劈裂灌浆的加固原理及其施工方法[详细]

劈裂灌浆加固原理及其施工方法

一、劈裂灌浆的加固原理和特点

堤体劈裂灌浆的理论基础是水力劈裂原理,即向土体内的孔内压水或灌浆时,作用在孔壁上的径向压力引起孔的扩张,使孔壁土体受劈裂挤应力,而当这些应力超过土体的抗拉强度时,就会在土体内产生一些裂缝,这种裂缝的产生过程称之为水力劈裂.

水利上的堤坝是人工堆筑成的长条形土料建筑物,为梯形断面,由于受多种自然因素的影响,常出现一些不稳定现象.如果向不稳定的堤段造孔并向堤体孔内压注浆液,加上浆液自重因素,使堤体沿轴线方向形成一道或数道粘土帷幕,则可达到消险固堤的作用.这种施工过程我们称之为劈裂灌浆.

劈裂式灌浆技术在土坝坝体除险加固中具有投资小、见效快、设备和技术简单、操作方便等优点,已经被广泛地运用.但在具体操作中应注意施工工艺,保证灌浆的质量,才能达到预期的效果.

二、工程简介

秋风岭水库位于广东省潮阳市西南部的两英镇境内,距市区36公里,距324国道约7.5公里,属练江支流的秋风水系.坝址以上集雨面积105.1平方公里,总库容6903万米3.水库兼顾防洪、灌溉、供水、发电等效益,是潮阳市库容最大的一宗水库.

秋风岭水库主坝总长为1650米,为广东省最长的大坝之一,坝体平均高度约20米.坝体建于20世纪50年代末期,主要依靠人工挑土筑坝,因此施工质量存在一定的问题,且经过多

年的水压作用,坝体部分已出现险情,渗水现象较严重,对坝体的加固已刻不容缓.

坝体的劈裂灌浆工程量约为11127.2米,采用单排布孔,孔距4.0米,劈裂灌浆孔施工轴线为平行于坝顶轴线,位于大坝改建后坝顶轴线下游0.5米.劈裂灌浆形成的墙体与高喷防渗墙相连接.

水库主要挡水建筑物为均质土坝,坝顶高程48.0米,坝顶宽度7.0米,坝顶长1650米,根据地层地质资料,从上而下为:

第一,人工回填土,为花岗岩风化土,局部为岩脉风化粘性土及粉质粘土.主坝上部10米段渗透性较强,中下部土质较密实,渗透性较弱.

第二,花岗岩全风化土,透水性较弱.

第三,强风化花岗岩,透水性中等,局部破碎带透水性强.

三、施工方法

(一)劈裂灌浆孔施工平面布置

施工孔平面布置如下图所示:(空白孔为Ⅰ序孔,阴影孔为Ⅱ序孔)

(二)劈裂灌浆的主要施工设备

表1 主要施工设备的名称、规格型号、数量

(三)劈裂灌浆注浆试验

根据设计要求和本劈裂灌浆防渗工程有代表性地质的地层,进行试验.开挖检查以便直接观察情况,测定灌浆厚度.有关技术要求分别参照《水利水电工程钻孔试验规程》执行.根据试验确定起初劈裂压力P、裂缝扩展压力Pc、最大控制注浆压力P米in、注浆量Q等,以指导本工程整个过程的施工.

(四)劈裂灌浆施工主要技术参数

1、注浆深度、布孔、段高

注浆深度:为坝体清基线以上人工填土部分.

布孔:采用单排布孔,孔距4.0米,分二序施工.

段高:为全孔一次灌注法.

2、浆料选择

选用红粘土浆,浆液比重为1.30.

(五)劈裂灌浆施工

劈裂灌浆施工采用“坝体分段,单排布孔,分序钻灌,孔底注浆,全孔灌注,综合控制,少灌多复”的原则.

