����������#0;MG-64610%DMAPN
0.4��#0;4��#0;8��#0;12��#0;2#0;4#0;6#0;8#0;10#0;20#0;30#0;40#0;50#0;16��#0;
0.1#0;
0.2#0;20��#0;
0.3#0;
0.4#0;
0.5#0;��������min#0;AP��������������#0;����#0;图
4.8-11温度凝胶时间的影响图
4.8-12AP浓度对凝胶时间的影响10#0;20#0;30#0;40#0;
0.4#0;
0.6#0;
0.8#0;
1.0#0;
1.2#0;��������min#0;DAP��������������#0;MG-64610%AP
1.0��#0;13��#0;17��#0;����#0;2#0;10#0;70#0;200#0;5#0;6#0;7#0;8#0;9#0;��������min#0;pH��#0;MG-64610%AP
1.0��#0;10��#0;16��#0;5#0;30#0;100#0;10#0;11#0;����#0;图
4.8-13DAP浓度对凝胶时间的影响图
4.8-14pH值对凝胶时间的影响2.聚氨酯类浆液聚氨酯类浆液采用多异氰酸酯和聚醚树脂等作为主要原材料,加入各种外加剂配制而成浆液注入地层后与水发生反应生成聚氨酯泡沫体,起加固地基和防渗堵水作用它分为非水溶性聚氨酯浆液(简称PM)和水溶性聚氨酯浆液(简称SPM)1非水溶性聚氨酯类浆液PM型浆液的配方变化较大,甲苯二异氰酸酯(TDI)可用二苯基亚甲基二异氰酸酯(MDI)或多苯基多亚甲基多异氰酸脂(PAPI)代替,聚醚也可选用其它型号非水溶性聚氨酯类浆液只溶于有机溶剂其浆液组成见表
4.8-20表
4.8-20PM型浆液组成及主要性能原料外观作用凝胶时间粘度10-3Pa·s抗压强度MPa甲苯二异氰酸酯(TDI)浅黄色液体,有刺激性臭味制成预聚体为主剂十几秒至几十分钟十几至几百
6.0~
10.0丙二醇聚醚(N-204)无色透明液体,无味制成预聚体为主剂丙三醇聚醚(N-303)浅棕色注液本,无味制成预聚体为主剂邻苯二甲酸二丁酯(DBP)无色液体,无味溶济丙酮无色液体溶剂发泡灵棕色粘稠液体表面活性剂三乙胺无色液体,有刺激性臭味催化剂浆液特点1浆液相对密度
1.036~
1.125,是非水溶性的,遇水开始反应,因此不易被地下水冲稀,可用于动水条件下堵漏,封堵各种形式的地下、地面及管道漏水,止水效果好2浆液遇水反应时,放出CO2气体,使浆液产生膨胀,向四周渗透扩散,直到反应结束时止由于膨胀而产生了二次扩散现象,因而有较大的扩散半径和凝固体积比3浆液粘度低,可注性好,可与水泥灌浆相结合;采用单液系统灌浆,工艺设备简单4固砂体抗压强度高,一般在
0.6~1MPa之间,渗透系数可达10-6~10-8cm/s5不污染环境6浆遇水开始反应,所以受外部水或水蒸气影响较大,在存放或施工时应防止外部水进入浆液中7灌浆后,管道、设备需用丙酮、二甲苯等溶剂清洗2)水溶性聚氨酯类浆液水溶性聚氨酯与非水溶性聚氨酯的主要区别在聚醚PM浆液所用的聚醚是环氧丙烷聚合物,而SPM浆液所用的聚醚是环氧乙烷聚合物,后者具有亲水性SPM浆液的组成、配方及主要性能见表
4.8-21表
4.8-21SPM浆液的组成、配方及主要性能原料作用用量重量比凝胶时间抗压强度MPa备注甲苯二异氰酸酯聚醚制成预聚体为主剂1<2min可调<
1.0SPM与PM的主要区别在于聚醚SPM中的聚醚是环氧乙烷聚合物,分子量控制在3000~4000邻苯二甲酸二丁酯溶剂
0.15~
0.5丙酮溶剂
0.5~12,4-二氨基甲苯催化剂适量水反应剂5~10浆液特点1浆液能均匀地分散或溶解在大量水中,凝胶后形成包有大量水的弹性体2浆液相对密度
1.10,粘度
0.1Pa·s左右3凝胶时间几秒~几十分钟,凝胶体的抗压强度与包水量有关4可用于水工建筑物及地下工程的防渗堵漏3.木质素类浆液木质素将液是以纸浆废液为主剂,加入一定量固化剂所组成的浆液为了加快凝胶速度和提高结石抗压强度,往往加入促进剂木质素类浆液包括铬木素和硫木素两种浆液1)铬木素浆液铬木素浆液的固化剂是重铬酸钠,由于重铬酸钠的毒性较大(饮水中的允许含量〈
0.05mg/L),因此这种浆材难以大规模使用东北大学又研制出铬渣木素浆液,使毒性大幅度降低,成本也大大降低由于这几种浆液按不同情况均有实用价值,现将各浆液的组成、配方及性能列于表
4.8-22及表
4.8-232)硫木素浆液硫木素浆液是铬木素浆液的基础上发展起来的,采用过硫酸铵代替重铬酸钠,使之成为低毒、无毒木质素浆液,这是一种很有发展前途的灌浆材料其浆液组成、配方见表
4.8-24表
4.8-22纸浆废液重铬酸钠浆液组成、配方及主要性能体系原料作用浓度%用量体积比注入方式凝胶时间抗压强度甲液纸浆废液主剂20~451双液几分钟至几小时
0.4MPa乙液重铬酸钠固化剂
1000.1~1注甲、乙两液等体积注入、重铬酸钠用量不足部分加水补充表
4.8-23纸浆废液-三氯化铁-重铬酸钠浆液组成、配方及主要性能体系原料作用浓度%用量体积比注入方式凝胶时间抗压强度甲液纸浆废液主剂20~451双液几十秒至几十分钟
0.4MPa乙液重铬酸钠固化剂
1000.1~
0.5三氯化铁促进剂
1001.
0.1~
0.5注1)甲、乙两液等体积注入,乙液不足部分加水,三氯化铁量增加会降低强度;2)重铬酸钠和三氯化铁的用量之比对凝胶时间有很大影响表
4.8-24硫木素浆液组成、配方及性能材料性状及规格配比用途基本性能纸浆废液黑色粘液,固体物含量40%50mL主剂凝胶时间可控制在几十秒至几十分钟范围内粘度4×10-3Pa·s其固砂体强度为
0.5MPa左右过硫酸铵白色粉沫,化学纯或工业品7g固化剂氯化锌白色粉沫,浓度
0.5g/mL4mL催化剂氯化铵白色结晶,浓度
0.2g/mL16mL催化剂氯化铜绿色结晶,浓度
0.1g/mL2~3mL催化剂氨水无色透明液体,含氨25%4mL催化剂水加至100mL溶剂纸浆废液亦可以采用氢氧化钠调节pH值,以后直接用过硫酸铵进行固化其结果见表
4.8-25表
4.8-25氢氧化钠、过硫酸铵对凝胶时间的影响甲液乙液凝胶时间乙液凝胶时间30%纸浆废液mL50%氢氧化钠mL水mL50%过硫酸铵mL50%过硫酸铵mL2550150min43s302min16s2541150min57s303min31s2532150min30s305min48s4.糠醛树脂类浆液糠醛是非水溶性油状液体,加入
0.01%~
0.1%的表面活性剂吐温后即可产生稳定的乳浊液,在酸性固化剂作用下与脲发生反应生成树脂固体,因此可用于灌浆该浆液固化时间长,且不能准确控制,固结土的强度与固化剂的种类有关,可应用于固砂浆液的组成及主要性能见表
4.8-26,现场配制实例见表
4.8-27表
4.8-26糠醛树脂浆液的组成、配方及主要性能原料状态浓度(%)用量(体积比)粘度凝胶时间抗压强度糠醛浅黄色油状液体10015%~35%<2×10-3Pa·s几十秒至几十分钟
1.0~
6.0MPa脲白色晶体50水溶液45%~55%硫磺无色透明液体20水溶液2%~15%表
4.8-27糠醛树脂浆液现场配制实例糠醛脲(摩尔比)甲液乙液1135151%~2%-3515-
0.9131191%~2%-
311540.8127231%~2%-
271580.7122281%~2%-
2215180.6118321%~2%-1815175.环氧树脂浆液环氧树脂是一种高分子材料,具有强度高、粘结力强、收缩性小、化学稳定性好、能在常温下固化等性能作为灌浆材料则存在一些问题,如浆液粘度大、可注性小、憎水性强、与潮湿裂缝粘结力差等浆液的配方见表
4.8-28,力学性能见表
4.8-29表
4.8-28环氧树脂浆液配方配方6101环氧树脂501#环氧丙烷丁基醚662#甘油环氧树脂丙酮糠醛651#聚酰胺二乙烯三胺三乙胺六次甲基四胺DMP-30主剂稀释剂亲水剂稀释剂稀释剂固化剂固化剂固化剂固化剂固化剂1-110030402-2100405013-21004030201615-210040301822-110030302020151023-1100353515524-1100255050202表
4.8-29环氧树脂浆液结石体力学性能配方抗冲击强度MPa抗压强度MPa抗拉强度MPa粘结强度MPa备注干缝湿缝1-
13.
838.
8225.
51.
851.512-
24.
088.
7234.
41.84-13-
26.
2012.
1550.
51.
671.07抗压变形较大15-
25.
616.
7541.
52.
031.1622-1-
8.15-
1.
971.9023-1---
1.
681.59聚合物较软24-1---
1.
421.42聚合物较软6.甲凝浆液甲凝是以甲基丙烯酸甲酯为主要成分,加入引发剂等组成的一种低粘度的灌浆材料甲基丙烯酸甲酯是无色透明液体,粘度很低,在25℃时,仅为
5.7×10-4Pa·s,渗透力很强,可注入
0.05~
0.1mm的细微裂隙,在一定的压力下,还可渗入混凝土材料距离聚合后的强度和粘结力较高但甲凝是憎水性材料,在液态时,它怕水,也怕氧7.丙强浆液丙强浆液灌浆是在丙凝浆液基础上发展起来的,它是主要以丙凝与脲醛树脂作为灌浆材料的一种化学灌浆浆液,具有防渗和加固的双重和加固的双重作用浆液的粘度比丙凝大,约为(5~6)×10-3Pa·s,相对密度
1.19~
1.20聚合体的渗透系数可达10—8cm/s经丙强灌注的砂,其聚合体的抗压强度可达8MPa
4.
8.
