巖土工程特殊施工技術(shù)(張彬)

1、,講授：張 彬?qū)W時(shí)： 40,巖土工程特殊施工技術(shù),第一講　地下水,目前，水資源嚴(yán)重短缺，是世界性的難題。這不是我們研究的范疇，而是研究地下水的另一面，即地下水對(duì)土建工程的影響和危害。地下水對(duì)地下工程（深基坑、橋基、路基及礦山建設(shè)、城市管線附設(shè)等）設(shè)計(jì)方案、施工方法與工期、工程投資以及工程長(zhǎng)期使用都有著十分密切的關(guān)系。如果對(duì)地下水處理不當(dāng)，可能產(chǎn)生不良影響，甚至發(fā)生重大工程事故。例如（思考題）：市政管線、橋基、路基（翻漿）。地下

2、工程特殊施工方法大都針對(duì)如何處理地下水或減少其對(duì)工程的危害而相應(yīng)產(chǎn)生的，是地下建筑施工的重要組成部分。一、地下水的分類 地下水按埋藏條件不同，分為三類，如圖1-1所示。,,海（江、河）,潛水位,第一隔水層,承壓水,透水層,局部隔水層,地下通道,上層滯水,C*,A*,B*,圖1-1 地下水埋藏條件示意圖,1 上層滯水地表水下滲，積聚在局部透水性小的粘性土隔水層上的水，稱為上層滯水。這種水靠雨水補(bǔ)給，有季節(jié)性，存在于雨季，旱季可能

3、干涸?？辈鞎r(shí)，應(yīng)注意與潛水區(qū)分。2 潛水（凈壓水）埋藏在地表以下第一個(gè)連續(xù)分布的穩(wěn)定隔水層以上，具有自由水面的重力水，稱為潛水。其自由水面為潛水面，水面標(biāo)高稱為地下水位。地面至潛水面的鉛直距離稱為地下水的埋藏深度。潛水由雨水與河水補(bǔ)給，水位也有季節(jié)性變化。地下水埋藏深度各地區(qū)相差較大，如南方一些地區(qū)不足1m，西北黃土高原深達(dá)100~200m。3 承壓水埋藏在兩個(gè)連續(xù)分布的隔水層之間，完全充滿的有一定壓力的地下水，稱為承壓水。如

4、打穿承壓水上面的第一隔水層，則承壓水因有壓力而上涌，壓力大時(shí)可以噴出,地面。對(duì)于礦山工程中的立井，深度達(dá)幾百米至千米，在施工過程中可能穿過多個(gè)承壓含水層，應(yīng)引起足夠重視。思考： 1.試舉例說出上述三類地下水（湖水、井水、 泉水及江河）。 2．計(jì)算水壓力：A點(diǎn)、B點(diǎn)及C點(diǎn)。 3．不同地下水對(duì)地下工程的危害。如地下通道經(jīng)過A點(diǎn)、B點(diǎn)及C點(diǎn)時(shí)。,二. 人工降低水位法,降低水位法分明排法和人工

5、降低水位法。明排法是在基坑開挖至地下水位時(shí)，在基坑周圍內(nèi)基礎(chǔ)范圍以外開挖排水溝或在基坑開挖排水溝。相隔一定距離設(shè)集水井，地下水沿排水溝流入集水井，然后用水泵將水抽走。流砂去了水好象老虎去了腿明排法是一種簡(jiǎn)單的地下水處理法，當(dāng)?shù)叵滤畨狠^大而又為細(xì)粉砂時(shí)，采用明排法往往會(huì)發(fā)生涌砂冒泥即流砂現(xiàn)象，難以施工。此時(shí)應(yīng)采用人工降低地下水位方法。,1、方法實(shí)質(zhì)人工降低地下水位，就是在井筒或地下工程基坑開挖前，預(yù)先在其四周埋設(shè)一定數(shù)量的濾水管或井，

6、用抽水設(shè)備抽水，形成聯(lián)合降水漏斗，使地下水位降落到坑底以下，同時(shí)在開挖過程中仍不斷抽水。從根本上防止流砂現(xiàn)象的發(fā)生，改善了工作條件，同時(shí)由于土中水被排除后，動(dòng)水壓力減少或消除，邊坡可以放陡，減少挖土量。此外，由于滲流向下，在動(dòng)水壓力的作用下，增加了土顆粒間的壓力，使坑底土層更為密實(shí)。人工降低地下水位方法有：輕型井點(diǎn)、噴射井點(diǎn)，電滲井點(diǎn)、管井井點(diǎn)及深井泵井點(diǎn)等，可根據(jù)土的滲透系數(shù)、要求降低水位的深度、工程特點(diǎn)及設(shè)備條件等。,2、輕型井點(diǎn)

7、系統(tǒng)輕型井點(diǎn)就是沿基坑四周將許多根直徑較細(xì)的井點(diǎn)管埋入地下含水層內(nèi)，井點(diǎn)管的上端通過彎管與總管相連接，用抽水設(shè)備將地下水從井點(diǎn)管內(nèi)不斷抽出，這樣便可將原有地下水降至坑底以下。輕型井點(diǎn)布置，見圖１－２所示。,輕型井點(diǎn)包括由井點(diǎn)管、總管組成的管路系統(tǒng)和抽吸設(shè)備兩大部分。井點(diǎn)管長(zhǎng)5~8m，直徑38~50mm的鋼管做成。濾管長(zhǎng)1~2m，直徑同井管，管壁鉆有直徑38~50mm的濾孔，按梅花狀排列，濾孔總面積與濾管表面積之比約為20~25%。,3

8、、噴射井點(diǎn)系統(tǒng) 當(dāng)基坑開挖深度或降水深度超過6m時(shí)，上述輕型井點(diǎn)必須采用多層井點(diǎn)，但增加了挖土量與設(shè)備數(shù)量，有時(shí)因場(chǎng)地狹小，不可能布置。此時(shí)可考慮采用噴射井點(diǎn)。噴射井點(diǎn)系統(tǒng)布置，見圖7-7所示。,噴射井點(diǎn)系統(tǒng)除抽水原理與輕型井點(diǎn)系統(tǒng)不同外，兩者的布置基本相同。其工作原理是：高壓水泵將具有一定壓力(7~8kg/cm2)的工作水通過供水總管分配到各個(gè)井點(diǎn)管，從各個(gè)井點(diǎn)管的內(nèi)管與外管之間的環(huán)形空腔入進(jìn)水窗，由噴嘴噴出。因噴射水流流速急劇增

