水泥注浆加固的适用条件和适用条件

注浆加固_边坡稳定性分析与

8.6　注浆加固

8.6.1　注浆加固的实质

注浆稳定滑坡体，是用注浆泵通过注浆管在一定的压力作用下，使浆液进入岩体裂缝或软弱夹层。一方面通过浆液的固结，在破碎或有贯通裂隙的岩体中形成稳定的骨架，增强裂隙岩体或软弱夹层的物理力学性质，增大抗压、抗拉及抗剪强度；另一方面还可以堵塞地下水的通道，并以浆液置换岩体裂隙中的地下水，提高抗水性，降低透水性，以便增强岩体的完整性，防止弱面进一步恶化，进而达到提高边坡稳定性的目的。因此，注浆加固也是一种治理滑坡的有效措施，是处理边坡失稳的重要手段之一。

8.6.2　注浆加固的适用条件

注浆加固多采用水泥注浆或水泥—水玻璃注浆。水泥注浆一般适用于处理节理岩石的边坡和岩质滑坡的滑面，但当节理裂隙小于0.15～0.20mm时，再采用水泥注浆就不会取得好的效果。原因是即使很细的水泥（粒径为30～50μm）也不能浸入这样的小裂隙内。水泥注浆也可用于砾石类土和粗砂土层，因为此类土的空隙直径一般都大于0.15mm，但是对于粘性土和细砂层来说不适用的。

如果空隙很大，尤其是在岩土中地下水流速很大时，不宜用水泥注浆。当地下水流速大于600m/d时，采用注浆的可能性和效果应该根据试验结果决定。

为了确定利用水泥注浆的可能性，事先应进行水压试验，并求出单位吸水率（即在1m的试验长度内，水柱高为1m的条件下，每分钟有多少升吸水量），其单位为L/（min·m·m）。对单位吸水量为0.05～10L/（min·m·m）的岩土体来说，采用水泥注浆最为合理。当裂缝内存有粘质土时，进行注浆就很困难，而这种粘质土在风化带内和滑动带内经常见到，因此必须用水冲洗岩土体；当岩土体的地下水对普通硅酸盐水泥有侵蚀性时，应采用特殊水泥，以保证注浆后岩体的耐久性。地下水存在硫化物时，可采用耐硫酸根侵蚀的硅酸水泥。

8.6.3　注浆材料

1）水泥

水泥为水硬性胶结材料，它不仅能在空气中硬化，还能在水中继续硬化和提高强度。用于治理滑坡的水泥，主要采用硅酸盐水泥，并应优先选用不低于425号的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，因为这2种水泥的C₃S（硅酸三钙）和C₃A（铝酸三钙）含量较高，具有同速凝剂相容性好、速凝、耐磨、抗渗等性能。矿渣硅酸盐水泥凝结硬化较慢，但对抗矿物水（硅酸盐、海水）腐蚀的性能比普通硅酸盐水泥好。

水泥遇水后，颗粒表面的矿物成分很快与水发生水化和水解作用，产生如下的反应：

2（3CaO·SiO₂）＋6H₂O→3CaO·2SiO₂·H₂O＋3Ca（OH）₂

2（2CaO·SiO₂）＋4H₂O→3CaO·2SiO₂·3H₂O＋Ca（OH）₂

3CaO·Al₂O₃＋6H₂O→3CaO·Al₂O₃·6H₂O

4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃＋10H₂O＋2Ca（OH）₂→3CaO·Al₂O₃·6H₂O＋3CaO·Fe₂O₃·6H₂O

可见，水泥遇水后颗粒表面形成4种主要化合物：氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙和含水铁酸钙，这些化合物促成了水泥的凝结与硬化。

水泥在空气中硬化时，表层的氧化钙将与空气中的二氧化碳“碳化”，生成不易溶于水的碳酸钙外壳，使硬化后水泥的耐水性与强度得到提高。

水泥的容重为10～16kN/m³，视水泥的松散状态而定，通常采用13kN/m³水泥从加水到开始凝结所需的时间称为初凝时间，已经初凝的水泥浆，塑性大大降低。水泥从加水到凝结完毕所需的时间称为终凝时间，已经终凝的水泥浆才初步具有强度。为了保证施工有足够的处理时间，假定普通水泥的初凝时间不得少于45min；为了不拖延工期，便于后续工程的进行，规定终凝时间不得迟于12h。