2.5浆液的基本性质及测试方法作为向地基注入的灌(注)浆材料和浆液具有的基本性质参数包括密度、PH值、粘度、凝结时间、结石率等,分别介绍如下1.密度材料和浆液的密度指物体的质量与其体积的比值,即(
4.8-13)式中─物体的密度;m—物体的质量;V—物体的体积测定浆液密度时,最好在该浆液的所有成分混合后,在凝胶之前测定完毕若凝胶时间太短,可对甲、乙液分别测定,然后按其西文中用量多少来计算密度由于浆液西文的改变,有些浆液密度可能会有一个变化范围,这时需要测出最大和最小值水泥浆、粘土浆、水泥粘土浆等悬浊液的密度除按上述方法在室内测定外,也可用理论公式计算纯水泥浆的密度q与水灰比W(重量比)之间的关系如下(
4.8-14)若c=
3、=1,则上式为(
4.8-15)为现场使用方便,现将和W之间的关系示于图
4.8-15中2.pH值为测定pH值所使用的试剂称为pH值指示剂指示剂是在pH值超过一定值范围时发生变色如将酚酞试剂喷射到注有碱性浆液的地方将显示红色,pH值则为8~10为测定pH值使用的试低称pH试纸,在纸上染有指示剂的颜色通常将各种试纸配合使用使用范围为pH=0~14,测定pH值的精度为
0.2pH单位碱性水玻璃类浆液在碱性范围内凝胶,所以可用比色法以pH值测定它的碱度该方法是利用碱性随氢离子浓度的变化,指示剂的颜色也有变化而进行的测定方法,可用指示剂溶液或pH值试纸等方法进行测试3.粘度浆液粘度的大小直接影响浆液的扩散半径,同时也决定浆液的压力、流量等参数在确定,从而影响到灌浆效果粘度小,则扩散半径大但为了防止浆液扩散太远而造成浪费,有时还要增加浆液的粘度因此,理想的浆液其粘度应是可调的粘度是度量流体粘滞性大小的物理量浆液粘度是指浆液所有成分混合后的初始粘度对理想浆液的粘度要求是初期粘度低,一旦凝胶则粘度急剧增大图
4.8-16为某些浆液在凝胶过程中站度的变化60#0;50#0;40#0;30#0;20#0;10#0;100#0;200#0;������10-3Pa��s��#0;图
8.4-16浆液粘度随时间变化为了获得准确的数据,一定要在浆液所有成分混合好后立即测定测定浆液粘度可采用旋转式粘度计悬浊浆粘度也常使用泥浆粘度计,即漏斗粘度计关于各种粘度计的使用方法介绍从略一般来说浆液的粘度随着稀释剂的用量和温度的升高而降低但当衡释剂的用量超过一定限度时,则这种影响明显减弱水泥浆的粘度通常用时间秒(s)表示,而一般液体的粘度用帕·秒(Pa·s)表示几种常用灌浆材料的粘度及测定方法见表
4.8-30表
4.8-30几种灌浆材料的粘度及测定方法浆液名称粘度测定方法悬浊型浆液单液水泥类15~140s常用ZNN型泥浆粘度计水泥~水玻璃类15~140s溶液型浆液水玻璃类(3~4)×10-3Pa•s使用旋转式粘度计,落球式粘度计丙烯酰胺类
1.2×10-3Pa•s铬木素类3~4×10-3Pa•s脲醛树脂类5~6×10-3Pa•s聚氨脂类十几~几百×10-3Pa•s糖醛树脂类2×10-3Pa•s环氧树脂类6×10-3Pa•s4.凝胶时间为了得到较理想的浆液扩散半径和较好的灌浆效果,凝胶时间应能准确的调节和控制凝胶时间一般是指在一定的温度下,从参加反应的全部混合时起,到浆液失去流动性止所经过的时间凝胶时间除与参加瓜的成分有关外,还受浆液的配比、浓度、催化剂、溶剂、水的pH值以及温度的影响测定浆液的凝胶时间有粘度计法、倒杯法粘度计法适用于凝胶时间大于3min的溶剂型材料倒杯法是现场使用的比较简便的一种方法该方法适用于各种灌浆材料,凝胶时间从瞬时至几十分钟都能使用首先用量筒量取A液(主液)与B液(固化剂),分别置入烧杯中,然后把A液倒入装有B液的烧杯中,立即把A、B混合液再倒入A液的烧杯中,重复交替混合A、B液,直至浆液不再流动时或浆液呈现粘稠状为止,所经过的时间为凝胶时间下面将几种浆液的凝胶时间裂表如表
4.8-31,供参考表
4.8-31几种浆液凝胶时间浆液名称凝胶时间浆液名称凝胶时间浆液名称凝胶时间纯水泥浆12~24h水玻璃类瞬间~几十分钟丙烯酰胺类十几秒~十几分钟水泥加添剂6~15h铬木素类十几秒~十几分钟聚氨脂类十几秒~十几分钟水泥水玻璃双液浆十几秒~十几分钟脲醛树脂类十几秒~十几分钟5.结石率结石率()是浆液固结后结石体积(V1)与浆液体积(V2)之比的非分数表达式如下(
4.8-16)结石率愈高灌浆效果愈好悬浊液的水灰比浆液的含水量是影响结石率的主要因素6.单轴抗压和抗折强度测定灌(注)浆材料的单轴抗压和抗折强度的试验方法如下凡浆液结石体为脆性材料与均采用纯浆液(如水泥浆、脲醛树脂浆、环氧树脂浆等)一次成型试样尺寸为4cm×4cm×46cm凡浆液结石体为塑性材料均采用浆液加标准砂的方法成型先将标准砂装满试模,在捣固条件下慢慢加入浆液(丙烯酰胺、水玻璃、铬木素等)直至饱和,整平表面,固化后脱模,试样尺寸为4cm×4cm×16cm对于聚氨酯,由于其发泡膨胀,宜采用直径为40mm有机下班管密闭成型先在下班管内装入标准砂,用水饱和,紧上盖,然后从下面注入浆液,固化后脱模试样径高比
0.5~1试样脱模后放入20℃±5℃水中养护,测定1d、3d、7d、14d及28d抗折和抗压强度每组取三块测定其平均值测试仪器可采用抗折试验机和1~30t压力机测定几种灌浆材料的抗压强度见表
4.8-32表
4.8-32几种灌浆材料的抗压强度浆液名称试块成型方法抗压强度(Mpa)测定仪器及方法水泥浆类结石体为脆性,使用纯浆液,在4cm×4cm×16cm或4cm×4cm×4cm模中成型5~25成型试块均放在20±5℃水中养护,测定
1、
3、
7、
14、28d的抗压强度,每组三块,取平均值,仪器使用抗折试验机和1~30t压力机或万能材料试验机水泥~水玻璃类5~20脲醛树脂类2~8糖醛树脂类1~6水玻璃类结石体为弹性,用浆液加标准砂,在4cm×4cm×4cm试模中成型3丙烯酰胺类
0.4~
0.6铬木素类
0.4~2在内径40mm有机玻璃管内放入标准砂并用水饱和,浆液从下面有孔板压入,固化后取出进行试验聚氨脂类(PM)型6~107.抗挤出强度抗挤出强度试验装置是由几根外径和长度都相同而内径不同的厚壁玻璃管和耐压保护装置组成首先将玻璃管内充满浆液,待凝结后测定凝胶体在管中的长度,然后将玻璃管装入耐高压保护装置中加压,每加压
0.1MPa,稳定10min,直至管中固结体挤出为止挤出的最小压力为该浆液在这种直径和长度条件下的抗挤出强度试验规定要分别对不同直径的结石体进行
100、
200、300mm三种长度的试验,以此归纳出结石体长度、直径和抗挤出强度的一般规律8.注入能力与渗透性(可注性)浆液注入能力是指浆液注入裂隙或土体的难易程度水泥类颗粒性浆材的注入能力主要由浆液的流动性、稳定性和颗粒粒径等因素决定化学浆液则主要由浆液的流动性决定浆液的渗透性(可注性)是指浆液在一定的裂隙或土体中的渗透性能其不仅依赖于浆液的注入能力,而且与所处理岩土的裂隙或孔隙尺寸有关渗透性好,浆液在一定压力下的扩散距离就大参见表
4.8-33及表
4.8-34表
4.8-33各种浆液材料的渗透性浆液名称砾石砂石粉砂粘性土大中小粗中细单液水泥类…………水泥粘土类…………水泥水玻璃类…………水玻璃类………………丙烯酰胺类…………………铬木素类…………………脲醛树脂类………………聚氨脂类…………………糖醛树脂类…………………粒径(mm)
10420.
50.
250.
050.005渗透系数(cm/s)10-110-210-310-410-6表
4.8-34几种灌浆材料的渗透性浆液名称可注入砂层的最小粒径(mm)浆液名称可注入砂层的最小粒径(mm)浆液名称可注入砂层的最小粒径(mm)单液水泥类
1.1丙烯酰胺类
0.01聚氨脂类
0.03水泥水玻璃类
1.0铬木素类
0.03糖醛树脂类
0.01水玻璃类
0.1脲醛树脂类
0.06对于浆液在砂层中的渗透性,一般采用砂层渗透试验装置测定各种浆液所能注入砂层的最小粒径该仪器主要有10个直径为100mm高为300mm的有机玻璃管(管两端有花孔板),按号装在可移动的圆盘上,管内装满10种从粗到细不同粒径的砂子,然后使其饱和,管的上部接出有机玻璃管,以备接受注入过量的浆液和水浆液从有机玻璃管的下端注入一般在注入压力为
0.3MPa的条件下,若在20min内能流过1000ml浆液,则认为浆液对这种砂是可注入的试验压力也可逐步升级,检验不浆压力下浆液的渗透性固结体渗透系数是指浆液固化后结石体透水性的高低,几种常见灌浆材料的渗透系数见表
4.8-35表
4.8-35几种灌浆材料的渗透系数浆液名称渗透系数cm/s测定方法浆液名称渗透系数cm/s测定方法单液水泥类10-1~10-3混凝土渗透仪或土工渗透仪铬木素类10-3~10-5混凝土渗透仪或土工渗透透仪水泥水玻璃类10-2~10-3脲醛树脂类10-3~10-4水玻璃类10-2聚氨脂类10-4~10-6丙烯酰胺类10-5~10-6糖醛树脂类10-4~10-59.漫出液分析由于浆液结石体长期存在于土体中并受到水的浸泡,有毒性的浆液或结石体离子会溶于地下水中,从而引起污染和公害,这关系到灌浆材料的取舍问题,因此应进行这方面的试验试验时将尺寸相同但配方不同的两个试样分别放入500ml清水中,浸泡3d、7d、28d后测定其有害离子含量
4.
8.
2.6浆液材料的评价理想的灌浆材料应能满足工程力学性能要求,浆液应具有良好的可注性,凝胶时间可任意调整,价格低廉,无毒、无污染,施工方便等因此各种灌浆材料特性的基础上,按工程需要,选择一种合适的灌浆材料或几种浆材配合使用水泥浆具有结石体强度高和抗渗性强的特点,既可用于防渗又可用来加固地基,而且原材料成本较低,无环境污染问题,因而被广泛采用但水泥浆析水性大,稳定性差,注入能力有限,且凝胶时间长,在地下水流速较大的条件下,浆液易受冲刷和稀释,影响注入效果由于水泥的颗粒性,一般只能灌注岩土的大孔隙或裂隙(
0.2~
0.3mm)为提高水泥浆的可注性,采用各种细水泥可提高浆液的注入能力目前粒径最细的超细水泥掺入适当的分散剂后,可注入
0.05~
0.09mm的岩石裂隙,但超细水泥的高成本影响了其应用范围为改善水泥浆液的析水性、稳定性、流动性和凝结特性,可掺入适当的助剂进行改性某些方面的性能也可能过一定的工艺技术得以改善在冲积层或基岩裂隙堵漏灌浆时,往往采用水泥水玻璃浆液,该种浆液具有水泥浆和化学浆液的特点,成本和来源都比纯化学浆液优越水泥、水玻璃等为无机酸盐材料,来源丰富,价格低廉,是基本的灌浆材料化学浆液具有一些独特性能,如浆液粘度低,可注性好,凝胶时间可准确控制等,但化学浆材价格比较昂贵,且往往有毒性和污染环境的问题,所以只在必要时才采用化学浆液灌浆灌浆材料的选择应根据工程的具体要求、地质条件、浆液性能、灌浆工艺及成本等因素综合考虑,选择合适的浆材各种灌浆材料的基本性能、应用范围、主要成分、用途和成本见表
4.8-36及表
4.8-37,供参考表
4.8-36各种灌浆材料基本性能、成分及适用范围浆液名称粘度10-3Pa·s可注最小粒径mm渗透系数cm/s凝胶时间抗压强度MPa注入方式扩散半径cm适用范围主要成分备注水泥浆15~140110-1~10-36~15h10~25单液20~30地面、工作面,岩石裂隙灌浆水泥及其它附加剂水泥水玻璃浆15~140110-2~10-3数秒~几十分钟5~20双液20~30地面、工作面,岩石裂隙灌浆,及壁后灌浆,封堵涌水,地基加固等水泥及水玻璃水玻璃类3~
40.110-2瞬间~几十分钟3双液30~40地基加固、冲积层灌浆水玻璃及助剂有些助剂成本高铬木素类3~
40.0310-3~10-5十几秒~几十分钟
0.4~2单液或双液30~40冲积层灌浆、壁内或壁后灌浆纸浆废液、重铬酸纳、过硫酸铵等重铬酸钠对地下水有污染丙烯酰胺类
1.
20.0110-5~10-6十几秒~几十分钟
0.4~
0.6双液50~60冲积层灌浆、壁内或壁后灌浆丙烯酰酸铵N-N′亚甲基双丙烯酰胺表
4.8-37岩石裂隙中灌浆材料及浆液浓度选择项目裂隙含水岩层中灌浆孔涌水量(m3)岩层中冲洗液漏失量(m3)66~1212~3030~606033~
4.
84.8~6浆液类型单液水泥浆单液水泥浆水泥水玻璃浆水泥水玻璃浆水泥水玻璃浆单液水泥浆单液水泥浆水泥水玻璃浆水灰比1:1~
0.8:
10.8:1~
0.6:11:1~
0.8:
10.6:1~
0.8:
10.6:11:1~
0.8:11:1~
0.8:11:1~
0.8:1水泥外加剂用量氯化钙3%~5%或水玻璃3%~5%或三乙纯胺
0.05%及食盐
0.5%氯化钙3%~5%或水玻璃3%~5%或三乙纯胺
0.05%及食盐
0.5%水玻璃浓度Be′35~403530~3535~40水泥浆与水玻璃体积比1:1~
0.8:11:
0.8~1:
0.61:
0.6~1:
0.31:
0.5凝胶时间min300~4002~31~21600300~4002~
34.
8.3灌(注)浆原理与方法
4.
8.
3.1灌(注)浆材料的地层渗透理论灌浆材料在外力作用下渗入到岩土的裂隙或孔隙中,一般情况,压力越大,注入的浆液量越多,扩散的距离也就越远但灌浆材料的渗透性与岩土的孔隙率及孔隙大小、灌浆材料本身的可注性、灌浆的施工方法、地层的非均质、地下水的流动、灌浆材料的时间特性等有关所以很难使注奖学金的渗透严格地理论化1.悬浮液型灌浆材料(粒状浆材)水泥浆液、水泥水玻璃双液浆、粘土类浆液等粒状浆材都是悬沙子液型灌浆材料所不同的是双液浆的凝胶时间可以有效地控制,而粘土增加了水泥浆的稳定性水泥浆液在岩石裂隙中的注入理论目前主要有固结、沉积和最优水灰比三种固结论认为当浆液充满裂隙后继续施加压力进行灌浆,浆液中的水分能够排出,其机理类似于土力学中的固结理论按照这一理论,浆液的浓度和最大灌浆压力是影响灌浆效果的主要因素沉积论认为当浆液在压力下注入裂隙后,随着渗透距离的增加,浆液所受阻力和流动断面面积增大,浆液压力减少,从而导致浆液流速减小当浆液流速小到临界流速后,悬浮在浆液中的水泥颗粒在某点沉淀,并逐步向灌浆孔方向沉积堵塞裂隙,其机理类似于泥沙水力学的沉淀理论按照这一理论,浆液的浓度和最大灌浆压力都是次要因素最优水灰比论认为浆液为增加流动性所包含的多余水不能充分排出,将影响灌浆质量,必须采用合适的水灰比作为最优水灰比2.溶液型灌浆材料几十年来,各国学者对溶液型灌浆材料进行了研究,提出了一些渗入性灌浆理论球状扩散理论认为灌浆材料在土体中流动是层流,并服从达西定律;地基是均质的半无限体;在地下水位以下灌浆时,地下水无动水压力;不考虑灌浆材料的密度与水的密度的差别;在灌浆期间,灌浆材料的粘度不变(
4.8-17)式中t为灌浆所需时间,s;K为土的渗透系数,cm/s;h为灌浆压力水头(注入压),cm;β为浆液粘度与水的粘度之比值;R为浆液的扩散半径,cm;r为灌浆孔半径,cm;n为土的孔隙率若浆液的粘度与水的粘度相接近时,式中括号中的第二项可忽略不计,则变为(
4.8-18)柱状扩散理论认为浆液的渗透时间与渗透距离之间的关系(
4.8-19)式中p0为灌浆压力;pw为水压力;其余符号同前在灌浆施工中,上述公式求出的数值与实际情况可能不符,主要是参数数值选取有很大关系灌浆技术人员要理解这些公式的内在含义,在设计和现场灌浆施工中利用上述公式作出合理的判断
4.
8.
