地表注漿加固的力學(xué)分析

張　健

(貴州高速公路集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng)　550001)

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地表注漿加固的力學(xué)分析

張健

(貴州高速公路集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng)550001)

摘要：地表注漿在我國(guó)很多的工程中都得到了廣泛的應(yīng)用。隧道、橋梁在建造過(guò)程中容易因?yàn)榈刭|(zhì)原因而導(dǎo)致工程發(fā)生很多安全隱患與質(zhì)量隱患。地表注漿的應(yīng)用給工程的建造提供了很大的保障。通過(guò)對(duì)多裂隙巖體與泥化夾層以及破碎巖體化學(xué)注漿的密度與間隙進(jìn)行討論。

關(guān)鍵詞：地表注漿；加固力學(xué)；分析

1多裂隙巖體的裂隙密度與間距

在所有的巖體中都會(huì)有裂隙與孔隙存在著，漿液在這些巖體孔隙或者裂隙組成的通道中流動(dòng)。裂隙是通過(guò)地質(zhì)的作用而形成的一種不連續(xù)面，而這些不連續(xù)面決定了巖體的強(qiáng)度與滲流的特征。

巖體裂隙具體的發(fā)育程度又裂隙的間距與裂隙的密度決定。而裂隙巖體過(guò)流能力的指標(biāo)通常由裂隙的間距與裂隙的密度來(lái)評(píng)價(jià)。裂隙的間距通常是指同一個(gè)裂隙組兩個(gè)相鄰的裂隙面之間的法相距離，我們通常把這同一個(gè)裂隙組的裂隙間距看做相等的距離。裂隙密度通常是指同一個(gè)裂隙組在裂隙面中法線單位長(zhǎng)度上裂隙的數(shù)量。裂隙的間距與裂隙的密度互為倒數(shù)，在一般情況下裂隙巖體過(guò)流能力的強(qiáng)弱都有裂隙密度的大小決定。所以，裂隙的密度值越小，裂隙的滲透能力越弱；裂隙的密度值越大，裂隙的滲透能力越強(qiáng)。面密度、體密度以及用電密度可以表示裂隙的密度。

將同一組裂隙的法線方向的裂隙密度用ρ表示，也是指單位長(zhǎng)度內(nèi)裂隙的數(shù)量。如果將法線測(cè)量的長(zhǎng)度用L表示，裂隙面上的數(shù)量用分別由n與l表示，則可以用以下公式計(jì)算其密度為

當(dāng)巖體中出現(xiàn)幾組裂隙時(shí)，則每一組線密度之和可以由測(cè)線上的線密度表示。

若測(cè)線沒(méi)有經(jīng)過(guò)裂隙的法線方向，就應(yīng)該及時(shí)的修正測(cè)線的長(zhǎng)度。在一些垂直鉆孔和裂隙相交的情況下，則可以采取以下公式計(jì)算其密度為

式中：裂隙傾角，α；鉆孔角度，L。

假如將單位面積之上裂隙跡線中所有點(diǎn)的數(shù)量設(shè)為裂隙數(shù)量面的密度(ρ)，跡線通常會(huì)在同一個(gè)觀測(cè)面之上出現(xiàn)兩端只能夠觀測(cè)到其中一端、兩端都可以觀測(cè)到、兩端都不能觀測(cè)到這三種類型。

因此，這三種跡線的中心通常在觀測(cè)范圍內(nèi)的概率依次為

p0(ω)，p1(ω)，p2(ω)

p0(ω)=1

p1(ω)=1-e-μa

在等式中，跡線露出的長(zhǎng)度為a，平均跡線的倒數(shù)為μ，如果將在觀測(cè)面中所觀測(cè)到的第1、2、3類?ài)E線的條數(shù)分別用k、l、m表示，觀測(cè)的面積用A表示，則觀測(cè)面的密度(ρ)可以用下列公式計(jì)算

基質(zhì)總體積與裂隙總的表面積的比值通常用裂隙數(shù)量的體密度(ρv)表示。

式中：基質(zhì)總體積，S；裂隙總的表面積，V。

裂隙之間間距的大小通常是法線密度的倒數(shù)，所以同一組裂隙在法線上的平均距離通常用D(裂隙間距)表示，可用以下公式進(jìn)行計(jì)算

裂隙之間的間距大小分為七類，見(jiàn)表1所示。

表1　裂隙間距大小的分類

3裂隙巖體的劈裂注漿

我們將巖石的性質(zhì)設(shè)為在各個(gè)方向都有相同的性質(zhì)，均勻并且連續(xù)的線彈性體。在鉆井時(shí)井壁出會(huì)發(fā)生水力劈裂，那么會(huì)出現(xiàn)垂直劈裂與水平劈裂著兩種請(qǐng)況。

