水泥-水玻璃雙液注漿力學(xué)特性的試驗研究

王小龍，王起才,2，張戎令,2，張亞昆，巫茂寅

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070；(2.道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，甘肅 蘭州 730070；(3.中鐵二十一局集團路橋工程有限公司，陜西 西安 710000)

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水泥-水玻璃雙液注漿力學(xué)特性的試驗研究

王小龍1，王起才1,2，張戎令1,2，張亞昆3，巫茂寅1

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070；(2.道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，甘肅 蘭州 730070；(3.中鐵二十一局集團路橋工程有限公司，陜西 西安 710000)

通過測定水泥-水玻璃雙液注漿壓強0.4 MPa，距離注漿中心0.5 m，注漿齡期1，2，4和12 h高精度測斜管的變形，結(jié)合有限元軟件ABAQUS，研究不同注漿齡期、不同深度水泥-水玻璃雙液注漿的力學(xué)特性。試驗結(jié)果表明：注漿齡期1，2，4和12 h，水泥-水玻璃雙液注漿產(chǎn)生的注漿壓力先增大后減小，再持續(xù)增大，最小值發(fā)生在注漿齡期2 h；各個注漿齡期測斜管變形內(nèi)力Mises的最大值出現(xiàn)在注漿土層中心深度，測斜管的第二大變形內(nèi)力出現(xiàn)在注漿土層與未注漿土層分界處。

水泥-水玻璃雙液注漿；測斜管；注漿齡期；力學(xué)特性

隨著城市發(fā)展和地下空間的開發(fā)，越來越多地遇到復(fù)雜地基及地下工程建設(shè)等問題。地基加固是否恰當關(guān)系到整個工程的質(zhì)量、投資和進度[1]，地下空間開發(fā)勢必進行基坑開挖，圍護結(jié)構(gòu)施工等行為，引起坑底隆起、支護后土體側(cè)移以及坑外地面沉降等[2]，對既有建筑安全產(chǎn)生影響。因此，合理選擇地基加固方法是保證建設(shè)工程順利進行的重要途徑之一。水泥-水玻璃漿液亦稱CS漿液，兩者混合后生成水泥膠，水泥膠凝固后的結(jié)石率可達98%～100%，結(jié)石的抗壓強度較高，可提高土體抗壓強度，改善土體的松散性和軟弱性[3]。目前，雙液注漿加固是隧道滲漏處理，既有建筑周圍土體加固，地下工程泥水平衡調(diào)整的有效方法[4-8]。國內(nèi)外許多學(xué)者對水泥-水玻璃雙液注漿進行了研究[9-12]。然而，大多研究著眼于雙液注漿膠凝時間、注漿工藝及改進方面，忽略了水泥-水玻璃雙液注漿力學(xué)特性的研究。少量研究雖然考慮了水泥-水玻璃漿液的力學(xué)行為，但只著眼于最終效用，沒有考慮不同注漿齡期、不同注漿深度水泥-水玻璃雙液注漿力學(xué)行為的變化規(guī)律。本文通過測定注漿齡期1，2，4和12 h測斜管的變形，研究了不同注漿齡期水泥-水玻璃雙液注漿產(chǎn)生的注漿力的變化規(guī)律并結(jié)合有限元軟件ABAQUS分析不同注漿深度加固結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布規(guī)律。

1　試驗

1.1試驗方法

水泥-水玻璃漿液注入土體時，土體受到水泥-水玻璃漿液的擠壓產(chǎn)生擾動，離注漿中心越近，水泥-水玻璃漿液越容易到達，土體受到擠壓力越大，相應(yīng)的該處測斜管變形越大。試驗通過測定不同注漿參數(shù)下測斜管的變形，研究水泥-水玻璃雙液注漿的力學(xué)特性。試驗注漿壓強為0.4 MPa，測斜管與注漿管間距為0.5 m，水泥-水玻璃雙液注漿試驗斷面圖如圖1所示。

圖1　水泥-水玻璃雙液注漿試驗斷面圖Fig.1 Cross-section diagram of cement-silicate double solution grouting test