3.2灌浆方法灌浆方法的选择应根据地基的结构、水文地质条件及浆液的化学成分,才能获得预期的效果灌浆压力的选择应根据地基的透水性、浆液凝胶时间、灌浆量及渗透范围来确定当浆液注入时间较长时,浆液在流动过程中产生凝胶,堵塞裂隙或孔隙,从而使灌浆压力上升,因此,正确选择凝胶时间及灌浆方法,才可收到良好的灌浆效果灌浆量的多少是以能充满加固范围内孔隙为标准来确定的,一般按加固范围及土体的孔隙率来计算1.充填灌浆对巷道、隧道背面、高速公路及建筑物下的大空洞和大空隙的充填灌浆,其目的是加固整个地基以改善建筑物理学特定性所使用的灌浆材料主要是水泥浆、水泥水玻璃浆等悬浮液考虑到地层的渗透性、经济性,也可使用粉煤灰水泥浆、粘土水泥浆或粘土浆在巷道、隧道背面的充填灌浆往往是以减少涌水量或堵水为目的所用灌浆材料一般为水泥浆或水泥水玻璃浆液,其灌浆压力选用低压,因浆液不能进入岩土的微细裂隙,所以堵水防渗效果有限2.裂隙灌浆岩体中存在着互相连通的裂隙而形成涌水的通路,为了封堵裂隙中的水,可在裂隙中灌浆多用于水电工程、隧洞、竖井等的开掘灌浆材料是根据岩体裂隙的渗透性来选择的但用钻孔的压水试验所得到的渗透性很难判断裂隙的宽度和个数一般来说,渗透性大,可使用水泥浆、水泥粘土浆等;渗透性小的可使用化学浆液3.渗透灌浆土颗粒构成了土的骨架,骨架间有孔隙,孔隙是连通的浆液渗透到土颗粒间孔隙内,凝结后起到加固与止水作用虽然土体孔隙多,当孔隙小,粒状浆材难于渗透其中,土颗粒间孔隙是随着土颗粒的形状、大小及颗粒级配而变化的,因此灌浆材料渗透到孔隙里的性状也有所不同1大孔隙(孔隙直径D10mm)对大孔隙进行渗透灌浆与充填灌浆类似灌浆材料可以用水泥浆、水泥粉煤灰浆、水泥粘土浆、水泥水玻璃浆等,其结石体强度较高2较大孔隙(2mmD10mm)可采用水泥浆等悬浮液为减少微粒堵塞效应,灌浆前可用压缩空气或高压水清洗孔隙为取得较好的灌浆效果,须用较大的灌浆压力但由于地基的非均质性,且不能随较大的灌浆压力,因而加固效果往往不甚理想若以止水为目的,不需要较大的强度时,采用粘土浆液往往会取得良好的灌浆效果若采用化学浆液,则易受地下水稀释的影响,且成本较高灌浆时应选择好浆液的凝胶时间及合适的灌浆方法3中等孔隙(渗透系数K=5×10-2~5×10-3cm/s的中砂)中等程度渗透性的地基适于化学灌浆浆液主要是根据地基的渗透性及凝胶体的稳定性来选择,应选择被水稀释后仍能保持凝胶性能的浆液4.脉状灌浆对于土颗粒小,渗透性也小的地基,尤其是粉细砂及粘土层,注入的浆液几乎都是呈脉搏状渗透这些脉状硬化物使地基的力学性质及透水性得以改善浆液在脉状渗透的过程中,由于浆液压力的作用使周围的地基土得以挤密,但挤密效果随脉状的分布有很大的差别与地下水流方向相平行的脉状浆液是不能起到良好的止水效果的不过,在靠近类似钢板桩等挡土构筑物边上灌浆时,脉状浆液出现在钢板桩与地基土之间,堵塞了钢板桩结合部,可以起到截水防渗的目的深度较浅(7~8m)的水平浆脉,由于注入压力的作用,将使地基隆起,有时危及邻近建筑物的安全因此在灌浆过程中应随时观测地表的变形,以防止地基发生有害的变形所使用的浆液应能准确地调整凝胶时间,使浆液不至流失过多某些工程也利用其有利的变形,对建筑物顶升和纠偏5.成层土地基的灌浆由于不同年代所沉积的土,其粒度、性质等不同,在垂直方向出现成层性,垂直于层面与平等于层面两个方向土体的渗透系数、力学性质也不相同成层土上下渗透性不同时,多在层面产生接触冲刷等渗透破坏,流动的水会使细颗粒的土体流失而形成水的通路在成层地基中进行灌浆,浆液首先是沿着层面进行渗透所以成层土地基应采用层面脉状灌浆的方法来提高层面处土体的强度由于粘性土含量少的砂土层的涌水和崩塌造成基坑开挖困难,所以必须向砂层中灌浆以增加砂土层的强度,提高其稳定性由成层土组成的地基,不同土层的物理力学性质不相同,其渗透性和孔隙的大小也不相同若选定以最小裂隙或孔隙为对象进行单一浆液的灌浆,在很多情况下是不经济的根据裂隙大小不同应注入两种以上的浆液,这称为复合灌浆即使是在同一土层,由于沉积时外界条件不同,其密实程度和渗透性也不相同一般来说,同一土层随着深度的增加,其密实度逐渐增大,所以也应采用复合灌浆技术6.应急灌浆在地下构筑物的施工中,有时会出现涌水、流砂及崩塌等,给施工带来困难处理这些事故往往采用灌浆方法,称为应急灌浆1在应急灌浆前,首先要做好事前处理处理的适当与否直接影响着经济性和灌浆效果处理前应尽可能封堵临空面,减小和分散涌水量,并防止浆液向临空面的流失若涌水量很大就不能直接用化学灌浆止水2尽可能调查和探险测崩塌的影响范围及涌水通路一般情况下,突发事故得不到充分的资料,所以应边观察施工状况,边修改施工方法3应急灌浆必须同时考虑止水和加固对于从钢板桩和地下连续墙的裂隙漏水,因漏水点周围是刚性的,向其背后充填或堵塞漏水孔完全能止水但从土体面等处直接漏出的水,或在挡土构筑物的背面有空洞或崩塌的土时,很难达到全部止水,必须同时考虑止水和加固4应急灌浆分两次以上进行效果较好地基之所以崩塌是因为该处土质复杂、薄弱,因此一次灌浆很难获得令人满意的结果首先用混凝土等填充较大的空洞,然后用水泥浆等悬浮液充填较小的空洞和裂隙5要事先确定灌浆材料首先估计地基的流失量,定出复原措施,求出浆液需要量浆液需要量往往是砂土流失量的数倍7.挤密灌浆挤密灌浆是用严格控制的方法将很稠的浆液注入钻孔,由于浆液流动度十分低,将难以渗透或“劈裂”进入地层的孔隙中去,故随着灌浆量的增加,在压力作用下,地层将被挤密,同时形成远大于钻孔孔径的“浆泡”对已建成的建筑物软基,进行挤密灌浆加固是提高地基承载力的一种良好手段它具有工效高,造价较低,适应性强,加固范围易于控制,施工材料、工艺和设备较为简单,加固效果较为显著等特点
4.
8.4灌(注)浆设计
4.
8.
4.1设计前期调查为了进行正确的设计,必须对建筑物的地基和结构进行相应的调查,除收集已有的工程地质资料,掌握工程的重要性、建筑物的级别、所处理工程的标准、所在位置及范围外,还应进行现场踏勘,了解环境条件、原材料等其它有关因素,必要时应进行相应的勘察、地质勘探、物探,查明主要地质问题取得所需资料勘察、地质勘探工作量要视工程规模、具体条件和设计需要确定对于大型工程,地基情况往往很复杂,需要的查勘工作量就较大,要布置详尽的勘察、勘探网勘察手段和方法一般包括地表测绘、触探、槽探、钻探、洞探、物探及相应的试验涉及区域性构造时,尚有遥感遥测等手段对岩石地基,查勘内容一般包括岩层、岩性、地质年代、风化程度、风化深度及覆盖层状况,岩石容重、强度、变形模量、弹性波速、软化系数等参数;建筑物地区宏观地质构造,断层、破碎带、软弱夹层等的产状、延伸情况、宽度、充填情况及有关情况,节理、裂隙组的发育规律、产状、间距及充填情况,地应力状态;地下水的分布和活动规律、承压水及岩溶的调查,渗透特性、容许水力坡降的测定,水质分析;附近地下构筑物的位置、状况对软土或砂砾石等地基土,查勘内容一般包括地基土的组成情况、种类、性质、构造、分层及厚度;地基土的粒径分布、空隙率、承载力试验结果、力学性能、物理化学性能;地基土的渗透系数、水解特性、容许水力坡降,地下水的分布和活动规律、承压水状况,水质分析;附近地下构筑物的位置、状况对混凝土裂缝,查勘内容一般包括混凝土的力学性能、防渗指标、应力和变形状况,裂缝产生原因及性质;混凝土裂缝的位置、延伸情况、开度、充填情况;混凝土中水的分布和活动规律、水质分析;附近地下构筑物的位置、状况重要工程一般还应取得地形、水文、气象等资料包括地形图、平面图、剖面图、水准点及平面控制点;地面及地下水位、地表径流及地下水渗流特征;气温、降雨、降雪特征岩土勘察资料岩土的类型、年代、成因、产状、物理力学指标及变异性、分布等;地质构造、裂隙、断层破碎带、岩溶、土洞、滑坡、崩塌等;地下水类型及腐蚀性;地震烈度、动力学参数及要求建筑物资料工程安全等级、规模、开挖深度、基础形式、结构类型、刚度、荷载及分布、加荷速率、对地基的变形要求其它资料与邻近工程设施、拟建工程的关系;施工排污、排水条件,对噪音、粉尘等环境污染限制;当地勘察、设计、施工的经验,有关的法规、标准、规程规范、定额等资料;工程计划进度、有关单位的配合与分工状况;当地材料性能和价格、当地的施工能力与劳务价格
4.
8.
4.2设计原则灌浆方案应遵循下述原则功能性原则针对工程目的和要求,灌浆方案的可用性、可靠性等功能要求适应性原则指灌浆工程适应工程性质、条件、外部环境及其变化的程序可实施性原则指灌浆方案中的工程规模、有关参数和技术指标,在目前的技术水平条件下是可行的经济性原则灌浆方案通过技术经济比较,投入产出分析,在满足功能性要求的前提下,工程费用较低,建设单位能够承受在确定采用后尚应采用先进技术,优化灌浆方案,合理使用材料环境原则避免污染环境或最大限度减少污染,包括避免或减少材料的毒性、粉尘、有害气体及析出物、固化物,降低施工过程中的噪音安全性原则指灌浆方案能保障结构和相邻建筑物安全,保证施工人员的安全功能性原则和适应性原则要求分析工程的重要性、灌浆目的、地质条件、结构的性质与类型、荷载及变形特性、时效性、进度等,以使灌浆方案能因地制宜,满足上述各方面的要求和条件,充分发挥其功能
4.
8.
4.3灌(注)浆方案选择根据工程性质、灌浆的目的、所处理对象的条件及其它要求可进行方案选择灌浆方案是否成立,取决于方案能否以最小的投资、最短的工期,达到工程在设计使用期限内安全可靠运行,并满足所有的预定功能要求初步设计可按灌浆目的和标准、工程地质和水文地质条件,从浆材和工艺两方面进行选择重要工程应进行灌注试验加以验证、调整初步的方案选择可遵循下述思路1.在裂隙岩体中一般采用水泥浆,在砂砾石等较大孔隙地层多使用粘土水泥浆,在中细砂等较小孔隙地层渗透灌浆时多使用化学浆2.大孔隙地层和裂隙岩体中多采用渗透性灌浆,辅以脉状灌浆方式;中细砂层中多采用渗透灌浆或与脉状灌浆结合方式;土层中根据所选择的灌浆材料可采用渗透灌浆、脉状灌浆或电动化学灌浆方式3.较小孔隙地层可采用脉状灌浆、挤密灌浆方式,使用水泥、或粘土水泥浆进行防渗或加固处理按灌浆的不同目的,对浆材和工艺的选择见表
4.8-38表
4.8-38按灌浆目的对浆材工艺的选择表灌浆目的浆材类型工艺技术浆液类型岩基防渗悬浮浆液、低强度化学浆渗透及脉状灌浆水泥浆、聚氨脂浆、丙凝浆、AC-MS浆岩基加固悬浮浆液、高强度化学浆渗透及脉状灌浆水泥浆、环氧浆、甲凝浆、聚脂浆地基土防渗悬浮浆液、低强度化学浆渗透灌浆及脉状灌浆、电动化学灌浆、高喷灌浆水泥浆、粘土浆、聚氨脂浆、丙凝浆、AC-MS浆、酸性水玻璃地基土加固悬浮浆液、高强度化学浆渗透灌浆、脉状灌浆、电动化学灌浆、挤密灌浆、高喷灌浆水泥浆、环氧浆、甲凝浆、聚脂浆、改性水玻璃浆、碱液、铬木素浆混凝土加固高强度化学浆渗透灌浆环氧浆、聚脂浆混凝土接缝灌浆、回填灌浆悬浮浆液渗透灌浆、挤密灌浆水泥浆、水泥砂浆堵水灌浆速凝浆液渗透灌浆水泥水玻璃浆、水玻璃浆、聚氨脂浆、沥青浆预灌浆悬浮浆液、化学浆液渗透及脉状灌浆水泥浆、水泥水玻璃浆临时工程灌浆悬浮浆液、化学浆液渗透及脉状灌浆、挤密灌浆、高喷灌浆水泥浆、水泥水玻璃浆、水玻璃浆
4.
8.
4.4灌(注)浆前期试验由于各工程的地层、环境等所处理对象的条件不同,设计的工程目的要求亦不尽相同,而同类工程的灌浆经验往往仅能作为参考,不宜直接搬用,因此为了了解地层灌浆特性,取得必要的灌浆经济技术数据,确定或修正灌浆方案,使设计、施工更符合实际情况,布置更为合理,重要工程、地质条件复杂地区或有特殊要求的工程,应先期进行一下规模和深度的现场灌浆试验,并以试验成果作果作为灌浆设计和施工的主要依据1.试验目的论证采用灌浆方法在技术上的可行性,效果上的可靠性和经济上的合理性;推荐合理的施工程序和良好的施工工艺、合宜的灌浆材料和配合比;提供有关的技术数据,如孔距、排距、灌浆体厚和深度、施工定额;选定灌浆压力;提出灌浆机械设备意见;形成编制灌浆设计和施工技术要求等文件的条件2.试验程序和内容制定灌浆试验方案和实施大纲,编制灌浆试验任务书和实施细则;进行灌浆材料、浆液及结石的物理、力学和化学性能试验;按拟定的灌浆工艺进行钻孔、冲洗、压水试验和灌浆的实施;按灌浆效果鉴定的标准和方法进行灌浆质量检查;对试验资料进行整理,对成果进行分析并编写试验报告;必要时聘请灌浆专家咨询和评审1)试验地段的选择选择应考虑其地质情况具有代表性的地段,一般宜选择在地质条件中等偏劣的地段重要工程,可根据试验目的、技术方案、地质条件的差异状况选择若干个地段进行试验加固灌浆试验可选择在拟加固的范围内,水电工程帷幕灌浆一般可选择在帷幕线的上游,当质量有把握时也可选择在帷幕线上2)试验孔的布置形式和数量试验孔的布置形式和数量主要根据试验目的和地质条件拟定初设阶段需进行灌浆试验时,可布置1~3个孔进行简易试验技术设计阶段需进行灌浆试验时,往往需布置7~9个孔或更多的孔按3~4个次序分序进行试验按地层渗透性的大小,可拟定一序试验孔的孔距一般防渗灌浆多采用线性布置,呈单排到多排,且各排孔多采用单数孔,按分序加密原则实施加固灌浆则多采用方格形或梅花形布置典型布置参见图
4.8-17图
4.
