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1、1,第9章 岩土工程地质性质的人工改良的基本原理 教师：韩文喜Email：,工 程 岩 土 学,2,第9章 岩土工程地质性质的 人工改良的基本原理 1.概述 2.土体人工改良的基本原理 3.岩体性质人工改良的基本原理,工 程 岩 土 学,3,Vibroflotation,From Das,1998,Vibroflotation is a technique for in situ densification of thick layers of loose granular soil deposits.It was developed in Germany in the 1930s.,4,振冲
2、碎石桩,Stage1:The jet at the bottom of the Vibroflot is turned on and lowered into the groundStage2:The water jet creates a quick condition in the soil.It allows the vibrating unit to sink into the groundStage 3:Granular material is poured from the top of the hole.The water from the lower jet is transf
3、erred to he jet at the top of the vibrating unit.This water carries the granular material down the holeStage 4:The vibrating unit is gradually raised in about 0.3-m lifts and held vibrating for about 30 seconds at each lift.This process compacts the soil to the desired unit weight.,From Das,1998,5,6
4、,7,振动压缩,8,六、射水成孔袋装碎石桩 射水成孔袋装碎石柱是指采用高压射水成孔，然后向孔中置入袋装碎石而成的桩。该法避免了碎石桩在软土中由于侧向约束小，而在垂直荷载作用下变形大的特点，因此，袋装碎石柱复合地基比一般碎石桩复合地基承载力高。,CFG桩,五、水泥粉煤灰碎石桩(CFG)这种工艺是通过在碎石桩体中添加以水泥为主的胶结材料(添加粉煤灰是为了增加混合料的和易性并有低标号水泥的作用同时还添加适量的石膏以改善级配)，使桩体获得胶结强度并从散体材料桩转换为柔性桩。机具和施工工艺与振挤碎石桩大体相同，但也可采用锤击碎石桩的机具和工艺制桩，近年来还有用长螺旋成桩机具和工艺的工程实例。桩体的配合料
5、可根据地层的工程地质情况和加固要求通过试验确定成桩。详细内容见CFG转有关内容。,9,1 土体人工改良的基本原理,随着工程建设的发展，由于经济、国防方面的需要，有些建筑物不得不在不良的地质条件下进行修建；或者建筑物场地虽无特殊不利的地质情况，但因建筑物规模巨大，场地地质条件不能满足建筑物要求。这时，除在工程设计方面采取措施，如调整上部结构以适应不利地质条件外，还需要采取工程地质措施以改变不良的地质条件。这些措施主要是改变土体的不良性质，一股称为土体人工改良或简称土质改良。土体性质不符合建筑物要求，可能是土体物质、土体结构或地质环境的某些缺陷不能保证建筑物地基、边坡或地下工程的稳定性。人工改良必
