09注浆加固边坡的设计与施工

第9章注浆加固边坡的设计与施工§9.1概述§9．1．1注浆加固技术概念注浆加固技术是用液压或气压把能凝固的浆液注入物体的裂缝或孔隙，以改变注浆对象的物理力学性质，以满足各类土木建筑工程的需要；注浆加固技术的成败与工程问题、地质特征、注浆材料和压浆技术等直接相关，如果忽视其中的任何一个环节，都可能造成注浆工程的失败。工程问题、地质特征是灌浆取得成功的前提，注浆材料和压浆技术是注浆加固技术的关键。随着注浆技术和相关技术的迅速发展，今天灌浆法已成为解决各类工程问题的非常重要的手段，许多不能满足工程要求的物体，几乎都可借助注浆技术解决问题，例如某些化学浆液可以注入0.O1mm的小裂隙，某些浆液的结石强度可高达60MPa。注浆的对象可以是岩石、土体、混凝土等多种材料。在公路边坡注浆加固中，注浆对象主要是岩层和土体。注浆通过把浆液注入岩石的裂隙或土体的孔隙，待浆液凝固后，使岩层和土体的强度大大提高，并改变岩土的力学性状，从而增强岩土的稳定性。§9.1.2注浆法的分类注浆法的分类很多，可以按解决的工程问题、浆液材料的品种、注浆的对象、浆液分布状态和注浆功能等进行分类。按解决的工程问题可分为坝基注浆、隧道注浆、基坑注浆、边坡加固注浆、混凝土结构物补强加固注浆等。坝基注浆主要用于解决坝基的渗漏问题和强度问题，如果坝基是渗透性较大的地层，在建坝之前采用注浆在坝基中形成防渗帷幕，帷幕一般深入基岩中一定深度。隧道注浆主要用以解决在隧道施工过程中的塌方及围岩稳定性问题。基坑注浆主要用以解决城市高层房屋建筑中基坑开挖或基坑壁的稳定问题，通常可采用注浆加锚杆的作法进行加固。按浆液材料的品种可分为水泥注浆、化学注浆、混合注浆。水泥注浆是指注浆采用的浆液为水泥浆，纯水泥浆是由水和水泥按一定比例混合而成，常用的水灰比在0.5：1～5：1之间；水泥浆具有结石强度高、造价低、无毒不污染环境，在岩土加固和防渗中普遍采用；由于普通水泥浆在细小裂隙和微空隙地层中的可灌性较差，一般只能灌注大于0.2～0.3mm的裂隙和空隙，因此研究出了超细水泥浆，超细水泥浆可以灌注更小的裂缝。化学注浆是指注浆采用的浆液为化学浆材制成，化学注浆主要用于微裂缝的注浆，通常所用的化学浆液有硅酸盐浆(含水硅酸钠，又称水玻璃)、酸性水玻璃、丙烯酰胺类浆液、改性环氧树脂浆液以及聚氨酯浆液等。混合注浆是指注浆采用的浆液为混合浆材制成，如在水泥浆中加入粉煤灰形成粉煤灰水泥浆，在水泥浆中加入硅粉形成硅粉水泥浆，而在水泥浆中加入水玻璃形成水泥水玻璃浆，等等。按注浆的对象可分为岩石注浆、砂砾注浆、粘土注浆。岩石注浆是指注浆加固的地层是岩层；砂砾注浆是指注浆加固的地层是砂砾层；粘土注浆是指注浆加固的地层是粘土。按浆液的分布状态可分为充填注浆、渗透注浆、劈裂注浆、劈裂渗透注浆以及挤密注浆等。充填注浆是指注入浆液充填地基土内的大孔隙、大空洞的注浆，如卵石层、碎石层、砂砾层等的注浆；渗透注浆是浆液在压力作用下，渗入土的孔隙和岩石的裂隙中，将孔隙中的自和气体排挤出去，但不改变土体结构的原状和体积，浆液凝固后把土颗粒粘接在一起，土层的抗压强度和抗渗性能得以提高；所谓劈裂注浆，即浆液在较高(相对渗透、充填注浆)压力的作用下，似利斧劈入粘土层，浆液的劈裂路线呈纵横交叉的脉状网络，故此又称脉状注浆，固结形态多呈偏平球体或板状固结；劈裂渗透注浆控制注人压力、速度使其先形成劈裂注入，但形成的劈裂面不大，此后浆液沿劈裂脉作渗透注人，固结形状为扁平球体。挤密注浆是用一定的压力注入粘稠的不易流动的惰性浆液取代并挤压周围土体，凝固形状多为柱体或球体占据一定的空间，同时压密土体。按注浆功能可分为防渗注浆、加固注浆、基础托换注浆。防渗注浆是指主要用于防止渗漏的注浆，一般用于水库坝基；加固注浆是指主要用于增强地层或结构的强度和稳定性的注浆；基础托换注浆是指为了阻止各类建筑物基础因地基原因引起不均匀沉降导致上部结构或基础开裂、避免危及建筑物的安全，在基础下面的空隙或软土地基中进行的加固灌浆；这种灌浆不但可以阻止基础继续下沉，而且能将建筑物回升，使不均匀沉降减小。