大足石刻砂巖模擬裂隙灌漿試驗

孫　鵬，嚴紹軍，竇　彥,陳嘉琦,何　凱

(中國地質(zhì)大學(武漢) 工程學院,武漢　430074)

大足石刻砂巖模擬裂隙灌漿試驗

孫鵬，嚴紹軍，竇彥,陳嘉琦,何凱

(中國地質(zhì)大學(武漢) 工程學院,武漢430074)

摘要：裂隙滲水是導致世界文化遺產(chǎn)大足石刻文物破壞的一個重要因素。將一種無機環(huán)保的改性偏高嶺土灌漿材料擬用于大足石刻保護工程，為研究該新型材料的可灌性，進行了室內(nèi)模擬裂隙灌漿試驗。通過石刻砂巖巖板控制裂隙的張開度，著重研究此種材料不同水灰比的漿液在不同灌漿壓力、灌漿時間下的灌漿過程及漿體進入裂隙的最小寬度。試驗表明：漿液能進入的裂隙最小寬度值與水灰比、灌漿壓力和灌漿時間均有關(guān)；水灰比是控制漿液可灌性的首要因素，而壓力的提高并不能顯著提高灌漿速度；提高水灰比、灌漿壓力及灌漿時間均可改善細小裂隙的灌漿效果。

關(guān)鍵詞：大足石刻；裂隙滲水；文物保護；灌漿材料；灌漿試驗；可灌性

1研究背景

大足石刻是唐末、宋初時期的宗教摩崖石刻，以佛教題材為主，儒、道教造像并陳，尤以北山摩崖造像和寶頂山摩崖造像為著，是全國重點文物保護單位、世界文化遺產(chǎn)[1]。大足石刻裂隙滲水[2]是導致文物破壞的一個主要因素，滲水病害會導致文物表面風化加快，影響石刻的藝術(shù)價值；其次滲水使本地區(qū)的巖土體強度和穩(wěn)定性降低，不利于文物和游客安全。

針對裂隙滲水病害，通常進行裂隙壓力灌漿[3]。在灌漿之前，要選取合適的灌漿材料。在巖土文物保護中，選取的灌漿材料[4]首先具備安全性，保證它對文物本體不產(chǎn)生損害；其次材料要具有良好的工作性，與周圍巖體具有一定的粘結(jié)性，及在自然裂隙中的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的灌漿材料[5]可分為有機系材料、無機系材料和復合系材料3大類。3種材料各有優(yōu)缺點，有機材料具有適用范圍廣、凝結(jié)時間可調(diào)控、后期強度高、防滲性好的優(yōu)勢，但是其價格昂貴且大部分具有毒性；無機系材料具有來源廣泛、價格便宜、防滲效果好的優(yōu)點，但是它的適用范圍較窄、凝結(jié)速度慢。

通過對大足石刻的現(xiàn)場工程地質(zhì)勘察，針對其滲水病害、綜合環(huán)境、經(jīng)濟等各方面因素，決定使用無機系灌漿材料。所用的材料由中國地質(zhì)大學(武漢)文物保護中心研發(fā)，材料以偏高嶺土[6]、硅粉[7]和超細水泥[8]為主要成分，固體灰中加入適量的激發(fā)劑和減水劑。激發(fā)劑的主要作用是對偏高嶺土進行激發(fā)，使其顆粒更加分散；減水劑主要用于改善漿體的流動性，減水劑和激發(fā)劑的用量和固體灰呈一定比例。大量的室內(nèi)試驗證明該材料具有工作性好、后期強度高、防滲效果好的諸多優(yōu)點，而且此種材料很好地解決了傳統(tǒng)水泥材料的泛鹽堿問題[9]，這種灌漿材料對文物本體影響甚小。

針對裂隙灌漿機理，Wittke與Wallner推導出賓漢姆漿液在二維等厚光滑裂隙中的運動規(guī)律公式[10]，Lombadi[11]推導出漿液的最大擴散半徑；在國內(nèi)，張良輝等[12]對等開度粗糙裂隙中漿液的流動作了詳細的闡述。近幾年來，針對裂隙灌漿的研究主要集中在灌漿材料[13]的研究，如PS材料、超細水泥灌漿材料等，無機多元復合環(huán)保型材料成為未來灌漿材料發(fā)展的主流。

