在具有如图8-2(c)所示蜂窝状空隙的地层中灌浆,若只依靠浆液在孔隙中作“渗透”扩散,所产生的效果将是很小的,有时是无效的。例如:各种砂层,尽管其透水性有时可达K=10-2cm/s以上,但浆液在孔隙中的渗透距离极为有限;一些由壤土和粘土组成的地层,尽管其中的孔隙率有时可高达30%以上,但实际上透水性很小,更不用说浆液的渗入。
按照J·C·肯(J.C.King)提出的可灌比概念,悬浮型浆液可顺利进入由各种粒状材料构成的粒间空隙的条件是:
式中 GR1、GR2——可灌比;
D15、D10——地基土的15%、10%粒径;
d85、d95——灌浆材料的85%、95%粒径。
这是一个纯理论公式。试验和大量的实践资料都表明,在理论上即使是可灌的,而实际均匀渗透的距离却非常之小。
在此种地层中,浆液只能顺利进入通畅的大空隙,并可到达较远的距离。当这些大空隙被充填满以后,或根本不存在大空隙时,要想使均匀分布的大量小孔隙亦得到灌浆弥合,就得施加足够的压力,造成“劈缝”使浆液得以进入,同时给周围的土层以挤密。这一过程中,浆液在土层中将形成嵌入的片状楔形体;由不同灌浆孔段,不同方向嵌入的楔形体互相交割,将土砂穿插包裹起来,并促使排水固结,从而使地层力学强度和阻水性能都得到提高。
美国在对一座核反应堆地基(由海相沉积的软泥和粘土构成)灌浆处理中,曾观察到,以此种形式嵌入的浆液结石厚度为1.5~152mm不等,最大的累积厚度达310mm。但没有观察到有浆液渗入土层孔隙。(www.xing528.com)
过去,在坝基砂卵石层、断层破碎带和溶洞充填物中所作的灌浆,亦曾发现过不少类似现象。如在乌江渡大型溶洞充填物中,使用纯水泥浆(稀浆开始)、6MPa压力所作的灌浆,最后使塑性软泥变成了能承受高达80以上水力坡降的“类石体”。
近些年来,我国在对一些填筑质量较差漏水土坝中所做的“劈裂灌浆”,就是充分利用了这一机制。使用的多是由当地粘土制成的稠泥浆,偶尔加些水泥。由于最小主应力面通常是顺坝轴线延展,容易将土体向两侧推移。因此顺坝轴线布置垂向灌浆孔,就会劈裂成一道互相连接的裂缝,用泥浆充填,最后就能形成一道“泥墙”与两侧被挤密的土体联合作用的“帷幕”,制止住漏水。使用这种办法,已使上百座大坝恢复了挡水。
美国早在20世纪30年代就广泛使用“挤密灌浆”法用来加固软土地基、制止建筑物下沉、扶正建筑物偏斜等。其灌浆材料经常以细砂为主,12%左右的水泥为凝结剂,10%左右的火山灰为活性掺和料,制成坍落度为0~50mm的稠浆液。此种浆液,以钻孔为中心向外“肿胀”,对围土产生复杂的径向应力和切向应力,最后形成类似图8-5的圆柱体,只在有劈缝的地方产生树根状的楔入体。挤向四周和底部的应力使围土趋于密实;指向顶部的应力最后可使建筑物抬升。
在具有片状空隙的岩层中灌浆也会发生劈缝。最先是沿着进浆的岩缝,使其进一步增宽和向远处延伸;如果施加的压力过大,还可能将孔壁和原已闭合的弱面劈开。前一种劈缝可提高细岩缝的可靠性,使不能进浆的更小岩缝受挤压而闭合;而后一种“劈缝”通常是有害的。
所以,也不能把劈缝(即水力劈裂)都认为是有害的。只要不引起过大抬动给建筑物造成损害,不使好岩石破裂,不使浆液大量流失,劈缝就是无害的,有时是需要的。
图8-5 土层中挤密灌浆形成的柱状体
1—灌浆管;2—可压缩的土层;3—挤入的砂浆
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