專利名稱：：一種化學灌漿補強加固處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及工程施工加固領(lǐng)域，尤其涉及利用化學灌漿補強加固處理
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：工程施工中常常遇到工程基礎及工程構(gòu)件加固問題，尤其在水電開發(fā)中。水電開發(fā)建筑水壩時，很多水壩地基地質(zhì)條件差，往往一個好的壩址，存在著差的地質(zhì)現(xiàn)象，其中軟弱低滲透地層，是水壩建筑過程中遇到的最難處理的地質(zhì)現(xiàn)象，是必須解決的技術(shù)難題，具有極大的、甚至可以說是世界級的技術(shù)難度。通常，水壩地基遇到復雜的地質(zhì)條件時，采取水泥灌漿、開挖置換的方法即可處理好；遇到更復雜一些的地質(zhì)現(xiàn)象，如斷層破碎帶，采取常規(guī)的化學灌漿與水泥灌漿相結(jié)合方法也可進行處理；但遇到軟弱低滲透地層時，使用以上方法都無法進行有效處理。這主要因為軟弱低滲透地層具有以下特點其產(chǎn)狀多呈層狀或脈狀，且走向不規(guī)則，有時埋深較大。巖體性狀在自然濕潤的狀態(tài)下軟弱且較致密，滲透系數(shù)極低，滲透系數(shù)為K=NX10-4以下；同時，由于風化作用，地層內(nèi)還存在開度大小不一的裂隙。使用水泥灌漿加固處理或使用常規(guī)的化學灌漿加固處理，通常只能填塞地層中的裂隙，對軟弱且致密的巖體無法進行有效地處理，達不到處理要求。通常采用的灌漿加固處理方法存在以下缺點1、通常所使用的處理方法其灌漿機理為在壓力的作用下，漿液對裂隙填充或?qū)⑤^小裂隙劈裂張開后充填。致密巖體中的微小孔隙在通常方法時無法被填充，處理后的地層往往像雞蛋一樣，"殼"包"黃"。2、以水泥漿液為灌漿材料，水泥漿液是懸濁液，一般水泥灌漿主要針對巖層裂隙的處理，受灌巖體裂隙不小于0.2mm;超細水泥在細度為60008000cm7g時，受灌巖體的滲透系數(shù)以為10—210—3cm/s;水泥漿液還有一個無法解決的不足處，就是制好的水泥漿液按規(guī)范要求，使用時間不得超過4小時；由于軟弱低滲透地層孔隙微小、裂隙寬度小，水泥漿液短時間內(nèi)達不到滲透灌注效果。3、常規(guī)的環(huán)氧樹脂化學漿液是真溶液。作為灌漿材料，環(huán)氧樹脂漿液的物理性能包括粘度、液體的接觸角、表面張力等；國內(nèi)絕大部分廠家生產(chǎn)的環(huán)氧樹脂化學漿液粘度與強度不能滿足需要，在不損失強度的前提下，其初始粘度大都在20100mPa*s之間，且初始粘度保持時間短；對液體的接觸角、表面張力等物理性能未作研究；國外生產(chǎn)的環(huán)氧灌漿材料由于強調(diào)強度，粘度都在200Pas以上；同樣對液體的接觸角、表面張力等物理性能未作研究。所以，使用國內(nèi)、國外常規(guī)的環(huán)氧樹脂化學漿液，處理軟弱低滲透地層的灌漿機理還是對裂隙填充或?qū)⑤^小裂隙劈裂張開后充填，只不過充填的裂隙比水泥灌漿要小勝。4、常規(guī)的化學灌漿處理技術(shù)，由于使用的灌漿機理為裂隙充填或?qū)r體中微細裂隙劈裂后充填，裂隙充填滿，達到設計壓力即結(jié)束某一孔段的灌漿，一般灌漿歷時不超過10小時。雖然其使用的灌漿壓與浸潤滲灌的壓力區(qū)別不大，但由于灌漿機理不同、環(huán)氧樹脂灌漿材料物理性能不同，不能對巖體本身的微小孔隙進行有效處理，所以處理后的巖體同樣像雞蛋一樣"殼"包"黃"，巖體強度得不到改善。