1.劈裂灌浆施工工艺流程

开挖沟槽→钻孔→制浆→灌浆→终灌→封孔

2.劈裂灌浆施工方法

劈裂灌浆施工采用XY-100型钻机2台套造孔,YSB-250/120型调速注浆泵2台套,分两序施工,先进行Ⅰ序孔施工,再进行Ⅱ序孔施工

材料采用粘土浆,浆液比重为1.30

(六)施工要点

1.钻孔施工:

(1)钻孔采用回转钻机钻进,泥浆护壁;钻孔孔径φ米米

(2)钻孔开孔位置与设计位置偏差不得大于50米米

(3)钻孔施工时应采取预防孔斜地措施,并应按设计要求测量孔斜

孔底偏斜率不应超过1.5%

(4)钻孔地有效深度应穿过待注浆地层进入下部地层1.0～2.0米为宜

(5)选定部分一序孔作为向导孔,采用芯样、划分层位,其深度应大于墙体深度,间距不宜大于20米

钻进时应详细记录孔位、孔深、地层变化和漏浆、掉钻等特殊情况

(6)孔口管埋设:注浆钻孔时埋设孔口管,以防止孔口塌落及孔口返浆,使坝地顶部注浆压力由孔口管承担,以避免地层表面劈裂,使灌注浆液在地层内始终处于封闭状态,因而可施加较大地注浆压力,促使浆液析水固结;当孔口压力消失后,地层所产生地回弹压力较大,有利于提高浆液地固结速率和浆体固结地密实度

在黏性土地层注浆压力不大地情况下,直接将孔口管打入地层3～5米,利用黏性土地黏结力来防止冒浆及平衡注浆顶托力;在松散无黏性地层或注浆压力较大地情况下,应在孔口预先挖2米左右深地坑,将孔口管下入3～5米后,在管周边回填黏性土并夯压密实,必要时可回填塑性混凝土

2.制浆

采用搅拌机湿法制浆,随时测定泥浆密度,控制达到设计要求,浆液比重为1.30

开始采用稀浆灌注,待坝体被劈裂后,改用浓浆

3.灌浆

施灌原则是“稀浆开始,浓浆灌注,分序施灌,先疏后密,少灌多复,控制浆量”,施工时要将注浆管下到离钻孔底部0.5～1.0米处

启动灌浆泵泥浆由射管喷出

浆液劈裂坝体始于注管底部,沿小主应力作用面,逐渐向上发展

孔底注浆可施加较大压力,使坝体内部劈开,把较多地泥浆压入坝体,产生挤压变形,待停灌后,坝体产生回弹,有利于提高坝体和浆脉地密度

全孔灌注,浆液从注浆管底部涌出,自下而上、从压力大处向压力小处、从坝体质量好部分向质量差部分、从已充填部分向未充填地部分、从裂缝中间向边缘流动和充填

要求每次灌浆后,要提一提注浆管,以免孔底堵塞和孔口冒浆

灌1～2次后,可提管1～2米

4.终灌

经反复轮注后,浆体帷幕厚度须达到设计标准20厘米

如连续3次不再吃浆或坝顶连续3次冒浆即可终灌,直观上要以饱、满、实为度

5.封孔

在终灌后,先将注浆管插入孔底,再注入浓浆将稀浆或清水置换掉,直至浓浆(采用0.5∶1以上地浓浆)填满全孔为止,待浆液折水沉淀后,再进行第二次封填,直至钻孔封满为止

6.灌浆期原型观测

按设计要求沿坝轴线方向每隔20米设一观测标点,每级至少分别在坝顶上、下游坝肩处各设一个观测标点,标点用砼桩或木桩做成

灌浆施工前应对布设地各桩垂直位移点观测2次,灌浆期每班观测1～2次,坝面出现裂缝时,应增加观测次数,灌浆间歇期每2天观测1次

灌浆期间坝顶上下游坝肩处横向水平位移每次不得大于25米米

7.注浆中特殊情况地处理

注浆过程中,有时会遇到冒浆、串浆等一些特殊情况,对这些情况地处理往往需采用一些特殊地方法

分述如下:

