水玻璃自滲注漿加固原狀黃土效果及評價

金 鑫，王鐵行，于康康,2，羅 揚，左騰飛

（1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.鄭州中核巖土工程有限公司，河南，鄭州 450003；3.長慶油田分公司第六采氣廠，陜西，延安 716000）

硅化法既可用于既有建筑物的地基加固，也可用于新建工程的地基處理，國內(nèi)外工程應(yīng)用較多，但硅化法在黃土地區(qū)應(yīng)用較少[1-2]．硅化法在黃土地區(qū)現(xiàn)有的工程應(yīng)用基本上參照其它地區(qū)經(jīng)驗，采用壓力注漿，需要壓力設(shè)備[3-6]，成本較高．考慮到原狀黃土具有大孔隙結(jié)構(gòu)，利用這一特點若能進行自滲注漿，將極大地提高施工的便利性和經(jīng)濟性，因此，針對目前研究狀況并結(jié)合黃土大孔隙性的特點，通過現(xiàn)場注漿、室內(nèi)強度、水穩(wěn)性及自滲注漿模型等試驗，研究水玻璃自滲注漿加固原狀黃土的效果及規(guī)律并通過滲流力學(xué)推導(dǎo)了自滲注漿柱形擴散公式，為原狀黃土加固提供參考．

1 現(xiàn)場注漿試驗

1.1 試驗場地及材料

試驗場地位于陜西省彬縣，場地地貌單元為黃土塬．試驗用黃土物理、力學(xué)性質(zhì)見表1，試驗用水玻璃參數(shù)見表2．

表1 試驗黃土的物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)平均值Tab. 1 Average values of loess’s physical and mechanical properties

表2 試驗用水玻璃主要技術(shù)指標(biāo)Tab. 2 Parameters of sodium silicate

自滲注漿時，注漿孔深度越大，孔內(nèi)靜壓越大，有可能對注漿效果產(chǎn)生影響，為了反映這一因素，選取三個注漿深度進行試驗研究，每一深度設(shè)4個平行孔，注漿孔平面布置見圖1，孔深見表3．

圖1 注漿孔平面布置圖Fig. 1 Layout plan of grouting holes

表3 注漿孔深度Tab. 3 Depth of grouting holes

將注漿管依次放入注漿孔內(nèi)，進行溶液自滲注漿，當(dāng)有返漿現(xiàn)象時，注漿停止，拔出注漿管，將注漿孔封閉并進行標(biāo)記，記錄單孔注漿時間以及注漿量．

1.2 現(xiàn)場試驗結(jié)果及分析

將注漿加固后的黃土進行為期 30 d的天然養(yǎng)護，然后進行開挖，觀察發(fā)現(xiàn)加固體基本呈圓柱狀，直徑約為25 cm，土體原有結(jié)構(gòu)保存完整，漿液填充土體孔隙效果顯著．

根據(jù)對注漿時間與注漿量的記錄，得出注漿孔深分別為80 cm、100 cm、120 cm時，注漿量與注漿時間的關(guān)系．

圖2 原狀土不同注漿孔深注漿量隨注漿時間的變化Fig. 2 Curves of grouting amount and time

由圖2可看出，對同一深度的注漿孔，注漿量隨注漿時間的增長逐漸增大，注漿速率隨時間的增長逐漸減小，孔深為80 cm的注漿孔，單孔注漿平均速率由起初的0.8 L/min最后下降為0.2 L/min,單孔注漿量平均為15.6 L．主要原因是當(dāng)注漿開始時，水玻璃中的凝膠物質(zhì)逐步充填黃土中的部分孔隙，隨著注漿的持續(xù)進行，注入黃土的凝膠物質(zhì)逐漸增多，在漿液的影響范圍內(nèi)，黃土的孔隙進一步被漿液中的膠結(jié)物質(zhì)充填，導(dǎo)致注漿速率下降．并且隨著注漿孔深度的增加，注漿量增大，主要原因是孔深越大，在注漿孔內(nèi)積聚的漿液越多，靜壓越大單孔注漿量相應(yīng)增大．說明水玻璃加固黃土自滲注漿量對壓力比較敏感，由于黃土具有大孔結(jié)構(gòu)，隨著孔深增大，注漿漿體的靜壓力增加，雖然試驗孔深增大產(chǎn)生的靜壓力值并不大，但注漿量明顯增加．

