注漿加固原理

1、3 注漿作用機(jī)理3.1 注漿理論基礎(chǔ)3.1.1 漿液的可注性 根據(jù)尺寸效應(yīng)定理，進(jìn)行滲透注漿的前提是滿足漿材對空隙的尺寸效應(yīng)，即假定粒狀漿材的顆粒尺寸為 d，地層的空隙尺寸為 Dp ，則漿液滲入空隙的前提 條件為DR =p 1Ed式中： RE 凈空比。一種迄今流行的理論認(rèn)為，當(dāng)凈空比 RE 3 時(shí)，用下式作為滲入性注漿設(shè)計(jì) 注漿材料的基礎(chǔ)。DR =p 3Ed3.1.2 砂礫石注漿目前尚無有效方法可以測出 Dp 值，需采用數(shù)學(xué)方法加以估算，有效孔隙比 的計(jì)算公式如下：De =pED式中： eE 砂礫石的有效孔隙比；D 砂礫石的顆粒直徑。 由于河床砂礫石一般都受過比較充分的摩擦。試驗(yàn)證明，河床砂礫

2、由于顆粒大小混合而堆積得比較緊密，其有效孔隙比多變化在 0.1950.215 之間，計(jì)算時(shí) 取平均值 0.2，于是上式可以簡化為：Dp = 0.2D因此，評價(jià)砂礫石可注性的簡化公式為：N = D =rd( D15 )sg( D85 ) 15該式被國內(nèi)外廣泛采用。3.1.3 裂隙巖石注漿 在巖層中鉆孔取樣雖然比在砂礫石層中容易，但想從巖芯中得到有關(guān)空隙尺寸的準(zhǔn)確資料目前仍很困難。以下為根據(jù)一般水文地質(zhì)資料估算空隙尺寸的近似方法，可供注漿時(shí)參考。設(shè)一寬度為 d 的平面裂隙被半徑為 r0 的鉆孔垂直地穿過并用壓力 p 進(jìn)行壓 水，則該裂隙的吸水量可按下式進(jìn)行計(jì)算：p pd 3q1 =6h lg(R

3、/ r0 )式中： q1 裂隙吸水量， L / min ； d 裂隙寬度，mm；h 水的粘度，厘泊； R 水的擴(kuò)散距離，m； p 壓水壓力，MPa； r0 鉆孔半徑，cm； 可注比值 Nr 的估算公式Mtchell J.K.給出以下可注比值 Nr 的估算公式（見下表） 影響滲入注漿可注性的主要因素還有漿液的粘度。粘度越大，流動阻力也越大，能灌注的影響半徑也越小，或需要用較高的壓力以克服其流動阻力。可注比 Nr 的估算公式土層巖層Nr = (D15 )s /(D85 )gNr = (D10 )s /(D95 )gNr = d /(D95 )g24持續(xù)可注性11持續(xù)可注性5持續(xù)可注性11不可注6不

4、可注2不可注注： (D) 、 (D) 土體顆粒分析試驗(yàn)求得的粒徑級配曲線中 15%和 10%的顆粒直徑；15 s10 s(D85 )g 、 (D95 )g 根據(jù)將材顆粒分析試驗(yàn)求得的粒徑級配曲線中 85%和 95%的顆粒直徑；d 巖層裂隙的寬度。3.1.4 漿液在巖層中的運(yùn)動形式和規(guī)律 漿液在巖土層的運(yùn)動和凝膠規(guī)律是根據(jù)地層性質(zhì)及其導(dǎo)漿結(jié)構(gòu)、漿液類型及流線特性、注漿方式和參數(shù)選取而決定的，一般漿液運(yùn)動形式和規(guī)律分兩大類。（1）孔隙性巖土層滲透注漿 孔隙性巖土層是由許多相互連通的網(wǎng)狀孔隙而形成的導(dǎo)漿系統(tǒng)。當(dāng)漿液材料與孔隙通路相適應(yīng)，在注漿壓力不大的條件下，漿液以滲透方式注入孔隙。這時(shí)， 漿液的運(yùn)