9、加，壓力水頭相應(yīng)降低，吸走周圍空氣而形成高度真空(700mm以上)。管內(nèi)外的壓力差將地下壓力水吸入井管。地下水及一部分空氣通過濾網(wǎng)，從濾管中的芯管上升至揚(yáng)水器，經(jīng)過噴嘴兩側(cè)與噴射出來的高速水流一起進(jìn)入混合室，并在混合室中混合，進(jìn)行能量交換，流速逐漸減小，由流速水頭逐漸變?yōu)閴毫λ^，地下水被排至地面，并經(jīng)排水總管進(jìn)入集水池重新參與工作循環(huán)，多余的水被排走。,4、管井井點(diǎn)和深井泵井點(diǎn)在遇有流砂，特別是地下水充沛的土層，宜用管井井點(diǎn)或深井泵

10、井點(diǎn)，兩者與輕型井點(diǎn)的不同之處是每個(gè)井點(diǎn)均單獨(dú)采用一臺(tái)泵，而后者是將泵放置在井管中。井點(diǎn)布置，見圖7-8及圖7-9所示。,5、電滲井點(diǎn) 在飽和的粘性土中，由于土的透水性差(滲透系數(shù)小于0.1m/d)，用一般的抽水方法很難抽出地下水，因此，必須用電滲井點(diǎn)排水。 19世紀(jì)初，列斯用直流電通過含水土?xí)r，發(fā)現(xiàn)了電動(dòng)現(xiàn)象。電動(dòng)主要包括電滲和電泳兩種現(xiàn)象。在飽和粘土中插入兩根電極，通過直流電，則陽(yáng)極周圍的土中水會(huì)向陰極流動(dòng)，土中細(xì)顆粒向陽(yáng)

11、極移動(dòng)或壓密，前者稱電滲現(xiàn)象，后者稱電泳現(xiàn)象。,分減少，陰極處則增加。因此，電滲現(xiàn)象在粘土顆粒含量多且含水量大的飽和土層較顯著，若含水量接近塑性限界，則電滲現(xiàn)象很弱。電泳現(xiàn)象是帶負(fù)電荷的土顆粒由陰極向陽(yáng)極移動(dòng)，對(duì)土層起固結(jié)作用，從而對(duì)軟土地基有加強(qiáng)作用。電滲井點(diǎn)布置，（金屬棒——鋼筋和井點(diǎn)管的陰陽(yáng)極）。問題：降水方法的優(yōu)化選擇、降水對(duì)周邊建筑的影響。,三. 板樁法當(dāng)通過厚度不大的松軟巖層或不穩(wěn)定含水層的地下工程施工中，可采用板樁法施

12、工。板樁法的實(shí)質(zhì)是在地下工程尚未開挖前，在其開挖范圍以外，將板樁依次打入，穿過不穩(wěn)定含水層，插入到隔水層一定深度（即預(yù)先在地下構(gòu)筑防水帷幕）。此后，在板樁的臨時(shí)支護(hù)下進(jìn)行開挖與砌筑作業(yè)。條件：厚度不大（含水層厚度大，板樁未插入隔水層會(huì)發(fā)生何情況）、不含漂石、探頭石等。問題：地質(zhì)條件、水平抗力、封底。,第二講 凍結(jié)法,凍結(jié)法是通過人為制冷的方法，將土層（巖層）中的水凍結(jié)，形成有一定強(qiáng)度和厚度的凍結(jié)體（臨時(shí)防護(hù)結(jié)構(gòu)），在其保護(hù)下進(jìn)

13、行巖土開挖的特殊施工方法。它是受自然法的啟發(fā)發(fā)展起來的，人工凍結(jié)法和液氮或干冰（固體CO2）。下面簡(jiǎn)單介紹各方法的實(shí)質(zhì)。1。自然凍結(jié)法來自西伯利亞河床下金礦開采。（包括直接凍結(jié)和木垛加碎石凍結(jié)）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,自然凍結(jié)厚度,木垛,流動(dòng)水,流砂層,礦床,碎石,2-2 木垛加碎石凍結(jié)示意圖,圖2

14、-1 直接凍結(jié)示意圖,2．人工凍結(jié)法（壓縮機(jī)制冷） 即采用人工制冷的方法（如冰箱、冷凍機(jī)等），將巖土凍結(jié)。制冷的主要設(shè)備如下：,壓縮機(jī) 冷凝器（蒸發(fā)器） 調(diào)節(jié)閥如何將以上四種設(shè)備組成制冷系統(tǒng)。？關(guān)鍵是兩個(gè)要點(diǎn)：物質(zhì)的狀態(tài)變化伴隨熱量的傳遞，二是熱的傳遞規(guī)律（第二定律）。1 1）  熱量傳遞　　　　　 吸熱　　　　　

15、 吸熱 固態(tài) 液態(tài) 　 汽態(tài)（如水）　　　 放熱　　　　　　 放熱,,,,,現(xiàn)象：室內(nèi)噴水、涼水、酒精、丙酮擦身，立冬溫、開春冷等。 制冷的過程也就是利用某種特定的物質(zhì)的狀態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)的，這種物質(zhì)叫制冷劑。從上式分析，水變汽吸熱（100度），能做制冷劑嗎。必須是汽化溫度低于0度（必要條件），這類物質(zhì)很多，常用的有：氨（一個(gè)大氣

16、壓下，汽化溫度—35℃）、液氮——制氧副產(chǎn)品—195℃、CO2—78℃、氟里昂—30℃等。人為造成這類物質(zhì)狀態(tài)變換機(jī)制，即能實(shí)現(xiàn)制冷。如何構(gòu)建這種機(jī)制，這就是第二個(gè)問題。 熱量從高溫?zé)嵩吹降蜏責(zé)嵩磦鬟f是熱力學(xué)第二定律。我們的目的是將熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩磦鬟f，如何實(shí)現(xiàn)，這就是熱力學(xué)第二定律，外界作功。以氨為例說明制冷過程（地層或冰箱）——設(shè)備連接圖和壓焓圖。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

