09注浆加固边坡的设计与施工.doc

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0.51～51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15104～2108cm2／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 OH２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。 硅酸钠可以表示为Na20mSi02。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 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 式中q起始析水速率； dm悬液中水泥颗粒的当量圆球直径； 水的运动粘滞系数； 水泥的密度； 水的密度； W浆液的水灰比。 浆液的析水可能会造成浆液的流动性变坏、结石强度均匀性降低、灌浆体顶部出现空隙等影响灌浆效果的不良现象。 3浆液的结石率 结石率是指浆液的最初体积于凝固后结石体积之比，一般以百分数表示。在强度指标得到满足的条件下，结石率越高加固效果越好，然而由于种种原因，不少浆材都难以达到理想的结石率。影响结石率降低的因素主要有析水沉淀和浆液自身的体积收缩。通常在浆液中掺入高塑性粘土和降低浆液的含水量可以有效地阻止浆液的结石率的降低。图9．5为粘土和水量对结实率的影响。 图9.5 粘土和水量对结实率的影响 4浆液的强度特性 边坡注浆加固的目的主要是改善边坡岩土体的力学特性，增强滑带岩土的力学强度。因此浆材的强度越高，加固效果就越好。实际工程经验表明，要提高灌浆后的结石强度，除了增强浆材的强度外，还须考虑其他影响因素，如在灌浆后的结石网格结构、浆液的含水量、浆液的掺合料、水泥浆的搅拌时间、注浆压力等等。 5浆液的耐久性 在灌浆加固的岩土体中，由于某些特殊的环境下，如养护条件差、水压力长期作用、化学侵蚀等，可能使浆液灌注后力学强度降低、灌浆效果降低甚至无效。因此浆液的耐久性便成为灌浆工程的一个重要课题。 处于潮湿环境或无水压的条件下，多数灌浆体的结构和强度都比较稳定或有所提高。但在反复干湿变化的条件下，灌浆体的结构将遭到破坏，其强度将呈现连续下降趋势。对于长期承受水压力的灌浆体，由于结石中的氧化钙被溶解或带走，结石的强度也将降低。已有研究表明，当水泥中的氧化钙被溶解25％时，强度降低50％，于是由此可以推导出灌浆体的寿命 式中T灌浆体中的氧化钙被溶解25％的时间，年； W每立方米灌浆体中的水泥量，k9／m3； b灌浆体承受水压力的厚度； K灌浆体的渗透系数； J水力比降； C1水泥中水化铝酸四钙的极限氧化钙浓度； C2水泥中水化铝酸三钙的极限氧化钙浓度。 对于化学侵蚀主要表现在两个方面，一是有害化学离子分解水泥石中的水化硅酸钙，导致结石强度的降低；二是含硫酸盐的矿化水与水泥结石中的石灰作用，生成石膏，石膏膨胀，导致水泥结石破坏。 9．3 注浆理论 任何一种注浆工艺都必定依据一定的注浆理论，注浆理论研究浆液在岩土裂缝中的流动 规律，揭示地质条件、浆液性质和注浆工艺之间的相互关系，为注浆设计和现场施工提供科学的依据。