6、须针对有关改造的对象对症下药。土体人工改良的任务和目的，主要是提高土体的力学强度，减少其变形量，提高抗水稳定性，降低透水性；或增强土体结构的完整性，增强其联结强度，减弱渗透途径及渗透量；或改善地质环境，主要是改变土中的应力状态和地下水存在条件，以增强土体的力学强度，提高建筑物地基、边被或围岩的稳定性以保证建筑物的安全稳定和正常使用。,10,1 土体人工改良的基本原理,当土体性质不良，不能满足建筑物的要求时，需要人工改良的具体情况主要有：(1)修筑道路、飞机场、运动场等，把表层土作为建筑材料铺路面或作为地基时，需要人工改变土的密实度、透水性或抗水性，以增强土的强度和稳定性；(2)修筑工业与民用建
7、筑、桥梁、水工建筑，将土体作为地基时，由于土体承载能力不够或地下水渗漏过甚而影响施工或土体不稳定，需要加固地基或设置防渗帐幕，提高土体强度和降低其透水性；(3)水工、道路等建筑物的边坡不稳定时，需要加固土坡，可采用消除水的危害，改变边坡力学平衡条件，增强结构面强度等措施；(4)地下建筑或开挖(隧道、矿井、坑道等)，需要提高土体强度，降低进水性，须采用喷浆护面或设置阻水帐幕。为了防止涌水或坍塌，保证正常工作，锚筋加固，灌浆胶结等措施加固围岩,11,目的土质改良的方法，大致可以归纳为四类：第一类是加进某种材料以改变土的成分，使土体连结能力加强，充填孔隙、裂隙，以提高上体强度，降低土体适水性。根据加
8、进材料的方式。又可分三大类：拌和法、换(填)垫层法、化学加固法。拌和法是将某些材料拌混于土中，并加以压实，使土胶结，提高土的强度或抗水稳定性；根据使用的材料不同，有最优土法、胶结材料胶结法和吸温盐法等。换(填)垫层法是将基底下一定深度的软弱土层挖除，然后回填较好的土、砂、碎石料，或在天然地层上铺设土、砂、碎石料，作为人工填筑的持力层，提高地基承载力，减少地基沉降量。化学加固法是通过注入水泥或化学浆液等材料，胶结土粒，填塞孔隙、裂隙，从而提高土体强度，降低土体透水性，提高地基、边坡或地下洞室围岩的稳定性。根据施工方法不同，有灌浆法、高压喷射注浆法、探层搅拌法等。,12,第二类是通过某种技术方法，
9、改变土体的松散状态，使土体孔隙或裂隙减少，密实度增大，强度提高，透水性降低，抗水稳定性增强改善土体抗振动能力。根据处理土体部位和采用手段不同，可分为表层压实法和探层挤密法。表层压实法有机械碾压法、振动压实法和重锤夯实法之分；深层挤密法有强夯法、爆破挤密法、振冲法、挤密法等方法。第三类是改变地下水条件，降低土体水分。通过布置排水并、排水沟和排水垫层，改善土体排水条件，并采取加压、抽水、电渗等措施，以加速土体的固结，提高土体强度，增强土体稳定性。此法一般称排水固结法或预压法，包括砂井堆载预压法、真空预压法、抽降水法、电渗法等。第四类是改善土体结构完整性的加筋法，增强土体结构的完整，除采用化学加固法
10、以增强联结外，还可以在土体中埋设强度较大的土工聚合物、拉筋、受力杆件及各种不同材料的校体，以提高建筑物地基、边按或地下围岩的稳定性，提高承载力，减少变形量。这类方法可统称加筋法，包括多种方法。,13,1拌和法 将某些材料拌入土中，加固地表l一2m厚的土层(1)最优土法：根据各种粒组在土中所起的不同作用，可按一定比例将不同粒组加以人工配合，使这种土在不同含水情况具有一定的强度，这种土就称为最优土(或称最佳级配土)。最优土中各粒组含量的多少，取决于当地的情况、气候条件和建筑物的要求。在般最优土小，将大量粗粒组(0.255mm)作为基本骨架(占25一50)。加适量的粘粒起胶结作用(占6一12)。在过
