浆力劈裂机制的分析

（一）浆力劈裂的难易程度分析

浆力劈裂临界压力的大小与被灌岩体的类型有关。本区与工程有关的有27 个岩组。若按岩体类型的强度和层面裂隙发育程度两个条件来划分的话，可将27 个岩组划分为如表6-3 所示的各种类型。

表6-3　浆力劈裂难易程度划分表

各类岩体的浆力劈裂的难易程度主要决定于以下两因素：

岩体结构力　要使岩层上抬招致浆力劈裂，浆力除了克服岩体自重力以外，还必须克服不连续面之间岩体镶嵌、咬合作用所形成的力，即所谓的岩体结构力。马尔科斯（F.Marcos）［14］引入参数Fc以表示结构力的大小：

式中　pc——使岩体抬动的临界压力；

γ——岩体密度；

h ——试验深度。

从本区两次灌浆试验大量浆力劈裂情况分析，这个结构力与岩体的强度、风化卸荷程度、裂隙产状与钻孔方向之间的关系等因素有关。Fc 值变化范围在1.24～3.0 之间，甚至更大。如果不分门别类的研究，就很难在很大范围内选择某一力以代表该类岩体的真正结构力。具体来说，本区的各类岩层的强烈风化卸荷带内的岩体，其结构力较小，层面发育，弹性模量低，易于上抬劈裂。

层面与岩性　在缓倾角砂、页（泥）岩地层内进行灌浆试验的资料表明，浆力劈裂出现频率最高的地层是较软地层。浆力劈裂的形式几乎全为变形劈裂，而浆力劈裂的部位又几乎都是沿层面劈裂。由此可以判定，凡是弹性模量小、层面发育（密度大）的地层为易于浆力劈裂的地层；弹性模量大，层面不发育的地层为难于浆力劈裂的地层。

根据与浆力劈裂有关的地层岩性、层面发育状况、岩体强度、弹性模量等影响因素，本区浆力劈裂的难易程度，依次划分为A、B、C、D和E类型。进行浆力劈裂试验时，要尽可能按岩性划分出纯坚硬岩层段、纯软岩层（含上、下两个岩性突变的层面）段，硬软岩互层段和强风化卸荷、断层及其强烈影响段。在上述段内再分段进行浆力劈裂试验。

（二）浆力劈裂类型划分

尽管浆力劈裂现象有多种多样，但从形成浆力劈裂的地质背景资料来说，不外乎由图6-11 所示的5 种类型。

图6-11　浆力劈裂的成因类型图

（a）部分张开的裂隙进一步张开型；（b）岩体压缩使裂隙张开型；（c）潜在裂隙裂开型；
（d）充填于张开裂隙内的土状物质被侵蚀型；（e）颗粒被侵蚀型

（1）（a）型。钻孔切断了部分张开的裂隙。在浆力作用下，浆液在裂隙的张开部分内，以平面流的方式运动，至尚未张开的潜在裂隙面或未有潜在裂隙面的“岩桥”之处，高压浆液可首先裂开潜在裂隙面。如岩桥处的岩体为低弹模岩体时，将引起劈裂发展到新岩桥的地方，或者使岩桥的两端的部分张开裂隙相沟通，形成规模较大的张开裂隙。

（2）（b）型。钻孔切断了原始已微张开的裂隙。压力浆液压入裂隙中，由于裂隙围岩为低弹模岩体，压力浆液使裂隙围岩向壁内压缩，即产生压缩变形，围岩被压缩变形的部分即是微张裂隙变宽的那部分。

（3）（c）型。钻孔切断了软岩中发育的发状裂隙和闭合的层面。由于正常沉积的突然间断而形成近于闭合的层面，其上下微粒的排列方向几乎都平行于层面。层面具有很低的抗拉强度。在通常的情况下几乎是不透水的。当浆力超过发状裂隙和闭合层面的抗拉强度时，将随之产生浆力劈裂，引起大家常说的不透水层的高吃浆量的非常现象。

（4）（d）型。充填于张开裂隙内的粘性土或无粘性土，或充填于断层带内的糜棱岩等，这些土状物质是透水的也是可能被侵蚀的。浆液压力高过充填物的内聚力时，这些疏松物质将遭到侵蚀，特别是与断层带相邻的断层强烈影响带内，张开裂隙多相互沟通，高流速浆液极易引起土状物质的侵蚀。(www.xing528.com)

（5）（e）型。在风化卸荷作用下成岩程度较低的中、细粒软弱岩层内，由于粒间连接力很小，高压浆液可剥离、挟走这些颗粒，使岩体发生浆力劈裂。

（三）浆力劈裂的力学分析

软岩的内层面，两构造裂隙尾、首间岩桥内的暗（潜）节理，物理力学性质不良的糜棱岩和土状充填物的部分，是岩体抗劈裂的薄弱环节，是可能发生浆力劈裂的内在基础。从力学方面来分析，最主要有以下两类：

