水泥灌浆浆液运动及压力技术分析

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1、第卷第期中国水利水电科学研究院学报年月文章编号水泥灌浆浆液运动及压力技术分析杨晓东中国水利水电科学研究院北京摘要水泥灌浆是裂隙性岩体防渗与加固工程的主要手段之一特别是在水利水电工程地基处理中被广泛采用灌浆过程的控制多体现在灌浆压力与流量的关系上本文围绕水泥灌浆工程中水泥浆液在岩体裂隙中的运动方式探讨了水泥浆液的运动规律及灌浆机理分析了灌浆对地表抬动的作用及影响灌浆压力使用的控制因素提出了水泥灌浆的双限控制压力技术可供水泥灌浆设计和施工参考关键词水泥灌浆岩体裂隙中图分类号文献标识码水泥灌浆是裂隙性岩体防渗与加固工程的主要手段之一特别是在水利水电工程地基处理中被广泛采用随着工程建设的

2、进展对水泥灌浆提出了越来越高的质量要求水泥灌浆浆液是一种含有水泥颗粒的两相流体所处理岩体裂隙又受到岩体的成因历史演变过程等非常复杂的影响灌浆实施是通过钻孔进行其过程具有隐蔽性特点导致了工程往往依靠现场的试验和经验进行设计和施工灌浆过程的控制多体现在灌浆压力与流量的关系上延伸到浆液使用灌浆段长注浆量扩散距离灌浆质量等方面为提高灌浆效果希望尽可能采用高的灌浆压力灌注到不进浆为止在现行灌浆规范对结束标准给出了明确的要求裂隙中水泥浆的运动方程水泥浆用带有搅拌系统的毛细管黏度计边搅边测方式和转筒黏度计测试结果表明水泥浆流变特性可以用宾汉体描述见式即使水灰比为时仍表现出宾汉体的特征随着浆体水

3、灰比加大趋近牛顿流体测试结果用函数曲线拟合为式中为剪切应力?为宾汉流体剪切塑性屈服强度?为宾汉流体剪切塑性黏滞系数为流速剪切梯度?为水的黏度为水灰比为水化时间在灌浆压力下等宽水平裂隙中宾汉体稳定浆液径向层流运动压力沿径向的衰减等于剪切应力沿裂隙开度方向的变化沿裂隙开度和径向积分后位置压力分布为收稿日期作者简介杨晓东山西太原人教授级高级工程师主要从事地基处理试验研究工作水泥灌浆浆液运动及压力技术分析杨晓东式中为裂隙入口处灌浆压力?为裂隙开度为钻孔半径为裂隙中浆液流量?由式可见宾汉流体剪切塑性屈服强度对裂隙中压力分布的影响去掉该项以黏度代替宾汉流体剪切塑性黏滞系数则为牛顿流体压力分布

4、公式灌浆结束时流动停滞宾汉流体沿裂隙成塞流状态压力分布呈线性为最终扩散距离为上式体现了宾汉流体剪切塑性屈服强度对最终扩散距离的影响也表明扩散距离和黏度没有关系不稳定性浆液在裂隙中的运动稳定性高的水泥浆液可以由宾汉流体模拟但实际工程中为保证浆液的流动性工程中采用的浆液多为不稳定的浆液尤其在较细的裂隙中水泥灌浆首先要采用流动性好的分散程度高的大水灰比浆液然后逐级加浓事实上工程中的灌浆过程常常到灌浆结束前仍未逐级加浓到稳定浆液存在着不稳定浆液在裂隙中的充填拒浆的过程关于充填过程流行的观点有径向推移沉积析水和压滤析水观点前者认为当浆液在裂隙中的流速降低到某一临界值时水泥颗粒在临界流速位置

5、产生沉淀从而使渗透断面浆液压力和流速相应改变不至于把裂隙完全封闭始终在沉积顶部留下微小的缝隙可以排水所以灌浆压力和浆液浓度对于结石质量影响不大即使水灰比高达也能得出合乎要求的结石质量其强度类似于静置沉淀析水后浆液的强度压滤析水观点认为浆液到达一定的扩散距离后服从固结排水机理认为排水浆体具有很强的透水性继续施加足够的灌浆压力可以把多余水分排出只要施加足够的灌浆压力和时间可以获得远高于静置沉淀析水后浆液的强度但有的学者认为岩石的透水性很弱与实验室的排水反滤和短的试验浆体不同长距离的排水浆体其渗透系数低于?灌浆过程中继续施加的灌浆压力无法把多余水分排出所以应采用浓浆才能达到良好强度的水

6、泥结石目前一般的共识认为微细裂隙如小于水泥颗粒极易在裂隙入口处堆积使水泥颗粒难以进入裂隙但部分水分却可以透过较薄的堆积进入裂隙微细裂隙岩体灌浆常常出现失水回浓现象当裂隙开度足够大时浆液将进入裂隙流动考虑到岩石裂隙的不规则形状和空间的分布状况以及不同的灌浆过程浆液首先会沿着畅通的通道流动和径向扩散低流速时会遇到沉积析水过程遇到狭窄处少量浆体也会沿径向压滤析水室内钢平板裂隙模型模拟水平裂隙中浆液径向运动控制压力使钢板不变形条件下灌浆实验表明微细裂隙堵塞在注浆孔附近裂隙内有近钻孔的一薄层水泥膜展布能灌入的裂隙小水灰比浆液充填较为充分浆液浓度略高上部有水泡充填的充分程度和水灰比有关裂隙存

7、在局部开度小的控制断面闭浆往往由于此处堵塞形成闭浆过程不太稳定一旦稳定仅在很短的时间析出很少的水分上述堵塞后的整个裂隙充填不充分下黑上白且存在最后流动通道的流动痕迹充填更差充填过程是空间展布的不同的时间主要通道位置不同分析除沿上部析水外侧面后期通道析水是可能的不稳定浆液在低流速流动过程中几乎全程都存在沉积过程具有两相流的特点存在沿重力和阻力方向均有分选结合工程实践分析上述试验可以认为虽然浆体具有一定的凝絮结构但无论静止或运动条件下重力和阻力都对浆体存在分选和析水作用特别需注意裂隙