8.-17典型灌浆试验孔的布置形式(a)单排孔布置;(b)三角形布置(c)梅花形布置(d)方格形布置○──Ⅰ序孔◐──Ⅱ序孔●──Ⅲ序孔──检查孔试验施工应按分序加密原则进行自上而下灌浆时,后序排或后序孔应在前序排同序孔或前序孔灌浆完成15m以上时才可开始钻孔灌浆试验施工包括钻孔、冲洗、压水试验、灌浆3)灌浆试验实施1钻孔可试用各种钻孔机具及方法钻进,以通过试验选择获得高效经济的钻孔机具及方法2根据地质条件和要求进行钻孔冲洗试验,对于不进行钻孔冲洗的工程也应进行必要的论证3压水试验一般使用单点法或三级压力五个阶段的五点法水利水电工程压水试验压力选用表
4.8-39中的规定值表
4.8-39压水试验压力值选用表灌浆工程类别钻孔类型坝高m灌浆压力MPa单点法压水试验压力五点法压水试验压力备注基岩帷幕灌浆先导孔-≥11MPa
0.
30.
61.
00.
60.3MPaH
0、H为坝前水头m,均以正常蓄水位为准,分别从河床基岩面和帷幕所在部位基岩面起算1m水头≈
0.01MPa
1.5H大于2MPa时采用2MPa灌浆压力大于3MPa时,压力试验压力由设计按地质条件和工程需要确定-<
10.3MPa
0.
10.
20.
30.
20.1MPa-<
0.3灌浆压力-质量检查孔<70-H或
1.5H0单点法压水试验压力的
0.
30.
61.
00.
60.3倍70~100-1MPa>100-1MPa或
1.5H基岩固结灌浆和水工隧洞围岩固结灌浆灌浆孔和质量检查孔-1~31MPa-≤1灌浆压力的80%其它地层压水试验压力可采用灌浆压力的80%,或采用本工程地质勘探所用的压水试验压力值压入流量稳定标准为在稳定的压力下,每3~5min测读一次压入流量连续四次读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%,或最大值与最小值之差小于1L/min时,本阶段试验即可结束,取最终值作为计算值单点法压水试验成果以透水率q表示,计算公式见
4.8-20(
4.8-20)五点法压水试验成果计算以压水试验三级压力中的最大压力值(P)及其相应的压入流量(Q)代入公式
4.8-20,即可求出透水率值五点法压水试验成果表示可根据五个阶段的压水试验资料绘制P-Q曲线,而后参照表
4.8-40确定P-Q曲线类型表
4.8-40三级压力五个阶段压水试验的P-Q曲线类型及曲线特点表类型名称A层流型B紊流型C扩张型D冲蚀型E充填型P-Q曲线P#0;Q#0;P#0;Q#0;#0;#0;P#0;Q#0;#0;#0;P#0;Q#0;#0;#0;P#0;Q#0;曲线特点升压曲线为通过原点的直线,降压曲线与升压曲线基本重合升压曲线凸向Q轴,降压曲线与升压曲线基本重合升压曲线凸向P轴,降压曲线与升压曲线基本重合升压曲线凸向P轴,降压曲线与升压曲线不重合,呈顺时针环状升压曲线凸向Q轴,降压曲线与升压曲线不重合,呈逆时针环状4裂隙岩体灌浆分段方式主要有自下而上分段法,自上而下分段灌浆法,自上而下孔口封闭分段灌浆法,段长一般在5m左右水电工程多用浆液孔段内循环灌浆工艺地基土体灌浆工艺主要有打入花管灌浆法,套管护壁灌浆法,循环钻灌浆法,套壳花管灌浆法灌浆压力是灌浆能量的来源,是控制灌浆质量的重要因素使用较高压力的优点在于使浆液能更好地压入地层孔隙,并利于水泥浆液中水分尽快、尽多地析出,结石充满饱满、密实;可获得较大的扩散范围,可使孔距增大,孔数减少,使施工经济,工期缩短但过高的灌浆压力会使建筑物和地层产生不利的变形,使浆液过度脉状扩散,造成浪费灌浆试验在必要时应进行地表抬动变形和水平位移监测常采用的监测方法有精密水准仪观测、千分表或多点位移计观测、测斜仪观测等浆液室内试验可有选择地进行细度和颗分试验;配比试验;流动性或流变参数、凝结时间;沉降稳定性;结石的容重、强度、弹性模量和渗透性现场灌浆试验的浆液使用,遵循由稀向浓的变换原则,直至达到灌浆结束标准灌浆试验施工完成待凝(一般为7~14d)后,可进行灌浆效果检查常用的检查方法有钻孔取芯、压水试验、钻孔波速及弹模测试,开挖探洞或钻大口径孔进行观察,进行各种力学性能试验5灌浆试验报告内容可包括试验的工程环境、目的、任务、地质条件;试验的实施状况和质量效果检查情况;试验成果的分析和评述
4.
8.
4.5灌(注)浆材料及配方设计灌浆工程选择合适的浆材和浆液配比对工程的质量、经济性和施工有重要的影响1.综合技术经济指标从浆材综合技术经济指标比较,以打分的方法进行评价,各种浆材的取分值参见表
4.8-41表中未计入所处理工程的具体条件,也未考虑施工的难易程度、拟采用的工艺措施,在实际工程中应结合具体情况进行方案的选择表
4.8-41浆材综合技术经济指标评分表序号123456789项目造价注入能力防渗效果加固效果耐入性施工期非毒性使用期非毒性非石油产品总分最高分值
312210.
51.5213水泥
2.
80.
21.
81.
80.
90.
51.
5211.5水玻璃
2.
40.
61.
810.
80.
51.
11.
69.8铬木素
1.
80.
71.
810.
700.
91.
68.5AM-
90.
60.
81.
80.
50.
90.
21.
10.
46.3AC-MS
0.
60.
81.
80.
50.
90.
31.
10.
46.4酚醛塑料
1.
50.
61.
610.
90.
21.
10.
87.7有机胶
1.
20.
410.
50.
30.
5126.9沥青乳剂
1.
50.
70.
50.
310.
51.
506.0粘土
30.
41.
80.
30.
90.
51.
5210.4聚氨脂
0.
30.
71.
810.
90.
31.
20.
36.5环氧
0.
10.
81.
8210.
21.
20.
87.92.灌浆工艺的影响对于渗透灌浆,地层的可灌性或渗透性对选择合适的浆材十分重要,表
4.8-42给出了各种浆材的适用范围,供参考表
4.8-42各种浆材的适用范围渗透系数cm/s10-110-210-310-410-510-610-7水泥浆──膨润土水泥浆────分散膨润土─铬木素凝胶──硅胶浓浆──稀浆──丙凝──苯酚──灌浆工程常采用的水泥浆液等粒状浆材,其渗透注入能力受水泥颗粒大小、流动性和沉降稳定性控制,尤以颗粒尺寸最为重要考虑到群粒堵塞效应、地层孔隙率状况和工程的经验,国内外广泛采用公式(
3.2-1)进行砂砾石地层和砂层的可注性判断满足该公式条件时,可使地层的渗透系数降低至10-4~10-5cm/s量级水平水泥浆液的流动性取决于水灰比,一般水灰比大于5后流动性变化不大水电工程帷幕灌浆采用5:1,3:1,2:1,1:1,
0.8:1,
0.6:1,
0.5:1等七个比级,开注水灰比可采用5:1近来,国内外灌浆工程采用的开注水灰比越来越小,如采用2:1开灌,比级越来越少如采用2:1,1:1,
0.6:1三个比级也有工程只采用一种水灰比的所谓稳定性浆液进行灌注水灰比越大,浆液的沉降析水率越高,分选沉淀性越强,对灌浆过程将产生一些不利的影响如分选沉降堵塞灌浆通道,过高的析出水影响灌浆效果工程中,除采用循环灌浆、较高压力等措施外,常在浆液中掺入膨润土或高塑性粘土进行改性表
4.8-43按灌浆工艺选择浆液类型表灌浆工艺浆液类型渗透灌浆低粘度溶液浆液、悬浮浆液脉状灌浆水泥浆、粘土浆、粉煤灰等悬浮浆液挤密灌浆低流动度的悬浮浆液、水泥砂浆电动化学灌浆水玻璃浆液渗透性灌浆工程采用化学浆液时,其流动性除要考虑浆液的粘度外,尚需考虑浆液的浸润性,需要了解其表面张力或接触角等指标灌浆工艺对选择浆材的影响参见表
4.8-433.经济性的影响为降低工程造价,一般应尽可能利用当地材料,如粘土、粉煤灰灌浆工程多使用水泥也是由于其来源广、在凝固性材料中造价较低但从具体工程考虑,有时利用某些化学材料的特性可获得较低的工程造价如某些堵漏工程,利用化学材料的凝固特性,可使用较少的材料、较低的工作量,获得较低的工程造价4.环境污染的影响灌浆材料中,不少材料有程度不同的污染环境问题,甚至有的材料具有一定的毒性在选择浆材和浆液配比时,应严格控制其危害,尽量减少或避免对环境的污染尤其当施工场地位于饮水源、河流、湖泊、鱼池、村镇附近时,更应严格控制
4.
8.
4.6浆液扩散半径与灌(注)浆孔的布置灌浆扩散半径是一定工艺条件下,浆液在地层中扩散程度的数学统计的描述值,是确定排数、孔距和排距布置等的重要参数渗入性灌浆按灌浆扩散理论推导的扩散半径公式众多,在砂砾石层中灌浆常用的有按球形扩散理论推导的Mang公式,参见式(
4.8-21);按柱形扩散理论推导的式(
4.8-22)(
4.8-21)(
4.8-22)工程中亦有时采用下列公式进行估算在砾石地层中有(
4.8-23)(
4.8-24)式中为有效充填系数由于地层的不均匀性,浆液扩散往往是不规则的,灌浆扩散半径难以准确计算一般灌浆扩散半径与地层渗透系数、孔隙尺寸、灌浆压力、浆液的灌入能力等因素有关工程初步设计阶段,可通过经验或工程类比确定灌浆扩散半径,作出初步的钻孔布置,经灌浆试验或施工前期灌浆效果验证、评估后确定
4.
8.
4.7灌(注)浆压力确定地层容许灌浆压力一般与地层的物理力学指标有关,与灌浆孔段位置、埋深、灌浆材料、工艺等也有一定的关系重要工程地层容许灌浆压力的确定多由灌浆试验得出,一般情况下可参照类似工程的经验和有关公式初步拟出,再在工程实施中的前期逐步调整确定砂砾石地基灌浆容许压力公式(
4.8-25)(
4.8-26)式中为容许灌浆压力,105Pa;C为与孔序有关的系数,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔分别为
1、
1.
25、
1.5;H为地基覆盖层厚度,m;K为与灌浆方式有关的系数,自上而下灌浆时取
0.8,自下而上灌浆时取
0.6;为与地层性质有关的系数,结构疏松、渗透性强取低值;为灌浆段至地表的深度,m;为系数,在1~3间选取;为上覆地层的重度,10N/m3岩石地基灌浆容许压力公式(
4.8-27)式中为容许灌浆压力初值,105Pa;m1为灌浆方法系数,105Pa/m;m2为灌浆次序系数,105Pa/m,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔分别选择
1、1~
1.
25、1~
1.5;D为灌浆段埋深,m及m1可由表
4.8-44查出表
4.8-44及m1选用表岩性(105Pa)m1(105Pa/m)自上而下自下而上裂隙细小且少、结构密实的岩石
1.5~
3.
02.
01.0~
1.2弱风化裂隙岩石、无大裂隙但有层理的沉积岩
0.5~
1.
51.
00.5~
0.6严重风化裂隙岩石、有近水平层理的沉积岩
0.25~
0.
50.
50.2~
0.
34.
8.