目前針對流體在裂隙中的流動規(guī)律的研究，僅限于等張開度的裂隙，而對復雜裂隙網(wǎng)絡中漿液的流動缺乏研究。無機顆粒懸浮類材料被廣泛用于灌漿工程實踐中，但是對于這類材料究竟能進入多小的裂隙？依然缺少理論論證和試驗驗證。本次研究以無機顆粒懸浮類材料為灌漿材料進行模擬灌漿試驗[14]及試驗驗證。

2灌漿理論簡介

2.1牛頓流體和賓漢姆流體及其本構(gòu)方程

流體根據(jù)其流變特性分為牛頓流體和賓漢姆流體[15]。前者又稱為黏性流體，影響其流動的只是其黏度，它的流動服從牛頓定律，相鄰流層剪切流動的剪應力τ(單位接觸面上的剪應力)和切應變dv/dx(流層間的速度梯度)成正比例關(guān)系，即

(1)

式中η為黏滯系數(shù)(Pa·s)，又稱為動力黏度，簡稱黏度。黏滯性亦稱為“內(nèi)摩擦”，它是液體、氣體內(nèi)部阻礙其相對流動的一種特性。

賓漢姆流體又稱為黏塑性流體，影響其流動的不僅有漿液的黏度，還有漿液的黏聚力或稱剪切屈服強度，它只有先克服了黏聚力之后才能發(fā)生流動。一般懸濁液如水泥漿、水泥黏土漿、黏土漿、水泥砂漿和水泥水玻璃漿等均為賓漢姆流體。對于賓漢姆流體，通常用黏性η和黏聚力c這2個參量描述，用賓漢姆流變理論表示為

(2)

空氣和水只有黏度而沒有黏聚力，可視為牛頓體，其他流體如灌漿漿液因為其黏聚力的存在，要按照賓漢姆體進行分析。

2.2賓漢姆體在二維等厚光滑裂隙中的流動

裂隙巖體內(nèi)存在大量的節(jié)理裂隙，尤其是多次構(gòu)造作用形成的節(jié)理，分布相當復雜，因此，研究漿液在巖體裂隙內(nèi)的流動規(guī)律就更復雜。目前，只能利用裂隙巖體的一些滲流模型，研究漿液在較為簡單的裂隙模型內(nèi)流動的規(guī)律[16]。

在二維平面等厚光滑裂隙中，賓漢姆漿體在壓力作用下產(chǎn)生流動，如圖1所示。

注:R0為鉆孔半徑；R為流體的擴散半徑；v為流體的速度；2h為裂隙寬度；2Z0為流核區(qū)高度。圖1　漿體在二維光滑裂隙中的流動Fig.1　The flowing of slurry in two-dimensionalsmooth fracture

灌漿漿液在被施加超過黏聚力的切應力時才能流動，因此灌漿漿液在流動中一般分為2個區(qū)域：流體質(zhì)點間無相對運動的部分成為流核區(qū)，流核區(qū)以外的成為速梯區(qū)，漿液在2區(qū)的交界面上發(fā)生屈服。

根據(jù)漿體在二維等厚光滑裂隙中的流動，Wittke與Wallner推導出賓漢姆漿液在二維等厚光滑裂隙中的運動規(guī)律平衡微分方程，即

(3)

邊界條件：

Z=h時，τ=0;

(4)

(5)

式中：τ0為漿體的剪切屈服強度；r,Z分別為徑向和軸向的裂隙張開方向。

漿體在裂隙中的壓力P分布及其擴散范圍(擴散半徑R)為：

(6)

(7)

式中P0為初始灌漿壓力。

漿液在裂隙中的流動速率和單位流量分別按照下列公式計算[17]。

牛頓型漿體：

(8)

(9)

賓漢姆型漿體：

當2Z0<2h時，

(10)

(11)

式中：Ir為壓力梯度；Z為位置勢。

當2Z0=2h時，VB，qB均為0，漿液停止運動。

Lombadi推導出漿液的最大擴散半徑Rmax為

(12)

式中：Pmax為最大注漿壓力；δ為裂縫寬度。

上述對賓漢姆流體運動規(guī)律的推導過程是建立在等厚光滑裂隙的基礎之上的，但是對于賓漢姆體在裂隙張開度線性變化的裂隙中的運動規(guī)律至今仍缺乏相應的理論，對于賓漢姆流體在這類裂隙中的擴散半徑必須通過試驗獲取。