1.2試驗材料及儀器

1.2.1試驗材料

試驗用水采用自來水，水泥采用的是河南省衛(wèi)輝市春江水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比W/C=1∶1。按照國標(GB/17671—1999)檢測，水泥各項指標如表1所示。水玻璃采用市場上銷售的符合國家要求的水玻璃，水玻璃模數(shù)M=2.96，水玻璃溶液濃度Be’=35。水泥漿∶水玻璃=1∶1(體積比)。測斜管使用的是高精度鋁合金測斜管，各項指標如表2所示。

1.2.2試驗儀器

試驗儀器有：1)GZJB型液壓雙液注漿泵，最大輸送壓強為7 MPa,最大水平輸送距離為200 m，最大垂直輸送距離為60 m，理論輸出4 m3/h，工作原理如圖2所示；2)測斜儀。

表1　硅酸鹽水泥性能參數(shù)Table 1Portland cement performance index

表2　高精度鋁合金測斜管參數(shù)Table 2 Parameters of high- precision aluminum inclinometer pipe

圖2　水泥-水玻璃雙液注漿泵工作原理Fig.2 Working principle of cement-silicate double solution grouting pump

1.3試驗過程及數(shù)據(jù)處理

1.3.1試驗過程

試驗在粉質(zhì)黏土區(qū)進行，試驗區(qū)環(huán)境條件單一，沒有外界因素對測斜管變形產(chǎn)生影響。利用注漿管將水泥-水玻璃混合料注入土層中，注漿土層4 m，上覆土層深度10 m。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79—2012)，注漿管采用Φ42 mm，壁厚3 mm的金屬管，為了使CS漿液準確注入加固土層，注漿管底部每隔10 cm橫向開設(shè)2個Φ6 mm的小圓孔，小圓孔呈梅花型布置，注漿時漿液從小圓孔流入加固土層，注漿管其他部位均沒有預(yù)留孔隙，如圖1所示。

1.3.2數(shù)據(jù)處理

水泥-水玻璃雙液注漿產(chǎn)生的測斜管變形由下式計算：

Δ=St-S0

(1)

式中：Δ為水泥-水玻璃雙液注漿引起的測斜管變形，正值向注漿中心外側(cè)偏移，負值向注漿中心內(nèi)側(cè)偏移；St為注漿齡期測斜管變形值；S0為測斜管的初始變形值。

2　結(jié)果與討論

2.1水泥-水玻璃雙液注漿不同齡期力學(xué)特性

距離注漿中心0.5 m，注漿壓強0.4 MPa，不同注漿齡期測斜管變形如表3所示。從表3可以看出，注漿齡期1 h時，注漿段測斜管向注漿中心外側(cè)傾斜，總體呈現(xiàn)出中間大兩端小的態(tài)勢，最大值在注漿加固土層中心深度處，為3.1 mm，最小值在注漿加固土層底部，為2.0 mm；注漿齡期2 h時，測斜管變形較1 h齡期減小，測斜管向注漿中心內(nèi)側(cè)偏移，出現(xiàn)最大、最小值的位置與1 h齡期相同，分別為1.5 mm和1.0 mm；注漿齡期4 h時，測斜管變形恢復(fù)，超過1 h齡期值，出現(xiàn)最大最小值的位置與1和2 h齡期相同，分別為3.5和2.2 mm；齡期12 h時，測斜管變形在4 h齡期的基礎(chǔ)上持續(xù)增大，出現(xiàn)最大最小值的位置與齡期1，2和4 h均相同，為5.6和4.4 mm。這是因為，注漿齡期1 h時，水泥-水玻璃漿液在注漿壓力作用下擠入土體，使土體變密實，測斜管在土體和CS漿液共同作用下向外傾斜。由于水泥-水玻璃漿液擠入土體破壞了原狀土的固結(jié)特性，加上水泥-水玻璃漿液沒有達到足夠強度，注漿齡期2 h時，測斜管變形回彈。注漿齡期4 h時，水泥-水玻璃漿液膠凝性增強、強度增大，土體與水泥-水玻璃漿液重新組合成密實性更好的體系，而且水泥自身水化放熱膨脹，在上述綜合因素作用下，測斜管向注漿管外側(cè)傾斜，變形較大。這一階段，粉質(zhì)黏土中的堿金屬組分與水玻璃反應(yīng)生成堿金屬水合硅酸鹽和二氧化硅凝膠，充填了粉質(zhì)黏土中的孔隙，增加了粒間膠結(jié)力，使土體硬化，強度增加。注漿齡期12 h時，測斜管的變形在齡期4 h的基礎(chǔ)上進一步增大，達到觀測齡期峰值，加固土體的強度和密實度進一步增強。