4.8灌(注)浆结束标准灌浆标准指工程要求地层或结构经灌浆处理后应达到的质量标准质量标准直接关系到建筑物的功能、安全性以及工程量、工程进度、造价等由于工程性质、灌浆的目的的要求、所处理对象的条件各不相同,又受到检测手段的局限,故设计的灌浆标准常常采用防渗标准、强度及变形标准及施工控制标准进行控制并且常常需要在施工前进行灌浆试验,在验证灌浆设计、施工参数的同时,确定灌浆质量标准的具体指标1.防渗标准防渗标准是指对地层或结构经灌浆处理后应达到的渗透性要求,是工程为了减少地基的渗透流量、避免渗透破坏、降低扬压力提出的对地层的渗透性要求岩石地基的防渗标准采用钻孔压水试验成果表示压水试验成果又以透水率q表示,单位为吕容(Lu)定义为压水压力为P为1MPa时,每米试段长度Lm每分钟注入水量Q(L/min)为1L时,称为1Lu若压水压力不等1MPa时,可按下列线性关系推出(
4.8-28)压水流量稳定标准为在稳定的压力下,每3~5min测读一次压入流量,连续四次读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%,或最大值与最小值之差小于1L/min时,本阶段试验即可结束,取最终值作为计算值国内外岩石地基工程防渗标准一般1~5Lu,特殊情况高标准可达
0.5Lu,低标准为10Lu地基土的防渗标准多采用渗透系数(K,单位cm/s)表述,防渗标准一般要求渗透系数降低到10-4cm/s量级以下由于灌浆工程多采用钻孔压水试验成果表示,渗透系数与透水率之间的关系大致可按下式估计(
4.8-29)岩基帷幕工程中,帷幕的防渗标准尚包括幕体的容许水力坡降,一般取值在10~25,当幕薄或幕体渗透系数大时取小值根据幕体的容许水力坡降,可确定适当的幕厚防渗帷幕的容许水力坡降尚有一定的争议,这与岩体的各向异性有关,灌浆参数的变化,使浆液的扩散范围也会发生很大的变化,目前还难以计算岩基灌浆防渗体的厚度不同的灌浆方案,尤其是不同的灌浆压力和材料,使形成的浆液结石质量区别较大,其容许水力坡降随之变化此类因素的影响尚需进一步深入研究2.强度及变形标准强度及变形标准是指对地层或结构经灌浆加固处理后应达到的强度和变形要求,是工程为提高地层或结构的承载能力、物理力学性能,改善变形性能,对抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、粘结强度及变形模量、压缩系数、蠕变特性等方面指标的要求设计时应根据工程性质、灌浆的目的要求、所处理对象的条件,确定所需要的强度、变形标准及适宜的检测手段和指标岩石地基(及构筑物)的灌浆加固处理,强度及变形标准可采用岩体波速测试、钻孔或探洞变形模量测试值、岩芯或试件强度值表述,限于检测设备和技术条件,常采用钻孔压水试验成果值表示,并用经验判断和工程类比评价地基土的灌浆加固处理,强度及变形标准可采用地层钻孔或静载试验压缩模量测试值、承载力试验值、试件抗剪强度值等表述有时限于条件,常采用钻孔注水或抽水试验成果值或渗透系数表示接缝灌浆及裂缝灌浆加固处理,强度及变形标准常采用抗压强度、抗拉强度、粘结强度及变形模量、蠕变特性等指标锚固工程灌浆加固处理,强度及变形常采用锚固剂材料及界面的抗剪强度指标或抗拔力指标桩基工程辅助进行的灌浆加固处理能显著提高桩端抗压强度,强度及变形标准常采用承载力指标为保持所要求的强度及变形标准,在考虑该标准的同时也应考虑一定的耐久性要求,避免诸如物理、化学溶滤破坏、过低的耐久性等情况发生3.施工控制标准1)灌浆量控制标准灌浆量控制标准常用于各种地基土渗透灌浆由地基土的孔隙率n,设计的灌浆体积Vm3控制指标可按下述公式计算(
4.8-30)对于防渗帷幕灌浆工程,要求各钻孔灌浆体有一定的搭接以形成连续的幕体工程中常采用分序逐渐加密原则进行灌浆,若孔距布置适当,后序孔耗灰量应较前序孔适当递减后序孔的单位耗灰量和前序孔的单位耗灰量之比称为孔序单位耗灰量递减率若孔序单位耗灰量递减率大于1,表明与前序孔浆体尚未搭接,需要增加下一孔序或调整布孔孔距若孔序单位耗灰量递减率在
0.25~
0.75之间,表明与前序孔灌浆体搭接良好,布孔孔距较为合理2)灌浆压力控制标准根据工程需要,参考灌浆试验或经验,可设计出一定的灌浆压力作为控制标准灌浆实施时,采用给出的压力,达到一定灌浆结束条件进行控制如在《水工建筑水泥灌浆施工技术规范》SL62-94中为在规定的压力下,当注入率不大于
0.4L/min时,继续灌注60
(30)min;或不大于1L/min,继续灌注90
(60)min,灌浆可以结束3)灌浆强度值(GIN)控制标准G·隆巴迪提出一定的灌浆压力和注入量的乘积,即所谓的能量消耗(GIN值),作为灌浆控制的标准该控制方法近来在国内几座重点水利水电工程中进行了试验
4.
8.
5.2灌(注)浆法的灌浆次序在设计灌浆孔的排列时,就应当考虑以什么样的次序进行灌浆一般原则是从外围进行围、堵、截、内部进行填、压、以获得良好的灌浆效果1.平面次序1)浆孔群为单位的灌浆次序受前期灌浆孔的影响,后期灌浆孔的灌入浆液会随着灌浆压力或其它因素而发生偏流,为了获得均匀的流动,得到良好的灌浆效果,可适当地划分灌浆孔群如图
4.8-27所示框内数字表示组,以
1、
2、
3、4表示灌浆次序图
4.8-27灌浆孔群灌浆次序2)堵水、防渗为目的的帷幕灌浆施工次序以堵水防渗为目的的帷幕灌浆施工在工程上应用十分广泛,矿山井巷、隧道、深基坑、防渗帷幕,尤其是水电工程大坝基础帷幕灌浆施工更是一项不可缺少的十分重要的工作原则上,灌浆的施工次序就是逐渐缩小孔距,即钻孔逐渐加密一般防渗帷幕通常由一排孔、二排孔或三排孔,甚至多排孔组成由两排孔组成的帷幕,对深基坑、围井而言,可先灌内排,再灌外排;对水工大坝基础防渗而言,可先注下游排,再注上游排由三排孔或多排孔组成的帷幕,对深基坑、围井而言,可先灌外围排,最后灌中间排;而对水工大坝基础防渗而言,则应先灌注下游排,再灌注上游排,最后灌中间排在无地下水活动的情况下,对两排孔组成的帷幕可不分排序;而对三排孔或多排孔组成的帷幕,则宜先施工两边的边排孔,最后施工中间排孔对同一排上帷幕灌浆施工孔,一般多按三个次序施工,首先钻灌第一次序孔,然后钻灌第二次序孔,最后钻灌第三次序孔,如图
4.8-28所示��#0;��#0;��#0;��#0;��#0;L��#0;L��#0;L��#0;L��#0;L��#0;L��#0;L��#0;图
4.8-28帷幕灌浆孔施工次序Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ──第
一、
二、三次序孔;LⅠ、LⅡ、LⅢ──第
一、
二、三次序孔距3)加固地基为目的的灌浆孔施工次序该类灌浆孔施工的特点是“围、挤、压”,就是先将灌浆区圈围住,再在中间插孔灌浆挤密,最后逐序压实,这样易于保证灌浆质量对于一般工程,在地层条件较好的情况下,灌浆施工可采用两个次序进行,具体分序方式可见图
4.8-29所示图
4.8-29Ⅱ序施工布孔图(a)方格形布孔;b梅花形布孔;c六角形布孔a─孔距;b─排距1─第Ⅰ次序孔2─第Ⅱ次序孔对质量要求高的重要工程,则以三个次序施工为宜,如图
4.8-30所示4)防止浆液流失和排出地下水的灌浆次序为排出地下水,应考虑在某一面保留一个出口首先是在两侧的第1排和第5排先灌,其次灌第3排,然后灌第2排和第4排,灌浆前进方向如图
4.8-31a所示图
4.8-30Ⅲ序施工布孔图(a)方格形布孔;b六角形布孔a─孔距;b─排距1─第Ⅰ次序孔2─第Ⅱ次序孔3─第Ⅲ次序孔5排出地下水为主的灌浆次序为防止地下水对浆液的稀释,灌浆次序应先从中间一排开始,然后依次向外灌浆如图
4.8-31b所示,先灌第3排,再灌第
2、4排,然后灌第
1、5排当水量较小且有良好的排水条件时,也可按图
4.8-31a的模式进行灌浆原则是避免地下水对浆液的稀释作用,避免水压力上升过大,减小孔隙水压力对土体的影响图
4.8-31灌浆次序示意2.段长与深度次序为使浆液渗透均匀,灌浆段长不宜太长岩体灌浆一般采用5m左右的段长,在孔口附近可采用2~4m段长地基土一般因垂直方向上的渗透系数小于水平方向的渗透系数,所以采用的分段长度要比孔距小,一般的段长为粘性±
0.8~
1.0m,无粘性土
0.6~
0.8m其灌浆次序分为上行式如图
4.8-32,下行式如图
4.8-33及混合式图
4.8-32上行式灌浆图
4.8-33下行式灌浆图
4.8-34混合式灌浆
4.
8.
5.3钻孔方法在灌浆施工中,依据灌浆的目的的不同及灌浆地层的不同,可以采用不同的钻孔方法其钻孔底部允许偏差参见表
4.8-611.回转钻进回转钻进有硬质合金钻进、金刚石钻进、螺旋钻钻进等方法2.冲击钻进冲击管钻适宜于卵石最大粒径小于130mm的松散地层应根据卵石最大粒径小于管钻阀门张开后的直径的原则来选取钻具3.冲击回转钻孔在浅孔灌浆施工及大部分地基加固灌浆施工中,如水电工程大坝基础加固灌浆、隧洞回填灌浆、隧洞开挖超前止水灌浆等,常用气动冲击回转钻进方法表
4.8-61钻孔孔底最大允许偏差孔深m2030405060最大允许偏差值m
0.
250.
50.
81.
151.50备注孔深大于60m时,一般不大于孔距,方位角偏差值一般不宜大于5°
4.
8.
5.4钻孔冲洗及水文试验1.钻孔冲洗为了取得较好的灌浆质量,在永久帷幕灌浆中,特别是在一些重要建筑物(如水工建筑物)的灌浆施工中,利用洗孔和冲洗的方法来清除钻孔中残积的岩粉、铁末和裂隙空洞中充填粘土杂质等,是一项不可少的工作2.压水试验压水试验是测定地层渗透性最常用的一种渗透试验方法它是借用水柱自重压力或是使用机械(泵)压力,浆水压入钻孔四周的列隙中,并以一定条件下单位时间内压入水量(流量)的多少来表示岩石的渗透性3.抽水试验抽水试验的主要任务是测定含水层的渗透系数,为计算基坑涌水量及设计防渗处理方案提供依据1)抽水试验分类抽水试验分单孔试验和多孔试验,为了准确测定重要建筑物地段或水文地质条件较复杂地的含水层的渗透系数,才布置多孔抽水试验多孔抽水试验一般布置1~2条观测线布置一条时,观测线应垂直于地下水流向;布置二条时,分别垂直和平行地下水流向布置每条观测线上的观测孔一般不少于3个观测孔至抽水孔距离完整孔,第一个孔一般为2~3m,第二个孔为含水层厚度的1~
1.5倍,第三个孔为含水层厚度的2~3倍非完整孔,则依所选计算公式的要求确定2)抽水试验钻孔类型与结构抽水试验孔分完整孔和非完整孔两种,主要根据含水层厚度,透水性强弱以及岩性在垂直方向的变化情况进行选择均质含水层厚度小于15m时,宜采用完整孔;大于15m时,宜采用非完整孔非均质层状含水层,单层厚度大于6m时,可采用非完整孔进行分段抽水单层厚度3~6m时,可视具体情况选择孔型及确定措施;单层厚度小于3m时,不宜分段抽水在基岩地层,当强透水带全部被揭穿时,视为完整孔,否则为非完整孔在河床中做抽水试验时,一般采用非完整孔,过滤器顶端至河底距离不应小于2m进行完整孔抽水试验时,过滤器长度不应小于含水层厚度的
0.9倍;非完整孔抽水试验时,过滤器长度和位置依选计算公式的适用条件确定3)抽水试验降深与稳定延续时间抽水试验一般进行三次降深,并在测压管内测量单孔抽水试验的最小降深值不应小于
0.5m;多孔抽水试验应保证最远观测孔的降深不小于
0.1m,或相邻观测孔的降深差不小于
0.2m在潜水层,最大降深不宜大于含水层厚度的
0.3倍;承压水情况下,其最大降深不宜降到含水层顶板以下依SL25-92《水利水电工程钻孔抽水试验规程》规定,抽水试验涌水量稳定标准应满足下列要求式中为最大涌水量,;为最小涌水量,;Q为常见涌水量,对于涌水量无连续增大或变小的情况,水位稳定应满足用离心泵抽水时,抽水孔的水位波动值不大于3cm,观测孔的水位波动值不大于1cm;用空压机抽水时,水位波动值不大于10cm;各次降深稳定延续时间不小于4~8h抽水试验成果编制应包括文字报告与图表两个部分报告应包含试验地段的地质和水文地质条件;试验情况和问题;计算公式选择成果质量的评价和确定推荐值的依据图表应包括试验场地平面图;抽水孔和观测孔;抽水涌量、抽水孔降深曲线图;施工技术剖面图;基本数据和计算成果表4.其它水文试验方法在工程上,利用注水试验来简易测定土层的渗透系数也是一种常用的方法注水试验可在试坑或钻孔中进行对于毛细管作用不大的砂土和粉土,一般宜采用试坑法或试坑单环法,对粘土宜采用试坑单环法;对试验深度较大或无地下水的各类岩土宜采用钻孔法
4.
8.
5.5不同地层的灌(注)浆及施工1.粉细砂及粘土层灌浆粉细砂及粘土属低渗透性地层,因孔隙和裂隙均很细小一般情况下,普通颗粒浆液难以注入地层过去,在这类地层灌浆施工中,常用的是化学灌浆方法近年来,随着灌浆材料及灌浆工艺的迅速发展,超细水泥灌浆技术、挤密灌浆工艺、劈裂灌浆工艺已在这类地层得到较为广泛的应用2.砂砾卵石层灌浆砂砾石层灌浆方法可分为打管灌浆法打管灌浆法是使用刚度大、强度高的厚壁无缝钢管,将其直接打入砂砾石层中,用这种钢管成孔,也在这个钢管内进行灌浆,使成孔和灌浆在工序上紧密结合套管灌浆法套管灌浆法是边钻进造孔,边跟着下入护壁套管(或者随打入护壁套管,随掏取砂砾料),直到套管下达最终孔深为止,自下而下逐段灌浆循环钻注法循环钻注法是在钻进过程中,使用水泥粘土浆(有的使用粘土浆)作循环冲洗液,既起稳固孔壁作用,同时也灌入砾砾石层中一些浆液当钻完一段后,即可开始正式进行灌浆,灌完一段后,不待凝就进行下一段的钻进预埋花管法在灌浆孔内,预先下入特制带有孔眼的灌浆管,称为“花管”在花管与孔壁间填入被称为“填料”或“套壳料”的浆液在灌浆管内用双栓塞式灌浆分段进行灌浆3.裂隙岩层灌浆1)自上而下分段灌浆法自上而下分段灌浆法是自上而下逐段钻进,逐段灌浆的一种施工方法它的施工顺序一般是钻进(一段)→冲洗→简易压水试验→灌浆→待凝(孔口无涌水时也可不待凝)→钻进(下一段)2)自下而上分分段灌浆法自下而上分段灌浆就是将钻孔一直钻到设计孔深,然后自下而上逐段进行灌浆4.岩溶地层灌(注)浆地质学上将水与可溶岩之间发生的以溶蚀为主的地质作用及其产生的现象,总称为岩溶它可分为河谷侵蚀岩溶,沿裂隙发育的岩溶,构造破碎带岩溶,埋藏的古岩溶灌浆施工平面顺序同样应遵循逐渐加密法,分次序进行由于岩溶地层地质条件的复杂性,灌浆方法最好采用自上而下分段的循环灌浆法,以保证施工质量与进度灌浆段长不宜过长,一般在岩石完整地段,仍以5~6m为宜在岩溶发育、岩石破碎、渗漏量大的地区,段长应适当缩短对大的溶洞及溶裂隙段,则应单独处理在岩溶地层灌浆时,很多时候,裂隙或溶洞内的充填物是无法清除的,这时,为了使浆液与充填结合紧密,并压密充填物,确保灌浆质量,一般在不导致岩石破坏和岩面抬动的条件下,尽可能地采用高的灌浆压力
5.煤矿采空区灌浆煤矿采空区对上部拟建公路路基及建筑物危害极大,必须进行治理采空区灌浆孔设计深度一般为地面至煤层塌陷冒落带底板或采空区底板以下
0.5m~1m灌浆材料一般为水泥粉煤灰(特殊情况加速凝剂),水固比一般为1:1~1:
1.4,水泥占固相的25%,粉煤灰占固相的75%6.回填灌(注)浆一般承压隧洞砌完成后,均应进行回填灌浆,以确保衬砌体与岩体紧密接触另外在水工建筑物大坝施工中,对一些人工探洞,有时也采用回填灌浆的方法进行处理隧洞回填灌浆施工,一般在衬砌混凝土达到70%设计强度后进行7.混凝土防水补强灌(注)浆随着我国经济建设的发展,基本建设项目投入大,发展速度快,在施工过程中,出现了一些质量问题如有的基础由于地下水的影响或施工过程中的原因,造成基础混凝土强度低或未形成混凝土,有的因基础不均匀沉陷造成建筑物混凝土开裂,有的出现地下室渗漏水等这类问题均可采用灌浆的方法来进行处理8.大坝接缝灌(注)浆大坝接缝灌浆是水工建筑物混凝土大坝施工中的一项重要工作,施工工艺复杂,技术要求高对此,规范作了严格规定,施工时可参考执行9.灌浆加固建筑物基础采用灌浆的方法加固建筑物基础,纠正建筑物的不均匀沉陷,在基础处理施工中经常遇到在这类施工中,灌浆材料一般应依据地层的可灌性及基础的承载要求而定地层可灌时,可采用水泥系浆材;可灌性不好时,则需采用化学浆材10.灌(注)浆提高桩的承载力1)桩底部灌浆桩底部灌浆是从桩的中心钻孔至桩底部软弱地层,再采用灌浆的方法加固底部软弱层,以提高桩底地基承载力灌浆时,应分次序进行,宜先灌注底部,然后灌注紧靠桩底的上部,最后灌注中间部位进行加密灌浆压力应严格控制2)桩侧面灌浆在某些基础桩施工过程中,桩周围土体发生松动和软化,为了提高桩与土层之间的表面摩擦力,在桩周围进行灌浆,不仅能使桩周松动的土体受到压密,浆液还能把土体与桩身混凝土联结成整体,从而大大提高桩与与土体单位表面摩擦力,达到提高桩的承载力的目的
5.
