临坡面岩体加固浆料渗透注浆孔设置方法与流程

本发明涉及岩体加固技术领域，尤其涉及临坡面岩体加固浆料渗透注浆孔设置方法。

背景技术：

岩石由于在风蚀、水蚀、冻融及重力侵蚀交互作用下，常常呈现出复合侵蚀模式。

特别是层状结构岩体，即岩体中存在较大岩性差异的层状地质结构，由结构相对稳定、强度较高的坚硬岩体和结构较为松散、强度较低的松散岩体组成。松散岩体风化速度快于坚硬岩体，导致上部坚硬岩体失去支撑，呈悬挑甚至悬空状，产生下坠、倾覆趋势，当达到一定极限状态时即突然发生崩塌，发生块体状重力侵蚀现象。且松散岩体结构较为松散、强度较低遇水膨胀泥化，加上冻融循环作用，岩石结构极易遭到破坏，在风蚀、水蚀、冻融及重力侵蚀交互作用下，呈现出复合侵蚀模式。

临坡面岩体下坠、倾覆常常会造成严重的后果，例如：公路两旁的临坡面岩体下坠、倾覆会造成公路中断，更甚至会危害行人的生命财产安全。

以砒砂岩为例：我国鄂尔多斯高原地区分布着一种特殊泥沙岩—砒砂岩，面积约1.67万km²，其土壤侵蚀模数最高达76000t/km².a。虽然砒砂岩区仅占黄土高原地区总面积的2.6％，但产沙量却占到整个黄土高原地区输入黄河粗泥沙的30％左右，是黄河中游水土保持工作的重点地区。

导致高产沙量的主要原因在于砒砂岩特殊的岩性。由于颗粒间胶结程度差、结构强度低，蒙脱石含量高，遇水膨胀泥化，加上冻融循环作用，岩石结构极易遭到破坏，在风蚀、水蚀、冻融及重力侵蚀交互作用下，呈现出复合侵蚀模式。其中重力侵蚀占总侵蚀量的30％以上，重力侵蚀产生的松散堆积物，是黄河中游土壤侵蚀产沙的主要来源。因此，加强对砒砂岩区重力侵蚀的治理，对于控制土壤侵蚀、减少入黄泥沙具有重要意义。

重力侵蚀主要有泻溜、崩塌、滑塌等表现形式，其中以崩塌为主要形式的块体状重力侵蚀现象十分突出，其发生具有突然性，所产生的侵蚀量和破坏性往往比较大。除重力因素外，导致砒砂岩块体状重力侵蚀的一个主要内在因素是其存在较大岩性差异的层状地质结构，砒砂岩体通常由结构相对稳定、强度较高的白色砒砂岩层和结构较为松散、强度较低的红色砒砂岩层交互组成，由于红色砒砂岩风化速度快于白色砒砂岩，导致上部白色砒砂岩失去支撑，呈悬挑甚至悬空状，产生下坠、倾覆趋势，当达到一定极限状态时即突然发生崩塌，发生块体状重力侵蚀现象。

对结构相对松散、空隙率高红色砒砂岩层利用非水反应高聚物浆液实施渗透注浆加固以提高其抗侵蚀能力、增强其稳定性是治理块体状重力侵蚀的一个重要途径，能够克服传统注浆材料(如水泥浆、水玻璃等)由于均以水作为溶剂或主要反应成分，会对砒砂岩结构造成破坏，导致加固效果被严重削弱甚至完全丧失加固作用的问题。

然而，目前针对红色砒砂岩高聚物渗透注浆缺乏适用的参数支持，如果加固深度、厚度设计值过小、注浆孔间距过大，将达不到加固效果；反之，将造成浪费；现有的注浆加固范围、单孔注浆量和注浆孔间距的确定都是依赖操作人员的经验，存在极大不确定性，难以保证注浆施工质量。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了临坡面岩体加固浆料渗透注浆孔设置方法，本方法可有效降低岩体渗透注浆的主观性和经验性，实现了岩体注浆的科学化和精细化，为保证注浆质量奠定良好基础。