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種化學灌漿補強加固處理方法，它克服了上述缺點，對滲透系數(shù)K=NX10—4以下的軟弱低滲透地層具有良好的補強加固效果。本發(fā)明通過下列方法實現(xiàn)首先，將受灌體分層分段。受灌體一般是巖體，可將其理論上微分為多個受灌巖面；然后在受灌巖面的巖體鉆孔，按受灌巖體鉆孔灌漿段次、段長確定設計壓力、最大控制壓力灌漿；至灌漿結(jié)束后固化。化學灌漿壓力、鉆孔分段表1化學灌漿壓力及段長<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>使用的化學材料是環(huán)氧樹脂灌漿材料，最好選用性能指標為初始粘度為2.0mPas15.0mPas，表面張力小于水的表面張力，接觸角為1°16°;尤其是表面張力在2(TC時不大于0.050mN/m的環(huán)氧樹脂灌槳材料；更進一步的選用專利ZL01107590.2的環(huán)氧樹脂灌漿材料。灌漿時，升壓至設計壓力，通過控制灌漿壓力控制灌注速率q<0.15L/min.m;灌漿持續(xù)時間不少于IO小時。對灌漿的壓力、灌注速率按下列條件控制(a)在升壓過程中若每米注入率q〉0.15L/min.m，降低灌漿壓力，保持q<0.10L/min.m灌漿;(b)在升壓過程中若q<0.05L/min.m，應在或接近設計規(guī)定壓力下灌漿；(c)在升壓過程中若q遞減較快，在1525分鐘內(nèi)注入率q由O.15L/min.m遞減到小于0.05L/min.m時，則以設計壓力或最大控制壓力灌槳，持續(xù)到灌槳結(jié)束；灌漿結(jié)束采用定時定量相結(jié)合的方式控制，當滿足下列條件之一時，可結(jié)束該段的灌漿(a)當達到設計壓力，且灌漿歷時超過30小時以上，且灌入量不小于80L/m時，以達到的設計壓力為結(jié)束標準結(jié)束灌漿；(b)達到設計壓力，每間隔5分鐘記錄一個注入率讀數(shù)，連續(xù)六個讀數(shù)注入率為0.010.05L/min.m，灌入量不小于50L/m，結(jié)束灌漿；(c)達到設計壓力，注入率小于0.01/min.m，連續(xù)灌漿1520小時，結(jié)束灌漿。進一步在進行化學灌漿前，先在化灌孔外圍進行水泥灌漿。主要作用是封閉受灌體巖脈與外圍其他巖體破碎的過渡帶，防止化學漿液串入其他不需化灌處理地層中的裂隙，節(jié)約成本。下面就本發(fā)明的灌漿機理進行簡單說明使用環(huán)氧漿液在預先鉆設好的鉆孔內(nèi)，施加高壓力對軟弱低滲透致密巖體進行灌注，其灌漿機理不是充填或?qū)r體劈裂后充填?！?、關(guān)于環(huán)氧漿液選擇環(huán)氧漿液在鉆孔內(nèi)首先須有強的潤濕展鋪能力，能夠在巖體表面潤濕展鋪；在適當?shù)墓に嚬しㄏ?，利用此種環(huán)氧漿液，在高的灌注壓力引導下，對鉆孔周圍由內(nèi)向外一定距離內(nèi)的巖體進行由淺入深的滲潤灌注。根據(jù)表面張力與接觸角關(guān)系的楊氏方程YSG-YSL=YLGcos9式中9:接觸角；YSL:液_固界面的表面張力；YSG:氣_固界面的表面張力；YLG:氣_液界面的表面張力。從楊氏方程我們可以得到下列結(jié)論(1)如果(ySG-ySL)=YLG，則cos9=i，e=0°，這是完全潤濕的情況。