传统的注浆工艺是以渗入性理论为基础，注浆时采用的注浆压力相对较低，可以不破坏岩土的原有结构，但对于渗透性较小的岩土介质可灌性较差；而近年来广泛采用的水力劈裂注浆是基于水力劈裂理论而形成的，这种注浆可以人为地扩大岩土中的裂缝，提高岩土的可灌性，已解决了不少的特殊工程问题。下面分别介绍渗入性注浆理论和水力劈裂注浆理论。 9．3．1渗入性注浆理论 1．渗入性灌浆理论公式 1938年马格Maag首次发表牛顿型浆液球形扩散公式，随后各国学者又导出了一些理论公式，运用这些公式可以计算有关注浆参数的大致范围，了解影响注浆效果的各种因数，对注浆设计、施工都具有一定意义。 1砂土注浆球形扩散公式 Maag假定被灌砂土为均质各向同牲体，浆液为牛顿流体，浆液从灌浆管底部进入地层后呈球形状扩散，推导出浆液的渗透公式为 （9.1） 9.2 式中k砂土的渗透系数，cm／s； β浆液粘度对水的粘度比； r1浆液的扩散半径，cm； h1灌浆压力水头高度，cm； r0灌浆管半径，cm； t灌浆时间，s； n砂土的孔隙率。 公式9．1或9．2表明对于均质砂性土，浆液在注浆管底部的扩散可近似看作球形扩散，在不同灌浆时间的扩散半径可由公式计算出。除了上述球形扩散公式外，常见的还有Karol和Raffle公式 Karol公式 9.3 Raffle公式 9.4 2砂土注浆的柱形扩散公式 9.5 9.6 3砂砾石层的注浆扩散公式 假定浆液在砂砾石层中作紊流运动，则扩散公式为 9.7 9.8 4裂隙岩石的注浆扩散公式 假定浆液为牛顿型流体，浆液在岩石裂隙中作层流运动，则有扩散公式 刘嘉村公式 贝克Baekr公式 式中Pc注浆压力； P0裂隙内地下水压力； b裂隙宽度，cm； η浆液的粘度； Q注浆量； Δ一浆液密度； g重力加速度； 其余符号同前。 2．渗入性注浆的尺寸效应 渗入性注浆的尺寸效应是指由于渗入性注浆是在注浆压力较小、地层结构不受破坏的条件下使浆液渗入裂缝，因而要完全实现渗入性注浆，就必须使浆材的颗粒尺寸小于裂缝的尺寸。显然满足这个尺寸效应是渗入性注浆的前提条件。假设浆材的颗粒尺寸为d，地层裂缝的尺寸为Dp，尺寸效应可表示为 RDP/d1 9.9 R通常称为净空比。从理论上讲只要R1，就可实现渗入性注浆；但在实际注浆过程中，当注浆浓度较大时，浆材颗粒会群集进入裂缝，从而使裂缝堵塞；为了避免这种现象发生，必须使净空比增大，一般认为当净空比大于或等于3时，浆材颗粒的群集容易被注浆压力击散；因此实际尺寸效应应为 RDP/d≥3 9.10 公式中浆材的颗粒尺寸d容易确定；下面讨论地层裂缝的尺寸DP的确定 1砂砾石的空隙尺寸 砂砾石的空隙尺寸目前尚无有效方法，一般采用数学方法估算；设D为砂砾石的颗粒直径，可定义有效空隙比eEDp／D；根据试验表明，有效空隙比一般在0．195～0．215之间变化，如果取平均值eE0．2，则砂砾石的空隙尺寸可近似表示为 DP0.2D 9.11 2岩石裂隙的尺寸 要准确测定岩石中的裂隙尺寸较为困难，这里介绍一种运用钻孔压水资料估算岩石裂隙尺寸的近似方法；假设有一宽度为e的平面裂隙被半径为r0的钻孔垂直穿过，现用大小为P 的压力进行压水实验，并测得裂隙的吸水量为q，由下式可近似计算出裂隙的宽度 9.12 式中η水的粘度； R水的扩散距离。 3．渗入性灌浆的流变效应 渗入性灌浆的流变效应是指浆液在裂缝中流动时，浆液内部、浆液与孔壁之问将产生摩擦阻力，从而影响渗入性灌浆的可灌性。