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1、灌浆法,CIVIL ENGINEERING COLLEGE OF USTS,Grouting,灌浆法的实质是用气压、液压或电化学原理，把某些能固化的浆液注入天然的和人为的裂缝或孔隙，以改善各种介质的物理力学特性。,1.定义,9.1 概述,2.目的,一、防渗：降低渗透性、减少渗流量、提高抗渗能力、降低孔隙压力；二、堵漏：封填孔洞，堵截流水；三、加固：提高岩土的力学性能，恢复砼结构及圬工建筑物的整体性；四、纠正建筑物的倾斜：使发生不均匀沉降的建筑物恢复原位或减小其倾斜度。,是材料强度不能充分发挥的结构,比如大体积的混凝土,内部混凝土的强度远没得到充分发挥,也就是说材料的实际应力很小,远没达到材料的
2、设计强度.基本结构是指除钢筋砼、预应力砼、钢结构以外，由纯混凝土或砖石砌体材料建筑的,3.处理对象,一、坝基：砂基、砂砾石地基、喀斯特溶洞及断层软弱夹层等；二、楼基：一般地基及振动基础等，包括对已有建筑物的修补；三、道路基础：公路、铁道和飞机场路道等；四、地下建筑：输水隧洞、矿井巷道、地下铁道和地下厂房等；五、其他：预填骨料灌浆、后拉锚杆灌浆及灌注桩后灌浆等。,4.近期发展,一、应用领域越来越广，除坝基防渗加固外，在其他土木工程如道桥、矿井、文物、市政、地铁和地下厂房中，灌浆也占有相当重要的地位；二、浆材品种越来越多，浆材性能和应用问题的研究越来越深入；三、劈裂灌浆技术已取得明显发展，尤其在软
3、土地基中，该技术越来越多的用作提高地基承载力和消除建筑物沉降的手段；四、我国和一些比较发达的国家，电子计算机监测系统已较普遍地在灌浆施工中用来收集和处理诸如灌浆压力、浆液稠度和耗浆量等重要参数，以提高工效和灌浆技术水平。,9.2 灌浆材料,灌浆工程中所用的浆液是由主剂、溶剂及各种附加混合剂混合而成，通常所说的灌浆材料，是指浆液中所用的主剂。,灌浆材料,颗粒型浆材,化学型（溶液）浆材,混合型浆材,以水泥为主剂，故多称为水泥系浆材,由两种或多种化学材料配制,由颗粒型浆材与化学浆材按不同比例混合而成,普通水泥浆易沉淀析水稳定性差、硬化时伴有体积收缩、对细裂隙而言颗粒较粗、大规模灌浆工程则水泥耗量大，
4、故在水泥浆中掺入粘土、砂和粉煤灰等、提高水泥颗粒细度、掺入各种附加剂以改善水泥浆液性能。,最大特点是浆液属于真溶液，初始粘度小，可用于灌注细小的裂缝或孔隙。缺点是造价高和污染环境，故其推广应用受到限制，尤其是在日本，在1974年发生污染环境的福岗事件后，只允许使用水玻璃系浆材。,包括聚合物水玻璃浆材、聚合物水泥浆材和水泥水玻璃浆材等，可用于降低浆材成本，或用来满足单一材料无法实现的性能，尤其是水泥水玻璃浆材，具有成本低、速凝的特点，已被广泛应用。,一、水泥系浆材,1、基本材料：纯水泥浆、粘土水泥浆、粉煤灰水泥浆,（1）水泥：普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、抗硫酸盐水泥,（2）粘土：具有吸