17、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,冷卻水循環(huán)——去冷水塔（+25℃） p,冷媒劑循環(huán)（-30℃）,供液管凍結(jié)管,回液管,1,2,３３｀,圖2-3 凍結(jié)系統(tǒng)示意圖,壓-焓圖 i,凍土,冷媒劑（鹽水）,4,2,1,4,３｀,3,制冷（劑）循環(huán),2）制冷、凍結(jié)原理飽和蒸汽氨（-35℃）由1進(jìn)入壓縮機(jī)，壓縮機(jī)對(duì)其作功，飽和蒸汽氨變成過熱蒸汽氨（+120℃），

18、沿等熵線到達(dá)2；過熱蒸汽氨等壓進(jìn)入冷凝器，與冷卻水進(jìn)行熱交換，轉(zhuǎn)化為飽和蒸汽氨（+30℃），到達(dá)3｀（+30℃）為飽和液態(tài)，繼續(xù)冷卻變?yōu)檫^冷液態(tài)3（+25℃），經(jīng)過調(diào)節(jié)閥，等焓降壓到4，進(jìn)行汽化，同時(shí)吸收周圍介質(zhì)（冷媒劑）的熱量，到達(dá)1（-35℃），至此完成一次制冷循環(huán)，周而復(fù)始，達(dá)到制冷的目的。鹽水（冷媒劑）在蒸發(fā)器內(nèi)，吸收氨氣的冷量，低溫鹽水由鹽水泵，有供液管進(jìn)入凍結(jié)管，與巖土進(jìn)行熱交換后進(jìn)入回液管，再回到蒸發(fā)器，完成一次鹽水循環(huán)

19、。循環(huán)的結(jié)果，鹽水不斷吸收巖土的熱量使其凍結(jié)，直到達(dá)到設(shè)計(jì)的凍土厚度。,人工凍結(jié)熱量傳遞的途徑是：巖土（凍土）→鹽水→氨→冷卻水→大自然。 作功冷源 熱源,,3）液氮或干冰（固體CO2）直接凍結(jié) 根據(jù)上述原理即不難理解液氮或干冰（固體CO2）直接凍結(jié)，它是針對(duì)一些局部的工程量不大的制水工程（成本高）。固體CO2可以直接汽化（密封高壓），液氮可直接汽化。（與打火機(jī)同理）問題：體溫混

20、凝土強(qiáng)度研究、斷管問題、凍脹壓力、溫度場(chǎng)、支護(hù)結(jié)構(gòu)、混凝土裂縫等。,第三講 水（泥漿）下澆注混凝土技術(shù),一．應(yīng)用情況此法引自水電部門，在水庫(kù)壩堤的防滲工程中稱其為“地下防滲墻”，水下筑墻、樁基、墩臺(tái)基礎(chǔ)、邊坡穩(wěn)定等常用此法。建筑部門用此法構(gòu)筑地基基礎(chǔ)，稱之為“地下連續(xù)墻”。,,,,,,,,已有建筑,擬建建筑,已有建筑,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,連續(xù)墻,滑動(dòng)面,邊坡,防滲墻,基巖,壩堤,已有建筑,圖3-1 水下（泥漿下

21、）澆注混凝土應(yīng)用事例,擬建建筑,已有建筑,二．特點(diǎn)及技術(shù)關(guān)鍵工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備少、施工安全、質(zhì)量可靠。適用有于松軟的穩(wěn)定土層，不應(yīng)有大的卵石、漂石。技術(shù)關(guān)鍵是：槽孔施工、泥漿下澆注混凝土及接頭的處理。三．泥漿護(hù)壁原理一般地，在槽孔施工中為了維護(hù)槽孔的形態(tài)（不塌孔），必須采取維護(hù)措施，一般采取水或泥漿護(hù)壁，即在造孔的過程中，始終保持孔內(nèi)充滿泥漿，泥漿的作用除了平衡土壓（水壓）力外，泥漿中的顆粒還充填了土的裂隙或孔隙，起到維護(hù)槽壁的作用。

22、 槽孔形成后，將泥漿排凈后可見槽壁表面有一層“泥皮”，有的泥皮薄而韌，而有的則厚而松。就是這層薄而韌的泥皮起著隔離和保護(hù)槽壁的作用（相當(dāng)于“噴層”），那么，泥皮是如何形成的？,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,泥皮,PJ,PN,圖3-2 泥漿護(hù)壁原理示意圖,四．壓氣洗孔原理 在水（泥漿）下，如何將鉆鑿下來的土體運(yùn)出地面？通常采用

23、壓氣排碴的方法，其原理如下：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,γxy,H0,鉆桿,Lw,鉆頭,壓氣管,壓氣排液器,圖3-3 壓氣洗孔原理示意圖,γx,h,γh,在鉆桿內(nèi)放入壓氣排液器。h ——揚(yáng)程；H0————排液器置入深度；Lw————尾管長(zhǎng)度；γx ——泥漿比重；γh——三相混合體比重；γxy——二相混合體比重。未通壓氣前：γx=γh=γxy（均為泥漿），系

24、統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)。通壓氣后：γx不變，γh下降，γxy上升，系統(tǒng)平衡打破，呈現(xiàn)以下狀態(tài)：γxy>γx>γh由于壓縮空氣進(jìn)入鉆桿，比重降低，在鉆頭底部形成負(fù)壓，盡而產(chǎn)生液體流動(dòng)，洗井液帶動(dòng)巖碴進(jìn)入鉆頭、鉆桿，最終排出地面，流入沉淀池凈化。同時(shí)，地面泥漿系統(tǒng)不斷向井內(nèi)補(bǔ)充新的泥漿，確保泥漿面水平不變。這里γh是變量，隨著氣泡的上升，氣泡逐漸變大，γh變小，流速增大。,五．泥漿下灌注混凝土1．泥漿下灌注混凝土的實(shí)質(zhì) （

