边坡层状岩体中的锚管注浆试验及研究

徐晓峰

注浆技术是工程建设中地质改良的重要手段。自1802年,法国土木工程师查理斯◦贝里格尼(Charles Berigny)第一次将注浆技术应用于修复被水流侵蚀的挡潮闸的砾土地基取得巨大突破开始,随后注浆技术就被许多西方国家广泛应用于基础工程,水坝及矿山工程中;同时,随着注浆技术的广泛应用,注浆材料及施工技术得到了较大的发展,注浆材料从最早的石灰和黏土、水泥,发展到水泥—水玻璃浆液等各种化学浆液[1]。近年来,随着我国高速公路建设的发展,公路建设的范围也由城市转向了山区,其中如何处理不良地质现象在岩土工程中显得尤为突出,而应用注浆技术不仅可以有效的加固不良地质现象,而且在边坡防护及隧道支护工程中也具有广泛的应用价值[2]。本文对湖南省内的张常高速公路其K129段一岩石边坡的不良地质现象,岩体加固采用注浆方案及注浆中浆液在该规则岩层中的扩散特点进行研究。

1 注浆试验现场的工程地质及水文概况

K129段岩石边坡为顺向坡,从岩性上看基本由灰岩和部分砂岩组成,岩层呈单斜构造,岩层产状为:走向为40°～60°,倾向为 310°～ 330°,倾角在 38°～ 46°之间,其走向与路线方向,倾向与坡向基本一致。岩层厚度为0.5 m～1.5 m,层间隙面光滑,有少量黏土质或岩屑充填,隙宽1 mm～2 mm。边坡表层发育着的节理主要有两组,其产状分别为:走向 75°,倾向 SE,倾角 60°～ 70°;走向350°、倾向SW,倾角 70°～75°,呈X 形组合,前者隙面粗糙,隙宽1 mm～2 mm,无充填物,具微张特征;后者隙面光滑,隙宽2 mm～4 mm,黏土充填,延伸距离大于前者,延伸长在几米到几十米之间,但经坡面开挖揭露发现,局部由于爆破或削坡作用出现大裂隙。

2 锚管注浆试验研究

2.1 主要的仪器设备

主要的设备有:YT-24型钻机1台;BWT-8Y液压注浆泵1台,

其最大输出压力为8 MPa;压力表两个,其最大量程为0 MPa～

4 MPa;立式水泥搅拌机1台,其搅浆能力为167 L/min～250 L/min;水泥浆输送和回浆管各一根;自制钢接头一个;JMDL-2110A智能数码位移计一个。

2.2 注浆试验工艺

首先搭好施工平台,然后采用YT-24凿岩机进行钻进,开孔直径为40 mm,孔深为4 m～6 m,水平角为20°,孔隙偏差按规定不超过1%,其孔位布置图如图1所示。

2.3 试验流程

试验流程见图2。

2.4 注浆中注浆压力的控制方法

在进浆管、回浆管及注浆锚管之间有一自制钢接头连接,上面附有压力表和两个流量控制开关,一个控制进浆管的流量,一个控制回浆管的流量。通过控制开关来调节流量的大小达到调节压力的目的。

2.5 注浆中地表位移监测及注入率的确定方法

事先将观察孔打入地层8 m深(比注浆孔要深),在孔中插入长铁管(10 m),将铁管下半部固紧以作为不动点,然后在铁管露出坡面部分安一根横向钢管,横向钢管升到注浆孔位置附近,再安装JMDL2110智能数码位移计进行监测,防止岩层发生过大的抬动。注入率的确定方法:每1 min测量浆液搅拌机(双层:上层搅浆,下层可以储浆)中液面下降的高度1次,再由液面下降的高度乘以圆形搅拌机截面积得到每分钟的注入量即注入率。

2.6 注浆实验结果分析

图3～图5是注浆中得出的一系列关系:

1)从图3和图4可以看到,图5中由于其裂隙和其中存在黏土质或其他充填物形成了封闭空间,随着注入量的不断增加,其浆液在有限空间中的填满,其注入难度会不断增大,而其可提供的最大注入压力不能超越临界扩散压力,所以造成注入率同注浆压力呈下降趋势,而图中看出恰好有明显的反比关系;同样在图4中可以看到同一注浆压力下,其注入率随时间呈明显的线性减小。在图5中可以看到在注浆压力达到1.7 MPa时,注入率和压力突然发生变化(智能位移计没有大的变化),注入率增大,而注浆压力减小,这主要是由于较高的注浆压力劈开裂隙形成新的渗流通道所致[3]。

2)注浆扩散范围具有不规则性:由于岩石层理间裂隙中存在不同的充填情况,而造成水泥浆在扩散过程中各个方向遇到不同阻力从而出现扩散的不规则性。在实验一区I4孔注浆中,中间检查孔没有出现冒浆,而在与I4孔相隔4 m的地方一表面裂隙中出现大的冒浆。从表面裂隙渗出的水泥浆进行封堵情况中发现,水泥浆并没有沿着其孔周围的所有裂隙进行渗透,还有部分裂隙中没有水泥浆进入,因此在没有考虑岩体裂隙充填情况下,根据孔周围的裂隙分布采用蒙特卡洛法而获得岩体裂隙注浆过程模拟还是具有较大的不准确性。

I5,I6,I7由于其孔周围可能遇上大的裂隙带而出现开始时注浆压力为0,水泥浆液直往注浆锚管中进浆,回浆管中没有流出,其注入率一直保持在40 L/min左右,经采取减小水灰比的办法没有获得效果,最后采取让其间歇一段时间再用水泥灌注水泥砂浆的办法获得解决。

3 结语

1)在注浆中,虽然注浆压力的增大其注入率在不断下降,但其注入量一直在不断增加;同时注浆压力的提高,可以为消除扩散空间的封闭性进一步增大扩散范围和相应的提高注入量,从而达到更好的注浆效果作准备。2)介质充填物的存在对浆液在岩体中的渗流规律有很大的影响,因此在模拟岩体裂隙注浆时,不仅要调查岩体中的节理裂隙规律,还要对其中的充填情况作进一步的调查。3)由于注浆中,水泥浆从表面裂隙中渗出,影响注浆压力的进一步提高,因此需要在注浆前,在表面上喷射一层混凝土进行处理,以获得更好的扩散效果。

[1] 廖树钟,郑志钟.注浆技术在隧道围岩中的应用[J].重庆交通学院学报,2001,20(2):103-105.

[2] 中国岩石力学与工程学会岩石锚固与注浆技术专业编委会.锚固与注浆技术手册[M].北京:中国电力出版社,1999.

[3] 杨米加.裂隙岩体注浆渗流规律[J].水利学报,2001(7):41-46.