这种影响可以从浆液在空隙中流动时单位时间的流量计算公式中看出。 对于牛顿流型浆液在圆管中流动时，剪切率dv／dr与剪应力τ成正比，τηdv／dr在毛细管中流动时单位时间内的流量Q计算公式为 子 9.13 式中r毛细管的半径； △P有效灌浆压力； η浆液的粘度牛顿型； L浆液在管中流动的距离。 对于非牛顿流型浆液如宾汉体，当剪应力τ超过屈服应力τ0后，流体才能流动，剪切率 dv／dr与剪应力τ的关系为，ττ0ηddv／dr，在毛细管中流动时单位时间内的流量Q计算公式为 9.14 式中ηd浆液的塑性粘度； τ0屈服应力； 其余参数同前。 公式9.13表明，牛顿型浆液的流速随浆液的粘度增大而减小；公式9．14表明，非牛顿型浆液的流动性除与浆液的粘度有关外，还将受到屈服应力的影响，一部分灌浆压力必定消耗在由屈服应力产生的阻力上。 4.渗入性灌浆的局限性 由前述可知，渗入性灌浆由于存在尺度效应和流变效应的制约，一般在大空隙介质中容易实施。而在实际地层中的裂缝有大有小，要在小缝隙中提高浆液注满度，一方面缩小浆材的颗粒尺寸，另一方面要准确确定裂缝尺寸，但实际上裂缝尺寸都是采用近似方法确定的。 9.3.2 劈裂注浆理论 鉴于渗入性注浆的一些局限性，后来提出了劈裂注浆理论，该理论是通过增大注浆压力，使细小裂缝产生水力劈裂，以提高浆液的可注性。劈裂注浆的理论主要解决的问题就是产生水力劈裂的最小注浆压力。对于不同地层在注浆过程中要产生水利劈裂所须的最小注浆压力可通过劈裂注浆理论公式进行计算。 1岩层劈裂公式 假定地层为各向同性、均匀的线弹性体，钻孔壁开始发生水力劈裂的条件为 垂直劈裂 9.15 水平劈裂 9.16 式中注浆压力； 岩石竖向自重应力； 岩石泊松比； 岩石侧压力系数； 岩石抗拉强度； N比例系数，与地层的渗透系数和浆液的粘度有关，在0～1之间变化，对于不透水岩石取1，透水性较大的岩石接近于0。 2砂和砂砾石劈裂公式 在砂和砂砾石地层中注浆，当注浆压力达到下述公式的标准时，就会导致地层的破坏。 9.17 式中p0注浆压力； γ砂砾石土的容重； γw水的容重； h注浆段的深度； hw地下水位高度； K主应力比。 3粘性土劈裂公式 在粘性土中，水力劈裂将引起土体固结和挤出等现象，当仅有固结时，注浆量体积V及单位体积所需的浆液量Q可由下式计算 9.18 Qpmv9.19 式中P0注浆压力； p有效注浆压力； a浆液扩散半径； u孔隙水压力； mv土的压缩系数。 土层注浆后的固结度的计算公式为 9.20 式中V注入土中的结石总体积； n0土体的天然孔隙比； n1土体注浆后的孑L隙比； U注浆后土体的固结度。 值得注意的是，在裂隙岩石中灌浆，控制水力劈裂发生和发展的主要因数是岩石中已存在的软弱结构面。含裂隙岩石是否发生了水力劈裂可以通过压水试验资料分析判断，通常采用的方法有数值法和Q～P曲线法流量一压力曲线法。 9.4注浆加固设计 9.4.1设计内容与设计程序 对边坡进行注浆加固设计，主要内容包括边坡工程地质调查、注浆方案选择、注浆标准的确定、边坡注浆位置的确定、浆液的配方设计、钻孔的布置与注浆压力的确定以及注浆后边坡的稳定性验算等。设计流程如图9.6所示。 9.4.2注浆方案与注浆标准的确定 对于公路边坡工程一般都是永久性工程，注浆的目的主要是提高承载力和抗滑稳定性，根据不同的地层可由表9.2选择相应的注浆方法和常用浆材。 