3室內(nèi)模擬灌漿試驗

3.1試驗目的

在文物滲水治理中，常選取無機顆粒懸浮類材料進行灌漿防滲，但是對于這類材料究竟能夠進去多小的裂隙缺乏理論證明和試驗驗證，這類材料在裂隙中的擴散過程與灌漿壓力、灌漿時間、材料的水灰比均有關(guān)，本次試驗以所選取的無機顆粒懸浮類材料作為試驗灌漿材料，探究這種材料在不同條件下能進入的最小裂隙寬度。

3.2試驗設計

3.2.1試驗用巖樣和模擬裂隙

本次試驗所用的巖樣為取自大足石刻寶頂山的砂巖，將試樣進行XRD分析，結(jié)果如表1所示。

表1　樣品XRD測試結(jié)果

從XRD結(jié)果看，巖樣以長石和石英為主要成分，含有少量的方解石、蒙脫石之類的礦物，符合砂巖的組成特性，試驗用樣為細粒長石石英砂巖。

將取回的巖樣切成長30cm，寬20cm，高5cm的巖板。將2塊巖板疊放，由于巖板的接觸面較光滑，故2塊巖板之間可視作無縫隙，在巖板中間放置一塊鐵質(zhì)卡片，一側(cè)控制合適的裂隙寬度，另一側(cè)控制裂隙寬度為0。在前期實驗中，控制裂隙寬度為2mm，但漿液在較小灌漿壓力下即可灌入且從巖板后端噴漿，因而繼續(xù)減小裂隙寬度。在反復試驗后，決定控制裂隙寬度為0.45mm。

將縫隙一側(cè)與灌漿孔相連，除灌漿孔與裂隙相通的位置，其它位置用做好的塑料板堵死。為防止?jié){液從側(cè)邊流出，灌漿孔要與壓力表相連，以便于測定真實的灌漿壓力；為了防止?jié){液進入壓力表中對壓力表造成破壞，在灌漿孔連接壓力表的管中灌入少量洗潔精等黏稠液體。垂直方向考慮到灌漿時巖板承受灌漿壓力，為防止巖板被灌漿壓力頂起，用C型夾夾緊，如圖2所示。

圖2　固定巖板模擬裂隙Fig.2　Fixation of rock plates for simulating fracture

3.2.2主要設備

試驗設備主要包括空壓機、灌漿筒、壓力表、F型夾和C型夾各2個、巖板2塊?？諌簷C連接電源，用于提供穩(wěn)定的灌漿壓力，空壓機連接灌漿筒，灌漿筒用來放置配置好的漿液，灌漿筒和模擬裂隙、壓力表相連，壓力表用來測定真實的灌漿壓力。見圖3。

圖3　試驗配置Fig.3　Sketch of the testing configuration

3.3.3試驗方法

不同水灰比的漿液在不同的灌漿壓力和灌漿時間條件下，擴散半徑不同，對于灌漿壓力，設定0.2,0.3,0.4MPa3個測量值；針對灌漿時間，在嘗試試驗階段發(fā)現(xiàn)，由于巖板的面積所限，漿液在裂隙中從開始擴散至停止擴散，時間跨度不超過10min，因此設定0.5,1,2,4,8min5個測量點；對擴散半徑測量時，打開巖板，用電子游標卡尺進行測量。

漿液在灌漿壓力作用下進入模擬裂隙，隨著擴散距離的增大，壓力逐漸消散，同時隨著漿液所進入的裂隙寬度逐漸減小，漿液所受的黏滯阻力逐漸增大，最終灌漿壓力和黏滯阻力相互抵消，漿液停止繼續(xù)運動，這時漿液的擴散半徑就是其最終擴散半徑。如圖4。

圖4　流動漿體擴散示意圖Fig.4　The spread sketch of flowing slurry

由三角形的等比法則可知

(13)

式中：b為漿液能進入的最小裂隙寬度；L為巖板的長度；h0為初始裂隙寬度；a為漿液的最終擴散半徑。

4灌漿試驗結(jié)果

在配置灌漿漿液時，要考慮漿液的流動性，流動性太差，會導致漿液在管內(nèi)堵死，試驗將無法進行。漿液的流動性主要和水灰比有關(guān)，在灌漿試驗前，首先對不同水灰比漿液的流動性進行測試。

此次室內(nèi)對漿體流動度測試時，采用的流動度試驗模型規(guī)格為：上口直徑36mm，下口直徑60mm，高60mm。流動度測試參考GB/T2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》[18]，采用游標卡尺測量流動度尺寸。