11、湿地区，粘粒废少些，粗粒应多些。此法就地取材，技术简单，费用很低，适用于各种土类，修筑一般公路，广泛应用。(2)胶结材料胶结法：胶结材料很多，主要有沥青、柏油、水泥和石灰等。经过胶结材料处理后，土的强度增大，抗水性提高。此外，还可以6n入炉碴、碎砖、石粉、煤碴等工业废料，以减少粘性土的粘性；加入少量的泥炭，以增加砂土的连结力。将这些掺台掷与最优土相互配合，效果更好。,1 土体人工改良的基本原理,14,(3)吸湿盐法：要使土路面保持良好的状况，应保持一定的水量。掺入少量吸湿盐类(CaCl2，NaCl)可使土保持一定水分，使土粒有较好的连结，干燥时无尘，潮湿时稳定。此法主要适用于粉质细粒土路面。用
12、食盐1一3%的氯针渍土，掺入土中，也能达到一定的效果。在海滨，常用海水或卤水洒路面，也能起到很好的作用。也有用食盐撤于水渠边坡，使Na4代替黄土中的Ca2，Na在土粒表面形成很厚的扩散水膜，因此土膨胀而减低透水性。,1 土体人工改良的基本原理,15,2换(填)垫层法 此法实质是设置垫层方法，有两种情况：一种是在天然地层上铺设垫层，作为人工填筑的待力层；一种是将表层一定深度的软弱层挖除，然后置换回填较好的垫层。按填的材料命名垫层，如砂垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、二灰垫层等。垫层可提高持力层的承载力，减少地基沉降量，部分消除土的湿陷性和胀缩性，防止土的冻胀，改善土的动力特性。此法适用于各类
13、软弱十(如淤泥类土、饱和软弱粘性土、松砂、京填土、杂填上)和持殊性土(如湿陷性土、胀缩性土、季节冻土等)。处理深度控制在3m以内，一般为l一2m，常用于轻型建筑和表层工程(堆料场、地坪、道路)。,1 土体人工改良的基本原理,16,3化学加固法 此法通过压力、高压喷射或深层搅拌等措施，将水泥、石灰或化学浆液注入土体中，使浆液与土粒胶结起来，形成坚硬的桩体，以改善十体的工程性质，提高承载力，增加稳定件减少沉降，防止渗漏加固深度一般可达20m左右。施工方法可有下列三种。(1)灌浆法：通过钻孔或打入花管(端部带有孔眼的注浆管)，用压力把胶结材料浆液压进土中在土个凝固，填充孔隙、裂隙，把土粒胶结起来，从
14、而增强土体强度或降低透水性。此法最常用于各类建筑韧的地基、边坡或地下开挖工程。灌浆材料包括较粗的悬浊液，如各种水泥、粘土浆、沥青，以及各种化学溶液，如水玻璃、纸浆废液(络木素、木铵等)、丙稀酞胺、尿醛树脂等。根据浆液的不同，灌浆法可分为水泥理浆法、粘土灌浆法、沥青灌浆法和化学灌浆法等。,1 土体人工改良的基本原理,17,水泥灌浆法是将水泥灌入土的孔隙中，水泥中的成分发生水化作用，形成新的化合韧，演塞孔隙，胶结土粒，以减低土的透水性，提高强度。最常用于渗透系数为10一80md的粗砂、砾石层，以防止地下水的大量渗漏。一般用硅酸盐水泥或矿碴水泥；为加速水泥凝结，使浆液较稀，可掺少量速凝剂，如氯化钙、
15、水玻璃等，这样对1：个砂也可以加固。在吸浆量特大地区，为节约水泥，有时可加适量细砂、石粉、粉煤灰、细矿碴或粘土。粘土灌浆法是惜压力将粘土浆灌入土的孔隙中，使土粒留在扎隙中，充填孔隙，大大降低透水性，但强度增加很小。故只用于临时性或次要防渗工程，降低渗透系数小于80md砂砾石层的透水性。粘土料易找，较便宜，臣能抵抗水的侵蚀性，但效果较差，有时需反复处理。为提高处理效果，增加土的强度，可以加一些水泥、石灰或水玻璃。,1 土体人工改良的基本原理,18,沥青灌浆法是通过钻孔把沥青溶液压入土中，使它填塞7L隙，大大降低土的透水性，提高抗水性，但强度增加不大。沥青浆有热、冷两种。热沥青法将熔化(200一2