2）水玻璃

水玻璃是化学浆液中使用较早的一种材料，常常与水泥掺合形成水泥硅酸钠浆液。它不仅具备水泥浆的优点，而且凝结时间短，可灌性高，价格便宜，是大量使用的一种化学注浆材料。

用水玻璃固结砂层时，首先是经过钻孔压入水玻璃，然后再压入氯化钙溶液。水玻璃渗入岩层，充满其中的大量空隙，并挤走岩土中的水，这时在每颗砂粒周围，形成不大的水玻璃薄膜，随后与压入的氯化钙溶液发生如下反应：

Na₂O·nSiO₂＋CaCl₂＋mH₂O→nSiO₂（m－n）H₂O＋Ca（OH）₂＋2NaCl

这一反应结果，在加固层中析出硅酸凝胶，粘结砂粒形成紧密完整的不透水的岩层。

3）铬木素

铬木素是用木质磺酸（盐）和重铬酸钠反应生成的化合物。木质磺酸盐是一种亚硫酸盐，是造纸废液的副产物，故来源广泛，价格便宜。铬木素液具有粘度低、凝结时间可以任意调节控制、结石耐水性能良好、不易受土中微生物侵害和耐久性好的优点，但由于重铬酸钠的毒性较大，故使用时须谨慎。

4）丙凝

丙凝是以丙烯酰胺为主剂，配以其他材料，发生聚合反应，形成具有弹性的、不溶于水的聚合体。丙凝浆液具有良好的可灌性和抗渗性能、凝胶时间可以准确控制等优点，但其聚合体强度较低，应与其他材料配合增大其抗压强度。

5）尿醛树脂

尿醛树脂是尿素与甲醛为主要原料的一种化学注浆材料，其抗渗性能不及丙凝好，但它的最大优点是所加固的土的强度较高。

6）氰凝

氰凝是将异氰酸脂和聚醚树脂先行混合而成的预聚体。在注浆时加入催化剂，遇水发泡进一步混合，粘度逐渐增大而凝胶化，最后生成耐水的固结物，达到防渗堵漏的目的。其特点是遇水反应生成不溶于水的凝胶体，浆液有不被地下水冲淡或流失的优点。浆液遇水反应时，放出二氧化碳气体，使浆液膨胀而具有较大的渗透半径和凝固体积，固结体具有较高的强度。因此，它能够运用于地下水丰富的防渗固结处理。

8.6.4　注浆材料的选择与对浆液的要求

1）根据地层条件选择注浆材料

①在断层破碎带和卵石地层，当裂隙宽度（或粒径）大于1mm，或渗透系数K≥5×10^－4m/s时，选用料源广、价格便宜的单液水泥浆或水泥—水玻璃浆液。

②在断层泥带，当裂隙宽度（或粒径）小于1mm时，或渗透系数K≥5×10^－5m/s时，优先选用水玻璃类注浆材料。

③在中、细粉砂层及细小裂隙层，断层泥段堵水压浆宜选用渗透性好、低毒、遇水膨胀的化学浆液，如聚胺脂类。对于颗粒更小的粘土层，采用水泥浆、水泥—水玻璃类注浆材料。

④在岩溶地段突泥、突水和裂隙较大的地质构造中，为堵塞突泥和涌水通道，可采用丙酰胺注浆材料。

2）对浆液的一般要求

①浆液在压浆的岩层中具有良好的渗入性，即在一定压力下能渗到一定宽度的裂隙或空洞中去。

②浆液凝结成结石后，应具有一定的强度和粘结力。

③浆液须具有良好的流动性，以增大浆液的扩散范围。

④浆液应具有良好的稳定性，以免过早地产生沉淀，影响浆液的压注。

8.6.5　注浆参数

1）注浆扩散半径

测定注浆扩散半径是为了确定注浆孔的间距（行距、列距）和排列，滑动体经注浆后必须使活动带岩体的力学强度增大到足以保持边坡稳定时所浇注的帷幕。因此，一般应使注浆孔间距小于2倍的注浆扩散半径。

注浆扩散半径的大小与岩石裂缝大小、浆液粘度、凝固时间、注浆速度和注浆压力、注浆量等因素有关。以水玻璃为主剂的浆液，其实际有效扩散半径，见表8.12；水泥浆液在裂缝岩石中的有效扩散半径，见表8.13。

表8.12　以水玻璃为主剂有效扩散半径

表8.13　水泥浆液在岩石中的扩散半径

2）注浆压力

注浆时所需压力的大小取决于涌水压力、裂缝大小和粗糙程度、浆液的性质和浓度、所要求的扩散半径。注浆最大压力（终压）通常根据经验确定，一般比水压高0.20～0.40MPa。如果测水压有困难或不要求准确的终压值，可参考以下经验公式：