(1)冒浆:对孔口冒浆可采用重新回填黏土或在黏土中掺入少量水泥地方法,封堵套管外壁与孔壁之间间隙

对孔口以外部分地冒浆,可采用限流、限压及嵌缝地方法处理,如该法处理无效,则应停注待浆液凝结后再进行复注

(2)串浆:在注浆过程中,若出现相邻两孔或隔孔冒浆,这表明堤坝地基已经劈裂,串浆两孔之间浆脉已经沟通

处理这种现象,一是将冒浆孔用止浆塞堵上,然后在注浆孔再继续注浆,另一种是将注浆孔与冒浆孔并联,同时进行灌注

(3)隆起:注浆期地层隆起,一是由于注浆时产生水平劈裂,在注浆压力作用下,对地层产生抬动

在这种情况下,应采取限压方法或在保持注浆压力地前提下,控制注入量

二是由于在注浆压力作用下,对湿陷性大地土体产生挤压变形,而造成局部隆起

这时,则应降低注浆压力或调整施工方案

总之,注浆中地层地隆起是应尽量避免地,若发生,则应找出原因,采用相应地处理措施后,再继续注浆,以免对土坝质量造成不良影响

(4)吸浆量过大:一种情况是注浆土体过于疏松,在注浆压力作用下,伴随着出现较大地压缩变形,使裂缝加宽,吸浆量增大

这时,伴随注浆量地增加,压力将逐步上升,应继续灌注到压力上升至设计压力或反复灌注到地层不吸浆为止

另一种情况是地层存在掏刷形成地空洞,这时应一直灌注到空洞填满为止

四、效果评价

劈裂灌浆完成以后,经过一段时间,等粘土浆完全析水固结后,随机对灌浆地部位进行开挖,检验粘土墙地生成质量

经现场开挖检验,在坝体沿坝轴线方向形成数道粘土帷幕,宽度为10米米～50米米,浆脉累计厚度100米米(见图2)

图2 劈裂灌浆探槽开挖平面图

理论上,坝体沿坝轴线方向存在粘土帷幕,能使坝体的浸润线骤然降低,有效地降低了 水向背水坡脚的渗水,同时也提高了 坝体的稳定性;从灌浆施工完全结束后,主坝坝后坡脚

渗水严重的情况已经得到了 明显的改善.

锚杆二次高压劈裂注浆施工

马力群、晁伟(郑州市重点建设工程质量监督站 450002

陈萍(河南精诚工程造价咨询有限公司)

河南省体育中心体育场设有两个跨度为273米的网架罩蓬,每个罩蓬两端均落在一个巨大的箱形拱脚基础之上.由于网架罩蓬产生的水平力很大,设计上主要采用每个箱体设三排共36根29米长的永久性锚杆来提供水平抵抗力.锚杆施工质量的好坏将直接影响拱脚基础的稳定,进而影响整个工程的安全稳定性.因此,必须对锚杆的施工过程重点加以控制.

1、基本概况

1 .1施工基本参数

锚杆:孔径150㎜,自由长度5米,锚固长度24米;倾角15°,总长29米.二次劈裂注浆,水泥标号42.5,水灰比0.4－0.5,水泥用量每米不小于90千克/米

锚索:采用5束7Φ5㎜、1860N/米米2 级Φ15.24米米低松弛钢铰线,L＝30米(含保护端1米).

标高:第一排－3.55米,第二排－6.05米,第三排－8.55米.

水平间距:3600米米.

1.2地质情况

本场地所在地貌单元属黄河冲积单元,根据勘察报告提供的岩土特征为:1.黄河近期泛滥沉积形成的褐～褐黄色的粉土和粉质粘土层,底板埋深10.5米左右;2.为静水相和缓流水相沉积形成的灰～灰黑色的粉土和粉质粘土层,底板埋深16.0米左右;3.浅灰至褐黄色的粉土、粉细砂层;4.褐黄色～褐红色的粉质粘土和粉土层,底板埋深约56.0米.

1.3场地标高及水文地质条件

场地标高按设计标高约－2.0米,勘察所揭露的地下水类型为潜水,地下水稳定水位在自然地表下3.5米左右.

2、施工准备阶段

1.施工方案中的施工工序及各项技术参数是否符合规范要求,或符合经试验确认的施工参数;基坑的降水、开挖、支护方案是否已批准,特别是土方开挖,每层开挖的标高应能保证锚杆正常施工.

2.应对施工现场的各种管线进行提前了 解,防止在施工中将其损坏;摸清现场供水、供电能力,能否保证正常施工;规范要求最上一层锚杆锚固体以上的覆土厚度应有4－5米,本工程的覆土最薄处只有1.55米,所以施工前应提前在覆土厚度不够的范围内进行覆土,注意覆土要压实不应虚铺,否则,将不起任何作用.

3.检查钻管直径和钻管长度是否满足施工要求,锚杆施工机械及其配套设备能否正常运转,在施工之前应调试完毕,工程中要用到的设备主要有:锚杆钻机、注浆泵、切割机、电焊

机、搅拌机,必要时还应有吊车帮助锚杆机移位.所用压力表要进行标定,提供合格的标定证书.

4.对制浆的操作方法和计量的准确性等提前检查,保证所需浆液的配合比符合施工要求并质量稳定.

5.材料进场准备工作.水泥、钢铰线应经复试合格,锚具应进行外观检查、硬度检验、静载锚固性能试验.

6. 做好测量放线工作,按设计及土层定出孔位并做好标记.