5、收水分（蒙脱石）和形成胶凝结构的能力，常用于提高水泥浆的稳定性、防止沉淀和析水。,（3）粉煤灰：用于节约水泥、降低成本和消化三废材料（废水、废气、废渣），具有较高的经济效益和社会意义。,（4）水：把固态水泥变成悬浮液，以供灌浆，并对水泥颗粒水解和水化，使化合物形成晶体并相互结合成网状结构，从而把水泥浆逐渐形成具有一定力学强度的结石。,二、浆材的主要性质,1、材料的分散度：一般分散度越高、可灌性就越好，并影响浆液的物理力学性能；,2、沉淀析水性：沉淀析水性是影响灌浆质量的有害因素。在灌浆过程中，颗粒的沉淀分层会引起机具管路和地层孔隙的堵塞，可能造成灌浆过程过早结束。灌浆结束后，颗粒沉淀分层将使浆
6、液的密度在垂直方向上发生变化，使灌浆体的均匀性降低；浆液的析水将使结石率降低，在灌浆体中形成空隙。浆液水灰比是影响析水性的主要因素。,3、凝结性：分为两阶段，一是初期阶段，浆液的流动性减少到不可泵送的程度；二是凝结后的浆液随时间而变硬，水泥浆的初凝时间为2-4h，粘土水泥浆和粉煤灰水泥浆则更慢。,4、收缩性：潮湿养护的浆液，不仅不会收缩还可能略有膨胀，而干燥养护的浆液就可能发生收缩，进而产生微细裂缝，影响灌浆效果。,5、浆液的粘度：粘度是度量流体粘滞性大小的物理量，一般浆液水灰比越大，粘度就越小，材料的细度越高，粘度就越大。,6、强度和渗透性：影响结石强度的因素包括：浆液的起始水灰比、结石孔隙
7、率、水泥品种及掺合料等产，其中以浆液浓度最为重要；不管是纯水泥浆还是粘土水泥浆和粉煤灰水泥浆，结石的渗透性都很小。,三、常用化学浆材,1、丙烯酰胺类：国外多叫AM-9，国内则多称丙凝。,丙凝浆液的标准配方,丙凝浆液特点：（1）属于真溶液，可灌性远比目前所有灌浆材料都好；（2）可精确控制浆液从制备到凝结所需时间，且不受水、空气影响；（3）浆液的粘度在凝结前保持不变，使浆液在灌浆过程中维持相同的渗入性；（4）浆液凝固后，凝胶本身基本上不透水，耐久性和稳定性好，可用于永久性灌浆工程；（5）丙凝浆液能在很低的浓度下凝结（目前标准浓度是10%），故其成本相对较低；（6）丙凝浆液能用一次注入法灌浆，故其施
8、工操作比较简单。,2、聚氨酯聚氨酰：,聚氨酯浆液特点：（1）浆液粘度低，可灌性好，结石强度高，可与水泥灌浆相结合，形成高标准防渗帷幕；（2）浆液遇水即反应，可用于动水条件下堵漏；（3）安全可靠、不污染环境；（4）耐久性好；（5）操作简便、经济效益高；目前，土木工程中多用非水溶性聚氨酯，其中又以二步法的制浆法最好，即把主剂先合成为聚氨酯低聚物，然后再把预聚体和外加剂按需要配成浆液。,聚氨酯是采用多异氰酸酯和聚醚树脂等作为主要原料再掺入外加剂配制而成的，浆液灌入土层后，遇水即反应生成聚氨酯泡沫体，起加固地基和防渗堵漏等作用。,外加剂：,（1）增塑剂：用以降低大分子之间的相互作用力，提高材料可灌性。
9、常用的有邻苯二甲酸二丁酯等；（2）稀释剂：用以降低预聚体或浆液的粘度，提高浆液的可灌性。常用的有丙酮和二甲苯等，其中以丙酮的稀释效果最好；（3）表面活性剂：用于提高泡沫的稳定性和改善泡沫的结构，一般采用吐温和硅油等；（4）催化剂：用以加速浆液与水的反应速度的控制发泡时间，常用的有三乙醇胺和三乙胺等；,经过多年的研究与实践，得出了几种比较有效的浆材配方，如下表：,常用的聚氨酯配方,聚氨酯浆液性能指标,SK-1浆液的粘度较低，加固砂体的强度较高，抗渗性能好，并有良好的二次扩散性能，适用于砂层及软弱夹层的防渗和加固处理；SK-3、SK-4浆液的特点是弹性较好，对于变形具有较好的适用性。SK-1、SK