8.
5.6灌(注)浆的效果检查灌浆施工过程中,特别在灌浆结束后,应进行适当的检查和试验,掌握灌浆效果灌浆设计时,应应制定出适当的调查、试验、观察、记录等计划,提出设想并证实计划的可行性,把灌浆前的设想及灌浆中的实际施工情况及灌浆后的地基改良程度进行比较1.标准贯入试验用标准贯入试验可以测得灌浆前后土的强度(密实度)变化情况当土的粘取力很小时,该法不适应,因为砂土的标准贯入锤击数N本来就很大,即使把灌浆后得到的粘取力换算为N值也几乎没有变化当砂土的N值小于30时可采用该法2.射线检测把γ射线的射线源放入物质中,从射线源放出的射线和物质中的电子发生碰撞而向各个方向散射物质中的电子数与物质的原子量(即密度)呈正比,故物质的密度大,电子数也大每当碰撞后,射线的能量被物质吸收而减少,减少得越多,其密度越大,测定仪器上的读数也就越小依此可对灌浆前后地基的密度作出判断,证实灌浆效果如图
4.8-35所示3.弹性波法用弹性波法确定浆液的扩散范围和力学指标时,可采用每隔数米在钻孔中放置拾振器,在另一个孔中放置振源,根据振源发出的振动波(纵波、横波)在不同的物体中传播的速度不同,就可以了解该范围内的灌浆效果4.电阻率法电阻率法基本原理是向地下通往电流,测定所规定的电极间的电位差而求出土的电阻率电阻率法测试多采用灌浆前后地基土电阻率比较的方法5.现场透水试验一般有压水试验法和抽水法两种用抽水法可以查明涌水量、流速、渗透系数等若地基灌浆效果较好,其渗透系数约为10-4~10-6cm/s量级6.室内试验对于比较均匀的灌浆地基,在灌浆现场采取试样进行灌浆效果检查,能够了解灌浆后土体的状况但灌浆后的地基往往具有非均质性,而且取出的土样大都为扰动土样,因而代表性较差7.现场载荷试验该试验可以确定加固地基土的强度特性对于非均质的改良地基,为了解地基的整体状态,载荷板的底面积越大越好8.灌浆范围的测定均匀灌浆时,以灌浆管为中心形成块状的因结体,可用下面的方法求其分布范围1)利用探坑进行观察这是最可靠的方法,能直接测出凝固体的形状和尺寸然而除灌浆试验外,在实际的灌浆工程中,多数情况下施工后是不可能挖探坑的2)利用贯入试验测定预先对固结体的形状作出某种程度的推断,在其分界部分附近进行多次贯入试验利用改良部分和非改良部分的贯入阻力差判断出灌浆范围3)利用放射性同位素的方法测定若浆液是悬浊液时,由于其浆液颗粒充填在土颗粒的孔隙中,可降低改良后地基的含水量,增加其密实度因而使用中子温度计或γ射线密度计,可以掌握改良地基和非改良地基的差别4)利用电阻的方法用大地电阻率测定地基的电阻率,根据电阻率的差别,可推断基灌浆范围5)利用弹性波探测的方法用锤击地基或黄色炸药爆破使地基振动,测定由此产生的地震弹性波的传播速度,根据其传播速度的差别推断灌浆范围
4.
8.
5.7灌(注)浆技术的工程应用1.井壁灌浆矿井井筒漏水、涌砂或需要加固时可用灌浆法来处理1)灌浆方案1根据井筒特征及漏水情况来确定是采用壁内灌浆还是壁后灌浆当井壁处于硫砂层或涌水量较大、灌浆孔穿过井壁可能发生大量漏水时,可采用壁内灌浆2根据涌水及地质情况来选择灌浆材料当涌水量较大时,可采用复合灌浆方法,先注入惰性材料,然后注入水泥水玻璃浆液,止水效果不理想时,可用化学浆液补注对于壁后灌浆一般采用悬浮型浆液3根据井壁裂缝及出水点的分布、井壁结构及强度布置钻孔,确定灌浆参数(灌浆压力、凝胶时间、注入量、浆液扩散半径等)一般情况下井壁灌浆要求的灌浆压力和流量都比较小4根据灌浆止水的要求确定灌浆结束标准2)工艺流程井壁灌浆工艺流程见图
4.8-36
(431)图
4.8-36工艺流程图3)灌浆压力及浆液注入量井壁灌浆压力及浆液注入量见表
4.8-62表
4.8-62井壁灌浆压力及浆液注入量计算内容计算公式计算条件井壁后灌浆压力式中pa为初始灌浆压力,MPa;pb为正常灌浆压力,MPa;pc为最终灌浆压力,MPa;p0为灌浆点静水压力,Mpa;1~8为富裕压力,MPa富裕压力值的选取壁后灌浆时取低值,充填加固时取高值,堵水为主或石料井壁取低值井壁强度较核式中p为灌浆处井壁能承受的压力,MPa;B为井壁厚度,mm;R0为井筒内半径,mm;f为井壁材料允许抗压强度,MPa;f=Rc/k(Rc为井壁材料抗压强度,MPa;K为安全系数,K=2)灌浆终压用井壁材料允许抗压强度校核,确定的灌浆终压在一般情况下不能超过校验值确定灌浆量式中Q为灌浆量,m3;V为需固结或充填的体积,m3;n为被加固孔隙率,%;a为浆液损失系数,取a=
1.1~
1.5对于砂层,n=26%~40%,充填空洞时n=12.地面预灌浆1)灌浆方案1确定灌浆深度、布孔、段高当井底为含水层时,为防止井底涌水,灌浆深度大于井深10m以上,灌浆孔数一般为6~8个,孔距为3~5m,沿井筒周边布置钻孔时应根据岩层条件,采取有效措施防止灌浆孔偏斜当灌浆深度较大时,由于各土层的裂隙发育不同及静水压力随深度增加而增大,所以,在一定压力下浆液扩散距离不相同上部扩散远,下部扩散较近;大裂隙远,而小裂隙扩散近,因此应分段灌浆分段高度见表
4.8-63表
4.8-63灌浆深及灌浆段高含水层埋藏条件灌浆深度灌浆段高段高划分原则含水层特征常用段高m裂隙等级涌水量m3/hm初注段高复注段高含水层埋藏深度小于井筒设计深度灌浆孔终孔深度应穿过含水层,并进入不透水层10m细裂隙小于160~10060~
1001.将裂隙性相同的岩层要划在同一段高内
2.裂隙等级相差较大的含水层不划在同一段高
3.涌水量、裂隙宽时段高要较小,反之较大
4.段高大小要与泵量相应,泵量大,段高可以加大,反这要减小1~250~6050~602~340~5050含水层埋藏深度大于井筒设计深度终孔深度应超过井底浓度10m,以便有效封闭含水层中裂隙3~440504~63040大裂隙6~1820~3030破碎地层大于1310202灌浆材料一般选用水泥浆或水泥水玻璃浆液3灌浆压力灌浆压力应随深度的增加而增大可按下式计算p=KH(
4.8-31)式中p──灌浆压力,MPa;K──压力系数,K=
0.02~
0.03MPa/m,浅层(200m)取小值,深层(500m)取大值;H──灌浆深度,m4浆液注入量浆液注入量可按下列公式计算 (
4.8-32) 2)工艺流程地面预灌浆是在井筒开凿前,从地面围绕井筒四周钻孔灌浆,达到止水效果以后再开凿井筒如图
4.8-37图
4.8-37 灌浆工艺流程1-止浆塞;2-灌浆孔;3-灌浆管;4-灌浆孔位;5-环形道;6-水泥吸浆池;7-水玻璃吸浆池;8-灌浆泵;9-液力变距离;10-输浆管;11-混合器;12-流量计;13-信号线;14-放浆阀;15-水泥搅拌机3)灌浆效果检查及灌浆结束标准1抽水方法灌浆效果检查最常用的方法是压风抽水,即用每分钟6m
3、9m
3、风压为
0.8MPa的空压机将风经进风管、花管混合器喷入套管,钻孔内的地下水沿套管排至地面,流至堰箱测定水量抽水时,水位降落一般用电测法测定当开始抽水时可能出现水混浊不清的现象,这时可抽抽停停,直至见清水时方可算正式抽水时间为充分利用设备能力,应争取最大降深,降低次数视单位涌水量而定当小于1L/s时,可采用一次最大的水位降深;大于1L/s时,可2~3次每次动水位上下跳动的高度水大于水位降低值
0.5%,稳定4h后可结束抽水试验动水位每间隔15~30min测定一次恢复水位时,停泵后每隔5min测定一次,测定6次后,可拆除抽水工具并立即转入其它工序2涌水量计算根据抽水试验资料可进行钻孔及井筒涌水量计算目前土质地层多采用稳定层流计算公式,裂隙岩层可按紊流计算见图
4.9-38潜水含水层用单一孔抽水时的流量计算为(
4.8-33)有一个观测孔时的流量计算为(
4.8-34)承压水含水层用单一孔抽水时的流量计算为(参见图
4.8-39)(
4.8-35)图
4.8-38潜水条件下的完整孔图
4.8-39承压水条件下的完整孔有一个观测孔时的流量计算为(
4.9-36)式中K──渗透系数,m/d;Q──涌水量,m3;R──影响半径,m;r──抽水孔半径,H──静水位高度,m;h──由含水层底板至动水位高度,m;x1──抽水孔至观测孔中心距离,m;y──观测孔的动水位至含水层底板高度,m;S──抽水时的水位降深,m;S1──观测孔的水位降深,m;M──含水层厚度,m3注水方法当井筒下掘不深,且在维持井筒排水条件下,为了检查灌浆效果,可用注水方法代替抽水计算方法同前若进行压水试验,与单位吸水量试验方法相同,压水的压力应减去压水时管路损失和压头损失压水时的计算方法如下潜水含水层(
4.8-37)泵压水含水层(
4.8-38)式中──压水时的渗透系数,m/d;──压水时的涌水量,m3;──压水时含水层底板至动水位高度,m;p──压水时的压力,MPa;──压水时管路的压力损失,MPa;──静止水位至泵出口的高度,m4井筒排水影响半径的计算潜水含水层(
4.8-39)承压水含水层(
4.8-40)式中──井筒排水时的影响半径,m;──井筒排水最大时的水位降深,m;──平均渗透系数,m/d5井筒最大涌水量计算潜水含水层(
4.8-41)承压水含水层(
4.8-42) (
4.8-43)式中──井筒最大涌水量,m3/d;──井筒掘进半径,m;──静水位高度,m6井筒灌浆结束标准1灌浆终压与终量在正常条件下,每次灌浆中,灌浆压力由小逐渐增大,浆液流量由大到小,当灌浆压力达到设计终压时,灌浆终量是单液灌浆为50~60L/min,双液灌浆为100~120L/min,稳定20~30min即可结束灌浆当大裂隙岩层灌浆,经过浆液浓度的变换仍达不到终压与终量的标准,但又接近设计的灌浆量时,应暂停灌浆,养护24h后复注,直至符合上述结束标准为止2浆液注入量应符合设计灌浆量的要求3岩层裂隙被浆液充填饱满且具有一定强度,达到设计的有效扩散半径4灌浆后的岩层渗透系数应明显降低5灌浆后井筒掘进段的最大涌水量一般小于10m3/h3.工作面预灌浆工作面预灌浆是当井巷工程掘进到含水层前,停止掘进,在工作面上浇混凝土止浆垫(止水墙),然后在工作面上钻孔灌浆,以便井巷工程能继续施工工作面预灌浆的工艺与地面预灌浆基本相同,如图
4.8-40所示,其区别是灌浆施工由地面移到了井下并增加了设计和浇筑止浆垫的工作其灌浆设计可参考地面预灌浆图
4.8-40孔口密封装置(适用于井筒及巷道工作面预灌浆)1-密封压盖;2-密封胶圈;3-放水闸门;4-转芯阀;5-孔口管;6-混凝土垫4.基坑支护灌浆1减小透水性的灌浆在地下水位以下的无粘性土地基中开挖深基坑,由于在基坑周围排水使地下水位下降,容易引起软土层发生变形,从而使周围建筑的基础产生不均匀下沉同时由于涌水还可能引起无粘性土的崩塌为此可在基坑周围采用灌浆方法减少涌水量,防止土体崩塌及防止周围地下水位降低过多如图
4.8-41所示图
4.8-41基坑支护灌浆在进行灌浆设计时应明确以下情况1)允许基坑周围地下水位下降到何种程序;2)确定基坑四周涌水量的允许值;3)求出灌浆带的宽度可按下式计算(
