注漿加固邊坡的設計與施工課件.ppt

邊坡技術加固 注漿加固邊坡的設計與施工 1 1概述 1 1 1注漿加固技術的概念注漿加固技術 用液壓或者氣壓將能凝固的液漿注入物體的裂縫或孔隙 以改變注漿對象的物理力學性質 以滿足各類土木建筑工程的需要 1 1 2注漿技術的優(yōu)點 1 施工設備簡單注漿工程施工設備主要由鉆孔機械 注漿泵 攪拌裝置 噴槍 流量計 止?jié){塞等 這些設備除鉆孔機械稍復雜外 其他都比較簡單 2 規(guī)模小 耗資少這種加固方法相對其他方法而言 工程實施規(guī)模小 人工 材料 機械消耗小 相應減少加固施工耗資 3 占地面積小 施工靈活方便 由于施工設備簡單 施工場地小 在狹小的場地 矮小的空間均可施工 對施工周圍交通影響小 在城市高層建筑 市政工程深基礎施工中顯示出得天獨厚的優(yōu)勢 4 工期短 見效快注漿工程施工必須連續(xù)進行 可以小時進行 施工效率高 由于通常屬化學注漿 膠凝時間短 工程實施見效快 5 施工噪聲和震動小施工機械簡單 且大部分時間都是靠注漿泵工作由液體壓力完成 施工中產生的噪聲和震動很小對施工周圍環(huán)境影響小 在居民區(qū)施工其優(yōu)點更顯突出 6 加固深度可深可淺 易于控制由于該工法是采用成孔壓力把漿液注入地層達到加固的目的 其加固深度就好控制 只要地層允許可在成孔范圍內任意實施 7 應用領域廣泛注漿的應用極廣 而切其應用范圍還在不斷擴大 目前的主要應用領域有土建 市政工程 水利電力 交通能源 隧道 地下鐵路 礦井 地下建筑等 1 1 3注漿技術的歷史 注漿技術的發(fā)展已有百年歷史 法國人開辟了注漿施工的先河英國于1860年在阿里因普瑞貝礦首次用水泥注漿對井筒進行注漿堵水 成功地解決了井筒漏水問題 發(fā)明了硅酸鹽水泥 從此水泥開始成為注漿的主要材料 此后又有化學注漿 水玻璃注漿材料和雙液單系統(tǒng)注漿法和水玻璃氯化鈣注漿法的出現 特別是到了20世紀40年代 注漿技術的研究和應用進入了一個鼎盛時期 各種水泥漿材 化學漿材相繼問世 注漿技術的應用范圍及規(guī)模也越來越大 1 1 4注漿法的分類 按工程問題分為 1 壩基注漿2 隧道注漿3 基坑注漿4 邊坡加固注漿5 混凝土結構補強注漿 按材料分為 1 水泥注漿2 化學注漿 主要使用于微裂縫的注漿 3 混合注漿 注漿法的分類 按注漿對象分為 1 巖石注漿2 砂礫注漿3 粘土注漿按功能分為 1 防滲注漿2 加固注漿3 基礎托換注漿 注漿法的分類 按漿液的分布狀態(tài)分1 滲透注漿 指漿液以滲透滲入方式 滲入土體孔隙的注漿方式 2 擠密注漿 指用很稠的漿液灌入事先在地基土內鉆進的孔中并擠向土體 在注漿處形成漿泡 漿液的擴散靠對周圍土體的壓縮 3 劈裂注漿 劈裂注漿是目前應用最廣泛的一種注漿方法 是在鉆孔內施加液體壓力于土體 當液體壓力超過劈裂壓力時土體產生水力劈裂 也就是土體突然出現裂縫 吃漿量突然增加 劈裂注漿在注漿孔附近形成網狀漿脈 通過漿脈擠壓土體和漿脈的骨架作用加固土體 1 1 5注漿加固在邊坡中的應用 注漿在邊坡中有兩方面的應用 一方面是對于由崩滑堆積體 巖溶角礫巖堆積體 以及松動巖體構成的極易滑動的邊坡或由于開挖形成的多卸荷載裂隙邊坡 對坡體注入水泥砂漿 以固結坡體并提高坡體強度 避免不均勻沉降 防止出現滑裂面 另一方面對于正處于滑動的邊坡 存在潛在滑面的邊坡 或者處于不穩(wěn)定的滑坡運用注漿技術對滑帶壓力注漿 