16、20)的沥青灌入孔隙中沥青冷却硬化后将孔隙堵塞。但热沥青稠度浓，需用较大的压力，只适用孔隙较大的砾石层(渗透系数为80一100md)，地下水流速很大也能处理，同时，沥青能抵抗水的侵蚀。但要保持沥青要有高温度，设备复杂，成本较高，孔隙较小的砂土不适用。冷沥青法是用专门的沥青乳浊液压进孔隙中。沥青乳浊液是由水t40一50)、沥青(45一60)和少量乳化剂(1一5)组成。乳化剂是极化性较强的物质，如肥皂、松香、胶、淀粉等。沥青颗粒在乳化剂包围下与水形成分散系压入孔隙后，沥青粒为土所吸附而沉淀凝结。冷沥青法适用于孔隙较小的砂砾(渗透系数为10一100md)，不用加热，但对孔隙大、地下水流速快的砂砾石不
17、适用。,1 土体人工改良的基本原理,19,化学灌浆法是将某些溶液压入士的孔隙中，这些溶液发生化学反应，迅速分泌出凝胶或结晶，使土胶结成整块，具有较高的强度和抗水性，透水性大大降低。目前，最常用的材料为水玻璃，此法称为硅化法。硅化法多用于孔隙较小的土，如砂土、一般纫粒土、黄上类土等，可用于施1：前加固处理，也可用于已有建筑物的加固，处理效果快，只用很短时间溶液就凝固起作用且强度随时间而增高。加固后的土强度很大，透水性大大降低，在水中很稳定，但费用较高，技术复杂。除用水玻璃加固土的硅化法外可采用很多其他化学溶液加固土，统称化学灌浆法。例如，可用亚硫酸盐纸浆废液(络木素，木铵等)、尿醛树脂、环氧树脂
18、、丙稀酰胺等溶液加固各种砂土和砂性较大的粘性土、黄土类土(环氧树脂对粘性土和黄土不适用)。由于溶液渗透能力强，凝固迅速，效果良好，但成本较高。,1 土体人工改良的基本原理,20,3化学加固法(2)高压喷射注浆法：将带有特殊喷嘴的注浆管，以高压喷射流直接冲击破坏土体，使射入的浆液(一般是水泥浆)和土拌和，经过凝结硬化，形成圆柱状高强度校体群、复合地基或挡土和挡水的结构物，可提高地基承载力，改变水流方向。增强边坡稳定性。此法适用于较松软的各类一般土和人工垣土、淤泥类土。(3)深层搅拌法：利用水泥或石灰作为固化剂的主剂，通过持制的深层搅拌机械，在土体深处就地将软弱土和浆状或粉状的固化剂进行强制搅拌，
19、经拌和后的混合物发生一系列物理化学反应，使软弱土体硬结成具有整体性、水稳定和一定强度的加固柱体，其加固效果与高压喷射注浆法类似。此法适用于强度较低、含水较多的粉砂细土和纫粒土，以及淤泥类土、冲填土等。,1 土体人工改良的基本原理,21,4表层压实法 利用机械力量来压实表层疏松多孔的土体，使其透水性和压缩性减弱，强度提高。由于其冲击力量不够，一般只能加固压实I53om厚的土层。由于压实方法不同，一般有下列三种方法：(1)机械辗压法：利用压路机、羊足辗等压实机械来压实松散的土，常用于处理含水较少的各种土，适用于基础密集、开挖土方绝大的地基。用压路机辗压几遍后，表层土密实，从而减少了地基的沉降，提高
20、了填土的承载力。(2)振动压实法：适用于处理含粘粒较少的建筑垃圾、工业废料及炉灰等杂填土、松散砂土。通过大能量的振动压密机械，改变土自然组合结构，形成较密实的土体。,1 土体人工改良的基本原理,22,4表层压实法 利用机械力量来压实表层疏松多孔的土体，使其透水性和压缩性减弱，强度提高。由于其冲击力量不够，一般只能加固压实I53om厚的土层。由于压实方法不同，一般有下列三种方法：(3)重锤夯实法：用起重机械将重锤提高到一定高度后，自由落下冲击土层，使表层土受到压密，以降低土的压缩性和透水性，提高地基承载力。此法最适用于稍湿的各种土类，亦可以消除黄土的部分湿陷性，但不适用于饱水土。,1 土体人工改