如果(ySG-ySL)>YLG，則直到e=0還沒有達到平衡，因此楊氏方程不適用，但是液體仍能在固體表面鋪展開來。(2)如果0<(YSG-YSL)<YLG，則1>cos9>0，9<90°，固體能為液體所潤濕；(3)如果(YSG-YSL)<0，則cose<0，e>90°，固體不為液體所潤濕?！N液體，當其表面張力小、接觸角小時，其對固體的潤濕展鋪能力強。根據(jù)以上分析，當使用一種方法、使用某種液體對巖體進行灌注時，這種方法要充分考慮、利用溶液的潤濕展鋪能力，只有最大程度地利用溶液的潤濕展鋪能力，對巖體的灌注才是有效的。通過研究，本發(fā)明選用了初始粘度為2.0mPas15.0mPas，表面張力小于水的表面張力，接觸角為r16°;尤其是表面張力在2(TC時不大于0.050mN/m的環(huán)氧樹脂灌漿材料；更進一步的選用專利ZL01107590.2的環(huán)氧樹脂灌漿材料。二、關(guān)于灌漿步驟化學灌漿時，在鉆好的孔內(nèi)，使用粘度低，表面張力小，接觸較小，濕潤展鋪性能好的環(huán)氧漿液，逐層地對每一個受灌巖面進行浸潤滲透；此時，灌漿壓力不主要發(fā)揮充填或劈裂后充填的作用，而是主要作為漿液的引導力，引導濕潤展鋪性能好的環(huán)氧漿液，逐層地對每一個受灌巖面進行浸潤滲透；為達到浸潤滲透的效果，工藝控制上，采取控制灌漿速率，灌漿時間足夠，充分浸潤滲灌的方法進行浸潤滲灌。軟弱低滲透地層巖體中除存在開度大小不一的裂隙，巖體本身還存在數(shù)不清的微小的孔隙。對這類巖體的處理，不僅裂隙要充填飽滿，更主要的是對微小孔隙進行處理，微小孔隙的處理才是主要影響巖體結(jié)構(gòu)力學性能的方面。浸潤滲灌的灌漿機理與常規(guī)的化學灌漿不同，它不僅要對裂隙充填，更重要的是使用不同于常規(guī)化學灌漿的方法，對主要影響巖體結(jié)構(gòu)力學性能的微小孔隙進行處理。它與常規(guī)化學灌漿在幾個方面有所不同1、將液體潤濕理論引入到化學灌漿中，據(jù)此制定出相應的灌漿技術(shù)，使用控制灌漿速率、長歷時灌注的"浸潤滲灌"的灌漿機理，對受灌巖體進行不同于常規(guī)化灌的浸潤滲灌，在現(xiàn)場實踐中最長達到40小時左右；常規(guī)的充填灌漿機理只針對巖體中的裂隙，發(fā)揮輔助的灌注作用；2、在浸潤滲灌的灌漿機理中，灌漿壓力不主要發(fā)揮充填裂隙的動力，而是作為展鋪潤濕性能高的環(huán)氧漿液滲入到巖體孔隙中的引導力，誘導具有高滲透性能的環(huán)氧漿液，對巖體孔隙充分浸潤滲灌，達到提高軟弱低滲透巖體的力學性能的目的?，F(xiàn)場化學灌漿控制的目的，既要保證化學漿液有一定滲透范圍，達到質(zhì)量要求，又要控制滲透范圍過大，避免工程成本過高。通過研究本發(fā)明采用了上述控制步驟實現(xiàn)發(fā)明目的。綜上，本發(fā)明通過對受灌體分層分段，將其微分為多個受灌巖面，然后在受灌巖面的巖體鉆L控制灌漿壓力、灌注速率，灌漿時間足夠，使用粘度低，表面張力小，接觸較小，濕潤展鋪性能好的環(huán)氧樹脂灌漿材料等方法實現(xiàn)了環(huán)氧漿液均勻滲入受灌體的孔隙、微細裂隙內(nèi)，膠凝物膠結(jié)良好，整體改進了受灌體的性狀，受灌體強度等得到極大改善。并且由于控制滲透范圍，避免了工程成本過高節(jié)約了造價。具體實施例方式位于中國西部的雅礱江上的錦屏水電站一級，其左岸拱肩槽基礎山體中存在順河向的煌斑巖脈(屬軟弱低滲透地層)，延伸長度大于200m。