從而提高滑面的抗剪強度 提高坡體穩(wěn)定性 影響注漿效果技術的因素 工程問題 地質特征 注漿材料 壓漿技術顏峰姜福興 裂隙巖體注漿加固效果的影響因素分析 1 2注漿材料1 2 1注漿材料的分類 1 2 2注漿漿液的性質 1 漿液的滲入性漿液的滲入性是指漿液滲入巖土的能力 漿液的滲透性直接影響漿液的擴散距離 滲入性好 漿液的擴散距離大 漿液的滲透性與所用的灌漿原理和漿液的種類有關 不同的灌漿原理和不同的漿液品種 其控制因素是不同的 滲透灌漿在采用粒狀漿液材料時 漿液的滲透能力與顆粒的大小有關 化學灌漿 漿液的滲透能力將受到流動性的影響 劈裂灌漿 尺寸效應和流變效應將產生較復雜的影響 顆粒細度和漿液濃度對漿液黏度的影響 從尺寸效應出發(fā) 漿液的顆粒的細度越高 滲入能力越強 但同時導致漿液的黏度增加 漿液變稠 影響滲入能力 因此在實際的漿液配制時硬正確處理漿液的細度 2 漿液的穩(wěn)定性漿液的穩(wěn)定性主要是指漿液的化學穩(wěn)定性 即漿液是否會發(fā)生強烈的化學反應 以致影響漿液的基本力學性質 在邊坡注漿加固中采用的粒狀漿材的穩(wěn)定性主要指水泥漿和水泥砂漿的分層性和析水性 3 漿液的結石率結石率是指漿液的最初體積與凝結后的結石體積比 一般用百分數表示 結石率越高加固效果越好 影響結石率降低的因素主要由析水沉淀和漿液的自身收縮 改良方法 在漿液中摻入高塑性粘土和降低漿液的含水量 4 漿液的強度特性漿材的強度越高加固效果越好 5 漿液的耐久性加固巖體處于的特殊環(huán)境下 如養(yǎng)護條件差 水壓力長期作用 化學侵蝕等 可能使?jié){液灌注后強度降低 灌注效果降低甚至無效 因此漿液的耐久性是注漿工程的一個重要課題 1 3注漿理論 注漿理論研究漿液在巖土裂隙中的流動規(guī)律 揭示地質條件 漿液的性質和注漿工藝之間的相互關系 為注漿設計和現場施工提供科學依據 滲透注漿理論注漿理論水力劈裂注漿理論 1 3 1滲入注漿理論 1 砂土注漿體球形擴散公式假定砂土各向同性 漿液為牛頓流體 漿液從灌漿管底部進入地層后呈球形擴散 式中 k 砂土的滲透系數 cm s 漿液的黏度對水的粘度比 漿液的擴散半徑 cm 漿液的壓力水頭高度 cm 灌漿管的半徑 cm t 灌漿時間 s n 砂土的孔隙率 2020 1 29 21 可編輯 2 砂土注漿的柱形擴散公式 3 砂礫石層的注漿擴散公式 4 裂隙巖石的注漿擴散公式pc 注漿壓力 p0 裂隙內水壓力 b 裂隙寬度 cm 漿液的粘度 2 滲入性注漿的尺寸效應滲入性注漿的尺寸效應是指由于滲入性注漿是在壓力較小 地層結構不受破壞的條件下使?jié){液滲入裂縫 因而要完全實現滲入性注漿 就必須使?jié){材的顆粒尺寸小于裂縫尺寸 假設漿液的顆粒尺寸為d 地層裂縫的尺寸為尺寸效應可以表示為R d 1 R通常稱為凈空比 理論上只要R 1即可實現滲入性注漿 但在實際過程中 當漿液濃度較大時 漿粒會群集進入裂縫 從而使裂縫堵塞 為了避免這種現象 一般使R 3 這時漿材顆粒的群集容易被注漿壓力沖散 地層裂縫的尺寸的確定1 砂礫石的空隙尺寸一般采用數學方法估算 設D為砂礫石的顆粒直徑 可定義有效空隙比有效空隙比一般在0 195 0 215之間變化 如果取平均值0 2 則砂礫石的空隙尺寸可近似表示為 0 2D2 巖石裂隙的尺寸由一種運用鉆孔壓水實驗的方法確定式中 水的粘度 R 