式中　P——注浆压力，单位MPa；

　H₁——孔位至静水位高度，单位m；

　K——修正系数，K＝2。

3）浆液浓度的选择

根据岩层的吸水率q来确定浆液的水灰比，从而可定出浆液的浓度。吸水率越大、岩层裂缝越大或越多，应用浓的浆液。吸水率为单位时间内每米钻孔在1m水压作用下的吸水量，可通过水压试验按下式计算：

式中　q——浆液浓度，单位L/（min·m·m）；

　Q——单位时间内钻孔在恒压下的吸水量，单位L/min；

　H——试验时所用的压力，单位10MPa；

　h——试验钻孔长度，单位m。

表8.14为水泥浆液浓度在一般地层中的选择值，表8.15为水泥浆液浓度在岩溶发育的石灰岩层中的选择值，其中吸水率是按（8.34）式求出的数值。

表8.14　水泥浆液浓度选择表

表8.15　水泥浆液浓度在岩溶发育的石灰岩层中的选择表

4）浆液注入量Q

浆液注入量可根据扩散半径及岩层裂隙率进行粗略估算：

式中　r——浆液扩散半径；

　H——压浆段长度；

　η——岩层裂隙率，一般取1%～5%；

　β——浆液在裂隙内的有效填充系数，为0.3～0.9视岩性而定。

对于大的溶裂、溶洞，裂隙率大于5%时，浆液注入量难以计算，宜用注浆压力控制注浆量，即按注浆终压规定值时的注浆总量确定。

5）注浆结束标准

一般有2个指标：最终吸浆量和达到终压时的持续时间。当注浆压力达到设计终压，双泵吸浆量为50～100L/min，单泵为20～60L/min，稳定约20min即可结束。

8.6.6　注浆加固的注意事项

1）注浆孔的布置一般注意事项

①确定钻孔的主要原则，应使钻孔尽可能与更多的岩层裂隙、层理互相交叉，在滑动带上，应使钻孔与其垂直或近于垂直相交。

②钻孔深度必须根据滑面或滑动带的埋深来决定，钻孔深度必须穿过滑动带。

③在地下水流上方及岩层倾斜上方，钻孔可以适当密些。

④裂隙越密小，孔应增加。

⑤注浆泵压力低，孔应适当增加。

2）注浆钻孔的要求

①按设计要求准确定孔位，开孔时要轻加压、慢速、大水量，防止把孔开斜，钻偏方向。

②为防止串浆，钻孔顺序应按上、中、下、左、右孔错开，长、短孔也应错开。

③钻孔结构要力求简单，不宜过多改变钻孔直径，一般先用大于开孔直径的钻头钻进一定深度，安装孔口管，再用开孔直径钻进一定深度，改用较小直径钻头钻至终孔。

④钻深孔应防止压弯钻具甩打孔壁，造成塌孔或断杆事故，如遇破碎带可停止钻进，先行压浆再继续钻进。

⑤详细做好钻孔记录，如钻进进尺起止深度、钻具尺寸、变径位置、岩石名称、裂隙发育程度，以及分布位置、出水量、出水位置、处理事故和时间、终孔深度等。

3）注浆要求事项

①注浆前，进行试泵与注水试验，安装注浆管路和止浆塞。

②用1.5～2倍于注浆压力对注浆系统进行吸水试验检查，以查明管路系统能否耐压、有无漏水、连接是否正确，检查设备、机械状况是否正常。试运转时间一般为20min。

③注浆顺序一般为先压注内圈孔后压注外圈孔，先压注无水孔后压注有水孔。如遇串浆跑浆，则间隔一孔或几孔压注。

④压注过程中注意对注浆压力、浆液配比、凝胶时间进行控制。

4）注浆效果检查

在注浆段的注浆孔全部注浆完毕后，要进行注浆效果检查和评定，不合格者应补钻孔注浆。

①对注浆过程中的各种记录资料进行综合分析，如注浆压力和注浆量变化是否合理、是否达到设计要求。

②地面每10～15m设一个检查孔。检查孔取岩芯观察浆液充填情况，检查孔内涌水量，严重破碎带应小于0.2L/min，且某一处漏水小于10L/min；一般地段应小于0.4L/min，且某一处漏水小于10L/min；或进行压水检查，在1.0MPa压力下，进水量小于2L/min。