注浆加固原理

3 注浆作用机理

3.1 注浆理论基础

3.1.1 浆液的可注性根据尺寸效应定理，进行渗透注浆的前提是满足浆材对空隙

的尺寸效应，即

假定粒状浆材的颗粒尺寸为d，地层的空隙尺寸为D p

，则浆液渗入空隙的前提条

件为

D

R p 1

E d

式中：R E

—净空比。

一种迄今流行的理论认为，当净空比R E

≥3 时，用下式作为渗入性注浆设计

注浆材料的基础。

D

R p 3

E d

3.1.2砂砾石注浆

目前尚无有效方法可以测出D p

值，需采用数学方法加以估算，有效孔隙比

的计算公式如下：

D

e p

E D

式中：e E

—砂砾石的有效孔隙比；

s

g

D —砂砾石的颗粒直径。 由于河床砂砾石一般都受过比较充分的摩擦。试验证明，河床砂砾由于颗粒 大小混合而堆积得比较紧密，其有效孔隙比多变化在 0.195～0.215 之间，计算时 取平均值 0.2，于是上式可以简化为：

D p 0.2D

因此，评价砂砾石可注性的简化公式为：

N D

r d

D 15 D 85

15

该式被国内外广泛采用。

3.1.3 裂隙岩石注浆 在岩层中钻孔取样虽然比在砂砾石层中容易，但想从岩芯中得到有关空隙尺

寸的准确资料目前仍很困难。以下为根据一般水文地质资料估算空隙尺寸的近似 方法，可供注浆时参考。

设一宽度为

的平面裂隙被半径为

r 0 的钻孔垂直地穿过并用压力 p 进行压 水，则该裂隙的吸水量可按下式进行计算：

p

3

q 1

6

lg(R / r 0 )

式中： q

1 —裂隙吸水量，

L / min ； —裂隙宽度，mm ；

—水的粘度，厘泊；

R —水的扩散距离，m ； p —压水压力，MPa ； r 0 —钻孔半径，

cm ； 可注比值

N r 的估算公式

Mtchell J.K.给出以下可注比值

N r 的估算公式（见下表） 影响渗入注浆

可注性的主要因素还有浆液的粘度。粘度越大，流动阻力也越

大，能灌注的影响半径也越小，或需要用较高的压力以克服其流动阻力。

注浆加固原理

可注比N r 的估算公式

N r (D15 )s N r (D10 )s N r

/(D95 )g 持续可注性持续可注性持续可注性

(D、(D粒直径；

15 s10 s

注浆加固原理

(D85 )g 、(D95 )g —根据将材颗粒分析试验求得的粒径级配曲线中85%和95%的颗粒直径；

—岩层裂隙的宽度。

3.1.4 浆液在岩层中的运动形式和规律浆液在岩土层的运动和凝胶规律是根据

地层性质及其导浆结构、浆液类型及

流线特性、注浆方式和参数选取而决定的，一般浆液运动形式和规律分两大类。

（1）孔隙性岩土层渗透注浆孔隙性岩土层是由许多相互连通的网状孔隙而形成的导浆系统。当浆液材料

与孔隙通路相适应，在注浆压力不大的条件下，浆液以渗透方式注入孔隙。这时，浆液的运动形式是渗透—扩散—胶凝，最后将松散的固体颗粒胶结成整体。这种注浆，浆液流动符合液体渗流定律，浆液是以注浆孔为中心向外扩散。

在注浆过程中，注浆压力克服浆液流动的粘滞阻力和自身的凝胶阻力，随着浆液扩散距离的延长和注浆时间的延续，阻力增加，注浆压力逐渐升高，直到浆液的扩散范围达到设计要求时，即可停止注浆。注浆压力和扩散半径、浆液粘度、松散岩土的颗粒直径和形状、级配等因素有关。

（2）裂隙岩层渗透注浆由几组裂隙相互切割连成网状裂隙而形成的导浆系统，根据浆液性质不同，

运动可分为：

①溶液类和胶体类浆液的运动规律这种浆液的流动规律符合渗透定律，浆液

的流动、扩散和凝胶规律与前述相

似。

②悬浊浆液的运动规律从整体上看它仍服从渗流定律，但从微观上看，悬浊

浆液在裂隙中的流动可

以认为是固体颗粒的水力运输。浆液逐渐凝固硬化成结合体，由于结石率小于１，故岩层内仍有一定间隙，

因此，加大注浆压力，这会使原有裂隙有所扩大，注浆后扩大的裂隙回缩，能使裂隙完全封闭。而且由裂隙回弹产生的压力是大面积的法向正应力，它能在厚度仅为1mm 左右的浆层中造成巨大的压力梯度，对浆液的排水固结特别有效。