煌斑巖脈屬侵入巖，在地下水的作用下風化，軟弱，巖相致密，巖體滲透系數(shù)K=nX10—410—6，其分布順河向從山頂至大壩基礎以下百米以上，處理前其力學指標見表2:勘探階段提供的煌斑巖脈的平均聲波值為3289m/s，平均變形模量為0.72Gpa，滲透系數(shù)K=nX10—410—6cm/s?；桶邘r脈灌前力學性能指標表2<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>使用常規(guī)的水泥灌漿加固處理方法或常規(guī)的化學灌漿加固處理方法，針對錦屏電站一級左岸煌斑巖脈的處理，不能達到設計要求。針對錦屏電站一級左岸煌斑巖脈這一軟弱低滲透地層的加固處理，我們利用了新的灌漿理論及工藝，同時在這一理論的指導下，對國內(nèi)一種環(huán)氧樹脂灌漿材料進行了配方調(diào)整。技術(shù)內(nèi)容如下煌斑巖脈及類似的軟弱低滲透巖體，可將其理論上微分為多個受灌巖面；在受灌巖面上鉆孔；灌漿；灌漿時，在鉆好的孔內(nèi)，使用粘度低，表面張力小，接觸較小，濕潤展鋪性能好的環(huán)氧漿液，逐層地對每一個受灌巖面進行浸潤滲透；此時，灌漿壓力不主要發(fā)揮充填或劈裂后充填的作用，而是主要作為漿液的引導力，引導濕潤展鋪性能好的環(huán)氧漿液，逐層地對每一個受灌巖面進行浸潤滲透；為達到浸潤滲透的效果，工藝控制上，采取控制灌漿速率，灌漿時間足夠，充分浸潤滲灌的方法進行浸潤滲灌?，F(xiàn)場具體控制方法為(1)化學灌漿時，對灌漿的壓力、灌注速率進行控制，一般灌漿時應盡快升壓至設計壓力。(a)在升壓過程中若每米注入率q>0.15L/min.m，降壓保持q<0.10L/min.m灌注；(b)若q<0.05L/min.m，應在或接近設計規(guī)定壓力下灌注；(c)若q遞減較快，在1525分鐘內(nèi)注入率q由0.15L/min.m遞減到小于0.05L/min.m時，則以設計壓力或最大控制壓力灌注，持續(xù)到灌漿結(jié)束。在升壓過程中，若注入率有突增現(xiàn)象時應立即降低灌槳壓力；(2)灌漿結(jié)束標準采用定時定量相結(jié)合的方式控制，當滿足下列條件之一時，可結(jié)束該段的灌注；①.當達到設計壓力，且灌漿歷時較長，超過30小時以上，且灌入量不小于80L/m時，以達到的設計壓力為結(jié)束標準結(jié)束灌漿；②.達到設計壓力，連續(xù)六個(間隔5分鐘)讀數(shù)注入率為0.010.05L/min.m，灌入量不小于50L/m，即可結(jié)束；③.達到設計壓力，注入率小于O.01/min.m，連續(xù)灌注1520小時，即可結(jié)束?，F(xiàn)場化學灌漿控制的目的，既要保證化學漿液有一定滲透范圍，達到質(zhì)量要求，又要控制滲透范圍過大，避免工程成本過高；對于軟弱低滲透巖體的化灌加固處理，使用的環(huán)氧灌漿材料潤濕鋪展性能要好，其主要物理性能指標應為粘度要低，切應力t小，流動性好，初始粘度宜為為2.OmPa*s15.OmPas，表面張力小，要小于水的表面張力，在20°C時表面張力不大于0.050mN/m為宜；接觸角要小，宜為1°15°;潤濕鋪展能力要強。在20°C時(錦屏電站煌斑巖脈所處埋深位置地溫為162(TC左右)使用的環(huán)氧灌漿材的初始粘度為2.5mPa*s12.5mPa*s;表面張力為0.032.28mN/m;接觸角為1°16°;膠凝后線性干縮量0.32%0.58%。槳液獨具更好的浸潤滲透性、更好的物理化學性能。