25、1）沿槽孔的長(zhǎng)度方向布置若干垂直導(dǎo)管；（ 2）把地面配置好的混凝土同時(shí)注入導(dǎo)管；3）隨著混凝土頂面的上升，頂出泥漿（進(jìn)入地面泥漿池參與循環(huán)），同時(shí)提拔導(dǎo)管，直至混凝土灌滿整個(gè)槽段。 問題：接頭問題 ？,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,圖3-4 泥漿下灌注混凝土示意圖,混凝土,導(dǎo)管,泥漿,槽孔,2．  泥漿下灌注混凝土的施工要點(diǎn)（1）管底部高出基底300~500mm，頂部高

26、出泥漿面一定高度；（2）隨著混凝土面的上升，不斷提、拆導(dǎo)管，但必須保證其埋在混凝土一定的深度以防提漏；（3）開始灌注時(shí)導(dǎo)管內(nèi)必須放置隔水栓，以防止混凝土與泥漿的混合；（4）確定拔管時(shí)間，即不能過早也不能過晚；（5）混凝土必須連續(xù)一次澆注完畢，尤其是澆注開始，必須一次埋住導(dǎo)管 。,3.漿下混凝土的流動(dòng)規(guī)律 混凝土在不同的超壓力的作用下，呈不同的流動(dòng)狀態(tài)（規(guī)律），而不同的流動(dòng)狀態(tài)，直接影響混凝土的成型質(zhì)量，一般的混凝土

27、在泥漿下可能呈現(xiàn)以下狀態(tài)：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,⑴,⑶,⑵,⑵,（1）,⑵,⑶,（1）,⑶,,,,,,,,,,,,,,,圖3-5 漿下混凝土的流動(dòng)規(guī)律,,4.混凝土的技術(shù)要求泥漿下澆注混凝土是通過在導(dǎo)管內(nèi)靠自重下流、在超壓力作用下向兩側(cè)擴(kuò)散、頂升等環(huán)節(jié)完成的，因此與一般的混凝土澆注有所不同，要求混凝土有好的流動(dòng)性（不堵管、能流暢的擴(kuò)散及頂升），好的和易性（流動(dòng)時(shí)不離析、穩(wěn)定性好），在配比方面要保證混凝土的強(qiáng)度和抗?jié)B性

28、。一般的，混凝土的流動(dòng)性和和易性是對(duì)立的，解決的辦法是填加外加劑（如減水劑、緩凝劑，或適當(dāng)增加水泥的用量。5.直升導(dǎo)管法幾個(gè)參數(shù)的確定按泥漿下澆注混凝土的實(shí)質(zhì)及施工要點(diǎn)的要求，有以下幾個(gè)參數(shù)需要確定：h1—導(dǎo)管高出泥漿面的最小距離；h—導(dǎo)管埋入混凝土的最大深度；L—導(dǎo)管間距。,,,,,,,,,,,,,,,,,h1,h,γ2,γ1,h2,p,(1).h1的確定根據(jù)壓力平衡關(guān)系，可得導(dǎo)管出口處的超壓力p：p=γ1* h1+(

29、γ1-γ2)* h2從上式便可得到h1?；炷另樌麛U(kuò)散的基本條件是超壓力p≥0，但是由于混凝土為多相流體，p>k(k>0).（2）導(dǎo)管間距的確定一般地，導(dǎo)管的間距越小，混凝土的上升越平穩(wěn)、越均勻，否則混凝土上升表面坡度大，易將泥漿卷入混凝土。但同時(shí)灌注的導(dǎo)管多，灌注過程控制困難，目前還無(wú)理論計(jì)算方法，可按經(jīng)驗(yàn)，一般取3~3.5m。(3).管埋入深度的確定 如果將混凝土視為理想流體，從理論上講p>0即可流動(dòng)

30、，但混凝土為多相流體，其力學(xué)特征隨時(shí)間變化。如果導(dǎo)管埋的過深，則灌注困難（超壓力小、下部可能初凝），過淺則可能出現(xiàn)翻漿現(xiàn)象，該問題應(yīng)進(jìn)行理論試驗(yàn)研究，一般的取1.5~2.5m.,六.接頭處理技術(shù)一個(gè)完整的地下連續(xù)墻是有若干個(gè)槽段組成的，問題是如何將槽段與槽段連接成一個(gè)整體，使其即防滲，又有一定的連接強(qiáng)度，這就是接頭的處理問題。接頭的形式有多種，一般的有以下幾種：（1）弧型接頭 Ⅰ

31、 Ⅱ  弧型接頭（Ⅰ——第一槽段；Ⅱ——第二槽段）利用弧型鉆頭造孔，該接頭即承壓又抗?jié)B，是較理想的接頭方式，問題是如何實(shí)現(xiàn)該接頭？（加一鉆）,,（2）直線型接頭 ⅠⅡ 該接頭形式利用矩形鉆頭（抓斗）造孔，即不穩(wěn)定，也不抗?jié)B，易造成兩槽段間不連續(xù)，達(dá)不到抗?jié)B加固的目的，一般不宜采用。澆注混凝土之前，在形成的槽段兩端，放置形狀適宜的隔板（鋼板、預(yù)制鋼筋混凝土隔板等

32、），固定后建筑混凝土。  該接頭的技術(shù)關(guān)鍵是，要求有一定剛度的隔板，安裝時(shí)不偏寫斜、不扭轉(zhuǎn)。,,（3）隔板接頭,隔板,（4）間隔接頭間隔接頭Ⅰ Ⅱ （1） （2） （3）,導(dǎo)向孔,分別或同時(shí)構(gòu)造Ⅰ、Ⅱ槽段并澆注混凝土（1）；在兩槽段中間鉆導(dǎo)向孔（2）；利用雙反弧沖擊鉆頭造孔并澆注混凝土，實(shí)現(xiàn)Ⅰ、Ⅱ槽段的連接。（5）預(yù)留法接頭見圖*所示，