21、良的基本原理,23,5深层挤密法 通过某些措施，如冲击、振动、夯填等方法，使深部土体挤密，提高强度；若再回填某些强度较好的填料，则其效果更佳，一般加固深度达20m。(1)强夯法：采用80一400kN的重锤，从很高处(820m)自由落下，对土体进行强力夯实的方法。这是在重锤夯实法的基础上发展起来的一项技术。强夯法是用很大的冲击能，使土体中出现冲击波和很大的应力，致使孔隙被压缩，土体局部液化，夯实点周围产生裂隙，形成良好排水通道，土体迅速固结。最大加固深度可达1112m或更大。此法不仅能加固陆上土层，也能加固水中土层；适用于多种土类：粗粒土、低饱和度的细粒土、杂填土、素填土、湿陷性黄土；不仅能提高
22、地基承载力，也可防止地基液化。对于饱和细粒土，要慎用。,1 土体人工改良的基本原理,24,5深层挤密法 通过某些措施，如冲击、振动、夯填等方法，使深部土体挤密，提高强度；若再回填某些强度较好的填料，则其效果更佳，一般加固深度达20m。(2)爆炸振密法：钻孔，埋置多个小炸药包，利用爆炸使松土或饱水松砂结构破坏，土重新沉积而获得较密实的结构。对于处理易液化的饱水松砂或湿陷黄土地基这是有效和经济的方法。(3)振冲法：振冲法是将类似于混凝土振捣棒的“振冲器”插入上午，一方面利用振冲器内旋转的偏心块对周围土体施加水平振动力；一方面利用振冲器的上下喷口喷水(或喷气)协助成孔并护壁，孔内填以碎石。在砂土中产
23、生振动液化，振密砂土，称振冲挤密法。在饱水软土中，振动力不能使软土内的孔隙水排出挤密，面是将填料碎石振密，且挤入周围的软土中，形成粗大密实的桩体，称碎石校，此法又称振冲置换法。,1 土体人工改良的基本原理,25,5深层挤密法 通过某些措施，如冲击、振动、夯填等方法，使深部土体挤密，提高强度；若再回填某些强度较好的填料，则其效果更佳，一般加固深度达20m。(4)挤密桩法：是在土中打入沉管以挤密土体，通过振动或锤夯回填某些材料。此法主要适用于挤密砂性较大的软土、杂填土和松散的砂土，以防止振动液化，提高强度，减少地基沉降量。施工所用的主要工具是一般的打桩设备和空心钢管(直径一般为30一40cm)，用
24、振动法或锤击法沉入土中，使管周围的土受到挤密。达到设计标高后，在钢管内淄入填料，将钢管向上拔起，并用振动器将其振密。这样，在土体中埋设下由某些材料回填的校。一般填入砂石料者，称砂桩。若为加固地下水位以上的湿陷性黄土和人工填土，则可回填素土、灰土、二灰等，分别称土桩、灰土桩或二灰桩。,1 土体人工改良的基本原理,26,1 土体人工改良的基本原理,6排水固结法 通过布置垂直排水井，改善土体的排水条件，并采用加压、抽气、抽水或电渗等措施，以加速土体的固结和强度增长，提高土体的稳定性。此法适用于处理厚度较大的淤泥类土、冲填土、饱和软粘性上等。实际上，排水固结法是由排水系统和加压系统两部分共同完成的。徘
25、水系统包括水平诽水砂垫和竖向诽水砂并(或砂袋、塑料排水带)，主要在于改变土体排水边界条件，增加孔隙水排出的途径，缩短排水距离。加压系统是起固结作用的荷载，使土中压力增大而产生因结。可用多种方法加荷载，如堆放砂石等重物的堆载，用真空泵抽气造成的压力，抽水降低地下水位以增加土中的有效应力，以及借助电渗作用排除土中水的办法等。这些都起到预先加压的作用，故又称之为预压法。由于排水和加压系统的不同组合，可形成多种诽水固结方法，此法有效处理深度一般为10一20m。,27,1 土体人工改良的基本原理,7冷热处理法 利用加热方法使土中水分消失，部分矿物熔融重新粘结，冻结方法，使饱水土体中水冻结成冰，形成暂时注