4.8-41)式中Q──灌浆止水带允许涌水量,m3/s;H──不透水层底面至地下水位高度,m;K──地基土渗透系数,m/s;h──不透水层顶面至欲降水位高度,m,h=H-SS为允许水位降深;R──地下水位下降时的影响半径,m;──开挖基坑的半径(矩形基坑可换算为等周长的圆的半径),m;b──灌浆止水带的宽度,m;──灌浆前后地基渗透系数之比,,、分别为原地基及灌浆止水带的渗透系数灌浆止水带的允许涌水量可根据地基条件、基坑施工时的允许条件等确定,也可根据以往的实践经验确定如为防止基坑周围地下水位下降过多,首先要根据边界条件确定灌浆止水带水侧水位下降的允许值灌浆止水带本身的渗透性(K)随选用的灌浆材料的特性、灌浆后的土体均匀程度等因素而变化若止水带的厚度不够,灌浆固结体不均匀,则容易从薄弱处渗水而引起土体崩塌,因此在确定灌浆固结体本身的渗透系数K时应慎重图
4.8-42土压力示意图灌浆孔的布置及灌浆次序见
4.5及
5.3章节2减少土压力的灌浆为了减小作用在挡土墙上的主动土压力,增加墙前被动土压力,可采用灌浆方法灌浆可以使土体粘聚力c增大,可使主动土压力减小,如图
4.8-42所示挡土墙上主动土压力强度的计算公式为粘性土(
4.8-42)无粘性土(
4.8-43)被动土压力强度粘性土 (
4.8-44)无粘性土(
4.8-45)图
4.8-43灌浆范围示意图灌浆后,粘性土粘聚力增大,无粘性土具有了粘聚力,所以主动土压力强度减小,而墙前被动土压力增大为增大墙后土体剪切面上的抗剪能力,灌浆范围应包括滑动土体的范围,灌浆深度应大于滑动面的深度如图
4.8-43总主动土压力为(
4.8-46)总被动土压力为 (
4.8-47)实际作用在挡土墙上的总主动土压力为 (
4.8-48)式中──灌浆后土体的重力密度,kN/m3H──挡土墙高度,m;c──土体或灌浆土体的粘聚力,kPa;──土体或灌浆土体的内摩擦角;Z──墙后填土表面至计算点的深度,m;、──分别为主、被动土压力系数3灌浆土体用作临时挡土墙当临时开挖基坑,为防止基坑侧壁崩塌或在支护前临时加固土体时,可采用灌浆法,如图
4.8-44所示这时灌浆带的宽度应按下述方法考虑土压力图
4.8-44灌浆固结体用作临时挡土墙灌浆固结体本身的抗剪强度可按下式验算(
4.8-49)当求出的b较大时,应按下式验算(
4.8-50)式中──灌浆固结体的抗剪强度,kPa;──由外荷载和自重在灌浆固结体内引起的剪应力,kPa;b──灌浆固结体加固宽度,m;、──分别为加固体内的大、小主应力,kPa图
4.8-45防止基坑底部涌砂的加固范围4防止基坑底部涌砂的灌浆在地下水位高的无粘性土或松散的粉细砂、粉土等地基中开挖基坑,当挡土墙的埋置深度不足时,可能产生管涌土颗粒与水一起从基坑底部涌出,可使基坑底部破坏,如图
4.8-45所示为了补充挡土墙埋置深度的不足,可以用灌浆的方法来防止管涌灌浆深度可由下述方法求得动水压力(
4.8-51)基坑底部土体向下的重力为,当土体重力大于动水压力时将不会发生管涌现象为保证一定的安全度,安全系数可取
1.2,即(
4.8-52)或(
4.8-53)式中d──挡土墙的埋置深度,m;──从挡土墙底部至灌浆孔底部的深度,m;h──从基坑底面至地下水位面的高度,m;──地基土的天然重度,kN/m3;──水的重度,取加上灌浆固结体与原挡土墙的搭接长度即为灌浆的深度范围当基坑开挖面积较小,挡土墙和灌浆固结体的摩阻力忽略不计时,安全系数可取K=
1.15.提高地基承载力的灌浆图
4.8-46浅基础的灌浆范围当已有建筑物的地基承载力不足时,可用灌浆的方法提高地基承载力使用的材料应是稳定性好、耐久性好的水泥浆材灌浆可提高土的粘聚力c及土的重度,但对土的内摩擦角的改善不大,有时甚至可使内摩擦角降低当基础为独立基础或条形基础时,灌浆范围为基础底边各加基础宽度的一半其灌浆的深度应能处理地基的主要受力层(一般为基础宽度2~3倍),如图
4.8-46所示灌浆法也可以提高桩基的侧摩阻力和桩端阻力特别是钻孔灌注桩,孔底虚土较难处理,因而单桩承载力较小在桩周及桩尖处以较大的压力灌浆后,增加了桩侧土及桩尖土体的强度和密实性,因而单桩承载力可提高40%以上施工方法是成孔后,用1~2根灌浆管代替相应的主筋,与钢筋笼绑扎在一起放入孔中,在放入之前,灌浆管的小孔及管口用胶带密封混凝土浇筑24h后灌浆,灌浆前用高压水清管灌浆压力一般为
0.5~
1.0MPa
4.
8.6工程实例
4.
8.
6.1东风水库的防渗处理1.工程概况东风水库位于贵州乌江干流鸭池河段上,坝址控制流域面积18161km2,流域内多年平均降雨1102mm,多年平均流量345m3/s,年径流量
108.8亿m3枢纽属Ⅱ等工程,由拱坝、溢洪道、泄洪洞、地下厂房、防渗帷幕组成,以发电为主、兼有防洪、旅游等效益水库总库容
10.25m3亿,电站装机510MW东风枢纽是国内在岩岩溶地区兴建的几个大型工程之一查明岩溶通道,解决水库渗漏问题是东风工程能否兴建的关键2.防渗帷幕设计根据钻孔水位资料分析,在岩21#孔孔内水位超过正常蓄水位,确定为起点经坝基和右岸地下厂房后,沿鼻状分水岭走向至新27#孔,经网络模拟试验,在水库蓄水后该点可达正常蓄水位以上,确定为右岸端点根据地质条件和建筑物的布置确定防渗帷幕的底限,同时采用了多种物探技术,如CT、地震法、地质雷达、微伽重力仪等,结合地质测绘,综合分析受注地层的岩溶分布特点,确定在河床部位帷幕穿过透水率较大的区域,达710m高程,在左、右岸库区为悬挂式帷幕,深入地下水位40m以上防渗设计的原则是1降低坝基和坝肩岩体的渗透水压力,以保大坝安全;2减少坝基、坝肩以及地下厂房围岩的渗漏;3使右岸库区的管道性渗漏变成裂隙性渗流;4根据承压水头大小和建筑物的重要性确定灌浆参数;5便于布置施工支洞,减少工程量和投资根据上述原则,设计的灌浆参数见表
4.9-63总计防渗线长
3.65km,防渗面积55万m2,帷幕钻孔灌浆长度
32.15万m表
4.9-63帷幕灌浆设计参数位置排数孔距m排距m压力MPa防渗标准Lu备注左岸
975.5以下1~
23.
01.03~43~5915以下
23.
01.14~51~3869以下
23.
01.151坝基
83022.
51.151左、右坝肩2~
32.
0、
1.
25、
1.
0、
0.
50.5~
0.63~41~3放射状布孔右岸厂前区978以下
22.
51.143局部加速915以下
22.
51.151851以下
22.
51.151右岸库区978以下1~
23.
01.135在断层处加密915以下1~
23.
01.145851以下1~
23.
01.1533.灌浆材料工艺帷幕灌浆采用小口径钻孔,裂隙不冲洗(仅作孔壁冲洗),孔口封闭止浆,自上而下次序,无塞高压注浆技术平面次序为先灌注下游排,再灌注上游排并有以下特点1浆液水灰比采用
2.
0、
1.
0、
0.
8、
0.
6、
0.5等五个比级2一般只作下游排I序孔的简易压水试验,上游排的I序孔视具体情况确定3鉴于岩溶地区灌浆量集中的特点,选择掺风选粉煤灰作为填充材料较为有利库区帷幕灌浆部分采用掺二级粉煤灰40%的稳定浆液灌注4对流砂洞段,采用高压旋喷固砂技术后,再用高压灌浆达到防渗标准5对大型溶洞和断层区的帷幕灌浆采用两排孔灌注,当难以达到设计防渗标准时则在中间补强灌浆6对溶洞和断层带的大漏浆量孔,采用大口径钻孔回填水泥砂浆、小石、一级配或二级配混凝土等材料,再高压灌浆达到防渗标准7受溶洞和溶蚀裂隙的影响,灌浆大耗浆量孔段数量不多,但耗浆量比例很大由表
4.8-64可见,单位注入量小于100kg/m的孔段长度平均占
89.93%,但平均耗灰量只占
14.85%;而单位注入量大于1000kg/m孔段长度平均仅占
3.25%,但平均耗灰量高达
67.7%8灌浆过程总体服从岩体灌浆的一般规律,排和序之间的单位注入量均呈现合理的递减规律,参见表
4.8-65及表
4.8-66表
4.8-64东风帷幕灌浆区间长度/注入量频率(%)统计表单位注入量kg/m100100~500500~100010005000左岸860m
91.1/
38.
03.3/
9.
73.2/
19.
32.4/
33.
05.60/
52.30915m
97.06/
10.
840.72/
0.
970.6/
4.
671.62/
83.
522.22/
88.19851m
94.62/
7.
533.75/
25.
790.99/
16.
450.64/
50.
221.63/
66.68915m
92.09/
23.
395.09/
14.
41.24/
11.
231.58/
50.
982.82/
62.21978m
84.70/
14.
596.87/
6.
153.24/
7.
085.19/
72.
188.43/
79.26851m
76.83/
3.
712.22/
5.
614.40/
5.
976.55/
84.
7210.95/
90.69915m
95.75/
19.
501.35/
6.
010.51/
1.
092.39/
73.
402.90/
97.15978m
87.29/
1.
305.06/
1.
552.03/
3.
605.62/
93.
557.65/
97.15累计平均值
89.93/
14.
854.8/
8.
772.03/
8.
673.25/
67.
705.28/
76.37表
4.8-65帷幕灌浆上、下排单位注入量递减率表位置分项工程单位注入量kg/m递减率位置分项工程单位注入量kg/m递减率上游排下游排上游排下游排左岸
975.
5150.
84227.
2133.6右岸厂前区
978130.
30569.
2077.
191522.
10184.
6088.
091559.
40178.
5066.
786086.
74171.
7549.
585118.
8067.
3072.0坝区坝基
83017.
8334.
9048.9NE岔
428.
001255.
0065.9左、右坝肩
68.
3472.
505.7SE岔
1333.
003491.
0066.2表
4.8-66帷幕灌浆隧洞部分灌浆孔序注入量对比表位置单元编号Ⅰ序kg/mⅡ序kg/mⅢ序kg/m位置单元编号Ⅰ序kg/mⅡ序kg/mⅢ序kg/m1+
903.5~2+
130.75Zku
121450.
90308.
70105.001+
903.5~2+
130.75Zku
153286.
20717.
32333.79Zku
1310514.
20760.
30395.50Zku
1618118.
964830.
541878.93Zku
142567.
401270.
60448.10部分溶洞发育带的灌浆,当后序孔遇到溶洞或溶蚀裂隙,也存在着单位注入量比前序孔大的反常现象4.防渗效果东风水库蓄水四年后,水位已达正常高水位,监测资料表明灌浆帷幕具有良好的防渗效果1坝基廊道总渗流量小于40L/min,并随着时间的推移渗流日益减少2坝后巡视未见异常,两坝肩岩体干燥,无出水点,排水洞内排水孔呈湿润状态3地下厂房、围岩、排水洞等的出水状态在蓄水前后无明显变化4库后在右岸凉风洞、闹鱼塘等溶洞出口设堰观测,目前尚未发现异常,说明对暗河系统的封堵是成功的,对裂隙渗漏的处理效果也是令人满意的5水库蓄水位逐步升高至正常水位后,左岸桥头暗河流量显著增大,初步分析认为属于帷幕体端点之外的沿断层绕渗,正在拟定处理方案
4.
8.5灌(注)浆施工
4.
8.