对上述注浆的分类，不管那一类注浆，其实质都是为了减小物体的渗透性以及提高物体的力学强度和抗变形能力。所以都可归属于防渗注浆和加固注浆的范畴。§9.1.3注浆加固技术在边坡处治中的应用引起边坡失稳的原因主要有两个方面，一是由于外界因数破坏了边坡原有的平衡状态使边坡产生滑动，如边坡上缘加荷、边坡下部开挖等等；另一是由于外界因数影响降低边坡土体或滑面的抗剪强度参数使边坡失稳，如坡体中的地下水作用不但可以产生水压力而且降低边坡的C、φ值。但最终边坡失稳的实质是由于边坡的下滑力超过了边坡抗剪强度所提供的阻滑力，因此注浆加固边坡就是要达到一方面增强边坡坡体的抗剪强度、减小坡体的渗透性，从而提高其地基承载力、减小水压力或动水力，另一方面提高可能的潜在滑面的抗剪强度以增强坡体的稳定性。注浆加固技术在边坡处理中的应用一般有两个方面，一种是对于由崩滑堆积体、岩溶角砾岩堆积体、以及松动岩体构成的极易滑动的边坡或由于开挖形成的多卸荷裂隙边坡，对坡体注入水泥砂浆，以固结坡体并提高坡体强度，避免不均匀沉降，防止出现滑裂面。另一种是对于正处于滑动的边坡、存在潜在滑面的边坡、或者处于不稳定的滑坡，运用注浆技术对滑带压力注浆，从而提高滑面抗剪强度，提高滑体稳定性；这种情况实际上是把注浆加固作为边坡滑带改良的一种技术，滑带改良后，边坡的安全系数评价一般采用抗剪断标准。由上述可知，边坡注浆加固一般适用于以岩石为主的滑坡、崩塌堆积体、岩溶角砾岩堆积体，以及松动岩体边坡(图9.1)。同时采用注浆加固边坡前必须进行注浆试验和效果评价，注浆后必须进行开挖或钻孔取样检验。§9．2注浆材料及浆液的性质在注浆工程中，使用的浆液都是由主剂(主要的原材料，如水泥、砂、粘土、粉煤灰、水玻璃等)、溶剂(水或其他溶剂)以及各种外加剂(如催化剂、固化剂、凝胶剂、缓凝剂等)按照一定的比例而成的混合液体。注浆材料是指构成注浆浆液的材料，简称浆材，通常所说的浆材多数系指主剂，即主要原材料。由于浆材品种和性能的好坏将直接影响到注浆工程的成败、质量和造价，因而注浆工程界长期以来对注浆材料的研究和发展都极为重视。目前可用的浆材种类繁多，特别是在我国，浆材性能和应用问题得到了系统深入的研究，部分浆材通过改性使其缺点消除后，在工程中应用广泛。§9．2．1注浆材料及其性能目前可供使用的浆材总体上可以分为化学类浆材和粒状浆材两大类。所谓化学浆材是指配成浆液后要发生化学反应的材料，主要有水玻璃类的各种浆材和有机高分子类各种浆材；而粒状浆材是指水泥、粘土、砂、粘土、粉煤灰等颗粒状的材料，又称非化学浆材。(1)粒状浆材粒状浆材是构成悬浊型浆液的主剂，目前工程中主要使用的粒状浆材有水泥、粘土、砂、粘土、粉煤灰、硅粉等。一般性水泥：一般性水泥有普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、高铝水泥和耐酸水泥。其中普通硅酸盐水泥是注浆工程最常用水泥；矿渣水泥与普通硅酸盐水泥的主要差别使氧化钙的含量低；高铝水泥是由磨细的矾土和石灰石的混合物熔融而成，它的水凝速度快，是一种早强的水硬性胶凝材料；耐酸水泥是磨细的石英砂与具有高度分散表面的活性硅土物质的混合物，具有抗酸腐蚀作用。粘土：化学成分是含水的铝硅酸盐及一些金属氧化物。细粒成分多，亲水性好。在水泥浆中添加粘土，可大大提高浆液的稳定性。膨润土：以蒙脱石为主要成分的粘土矿物。吸水性好，吸水后膨胀形成不透水的可塑胶体；是较好的防水材料。粉煤灰：在潮湿的条件下固结体具有自硬性，单轴强度随龄期的增大而增大。掺入水泥中作为注浆材料使用的主要作用是节约水泥、降低成本，同时可以提高浆液结石的抗溶蚀能力和防渗帷幕的耐久性。超细水泥：与一般水泥相比具有渗透能力强、化学活性好、固化速度快、强度高(可达62MPa)、抗离析能力强(分散性大，沉淀少)。硅粉：是冶金厂生产硅铁和工业硅过程中的副产品，主要成分是Si02，平均粒径0．