注浆标准是指注浆后应达到的质量标准，在边坡工程中，由于边坡的地质条件千差万别，稳定性差异较大，因而很难规定一个统一的标准，基本原则是要求边坡稳定性安全系数达到公路规范的规定。一般而言，可以根据边坡的地质情况和要求的稳定性安全系数反求边坡岩土体的强度参数C，值，以该强度参数作为对边坡注浆加固设计的标准。 9.4.3注浆材料及配方设计原则 用于公路边坡注浆加固的浆液一般要求具有流动性好、稳定性高、无毒、无污染等特点，一般采用水泥浆，水泥标号不低于425号，水灰比采用逐级变换方式，一般用51～21开灌，然后根据耗浆量逐渐变换水灰比，最后为0.51，具体参数还要通过现场灌浆试验确定。 浆液存在凝结时间问题，凝结时间应根据边坡的具体情况进行适当的调整，这是进行浆液配方设计时必须要考虑的因数之一。对于干燥且裂缝不发育的边坡，浆液应有足够长的凝结时间，以保证注浆达到预定的影响范围；反之如果边坡中地下水丰富或裂隙发育孔隙尺寸较大，应尽量缩短凝结时间，以防止浆液过分稀释或大量流失。一般浆液的凝结时间可分为极限注浆时间、零变位时间、初凝时间和终凝时间，在进行浆液设计时应视具体情况的需要分别予以考虑。 9.4.4浆液扩散半径的确定及注浆孔平面布置 准确确定浆液扩散半径将对注浆工程的工程量、造价和注浆效果有着重要的意义。浆液扩散半径的确定有两种方法，一是运用第三节的理论公式进行计算，该计算值虽然是近似的，但对注浆设计仍然具有重要的参考价值；第二种方法是通过现场注浆试验来确定。现场注浆试验可采用三角形、矩形或圆形布孔方法如图9.7所示，通过对观测孔进行压水试验和冲浆观测确定出浆液的扩散半径。 在确定了浆液扩散半径后，在边坡上确定的注浆范围内进行注浆孔的平面布置，钻孔布置的原则如下 1注浆钻孔深度取决于堆积体的厚度、以及所要求的地基承载力。一般以提高地基承载力为目的的灌浆深度可小于l5m。提高滑带抗剪强度为目的的灌浆应深达滑带下滑床2m。 2应呈梅花状分布，问距为注浆半径的2／3，一般为l.0～2.Om如图9.8所示。 3钻孔设计孔径为91～127mm，一般用l27mm开孔。 4注浆孔的设计中应适当地布置用于注浆质量检查的测量孔。 9.4.5灌浆压力确定 浆液的扩散能力与注浆压力的大小密切相关，如果提高注浆压力将有助于使一些微裂缝张开提高可灌性，同时由于浆液的扩散能力增强使的钻孔数减少。但是，当灌浆压力超过地层压重和强度时，将有可能导致地层破坏。因此一般以不使地层结构破坏或仅发生局部少量破坏作为确定注浆压力的基本原则。 注浆压力的确定可以通过注浆试验确定，如图9.8所示为注浆试验获得的注浆压力与注浆量的关系曲线；从曲线上可以看出，当注浆压力达到某一值Pf时，注浆量突然增大，这表明在注浆压力为Pf时，地层结构发生破坏回孔隙尺寸已被扩大，因而可以把Pf作为地层的容许注浆压力值。当缺乏试验资料，或在进行现场灌浆试验前颈定一个试验压力时，可用理论公计算确定容许压力，然后在灌浆过程中根据具体情况再作适当的调整。 砂砾地层和岩石的注浆压力计算公式 1砂砾地基注浆压力 或 式中PB容许注浆压力100kPa； T覆盖层厚度； h地面至注浆段的深度； γ覆盖层土体容重； β系数，取值1～3； K与注浆方式有关的系数，自上而下注浆取0.8，自下而上注浆取0.6； λ与地层性质有关的系数，渗透性强时取低值； C与注浆期次有关的系数，第一期孔取l，第二期孔取l．