2 加固體的強度及水穩(wěn)性試驗

2.1 強度試驗

將現(xiàn)場取回的加固體進行分割并標(biāo)記，制成高80 mm，直徑39.1 mm的圓柱形試樣，進行無側(cè)限抗壓強度試驗[7-9]．

對孔深均為 80 cm的注漿孔，分別取距地面80cm、100 cm、120 cm、140 cm處圓柱加固體中心土樣和同一深度處的原狀土樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗，結(jié)果如下．

圖3 不同取樣深度的原狀加固土體強度變化趨勢Fig. 3 Reinforced intact loess’s strength variation trend of different depth

圖4 不同深度處原狀加固土體無側(cè)限抗壓強度曲線Fig. 4 Curves of reinforced intact loess’s unconfined compressive strength of different depth

由圖3和圖4可以看出，經(jīng)水玻璃（Na2SiO3）自滲注漿加固后的原狀黃土無側(cè)限抗壓強度大幅提高，是天然黃土的平均 10倍以上，加固效果顯著，自注漿中心（深度80 cm）向下，注漿加固體的強度逐漸減小．隨著注漿的進行漿液中的膠結(jié)物質(zhì)逐漸充填注漿孔周圍黃土中的孔隙，使黃土的滲透能力下降，漿液在重力的作用下，向下的滲透范圍有限，所以加固后的黃土隨著取樣深度的增加，其強度有所下降．

進一步針對深度為100 cm的加固體平面，取距注漿中心分別為0 cm、7.5 cm、15 cm、22.5 cm的加固土樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗結(jié)果如圖5-6所示．

圖5 不同取樣半徑的原狀加固土體強度變化趨勢Fig. 5 Reinforced intact loess’s strength variation trend of different radius

圖6 同一深度不同半徑原狀加固土體無側(cè)限抗壓強度曲線Fig. 6 Curves of reinforced intact loess’s unconfined compressive strength at the same depth of different radius

由圖5可以看出，沿注漿中心的徑向方向，隨著取樣半徑增加，注漿加固體強度減小，當(dāng)取樣半徑為22.5 cm時，強度下降顯著．由于采用自滲注漿，漿液在水平方向不受外力作用，隨著注漿的進行，注漿孔周圍黃土水平方向的孔隙被漿液中的膠結(jié)物質(zhì)所充填，使?jié){液在水平方向滲透受到限制，超過其水平滲透范圍的土體未受漿液加固．

對比圖5和圖6，注漿下滲加固范圍明顯大于水平加固范圍，現(xiàn)場實測表明，下滲加固深度約為圓柱半徑的5倍．由于漿液所受的液體靜壓力和重力對其豎直方向的滲透起促進作用，使其在豎向的自滲能力大于水平方向，并且加固土體強度越大，在相同應(yīng)力水平下的應(yīng)變越小，抗變形能力越強．

2.2 水穩(wěn)定性試驗

由于黃土顆粒間可溶鹽膠結(jié)強度低，當(dāng)黃土作為路基或建筑地基時容易發(fā)生透水和失穩(wěn)現(xiàn)象，有必要對加固土體的水穩(wěn)性進行試驗．

分別將取距地面80 cm、100 cm的加固土樣，完全浸沒于蒸餾水中，60 d后對浸水后的土體進行無側(cè)限抗壓強度試驗[9-10]，結(jié)果如圖7所示．

圖7 原狀加固土體浸水前后無側(cè)限抗壓強度對比曲線Fig. 7 Contrast curves of reinforced intact loess’s unconfined compressive strength of immersed and non-immersed

由圖7可以看出，浸水后加固體強度較浸水前平均下降28%，但其強度仍是天然黃土的6倍以上．

加固體受水浸泡強度降低一方面是因為黃土中未受水玻璃加固的土體遇水后，其中的易溶鹽溶解削弱了土顆粒間的連結(jié)強度．另一方面是在浸水環(huán)境中，硅酸凝膠的脫水縮合作用減緩，使其凝膠強度增長緩慢．

黃土經(jīng)水玻璃自滲注漿加固后具有良好的水穩(wěn)定性是因為黃土中的易溶鹽 MgSO4、Na2CO3、KCl、NaCl、MgCl2、CaCl2等，其中析出的 Ca2+、Mg2+與水玻璃中的SiO32-產(chǎn)生互換的化學(xué)反應(yīng)，生成難溶性的硅酸鈣（鎂）凝膠，不僅充填了黃土中的孔隙，并且生成的凝膠薄膜包裹土顆粒，增加了粒間的膠結(jié)力，使土體硬化且具有足夠的堅固性、水穩(wěn)性[11-15]．