26、结的冻土：状态改良土质的方法。但其技术复杂，成本较高，一般少用使土体强度大大增强。利用这些都是改变土中地下水的(1)热处理法：将亲水的粘性土、黄土、盐渍土、含有机物较多的土用高温处理，使其结合水消失，有机物烧尽，碳酸盐分离，部分矿物可能熔融重新粘结。这种变化是不可逆的，它可使土的连结增强，亲水性大大降低，土体强度和抗水性也就大大提高；但使孔隙增多，透水性增强。(2)冻结法：通过钻孔向饱水土中压入循环的冷却溶液(通常用氯化钙溶液，温度为一20至一40)使钻孔附近的饱水土逐渐冻结变成冻土柱；冻土柱相连成墙，就能阻止水流涌入基坑或坑道、隧洞。所有饱水上都能用冻结法，但用以加固流砂效果最好，冻结结果使
27、土体具有暂时的较高强度和不透水性。但其设备复杂，耗时较多，冷却液停止循环后冻土融化，故只用于临时工程。,28,1 土体人工改良的基本原理,8加筋法 在软弱土体或结构面较发育的土体中建造各种桩体(粗细不同，材料各异)，或在土体中埋设土工聚合物(钢带、钢条、尼龙绳等)，或者利用锚因技术或土钉、树根桩作为加筋，使这种人工复合的土体可以承受抗拉、抗压、抗剪或抗弯作用，以提高土体承载力，增加上体的稳定性。这种加筋作用的入工材料称筋体，由土和筋体所组成的复合土体称加筋土体，在工程实践中广泛用于地基、边坡和地下工程，种类繁多，可参阅有关文献。以卜简述了主要的土体人工改良方法的基本情况。随着科学技术的发展，改
28、良方法也会愈多而更加完善。主要土体人工改良方法的应用范围，如表7l所示。,29,30,31,不同建筑物对土质改良的要求不一样，土体种类繁多，性质各异，地质条件不同，选择土质改良方法时，必须考虑下列三个因素：(1)工程建筑的要求；(2)技术可能性相经济的合理性；(3)土体类型和水文地质条件。各类建筑物对土体有不同的要求：道路、机场、运动场等表层建筑，一般将土作为建筑材料，主要是提高土的强度，增强其抗水稳定性，常采用各种拌和法、表层压实法；水工或工业与民用建筑将土体作为地基或开挖工程，主要是加固和防渗，常采用各种化学加固法、排水因结法和各种探层挤密法。其中，水泥灌浆法、化学灌浆法既能提高土的强度，
29、父能降低远水性，而粘土灌浆法和沥青灌浆法主要用于降低透水性；临时性的加固和防渗可用冻结法；电化学法相热处理法能提高粘性土和某些特殊土的抗水稳定性和强度；而深层挤密法主要是增加土体密实度，提高强度，减少压缩量。有些土质改良方法的效果很好，但要求较高技术、复杂的设备和较多的费用，如化学灌浆法、沥青灌浆法、热处理法、冻结法。有些方法效果可能要差些，但操作容易，设备简单，费用低廉，如最优土法、吸湿盐法、夯实法、换(填)垫层法。,32,不同土的特点各异，要求不同的土质改良方法：粗粒土没有连结，孔隙很大，透水强，故当作为表层建筑的建筑材料时，要求胶结，可掺细颗粒土、沥青、水泥等以增强连结。当作为水工建筑地
30、基时，因透水强烈而需防止渗漏，可用各种灌浆法填充孔隙，胶结土粒，降低土体透水性，有时亦能提高强度。疏松砂土，可用振动法振密。此外，流砂可用硅化法加固，用冻结法暂时固定。细粒上的性质与结合水膜有关，当作为建筑地基或建筑环境时，可用电渗法和热处理法提高抗水稳定性；用表层夯实法、砂桩法、据冲法或预压加固法减少压缩变形量。当作为表层建筑的建筑材料时，可用各种拌和法增强土的连结。淤泥类土的稠度很大可用电渗法提高抗水性，用砂桩或石灰桩加速排水，用排水加固法压实。黄土类土改良的目的是防止湿陷减少孔隙，可用硅化法等化学灌浆法，或热处理法提高抗水性，用灰土校法和强夯法挤密和夯实，用拌和法改善土料的性质。杂填土一