10、-3、SK-4浆液遇水后粘度迅速增长，不会被水稀释和冲走，故特别适用于动水条件下的防水堵漏,3、硅酸盐类：,硅酸盐（水玻璃）灌浆开始于1887年，是一种古老的灌浆技术，具有价格低廉、渗入性较高和无毒等优点，国内外至今广泛应用于地基、大坝、隧道、桥墩、矿井等建筑工程。硅酸盐浆材以含水硅酸钠（水玻璃Na2O.nSiO2）为主剂，另外加入胶凝剂以形成凝胶。,硅酸盐浆材的主要性能,A、双液法是指两种胶凝剂和主剂必须在不同的灌浆管或不同时间内分别灌注，单液法是指胶凝剂与主剂能在注浆前先混合注入同一钻孔内B、双液法中两种化学剂的反应几乎同时发生，而单液法中浆液的凝结时间更长，粘度增长速度慢，单液法的有效扩
11、散半径比双液法大，但其强度一般比双液法低。,四、几种改性浆材,（1）超细水泥：常用的水泥由于颗粒较粗，一般只能灌注砾石或直径大于的孔隙。为提高水泥可灌性，日本率先用干磨法制成d50为4um的MC超细水泥，可灌入K=10-3cm/s的中细砂层，后由北京水科院研制出水平相当的SK超细水泥，近期由浙大等单位研制出d50为3-4um的CX超细水泥；（2）无毒丙凝：丙凝AM-9虽然可灌性好，但对神经系统有毒害，对空气和地下水有污染，1980年美国研制出了AC-400的浆材，1982年中国水科院研制出了AC-MS浆材，这类浆材毒性仅为AM-9的1%，但其特性与功能与AM-9类似；（3）酸性水玻璃：国内外从
12、20世纪70年代后期开展了酸性水玻璃的研究，这种水玻璃能在中性区域内胶凝，凝胶体没有碱溶出，在潮湿地层中可看成是永久性浆材；（4）改性环氧树脂：环氧树脂浆液的粘度大、可灌性小、憎水性强（吸水能力小）与潮湿裂隙粘结能力差，故在其中掺入糠醛、丙酮和水溶性甘油环氧树脂等方法，可形成具有低粘度、高亲水性并能在低温下固化的改性环氧树脂；（5）水玻璃水泥浆：由水玻璃溶液与水泥浆混合而成，具有早强、高强、高结石率等特点。,五、水泥浆附加剂,为改善水泥浆液性质，以适应不同的灌浆目的和自然条件，可在水泥浆中掺入不同的附加剂：,在地基处理中，灌浆工艺所依据的理论主要可归纳为以下四类：,9.3 灌浆理论,有代表性的
13、渗透灌浆理论：球形扩散理论、柱形扩散理论、袖套管法理论,表面压密：在建筑物底板下土层表面压浆，使土体自上而下的固结沉降。,表面压密,土内压密,一、球形扩散,渗透、劈裂灌浆理论简介,Maag（1938年）首先推导出浆液在砂层中的渗透公式，其采用假设条件为：1、被灌砂土为均质的和各向同性的；2、浆液为牛顿体；3、采用填压法灌浆，浆液从灌浆管底端注入地层；4、浆液在地层中呈球状扩散。该理论的灌浆时间t和浆液扩散半径r1的关系式如下：,注：Maag公式较简单，对粘度随时间变化不大的浆液能给出渗入性的初步轮廓。,h1,h0,二、柱形扩散,当牛顿体作柱形扩散时，可按下列二式计算：,砂土孔隙率,浆液粘度对水
14、的粘度比,砂土渗透系数,灌浆压力，水头,灌浆管半径,浆液扩散半径,三、袖套管理论计算,假定浆液在砂砾石中作紊流运动，则扩散半径r1为：,被灌土体的有效粒径。,浆液运动粘滞系数,四、劈裂灌浆：沿垂直于小主应力的平面上发生劈裂：,砂和砂砾石对砂和砂砾石层，可按照有效应力的Mohr-Coulomn破坏标准进行计算，地层各向同性：,地层中由于灌浆压力的作用，将使砂砾土的有效应力减小，当灌浆压力Pc，达到下式标准时，就会导致地层破坏：,灌浆段深度,大小主应力比,材料满足该式，则即将发生破坏,注：随着孔隙水压力增加，有效应力减小至与破坏包线相切，表明砂砾土开始劈裂。,一、设计内容,9.4 设计计算,1、灌