25，第三期孔取l．5。 2岩石注浆压力 PBPomD 式中PB容许注浆压力； D注浆段深度； P0表面段容许注浆压力； m注浆段每加深lm容许增加的应力；P0和m可查表9.3。 P0和m值选用表 表9.3 m100kPa 岩 性 Po 注浆方法 注浆期次 100kPa 自上而下 自下而上 1 2 3 裂隙少，结构密实 略受风化的岩石 严重风化的岩石 1.5,3．O 0.5～1.5 0.25～0.5 2.0 0.1 0.5 1.0～1.2 0.5～O．6 0.25．O．30 1.0 1．O 1．O 】．0～1.25 1．O～1.25 1.0～1.25 1．O～1.5 1．OI．5 1.0～1.5 除了上述确定注浆压力的方法外，也可根据场地条件，采用l.0～8.OMPa。灌浆耗浆量采用不同级别注浆压力，一般可按l.0、2.0、2.5、3.0、3.3、4.0、5.0、6.0、8.0逐级增大。当注浆在规定压力下，注浆孔段注入率小于0.4L／min，并稳定30min时即可结束。 9.5边坡注浆加固施工 9．5．1注浆施工前期工作 为了使注浆施工能顺利完成并达到合理、有效的加固目的，在进行注浆施工前必须进行如下一些准备工作 1施工前的原位现场调查 调查的内容包括土质调查、地下水调查、环境调查、地下埋设物调查。土质调查主要调圣土层构成、地层强度、颗粒成分、压缩特性、渗透特性等，这对于选择施工方法和注浆工艺是极其重要的；地下水调查系测定调查孔的自然水位和实施渗水试验，求取地层的渗透系数，应特别注重地下水对注浆效果的影响，如水的流向和酸碱性对浆液的影响；地下埋设物一般是指地下管网或地下建筑物，对于非城市道路的公路边坡通常较少涉及该项内容；环境调查系指灌注区及其附近地区的地下水、井、动植物、公用水域、生活环境等调查，防止施工废水、有毒化学浆液、施工噪声等对环境的影响。 2现场原位注入试验 注浆工程正式施工前，应在现场进行注入试验，并调查注浆是否达到预期的设计要求。通常情况下，原位现场调查和现场原位注入试验是进行注浆工程设计前需要进行的工作，作为施工阶段来讲，掌握这些资料对制定详细合理的施工计划也是极其有利的。 3N定施工计划 根据注浆设计、原位试验和现场调查资料，策划制定施工计划，注浆施工必须按照计划进行顺序施工。施工计划通常应当包括施工工艺如注浆顺序、注浆速度、注浆压力、节长等、施工材料及关系如注人材料的配比和凝胶时间等、施工进度、施工组织管理等等。 9.5.2注浆施工管理 注浆工程中对浆液的要求是压人地层中的浆液能确实高效硬化，并在地层中形成加固效果的固结物。迄今为止，开发过多种主剂和硬化剂，而这些浆材中有些浆材是有毒的。特别是1974年日本发生注入有机高分子浆液污染地下水等严重问题发生后，致使政府部门对安全性倍加重视，为此制定了“有关建设工程中的化学注浆工法的施工暂行准则”以下简称“暂行准则”。建议浆液材料从防止污染地下水观点考虑只限于使用水玻璃类浆液，水玻璃类以外的浆液，几乎被禁用。随着新技术的开发，注浆施工法自身的安全性也在提高。为了在地层内确实生成固结物，必须对注入量、注入压的状况和疑胶时间等有关参数进行切实的施工管理。 在暂行准则中对工法的选择、设计、施工和水质监测等项目作了如下规定 1注浆工法中使用的浆液，目前为水玻璃类浆液主剂是硅酸钠的浆液，不允许使用有毒物或者氟化物。 