1.岩体浆力压缩引起的浆力劈裂

（1）深埋坚硬砂岩层。当层间的压力（ps）大于或等于有效灌浆压力（pr），而pr 又大于原始微张构造裂隙内的压力（pf）时，即ps ≥pr＞pf 时，如图6-12所示，在原始微张的构造裂隙内发生劈裂现象。其劈裂宽度决定于劈裂围岩的弹性模量E、压缩变形体的长度L及劈裂缝内的浆液压力（pf）。裂隙劈裂宽度可用WJ=pf·（L/E）公式表示。

当原始微张构造裂隙内的压力pf大于有效灌浆压力pr，而pr又大于层面间的压力ps时，即pf＞pr＞ps时，在图6-12（c）中的上层面内（S1）发生劈裂现象，其劈裂缝宽度Ws1与ps、L和E有关，即Ws1=ps·（L/E），此时在原始微张的构造裂隙内仍旧无浆。如果是重复灌浆，在S1、S2 层面内有可能发生劈裂和重复劈裂。

劈裂宽度Ws2将与Em有关，其表达式的Ws2=ps·（L/Em）。

（2）深埋的坚硬砂岩与页（泥）岩互层。在这样互层内进行灌浆，页（泥）岩层面内的原始压力ps页永远小于砂岩的构造裂隙及其层面内的原始压力pf砂和ps砂。当灌浆的有效压力pr＞ps页时，而pr仍远远小于pf砂和ps砂。因此，当pr＞ps页时即发生劈裂现象。如若仍进行重复高压灌浆时，重复几次，就会出现与重复次数相同的水泥结石层。而在坚硬砂岩层的层面和构造裂隙内，由于pr小于pf砂和ps砂的压力，而仍旧没有浆液，欲要提高到pr＞pf砂或ps砂是不可能的。因为达不到pr＞pf砂或ps砂时，页（泥）岩内就会再次劈裂，而使pr急剧下降（图6-13）。因此，在一个既有砂岩又有页（泥）岩的灌浆段内，用同一压力灌浆，就会形成页岩劈裂砂岩内无浆或少浆的现象。

图6-12　岩层压缩劈裂情况示意图

（a）灌浆前钻孔围岩状况；（b）灌浆后构造裂隙劈裂情况；（c）灌浆后层面裂隙劈裂情况Fn—原始张开的窄裂隙；J—闭合构造裂隙；S—闭合但可裂开的层面；Wj—灌浆劈裂水泥充填后的构造裂隙宽度；Ws—灌浆劈裂水泥充填后的层面裂隙宽度；E—原始弹性模量；Em—灌浆后岩体的弹性模量；pf—原始张开窄裂隙内的压力；ps—层面裂隙内的压力；L — 岩层单元长度

图6-13　夹于砂岩层间的页（泥）岩的浆力劈裂过程示意图

（a）原始状态：夹于硬砂岩中的页（泥）岩；（b）过高的灌浆压力使页（泥）岩层裂开；（c）充填浆液；（d）重复灌浆时形成第二期水泥结石层；（e）第三次灌浆仍会形成第三期水泥结石层

2.上覆岩体上抬引起的浆力劈裂

在上覆岩层引起的荷载压力相当小时，沿不连续面有松动现象的条件下（图6-14），当上覆岩层形成的荷载压力（prm）大于层面裂隙压力（ps），而ps 又大于钻孔内的有效灌浆压力（pr），而pr又大于原始张开窄裂隙压力时，即prm＞ps＞pr＞pf时，当灌浆时将会引起如图6-13所示的Fn 构造裂隙内充填浆的情况，即闭合的层面不能传递浆液到宽张裂隙内，而使FW 裂隙尽管是张开的但其内仍无浆液充填。

图6-14　上覆岩体抬动劈裂情况示意图

（a）灌浆前钻孔围岩状况；（b）Fn 的劈裂水泥充填情况；
（c）层面裂隙重复劈裂多次水泥充填及构造裂隙劈裂水泥充填情况
prm—上覆岩体形成的压力；FW—宽张裂隙；
①—首次劈裂水泥充填；②—二次劈裂水泥充填；
SL、Sr—层面的左侧或右侧

如果F、pr、ps和prm之间的大小关系变化时，即Ff＞pr＞ps＞pr 时，当灌浆时，将会引起如图6-13c所示的情况：Fn张开无浆；层面裂开充填浆液，进而与FW沟通，也使其充填浆液（图6-14（c）的①层水泥结石层）；如重复灌浆时，仍旧会再次引起劈裂，形成如图C中的②层水泥结石；在Fn 中仍旧无浆液充填。

从上述可知，当上覆岩层形成的荷载压力（prm）大于有效灌浆压力时，就不会引起浆力劈裂；当有效灌浆压力pr＞prm时，将首先引起层面裂隙的浆力劈裂，而那些构造裂隙的压力仍旧大于上覆岩层形成的荷载压力时，它仍是不吃浆的裂隙。