某級配砂礫石灌漿試驗(yàn)研究

秦鵬飛，符 平，王 春，彭忠紅

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038；2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京100038）

某級配砂礫石灌漿試驗(yàn)研究

秦鵬飛1，2，符 平1，2，王 春1，2，彭忠紅1，2

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038；2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京100038）

在工程興建中對砂礫石層進(jìn)行灌漿加固處理具有非常重要的意義。灌漿工程是隱蔽工程，砂礫石地層形態(tài)又復(fù)雜多變，在砂礫石層灌漿漿液的擴(kuò)散半徑及結(jié)石體強(qiáng)度等灌漿效果方面存在較大的不可預(yù)測性。對我國西北、西南地區(qū)廣泛分布的砂礫石層進(jìn)行了顆粒試配，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展了不同配比、不同組分的水泥灌漿試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：水泥漿液的擴(kuò)散半徑基本上隨水灰比的增加而增大，與漿液自身的物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)；砂料結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度隨水灰比的增加而減小，但是由于砂石料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，使得試樣的抗壓強(qiáng)度離散性極大。試驗(yàn)所得結(jié)果可初步指導(dǎo)現(xiàn)場灌漿施工。

砂礫石層；灌漿；室內(nèi)試驗(yàn)；研究

砂礫石層是第四紀(jì)沉積物中的一種具有鮮明特征的松散粗碎屑堆積層，在我國分布非常廣泛。隨著水利工程的興建和地下建筑工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大，大壩等建（構(gòu)）筑物地基對砂礫石地層的利用要求越來越多，可以說砂礫石地層與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)的關(guān)系越來越密切［1］。通過灌漿可以顯著改變砂礫地層的承載性能、變形性能和滲透性能，充分發(fā)揮和利用砂礫層的潛力，能夠帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［2］，因此開展砂礫石層灌漿方面的研究工作具有非常重要的實(shí)際意義和工程價(jià)值。

楊坪等［3］通過砂卵（礫）石層的注漿試驗(yàn)，研究分析了注漿壓力p、注漿時(shí)間t、漿液水灰比m、地層滲透系數(shù)k、孔隙率n等因素對漿液的擴(kuò)散半徑R、結(jié)石體抗壓強(qiáng)度P的影響關(guān)系。其試驗(yàn)結(jié)果表明R隨p、t、k、m的增加而增大，顯著影響因素是p；P隨p、t、n的增加而增大，隨m的增加而減小，顯著影響因素是m；寧博等［4］對有滲流作用和無滲流作用下砂礫石層灌漿效果進(jìn)行了對比試驗(yàn)研究，分析了水灰比、灌漿壓力、滲透比降等因素對漿液擴(kuò)散范圍的影響。其結(jié)果表明無滲流作用時(shí)，漿液的擴(kuò)散范圍隨漿液水灰比（變化范圍為0.6∶1～0.9∶1）的增加而增大；有無滲流作用情況下灌漿壓力與漿液擴(kuò)散范圍均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，兩者沒有明顯差異；有滲流作用時(shí)，不同灌漿壓力條件下滲流強(qiáng)度與漿液擴(kuò)散范圍之間呈明顯的非線性關(guān)系；楊秀竹等［5］推導(dǎo)出了賓漢體漿液在砂土中進(jìn)行滲透注漿時(shí)有效擴(kuò)散半徑的計(jì)算公式，并提出了求解方法，與Maag公式相比，發(fā)現(xiàn)達(dá)到同樣擴(kuò)散半徑所需的注漿壓力，Maag公式的計(jì)算結(jié)果明顯偏小。

前人所做研究工作各有特色，但分別存在不足。如未能同時(shí)考慮砂石料的顆粒級配、滲透系數(shù)、孔隙率及可灌比等因素對灌后漿液的擴(kuò)散距離及結(jié)石體強(qiáng)度等參數(shù)的影響。本文針對我國西北、西南地區(qū)沉積較密實(shí)的某種砂礫石層灌漿開展了一些室內(nèi)試驗(yàn)研究工作，同時(shí)考慮了上述各因素的影響，并得出了一些初步的結(jié)論。