5、動形式是滲透擴(kuò)散膠凝，最后將松散的固體顆粒膠結(jié)成整體。這種 注漿，漿液流動符合液體滲流定律，漿液是以注漿孔為中心向外擴(kuò)散。在注漿過程中，注漿壓力克服漿液流動的粘滯阻力和自身的凝膠阻力，隨著 漿液擴(kuò)散距離的延長和注漿時(shí)間的延續(xù)，阻力增加，注漿壓力逐漸升高，直到漿 液的擴(kuò)散范圍達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，即可停止注漿。注漿壓力和擴(kuò)散半徑、漿液粘度、 松散巖土的顆粒直徑和形狀、級配等因素有關(guān)。（2）裂隙巖層滲透注漿 由幾組裂隙相互切割連成網(wǎng)狀裂隙而形成的導(dǎo)漿系統(tǒng)，根據(jù)漿液性質(zhì)不同，運(yùn)動可分為：溶液類和膠體類漿液的運(yùn)動規(guī)律 這種漿液的流動規(guī)律符合滲透定律，漿液的流動、擴(kuò)散和凝膠規(guī)律與前述相似。懸濁漿液的運(yùn)動規(guī)律

6、從整體上看它仍服從滲流定律，但從微觀上看，懸濁漿液在裂隙中的流動可以認(rèn)為是固體顆粒的水力運(yùn)輸。 漿液逐漸凝固硬化成結(jié)合體，由于結(jié)石率小于，故巖層內(nèi)仍有一定間隙，因此，加大注漿壓力，這會使原有裂隙有所擴(kuò)大，注漿后擴(kuò)大的裂隙回縮，能使 裂隙完全封閉。而且由裂隙回彈產(chǎn)生的壓力是大面積的法向正應(yīng)力，它能在厚度 僅為 1mm 左右的漿層中造成巨大的壓力梯度，對漿液的排水固結(jié)特別有效。薩巴得提出，在平均注漿壓力 pa 作用于裂隙面為半無限彈性介質(zhì)的巖體上， 注漿孔荷載作用中心位置的巖石彈性變形，可依下式計(jì)算：4 (1 -n 2 )d0 =Epa R 在注漿方向上的裂隙邊緣變形量為：8(1 -n 2 )dr

7、 =p Epa R 式中： d0 荷載中心位置裂隙變形，m； E 巖石彈性模量，MPa；n 巖石泊松比； R 徑向注漿距離，m； pa 平均注漿壓力，MPa。管道型注漿1）孔隙性巖層人工壓裂管道型注漿 孔隙性巖層內(nèi)，由于漿液材料與孔隙通路不相適應(yīng)或采用了高壓注漿，漿液不能以滲透方式逐漸注入到孔隙中去，而是繼續(xù)在注漿壓力作用下，當(dāng)壓力升高 到一定高度，便在地層的薄弱部位形成壓裂脈狀管道導(dǎo)漿系統(tǒng)。漿液的運(yùn)動過程是壓裂流動凝膠，如此反復(fù)多次，直到形成樹枝狀或脈 狀切割的膠凝帶而不再被壓裂為止。與此同時(shí)，松散地層被壓密，滲透系數(shù)減小， 地層透水能力降低。因此，地層強(qiáng)度有所提高，可起到阻水、防滲、截流、

8、固結(jié) 的作用。注漿壓力起著壓裂地層，擴(kuò)大漿液通道及克服流動阻力的作用。在實(shí)施過程中其變化規(guī)律是：壓力開始上升，地層壓裂后壓力下降，同時(shí)漿液擴(kuò)散距離受膠 凝時(shí)間和漿液粘度的影響；漿液凝膠后再加大注漿壓力，漿液凝膠后的地層再壓 裂，形成新的通道；如此反復(fù)多次，壓力一次比一次升高，直到地層壓密達(dá)到設(shè) 計(jì)要求的滲透系數(shù)和擴(kuò)散半徑?jīng)Q定于漿液凝膠時(shí)間，所以，注漿參數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn) 和試驗(yàn)決定的。2）巖溶層管道型注漿 漿液在裂隙中的運(yùn)動是按管道流方式進(jìn)行，其特點(diǎn)是流動擴(kuò)散凝膠。注漿壓力是用來克服漿液與巖壁間的摩擦阻力、粘結(jié)力和局部（彎曲、變徑）阻力 以及靜水壓力。管道流動阻力比滲流要小，因此，漿液擴(kuò)散范圍較遠(yuǎn)。