7.锚索的制作

本工程锚索采用钢铰线,钢绞线应除油污、除锈,排列要均布、平直,沿杆体轴线方向每隔1.5米设置一个隔离架以保证保护层厚度,排气管及二次注浆管应捆扎牢固.二次注浆管应在锚固段每隔1.5米左右开一出浆孔,应注意靠近底部开孔应较大或较多,并用透明胶带将底部端口和开孔封闭,避免注浆管在一次注浆时进入浆液,导致二次注浆无法进行.同时保证最下部开孔能够最先被冲开,并依次由下至上逐步被冲开.二次注浆管距孔底100米米.自由段5束钢铰线分别涂上润滑油并采用波纹管套装,然后在波纹管上涂上润滑油,最后用塑料护套管二次包裹,与锚固段钢铰线相交处的塑料护套管应密封,并用铅丝绑扎牢固,钢铰线束底部可用短塑料管护套包裹,防止钢铰线束在安放时不顺利.上述工作完毕后,应放在不受雨淋的地方等待使用.

3、施工阶段

3.1锚杆施工工艺

准备→移机就位→安钻管、反复提钻管、钻进至设计深度→冲洗钻孔→安放锚索→拔出钻管→一次注浆→二次高压劈裂注浆.

对于移机就位至拔出钻管各施工工序只要按规范规定施工即可,此处不再赘述.

3.2一次注浆

一次注浆的压力可不加以,只要孔口溢出浆液,即暂停注浆,然后将孔口封闭,稳压1分钟左右,即可结束注浆.正常情况下一次注浆水泥用量为26－28袋,多时也可达36袋,注浆压力为0.5米Pa左右,注浆时间一般为20米in~1h,特殊情况下可达1h 45米in.

3.3二次高压劈裂注浆

二次高压劈裂注浆应在一次注浆形成的水泥结石体强度达到5.0米Pa(4～6小时)时进行,注浆压力0.5～1.5米Pa,最高达到2.0米pa;注浆时间一般为20分钟至1小时;本工程正常时水泥用量17～23袋,少时11袋,多时60袋.二次注浆压力与二次注浆的时间有一定关系,比如:一次注浆历时1小时45分钟,一次注浆结束到二次注浆开始历时8小时,压力达到1.8～2.0米Pa;一次注浆结束到二次注浆开始历时3～6小时时压力一般为0.5～1.5米Pa,个别5小时达到2.0米Pa;可是但凡二次注浆压力大于1.5米Pa时,一般要比0.5～1.5米Pa的水泥用量要少3～9袋.

4、几点体会

4.1关于水灰比的问题

规范规定:注浆材料宜选用水灰比0.4～0.5的纯水泥浆,这主要是从保证锚固体的强度方面来讲的,对于一次注浆锚杆很有必要.通过实体取样,当采用水泥为P42.5,水灰比为0.7～0.8,锚固体强度也是完全可以满足大于20米Pa的要求.因此,从施工方便的角度来讲,如果采用二次高压劈裂注浆施工方法时,至少二次高压劈裂注浆所用浆液的水灰比应在0.7以上,否则很难进行下去.

4.2关于二次高压劈裂注浆的密封装置问题

规范规定:编排钢铰线或高强钢丝时,应同时安放注浆套管和止浆密封装置.从设置止浆密封装置的目的来看,是在二次高压劈裂注浆时,密封装置像一个塞子,使浆液不能很轻易地跑出来,有利于锚固体形成连续球体.但本工程设计自由段长度为5米,因此,该密封装置设在自由段与锚固段的分界处与设在洞口处差别不是很大,但在洞口进行设置则是更容易操作,本工程就是在洞口采用水泥袋进行密封的,效果也很好.如果自由段长度大于5米或更长时,在自由段与锚固段的分界处设置止浆密封装置则是比较合理的.

4.3关于二次劈裂注浆的施工方法

在二次高压劈裂注浆时,规范规定设置注浆套管.本工程则采用了 在制作锚索时,将二次注浆管与钢绞线捆在一起,安放锚索时一同放入,二次高压劈裂注浆时直接利用的方法.又由于二次注浆管下端开的孔大和存在液面高度差下部压力大的缘故,下部开孔容易首先被浆液冲开,保证了 由下至上开孔依次被打开的要求和各个开孔处形成截面扩大的效果(就本工程土质,并未形成理想的球体),这样做的好处是不但可以达到施工的目的,而且施工时又特别方便.