若劈裂條件為垂直劈裂，則可根據(jù)如下公式進(jìn)行計(jì)算

若劈裂條件為水平劈裂，則可根據(jù)如下公式進(jìn)行計(jì)算

式中：巖石的泊松比，v；孔深，h；注漿壓力，p0；巖石的抗拉強(qiáng)度，σ1；側(cè)壓力系數(shù)，k0；巖石的重度，γ；孔壁擴(kuò)張中流體壓力的比例系數(shù)(0~0.1)N。

工程中大多數(shù)巖石的抗拉強(qiáng)度都比7.8~9.8MPa大，在對(duì)一般的巖體注漿時(shí)都小于等于5.9~7.8MPa，所以完整性不錯(cuò)的巖體幾乎很少發(fā)生水力劈裂的情況。

裂隙巖體注漿的過(guò)程中，因?yàn)榱严稁r體中包括很多形式的軟弱面，所以整體強(qiáng)度很低，如果壓力較低的話就會(huì)發(fā)生劈裂，之后巖層會(huì)發(fā)生變形。一般情況下，若壓力低于2.0~6.0MPa，巖層就會(huì)表面上抬或者是耗漿量突然增加，因此，巖層是否會(huì)發(fā)生劈裂、劈裂的程度由軟弱面與軟弱層的存在控制。

對(duì)裂隙巖體的內(nèi)部進(jìn)行注漿工作時(shí)，注漿的壓力較低，漿液的流速較小，主要是為了讓漿液完成對(duì)裂隙的填充與滲漏。在采用高壓對(duì)裂隙巖體進(jìn)行注漿時(shí)，會(huì)發(fā)生擴(kuò)縫效應(yīng)。擴(kuò)縫效應(yīng)的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致裂隙巖體中的節(jié)理與裂隙發(fā)生不同程度上的擴(kuò)張，導(dǎo)致巖層上抬的情況發(fā)生。

3泥化夾層以及破碎巖體化學(xué)注漿的吸滲理論

力學(xué)系統(tǒng)的注漿主要為脈狀注漿，而夾泥系統(tǒng)的注漿通常因?yàn)閵A泥的滲透性很低，其中壓力滲透的理論通常會(huì)被忽略掉，所以通過(guò)吸滲理論提出的粒間滲透注漿的方式完成夾泥系統(tǒng)的注漿。這種吸滲理論是把漿液和被注入漿液的介質(zhì)之間存在著一定程度的親和性。這兩者相互接觸后，漿液能夠自動(dòng)滲透在被注入漿液的介質(zhì)之中，而被注入漿液的介質(zhì)也能夠自動(dòng)的吸允漿液。

漿液與巖土之間的親和力

σs-σs1=σ1cosθ

式中：漿液的表面張力，σs；巖土的表面張力，σ1；漿液與巖土間接觸的角度，σs1；漿液與巖體界面的張力，θ，當(dāng)漿液為潤(rùn)濕相時(shí)θ<90°。

如果將固體與液體之間的吸附力與親和力定義為F，則有下列公式

F=σ1cosθ

等式中的F與光滑面θ能夠用張力儀對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，但是張力儀卻不能測(cè)出巖土等多孔介質(zhì)。為了測(cè)定出水或漿液在多空介質(zhì)中毛細(xì)管束中的滲徑長(zhǎng)度，我們通過(guò)潤(rùn)濕運(yùn)動(dòng)學(xué)中的力學(xué)原理來(lái)測(cè)定其親和力的數(shù)值，如以下公式所示

4結(jié)束語(yǔ)

注漿理論在我國(guó)的地質(zhì)工程中運(yùn)用廣泛，通過(guò)對(duì)地表注漿加固中力學(xué)的研究，能夠加強(qiáng)對(duì)注漿的應(yīng)用與工程的整體把握。在注漿工程中，對(duì)巖體的性質(zhì)進(jìn)行了解并及時(shí)的計(jì)算出漿液在巖體中的流通速度與注漿過(guò)程中的各相力度，有利于提高施工的準(zhǔn)確性，減少施工的負(fù)擔(dān)，提高施工的效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]裴潔.地表注漿在淺埋軟弱圍巖隧道中的應(yīng)用[J].科技信息,2014,10(14).

[2]陳建民.地表注漿加固技術(shù)在廈安高速蓮花隧道淺埋偏壓段中的應(yīng)用[J].廣東建材,2014,12(27).

Mechanical analysis of grouting reinforcement on surface

ZHANG Jian

(Guizhou Expressway Group Co.，Ltd.,Guiyang, Guizhou 550001，China)

Abstract:The grouting reinforcement technology has been widely used in many projects. Tunnels and bridges always have many safety and quality problems during construction because of the geology, to which the grouting reinforcement can provide safeguard. This paper discusses the density and gap of the jointed rock mass, clay intercalation and the broken rock chemical grouting to share with colleagues.

Keywords:surface grouting;reinforcement mechnics;analysis

中圖分類號(hào)：U416.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C

文章編號(hào)：1008-3383(2016)01-0029-02

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2015-10-18