圖5　流動度隨水灰比變化Fig.5　Variation of liquiditywith water-cement ratio

由圖5可知：①水灰比小于0.6時，漿液的流動性很差，流動度<100，已經(jīng)無法滿足灌漿要求，故本次測試過程中只記錄當水灰比>0.6時的測試結(jié)果。②漿液的流動性大體隨水灰比的增加而增大，水灰比為0.6時，流動度為81.2mm，基本上可以滿足灌漿需要；水灰比為0.8～1.0時，流動度均值約為180mm；水灰比>1時，流動度達到250mm，但是漿液過稀對漿液及時凝固不利。

為了便于操作，試驗中使用的灌漿材料水灰比逐漸增大。在試驗初期，首先采用水灰比為0.6的漿液進行灌注時，漿液在管內(nèi)堵死，原因在于水灰比過小，漿液的流動性太差，加壓的過程中，水被不斷擠出，漿液的水灰比持續(xù)下降，漿液變得越來越稠，流動性越來越差直至堵死管道；其次，水灰比也不宜過大，過大的水灰比會使?jié){液過稀，漿液流動性太好會出現(xiàn)末端噴漿現(xiàn)象，在工程實際中，過稀的漿液雖然易于灌入裂隙，但是強度生成緩慢，不利于其快速凝結(jié)，往往在產(chǎn)生強度之前就被水沖走，達不到防滲或者加固效果，因此在本次試驗中設計水灰比主要為0.7，0.8，0.9。

4.1水灰比為0.7時的灌漿結(jié)果

水灰比為0.7的漿液相對較稠，流動性較差，在試驗中，控制灌漿壓力為0.2MPa時，漿液不能進入，控制灌漿壓力0.3MPa時漿液的擴散半徑約為35mm，對應裂隙寬度約為0.4mm。

因此加大灌漿壓力至0.4MPa，灌入1min后，漿液擴散半徑為87.3mm，對應的裂隙寬度為0.31mm；灌入2min后，擴散半徑增加到165mm，對應的裂隙寬度為0.20mm；繼續(xù)延長加壓時間至4min，漿液擴散半徑增加到180.94mm，對應的裂隙寬度約為0.18mm，繼續(xù)延長時間，擴散半徑并無太大變化，因此，水灰比為0.7的漿液在0.4MPa灌漿壓力下可灌入寬約0.17mm的裂隙。水灰比為0.7的漿液的灌漿試驗進程如圖6(a)所示。

增大灌漿壓力，有利于漿液進入更小的裂隙，水灰比為0.7的漿液可進入的最小裂隙寬度隨壓力變化如圖6(b)所示。

圖6　水灰比為0.7的灌漿試驗結(jié)果Fig.6　Groutability of slurry with water-cement ratio of 0.7 under different grouting pressures

4.2水灰比為0.8時的灌漿結(jié)果

水灰比為0.8的漿液流動性較好，控制真實的灌漿壓力為0.2MPa，灌入1min后擴散半徑為35.43mm，對應的最小裂隙寬度為0.39mm；灌入2min后，擴散半徑增加到147.06mm，對應的最小裂隙寬度為0.23mm；繼續(xù)延長加壓時間，漿液所走距離無明顯變化，故水灰比為0.8的漿液在0.2MPa真實灌漿壓力下所能灌入的最小裂隙寬度約為0.23mm。在0.2MPa灌漿壓力下，灌漿進程如圖7(a)所示。

控制灌漿壓力為0.3MPa，灌入1min后，漿液擴散半徑為101.5mm，對應的裂隙寬度為0.29mm；灌入2min后，擴散半徑為178.0mm，對應裂隙寬度為0.18mm；繼續(xù)延長灌漿時間，無明顯變化，因此在0.3MPa真實灌漿壓力下，水灰比為0.8的漿液所能進去的最小裂隙寬度約為0.18mm，在0.3MPa灌漿壓力下，水灰比為0.8的漿液灌漿進程如圖7(b)所示。

控制灌漿壓力為0.4MPa時，漿液迅速灌入，漿液能進入的最小裂隙寬度約為0.10mm。在不同的灌漿壓力下，水灰比為0.8的漿液能進入的裂隙寬隨灌漿壓力變化如圖7(c)所示。

