7.4 胶结法

7.4 胶结法

《地基处理》代国忠齐宏伟主编

灌浆法

一概述

1.灌浆法的概念、作用及目的

灌浆法是指利用气压、液压或电化学原理，将具有流动性和胶结性能的浆液注入各种介质的裂隙、孔隙，形成结构严密、强度高、防渗性能和化学稳定性好的固结体，以改善灌浆对象的物理力学性能。

在灌浆过程中，一般通过灌浆管把浆液均匀地注入地层中，浆液以填充、渗透和挤密等方式，赶走土颗粒或岩石裂隙中的水分和空气后占据其位置，经人工控制一定时间后，将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整体，形成一个结构新、强度大、防水性能好和化学性质稳定的“结石体”，以达到地基处理的目的。

灌浆的主要作用有：

①充填作用：浆液凝结的结石将地层空隙充填起来，可以阻止水通过，提高地层密实性。

②压密作用：在浆液被压入的过程中，将对地层产生挤压，从而使那些无法进入浆液的细小裂隙或孔隙受到压缩和挤密，使地层密实性和力学性能都得到提高。

③粘合作用：某些浆液的胶凝性质可以使基岩、建筑物裂缝等充填并粘合，使其承载力得到提高。

④固化作用：某些浆材（如水泥和某些化灌材料）可与地层中的黏土等松软物质发生化学反应，将其凝固成坚固的“类岩体”。

灌浆的主要目的是防渗、堵漏、加固和纠正建筑物偏斜。

①防渗：降低渗透性，减少渗流量，提高抗渗能力，降低孔隙水压力。

②堵漏：封填孔洞，堵截流水。

③加固：固结或稳固松散颗粒和破碎岩石，提高地层的抗压强度，起到安全围护和支撑作用。

④纠偏：使已发生不均匀沉降的建筑物恢复原位或减少其偏斜度。

⑤补强：对有缺陷或损坏了的建筑物进行补强管理，恢复混凝土结构及建筑物的整体性。

此外，也可通过灌浆对置入地层中的孔管、锚杆、锚索等进行固定和保护。

2.灌浆法的发展历史

灌浆法的最早采用是在1802年，由法国的查理士.贝尼尔所发明，最先用在第厄普冲刷闸的修理上。当初，他用的是一种木制冲击筒装置，用人工锤击的方法向地层挤压浆液。最早是压入黏土浆液，后又在其他修理工程上压入具有一定硬结性能的火山灰和生石灰浆液。灌浆法的首次使用就获得了成功，使一些濒临报废的船坞工程重新恢复了青春。

1856—1858年，英国的基尼普尔在作了一系列试验后，第一次把水泥用于灌浆。化学灌浆是1920年由德国的尤斯登首先使用水玻璃和氯化钙作为灌浆材料开始出现的。此后，一些国家广泛开展研制工作，制出了黏度较低的木素类、丙烯酰胺类等浆液材料。到60年代中期，化学灌浆材料已达30多种。

灌浆法在我国的大量采用是在1949年新中国成立后，经过多年的试验研究和实际应用，在水泥、黏土等传统材料的灌浆技术上已有很大发展和提高。在化学灌浆材料方面改进了木素类、水泥-水玻璃类、丙烯酰胺类浆液的配方，另外还研制出聚氨酯类等新的灌浆材料。