临坡面岩体加固浆料渗透注浆孔设置方法，方法包括：

s1.进行现场实际岩体浆料渗透试验，建立单孔注浆量与水平扩散半径的关系以及单孔注浆量与竖向扩散深度的关系；

s2.通过现场实际岩体取样测试，确定加固区域深度；

s3.根据加固区域深度以及岩体临界自然稳定状态下的边坡坡度确定加固区域厚度；

s4.根据加固区域厚度确定竖向注浆孔间距；

s5.根据确定的竖向注浆孔间距，依据单孔注浆量与竖向扩散深度的关系确定对应的单孔注浆量；

s6.根据确定的单孔注浆量，依据单孔注浆量与水平扩散半径的关系确定对应的浆料水平扩散范围；

s7.根据浆液水平扩散范围和注浆孔布置形式确定注浆孔水平间距。

优选地，所述s1具体为：

进行现场实际岩体浆料渗透试验，设定不同的单孔注浆量；

浆料固化后，挖开岩体，观察浆液的扩散范围及扩散形态，记录浆液水平扩散半径及竖向扩散深度；

根据不同的单孔注浆量及对应的不同浆液水平扩散半径及竖向扩散深度，进行数据拟合，得到单孔注浆量与水平扩散半径的关系以及单孔注浆量与竖向扩散深度的关系。

优选地，所述s2具体为：

在现场实际岩体垂直于坡面，由表及里，逐段钻取芯样，测芯样干密度ρ，与标准岩体最大干密度ρmax比较，ρ/ρmax大于或等于特定值ξ时，停止取样，芯样位置至坡面的水平距离，即为待加固岩体深度l。

优选地，所述特定值ξ范围为1>ξ>0.9。

优选地，所述s3具体为：

待加固岩体最顶端深度l处，以岩体临界自然稳定状态下的边坡坡度α引斜线，与待加固岩体坡面或其延长线相交；

当交点与岩体顶端之间的垂直距离大于或等于岩体实际高度时，待加固岩体厚度即为岩体厚度实际高度；

当该交点与岩体顶端之间的垂直距离小于岩体实际高度时，待加固岩体厚度为交点与岩体顶端之间的垂直距离。

优选地，所述s4具体为：

当加固岩体厚度h小于或等于βhmax时，即h≤βhmax，只需设1层注浆孔，不需确定竖向注浆孔间距；

当加固岩体厚度h大于βhmax时，即h≥βhmax，需分多层实施注浆，层数n为：

n＝int(h/(βhmax))+1

式中int表示取小数整数部分的函数；hmax为最大竖向扩散深度，β为折减系数；

根据h′＝h/n，计算出竖向注浆孔间距h′。

优选地，所述折减系数β范围为0.6≤β≤1.0。

优选地，所述s7中的注浆孔布置形式为正三角形、梅花形或矩形中的一种，所述注浆孔布置形式为正三角形布孔形式时，注浆孔水平间距为：

其中，r为浆液扩散半径，l1为注浆孔间距。

优选地，所述岩体为红色砒砂岩体。

优选地，所述浆料为渗透型非水反应高聚物。

本发明提供了临坡面岩体加固浆料渗透注浆孔设置方法，本方法为临坡面岩体，特别是层状岩质差别较大的岩体，对岩质差的岩体进行加固，为岩体渗透注浆加固提供了科学合理的参数设计方法，加固区域深度、加固区域厚度、竖向注浆孔间距、单孔注浆量以及注浆孔水平间距设置合理，可有效降低岩体渗透注浆的主观性和经验性，用于指导临坡面岩体渗透注浆施工，实现注浆的科学化和精细化，为保证注浆质量奠定良好基础。特别是以渗透型非水反应高聚物作为注浆材料应用于砒砂岩岩体加固时，克服了传统注浆材料(如水泥浆、水玻璃等)由于均以水作为溶剂或主要反应成分，会对砒砂岩结构造成破坏，导致加固效果被严重削弱甚至完全丧失加固作用的问题，可有效减少入黄泥沙、加快黄河流域治理开发和生态环境改善具有积极促进作用，预期经济、社会和生态效益巨大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例的效果表征图，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为临坡面岩体加固浆料渗透注浆孔设置方法流程框图；

图2为单孔注浆浆液扩散形态立体示意图；

图3为临坡面岩体加固浆料渗透注浆孔设置方法岩体取样示意图；

图4为加固区域厚度(h1>h2)确定示意图；

图5为加固区域厚度(h1<h2)确定示意图；

图6为单层注浆孔布置俯视图。

附图标记

11芯样12坡面

13坚硬岩体(白色砒砂层)14松散岩体(红色砒砂层)