9、為避免漿 液流失，一般采用低壓灌注，間歇注漿，并控制凝膠時(shí)間。注漿壓力與管道直徑、注漿流速、擴(kuò)散距離、漿液性質(zhì)以及巖壁粗糙程度和 彎道大小、變徑情況等因素有關(guān)?？筛鶕?jù)管道流壓力降公式計(jì)算，或反求擴(kuò)散半 徑，由擴(kuò)散半徑控制凝膠時(shí)間。3.2 滲透注漿理論滲透型注漿取決于三個(gè)基本要素，即漿液流變學(xué)特性，滲透流線特性及漿液 在地層中的擴(kuò)散形態(tài)。漿液的流變學(xué)特性：t = m du或t = m dudydy該式稱為漿液的物理方程。 漿液的流線特性曲線和基本方程如表。漿液流變特性曲線和方程流線形態(tài)層流紊流雷諾數(shù)10101001002000滲流特性線性非線性非線性特性曲線v周基本方程線性滲流定律達(dá)西定律V =

10、 kg J非線性滲透定律哲才公式V = k J 1/ 2g福熙海麥公式V = aV + bV 2漿液在地層中的實(shí)際擴(kuò)散形態(tài)相當(dāng)復(fù)雜，很難使它按照需要實(shí)行人工控制。 它主要受地層的礦物組成、軟硬程度和其中的空隙形態(tài)所制約。根據(jù)注漿機(jī)理大 體上可分成脈狀擴(kuò)散和滲透擴(kuò)散兩種。脈狀擴(kuò)散是漿液沿著地層原有的和因劈裂 形成的裂隙通道擴(kuò)散擴(kuò)散，其形式類似于脈管；滲透擴(kuò)散是漿液沿著地層巖土、 砂顆粒之間的孔隙均勻擴(kuò)散基本上不改變地層顆粒位置，類似于水在其中滲透。一般說來，在裂隙巖層中注漿，漿液多呈脈狀擴(kuò)散，只有在溶洞充填物、斷 層破碎帶和軟弱夾層、砂、礫土中才可能會有部分滲透擴(kuò)散。漿液的擴(kuò)散形式，雖然漿液在擴(kuò)

11、散中其表面是不規(guī)則的，但在理論計(jì)算仍按均勻擴(kuò)散考慮。擴(kuò)散形 式有柱面、球面、柱面半球面三種，如下圖所示。r0ll(a) (b)(c)柱面擴(kuò)散球面擴(kuò)散柱面半球面擴(kuò)散漿液在地層中的擴(kuò)散形態(tài)3.3 壓密注漿理論壓密注漿是指通過鉆孔在土中注入極濃的漿液，隨著注漿量的增加，在持續(xù) 壓力作用下在注漿點(diǎn)使土體壓密而形成漿塊。壓密注漿的主要特點(diǎn)之一，是它在較軟弱的土體中具有較好的效果。此法最 常用于中砂層，粘土地層中若有適宜的排水條件也可采用?？砂l(fā)現(xiàn)和加固最軟弱 的土體帶。經(jīng)實(shí)踐得出：注漿體的擴(kuò)大會導(dǎo)致土體內(nèi)出現(xiàn)復(fù)雜的徑向和切向應(yīng)力體系。 在緊靠漿塊處的土體存在大的破裂、剪切和塑性變形帶。這一帶的土體密度由于

12、 撓動而降低。隨著從土體到漿塊的增加，土體變形主要為彈性變形，而土體密度 有明顯的增加。3.4 劈裂注漿理論劈裂注漿指在壓力作用下，漿液克服地層的初始應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度，引起巖石 土體結(jié)構(gòu)的破壞和撓動，使其沿垂直于小主應(yīng)力平面上發(fā)生劈裂，使地層中原有 的裂隙或孔隙、漿液的可注性和擴(kuò)散距離都增大，而所有的注漿壓力相對較高。在巖層中，一般假定地層為一各向同性、均勻連續(xù)的線性彈性體，因而可用 下述方程表達(dá)鉆孔井壁處開始發(fā)生水力劈裂的條件：*垂直劈裂p0 = 1 -n 2K+ St g h(1 - N )n 3g h 1*水平劈裂p0 = 1 -n 1 + St g h(1 - N1 )n g h 式中： p0 注漿壓力，MPa； g h 由巖石重量產(chǎn)生的垂直應(yīng)力，