巖體注漿技術(shù)的研究現(xiàn)狀

王梓龍 劉 浩

（1.西南科技大學(xué)城市學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000）

（2.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059）

（3.中國(guó)三峽建設(shè)管理有限公司，四川 成都 610000）

0 前言

注漿技術(shù)是一項(xiàng)應(yīng)用性很強(qiáng)的技術(shù)，具備較強(qiáng)的工程實(shí)用性，它是利用機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)，在高壓下將調(diào)制好的漿液注入到巖土體的孔隙、裂隙中去，待冷凝后使巖土體成為具備一定強(qiáng)度、抗?jié)B透性的穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)體，從而改善巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)，目前該項(xiàng)技術(shù)是巖土工程施工中的一項(xiàng)重要技術(shù)，應(yīng)用十分廣泛，主要集中在邊坡穩(wěn)定加固、水利堤壩、隧道橋梁加固，地鐵等工程[1]。

1 注漿理論

注漿漿液流動(dòng)的過(guò)程就是漿液和周圍巖土體共同作用的結(jié)果，因此，首先應(yīng)該認(rèn)識(shí)漿液介質(zhì)自身的特性。

1.1 巖體結(jié)構(gòu)理論

巖土體內(nèi)部的裂隙和孔隙是漿液流動(dòng)的通道，由于巖土結(jié)構(gòu)差異，內(nèi)部裂隙縱橫交錯(cuò)，導(dǎo)致漿液流經(jīng)的路徑、方式和流量存在不確定性，從而最終產(chǎn)生不同的注漿效果。因此研究巖土體自身結(jié)構(gòu)，是研究注漿技術(shù)的基礎(chǔ)[2]。

(l)多孔介質(zhì)理論

本理論認(rèn)為巖體是結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面組成的，這些結(jié)構(gòu)面就是液體流動(dòng)的通道，結(jié)構(gòu)面的特性決定了液體流動(dòng)的情況，因此巖體是多孔結(jié)構(gòu)，根據(jù)其孔隙存在分布差異，可分為各向同性多孔介質(zhì)和各向異性多孔介質(zhì)。

代表：Magg 球形擴(kuò)散公式。

假設(shè)注漿液體為牛頓體，粘度一定；漿液從注漿管底部孔注入土體，注漿源為點(diǎn)源；被注介質(zhì)為均質(zhì)各向同性，漿液在地層中呈球狀擴(kuò)散，擴(kuò)散公式如下：

注：γ0為注漿管的半徑(cm)；h 為注漿壓力水頭(cm)；N 為土體的孔隙率；R為漿液的滲透半徑(cm)；β為漿液粘度與水的粘度之比；K 為土體的滲透系數(shù)(cm/s)；t 為注漿時(shí)間(cm/s)；

(2)擬連續(xù)介質(zhì)理論

本理論認(rèn)為巖體被裂隙切割分開，但是巖體空間內(nèi)每一點(diǎn)上巖石和裂隙都可認(rèn)為是連續(xù)的。因此，在巖體內(nèi)部每一點(diǎn)上也可以認(rèn)為都同時(shí)存在巖石介質(zhì)和孔隙介質(zhì)，漿液就是通過(guò)這些孔隙在巖體內(nèi)流動(dòng)的。漿液在擬連續(xù)介質(zhì)巖體中的滲透系數(shù)為：

注：A 和B 為由漿液性質(zhì)決定的常數(shù)；λ為巖體平均裂隙密度；μ為漿液粘度；γ為漿液重度；lc 為注漿孔長(zhǎng)度；e 為裂隙寬度；N 為與注漿孔相交的裂隙數(shù)。

(3)裂隙介質(zhì)理論

本理論認(rèn)為巖體是結(jié)構(gòu)面切割分開的非連續(xù)體，各向異性構(gòu)成了結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)，漿液在巖體內(nèi)部裂隙網(wǎng)絡(luò)中流動(dòng)。

代表：①賓漢姆流體規(guī)律（G.Lombardi、 Wittke、Wallner、Amadei）；②漿液沿裂隙面徑向流動(dòng)的擴(kuò)散方程（劉嘉材推導(dǎo)）；③ Baker 假設(shè)注漿孔橫穿寬度為D的單一光滑裂隙，得出漿液在裂隙中的滲透規(guī)律。

2 注漿分類

根據(jù)注漿液體壓力大小、地質(zhì)條件差異、漿液與巖土體的作用機(jī)理等，注漿機(jī)理可分為裂隙巖體注漿、滲透注漿、壓密注漿、劈裂注漿四大類[3]。

