注浆是锚杆锚索施工的重要工序。注浆的作用是:形成锚固段;将拉杆锚固在岩土层中,防止钢拉杆的腐蚀;充填岩层的裂隙及土层的孔隙。
(一)注浆要求
1.制浆设备
应采用高速搅拌机,以提高浆液的均匀性,增加其流动度和可灌性。灌浆泵的排浆量应能满足锚索孔道的灌浆强度的需要,压力稳定,其允许工作压力应大于最大设计灌浆压力的1.5倍,压力波动范围宜小于灌浆压力的20%。灌浆泵配套的压力表须经校验合格,其量程应与设计最大灌浆压力相适应。输浆管宜采用耐压橡胶管或耐压PE管,其管径应满足灌浆强度的要求。
2.注浆材料
锚杆灌浆一般使用水泥砂浆,并要求砂浆的强度不小于30000kN/m2。小孔径锚杆在必要时才使用纯水泥浆。
灌浆用水泥应采用普通硅酸盐水泥,其质量应符合《混凝土结构工程施工质量验收规范》规定。其强度不应低于42.5MPa;必须具有防止水和土侵蚀的化学稳定性,为了防止对钢制拉杆的腐蚀,氯盐的总含量不应超过0.10%(永久锚杆)和0.15%(临时锚杆):不宜采用干缩性大的火山灰水泥和泌水性高的矿渣水泥。
拌合水也应符合要求,硫酸盐含量超过0.1%,氯盐含量超过0.05%,并且含有糖分或有悬浮物有机质的水是不适用的。一般情况下,凡适合于饮用的水均可作为拌合水。
砂一般选用中砂,在拌料前要过筛,以免较粗的砂粒混入。砂的含泥量不得大于3%;砂中云母、有机物、硫化物和硫酸盐等有害物质的含量不得大于1%。
水灰比对水泥浆起着特别重要的作用。过量的水会使拌合料发生泌水并降低其强度,同时也会产生较大的收缩,结果将降低硬化砂浆的耐久性。经验表明,同定锚杆所用的砂浆的最适宜的水灰比为0.4～0.5,灰砂比为1∶1或1∶0.5(质量比)。
为了增加砂浆的流动度,降低硬化后的收缩,提高强度,可在砂浆中加入非引气型外加剂。但应注意,外加剂不能对拉杆材料有腐蚀作用。
3.砂浆的配制
砂浆的配制应符合设计要求:一般岩石锚杆砂浆结石体的设计强度,不应低于30MPa;土层锚杆不应低于20MPa。为了使砂浆在注浆管路中顺利流动,对于一次注浆的浆液,宜选用灰砂比1∶1～1∶2,水灰比0.38～0.45的水泥砂浆,或水灰比为0.40～0.45的纯水泥浆;而对于二次高压注浆的浆液一般采用水灰比0.45～0.50的纯水泥浆。水泥宜用普通硅酸盐水泥,必要时可使用抗硫酸盐水泥;砂子一般选用粒径小于2mm的中细砂,其含泥量小于3%,所含的云母、有机质、硫化物等有害杂质,亦应小于1%(以砂子的质量计);不得使用污水及pH值小于4.0的酸性水搅拌浆液。
为了提高水泥浆的早期强度,可往砂浆中加入食盐(加量为水泥质量的0.3%)和三乙醇胺(水泥质量的0.03%)等外加剂。除进行二次劈裂灌浆和在锚杆自由段充填砂浆外,一般不宜往砂浆中填入膨胀剂。
(二)水泥砂浆灌注方法
注浆方法有一次注浆法和二次注浆法两种。我国一般采用一次注浆法。
1.一次注浆法
即利用注浆泵通过注浆管将砂浆泵入锚孔,待浆液流出孔口时,封闭孔口,再以较高压力进行补灌,稳压数分钟,灌浆即告结束。注浆管一般用φ30mm左右的钢管或胶管做成,一端与压浆泵连接,另一端与锚杆拉杆同时送入孔内,管端距孔底应预留0.5m左右的空隙。注浆管如采用胶管,使用时应用清水洗净内外管,开动注浆泵将搅拌好的砂浆注入钻孔底部,自孔底向外灌注。
随着砂浆的泵入,应逐步将注浆管向外拔出直至孔口。这样灌注可将孔内的水和空气挤出孔外,以保证注浆质量。
2.二次注浆法
二次注浆法是把锚杆的锚固段与非锚固段分两次进行灌注。先灌注锚固段,在灌注的水泥砂浆具有一定强度后,对锚固段进行张拉,然后再灌注非锚固段。因此,国外有些国家称二次注浆法为预应力注浆法。二次注浆法可使锚固段与非锚固段界限分明,还便于在锚固段用质量好的水泥砂浆进行压力注浆,而在非锚固段可用一般水泥砂浆不加压力进行灌注。
目前最有效的对锚杆锚固段实现高压灌浆的方法就是采用带套环的管子,这些套环管的直径不小于36mm,其侧向小孔用橡胶圈覆盖。将钢制注浆枪插入套环管内,然后用密封圈把所要求注浆的位置封住。当完成对密封圈限定段的注浆处理并用水冲洗套环管后,再移至下一个侧向孔处注浆。这种方法的主要优点是,在第一次注满整个锚固段后,借助自由段与锚固段交界处的密封袋,可以两次或多次高压注浆,直至达到所要求的承载力为止。
注浆压力影响锚杆的承载能力,因为锚杆的承载力与锚固体外围土层的抗剪强度直接有关,注浆压力愈高,孔壁周边土压应力σ值愈大,锚固体与周边土结合得愈紧密,c值也随之提高,结果,锚杆承载力值显著增大。如果注浆压力很低或无压力灌浆,锚固体与外围土层抗剪强度c则取决于原状土的物理力学性能和土层的静压力。
注浆时要注意,对于靠近地面的土层锚杆,注浆时如压力过大,可能引起地表面膨胀隆起,或者影响附近原有的地下构筑物和管道的使用。在确定注浆压力时,每米厚度的注浆压力可按2.2MPa来考虑。
常用的注浆泵类型与性能参数如表5-1所示。
表5-1 常用注浆泵类型及性能参数
锚杆锚索注浆作业应注意的事项如下:
1)水泥、砂、水等材料按配合比在搅拌机中搅拌均匀后,一般需经过滤网再进入压浆泵,以防止杂物堵塞泵及管路;灌注的浆液要取样做室内抗压试验,以复核其强度指标。
2)浆液应随搅随用,并在初凝前用完。注浆作业开始时,应先用水或稀水泥浆循环注浆系统1～2min,以确保注浆时浆液畅通。
3)对于常压(或一次)注浆,当浆液硬化后,若发现浆液没有充满锚孔时,应进行补充注浆。
4)岩石锚杆注浆,不宜选择高压的方法,因岩石锚杆很容易获得所需的承载力,除非在风化强裂或节理裂隙发育岩层,要提高灌浆压力。
5)注浆作业若按次序(跳隔一根锚杆)连续进行,可提高注浆效率。同一批锚杆注浆结束后,要清洗地面循环系统。
普通砂浆锚杆灌浆后要养护7～8d。砂浆的抗压强度大于15MPa(相当于设计值的70%～80%)时,方可进行张拉;如用早强砂浆(由硫铝酸盐早强水泥、细砂、TZ或TZS型早强剂等配制的浆液)灌注的锚杆,灌浆后2～4h就具有50kN以上的锚固力,张拉时间可根据早强砂浆的凝固强度确定。