注浆理论的研究现状探讨
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摘要：针对浆液在地层中的流变特性和注浆理论的研究机理，分析了现有注浆理论的研究现状，为实际注浆工程所要求的注浆形式提供一些理论依据和借鉴。
关键词：注浆理论；注浆压力；扩散半径；注浆时间
中图分类号：TV543， TU755.6文献标识码：A
引言
注浆理论是对浆液的流动形式和固结形式进行分析，建立注浆压力、注浆量、浆液扩散半径以及注浆时间之间的关系。目前注浆理论的研究成果主要包括渗透注浆、劈裂注浆、压密注浆和电动化学注浆理论四种。一般来说，浆液在地层中是多种形式流动的复合过程，但它在一定条件下总是以某种流动形式为主。因此，正确地运用各种注浆理论，并控制浆液以工程所要求的主要流动形式在地层中流动，将更有助于达到注浆的目的和效果。
1 渗透注浆理论
渗透注浆是指在不破坏地层土颗粒排列的条件下，浆液充填于土颗粒孔隙中，将土颗粒胶结成整体[1]。
近年来，国内外学者对渗流注浆理论进行了深入的研究， 发展了一系列的渗透注浆理论， 如Maag球形扩散理论、Raffle公式和Karol公式、柱形扩散理论、宾汉姆流体扩散理论、Baker公式、刘嘉材公式、Wallner公式、G.Lombad公式等。
但是以上的各种渗透理论公式都有不同的假设条件及适用范围，显得杂乱、无系统，给工程应用带来了很大的不便，因此郝哲等推导了牛顿流体、粘度随时间变化的牛顿流体、宾汉流体、粘度随时间变化的宾汉流体等在裂隙单向流和辐向流情况下的平均流速、注浆压力和流量的计算公式[2]，并推导了沿圆周均匀布孔的多孔注浆，考虑多孔相互影响时的注浆浆液扩散半径、注浆扩散不均匀系数和扩散半径影响系数的计算公式。
在现有渗透性注浆理论的基础上，考虑毛细力作用，运用渗流力学对平面径向流、球形向心流两种渗透性注浆模型进行推导，阙云得出了砂层中球形渗透注浆扩散公式和柱形扩散公式，并以球形扩散公式为例，结合工程实例和现有常用的Maag球形扩散公式相比较，得出所推导的球形扩散公式相对于Maag公式更接近于工程实际[3]。
2 劈裂注浆理论
劈裂注浆是指在相对较高的注浆压力作用下，浆液克服地层的初始应力及抗拉强度，引起岩石或土体结构的破坏和扰动，使地层中原有的裂隙或孔隙张开，形成新的裂隙或孔隙，从而使低透水性地层的可注性和浆液的扩散距离增大[1]。
劈裂注浆对土体加固的效果不仅与注浆压力有关，还与土体中浆液劈开的裂缝宽度和裂缝扩散的距离有关。邹金锋等建立了劈裂注浆的初始启劈注浆压力求解公式，推导了在一定的劈裂注浆压力作用下浆液的最大扩散半径、注浆压力的衰减规律和单一裂缝中注浆量的理论计算公式，并分析了劈裂注浆过程中能量的耗散主要是土体的劈裂、土体的裂缝延伸及土体的塑性变形[4]。
随着注浆材料不断的发展，非牛顿流体浆液大量出现，这些浆液的性能在某些方面要远远优于牛顿流体。因此，基于流体流变方程和平板窄缝模型，孙锋推导出了层流宾汉体浆液劈裂注浆扩散半径计算公式。通过计算表明[5]，注浆压力差随浆液流变参数的增大而呈线性增大，要想达到一定的劈裂长度，若水灰比越小则所需注浆压力就越大。
3 压密注浆理论
压密注浆是指通过钻孔向土层中压入浓浆，随着土体的压密和浆液的挤入，在压浆点周围形成灯泡形空间，并因浆液的挤压作用而产生辐射状上抬力，从而引起地层局部隆起[1]。
目前，对压密注浆的认识主要依据工程经验。近年来，许多学者对压密注浆的机理、力学特征、压密注浆的极限注浆压力以及压密注浆对土层的抬升机理进行了一些理论分析与探讨。
将整个注浆过程视为无限土体中的圆孔扩张问题，根据能量和体变守恒原理，邹金锋推导出了压密注浆极限注浆压力的理论解答。通过计算和分析表明[6]，球形扩孔的注浆压力比柱形扩孔的要小得多，初步证实了理论解的可靠性。
依据Vesic球孔扩张理论，假设注浆体在土中呈圆柱形，并假定塑性区内的土体是可压缩的塑性固体，塑性区以外的土体是线性变形、各向同性的固体，在施加注浆压力之前，整个土体具有各向同性的有效应力[7]，曹星等探讨和分析了压密注浆的临界极限值，推导出了临界极限压力的计算公式，并将理论公式运用于某教学大楼的改建工程中，注浆后地基土承载力达到了150kPa，完全满足设计要求的130kPa。
压密注浆引起的地表隆起、建(构)筑物基础上抬等现象，多数情况下被认为是注浆加固的一种负面的伴生效应。但是利用加固抬升效应进行建(构)筑物托换、纠偏和沉陷地表治理等却可以得到较好的效果。冯旭海研究了压密注浆的抬升效应，提出了加固抬升模型[8~9]，并对其进行了力学分析，通过试验，进一步探讨了注浆抬升力在土体中的分布变化规律，验证了抬升效果。
4 电动化学注浆理论
电动化学注浆是指在粘性土中插入金属电极并接通直流电后，使土体引起电渗、电泳和电离子交换等作用，促使通电区域中含水量降低，并在土体内形成通道，向土体中灌注硅酸盐浆液后，通道中形成的硅胶与土体颗粒胶结成密实的结石体[1]。
假定在土中打入两个半径为A的注浆管，孔距为D，在两注浆管之间通直流电，则浆液扩散至R处所需的时间为[1]：
5 结论
注浆技术在我国已经得到了广泛的应用，与注浆材料、注浆工艺、注浆设备的快速发展相比，注浆理论的研究仍然比较落后，远不能满足注浆实践的要求。各种注浆理论由于各自的假设和适用范围的限制，都存在着较大的局限性，例如渗透注浆没有考虑被注介质的非均匀性和各向异性，没有考虑动水作用下注浆理论公式的建立等。因此，在今后的研究中仍然需要对注浆理论做更进一步的完善。
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