1 試驗(yàn)砂料及其參數(shù)

由于砂礫石層屬于第四紀(jì)沉積層，是對巖石進(jìn)行物理、化學(xué)風(fēng)化和水流侵蝕，并經(jīng)冰川、流水和風(fēng)力等搬運(yùn)堆積而成的，其滲透系數(shù)變化較大。本文的室內(nèi)灌漿試驗(yàn)研究工作是針對我國西北、西南某地區(qū)沉積較密實(shí)的某種砂礫石層開展的。現(xiàn)場抽水試驗(yàn)顯示，沉積較密實(shí)段地層的滲透系數(shù) k范圍為0.05 cm／s～0.5 cm／s，地勘報(bào)告顯示孔隙率 n約為0.4。由于該砂礫石地層在我國水能蘊(yùn)藏量大的地區(qū)分布相當(dāng)廣泛，很具有代表性，因此很有必要開展該種地層的灌漿試驗(yàn)及機(jī)理分析研究工作。

1.1 砂料試配

為了準(zhǔn)確模擬該砂礫石地層的灌漿效果，對其顆粒級配情況進(jìn)行了反復(fù)試配，最終確定的某組砂料顆粒級配情況及其級配曲線見表1和圖1。

表1 某砂礫石地層顆粒級配情況

圖1 某砂礫石地層顆粒級配曲線

根據(jù)可灌比（Groutability ratio）的定義 GR＝D15／D85，經(jīng)計(jì)算該砂礫石層的可灌比約為24，屬于可灌性較好的地層。

1.2 滲透系數(shù)及孔隙率的控制及實(shí)現(xiàn)

為了準(zhǔn)確測出該種砂礫石地層的滲透系數(shù)等相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，課題組參考了《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［6］（GB／T50123－1999）的相關(guān)內(nèi)容。該標(biāo)準(zhǔn)給出的常水頭滲透試驗(yàn)裝置請見圖2（a），依據(jù)該圖在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自制加工了一套滲透裝置，如圖2（b）所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該砂石料的滲透系數(shù)隨其相對密實(shí)度改變很大。砂料呈松散狀態(tài)裝入時(shí)其滲透系數(shù)可達(dá)2 cm／s以上。為了使砂石料的滲透系數(shù)更接近工程實(shí)際要求，在分層裝入干料時(shí)采取了擊實(shí)措施，即每裝入一層干料用擊實(shí)錘錘擊20～30次，這樣測得的滲透系數(shù) k約為0.24 cm／s。滲透試驗(yàn)結(jié)束后將砂樣烘干，由含水率等參數(shù)計(jì)算出該滲透系數(shù)對應(yīng)的孔隙率約為0.40，基本接近該地區(qū)沉積較密實(shí)的某種砂礫石層。

2 漿液性能基本參數(shù)

本次試驗(yàn)對水泥漿的物理力學(xué)性能等參數(shù)進(jìn)行了測試，主要包括漿液的比重、流變參數(shù)和凝結(jié)時(shí)間等。所選用的水泥為早強(qiáng)型普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級為P.O32.5R；所配置的水泥漿液水灰比分別為0.6∶1、0.8∶1和1∶1，分為加膨潤土和未加膨潤土兩種。漿液的流變參數(shù)采用NDJ－4旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)進(jìn)行測定計(jì)算，凝結(jié)時(shí)間則依照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》［7］（GB1346－2011）采用ISO標(biāo)準(zhǔn)法維卡儀進(jìn)行測定。水泥漿液的基本物理力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