15、浆标准：通过灌浆要求达到效果和质量指标；2、施工范围：包括灌浆深度、长度和宽度；3、灌浆材料：包括浆材种类和浆液配方；4、浆液影响半径：浆液在设计压力下所能达到的有效扩散距离；5、钻孔布置：根据浆液影响半径和灌浆体设计厚度，确定合理的孔距、排距、孔数和排数；6、灌浆压力：规定不同地区和不同深度的允许最大灌浆压力；7、灌浆效果评估：用各种方法和手段检测灌浆效果,二、方案选择,这是设计者首先面对的问题，但其具体内容并无严格规定，一般只把灌浆方法和灌浆材料的选择放在首要位置，其选择与下列因素有关：1、灌浆目的（加固or防渗？提高承载力or减小变形？）2、地质条件（地层构造、土类及土性、地下水位、地震
16、级别等）3、工程性质（永久工程or临时工程？重要建筑or一般建筑？）,在国内外工程实践中，常采用联合灌浆工艺，包括不同的浆材及不同灌浆方法的联合以适应某些特殊地质条件和专门灌浆目的需要。,防渗标准越高，表明灌浆后地基的渗透性越低，灌浆质量就越好，地下水流速也越低，地基发生管涌破坏可能性就越小，但造价也越高，因此防渗标准不应是绝对的，每个灌浆工程都应根据自己的特点，通过技述经济比较确定一个相对合理的指标。,对砂和砂砾石层，防渗标准多用K表示，对比较重要的防渗工程，K需降低至10-4-10-5cm/s，对临时性工程或允许出现较大渗漏量而又不致发生渗透破坏的地层，也有采用10-3cm/s数量级的实例
17、。,三、防渗标准,在岩石地基中，防渗标准国内外多用Lu作为评价准则。Lu的概念为在1MPa水压力作用下，每min压入每m长孔段1L水即为1Lu。例如：压水时压力为1MPa，试段长5m，压水延续时间5min，总吸水量100L，求Lu?,从总的趋势看，国内外灌浆帷幕的防渗标准倾向于逐渐放宽，砼重力坝设计规范规定：坝高大于100m，防渗标准取1-3Lu，坝高100-50m时取3-5Lu，坝高50m以下时取5Lu,四、浆材及配方设计原则,四、浆材及配方设计原则,五、浆液扩散半径的确定,浆液扩散半径r是一个重要参数，它对灌浆工程量及造价具有重要的影响。r值可按理论公式计算（球形、柱形扩散、袖套管法），当
18、地质条件复杂或计算参数不易选准时，就应通过现场灌浆试验确定。在没有试验资料时，可按土渗透系数参照下表取值：,扩散半径，并非最远距离，而是符合设计要求的扩散距离；确定扩散半径，要择取多数条件下可达到的数值，而不是取平均值；,注浆孔的布置是根据浆液的注浆有效范围，且应相互重叠，使被加固土体在平面和深度范围内连成一个整体的原则决定的：,六、孔位布置,1、单排孔的布置,假定浆液扩散半径r已知，浆液呈圆球状扩散，则两圆必须相交才能形成一定厚度b,l值越小，b值越大，而当l=0时，b=2r，这是b的最大值，但l=0没有意义（重合）；反之l越大，b值越小，当l=2r时，两圆相切，b=0，故孔距l必须在r与2
