砂礫石土灌漿漿液擴(kuò)散半徑試驗(yàn)研究

， ， ，麗娟

(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)

1 研究背景

灌漿是指通過鉆孔并置入灌漿管的方式，利用液壓、氣壓或電化學(xué)等動(dòng)力，將漿液均勻地注入地層中，漿液在地基巖土體內(nèi)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，與地基巖土體形成結(jié)構(gòu)新、強(qiáng)度大、穩(wěn)定性好的結(jié)石凝膠體，從而達(dá)到提高地基承載力或防滲漏的一種地基處理方法[1]。1802 年Charles Berigny 把注漿法用于Dieppe 沖刷閘的修理之后，越來越多的水利等工程采用了此項(xiàng)技術(shù)[2]。

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。在砂礫石地層中灌漿，要求灌入的漿液能形成連續(xù)、穩(wěn)定的膠結(jié)體[3]，因此漿液的擴(kuò)散距離(擴(kuò)散半徑)必須合理確定。漿液的擴(kuò)散半徑?jīng)Q定著灌漿孔的布置和漿液消耗量，是選擇工藝參數(shù)、評(píng)價(jià)灌漿效果的重要依據(jù)[4]。由于灌漿工程是隱蔽工程，漿液在砂土層中的擴(kuò)散是隱藏的，無法進(jìn)行直觀觀測(cè)。在目前的灌漿設(shè)計(jì)和施工中，灌漿孔距主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定的，因此很可能會(huì)出現(xiàn)因孔距太大或太小而導(dǎo)致的工程質(zhì)量問題或投資上的浪費(fèi)[5]。

前人的理論研究工作假定條件過于理想化，由于地層形態(tài)復(fù)雜多變，利用這些理論公式計(jì)算出的漿液擴(kuò)散半徑與實(shí)際情況相差很遠(yuǎn)，實(shí)用性較差。而試驗(yàn)研究工作又各執(zhí)一詞。不同研究人員有時(shí)得出的是完全相反的結(jié)論，如上述文獻(xiàn)[8-10]的觀點(diǎn)就截然不同。為進(jìn)一步探討灌漿壓力、水灰比、孔隙比等因素對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的影響，本文通過設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，進(jìn)行均勻顆粒砂礫石層灌漿，分析各因素對(duì)擴(kuò)散半徑的影響關(guān)系，為砂礫石層灌漿提供有益探索。

2 試驗(yàn)材料、方法及設(shè)備

灌漿模型為建筑用給排水管(PVC管)，直徑為50 mm，根據(jù)不同情況分別截成50～100 cm的長(zhǎng)度。本次試驗(yàn)的灌漿壓力共采用3個(gè)水平，分別為20，30，40 kPa，灌漿壓力由漿液的自重提供，即將灌漿塑料軟管提升一定高度形成壓力漿頭以進(jìn)行灌注。灌漿試驗(yàn)前對(duì)漿液的比重等性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)計(jì)算公式p=γh分別計(jì)算出不同灌漿壓力對(duì)應(yīng)的高度h，將塑料軟管提升至相應(yīng)高度后固定，倒入水泥漿進(jìn)行灌注，如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)用石英砂

圖2 灌漿簡(jiǎn)易設(shè)備

表1水泥漿液基本性能參數(shù)

Table1Basicparametersofcementslurry

水灰比膨潤(rùn)土摻量/% 密度/(g·cm-3)析水率流變參數(shù)屈服強(qiáng)度/Pa塑性黏度/(mPa·s)初凝時(shí)間/min終凝時(shí)間/min0.7∶131.70—6.0827.833106200.8∶131.63—5.2422.243756950.9∶131.580.011.7315.33445885

3 漿液性能基本參數(shù)

本次試驗(yàn)所選用的水泥為早強(qiáng)型復(fù)合硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為P.C32.5R。所配置的水泥漿液水灰比分別為0.7∶1，0.8∶1和0.9∶1，分別加入3%膨潤(rùn)土以形成穩(wěn)定性漿液。對(duì)水泥漿的物理力學(xué)性能等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，主要包括漿液的比重、流變參數(shù)和凝結(jié)時(shí)間等。漿液的流變參數(shù)采用NDJ-4旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)進(jìn)行測(cè)定計(jì)算，凝結(jié)時(shí)間則依照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》[11]采用ISO標(biāo)準(zhǔn)法維卡儀進(jìn)行測(cè)定。水泥漿液的基本物理力學(xué)性能指標(biāo)請(qǐng)見表1。