在進行化學灌漿前，先在化灌孔外圍進行水泥灌漿，主要作用是封閉煌斑巖脈與外圍其他巖體破碎的過渡帶，防止化學漿液串入其他不需化灌處理地層中的裂隙，節(jié)約成本。對處理后的煌斑巖脈檢測結(jié)果如下1、聲波檢測化學灌漿完成160天，煌斑巖脈聲波最大值為5376m/s，最小值為3546m/s，平均值為4557m/s，波速小于4200m/s的測點數(shù)占該類巖體內(nèi)測點總數(shù)的15.4%，總體上滿足化學灌漿后的聲波指標(>4200m/s)要求。2、鉆孔變形模量檢測煌斑巖脈化學灌漿完成160天后，煌斑巖脈巖體內(nèi)共計測試變形模量21個測點，其結(jié)果最大值為7.95Gpa，最小值為4.03Gpa，平均值為6.03Gpa，變形模量低于5.OGpa的測點數(shù)為6個，總體上滿足化學灌漿后變模指標(>5.0Gpa)要求。3、大口徑取芯巖芯檢測化學灌漿完成150天后進行了大口徑鉆孔取芯，孔徑小270mm，巖芯制樣，進行了磨片鑒定，強度、變形模量、凍融、密度以及抗?jié)B等試驗。a.巖石磨片鑒定成果及照片表明，煌斑巖中微裂隙都具有開放性，均被淺黃色具均質(zhì)性的填充劑充填，膠結(jié)良好。b.煌斑巖密度為2.52g/cm32.68g/cm3，平均值2.61g/cm3。c.煌斑巖軸向拉伸法濕抗拉強度為1.61Mpa4.26Mpa，平均值2.90Mpa。d.巖石自由風干狀態(tài)變形模量為6.08Gpa7.51Gpa(小值平均值平均值)彈性模量為11.2Gpa13.2Gpa。(見附件1、附件2)4、豎井開挖檢查承壓板試驗灌漿完成170天后開挖豎井(豎井開挖規(guī)格為長X寬X深=2.0mX2.OmX1.8m)進行了承壓板試驗，試驗成果為割線模量為16.2Gpa;包絡線模量為13.OGpa。5、檢查孔巖芯檢測完成檢查孔鉆孔取芯施工后，抽取了部分巖芯進行了檢測試驗，檢測試驗項目有密度、吸水率、彈性模量、變形模量、抗壓強度等，試驗結(jié)果表明煌斑巖脈灌后彈性模量在風干狀態(tài)為12.4024.50Gpa，飽和狀態(tài)為9.4017.50Gpa;變形模量在風干狀態(tài)為7.5016.5Gpa，飽和狀態(tài)為5.0010.5Gpa;滿足設計指標要求。檢查孔巖芯檢測試驗試樣，可看出，環(huán)氧槳液均勻滲入煌斑巖脈的孔隙、微細裂隙內(nèi)，膠凝物膠結(jié)良好，與灌前巖樣相比，煌斑巖脈強度等得到極大改善。6、處理后，其力學指標達到要求，見表3:化灌處理后的煌斑巖脈的力學性能要求表3<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>運用本發(fā)明的新的化灌理論及工藝控制標準，調(diào)整配置出的物理性能更好的環(huán)氧樹脂化灌漿液，推廣運用到龍灘電站F60斷層(充填有斷層泥，弱透水)處理，也取得了成功。權(quán)利要求一種化學灌漿補強加固處理方法，主要包括受灌體分層分段、鉆孔、加壓灌漿、灌漿結(jié)束、固化等步驟，使用的化學材料是環(huán)氧樹脂灌漿材料，其特征在于使用的環(huán)氧樹脂灌漿材料是，初始粘度為2.0mPa·s～15.0mPa·s，表面張力小于水的表面張力，接觸角為10～160的環(huán)氧樹脂；灌注速率q＜0.15L/min.m；灌漿持續(xù)時間大于10小時。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學灌漿補強加固處理方法，其特征在于所述表面張力優(yōu)選在2(TC時表面張力不大于0.050mN/m的環(huán)氧樹脂灌槳材料。