[科普中国]-渗入性灌浆

简介

渗入性灌浆法在地基加固和防渗处理中应用广泛。由于灌浆技术和相关技术的迅猛发展, 灌浆法已成为解决工程问题的重要手段, 其技术经济效果显著, 但目前在郑州地区应用较少。因此, 有必要根据实际工程中采用灌浆法所取得的效果, 检验该方法在郑州地区是否具有推广价值1。

渗入性灌浆作用机理在灌浆压力作用下, 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,浆液就地凝固而达到加固或减少渗漏的灌浆方法。理论上假定在灌浆过程中地层结构不受干扰和破坏, 所用的灌浆压力相对较小, 即浆液渗入土孔隙排除土中的自由水和空气, 而不破坏其原有结构2。

灌浆材料及其特性水泥灌浆工程应用最广的是普通硅酸盐水泥, 其矿物成份:3CaO .SiO₂ , 2CaO .SiO₂ , 3CaO .Al₂O₃ ,4CaO .Al₂O₃.Fe₂O₃ , 其中3CaO .Al₂O₃ 是快凝物质,并能释放较大的热量, 3CaO .SiO2 能在7 d 龄期内达到全部强度, 4CaO .Al₃O₂Fe₂O₃ 和2CaO .SiO₂ 的凝结速度也较快。

砂砂的作用是在较大的孔隙和裂隙中灌浆时, 在水泥浆中加砂以形成经济的浆液, 可防止浆液扩散过远, 还可用掺砂的办法提高浆液的固体含量和降低其含水量, 从而使浆液获得较高的摩擦剪切强度。

水水的作用有:

①把固态水泥变为悬浮液, 以供灌注;

②是对水泥粒水解和水化, 使化合物形成晶体并互相结合成网状结构, 从而使水泥浆逐渐形成具有一定力学强度的结石。

水玻璃水玻璃是促使水泥浆早凝的因素, 但并不是所用的水玻璃越多, 浆液凝固就越快。相反, 在一定范围内凝固时间随水玻璃用量的减少而加快。

水玻璃与水泥水解产物Ca(OH)₂反应机理为：

Na₂O .NSiO₂ +Ca(OH)₂ +MH₂O ※CaO .NSiO₂.MH₂O +NaOH (1)

水泥—水玻璃浆材具有以下特征:

①浆液在加入速凝剂如氧化钙或缓凝性磷酸二氢钠后, 凝结时间可准确控制在几秒及几十分内;

②凝结后的结石率高达98 %～ 100 %;

③浆液结石体强度高, 一般为5 ～ 10 MPa , 水泥含量较大时, 其抗压强度可达20 MPa ;

④水玻璃对结石强度的影响呈现一峰值,超过峰值后结石体强度随水玻璃含量的增加而降低;

⑤结石体的渗透系数为10-3 cm/s3。

灌浆设计灌浆标准1. 防渗标准

我国多采用吸水量ω作为准则。对比较重要的砂或砂砾石土质的防渗工程, 要求把地基渗透系数降至10-4 ～ 10-5 cm·s-1 以下。单位吸水量是用钻孔试验方法求得, 其计算式为ω= QL · H · T (2)

式中

ω———地层的单位吸水量;

Q ———地层的总吸水量;

L ———压水试验段长;

H ———压水压力;

T ———试验时间。

单位吸水量与渗透系数K 之间存在的关系

K = ω×1 .5 ×10-3 (3)

2. 强度标准

当灌浆目的是防渗时, 抵抗水压力所需的抗剪强度为

C =P · d2l (4)

式中

C ———浆液结石与孔隙壁面间的粘结力;

P ———地下水的渗透压力;

d ———孔隙高度;

l ———灌浆体长度。

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。

1. 单排孔的布置灌浆体的厚度b

b =2 r2 - l 24 (5)

式中

l ———为灌浆孔距;

r ———浆液扩散半径。

l =2 r2 - T24 (6)

式中

T ———为灌浆体的设计厚度;

其余符号同上。

2. 双排孔的布置

排距R m =r +1/2 时两排孔正好紧密衔接, 最大限度发挥了各灌浆孔的作用

Rm = r + r2 - l 24 (7)

Bm =2 · r + r2 -l 24(8)

式中

R m ———最优排距;

Bm ———最大灌浆有效厚度。

3.灌浆深度

灌浆深度取进入持力层后1 .5 ～ 2 倍的扩散半径。

4.容许灌浆压力的确定

容许灌浆压力值与一系列因素有关, 例如地层土的密度、强度、初始应力、钻孔深度、位置及灌浆次序等, 而这些因素又难于准确地预知, 因而宜通过现场灌浆试验来确定1。

水泥—水玻璃浆液配方及施工工艺其基本配方(以质量计)为A 液:水泥100 份, 水100 ～ 200 份;B 液:水玻璃100 份, 水100 ～ 200 份, 稳定剂0 .3 ～ 1份, 分散剂0 .5 ～ 3 份。

一般采用硅酸盐水泥, 水玻璃模数2 .4 ～ 2 .8 ,浓度40°～ 50°Be , 按一定比例进行配制, 用两台灌浆泵分两路输送系统将A 液、B 液(双液法), 运至孔口或管底混合, 然后注入土空隙中, 其灌浆量Q的计算：

Q = V ·(n ×F)·(1 +L) (9)

式中

V ———加固区总体积;

n ———孔隙率;

F ———孔隙率充填系数;

L ———浆液渗出加固区外的损耗系数。

在正常条件下, 每次注浆中注浆压力由大到小。当注浆压力达到设计的终压时, 注浆量50 ～60 L/min , 稳定时间20 ～ 30 min 后即可结束注浆。

一般水泥—水玻璃化学灌浆加固土层效果较好, 含水量可降低15 %～ 30 %, 压缩模量增大2 ～ 3 倍, 内摩擦再增加20 %～ 30 %3。

灌浆效果检查灌浆质量高不等于灌浆效果好, 有效的检查方法是在灌浆体内钻孔, 并通过钻孔对结石进行密度、结石性质、浆液充填率、剩余孔隙率、无侧限抗压强度、抗剪强度、渗透性、长期渗流稳定性、变形模量和蠕变性的测试3。

工程实例工程概况郑州市城南路东段一住宅楼危房加固。地基土第1 层为杂填土, 由砖块、炉渣和生活垃圾组成, 该层厚度2 .0 ～ 2 .8 m , 第2 层为粉土, I 1