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岩土研究院

被灌介质强度增长机理

310 2022-04-19 15:04:41

地基灌浆的目的为∶

(1)改良土和岩石的现有性质;

(2)根本上改变岩土的物理化学性,从而在被灌范围内产生一种新的物质。

灌浆之所以能达到上述目的,主要依靠下述三种作用∶

1.化学胶结作用。不管是水泥浆或化学浆,都具有能产生胶结力的化学反应,把岩石或土粒连结在一起,从而使岩土的整体结构得到加强。

2.惰性填充作用。填充在岩石裂隙及土孔隙中的浆液凝固后,因具有不同程度的刚性而能改变岩层及土体对外力的反应机制,使岩土的变形受到约束。

3.离子交换作用。浆液在化学反应过程中,某些化学剂能与岩土中的元素进行离子交换,从而形成具有更加理想物质的新材料。

根据灌浆实践经验及室内试验研究可知,被灌介质强度的增长是一种受多种因素制约的复杂的物理化学过程,除灌浆材料外,下述几个因素对上述三种作用的发挥起着重要的作用∶

1.浆液与界面的结合形式

如前面所述,化学胶结作用对被灌介质强度的增长具有决定性的影响,因而灌浆时除了要采用强度较高的浆材外,还要求浆液与介质接触面具有良好的接触条件。

然而在实际工程中,自然条件复杂多变,浆液与介质的接触往往很不理想。图3-13-28为浆液与界面的几种典型结合型式,可用来说明接触条件的重要性。对于某些不良的边界条件,不采取有效的工艺措施,就会使浆液与介质的整体强度受到削弱。

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(1)介质表面无其它物质粘附,而且浆液完全充填孔隙或裂隙(图3~13-28a)。在这种条件下,浆液与界面将能牢固地结合,并获得比较理想的整体加固效果;

(2)浆液虽然填满孔隙或裂隙,但两者之间存在着一层连续的水膜,使浆液未能与岩土界面牢固地结合(图3-13-286),因而难于获得理想的整体加固强度;

(3)浆液也充满了孔隙或裂隙,但两者被一层软土隔开(图3-13-28c),而且浆液未曾渗入到土孔隙内,从而使整体加固强度大大降低;

(4)浆液仅局部地充填孔隙或裂隙(图3-13-28d),介质仅受到局部的胶结作用,地基不论在强度、透水性和变形性等方面都无多大改善。

由此可知,提高浆液对孔隙或裂隙的充填程度及对界面的结合能力,也是使介质强度增长的重要因素。

2.浆液饱和度

裂隙或孔隙被浆液填满的程度,称为浆液饱和度。一般饱和度越大,被灌介质的强度也越高。图3-13-28a的饱和度为100%。6及d则属于不饱和充填,后者孔隙中充填的可能是水,也可能是空气。

不饱和充填可能在饱水孔隙、潮湿孔隙或干燥孔隙中形成,原因则可能有多种,灌浆工艺欠妥可能是关键因素,例如用不同的灌浆压力和不同的灌浆延续时间,所得灌浆结果就不一样。表3~13-19为采用不同的灌浆工艺在砂中灌注硅酸盐浆液所得的饱和度资料,可供分析上述问题时参考。

化学灌浆一般采用定量灌注方法,而不是灌至不吃浆为止。灌浆结束后,地层中的浆液往往仍具有一定的流动性,因而在重力作用下,浆液可能向前沿继续流失,使本来已被填满的孔隙重新出现空洞,使灌浆体的整体强度削弱。

不饱和充填的另一个重要原因,是采用不稳定的粒状浆液。这类浆液如果太稀,而且灌浆结束后浆中的多余水不能排除,则浆液将沉淀析水而在孔隙中形成空洞,室内研究和现场灌浆都确证了这种现象的存在。

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有两种措施可用来防止上述有害现象

(1)当浆液充满孔隙后,继续通过钻孔施加最大灌浆压力。有些学者认为,浆液在孔隙或裂隙中的排水过程很象图3-13-29所示的模式,浆中多余水能靠灌浆压力P得到排除;有人则持相反的看法。认为在灌浆的后期阶段浆液已具有甚低的渗透性,尤其在前沿部位,而且在最大灌浆压力作用下的并浆时间一般不超过60mm,故其排水效果不会太好。

(2)采用稳定性较好的浓浆。使浆液不靠外力的固结排水作用,就能使浆液凝固后的体积达到或接近图3-13-29中Vc/Vs=1的曲线。如果这种浓浆粘度太高而影响对较细孔隙的可灌性时,则可在浆液中掺入适当的流动剂。

(3)待已灌浆液达到初凝后,设法在原孔段内进行复灌,以弥补因沉淀析水形成的空隙,用适当的化学浆液复灌将会收到更佳的效果。

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3.时间效应

时间效应对强度也有重要的影响,主要表现在下述几方面∶

(1)许多浆液的凝结时间都较长,被灌介质的力学强度将随时间而增长。这是有利的一面。但在利用这一效应时要兼顾两方面的需要∶有时为了使加固体尽快发挥作用而必须缩短凝结时间;为了维持浆液的可灌性则要求适当延长浆液的凝结时间。

(2)许多浆材都具有明显的蠕变性质,浆材和被灌介质的强度都将受加荷速率和外力作用时间的影响,进行地基灌浆的设计、施工和试验研究时,都应考虑这一不利的因素。

(3)浆液搅拌时间过长或同一批浆液灌注时间太久,都将使加固体的强度削弱。