33、該法要點(diǎn)為：在混凝土澆注之前，預(yù)先在槽段的兩端下放接頭管，邊澆注混凝土邊拔導(dǎo)管，最后形成凹型的連續(xù)墻兩側(cè)端頭。問題：接頭結(jié)構(gòu)形式、提拔力的確定、提拔時(shí)間的確定等。,間隔接頭,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,接頭管,圖3-5 預(yù)留法接頭示意圖,注漿理論與實(shí)踐第四講：概論,一 ．注漿技術(shù)的提出 地下工程施工（地表以下各類建筑物與結(jié)構(gòu)物的總稱）與地面建筑施工相比更多地受到地質(zhì)與

34、水文地質(zhì)的影響，增加了工程的難度，延誤工期、加大成本。在施工中經(jīng)常遇到以下問題： 1.涌水（冒水）：如深基坑開挖（也可通過地面井點(diǎn)排水解決）、地鐵、隧道工程、人防工程、礦山井巷工程、露天開采工程、地下商業(yè)街等，施工中常常遇到涌水問題，無(wú)法正常施工。這些地下水可分為靜水（自然水頭）、動(dòng)水（地下暗河）、承壓水（隔水層）。巖土開挖后，地下水由于失去平衡而沿著巖層的裂隙或土層的空隙涌入地下空間，危機(jī)人身安全。,2． 

35、60;   漏（滲）水：地下結(jié)構(gòu)施工或竣工使用后，在地下水頭的作用下，地下水會(huì)沿著結(jié)構(gòu)縫、施工縫或質(zhì)量薄弱部（在水環(huán)境下難以保證施工質(zhì)量）位漏（滲）入地下空間。如地鐵、隧道、地下室、壩體漏（滲）水、礦山井巷、洞室等，也可以通過敷設(shè)隔水層加以解決。3．  沉降與失穩(wěn)：受軟巖、地下降水或人為擾動(dòng)的影響，建筑物可能產(chǎn)生沉降甚至失穩(wěn)，如比薩斜塔、西安大雁塔等；建筑物倒塌事故（平均每天一棟，80%以上是基

36、礎(chǔ)的處理不當(dāng)或未處理所造成的）；地下空間開挖后的塌落（冒頂或片邦）；路基路面的突起或塌陷等。,．二.注漿法的含義及其應(yīng)用1．注漿法的含義及其工藝過程 含義：就是將可凝固的漿液在注漿壓力的作用下，注入到巖層的裂隙或土層的孔隙中，用以堵水或加固（通俗地講就像醫(yī)生給病人注射液體類似---血管既裂隙，不同的是注入的材料不同，否者即為人為“血栓”。注漿法的關(guān)鍵是可凝固的漿液（注漿材料）和有一定的注漿壓力。工藝過程：漿液配制同時(shí)鉆孔

37、和注漿設(shè)備安裝→壓水實(shí)驗(yàn)→注漿→壓水→質(zhì)檢→施工。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,圖4-1 注漿工藝過程示意圖,2．注漿的目的及其應(yīng)用 注漿的目的在于堵水、加固或二者兼有之，實(shí)質(zhì)是人為地改變客觀的地質(zhì)環(huán)境。如地下工程的堵水加固工程、壩體防滲工程、山體護(hù)坡（邊坡穩(wěn)定）工程、建筑基礎(chǔ)（房屋、橋梁等）加固工程及路基加固工程

38、等。,三．注漿基本理論（一）。注漿堵水（加固）原理 (A).滲流注漿原理（即巖層裂隙中的擴(kuò)散規(guī)律---充塞作用）在巖層裂隙注漿中常用單液水泥漿或水泥---水玻璃漿。水泥漿屬于懸濁液的非穩(wěn)定材料（靜放后有沉降），水泥漿在巖層裂隙中的流態(tài)是由紊流變?yōu)閷恿?，在層流狀態(tài)下固體顆粒沉降而產(chǎn)生充塞作用（紊流狀態(tài)中固體顆粒呈脈動(dòng)流動(dòng)，使其保持懸浮狀態(tài)，層流狀態(tài)中固體顆間無(wú)交換現(xiàn)象，顆?？孔灾叵侣?，沉積凝固）。如何判定紊流還是層流?一般地采

39、用流體力學(xué)中的雷諾數(shù)作為判定的依據(jù)：Re=V.de. ρ/μc =V.2h. γ/μc.g式中 V——平均速度； de——裂隙相當(dāng)直經(jīng)； h ——裂隙開度； ρ——漿液密度；,γ——漿液容重； g——重力加速度; μc——液體有效粘度。 層流： Re≤2100 V.h 小時(shí)

40、 對(duì)于粘塑體漿液： 紊流: Re ≮ 2100 V.h 大時(shí) 流速與注漿壓力關(guān)系密切，在一定過水?dāng)嗝?，注壓大、流速高，但是隨著液流長(zhǎng)度的增加壓力減弱（克服裂隙的摩阻力）、流速降低、Re減小，即漿液由紊流變?yōu)閷恿鳎囝w粒開始沉降。可以出現(xiàn)以下

41、不同階段：,,圖4-2 滲流——堵塞過程示意圖,P,r,P,v,,,(a),(b),(d),(c),(a) 階段：漿液在注漿壓力作用下通過注漿孔進(jìn)入巖層裂隙，此時(shí)注漿壓力必須大于水壓力。壓力（Pa）、流速（Vk）沿流程逐漸降低，流速分布如圖（沿壁V=0）；(b) 階段：上部水泥顆粒降入中區(qū)被帶走，下部沉積，故過漿斷面縮小，壓力、流速增加，但不足以將全部沉積物帶走；(c) 階段：在這些沉積物的后面，壓力、流速突然減低，并在其后發(fā)生新

42、的沉積；(d) 階段：隨著沉積床的增大，流量減少、壓力增大，沉積床上端發(fā)生沉積，直到整個(gè)鉆孔，至此完成裂隙全過程充塞過程。,注漿是一項(xiàng)隱蔽工程，即看不見摸不著，上述過程是理論分析的結(jié)果，反映在注漿壓力、漿液流量的變化（可控變量）見下圖。,圖4-3 滲流注漿P---t曲線,t,P,Qmin,P0,注意的幾個(gè)問題： * 漿液的凝膠時(shí)間（時(shí)間的長(zhǎng)與短均是不允許的）； * 不能立即卸壓（待結(jié)石體有一定強(qiáng)度）。(B).管道（割裂或脈