31、般较疏松，可用压实法压实，用强夯法夯实。,33,2 岩体性质人工改良的基本原理,岩体性质的人工改良是指当工程岩体的性质，包括变形和强度不能满足工程的需要时，必须用人工方法加以处理，以增强其强度与变形性能，保证工程岩体和建筑物安全稳定而采用的人工处理措施。由于岩体中有各种成因的结构面切割，破坏了它的完整性，造成岩体件质的非均一性和非连续性，给工程建筑带来不良影响，甚至造成建筑物破坏。对此，方面通过改变建筑物结构加以改善和解决，另一方面用人工方法改善岩体性质，增强岩体强度。岩体性质的人工改良是岩土工程的一个重要内容，它以工程地质和岩体力学为基础。岩体作为建筑工程的一部分(即以岩体作为建筑材料和工程
32、结构，以地质外境为建筑环境)，只有一定的自稳能力。这类工程产生破坏和失稳的主要原因是岩体材料、岩体结构或岩体地质环境条件不足以维持工程稳定性的需要而造成的。因此，为了防止防治工程破坏只需要对岩体性质进行适当的改良，即可满足要求。在这一基本观点的指导下，岩体性质的人工改良必须根据岩体本身的性质，即针对岩体材料、结构或其赋存的环境条件的不足有目的地进行。因此，在进行岩体性质人工改良前，必须充分认识和掌握岩体的工程地质特征。,34,岩体是由岩块和结构面组成的，具有一定的岩石成分和结构，并赋存于一定的天然应力和地下水等地质环境中的地质体。物质组成、结构和环境因素是组成岩体的三个不可缺少的要素。因此，岩
33、体性质的人工改良，必须针对这三个要素进行，主要内容包括：岩休材料改良；岩体结构改良；环境条件改良三方面。表1215结出了岩体改良的原理和技术方法，供实践工作中参考。一、岩体材料改良 岩体材料是由岩石和裂隙、孔隙组成的。岩石组成成分又分为矿物颗粒和胶结物两部分。一般来说，岩石矿物是很难被改造的。因此，岩体材料改良主要是改变岩石的胶结物和岩体内裂隙、孔隙的充填物成分或胶结特征，以提高岩体强度和变形性能。改良的主要手段是灌浆。,2 岩体性质人工改良的基本原理,35,岩体灌浆是将具有流动性和胶凝性的浆液或化学溶液，按一定的浓度，通过专门钻孔及空压系统灌入到岩体的裂隙、孔隙中；待浆液凝固硬化后，起到固结
34、岩体或防渗的作用。岩体灌浆，按其作用分为固结灌浆和防渗灌浆。固结灌浆的主要目的是改善岩体的力学性能，如通过提高岩体的完整性或强化软弱带，以增强岩体的均匀程度，减少岩体差异性位移；放过提高岩体的变形模员相强度，以增强片体的抗变形能力初承载能力等 防渗灌浆是将浆液灌入岩体裂隙中，形成道防海带，褐；为防渗帐幕；其它要作用是防止水渗漏，进免发生冲剧相管涌，确保建筑物的渗透稳定性，用于灌浆的材料很多，通常有水泥、水玻璃、环氧树脂及枯土等。具体浆液的配比及其灌浆工艺可参考有关规程相专著。,2 岩体性质人工改良的基本原理,36,2 岩体性质人工改良的基本原理,37,二、岩体结构改良 岩体中，由于种钟结构面的
35、切割破坏它的完整性。因此，岩体结构改良的主要目的是增强岩体的完整性。岩体结构改良可分为表面结构改良和岩体内部结构改良两种。岩体表面结构改良主要是通过喷射以凝上的办法来实现。喷射混凝上处理岩体表层增加工程岩体的稳定性是一种户分有效的力法，有时为了增强喷目的强度，在喷层内部还加扶钢筋网，即所谓挂闷喷射混凝土的办法。借此来提高表层岩体结构的完整性和强度，维护工程岩体的稳定性。喷射混凝土加固岩体的机理可用下式说明：式中，R1 硐室松动圈半径，R0坝室半径；0岩体中的天然应力；Cm、m 分别为岩体的内聚力和内摩擦角。从上式可以看出，硐室的松动圈半径R1 随岩体内聚力Cm降低而增大、一旦Cm值接近于0，则