3 室內(nèi)自滲注漿模擬試驗

由于現(xiàn)場試驗場地含水量及孔隙的不均勻性，為更好地研究自滲注漿規(guī)律，進行室內(nèi)黃土自滲注漿模擬試驗．

將取自現(xiàn)場未經(jīng)加固的土體，經(jīng)過風(fēng)干、研磨，過2 mm篩后，用蒸餾水分別將土樣配制成孔隙比均為1，含水量分別為12%、15%、18%、21%、24%的試驗土樣（其中對含水量為 12%、15%、18%、21%的土樣再分別配置相應(yīng)含水量下孔隙比分別為0.9和 1.1的土樣）將配制好的土樣裝入體積為40cm×40cm×40cm的試驗箱．

選用與現(xiàn)場參數(shù)相同水玻璃漿液進行自滲注漿模擬試驗，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護30 d后，試驗結(jié)果如下．

圖8和圖9顯示出，在相同孔隙比條件下自滲加固半徑隨著土體含水量的增大而減小，注漿加固體強度也隨含水量增大而減小，當(dāng)含水量大于20%時，強度下降顯著．

圖8 自滲注漿半徑隨含水量變化趨勢Fig. 8 Self-permeated grouting radius variation trend of different water content

圖9 重塑加固土體無側(cè)限抗壓強度隨含水量變化對比曲線Fig. 9 Contrast curves of reinforced structureless loess’s unconfined compressive strength of different water content

圖8和圖9顯示出，在相同孔隙比條件下自滲加固半徑隨著土體含水量的增大而減小，注漿加固體強度也隨含水量增大而減小，當(dāng)含水量大于20%時，強度下降顯著．

由于土體含水量的增大使土體孔隙大量充水，含水孔隙不能被漿液填充并且孔隙水阻礙了漿液在孔隙間的流動，使水玻璃對土顆粒的膠結(jié)作用減弱．同時含水量的提高會減緩硅酸凝膠的脫水縮合作用，使硅酸凝膠強度增長緩慢．

圖10 重塑土自滲注漿半徑隨孔隙率變化趨勢Fig. 10 Structureless loess’s self-permeated grouting radius variation trend of different void ratio

圖11 重塑加固土體無側(cè)限抗壓強度隨孔隙比變化對比曲線Fig. 11 Contrast curves of reinforced structureless loess’s unconfined compressive strength of different void ratio

由圖10可以看出，在相同含水量條件下隨著土體孔隙比的增大，注漿加固半徑逐漸增大．由于土體孔隙比的增大，土顆粒間的聯(lián)結(jié)緊密程度降低，土顆粒對漿液的阻礙作用減小，使?jié){液自滲范圍增大．

圖11給出了重塑加固土樣強度試驗結(jié)果，揭示出當(dāng)土體含水量相同時，隨著孔隙比增大，加固體強度增大．由于孔隙增大，漿液入滲土體效果顯著，漿液包裹土顆粒更充分，增強了顆粒間的連結(jié)能力，使土體強度增大．

將重塑土試驗結(jié)果與原狀土相進行比較，結(jié)果如下．

表4 自滲注漿加固半徑Tab.4 Reinforced radius of self-permeated grouting

圖12 加固后的原狀土與重塑土無側(cè)限抗壓強度對比曲線Fig. 12 Contrast curves of reinforced intact loess’s and structureless loess’s unconfined compressive strength

表4顯示出，原狀土的加固半徑約為重塑土的2倍，由圖12可看出，重塑加固土樣的加固強度相比原狀加固土樣下降50%以上．由于原狀土具有貫通的大孔隙，利于漿液在土體中流動;原狀土體保留了土體原有結(jié)構(gòu);注漿效果提升顯著,加固體強度和抗變形能力均大幅提升．

4 自滲注漿公式推導(dǎo)

現(xiàn)場注漿試驗采用花管法注漿，漿液呈現(xiàn)柱形擴散，根據(jù)常規(guī)柱形擴散公式：

式中：R為擴散半徑；r0為注漿管半徑；P為注漿壓力（cm水頭）；k為黃土滲透系數(shù)（cm/s）；t為注漿時間(s)；n為黃土孔隙率；β為漿液與水的粘度比．