43、狀）注漿 粘土層或細(xì)砂土層的擠壓加固注漿（利用化學(xué)漿或磨細(xì)水泥高壓注漿）。在注漿過程中，首先是孔隙水被排除，漿液擠入孔隙并沿薄弱部位壓出一樹狀通道，隨著漿液的不斷擴(kuò)散，土層的密實(shí)性、抗?jié)B性穩(wěn)定性增加（枝體間的土體被壓密、枝體為“筋體”）,形成有一定強(qiáng)度的復(fù)合體，見圖4-4。,（C）。滲透注漿（均勻擴(kuò)散）在流砂層、粗砂層，采用單液水泥漿、化學(xué)漿、 或磨細(xì)水泥漿，高壓注入。過程為：均勻排水、漿

44、液擴(kuò)散、擠壓、密實(shí)，形成固砂體。,圖4-4 管道注漿原理圖,（二）。注漿參數(shù)的基本方程（均勻土層）滲流微分方程： Qo = Kf. W /(dp/dr). μ 式中 Qo ——注入量； Kf——砂層滲透系數(shù)； μ——漿液動(dòng)力粘度； W ——柱體表面積.（三）。注漿參數(shù) 注漿參數(shù)包括注漿壓力（Po）、注入量（Qo）、擴(kuò)散半徑等，是控

45、制施工、保證施工質(zhì)量的關(guān)鍵，后面有專門論述。,圖4-5 滲透注漿原理圖,四．注漿技術(shù)所涉及的主要技術(shù)問題1. 地質(zhì)及水文地質(zhì)影響 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件千差萬(wàn)別，注漿工程施工前，科學(xué)準(zhǔn)確地探測(cè)、分析研究地質(zhì)及水文地質(zhì)狀況（如含水量、賦存深度、水壓、水質(zhì)、裂隙產(chǎn)狀、孔隙率等）是保證注漿效果、甚至是工程成敗的關(guān)鍵。目前的探測(cè)手段（抽、壓水、超聲波等）可靠度低（30%左右），對(duì)工程造成極大的被動(dòng) 。2.注漿材料的影響

46、 注漿材料是注漿技術(shù)的主體，注漿材料的性能直接影響注漿效果及注漿成本（注漿材料占注漿總成本的40%~70%，材料從幾公斤~幾千噸，價(jià)格從幾百元/噸~幾十萬(wàn)元？噸）。同時(shí)對(duì)注漿技術(shù)的發(fā)展起主導(dǎo)作用。對(duì)注漿材料的總要求體現(xiàn)在“三性”的控制上，即可注性、可控性和抗?jié)B性。,l可注性是指漿液的流動(dòng)性好（粘度?。B透能力強(qiáng)；l可控性是指漿液凝膠時(shí)間人為控制，即不能擴(kuò)散的過遠(yuǎn)有能達(dá)到要求的距離；l抗?jié)B性是指漿液結(jié)石后有較強(qiáng)的抗?jié)B水能力。3．

47、注漿參數(shù)的影響 為了最大限度地克服注漿的盲目性，實(shí)現(xiàn)注漿工程的科學(xué)化，就應(yīng)有科學(xué)的控制參數(shù)，對(duì)注漿工程實(shí)現(xiàn)全過程控制。,4．注漿設(shè)備的影響 注漿設(shè)備是注漿工程的必備硬件。注漿設(shè)備系統(tǒng)簡(jiǎn)單、操作方便，主要包括：注漿泵（動(dòng)力源，有單液泵、雙液泵、液壓泵、電動(dòng)泵及風(fēng)動(dòng)泵等）、攪拌機(jī)（風(fēng)動(dòng)、電動(dòng)）、混合器（類似“三通”實(shí)現(xiàn)不同漿液的均勻混合）、止?jié){塞（防止跑漿、實(shí)現(xiàn)分段注漿的技術(shù)手段。5．注漿方式（方案）的影響 根據(jù)

48、地質(zhì)及水文地質(zhì)條件的要求，一般把注漿方式（方案）分為：預(yù)注漿、后注漿、前進(jìn)式注漿、后退式注漿，如果選擇不當(dāng)既浪費(fèi)材料、增加工程難度，也難以保證注漿效果。,五．注漿新技術(shù)簡(jiǎn)介 旋噴注漿法，即利用高壓水射流旋轉(zhuǎn)切割土體，同時(shí)進(jìn)行泥漿、水泥漿地下攪拌，形成地下混合灌注樁；綜合注漿法，即將以粘土為主作為注漿材料，配備可移式注漿站（注漿臺(tái)車）；直接堵漏技術(shù)，即對(duì)構(gòu)筑物的滲漏水直接封堵（需特殊的材料及設(shè)備）；還有其他的化學(xué)注漿新技術(shù)等。問題

49、：注漿技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展；注漿堵水應(yīng)用技術(shù)；注漿加固應(yīng)用技術(shù)；注漿在路基加固工程中的應(yīng)用等。,第五講：注漿參數(shù)一 .注漿壓力 注漿壓力是給予漿液擴(kuò)散、充塞、壓實(shí)的能力。壓力過大則漿液擴(kuò)散過遠(yuǎn)，造成浪費(fèi)，壓力過小則漿液難以進(jìn)入，或達(dá)不到所需的厚度而造成注漿失效。影響注漿壓力的因素很多，可用以下函數(shù)關(guān)系表示： Po=f(H, Ro , μ, 1/K , 1/t) 式中 H——水頭壓力；

50、 Ro——擴(kuò)散距離； μ——漿液粘度； 1/K——裂隙開度； 1/t——凝膠時(shí)間。,,把所有的因素都表述出來或考慮進(jìn)去是不可能 的，也是不科學(xué)的，一般的常用以下公式計(jì)算： 1．    以地下水壓為計(jì)算依據(jù)：Po′=(2~2.5) PbPo′=3~5+Pb式中 Po′——受注點(diǎn)注漿壓力； Pb——受注點(diǎn)最大水壓力。．2.&#