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的化學灌漿補強加固處理方法，其特征在于在進行化學灌漿前，先在化灌孔外圍進行水泥灌漿。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的化學灌漿補強加固處理方法，其特征在于在升壓灌漿過程中若每米注入率q>0.15L/min.m，降低灌漿壓力，保持q<0.10L/min.m灌漿。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的化學灌漿補強加固處理方法，其特征在于在升壓過程中若q<0.05L/min.m，應在或接近設計規(guī)定壓力下灌漿。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的化學灌漿補強加固處理方法，其特征在于在升壓過程中若q在1525分鐘內(nèi)注入率q由0.15L/min.m遞減到小于0.05L/min.m時，則以設計壓力或最大控制壓力灌漿。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的化學灌漿補強加固處理方法，其特征在于灌漿結(jié)束采用定時定量相結(jié)合的方式控制，當達到設計壓力，且灌漿歷時超過30小時以上，且灌入量不小于80L/m時，以達到的設計壓力為結(jié)束標準結(jié)束灌漿。8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的化學灌漿補強加固處理方法，其特征在于灌漿結(jié)束采用定時定量相結(jié)合的方式控制，達到設計壓力，每間隔5分鐘記錄一個注入率讀數(shù)，連續(xù)六個讀數(shù)注入率為0.010.05L/min.m，灌入量不小于50L/m，結(jié)束灌漿。9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的化學灌漿補強加固處理方法，其特征在于灌漿結(jié)束采用定時定量相結(jié)合的方式控制，達到設計壓力，注入率小于0.01/min.m，連續(xù)灌漿1520小時，結(jié)束崔衆(zhòng)。全文摘要本發(fā)明公開了一種化學灌漿補強加固處理方法，本發(fā)明通過對受灌體分層分段，將其微分為多個受灌巖面，然后在受灌巖面的巖體鉆孔，控制灌漿壓力、灌注速率灌漿，灌漿時間足夠，使用初始粘度為2.0mPa·s～15.0mPa·s，表面張力小于水的表面張力，在20℃時表面張力不大于0.050mN/m，接觸角為1°～16°的環(huán)氧樹脂灌漿材料等方法實現(xiàn)了環(huán)氧漿液均勻滲入受灌體的孔隙、微細裂隙內(nèi)，膠凝物膠結(jié)良好，整體改進了受灌體的性狀，受灌體強度等得到極大改善；并且由于控制滲透范圍，避免了工程成本過高節(jié)約了造價。文檔編號E02D3/00GK101694094SQ20091030869公開日2010年4月14日申請日期2009年10月23日優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日發(fā)明者黨玉輝,劉濤,劉貴軍,姚欣,漆巨彬,石軍申請人:中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司;