2.1 裂隙巖體注漿

巖體內(nèi)存在大量的節(jié)理裂隙，構(gòu)成復(fù)雜的節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)，尤其經(jīng)過(guò)多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造后，巖體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜化，導(dǎo)致漿液在巖體內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律復(fù)雜多樣?，F(xiàn)今主流研究多依賴于基于滲流的數(shù)值模擬來(lái)研究漿液在巖體裂隙中的流動(dòng)的規(guī)律。

2.2.滲透注漿

滲透注漿就是利用漿液自身流動(dòng)的特性和重力，在不破壞地層構(gòu)造的壓力下，把漿液注入到巖土體裂縫中去，利用自流性完全滲透，最終凝固膠結(jié)。

2.3 壓密注漿

壓密注漿又稱為CPG，由于漿液的粘稠度較大，漿液在裂隙中自由流動(dòng)較困難，需要借助外來(lái)壓力輔助注漿，因此和滲透注漿不同，同時(shí)其主要目的不是填充基裂隙間隙，而是置換和壓實(shí)基土。

2.4 劈裂注漿

劈裂灌漿的原理是在注漿壓力的作用下，向注漿孔送入漿液，以克服地層的初始應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度，使其沿垂直于最小主應(yīng)力平面上發(fā)生劈裂，從而達(dá)到降低滲透性、壓密巖土體、改善巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)的目的。

目前劈裂注漿是應(yīng)用最廣泛的一種注漿方法，它在隧道、堤壩加固、軟土地基、路基等工程中有著廣泛的應(yīng)用。

3 常見注漿材料

3.1 水泥

(1)水泥

水泥注漿材料目前是最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的材料，主要成分是普通硅酸鹽，其優(yōu)點(diǎn)是：施工工藝簡(jiǎn)單方便、原材料成本低，來(lái)源廣，沒(méi)有毒性；缺點(diǎn)是：水泥漿液的穩(wěn)定性較差、凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)不穩(wěn)定，容易沉淀析水、而且由于水泥顆粒直徑較大，對(duì)于小縫隙巖體限制較大。

(2)水泥-水玻璃

水泥-水玻璃漿液是以水泥和水玻璃為主要原料，兩者按一定的比例混合，然后適量添加速凝劑。水泥-水玻璃漿液的凝結(jié)固化反應(yīng)包括水泥水化反應(yīng)，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物Ca(OH)2與水玻璃的反應(yīng)，即水泥與水拌和成水泥漿液后，由于水解和水化作用，產(chǎn)生活性很強(qiáng)的Ca(OH)2；水玻璃與Ca(OH)2起作用，生成具有一定強(qiáng)度的凝膠體-水化硅酸鈣，其反應(yīng)如下。

3CaO·SiO2+nH2O2CaO·SiO2·(n-1)H2O+ Ca(OH)2

Ca(OH)2+Na2O·nSiO2+mH2O→CaO·nSiO2·mH2O+ 2NaOH

(3)水泥和黏土

這種漿液就是水泥中加入適量的粘土，黏土的粒徑一般較小，比表面積較大，遇水后具備一定膠體性質(zhì)。常見黏土礦物是高嶺石、伊利石、蒙脫石。

(4)超細(xì)水泥

水泥注漿材料是由于人們?cè)谒嗍褂眠^(guò)程中發(fā)現(xiàn)普通水泥粒徑較大，滲透能力有限，一般只能滲入大于0.1mm 的裂隙和孔隙中，而對(duì)于微細(xì)裂隙注漿效果較差。為了在低滲透介質(zhì)中提高水泥漿的可注性，人們開始研制成了超細(xì)水泥注漿材料。

3.2 化學(xué)漿材

化學(xué)注漿材料應(yīng)用較多的主要有水玻璃和有機(jī)高分子注漿材料兩類。

(1)水玻璃

水玻璃是化學(xué)注漿中使用最早的一種材料，俗稱植物膠，其具備污染性小、促凝效果明顯、價(jià)格實(shí)惠等有點(diǎn)，目前是主流產(chǎn)品。

(2)有機(jī)高分子

指聚氨酯、環(huán)氧樹脂、丙烯酰胺等酯類化學(xué)成分，一般當(dāng)，地下水流速>500mm/min，砂土顆粒粒徑≤0.5mm 或巖石裂隙開口≤0.2mm 時(shí)，采用有機(jī)高分子化學(xué)注漿材料可以解決普通水泥漿液無(wú)法解決的工程問(wèn)題。

4 結(jié)論

注漿技術(shù)已在我國(guó)土木工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但是注漿理論的研究還比較落后，不能滿足注漿實(shí)踐的要求，應(yīng)在以下方面加強(qiáng)研究：

(l)巖體結(jié)構(gòu)理論的完善。

(2)注漿漿液的非牛頓流體特性的研究.

(3)注漿加固體強(qiáng)度理論的研究。