土层注浆机理分析

浆液在地层中往往以充填、渗透、挤密和劈裂等多种形式与土体相互作用，具体的作用方式随土层的物理力学性质、浆液的种类和流变性能、注浆工艺及参数等变化，并相互转化或并存，如在渗透过程中存在劈裂现象，在压密过程中存在劈裂或渗透现象，在劈裂过程中存在渗透现象。但在一定条件下，浆液总是以某种运动方式为主，在渗透性很大（k＞0．1cm／s）的砂土中，一般以渗透作用为主，在渗透性小（k＜10－5cm／s）的黏性土中，主要以劈裂作用为主。

2．1．1　渗透注浆

一般渗透注浆的必要条件是满足可注性条件。对于粒状介质，可注性用可注比来表示：

式中：D15和D10分别为地层土颗粒在颗粒分析曲线上与15%、10%对应的直径；G85和G95分别为注浆材料在颗粒分析曲线上与85%、95%对应的直径。

可注比并不是一项普遍适用的准则，注浆效果受细粒含量和颗粒级配的影响，因此一般可根据表2－1来判断可注性和浆液种类。

表2－1　可注性评价表

浆液在地层中的流动规律与流变性能有关。若不考虑时间影响，按浆液流变性能的不同，可将浆液分为牛顿流体和非牛顿流体。在非牛顿流体中，又以宾汉流体最为常见。牛顿流体的流变曲线通过原点，流动过程中的剪切应力与流速梯度成正比。而宾汉流体的流变曲线不通过原点，具有初始剪切应力（又称静切力）。因此，宾汉流体比牛顿流体具有更大的流动阻力，在相同的条件下，牛顿流体比宾汉流体扩散得更远。水泥浆由牛顿流体转变为宾汉流体的临界水灰比接近于1，见图2－1。水灰比大于1时，为牛顿流体；水灰比小于1时，为宾汉流体。在实际工程中，常用的水灰比在0．5～0．8之间，属宾汉流体范围。

图2－1　水泥浆流动曲线
A为水；B为W／C＝1；C为W／C＝0．5；D为W／C＝0．66；E为W／C＝0．55；F为W／C＝0．45

2．1．1．1　牛顿流体的渗透公式

1）牛顿流体的球面扩散公式

Maag假设浆液为牛顿流体，浆液从注浆管底端注入地层，注浆源为点源，浆液在地层中呈球状扩散。推导出以下公式：

式中：r为浆液的扩散半径（cm）；k为砂土的渗透系数（m／s）；h1为注浆压力水头（cm）；r0为注浆管半径（m）；t为注浆时间（s）；β为浆液黏度与水黏度之比；n为砂土孔隙率（%）。

2）牛顿流体的柱面扩散公式

若注浆源为点源，浆液在地层中呈柱状扩散，其扩散半径表达式为：

式中：r1为浆液在地层中扩散半径（m）。

2．1．1．2　宾汉流体的渗透公式

以下为推导宾汉流体在地层中的渗透公式。

1）宾汉流体的柱面扩散公式

渗透微分方程为：

宾汉流体在粗颗粒中的渗透系数：

式中：M＝，d0为孔隙直径，n为孔隙率，D0为土颗粒直径；Ag为渗透过流截面积；A为常数，由实验确定；B为常数，B＝，τ0为初始剪切应力；μ为塑性黏度；C为由介质几何参数决定的常数，C＝；v为渗透速度，v＝?＝，a为线源长度；r为浆液扩散半径。由式（2－1－1）和式（2－1－2）可得：