圖2 滲透裝置圖示

表2 室內(nèi)試驗(yàn)水泥漿液基本性能

由表2可以看出：所配制的水泥漿液中，水灰比越大漿液的流動(dòng)性能越好；與未加膨潤土的水泥漿液相比，加膨潤土的水泥漿液幾乎無水分析出，流動(dòng)性變差，即加入膨潤土后水泥漿液形成了穩(wěn)定漿液。

不同配比和組分的漿液其性能差別較大，漿液的這些性能將直接影響到其在砂礫石層中的灌入能力。

3 室內(nèi)灌漿試驗(yàn)研究

3.1 主要試驗(yàn)設(shè)備

本次室內(nèi)試驗(yàn)采用的主要試驗(yàn)設(shè)備為：手搖泵（最大量程3.2 MPa）；攪拌機(jī)；臺(tái)秤；標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)震動(dòng)篩及烘箱等。

3.2 試驗(yàn)步驟及方法

將篩分稱量好的砂石料分層裝入自制的灌漿模型中，并振搗密實(shí)。灌漿模型為建筑用給排水管（PVC管）。為了保證所裝砂料的孔隙率、滲透系數(shù)等參數(shù)指標(biāo)滿足1.2節(jié)要求，裝料前對PVC管的長度、體積進(jìn)行了嚴(yán)格測算，并依這些參數(shù)推求出所裝干砂料的質(zhì)量。經(jīng)測量PVC管的長度為50 cm，直徑75 mm，實(shí)際裝入干料約3.52 kg。

分別將拌制好的水泥漿液用手搖泵壓入到砂料模型中，灌漿試驗(yàn)如圖3所示，灌漿后的結(jié)石體如圖4所示。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)開灌起始階段砂層吃漿量較大，壓力表示數(shù)顯示幾乎為零，但約60 s后即出現(xiàn)壓漿困難情況，壓力表示數(shù)開始迅速上升，吃漿量則明顯下降。最終在0.1 MPa壓力下維持10 min，結(jié)束灌漿。

圖3 室內(nèi)灌漿試驗(yàn)圖示

圖4 結(jié)石體

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 擴(kuò)散半徑

為了便于分析對比，本次試驗(yàn)所制備的砂料模型孔隙率完全一致，均為0.40；而最大控制灌漿壓力也完全一致，均為0.1 MPa。不同配比和組分的水泥漿液在模型中的擴(kuò)散距離（擴(kuò)散半徑）見表3。

從表3可以看出，水泥漿液的擴(kuò)散半徑基本上隨水灰比的增加而增大，這一規(guī)律在摻加與未摻加膨潤土的水泥漿液中都有體現(xiàn)。而同一水灰比的水泥漿液，未摻加膨潤土的則比摻加膨潤土的擴(kuò)散半徑大。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生是與漿液自身的基本性能緊密相關(guān)的，漿液自身的流動(dòng)性越好，擴(kuò)散距離就越遠(yuǎn)，擴(kuò)散半徑就越大。

表3 不同漿液的擴(kuò)散距離（擴(kuò)散半徑）

3.3.2 強(qiáng)度分析

結(jié)石體的外觀形態(tài)如圖5所示。從圖5中明顯看出，結(jié)石體的某些表面非常粗糙，存在較多孔隙或孔洞，而某些表面則相對平整和光滑，孔隙和空洞較少。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象是砂料模型的放置方式造成的。灌漿結(jié)束后，將砂料模型平躺養(yǎng)護(hù)過程中，水泥漿液在自身重力作用下逐漸沉淀，試樣下半面充填水泥漿液較多，所以表面平整光滑，而上半面水泥漿液流失較多，則留下了較多的孔隙和空洞。這也直接造成了試樣強(qiáng)度的極不均勻性。試樣強(qiáng)度測試結(jié)果見表4。

圖5 結(jié)石體外觀形態(tài)