36、硐室岩体将无休止地破坏。,2 岩体性质人工改良的基本原理,38,一般来说，只要垌壁岩体表层有足够的强度，其内部是不会产生破坏的。研究还表明，喷层还必须有一定的厚度因为环向应力的衰减还是有一定的区间的，一般喷层厚度不宜于小于20一30cm。岩体内部结构改良，常采用灌浆和锚固的方法，以增强岩体的整体性和强度。灌浆主要是起胶结结沟面，以增强其粘聚力的作用。锚固则是通过锚杆或锚索将不同岩层组合起来形成整体，以增强其结构完整性，进而提高岩体的强度和稳定件。锚固方法对层状结构、碎裂结构和炔状结构岩休及局部楔形体破坏失稳的加固十分有效。锚杆的种类很多，分类方法也不尽致。按锚固作用机理划分：有粘结式锚杆、磨擦
37、式锚杆、端头固式锚杆和混合式锚杆。按材料划分，有螺纹钢筋锚杆、楔缝式砂浆锚杆、树脂锚杆及预应力锚索 有时为了提高作用于结构面上的法向应力，增加其摩擦阻力阻止岩块间的相对滑动，还采用预应力锚固等方法。在工程实践中，应针对岩体的结构特征和地质特征进行设计。具体锚固技术及其施工工艺可参考有关规程和文献。,39,三、地质环境条件改良 一般来说，岩体的地质环境条件主要是指天然应力和地下水条件。其中，地下水是多方面影响工积岩体稳定性的重要因素。地下水条件改良的目的是降低岩体中的含水量和水压力，提高岩体强度和稳定性。其改良方法主要有地表水防渗和地下水疏干等方法。这方曲的技术比较成熟，经验也比较多，故不样述，
38、这里仅就天然应力改良进行简要讨论。天然应力改良的基本原理，可用图121所尔的莫尔应力圆理论加以解释。从图可知，当应力圆(园3)超出岩体强度曲线时岩休就处于不稳定状态；当增加3 或减小1。使应力例缩小(园1和圆2)，并位于岩体强度曲线下方时，岩体就处于稳定状态。,2 岩体性质人工改良的基本原理,40,三、地质环境条件改良 为了保持工程岩体的稳定性只要减小岩体中的主应力差(即应力园直径)、使应力圆位于岩体强度曲线下方即可。为广改善岩体中的应力状态，通常可通过提高侧压3 和应力转移等途径实现。提高侧压3 常用的方法有支护和锚固。支护是增加岩体侧压力的常规方法，但是，由于施工工艺等方面的原因、支护结构
39、一般很难做到与岩体紧密接触，因而往往难以充分发挥其提高3 的作用。为了克服这一缺陷，常在岩体与支护结构间进行灌浆处理。锚固方法是提高岩体侧压3 最有效的方法。常采用单纯锚杆、喷锚支护或锚杆结合使用其它支挡的方法等。,2 岩体性质人工改良的基本原理,41,应力转移是采用人为方法将岩体临空面过高的应力向岩体内转移，以改善其应力状态的方法。这一方法定地下硐室中可以发挥很大的作用。在高天然应力地区，地下硐室围岩的破坏主要是硐壁围岩内环向应力过高引起的硐壁破坏。这时，可以来用减弱铜壁围岩刚度的办法使硐壁处环向应力向围岩内部转移以减小硐壁上的环向应力，也就是减小硐壁处的应力差，提高硐壁围岩的稳定性。应力转
40、移常采用的方法有切缝和钻孔。通过切缝或钻孔，可以便领壁处的环向应力大大降低，并使其应力向围岩内部转移，大大提高了围岩内部的应力。研究表明，如硐室原型硐壁环向应力集个系数为2.362.5，则切缝后应力集中系数可降低为0.25一0.35，效果十分明显。另外，切缝技术仅适应用于整体状结构岩体，对碎裂纳沟岩体来说，可能会引起硐壁岩体连锁破坏，而钻孔技术则对整体状结构和碎裂结构岩体都适用。以上简要介绍了岩体性质人工改良的基本原理与技术方法。在具体工程实践中，采用何种技术与方法应根据岩体的具体条件而定。有时采用岩体材料、岩体结构改良为宜有时采用环境应力条件改良为宜。究竟采用哪一种方法，还将取决于其技术可能性和经济合理性。,