由t＝（r2－），

当r≫r0时，忽略不计，取r＝R，t＝T，则得：

2）宾汉流体的球面扩散公式

在式（2－1－1）和式（2－1－2）中取Ag＝4π·r2，则得：

由t＝（r3－），

当r≫r0时，忽略不计，取r＝R，t＝T，则得：

2．1．2　劈裂注浆

根据实验，劈裂注浆是一个先压密后劈裂的过程。浆液在土体中流动分为3个阶段：压密阶段、劈裂流动阶段、被动土压力阶段。

2．1．2．1　鼓泡压密阶段

刚开始注浆，浆液所具备的能量不大，不能劈裂地层，浆液聚集在注浆管孔附近，形成椭球形泡体挤压土体。随着浆液的不断注入，泡体向四周发展，或上下泡体相互连通。该阶段压力－流量曲线的初始部分吃浆量少，而压力增长快，说明土体尚未裂开，曲线中的第一个峰值压力即为起裂压力，起裂压力前的曲线段称为鼓泡压密阶段。

2．1．2．2　劈裂流动阶段

当压力大到一定程度达到起裂压力时，浆液在地层中产生劈裂流动，劈裂面发生在阻力最小的小主应力面。当地层存在已有的软弱破裂面，先沿着软弱面劈裂流动；当地层比较均匀时，初始劈裂面是垂直的（图2－2），劈裂压力与地基中小主应力及抗拉强度成正比。劈裂流动阶段的基本特征是：压力值先是很快降低，维持在一低压值左右摆动，但是由于浆液在劈裂面上形成的压力推动裂缝迅速张开，而在裂缝的最前端出现应力集中，所以这时压力虽然低，却能使裂缝迅速发展。

2．1．2．3　被动土压力阶段

裂缝发展到一定程度时，注浆压力又重新上升，地层中大小主应力方向发生变化，水平向主应力转化为被动土压力状态（即水平主应力为最大主应力），这时需要有更大的注浆压力才能使土中裂缝加宽或产生新的裂缝，出现第二个压力峰值，由于此时水平向应力大于垂直向应力，地层出现水平向裂缝，见图2－3。被动土压力阶段是劈裂注浆加固土地基的关键阶段，垂直劈裂后大量注浆，使小主应力有所增加，缩小了大小主应力之间的差别，提高了土体的稳定性，浆脉网的作用是提高土体的法向应力之和，并提高土体的刚度。

图2－2　土中的应力与劈裂面

2．1．2．4　劈裂注浆机理的力学分析

最先发生的劈裂为纵向劈裂，应用弹性力学原理可推导出其起裂压力。图2－3为桩周土中的应力图，在主应力σ2的方向偏α角的平面上，孔壁面切线方向拉力σl为：

当α＝0时，σl最小，即：

当σt＜0时，土中出现拉应力。设土体的抗拉强度为σt，则纵向劈裂压力为：

图2－3　土中应力图

将土体视为均匀半无限空间，则上式可表示为：

由于土体为弹塑性体，且为各向异性，发生劈裂的实际情况比较复杂，上述计算公式只能作为一种近似计算。即使在劈裂阶段，浆液对土体的挤密作用也是存在的，因此劈裂压力并不影响浆液对土体挤密位移的计算。

2．1．3　压密注浆

压密注浆是用极稠的浆液，通过钻孔挤向土体，在注浆处形成球形浆泡，浆体的扩散靠对周围土体的压缩，浆体完全取代了注浆范围的土体，在注浆邻近区存在大的塑性变形带；离浆泡较远的区域土体发生弹性变形，因而土的密度明显增加。压密注浆的注浆压力对土体产生挤压作用，只使浆体周围的土体发生塑性变形，远区浆体土体发生弹性变形，而不使土体发生水力劈裂。

压密注浆过程中，刚开始注浆，浆柱的直径和体积较小，压力主要是径向的也就是水平方向。对非饱和土挤密较明显，对饱和土浆泡先引起超孔隙压力，待孔隙压力消散后，土的密度才会提高。浆柱体的形状在均匀地基中是球形和圆柱形，在不均质地基中，浆柱大都呈不规则形状，浆液总是挤向不均地基中的薄弱土区，从而使土体的变形性质均一化。浆柱体的大小受地基土的密度、含水量、力学特性、地表约束条件、注浆压力、注浆速率等因素控制。