柱形滲透注漿可視為平面徑向滲流問題，注漿管半徑相對于周圍土體可簡化為半徑為r0的圓，通過拉普拉斯變換[16]可得：

求解條件為：p(r=r0)=p1;pg(r=R)=p2;pw(r=R)=p2;Vg(r=R)=Vw(r=R);p(r→∞)=p3．

式中：R為漿液擴散半徑；Vg為漿液的滲流速度(cm/s)；Vw為水的滲流速度(cm/s)；pw為水壓力(cm水頭)；pg為漿液壓力（cm水頭）；p1為注漿壓力（cm水頭）；p2為漿水分界面處壓力（cm水頭）；p3為與注漿端頭同一水平面在地下水影響半徑處壓力（cm水頭）．

對（2）式積分兩次得：

式中c1，c2為待定常數(shù)

在r0≤r≤R范圍內(nèi)，根據(jù)求解條件確定c1，c2：

在R≤r≤R′范圍內(nèi)，根據(jù)求解條件確定c1，c2：

根據(jù)梯度定義，I=-dp/dr,定義漿液壓力頭梯度Ig和水頭梯度Iw，得出：

當(dāng)r=R時，由Vg(r=R)=Vw(r=R)，得：

式中，kg、kw分別為漿液和水在黃土中的滲透系數(shù)．

聯(lián)立（6）、（7）、（8）式可得：

設(shè)注漿加固體為半徑是R，高為h的柱體，土體的孔隙率為n，假定土骨架不可壓縮，在注漿時該部分體積被漿液充滿，得：

式(10)也可寫為

式中，t為注漿時間（s）

由（9）、（10）可得注漿壓力、時間、擴散半徑的關(guān)系：

式(9)及式(12)相對于常規(guī)柱形擴散公式，多考慮了p2和p3，因此更接近于實際情況，根據(jù)所推導(dǎo)公式對水玻璃在黃土中的自滲注漿量和注漿半徑進行計算，結(jié)果見表5．

表5 自滲注漿試驗綜合結(jié)果分析Tab.5 Overall results of self-permeated grouting test

由推導(dǎo)的自滲注漿柱形擴散公式，計算出的注漿半徑理論值均大于實測值，注漿量理論計算值與實測值間約有40%的差異．

在注漿試驗中，實測值與理論值產(chǎn)生誤差的原因有：原狀黃土不可能滿足各向同性性質(zhì)與理論計算做出的各向同性與均質(zhì)假設(shè)有一定的差異；水玻璃漿液在自滲過程中，漿液溫度由于環(huán)境原因會導(dǎo)致粘滯系數(shù)發(fā)生變化而理論計算時將其假定為穩(wěn)定漿液；水玻璃在黃土中擴散時，由于其與黃土發(fā)生膠凝作用可能會出現(xiàn)堵塞問題等．

試驗值與理論計算值二者間的差異在-50%～100%范圍內(nèi)都是可接受的誤差范圍[17]，并在國內(nèi)的試驗研究中得到廣泛應(yīng)用．在總體上，本文推導(dǎo)的自滲注漿柱形擴散公式能較好反應(yīng)水玻璃在黃土中的自滲規(guī)律，可謂實際注漿工程提供理論支撐與指導(dǎo)作用．

5 結(jié) 論

(1) 水玻璃自滲注漿加固原狀黃土是可行的，在試驗條件下，單管注漿其影響深度約為 0.70 m，影響半徑約為 0.14 m，單孔注漿量平均為 15.6 L．自滲注漿豎向加固范圍約為水平方向的5倍．

(2) 經(jīng)自滲加固的原狀黃土其強度和抗變形能力均大幅提高，并且具有良好的水穩(wěn)定性．

(3) 通過室內(nèi)模型試驗，自滲注漿半徑隨著土體含水量增大而減小，隨著孔隙比增大而增大．

(4) 原狀土體結(jié)構(gòu)保存完整，并且具有貫通的大孔隙，有利于提高注漿加固效果，原狀加固土的強度和抗變形能力明顯大于重塑加固土．

(5) 推導(dǎo)出的自滲注漿柱形擴散公式，在可接受誤差范圍內(nèi)，注漿半徑和注漿量其理論計算值與實測值之間的差異分別約為25%和40%．

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