4 灌漿正交試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案

正交設(shè)計(jì)是一種科學(xué)地安排多因素的試驗(yàn)和有效分析試驗(yàn)結(jié)果的好方法，它具有“均勻分散、整齊可比”的特點(diǎn)。在不影響試驗(yàn)效果的前提下，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)可以大大減少試驗(yàn)次數(shù)[12]。本試驗(yàn)采用3因素3水平的試驗(yàn)方案，共9個(gè)試樣。正交試驗(yàn)表如表2。

表2 砂礫石土灌漿正交試驗(yàn)表

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

室內(nèi)灌漿完成后，在一定濕度環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28 d。將PVC外殼拆除，測(cè)得各不同砂料灌漿模型的擴(kuò)散半徑，如表3所示。試樣如圖3所示。

表3 各不同灌漿模型的擴(kuò)散半徑

圖3 結(jié)石體

表4灌漿試驗(yàn)結(jié)果分析

Table4Analysisofgroutingtestresults

數(shù)據(jù)分析水平和水平均值K1K2K3k1(=K1/3)k2(=K2/3)k3(=K3/3)極差水灰比83.5133.5186.027.8344.5062.0034.17孔隙比96.0123.5183.532.0041.1761.1729.17壓力99.5161.5142.033.1753.8347.3320.66

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果分析表如表4。其中，K1這一列的3個(gè)數(shù)分別是3個(gè)因素第1水平所在的試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散半徑之和。類似地，K2這一列的3個(gè)數(shù)分別是3個(gè)因素的第2水平所在的試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散半徑之和；K3同理。 而k1，k2，k3每一列的3個(gè)數(shù)，分別是K1，K2，K3中對(duì)應(yīng)各數(shù)除以3所得的結(jié)果，即各水平對(duì)應(yīng)的平均值。

同一行中，k1，k2，k3這3組數(shù)中的最大者減去最小者所得的差稱為極差。極差越大，則這個(gè)因素的水平改變時(shí)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大。計(jì)算得出的3行極差分別為34.17，29.17，20.66。由此可知，第一行水灰比的極差最大，應(yīng)是考慮的顯著影響因素，接下來依次是孔隙比和灌漿壓力。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析

正交試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果顯示，水泥漿液的水灰比是影響水泥漿液擴(kuò)散半徑最顯著的因素。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生是與水泥漿液自身的物理力學(xué)性能密切相關(guān)的。水泥水化反應(yīng)理論需水量約為水泥自身質(zhì)量的20%，多余的水分將作為輸送介質(zhì)化作泥漿向前方流動(dòng)。水泥漿液中多余水分的含量直接影響水泥漿液的流動(dòng)性。水泥漿液的水灰比越大，漿液中的多余水分便越多，對(duì)水泥漿液流動(dòng)性能的改善便越顯著。因此，相對(duì)于被灌介質(zhì)的地層狀況(孔隙比)和灌漿的施工工藝(灌漿壓力)而言，漿夜自身的物理力學(xué)性質(zhì)(水灰比)對(duì)漿液的擴(kuò)散半徑起著更顯著的影響。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生，在通過對(duì)不同水灰比漿液的流變性能的分析中得到了較好的解釋。

5 結(jié) 語

漿液的擴(kuò)散半徑不僅決定著灌漿孔的布置和漿液消耗量，而且是選擇工藝參數(shù)、評(píng)價(jià)灌漿效果的重要依據(jù)，是灌漿施工中非常重要的參數(shù)。通過設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，對(duì)影響水泥漿液擴(kuò)散半徑的幾個(gè)因素(水灰比、孔隙比、灌漿壓力)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明水泥漿液的水灰比越大，漿液中的多余水分越多，對(duì)水泥漿液流動(dòng)性能的改善便越顯著。水灰比是影響水泥漿液擴(kuò)散半徑最顯著的因素。

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