15注浆孔

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参看图1，临坡面岩体加固浆料渗透注浆孔设置方法，方法包括：

s21.进行现场实际岩体浆料渗透试验，建立单孔注浆量与水平扩散半径的关系以及单孔注浆量与竖向扩散深度的关系；现场实际岩体进行浆料渗透试验，坚硬岩体13在上端，松散岩体14在下端，对松散岩体14进行渗透注浆加固，设定不同的单孔注浆量，开展现场注浆试验；待不同的单孔浆料固化后，挖开岩体，观察浆液的扩散范围及扩散形态，记录浆液水平扩散半径及竖向扩散深度数据；根据不同的单孔注浆量及对应的不同浆液水平扩散半径及竖向扩散深度数据，进行数据拟合，得到单孔注浆量与水平扩散半径的关系以及单孔注浆量与竖向扩散深度的关系。特别地，如图2，在一定的注浆设备条件下，受浆液固化时间和浆液在岩体中渗透能力的限制，单注浆孔15浆液注入量存在一上限值mmax，与最大单孔注浆量mmax对应有最大水平扩散半径rmax和最大竖向扩散深度hmax。

s22.通过现场实际岩体取样测试，确定加固区域深度；如图3，在现场实际松散岩体14顶部垂直于坡面12，由表及里，逐段钻取芯样11，测芯样11干密度ρ，与标准岩体最大干密度ρmax比较，ρ/ρmax大于或等于特定值ξ时，停止取样，芯样11位置至坡面12的水平距离，即为待加固岩体深度l；特定值ξ大小可根据安全度要求选取，通常1>ξ>0.9。

s23.根据加固区域深度以及岩体稳定状态坡度确定加固区域厚度；请参看图4以及图5，待加固岩体(松散岩体14)最顶端ρ/ρmax≥ξ的芯样11深度l处，以松散岩体14临界自然稳定状态下的边坡坡度α向斜下方引斜线，与待加固岩体坡面12或其延长线相交；如图4，当交点与岩体顶端之间的垂直距离h1大于或等于岩体实际高度h2时，即h1≥h2，待加固岩体厚度h即为岩体厚度实际高度h2；即h＝h2。如图5，当该交点与岩体顶端之间的垂直距离h1小于岩体实际高度h2时，待加固岩体厚度h为交点与岩体顶端之间的垂直距离h1，即h＝h1。

s24.根据加固区域厚度确定竖向注浆孔间距；当加固岩体厚度h小于或等于βhmax时，即h≤βhmax，只需设1层注浆孔15，所以不需确定竖向注浆孔15间距；当加固岩体厚度h大于βhmax时，即h≥βhmax，需分多层实施注浆，层数n为：

n＝int(h/(βhmax))+1

式中int表示取小数整数部分的函数；hmax为最大竖向扩散深度，β为折减系数；通常折减系数β范围为0.6≤β≤1.0。根据h′＝h/n，计算出竖向注浆孔15间距h′。

s25.根据确定的竖向注浆孔间距，依据单孔注浆量与竖向扩散深度的关系确定对应的单孔注浆量；根据单孔注浆量与竖向扩散深度的关系，因为竖向注浆孔15间距h′确定，所以可以计算出竖向注浆孔15间距h′对应的单孔注浆量m′。

s26.根据确定的单孔注浆量，依据单孔注浆量与水平扩散半径的关系确定对应的浆料水平扩散范围；根据单孔注浆量与水平扩散半径的关系，因为单孔注浆量单孔注浆量m′确定，所以可以计算出单孔注浆量m′对应的水平扩散半径r′。

s27.根据浆液水平扩散范围和注浆孔布置形式确定注浆孔水平间距。在水平扩散范围(水平扩散半径)以及注浆孔15布置形式确定的基础上，即可以计算出注浆孔15水平间距。注浆孔15布置形式可以为正三角形、梅花形或矩形。请参看图6，当注浆孔15布置形式为正三角形布孔形式时，注浆孔15水平间距为：

其中，r为浆液扩散半径，l1为注浆孔间距。

具体实施例

岩体以砒砂岩体为例，浆料以高聚物为例，高聚物为新型双组分渗透型非水反应高聚物注浆材料。砒砂岩的层状结构，请参看图3、图4以及图5，上层为较为坚硬的白色砒砂层13，下层为红色砒砂层14。