51、160;   以水壓力同時(shí)考慮巖層產(chǎn)狀為計(jì)算依據(jù)：Po′=N. Pb式中 N——與裂隙產(chǎn)狀有關(guān)的參數(shù)。,此外還有在特定環(huán)境下推導(dǎo)的公式，如H.B佳賓公式等。 二．注入量注入量是了解漿液的充塞狀態(tài)、選擇注漿泵、材料估算及配制漿液的依據(jù)，有如下計(jì)算方法：1 ．   依據(jù)壓水實(shí)驗(yàn)估算：Qo= K. q.Pb. h式中 K——灌注系數(shù)； q——吸水率；

52、 h——注漿段高度。,,2．   按理想狀態(tài)下柱狀體（如滲透注漿）估算：Qo= A. π. R 2.h. n. β式中 A——漿液損耗系數(shù) R——擴(kuò)散半徑； n——孔隙率，%； β——漿液充填系數(shù)。 三． 有效擴(kuò)散半徑 有效擴(kuò)散半徑或叫有效擴(kuò)散距離是指漿液擴(kuò)散后形成有效堵水或加固厚度所需要的擴(kuò)散距離。下面以裂隙注漿為例探討如何估算有效擴(kuò)散距離。,

53、為了使問題明了化，便于問題的研究,做如下的簡(jiǎn)化，即將結(jié)石體簡(jiǎn)化為直徑為裂隙開度δ的圓柱體，柱體的表面積所受的抗剪切應(yīng)力為τc，，則合抗力為Tc，擋水?dāng)嗝嫠軕?yīng)力為Pb.，合力為Fb。為保證有效堵水則應(yīng)滿足： Tc≥Fb Tc=π. δ.E. [τc] Fb=π. Pb..δ2 /4 代入上式簡(jiǎn)化后得出有效擴(kuò)散距離為：E≥N. δ.Pb./ [τc] (N：綜合系數(shù))

54、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Pb.,,τc,R=,,,牛頓流體球狀滲透當(dāng)漿液僅從注漿孔端部注入時(shí)，可以設(shè)想為以該點(diǎn)為中心的球形注漿。馬格(Maag)應(yīng)用達(dá)西(Darcy)定律作為原始公式推導(dǎo)了注漿的滲透理論公式。根據(jù)達(dá)西定律，得出漿液的擴(kuò)散半徑：,第六講 注漿材料 注漿材料即是配制漿液的原材料，這種材料配制出的漿液基本特點(diǎn)是其物體特征是可變的，即由液相變?yōu)楣滔啵ㄓ梢后w狀態(tài)變?yōu)楣腆w狀態(tài)），以實(shí)現(xiàn)堵水加固的作用。一． 注漿

55、材料的技術(shù)要求（技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)）不是所有的材料都可以作為注漿材料的，必須符合行業(yè)的技術(shù)要求，下面從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面探討注漿材料的基本要求。定性分析：1。有良好的可注性，即粘度低、流動(dòng)性強(qiáng)、滲透力高；2。良好的穩(wěn)定性，即不沉淀、不離析；3．凝膠時(shí)間可調(diào)，能滿足特殊情況的要求，如動(dòng)水情況；4．結(jié)實(shí)后的收縮量小，結(jié)石率高、抗?jié)B性強(qiáng)；5． 對(duì)環(huán)境無(wú)污染且成本低。,定量分析通過實(shí)驗(yàn)手段測(cè)試其性能參數(shù)，主要參數(shù)包括：1．粘度

56、：流體流動(dòng)時(shí)內(nèi)摩阻力的大小。粘度的大小與材料的組成、性質(zhì)、配比及環(huán)境溫度等因素有關(guān)，通常以“秒”、“泊”、“厘泊”為計(jì)量單位；2．滲透能力：即漿液進(jìn)入巖層的難易程度。對(duì)懸濁液取決于內(nèi)中顆粒的大小，對(duì)溶液則取決于粘度的大小；3． 凝膠時(shí)間（指初凝時(shí)間）：指漿液開始攪拌到失去自由流動(dòng)性的這段時(shí)間，以“秒”、“分”、“小時(shí)”表示。以肉眼觀察或?qū)嶒?yàn)測(cè)定；4．  滲透系數(shù)（Kf）：指結(jié)石后的抗?jié)B水能力，由滲

57、透儀測(cè)定；5． 抗壓強(qiáng)度：指結(jié)石體的單軸或雙軸抗壓強(qiáng)度，意義不大。,,,,,,,,,,圖6-1 不同漿液的粘度變化,μc,μw,t,． 二.幾種常有的注漿材料 施工中常用的注漿材料有：?jiǎn)我核酀{、水泥---水玻璃漿（CS）、化學(xué)漿（水玻璃類、脲醛樹脂類、烙木素類、聚氨脂類、丙烯酰胺類等）。11．  單液水泥漿 常用的水泥品種有325#、425#普通硅酸鹽水泥。這種漿液配制簡(jiǎn)單，結(jié)石后的強(qiáng)度

58、高，但是其穩(wěn)定性差、結(jié)石率低、凝膠時(shí)間長(zhǎng)（長(zhǎng)達(dá)十幾個(gè)小時(shí)），一般僅用于裂隙巖層靜水條件下。 為了改善單液水泥漿的性能常加入某些添加劑，如NaCl、水玻璃、紅星1#、2#等，或采用水泥新品種，如磨細(xì)水泥、膨脹水泥、速凝水泥等。,1．  CS漿液 在單液水泥漿中加入少量的水玻璃是為了加速漿液的凝膠（占水泥量的1~1。5），當(dāng)水玻璃加到一定程度，單液水泥漿的特性發(fā)生了質(zhì)的變化（凝膠時(shí)間可調(diào)、穩(wěn)定性增強(qiáng)、抗?jié)B性