表4 試樣抗壓強(qiáng)度 單位：MPa

從表4可以看出，砂料結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度隨水灰比的增加而減小，但這一規(guī)律并不特別明顯。這是因?yàn)樯笆系膬?nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，孔隙通道也極不均勻，造成水泥漿液的充填分布也極不均勻（如圖6所示）。再加上水泥漿液的沉淀流失，使得試樣的抗壓強(qiáng)度離散性極大。這也充分反映出砂礫石灌漿工作的極其復(fù)雜性。

圖6 結(jié)石體破壞形態(tài)

4 結(jié) 語

對我國西北、西南地區(qū)廣泛分布的砂礫石層進(jìn)行了顆粒試配，同時(shí)考慮砂石料的級配情況、滲透系數(shù)、孔隙率及可灌比等因素，開展了不同配比、不同組分的砂礫石水泥灌漿試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥漿液的擴(kuò)散半徑基本上隨水灰比的增加而增大，未摻加膨潤土的普通水泥漿液的可灌性明顯優(yōu)于摻加膨潤土的穩(wěn)定性漿液，水泥漿液擴(kuò)散半徑的大小與漿液自身的物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)；而抗壓強(qiáng)度的測試結(jié)果則顯示，砂料結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度隨水灰比的增加而減小，但是由于砂石料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，使得試樣的抗壓強(qiáng)度離散性極大。普通水泥漿液與穩(wěn)定性漿液所形成的結(jié)石體的強(qiáng)度沒有明顯差別。

囿于試驗(yàn)設(shè)備的限制，試驗(yàn)只反映了水泥漿液在單根PVC管中的流動(dòng)擴(kuò)散及結(jié)石情況，試驗(yàn)沒有考慮地下水流動(dòng)、地層架空等現(xiàn)場實(shí)際工程地質(zhì)條件的影響，這些方面尚需開展進(jìn)一步研究。

［1］ 張順金.砂礫地層滲透注漿的可注性及應(yīng)用研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2007.

［2］ 李振鋼.砂礫層滲透注漿機(jī)理研究與工程應(yīng)用［D］.長沙：中南大學(xué)，2009.

［3］ 楊 坪，唐益群，彭振斌，等.砂卵（礫）石層中注漿模擬試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（12）：2134-2138.

［4］ 寧 博，吳時(shí)強(qiáng)，謝興華，等.滲流作用對砂礫石層灌漿的影響試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2011，32（S1）：285-289.

［5］ 楊秀竹，王星華，雷金山.賓漢體漿液擴(kuò)散半徑的研究及應(yīng)用［J］.水利學(xué)報(bào)，2004，（6）：75-79.

［6］ 中華人民共和國水利部.GB／T50123－1999.土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，1999.

［7］ 中國建筑材料科學(xué)研究院.GB1346－2011.水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

Test Research on Grouting in Sand and Gravel Layer

QIN Peng-fei1，2，F(xiàn)U Ping1，2，WANG Chun1，2，PENG Zhong-hong1，2
（1.China Institute ofWater Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.Beijing Zhongshuike Hydropower Science and Technology Development Co.，Ltd.，Beijing 100038，China）

In the water conservancy project and other constructions，the grouting in sand and gravel layer is of great importance and value.The grouting is invisible，the sand and gravel layer is complex and uncertainty，and the diffusion radius of cement slurry and the concretion strength are unpredictable.The particle gradation attempted for the sand and gravel layerwidely distributed in the northwest and southwest in China，and the cement grouting testswith different proportion and different componentwere carried out in laboratory.The results indicate that the diffusion radius of the cement slurry is increased with thewater cement ratio increased，which is closely related with its physical-mechanical properties；the concretion strength is decreased with thewater cement ratio increased.The concretion strength is dispersed widely due to the complexity of the inner structure in the sand and gravel layer.The test results could be used as a reference in site grouting construction.

sand and gravel layer；grouting；laboratory test；research

TV543

A

1672—1144（2014）01—0130—05

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.027

2013-07-18

2013-08-19

秦鵬飛（1984—），男，河南平頂山人，博士研究生，主要從事水利巖土工程方面的研究工作。