水的擴散距離 3 滲入性灌漿的流變效應流變效應指漿液在裂縫中流動時 漿液內部 漿液與孔壁之間將產生摩擦阻力 從而影響滲入性灌漿的可灌性 這種影響可以從漿液在空隙中流動時單位時間的流量計算公式中看出來 對于牛頓流型體 在圓管中流動時剪切率與剪應力成正比式中 r 毛細管的半徑 有效灌漿壓力 牛頓型流體的粘度 L 漿液在管中流動的距離 對于非牛頓流型體 當剪應力超過屈服應力的時候 流體才能流動 式中 漿液的塑性粘度 屈服應力 4 滲入性灌漿的局限性由前述可知 滲透性灌漿由于存在尺寸效應和流變效應的制約 一般在大空隙介質中容易實施 而在實際地層中的裂隙有大有小 要在小裂隙中提高漿液的注滿度 一方面縮小漿材的顆粒尺寸 另一方面要準確確定裂縫尺寸 1 3 2劈裂注漿理論 鑒于滲入性注漿的局限性 后來提出了劈裂注漿理論 該理論是通過增大注漿壓力 使細小裂縫產生水力劈裂 以提高漿液的可注性 1 巖層的劈裂公式假定地層為各向同性 均勻的線彈性體 鉆孔壁開始發(fā)生水力劈裂的條件是垂直劈裂 水平劈裂式中 注漿壓力 h 巖石的豎向自重應力 巖石的泊松比 巖石的側壓力系數 巖石的抗拉強度 N 比例系數 與地層的滲透系數有關和漿液的粘度有關 在0 1之間變化 對于不透水巖石取1 透水性較大的巖石接近0 2 砂和砂礫石的劈裂公式在砂和砂礫石地層中注漿 當注漿壓力達到下述公式的標準時就會導致地層破壞 式中 注漿壓力 砂礫石的容重 水的容重 h 注漿段的深度 地下水位高度 K 主應力比 3 粘性土劈裂公式在粘性土中 水力劈裂將引起土體固結和擠出等現象 當僅有固結時 注漿量體積V及單位體積所需的漿量Q可由以下公式計算 式中 注漿壓力 p 有效注漿壓力 a 漿液擴散半徑 u 注漿壓力 土的壓縮系數 1 4 1設計內容與設計程序邊坡工程地質的調查工程調查的內容有 地質構造和地層分布情況 土的顆粒級配 含水量 孔隙率 滲透系數 土體強度 有機質含量等物理力學指標 地下水分布和特性 注漿處理范圍及其周邊區(qū)域的構筑物情況 注漿方案的選擇注漿標準的確定邊坡注漿位置的確定漿液的配方設計鉆孔的布置與注漿壓力的確定注漿后的邊坡的穩(wěn)定性驗算 1 4注漿加固設計 注漿加固設計前而言 注漿法的設計和施工還存在很強的經驗性 邊坡注漿加固可按下方案選擇 注漿標準注漿標準是指注漿后應達到的質量標準 在邊坡工程中 由于邊坡的地質條件千差萬別 穩(wěn)定性差異較大 因而很難規(guī)定一個統(tǒng)一的標準 基本原則是要求邊坡穩(wěn)定安全系數達到公路規(guī)范的規(guī)定 一般而言 可以根據邊坡的地質情況和要求的穩(wěn)定性反求邊坡巖土體的強度參數 c 值 以該強度參數作為對邊坡注漿加固設計的標準 注漿材料及配方設計原則1 劈裂注漿法的漿液材料可選用以水泥為主劑的懸濁液 也可選用水泥和水玻璃的雙液型混合液 2 用作防滲堵漏的漿液可選用水玻璃 水玻璃與水泥的混合液或化學漿液 3 壓密注漿可選用低坍落度的水泥砂漿 4 動水情況下的堵漏注漿宜采用雙液注漿或其它初凝時間短的速凝配方 5 在有地下動水流的情況下 不宜采用單液水泥漿等初凝時間長的漿液 漿液使用的原材料及制成的漿體應符合下列要求 1 制成的漿體應能在設計要求的時間內凝固 其本身的強度 防滲性和耐久性應能滿足設計要求 2 漿體在凝固后其體積不應有較大的收縮率 一般應小于3 體積量 3 所制成的漿體在1小時內不應發(fā)生析水現象 