2关于注浆工法的设计和施工，要求注浆地点周围的地下水和公共水域应维持在一定的水质标准，应切实地掌握该地区地层的性质、地下水和公共水域等状况。 3注入机器的清洗水、浆液注入地点的涌水等废水排向公共水域时，其水质必须达到相应的标准。 4为了防止注浆造成的地下水和公共水域的水质污染，施工单位必须监视注浆周围的地下水和公共水域的水质污染状况。 在制定注浆施工的管理具体办法时，通常应当包括现场质量及数量管理浆液质量、数量的有关证明、运输、使用等、注入量和材料使用量的确认含相关报表、合同与施工计划的相关事项及相应措施等。 在边坡注浆加固中如采用纯水泥浆液，则上述问题可以避免。 9.5.3注浆施工的常用方法 注浆施工按照注入方式可以分为钻杆法、花管法、双层管双栓塞法、同步注浆法、压实注浆法、布袋注浆法、高压喷射搅拌法等，简要叙述如下 1钻杆法 钻杆注浆法是把钻机钻杆的内管直接作为注浆管进行注浆的方法。这种方法的优点是操作简单、经济；缺点是浆液易从钻杆和孔壁间的空隙中串出，该法通常只能用来注入单一浆液，且在注浆时钻机不能离开，钻机的使用效率低，早期的注浆均是采用这种方法。近年来兴起的压实注浆原则上归属于这类方法。 2花管法 花管注浆是钻孔成形后，拔出钻杆，插入一端上面开有多个小孔的注浆管俗称花管，也叫过滤管，然后进行注浆的方法。这种方法因浆液是通过许多小孔分散进入地层，所以浆液能够比较均匀地注入到地层中。但是在埋设花管时要防止堵塞花管上的小孔，更不能让土颗粒从小孔逆流进入注浆管造成管路堵塞，近年来这种方法的使用率也在下降。 3双层管双栓塞注浆法 该方法是在钻孔成形后，拔出钻杆撤走钻机，然后向钻孔中插入一根套管也称外管。该套管的节长为33～50cm，其上开有小孔即注浆孔，孔口外侧用胀圈橡胶圈包好，胀圈的作用是当孔内加压注浆液时，胀圈胀开浆液从小孔中喷出进入土层，不注浆时胀圈封闭喷射口，故土和地下水均被胀圈拒之喷射口之外，不会逆向进入注浆管内。注浆把两端都装有密封栓塞的注浆芯管插入上述外管内，由于注入压力的作用，浆液从两组栓塞的中间经喷射口胀开胀圈进入土层中，逐次提升或下降芯管，即可实现逐段分层注浆。施工顺序如图9.9所示。 这种方法的特点是①注人不受时问限制，故可进行多次注浆以提高注浆的加固效果；②注入不受深度限制，可深可浅；③可据不同地层，有选择地进行分层注浆；④钻孔和注浆两步工艺分开进行，故缩短了施工周期；⑤因注入的是长凝浆液，故注入效果理想。同时因注入压力小，故对周围环境的影响小。该方法的缺点是工序复杂，成本稍高一些。 4同步注浆法 在钻杆管上开设n个直径相同的小孔，用高压压送浆液，将两种浆液分别从上下喷射口的混合室按不同比例混合后，从上部喷口喷出瞬结浆液，同时从下部喷口喷出缓结浆液，从而实现同步注入。图9.10给出同步注浆法的施工顺序。 5压实注浆法 压实注浆法是一种把不易流动的惰性注入材料压人地层中，在形成匀凝固结体的同时，压密周围土体的方法，即CPG工法。图9.11为几种注入法的比较，除压实注浆法外，其他的方法均使用易于流动的材料。而这种方法使用塌落度近似为零的不流动的惰性水泥浆，这是这种施工法与其他施工法的根本差异。因为材料的流动，故不易向地层中流动，所以可以在预定的地点准确地形成固结体。这种施工法以前只停留在理论上，最近几年美国在硬件泵、拌和器、机械设备等方面的改进速度极快。 该方法由于注入浆液必须是不易流动的坍落度趋于零的惰