由圖7(c)可知，當灌漿壓力提升至0.4MPa時，漿液能進入裂隙寬約0.10mm的裂隙，材料的可灌性良好。

4.3水灰比為0.9時灌漿結(jié)果

水灰比為0.9的漿液流動性好，在小灌漿壓力條件下短時間內(nèi)便可進入小裂隙?？刂乒酀{壓力為0.2MPa，灌入1min后漿液擴散半徑為195mm，對應的裂隙寬度為0.17mm；灌入2min，漿液首先從兩側(cè)冒出，擴散半徑增加到217.6mm，對應的最小裂隙寬度為0.12mm；繼續(xù)延長時間，擴散半徑不再發(fā)生變化，因此，在0.2MPa真實灌漿壓力下，水灰比為0.9的漿液所能進入的最小裂隙寬度為0.12mm。水灰比為0.9的漿液在0.2MPa灌漿壓力下灌漿進程如圖8所示。

圖8　水灰比為0.9的漿體在灌漿壓力0.2 MPa下可灌性Fig.8　Groutability ofslurry with water-cementratio of 0.9 under groutingpressure of 0.2 MPa

由圖8可知，水灰比為0.9的漿液在0.2MPa的小灌漿壓力下即可進入裂隙寬約0.12mm的裂隙中。

控制灌漿壓力為0.3MPa，漿液從兩端噴出，漿液損失量大，而且在漿液量不足時出現(xiàn)輻射式灌漿效果，漿液幾乎布滿整個巖板面，因此本試驗中，對于較稀且流動性好的漿液所控制的灌漿壓力較小。

5結(jié)論

(1) 漿液首先充填寬裂隙，然后進入小裂隙。限于巖板的面積，所控制的裂隙長度僅有20cm，漿體從開始進入到達到最小的裂隙時間跨度不超過5min，但在現(xiàn)場進行灌漿時，該時間跨度會根據(jù)裂隙的擴展范圍變化有所延長。

(2) 在灌漿過程中，要保證充足的漿液，以防止輻射式灌漿現(xiàn)象，輻射式灌漿不利于漿體在裂隙中的連續(xù)性。

(3) 水灰比小的漿液在小灌漿壓力下即可順利灌入，且進入寬度較小裂隙中，大灌漿壓力反而不利于灌漿。

(4) 對于同一水灰比的漿液，增大灌漿壓力并不能明顯改善灌漿效率，但可以使?jié){液進入更小的裂隙。

(5) 漿液能進入的最小裂隙寬度和水灰比有關(guān)，水灰比越大，所能進入的最小裂隙寬度越小，水灰比為1.0時，模擬裂隙被漿液完全填充，漿液能灌入0.05mm的裂隙中；當水灰比介于0.7～0.9之間時，在壓力0.2～0.4MPa下，可灌入的裂隙寬度近于0.1mm，因此，材料的可灌性比較好。

(6) 適當延長灌漿時間有利于漿液進入更小的裂隙。

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(編輯：陳敏)

Simulation of Fracture Grouting Test for Sandstonesof Dazu Rock Carvings

SUNPeng,YANShao-jun,DOUYan,CHENJia-qi,HEKai

(FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Abstract:Seepage from sandstone fractures is an important cause of the deterioration of Dazu rock carvings, a world cultural heritage site. Fractures grouting is a traditional and effective way for the treatment of fracture seepage. A modified inorganic and environmental composite material of Metakaolin has been proposed for the grouting in the fractures of Dazu carvings. In this research, laboratory test with a man-made fracture was conducted to study the groutability of this material. By controlling the opening of fracture through two sandstone slates, the grouting procedure and minimum span of the artificial fracture were recorded to study the influence of water-cement ratio, grouting pressure and grouting duration. Results reveal that the minimum width that the slurry can flow into is controlled by the water-cement ratio, grouting pressure and grouting duration. Among the three factors, water-cement ratio plays a dominant role; while increasing the grouting pressure cannot improve the grouting efficiency obviously; raising the water-cement ratio and pressure or extending the grouting duration could improve the groutability of slurry in small fractures.

Key words:Dazu rock carvings; seepage from fracture; protection of cultural relics; grouting material; grouting test; groutability

收稿日期：2015-04-07；修回日期：2015-06-03

作者簡介：孫鵬(1990-)，男，山東萊蕪人，碩士研究生，主要從事不可移動文物保護工作，(電話)13476262564(電子信箱)1084328518@qq.com。

doi:10.11988/ckyyb.20150277

中圖分類號：TV543.15

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)06-0134-06

2016,33(06):134-139