5.1施工设备及机具1.钻孔机械钻孔机械及适应条件见表
4.8-45,钻机的技术规格见表
4.8-46表
4.8-45钻孔机械及其适应条件类别名称型号及规格适应条件凿岩机气腿式凿岩机、湿式气腿式凿岩机、电动凿岩机、重型导轨式凿岩机7655型、YSP-45型、YT-24型、YDX-40型、YG-80型、FZ-30型井筒或巷道壁内,壁后以及工作面灌浆钻探设备钻机TXU-1200A型、XB-1000A型、TXB-1000A型、XU-650A型、XB-500型、XY-
1、2型、XJ100-2型、IXU-75型、XJ100-1型、KD-100型、TAS-3日本、OE-ZL日本、FRA英国用于工作面预灌浆钻铤直径88mm、壁厚20mm、直径83mm、壁厚25mm用于防渗表
4.8-46地面常用钻机及主要技术规格一览表钻机型号钻进深度m给进方式开孔直径mm外形尺寸mm用途动力机配套泥浆泵电动机柴油机TXB-100型钻机1000主动1461763×1651×1280地质孔水文孔JO32-155kW4135T型58kWTBW250/401500M油压钻机1500油压168勘探孔JO82-455kW4135T型58kWTBW250/40红旗-100700油压1463200×1350×1500地质孔水文孔JO91-455kW4135T型58kWTBW250/40XY-2型100~300油压150~3002150×900×1690地质孔水文孔Y180L-4中型钻机500油压1502450×1020×1240地质孔水文孔JO72-430kW4115TD40kWBW250/50MZ-300型油压钻机300油压1462250×900×1350水文及其它孔JO62-417kW2105I型147kWSPJ-300A水文钻机300主动5007700×5300×1350普查及物探JO81-440kW4115L型47kWBW600/30XJ-100型钻机100手把油压1101790×810×1110地质孔水文孔JO51-440kW1105型
7.3kW60/15DPP-100型汽车钻70100主动150~2009000×2250×3400地质孔水文孔TBW200/40SH-30型工程钻机30主动冲击1421780×100×900地质勘探JO51-
24.5kW汽油机
7.3kWWT-2型30主动1141350×960×1260物探
13.4k汽油机汽油机
7.3kW100/10取样钻机10手把
4658.5380×400×600地质勘探
1.98~
2.9kW地质汽油机10/102.灌浆泵1)专用灌浆泵12TGZ-60/210120/105型双液调速高压灌浆泵,是地下工程或矿山采掘工作面、巷道及混凝土井壁灌浆堵水设备,由辽宁锦西市灌浆泵厂生产其技术特征见表
4.8-472YZB型液压灌浆泵是由行程控制阀组控制,液压驱动的双室轴向柱塞泵适应于矿山松软煤岩灌浆加固,也可用于土建、铁路、水电隧道等加固工程该产品为徐州矿务局液压支架厂生产,其技术性能见表
4.8-483BWBWT系列高压灌浆泵,由衡阳探矿机械厂生产,其技术性能见表
4.8-484YSB-250/120型液力调速灌浆泵,其技术特征见表
4.8-495HFV型灌浆泵,系日本灌浆泵,技术特征见表
4.8-506水利水电工程专用灌浆泵,现将收集到的一些专用灌浆泵的资料列于表
4.8-512)代用灌浆泵1TBW型电动往复泵,该泵为石家庄煤矿机械厂产品,在没有专用灌浆泵的情况下,可选用这种泵其技术特征见表
4.8-522300型电动水泥泵,该泵为兰州通用机械厂生产的产品,压力较高,其技术特征见表
4.8-533其它代用泵可以根据当地的具体条件来选用其它型号的灌浆泵,但要满足施工要求一般情况下,代用泵不如灌浆泵好用现将部分国产泵的型号及特征列于表
4.8-54表
4.8-472TGZ-60/210120/105型灌浆泵技术性能灌浆泵型号2TGZ-60/2102TGZ-120/105吸浆量L/min1速2速3速4速1速2速3速4速最大灌浆压力MPa16193660323872120配备电机kW
211810610.5953质量kg
7.510外形尺寸:长×宽×高mm1750×945×11201750×945×1120表
4.8-48YZB液压灌浆泵技术性能泵型号YZB63-2-32YZB40-2-25BW200/15BWT260/8BW85/50最大输出压力MPa201015850流量L/min120~40150~5085运行速度次/min40~9040~120最大排量L/次2×
0.112×
0.03驱动压力范围MPa16~
31.510~20最小驱动流量L/min
31.516外形尺寸:长×宽×高mm1600×385×288720×192×180质量kg9520160013001400输送介质各种液体各种浆液各种浆液各种浆液各种浆液驱动液乳化液乳化液表
4.8-49YSB-250/120型调速灌浆技术特征最大工作压力12MPa蜗轮、蜗杆传动比
13.66最大排量250L/min电动机型号BJO-92-4型缸套直径80mm电动机功率75kW活塞行程150mm电动机转数1480r/min缸数2个外形尺寸mm3900×800×160吸水管直径75mm重量包括自动补偿器3000kg排出管直径45mm表
4.8-50HFV型灌浆泵技术规格灌浆泵部分动力部分形式HFV-CHFV-2D形式HFV-CHFV-2D排出压力MPa3~35~20主油泵形式PR105变量柱塞泵PR75变量柱塞泵排量L/min200~0100~20辅助油泵形式齿轮油泵齿轮油泵活塞直径mm10075主油泵排出压力MPa50~21050~210往复次数次/min27~023~45排量mL/r10575行程长度mm300300油缸直径mm8075吸浆管直径mm6537电机功率kW×级数22×
418.5×4排浆管直径mm4025油箱容量L250250外形尺寸长mm22002200外形尺寸长mm22002200宽mm900850宽mm11001000高mm11001100高mm11001100质量kg10451100质量kg表
4.8-51水利水电专用灌浆泵型号及技术特征流量L/min压力MPa进浆管径mm出浆管径mm外形尺寸cm电机功率kW质量kg生产厂家HGB化学灌浆计量泵25~503~82520130×60×684直流378华东勘测设计研究院JN-4化学灌浆泵0~
281.56454×41×
520.630水电第三工程局HG20-12立式化学灌浆泵122202075×43×703直流12000639部队可控硅调速齿轮泵0~
4.4/0~
6.
41.5/
0.1191985×25×
401.1120长江科学院多级流量泵
2.5~2623130水电第十二工程局丰收3型灌浆泵
1.5~
38.6202070×25×
351.5直流300中国水科院表
4.8-52TBW型电动往复泵技术特征型号TBW-50/15TBW-200/40TBW-250/40最大排量L/min50200250最大压力MPa
1.544缸套直径mm608589往复次数次/min双塞3808170活塞行程mm50140150吸水管直径mm278989排水管直径mm233838齿轮转动比1:571:191:6所需功率kW1824外形尺寸mm1054×353×6451670×890×16002170×820×1770质量kg1926801120注TBW-50/15双塞型为立式双缸单作用,其它为卧式双缸双作用表
4.8-53300型电动水泥泵技术性能变速箱排档曲轴转数r/min缸套直径100mm缸套直径115mm缸套直径127mm最大排量L/min最大压力MPa最大排量L/min最大压力MPa最大排量L/min最大压力MPaⅠ
25.34152300206221256179Ⅱ
37.5122520306149378121Ⅲ
58.
1334813.14749658678Ⅳ
86.
046178.87026586853Ⅴ
119.
17156.497247120338注外形尺寸2389mm×945mm×1895mm,质量2775kg表
4.8-54代用泵型号及技术特征流量L/min压力MPa缸数个电机功率kW质量kg生产厂家BW250-50型泥浆泵250一档105二档
2.5一档5二档3400衡阳探矿机械厂BW200-40型泥浆泵2004028002DN-6/30型泥浆泵1003210本溪水泵厂2DN-15/40型泥浆泵25042301400本溪水泵厂HB-3型灰浆泵
501.
212.8200济南风动机械厂HP-013型灰浆泵
501.517520IDB-
0.75/30型比例泵0~
12.5/0~2503/
1.
512.2490本溪水泵厂2DB-3/37型比例泵0~
503.
727.51155100/20型隔膜式砂浆泵100217吉林水工机械厂LGB-200/30型螺杆泵
2003.5北京探矿厂环形活塞计量泵
258.6135浙江创新厂3.其它机具1)止浆塞止浆塞类型及技术特征见表
4.8-55表
4.8-55止浆塞类型及其技术特征机械式小型双管止浆塞水力膨胀式卡瓦式止浆塞单管三爪止浆塞单管异径止浆塞孔内双管止浆塞单管止浆塞双管止浆塞胶塞直径mm901101201309011012013011012013042759011011012013011012013090~170胶塞长度mm150~200150~200200150~200100010001000最大压力MPa6~106~1063106~
80.78胶塞个数2~42~42~41~3111结构形式见图
4.8-18去掉三爪部分见图
4.8-19见图
4.8-20见图
4.8-21见图
4.8-22见图
4.8-23适用条件及特点
1.分段上行或下行式灌浆
2.套管内或较硬岩石孔壁完整的裸孔内止浆
3.三爪张开最大直径150mm
4.孔深<500mm
1.较坚硬岩石孔壁完整的裸孔
2.下行式灌浆
3.变径台阶设在硬岩位置,且为受力支点
1.分段上行或下行式灌浆
2.套管内或较硬岩石,孔壁完整的裸孔
3.孔深小于200mm
4.止浆塞与混合器组装成一体
5.处理特大涌水或地下水流速很大,要求凝胶时间
1.井筒工作面或巷道工作面灌浆
2.套管内或较硬岩石孔壁完整的裸孔
3.井筒壁后灌浆
1.分段上行或下行式灌浆
2.套管内或较硬岩石,孔壁完整的裸孔
1.分段上行或下行式连续灌浆
2.套管内或较硬岩石,孔壁完整,<200m深的裸孔
3.下入两套管路
1.分段上行式下行式连续灌浆
2.套管内或较硬岩石,孔壁完整,<200m深的裸孔
3.下入两套管路2)混合器混合器类型及技术特征见表
4.8-54表
4.8-54混合器类型及技术特征类型特征弹簧半球式混合器方盒式球阀混合器孔内球阀混合器孔口球阀混合器进口内径mm2020出口内径mm2520钢球内径mm25浆液流量L/min<20<50<20<20承受压力MPa23结构形式见图
4.8-18见图
4.8-19见图
4.8-20见图
4.8-21备注
1.适用于井壁灌浆
2.保持半球垂直运动
1.井壁或工作面灌浆
2.保持半球垂直运动地面预灌浆
1.地面或工作面预灌浆
2.保持半球垂直运动图
4.8-18单管“三爪”止浆塞1─钻杆接头;2─内管;3─上托盘;4─胶塞;5─铁丝圈;6─卡环;7,9─铁环;8─胶垫;10─下托盘;11─接头;12─胶塞与三爪的联接管;13─活塞垫;14─密封胶垫;15─活塞筒;16─活塞杆;17─外管;18─弹簧;19─销轴;20─三爪;21─三爪盘;22─三爪支铁块图
4.8-19孔内双管止浆塞1─尾管;2─变径接头;3─混合室外管;4─混合片轴;5─混合片;6─弹簧座;7─销钉;8─弹簧;9─球罩;10─钢球;11─球座;12─隔板;13─连接板;14─主体接头料;15─弯管料;16─支铁块;17─锁接头;18─托盘管;19─内管;20─铁丝圈;21─芯管;22─胶塞;23─下挡接头;24─下挡;25─上挡;26─内管;27─直径89mm接头;28─灌浆管接头;29─直径89mm外管;30─盘根;31─螺钉;32─压盖;33─螺帽;34─孔口内三通;35─压力表缓冲器;36─活接头图
4.8-20小型双管止浆塞1─方扣螺帽;2─手柄;3─垫圈;4─压帽;5─丝杠;6─外管;7─接头;8─内管;9─芯管;10,12─上、下托盘;11─胶塞;13─焊接堵头图
4.8-21单管水力膨胀式止浆塞1─接头;
2、18─上、下中心管;
3、9─○形密封圈;4─销环;5─销钉;6─顶帽;7─连接锁栓;8─花兰螺母;10─阀壳;11─阀口座;12─阀体;
13、19─胶筒上、下铁箍;14─弹簧;15─弹簧座;
16、20─胶筒上、下铁芯;17─胶皮筒;21─阀体;22─铅球;23─球口座;24─片式弹簧圈图
4.8-22双管水力膨胀式止浆塞1─钢编胶管;2─胶管筛;3─接头芯;4─接头套;5─接头;6─密封垫;7─顶帽;
8、13─○形圈;
9、12─胶筒上下铁芯;11─胶筒3)灌浆搅拌机灌浆搅拌机的选择,可参照表
4.8-57表
4.8-57灌浆搅拌机的类型及其特征立式水泥搅拌机风动水泥搅拌机旋流式造浆机水力喷射式水泥搅拌机主轴转速40~60搅浆能力167~
2508.3~25特点及用途
1.各种灌浆
2.一次和二次搅拌池用砖砌抹面或用混凝土浇注
3.一次和二次搅拌为叶片式机械搅拌
4.减速器可选用Ⅱ型溜子减速器
5.胶带传动
1.地面灌浆
2.以风压为动力搅拌水泥浆
3.可集中控制
4.劳动强度低,粉尘小
1.各种灌浆
2.以水为动力搅拌
3.旋流式搅拌桶有效容积为600L
4.一次造浆需2~3min
5.劳动强度低
1.TBW-200/40型泥浆泵为动力
2.大量连续制浆
3.大规模灌浆
4.备有储灰仓和放灰漏斗
5.备有二次搅拌池
6.浆液配比误差大4)流量计流量计的选择,可参照表
4.8-58表
4.8-58流量计类型及特征型号LM型涡轮流量计LD型电磁流量计通径mm102532502525最大流量L/min
25.4144300540200250最大工作压力MPa
6.
41.6工作温度℃-20~800~40电源电压220V+10%,50Hz+5%220V+10%,50Hz+5%最大计算值m
3999.999×102特点及用途
1.流量变送器与XSJ-461型计算频率仪配套使用,可以指示瞬时流量
2.仪表累计值绝对值误差<1L
3.XSJ-461型工作温度为0~45℃
4.变送器材料为lCr8Ni19Ti5适用于测量水玻璃浆液或液体粘度小于5×10-3Pa﹒s的化学浆液
1.电磁流量计由变送器和转换器组成
2.成套仪表的精度为+1%
3.适用于测量水玻璃和水泥浆液
4.变送器应安装在灌浆泵的进浆口位置5)压力表压力表型号规格见表
4.8-59表
4.8-59压力表型号及规格名称型号测量范围Mpa接头螺纹精度等级特点及用途生产厂家弹簧管压力表Y-1000~
1.
02.
54.0M20×
1.
52.
51.Y-100Y-150为径向无边压力表,Y-100T,Y-150T为径向有边压力表
2.测量气体或液体用上海宜川仪表厂,宝鸡仪表厂Y-
1506.
010.
016.
025.
040.0Y-100T0~
1.
01.
62.
54.0Y-150T
6.
010.
016.
025.
040.0抗震压力表YK-
110.
016.
025.040ZGφ40mm
2.
51.测量粘度大、粒度大且易结晶的液体,如水泥浆、油砂混合液
2.抗震性能好宝鸡仪表厂6)阀门根据灌浆终压的大小选择合适的阀门阀门分为低压阀和高压阀,高压阀门一般可以自己加工,低压阀门市场上有标准产品,可根据需要参照表
4.8-58选择低压阀门可用于低压灌浆的输浆管路系统,也可以安装在灌浆泵的进口管路上,用于控制泵的流量表
4.8-60低压阀门型号公称通径Dqmm公称压力PqMPa型号公称通径mm公称压力PqMPaQ11SA-
161520253240501.6Z15W-10202532405065801A15W-
10151.07自动记录仪近来在水利水电工程中使用的自动记录仪,可以自动量测纪录灌浆流量和灌浆压力这对于保证灌浆质量有其独到的意义图
8.4-10pH缓冲液和碱性凝胶剂合并使用的浆液凝胶时间图
4.8-15纯水泥浆水灰比与浆液密度之间的关系曲线4面约束4点约束1~第一组灌浆孔2~第二组灌浆孔3~第三组灌浆孔4~第四组灌浆孔无约束3面约束图
4.8-35γ射线测定地基土的密实度a曲线─灌浆前土的密度曲线;b曲线─灌浆后前土的密度曲线。