地基处理新技术9(灌浆法)

灌浆法CIVILENGINEERINGCOLLEGEOFUSTSGrouting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，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。试剂名称代号作用浓度试剂名称代号作用浓度丙烯酰胺A主剂9.5%β-二甲氨基丙腈DAP促进剂0.4%N-N’-甲撑双丙烯酰胺M交联剂0.5%铁氰化钾KFe缓凝剂0.01%过硫酸胺AP引发剂0.5%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，故其施工操作比较简单。2、聚氨酯聚氨酰：聚氨酯浆材分类水溶性聚氨酯能与水以各种比例混溶，并与水反应成含水胶凝体非水溶性聚氨酯只能溶于有机溶剂聚氨酯浆液特点：（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。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：编号预聚体类型材料重量比预聚体二丁酯（增塑剂）丙酮（稀释剂）吐温、硅油（表面活性剂）催化剂（三乙醇胺）催化剂（三乙醇）SK-1PT-1010020-3010-300.5-0.750.5-2-SK-3TT-1/TM-110010100.5-0.75-0.2-4SK-4TT-1/TP-210010100.5-0.75-0.2-4常用的聚氨酯配方编号比重粘度(Pa.s)固砂体抗渗标号屈服强度（9.8*104Pa）弹模（9.8*104Pa）SK-11.122*10-21604550B20SK-31.141.6*10-11002870B10SK-41.151.7*10-11002962B10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-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。胶凝剂名称浆液粘度（10-3Pa.s）胶凝时间固砂体抗压强度（9.8*104Pa）灌浆方法氯化钙100瞬时30双液铝酸钠5-10数分-几十分钟30单液碳酸氢钠2-5数秒-几十分钟3-5单液磷酸3-5数秒-几十分钟3-5单液氟硅酸3-5几秒-几十分钟20-40单液或双液乙二醛2-4几秒-几十分钟20单液或双液高锰酸钾2-3几秒-几小时2-3单液或双液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0.2-0.3mm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：名称试剂用量（占水泥重%）说明名称试剂用量（占水泥重%）说明速凝剂氯化钙1-2加速凝结硬化流动剂木质素磺酸钙0.2-0.3硅酸钠0.5-3加速凝结去垢剂0.05产生空气铝酸钠加气剂松香树酯0.1-0.2产生约10%空气缓凝剂木质素磺酸钙0.2-0.5亦增加流动性膨胀剂铝粉0.005-0.02约膨胀15%酒石酸0.1-0.5饱和盐水30-60约膨胀1%磷酸氢二钠0.5-2防析水剂纤维素0.2-0.3硫酸铝约20产生空气在地基处理中，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渗透灌浆理论：球形扩散理论、柱形扩散理论、袖套管法理论渗透灌浆PermeationGrouting在灌浆压力作用下，浆液克服各种阻力渗入孔隙和裂隙，压力越大，吸浆量及浆液扩散距离就越大。这种理论假定在灌浆过程中地层结构不受扰动和破坏，所用的灌浆压力相对较小。适用于中砂以上的砂土和有裂隙岩石劈裂灌浆FracturingGrouting在灌浆压力作用下，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起岩石或土体结构的破坏和扰动，使地层中原有的孔隙或裂隙扩张或形成新的裂缝或孔隙，从而使低透水性地层的可灌性和浆液扩散距离增大，所用的灌浆压力相对较大。通过钻孔向土层中压入浓浆，随着土体的压密和浆液挤入，将在压浆点周围形成灯泡状空间，并因浆液的挤压作用而产生辐射状上抬力，从而引起地层局部隆起，许多工程种用这一原理纠正了地面建筑物不均匀沉降，被称为土内压密。压密灌浆CompactionGrouting电动化学灌浆ElectrochemicalInjection当在粘土中插入金属电极并通以直流电后，就在土中引起电渗、电泳和离子交换作用，促使在通电区域中含水量降低，从而在土内形成渗浆通道，若在通电时向土中灌注硅酸盐浆液，就能在通道上形成硅胶，并与土颗粒胶结成具有一定力学强度的加固体。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