為了改善漿液性能 根據工程需要可在漿液拌制時加入早強劑 減水劑 微膨脹劑 抗凍劑 緩凝劑等外加劑 摻加量可參考產品說明并應作相關試驗確定 漿液的擴散半徑的確定及注漿孔平面布置漿液擴散半徑與漿液的流動性和膠凝時間 注漿壓力 注漿量 注漿時間等因素有關 其確定方法包括理論公式計算 經驗判斷和現場注漿試驗 由于地層條件的復雜性 理論公式計算時采用的參數很難符合實際情況 所以在沒有足夠施工經驗的條件下 推薦采用現場注漿試驗方法確定漿液擴散半徑 在進行現場注漿試驗時要選擇不同特點的地基 最好采用多種注漿方法 以求得不同條件下的漿液擴散半徑 現場注漿試驗常采用三角形布孔或矩形布孔的方式 如圖所示 注漿試驗結束后可通過以下方法評價漿液擴散半徑 1 鉆孔壓水或注水 求出注漿體的滲透性 2 鉆孔取樣 檢查空隙充漿情況 3 用大口徑鉆井或人工開挖豎井 肉眼觀察地層充漿情況 并取樣進行室內試驗研究 考慮到地基土的不均勻性 在確定設計漿液擴散半徑時要注意選取符合設計要求的 在多數條件下可以達到的擴散距離 確定了漿液擴散半徑后 即可設計注漿孔布置 注漿孔的布置應能使被加固土體在平面和深度范圍內連成一個整體 在一般情況下 用作防滲的注漿應設置不少于3排的注漿孔 多排孔的布置以梅花形布孔為宜 注漿孔間距可按0 8 1 2m范圍設計 用作提高土體強度的劈裂注漿孔間距可按1 0 2 0m范圍設計 壓密注漿在選用落度較小的水泥砂漿時 注漿孔間距可按理論球狀漿體直徑的2 5倍設計 灌漿壓力的確定滲透注漿的最大容許注漿壓力推薦采用注漿試驗曲線確定 即在注漿試驗過程中 逐步提高注漿壓力 求得壓力和流量關系曲線 如右圖所示 當壓力升到某一數值 pf 時 注漿流量突然增大 表明地層已產生劈裂 因而把這一壓力值作為確定最大容許注漿壓力的依據 在缺乏試驗資料或在進行注漿試驗前需預定一個試驗壓力值時 也可根據以下砂礫地基注漿的經驗公式確定 pe c 0 75T K h 或 pe T cK h式中 pe 容許注漿壓力 100kPa c 與注漿期次有關的系數 第一期孔c 1 第二期c 1 25 第三期孔c 1 5 T 地基覆蓋層厚度 m K 與注漿方式有關的系數 自上而下注漿時K 0 8 自下而上時K 0 6 與地層性質有關的系數 可在0 5 1 5之間選擇 結構疏松 滲透性強的地層取低值 結構緊密 滲透性弱的地層取高值 h 注漿段至地面深度 m 系數 在1 3之間選擇 地面以下 注漿段以上土層的重度 2 巖石注漿壓力式中 容許注漿壓力 D 注漿段深度 表面段容許注漿壓力 m 注漿段每加深1m容許增加的應力 可見下表 1 5邊坡注漿加固技術的施工1 5 1注漿施工前期工作 施工前的原位現場調查現場原位注入試驗制定施工計劃1 5 2注漿施工管理在暫行準則中對工法的選擇 設計 施工和水質監(jiān)測等項目做了如下規(guī)定1 注漿法中使用的漿液 目前為水玻璃類漿液 不允許使用有毒或者氟化物 2 關于注漿法的設計和施工 要求注漿地點周圍的地下水和公共水域應維持在一定的水質標準 應切實掌握該地區(qū)地層的性質 地下水位和公共水域等狀況 3 注入機器的清洗水 注漿注入地點的涌水等廢水排向公共水域時 其水質必須達到相應的標準 4 為了防止注漿造成的地下水和公共水域的水質污染 施工單位必須監(jiān)視注漿周圍的地下水位和公共水域的水質污染狀況 在邊坡加固中如采用純水泥漿液 則上述問題就可以避免 1 5 3注漿施工的常