表3各個齡期測斜管深層水平位移測試值

Table 3 Inclinometer pipedeep horizontal displacement test valuesof each grouting age

注漿深度/m不同注漿齡期測斜管變形/mm1h2h4h12h0.02.21.12.64.70.52.21.12.64.71.02.41.22.75.01.52.91.43.25.42.03.11.53.55.62.52.71.42.95.23.02.21.12.54.83.52.01.02.24.44.02.01.02.24.4

注：注漿深度為注漿加固土層(上覆土層不計入其中)頂面到測斜管傾斜監(jiān)測點的距離

不同注漿齡期注漿段測斜管的變形相似，近似為二次拋物線，如圖3所示。根據(jù)力與變形的關(guān)系可知，注漿齡期1 h，水泥-水玻璃雙液注漿對埋設(shè)其中的測斜管施加一個初始正壓力，方向與測斜管變形方向相同；注漿齡期2 h，壓力減小，變形回彈；注漿齡期4 h，壓力恢復(fù)，超過1 h齡期值，后續(xù)監(jiān)測齡期壓力持續(xù)增大。

水平位移/mm圖3　不同注漿齡期測斜管變形曲線Fig.3 Inclinometer pipe deformation curve of different grouting age

2.2水泥-水玻璃雙液注漿不同注漿深度壓力分布

水泥-水玻璃雙液注漿范圍2 m以外，測斜管變形很小，近似為零，因此測斜管力學(xué)計算的邊界條件可以簡化為注漿范圍2 m以外的固端約束。水泥-水玻璃雙液注漿示意圖與邊界條件簡圖如圖4所示，試驗測斜管由6061-T6鋁合金制成，彈性模量E=67 620 MPa，泊松比μ=0.33。結(jié)合測斜管的邊界條件與試驗變形結(jié)果，根據(jù)力與變形的關(guān)系，利用有限元軟件ABAQUS模擬當測斜管產(chǎn)生表3所示的變形時的內(nèi)力如圖5所示，不同注漿齡期各個注漿深度測斜管的內(nèi)力Mises如表4所示，Mises是根據(jù)密塞斯(Von Mises)屈服準則計算的等效應(yīng)力[13]，Mises的計算公式為：

(2)

式中：σ1，σ2，σ3為材料的第1，第2和第3主應(yīng)力。

圖4　水泥水玻璃雙液注漿測斜管變形示意圖Fig.4 Inclinometer pipe deformation schematic diagram of cement-silicate double solution grouting

單位：Pa圖5　注漿齡期1 h測斜管變形應(yīng)力Mises云圖Fig.5 Mises stress nephogram due to inclinometer pipe deformation at grouting age of 1 h

Table 4 Mises stress finite element calculation results ofinclinometer pipeat different grouting age

注漿土層深度/m不同注漿齡期測斜管應(yīng)力有限元計算結(jié)果/MPa1h2h4h12h0.03.871.914.618.300.51.910.851.333.571.02.641.013.401.381.52.481.582.194.242.05.121.926.559.262.52.021.471.423.103.02.421.123.021.463.51.930.863.274.624.03.521.763.847.75