对临坡面12岩体进行加固时，需对红色砒砂层14实施高聚物渗透注浆，以提高其强度和抗侵蚀能力，避免上部白色砒砂岩发生崩塌，从而防治块体状重力侵蚀，注浆设计按照以下步骤实施：

a.通过现场注浆试验，建立不同单孔注浆量与水平扩散半径的关系以及不同单孔注浆量与竖向扩散深度的关系，具体包括：

a1.设定不同的单孔注浆量，开展现场注浆试验；

a2.待浆液固化后，现场开挖，观察浆液的扩散范围及扩散形态，记录浆液水平扩散半径和竖向扩散深度；

a3.利用试验得到的不同单孔注浆量的水平扩散半径和竖向扩散深度，通过数据拟合，得到不同单孔注浆量与水平扩散半径的关系以及不同单孔注浆量与竖向扩散深度的关系。

对试验数据进行数据拟合，得到不同单孔注浆量条件下浆液水平扩散半径随注浆量大小变化的拟合函数如下式(1)所示:

r＝3×10^-9m³-2×10^-5m²+0.031m+11.491(1)

其中：r为单孔注浆时浆液水平扩散半径；m为单孔注浆量。

对试验数据进行数据拟合，得到不同单孔注浆量条件下浆液竖向扩散深度随注浆量大小变化的拟合函数如下式(2)所示：

h＝6×10^-9m³-3×10^-5m²+0.0525m+24.263(2)

其中：h为单次注浆时浆液竖向扩散深度；m为单次注浆量。

其中得到单孔浆液注入量上限值mmax＝2000g与最大单孔注浆量mmax＝2000g对应有最大水平扩散半径rmax＝18.49cm和最大竖向扩散深度hmax＝57.27cm。

b.通过现场取样测试确定加固区域深度，请参看图3，具体包括：在红色砒砂岩层顶部垂直于坡面12，由表及里，逐段钻取芯样11，测芯样11干密度ρ，与红色砒砂岩标准最大干密度ρmax作比较，当两者密度比值大于或等于一特定值ξ＝0.93时(ρ/ρmax≥ξ＝0.93)，停止取样，该芯样11所在位置至坡面12的水平距离为80cm，因此待加固红色砒砂岩层深度l＝80cm。

c.根据加固区域深度和红色砒砂岩临界自然稳定状态下的边坡坡度α确定加固区域厚度h，请参看图4以及图5，具体包括：在白色砒砂岩与红色砒砂岩界面，以ρ/ρmax≥ξ的芯样11砒砂岩层深度l，以红色砒砂岩自然边坡坡度α为斜率，向斜下方引直线，与当前坡面12相交，该交点与红色砒砂岩层顶面之间的垂直距离h1小于砒砂岩层厚度h2，请参看图5，取待加固层厚度h为该交点与红色砒砂岩层顶面之间的垂直距离h1，即h＝h1＝150cm。

d.根据已确定的加固区域厚度确定竖向注浆孔15间距，具体包括：

加固区域厚度h＝150cm大于βhmax＝51.5cm(hmax为最大竖向扩散深度，β为折减系数，这里β＝0.9)，即h≥βhmax，需分多层实施注浆，所需层数n用式(3)计算：

n＝int(h/(βhmax))+1(3)

式中int表示取小数整数部分的函数。

n＝int(150/51.5)+1＝3

竖向注浆孔15间距h′用式(4)计算：

h′＝h/n(4)

h′＝150/3＝50cm

e.根据已确定的竖向注浆孔15间距，利用单孔注浆量与竖向扩散深度的关系确定单孔注浆量m；

竖向扩散深度h＝h′/β＝50/0.9≈55.5cm。

由式(2)计算得与竖向扩散深度h＝55.5cm对应的单孔注浆量m＝1420g。

f.根据已确定的单孔注浆量，利用单孔注浆量与水平扩散半径的关系确定浆液水平扩散范围r；

由式(1)得与单孔注浆量m＝1420g对应的水平扩散半径为r≈24cm。

g.根据浆液水平扩散范围和采用的注浆孔15布置形式确定注浆孔15水平间距，具体可采用正三角形、梅花形或矩形等布置形式。参看图6，当采用正三角形布孔形式，注浆孔15水平间距采用式(5)计算。

式中r为浆液扩散半径，l1为注浆孔15水平间距。

注浆孔水平间距

采用双组分非水反应高聚物注浆材料应用于红色砒砂岩层渗透注浆加固。其原理是通过注射系统和注浆导管，将双组份高聚物注射到待加固的红色砒砂岩内，浆液在注浆压力作用下在红色砒砂岩孔隙中渗透扩散，充填红色砒砂岩内部孔隙，浆液两种组分发生化学反应并固化，利用浆液固化后对砒砂岩组成颗粒的胶结作用，增强红色砒砂岩的整体性和抗渗性，提高其强度和抗侵蚀能力，从而避免上部白色砒砂岩悬空、发生崩塌。

本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

本文进行了详细的介绍，应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。