19、r之间选择。,l-r,r-(l-r),l-r+r-(l-r)/2,r,2、多排孔的布置,1、排距R大于r+b/2。两排孔不能紧密搭接，在灌浆体中留下“窗口”,多排孔设计的原则是要充分发挥灌浆孔的潜力，以获得最大的灌浆体厚度，但不同的设计方法，将得出不同的结果：,2、排距R小于r+b/2。两排孔搭接过多，将造成浪费,R,r,b/2,3、排距R等于r+b/2。两排孔正好紧密搭接，最大限度发挥了各灌浆孔的作用，是一种最优设计。,则：最优排距Rm和最大灌浆有效厚度Bm的计算式为：,（1）两排孔,（2）三排孔,（3）五排孔,综上：可得出多排孔的最优排距、最优厚度统一表达式为：,最优排距：,（1）奇数排:
20、,最优厚度：,（2）偶数排:,式中：n为灌浆孔排数。在设计工作中常遇到n排孔厚度不够，n+1排孔厚度又偏大的情况，必要时可放大孔距来调整，但也应对钻孔费用和浆材费用进行比较，以确定合理的孔距。,由于浆液的扩散能力与灌浆压力大小密切相关，故高灌浆压力能使钻孔数减少、使一些微细孔隙张开，有助于提高可灌性；高灌浆压力还能在充填物中造成劈裂灌浆，使软弱材料的密度、强度和不透水性改善；高灌浆压力还有助于抗日出浆液中多余水分，使浆液结石的强度提高。,七、容许灌浆压力的确定,进行灌浆试验时，一般是用逐步提高压力的方法求得注浆压力与注浆量关系曲线：,当灌浆压力超过地层的压重和强度时，将有可能导致地基及其上部结
21、构破坏，故一般以不使地层结构破坏或仅发生局部和少量破坏，作为确定地基允许灌浆压力的基本原则。,当压力升至某一数值（Pf），而灌浆量突然增大时，表明地层结构发生破坏或孔隙尺寸已被扩大，因而可把此时的压力值作为地基容许灌浆压力值。,当缺乏试验资料，或在进行现场灌浆试验前需预定一个试验压力时，可按理论公式或经验值确定，然后在灌浆过程中根据具体情况再作适当调整：,对于砂砾地基灌浆，容许灌浆压力可采用下列二式计算：,或,式中：pe容许灌浆压力（105Pa）；c与灌浆期次有关的系数，第一序孔c=1，第二序孔c=1.25，第三序孔c=1.5；T地基覆盖层厚度（m）；K与灌浆方式有关的系数，自上而下灌浆时K=
22、0.5，自下而上灌浆时K=0.6；与地层性质有关的系数，可在选取，结构松、渗透性强的取低值，反之取高值；h地面至灌浆段的深度（m）；系数，在1-3范围内取值；地表面以上覆盖层的重度（kN/m3）,灌注所需的浆液总量Q按下式计算：,八、灌浆量,式中：Q浆液总用量（L）；V注浆对象的土量（m3）n土的孔隙率（%）；K经验系数：,软土、粘性土、细砂 中砂、粗砂 砾砂 湿陷性黄土,灌浆质量一般指灌浆施工是否严格按设计和施工规范进行，如不符，则应根据具体情况采用适当补充措施；灌浆效果是指灌浆后能把地层的物理力学性质改善到什么程度。地基灌浆最重要的效果检验方法是在灌浆体内钻孔，并通过钻孔进行不同的测试工作：1、灌浆结束后，通过灌浆体内钻孔，用压水、注水或抽水等方法测定地基的流量及渗透系数，不合格者需进行补浆；2、通过钻孔，从灌浆体内取出原状样品，送实验室进行必要的试验研究（样品密度、结石性质、浆液的充填率及剩余孔隙率、qu及f、渗透性及长期渗流稳定性、变形模量和蠕变性）；3、建筑物投入运行后，通过钻孔网观测灌浆体上下游的水位和渗流量；4、分析地层的耗浆量情况；5、用现场测得的弹性纵波速度和动弹性模量来确定加固灌浆的效果。,九、灌浆效果检验,