根據(jù)表4作出不同注漿齡期測斜管內(nèi)力Mises隨注漿深度變化曲線圖如圖6所示。從圖6可以看出，測斜管內(nèi)力Mises沿注漿深度呈波浪形變化，沒有明顯規(guī)律可循，這是由土體局部的不均勻性引起的?？傮w來說，各個注漿齡期，Mises最大值出現(xiàn)在注漿土層中心深度；注漿齡期1，2和4 h，測斜管內(nèi)力Mises最小值出現(xiàn)在注漿深度0.5 m附近，隨著注漿齡期增大，測斜管內(nèi)力Mises最小值向深層土體略微偏移，到注漿齡期12 h，Mises應(yīng)力最小值出現(xiàn)在注漿深度1.0 m處。除去注漿加固中心深度所對應(yīng)的Mises值，測斜管的第二大內(nèi)力出現(xiàn)在注漿加固土層與未加固土層分界處。這說明，在注漿土體與未注漿土體的臨界面，由于未加固土體的固端約束效應(yīng)，使測斜管產(chǎn)生較大的內(nèi)力；在注漿加固土體中心深度，由于水泥-水玻璃漿液大量聚集使測斜管產(chǎn)生最大變形，測斜管的等效應(yīng)力Mises達到峰值。根據(jù)密塞斯(Von Mises)屈服準則，當Mises≥σs時，σs由單向拉伸實驗確定)材料發(fā)生屈服破壞。因此，利用水泥-水玻璃雙液注漿進行加固時，為防止材料屈服破壞，應(yīng)對注漿土體中心深度和注漿土體與未注漿土體的臨界面處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行驗算。

圖6　不同注漿深度測斜管應(yīng)力Mises變化曲線Fig.6 Inclinometer pipe Mises stress variation curve in different grouting depth

2.3水泥-水玻璃雙液注漿對地下工程變形的影響

某基坑既有線下臥地鐵盾構(gòu)隧道注漿加固斷面圖如圖7所示，地鐵盾構(gòu)隧道斷面為圓環(huán)形，外徑6.0 m，內(nèi)徑5.4 m，基坑基底標高為盾構(gòu)隧道底部向下2 m，基坑邊緣距離地鐵盾構(gòu)隧道中心12 m。由于兩側(cè)基坑土體開挖以及上部建筑材料堆積，地鐵盾構(gòu)隧道產(chǎn)生豎向壓縮變形，使橫截面水平直徑線1-4方向尺寸變大，豎直方向尺寸減小，如圖8所示。在盾構(gòu)隧道外側(cè)0.6 m進行水泥-水玻璃雙液注漿，注漿土層為粉質(zhì)粘土，注漿壓強為0.4 MPa，漿液配比與測斜試驗相同，注漿范圍為地鐵盾構(gòu)隧道橫截面水平直徑線±2 m，如圖7所示。

圖7　地鐵盾構(gòu)隧道注漿斷面圖Fig.7 Grouting cross-section diagram of metro shield tunnel

圖8　地鐵盾構(gòu)隧道變形監(jiān)測圖Fig.8 Deformation monitoring image of metro shield tunnel

注漿前后地鐵盾構(gòu)隧道1-4邊累積變形曲線如圖9～10所示。圖9表明，水泥-水玻璃雙液注漿前7 d地鐵盾構(gòu)隧道變形增大，最后趨于穩(wěn)定，收斂值為9.20 mm。圖10表明，水泥-水玻璃雙液注漿1 h齡期，盾構(gòu)隧道1-4邊累積變形減小，7 h齡期變形回增，回彈量為0.1 mm，后續(xù)監(jiān)測齡期1-4邊累積變形持續(xù)減小，最后穩(wěn)定在8.98 mm。結(jié)合圖9～10可以看出，水泥-水玻璃雙液注漿減少了地鐵盾構(gòu)隧道側(cè)向變形，變化較小。對注漿齡期4 h的數(shù)據(jù)進行分析，注漿齡期4 h，盾構(gòu)隧道的側(cè)向變形減小了0.18 mm。由于盾構(gòu)隧道直徑為6 m，管片厚度為0.3 m，而其累積變形最大值只有9.2 mm，因此，根據(jù)小變形結(jié)構(gòu)計算的基本假設(shè)，單純分析水泥-水玻璃雙液注漿對盾構(gòu)隧道變形的影響時，可以看作盾構(gòu)隧道是在原形尺寸的基礎(chǔ)上發(fā)生了彈性變形δ。