3.灌浆法的分类

①按灌浆作用分：可分为固结灌浆、帷幕灌浆、回填灌浆和接触灌浆等。

②按灌浆材料分：可分为水泥灌浆、水泥砂浆灌浆、水泥黏土灌浆和化学灌浆等。

③按灌浆压力分：可分为高压灌浆（3MPa以上）、中压灌浆（0.5-3MPa）和低压灌浆（0.5MPa以下），后两类也可称为常规压力灌浆。

④按灌浆机理分：可分为渗透灌浆、压密灌浆、劈裂灌浆、电动化学灌浆等。

⑤按灌浆目的分：可分为防渗灌浆、加固灌浆等。

4.灌浆的应用范围

目前，灌浆法已广泛应用于工业与民用建筑、道桥、市政、公路隧道、地下铁道、地下厂房，以及矿井建设、文物保护、坝基防渗加固等工程中。

①建筑地基加固：通过改善地基土的力学性质，对地基进行加固或纠偏处理。

②钻孔灌注桩后压浆：通过对桩侧或桩底压浆，即可消除孔底沉渣及桩周泥皮对桩承载力的影响，可提高桩的承载力。

③坝基工程防渗和加固：切断渗流及提高坝体整体性和抗滑稳定性。

④基坑支护和边坡治理：提高支护结构后土体的强度，减少基坑的渗水量，防止邻近建筑物沉降及维护边坡稳定。

⑤后拉锚杆灌浆：将拉杆与土体胶结，形成锚固体。

⑥地铁的灌浆加固：防止地面沉降过大，限制地下水的流动及制止土体移动。二灌浆方式与加固原理

常用的灌浆方式有渗入性灌浆、压密灌浆、劈裂灌浆、电动化学灌浆、单液硅化法和碱液法几种类型。这些灌浆方式在实际工作中可单独采用，或两种及两种以上组合使用。

1.渗入性灌浆

在灌浆压力作用下，浆液克服各种阻力而渗入孔隙和裂隙，压力越大，吸浆量及浆液扩散距离就大。这种理论假定，在灌浆过程中地层结构不受扰动和破坏，灌浆压力相对较小。

渗入性灌浆适用于存在孔隙或裂缝的地基土层，如砂土地基等。对于颗粒型浆液，其颗粒尺寸必须能进入土层中的孔隙或裂缝中，因而渗入性灌浆存在浆液可灌性问题。影响浆液扩散范围的因素有土层的渗透系数（或裂隙、孔隙尺寸）、浆液黏度、灌浆压力、灌入时间等。渗入性灌浆主要理论有球形扩散理论、柱形扩散理论和袖套管法理论等。工程应用中，建议以现场灌浆试验确定灌浆压力、灌浆时间和浆液扩散范围及相互间的关系，作为灌浆设计和施工参数确定的依据。

2.压密灌浆

压密灌浆是注入极稠的浆液，形成球形或圆柱体浆泡，压密周围土体，使土体产生塑性变形，但不使土体产生劈裂破坏。当浆泡直径较小时，灌浆压力沿钻孔的径向即水平向扩展。随着浆泡尺寸的逐渐增大，便产生较大的上抬力而使地面抬动，当合理使用灌浆压力并造成适宜的上抬力时，能使下沉的建筑物精确地回升到指定位置。压密灌浆原理如图所示。

压密灌浆是浓浆置换和压密土的过程。此法最常用于地基、黏土地基中若有

适宜的排水条件也可采用，若因排水不畅而可能在土体中引起高孔隙水压力时就必须采用很低的注浆速率。压密灌浆简单实用，造价便宜，是目前应用最广泛的注浆方法之一。

3.劈裂灌浆

劈裂灌浆图如下所示。在灌浆压力作用下，浆液克服各种地层的初始应力和抗拉强度，引起岩土体结构破坏和扰动，使地层中原有的孔隙（裂隙）扩张或形成新的裂缝（孔隙），从而使低透水性地层的可灌性和浆液扩散距离增大，后续的注浆使裂缝不断向外伸展，浆液在土层中形成条、脉、片状固结体，从而达到增加地层强度、降低地层渗透性的目的。

4.电动化学灌浆

当在黏性土中插入金属电极并通以直流电后，就在土中引起电渗、电脉和离子交换等作用，促使在通电区域中的含水量显著降低，从而在土内形成渗浆“通道”。若在通电的同时向土中灌注硅酸盐浆液，就能在“通道”上形成硅胶，并与土粒胶形成一定强度的加固体。

用土样进行电渗实验，发现由电渗引起的水流从正极流向负极的速度与大西定律相似，可用下式表示：

/e e e e V K I K V L ==

实验发现，e K 并不是一个常数，它与流体中的离子浓度、电场强度等因素有关。

5.单液硅化法和碱液法

单液硅化法和碱液法适用于处理地下水位以上，渗透系数为0.10-2.00m/d 的显湿性黄土等地基。在自重湿陷性黄土场地，当采用碱液法的，应通过试验确定其适用性。

三 灌浆设计

1.设计流程及内容

地基灌浆设计一般遵循以下几个步骤：

⑴地质调查。探明地基的工程特性和水文地质条件。

⑵方案选择。根据工程性质、灌浆目的及地质条件，初步选定灌浆方案。