萨巴得提出，在平均注浆压力p a 作用于裂隙面为半无限弹性介质的岩体上，注浆孔荷载作用中心位置的岩石弹性变形，可依下式计算：

4 1 2

p a R

E

注浆加固原理在注浆方向上的裂隙边缘变形量为：

8 1 2

p a R

r

E

式中：0 —荷载中心位置裂隙变形，m； E —岩石弹性模量，MPa；

—岩石泊松比；R —径向注浆距离，m；p a —平均注浆压力，MPa。

③管道型注浆

1）孔隙性岩层人工压裂管道型注浆孔隙性岩层内，由于浆液材料与孔隙通路不相适应或采用了高压注浆，浆液

不能以渗透方式逐渐注入到孔隙中去，而是继续在注浆压力作用下，当压力升高

到一定高度，便在地层的薄弱部位形成压裂脉状管道导浆系统。

浆液的运动过程是压裂—流动—凝胶，如此反复多次，直到形成树枝状或脉

状切割的胶凝带而不再被压裂为止。与此同时，松散地层被压密，渗透系数减小，地层透水能力降低。因此，地层强度有所提高，可起到阻水、防渗、截流、固结

的作用。

注浆压力起着压裂地层，扩大浆液通道及克服流动阻力的作用。在实施过程中其变化规律是：压力开始上升，地层压裂后压力下降，同时浆液扩散距离受胶凝时间和浆液粘度的影响；浆液凝胶后再加大注浆压力，浆液凝胶后的地层再压裂，形成新的通道；如此反复多次，压力一次比一次升高，直到地层压密达到设计要求的渗透系数和扩散半径决定于浆液凝胶时间，所以，注浆参数是根据经验和试验决定的。

2）岩溶层管道型注浆浆液在裂隙中的运动是按管道流方式进行，其特点是流动—扩散—凝胶。注

浆压力是用来克服浆液与岩壁间的摩擦阻力、粘结力和局部（弯曲、变径）阻力以及静水压力。管道流动阻力比渗流要小，因此，浆液扩散范围较远。为避免浆液流失，一般采用低压灌注，间歇注浆，并控制凝胶时间。

注浆压力与管道直径、注浆流速、扩散距离、浆液性质以及岩壁粗糙程度和弯道大小、变径情况等因素有关。可根据管道流压力降公式计算，或反求扩散半径，由扩散半径控制凝胶时间。

3.2 渗透注浆理论

渗透型注浆取决于三个基本要素，即浆液流变学特性，渗透流线特性及浆液在地层中的扩散形态。浆液的流变学特性：

du 或

du

r 0

l

dy dy

该式称为浆液的物理方程。 浆液的流线特性曲线和基本方程如表。

浆液流变特性曲线和

方程

流线形态 层流 紊流

雷诺数 <10 10～100 100～2000 渗流特性 线性 非线性 非线性

特性曲线

v

周

基本方程 线性渗流定律 达西定律 V k g J

非线性渗透定律

哲才公式V k J 1/ 2 g

福熙海麦公式V

aV

bV 2

浆液在地层中的实际扩散形态相当复杂，很难使它按照需要实行人工控制。 它主要受地层的矿物组成、软硬程度和其中的空隙形态所制约。根据注浆机理大 体上可分成脉状扩散和渗透扩散两种。脉状扩散是浆液沿着地层原有的和因劈裂 形成的裂隙通道扩散扩散，其形式类似于脉管；渗透扩散是浆液沿着地层岩土、 砂颗粒之间的孔隙均匀扩散基本上不改变地层颗粒位置，类似于水在其中渗透。

一般说来，在裂隙岩层中注浆，浆液多呈脉状扩散，只有在溶洞充填物、断 层破碎带和软弱夹层、砂、砾土中才可能会有部分渗透扩散。浆液的扩散形式，虽然浆液在扩散中其表面是不规则的，但在理论计算仍按均匀扩散考虑。扩散形 式有柱面、球面、柱面—半球面三种，如下图所示。

l

(a)(b)

(c)

柱面扩散球面扩散柱面－半球面扩散

浆液在地层中的扩散

形态

3.3 压密注浆理论

压密注浆是指通过钻孔在土中注入极浓的浆液，随着注浆量的增加，在持续压力作用下在注浆点使土体压密而形成浆块。

压密注浆的主要特点之一，是它在较软弱的土体中具有较好的效果。此法最常用于中砂层，粘土地层中若有适宜的排水条件也可采用。可发现和加固最软弱的土体带。

经实践得出：注浆体的扩大会导致土体内出现复杂的径向和切向应力体系。在紧靠浆块处的土体存在大的破裂、剪切和塑性变形带。这一带的土体密度由于挠动而降低。随着从土体到浆块的增加，土体变形主要为弹性变形，而土体密度有明显的增加。

3.4 劈裂注浆理论

劈裂注浆指在压力作用下，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起岩石土体结构的破坏和挠动，使其沿垂直于小主应力平面上发生劈裂，使地层中原有的裂隙或孔隙、浆液的可注性和扩散距离都增大，而所有的注浆压力相对较高。

在岩层中，一般假定地层为一各向同性、均匀连续的线性弹性体，因而可用下述方程表达钻孔井壁处开始发生水力劈裂的条件：

*垂直劈裂

p0

1 2K S t

h 1

N

3 h

1

*水平劈裂

? p0

1

1 S t

h 1

N1

h

式中：p0 —注浆压力，MPa；h —由岩石重量产生的垂直应力，

Pa；

—岩石的泊松比；K3 —侧压力系数；S t —岩石的抗拉强度，MPa；

N1 —用来扩张孔劈的液体压力比例系数，与地层渗透性和浆液粘度等有关，

变化在0～1 之间，对不透水岩石N1 值等于1，透水性较大的岩石N1 值接近零。在实际注浆过程中却常常发生水力劈裂，其主要标志是注浆时岩层表面出现

不同程度的上抬或耗浆量突然增加。出现低压劈裂的现像是因为岩层存在不同形

式的软弱构造。