6μm，比表面积15×104～2×108cm2／g。在浆液中掺入硅粉，可以改善浆液的可灌性和稳定性，同时由于硅粉中的能与水泥水化放出来的反应生成Ca／Si的CSH凝胶，这种凝胶的强度高于Ca(OH)２晶体，从而使得浆液结石的强度大大提高。砂：是砂浆、水泥砂浆的主要材料。在浆液中掺砂可以降低成本、防止浆液扩散过远、提高浆液的固结强度。通常要求砂粒径小于2mm，且级配均匀。由粒状浆材为主剂配置的浆液，称为悬浊型浆液，它是指一种或几中上述浆材悬浮在水中形成的浆液，又称为非化学类浆液。目前边坡工程中采用的主要是水泥基浆液，即在水泥浆中加入其他的粒状浆材形成的悬浊型浆液。其分类如图9.2所示。(2)水玻璃类浆材水玻璃又称硅酸钠，是常见的可溶性硅酸盐。因呈玻璃状，所以溶于水后所得到的粘稠溶液叫做水玻璃。表达水玻璃的化学和物理性质的参数有两个：①模数：是指水玻璃含二氧化硅SiO2的克分子数与氧化钠Na20的克分子数的比值，用m表示。22SiOmNaO的克分子数的克分子数硅酸钠可以表示为Na20·mSi02。模数的高低对浆液的凝结时间和结石强度都有一定的影响，注浆用水玻璃的模数一般为2．4～3。②波美度：在化学工业中用于表示水玻璃密度的一种指标(0be’)。但在注浆领域中一般采用密度(d)来表示，他们之间存在如下关系：0'114.15144.3dbe水玻璃溶于水时发生水解反应，致使水玻璃溶液呈碱性；通常碱(Na2O)的量用重量百分比表示。实践表明水玻璃是无毒物质，不会污染地下水。由水玻璃作为主剂配置的浆液，称为水玻璃类浆液。根据水玻璃类浆材组分、液态类型、酸碱性和加入不同的反应剂，可将水玻璃类浆液分成多种类型(图9．3)。(3)有机高分子类浆材由于大多数高分子溶液含有剧毒物质，目前被一些国家列为禁用浆液。但由于这类浆材渗透性好，凝胶时间易于控制，注入后的土层抗压强度、抗渗性均较理想等优点，故这类浆液是注入水泥浆液、水玻璃浆液无法解决工程疑难问题时的必不可少的主要材料，所以一些国家仍载继续使用，如丙烯酰胺类、无毒丙凝、改良的环氧树脂、聚氨酯等浆材。高分子类浆液的种类繁多，其分类概况如图9．4所示。§9．2．2注浆浆液的性质(1)浆液的渗入性浆液的渗入性是指浆液渗入岩土孔隙的能力。浆液渗入性的好坏直接影响道浆液的扩散距离，渗入性好，浆液的扩散距离大。浆液的渗入性与所用的灌浆原理和浆液的种类有关，不同的灌浆原理和不同浆液品种，其控制因素是不相同的。如渗入性灌浆在采用粒状浆材注浆时，材料颗粒越小，浆液的流动性越好，渗入能力越高；但如果采用真溶液化学浆液时，浆液的渗入能力将受到流动性的影响。对于劈裂灌浆时，如果灌浆裂缝和形式在灌浆过程中发生变化，尺寸效应和流变效应将产生较复杂的影响。从尺寸效应出发，浆材颗粒的细度越高，渗入能力越强；但同时导致浆液的粘度增加，浆液变稠，影响渗入能力。因此在实际浆液的配制时应正确处理浆液的细度。表9．1为不同水灰比对浆液粘唐的影响。对于浆液的渗入性，一般情况下，渗入能力越高越有利于注浆；但如果边坡岩土层孔隙较大，或有地下水流时，流动性好、渗入能力强往往并不利于注浆；此时为了实现预期的注浆目的，通常需要在浆液中加入早凝剂或级配砂石料。(2)浆液的稳定性浆液的稳定性主要是指浆液的化学稳定性，即浆液是否会发生强烈的化学反应，以致影响浆液的基本力学性质。在边坡注浆加固中采用的粒状浆材的稳定性主要是指水泥浆和水泥砂浆的分层性和析水性。众所周知，水泥浆和水泥砂浆是一种不稳定的悬浮体系，其颗粒容易载水溶液中沉淀分层。在灌浆过程中，如果浆液在裂缝中的流动速度缓慢或完全终止流动时，粒状浆材的颗粒将发生沉淀分层，使浆液的均匀性降低，从而丧失流动性。对于稳定性较差的浆液会导致浆液分层后的上下强度不均、灌浆通道堵塞，从而影响灌浆效果。浆液的析水性是指随着固体颗粒的下沉，浆液中的水被析出并向浆液顶端上升，表达这种析水机理的是司笃克定律：293213mcwwdWqW式中：q——起始析水速率；dm——悬液中水泥颗粒的当量圆球直径；——水的运