59、好），經(jīng)過工程實(shí)踐，形成了較為完善的雙液漿體系。CS漿是我國(guó)注漿工程中最常用的注漿材料，常用于裂隙大水、動(dòng)水、壁后注漿、直接堵漏注漿的情況， 水玻璃又稱刨花堿（Na2O.nSiO2）——含氧硅酸鈉，是石英砂與碳酸鈉在高溫條件下反應(yīng)而得到的副產(chǎn)品，與水泥的理化反應(yīng)尚不完全清楚，初步認(rèn)為是與水泥中的反應(yīng)生成含水硅酸鈣（CaSi.nH2O），其兩個(gè)重要的性能指標(biāo)是模數(shù)和波美度，分別以下式表示：,M=SiO2/Na2O 取

60、2。4~2。8 Be’=145-145/γ 取30~35 衡量漿的兩個(gè)重要指標(biāo)是凝膠時(shí)間和抗壓強(qiáng)度?？箟簭?qiáng)度：與水灰比（w/c）、環(huán)境溫度、水泥與水玻璃比（c/s）等因素有關(guān)，其中有最佳級(jí)配的問題，即一定量的與一定量的水玻璃反應(yīng)，當(dāng)比例相當(dāng)時(shí)強(qiáng)度最高 。在未達(dá)到以前c/s越高反應(yīng)越充分，強(qiáng)度越高，當(dāng)?shù)扔趕/c#時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最高值，當(dāng)超過s / c #時(shí)，再增加水玻璃則強(qiáng)度下降（多余的水玻璃不參與反應(yīng)

61、，而水玻璃本身是沒有機(jī)械強(qiáng)度的）。,圖6-2 σ與s/c關(guān)系曲線,σ,s/c,,s/c#,凝膠時(shí)間：影響漿液凝膠時(shí)間的因素很多，如水灰比、水泥品種、水玻璃濃度、c/s、環(huán)境溫度等，①.水泥品種的影響：含硅酸三鈣越多凝膠時(shí)間越短；水泥越新時(shí)間越短；w/c越小時(shí)間越短。②.水泥漿及水玻璃濃度的影響：在w/c一定的條件下波美度越高則凝膠時(shí)間越長(zhǎng)；在波美度一定的條件下w/c越高 則凝膠時(shí)間越長(zhǎng)。③.溫度的影響：溫度越高則凝膠時(shí)間越短。,t

62、 t t w/c w/c T 圖6-3水泥品種的影響 圖6-4水泥漿及水玻璃濃度的影響 圖6-5 溫度的影響 注： 普通硅酸鹽水泥 3

63、5 Be’ 礦渣硅酸鹽水泥 40 Be’ 過期水泥 45 Be’,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,④. c/s（水泥與水玻璃的體積比）的影響：上述三種影響凝膠時(shí)間的因素理論上是成立的，但在施工中不易人為準(zhǔn)確控制。而通過調(diào)整水泥與水玻璃的體積比就能較準(zhǔn)確地控制凝膠時(shí)間，雙

64、液注漿通過控制兩種漿液的不同流量而達(dá)到上述目的。 t s/c 圖6-6 s/c（水泥與水玻璃的體積比）的影響 （注：w/c=

65、1：1，自下而上分別是30~45 Be’）從圖4-12得出以下結(jié)論：在w/c一定的條件下水玻璃增加則凝膠時(shí)間加長(zhǎng)；水玻璃濃度越高則凝膠時(shí)間越長(zhǎng)。3.  水玻璃類漿液（溶液型） 水玻璃本身不能稱做注漿材料（即不能從液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)），只有在固化物的作用下才能產(chǎn)生凝膠物。一般地需加入酸性鹽或有機(jī)物，產(chǎn)生硅酸——穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。,,水玻璃遇水發(fā)生如下水解反應(yīng)： Na2O.nSiO2+H2O=2NaOH+n.SiO2

66、如果向水玻璃水溶液中投入酸、酸性鹽和某些有機(jī)化合物均能消耗掉體系內(nèi)含有的NaOH，打破上述平衡，使反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，同時(shí)產(chǎn)生大量的硅酸，而硅酸呈凝膠體狀態(tài)。 硅酸形成的穩(wěn)定三元體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其分子結(jié)構(gòu)如圖所示： ∣ ∣ ∣ ∣—O—Si—O—Si—O—Si—O—Si—O—∣ ∣ ∣ ∣O O O O∣ ∣ ∣ ∣—O—si

67、—O—Si—O—Si—O—Si—O—∣ ∣ ∣ ∣,水玻璃類注漿也稱為硅化注漿，下面舉兩個(gè)硅化注漿的例子： （A）。水玻璃——氯化鈣（CaCl2）漿液 此類漿液主要用于建筑、交通部門的地基加固工程，其化學(xué)反應(yīng)如下式所示：Na2O.nSiO2+CaCl2+H2O=Ca(OH)2+n.SiO2+2NaCl  水玻璃：模數(shù)=2.5~3.0 波美度

68、Be’=43~45 漿液配比方案 氯化鈣：γ=1.26~1.28 模數(shù)=2.5~3.0 水玻璃：氯化鈣=0.8：1,,此類漿液可在瞬間凝固，按常規(guī)注漿工藝是不可行的，而應(yīng)結(jié)合漿液的特點(diǎn)探討新的施工工藝，下面介紹三套方案。方案一：交替注漿法 注入定量的水玻璃→沖洗管路→注入定量的CaCl2→沖洗管路。。。。。。。。。方案二：地層混合注漿法兩套獨(dú)立的注漿系統(tǒng)，分別注入兩種

69、不同的漿液，地層中混合。方案三：電滲注漿法注漿系統(tǒng)與方案二基本相同，只是在注漿管上加上直流電以增加漿液的擴(kuò)散能力。（B）.水玻璃——鋁酸鈉漿液(鐵道部科研院的科研成果)漿液配比方案：一般的取S:AL=1:1 也可根據(jù)需要調(diào)制。凝膠時(shí)間1min左右，可采用地面混合器注漿方式。,,1．  4.聚氨脂類（溶液型） 屬于高分子聚合物，其特點(diǎn)是該漿液不容于水，見水發(fā)泡膨脹，凝固后體積增大8~9倍，但成本高，價(jià)格昂貴，2萬(wàn)元/