δ=Δ0-Δt

(3)

式中：δ為由水泥-水玻璃雙液注漿引起的盾構(gòu)隧道變形，正值為徑向壓縮，負值為徑向擴展；Δ0為注漿起始時間盾構(gòu)隧道累積變形；Δt為注漿監(jiān)測齡期盾構(gòu)隧道累積變形。

地鐵盾構(gòu)隧道管片由高性能混凝土預(yù)制而成，彈性模量Ec=39 630 MPa，泊松比μ=0.17。注漿齡期4 h，由水泥-水玻璃雙液注漿引起的盾構(gòu)隧道應(yīng)力分布有限元模擬如圖11所示。由圖11可以看出，水泥-水玻璃雙液注漿對盾構(gòu)隧道注漿區(qū)域中心部位施加的變形應(yīng)力最大，這與測斜試驗得出的結(jié)論吻合。由于地鐵盾構(gòu)隧道各向尺寸相等，與試驗測斜管在空間形態(tài)、邊界條件和力學(xué)簡化上差別較大，因此測斜試驗得出的加固土層與未加固土層臨界處結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布規(guī)律不適用于該地鐵盾構(gòu)隧道。進一步分析，測斜試驗得出的水泥-水玻璃雙液注漿引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布規(guī)律與結(jié)構(gòu)埋深較大，注漿土層臨界面土體固端作用明顯的結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布規(guī)律具有較好的擬合性。

圖9　注漿前盾構(gòu)隧道1-4方向累計變形曲線Fig.9 Accumulative deformation curve along 1-4 direction of shield tunnel without grouting

圖10　注漿后盾構(gòu)隧道1-4方向累計變形曲線Fig.10 Accumulative deformation curve along 1-4 direction of shield tunnel after grouting

單位：Pa圖11　注漿齡期4 h盾構(gòu)隧道應(yīng)力Mises云圖Fig.11 Mises stress nephogram of shield tunnel at grouting age of 4 h

3　結(jié)論

1)雙液注漿填充了黏性土顆粒之間的孔隙，改變了原狀土的固結(jié)特性，使土體注漿早期變得松散，后期強度增加，密實性變好；注漿齡期1 h，測斜管獲得一個初始正壓力，變形較大，2 h齡期壓力部分卸載，變形減小，后續(xù)監(jiān)測齡期變形持續(xù)增大。

2)各個注漿齡期，測斜管內(nèi)力Mises最大值出現(xiàn)在注漿土層中心深度；注漿齡期1,2和4 h，測斜管內(nèi)力Mises最小值出現(xiàn)在注漿深度0.5 m附近，隨著注漿齡期增大，測斜管內(nèi)力Mises最小值有向深層土體略微偏移的趨勢，到注漿齡期12 h，Mises應(yīng)力最小值出現(xiàn)在注漿深度1.0 m處。除去注漿加固中心深度所對應(yīng)的Mises值，測斜管的第二大內(nèi)力出現(xiàn)在注漿加固土層與未加固土層分界處。

3)水泥-水玻璃雙液注漿減小了注漿側(cè)地鐵盾構(gòu)隧道變形，變化值較小。由測斜試驗得出的水泥-水玻璃雙液注漿引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分布規(guī)律與結(jié)構(gòu)埋深較大，注漿土層臨界面土體固端作用明顯的結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布規(guī)律具有較好的擬合性。

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Experimental study on mechanical characteristics of cement-silicate double solution grouting

WANG Xiaolong1，WANG Qicai1,2，ZHANG Rongling1,2，ZHANG Yakun3，WU Maoyin1

(1.School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China;2.Road and Bridge Engineering Disaster Prevention Technology Laboratory of National and Local Joint projects，Lanzhou 730070，China;3.Road & Bridge Engineering Limited Company of China Railway No.21 Engineering Group，Xi'an 710000，China)

The experiment was carricd out by measuring high-precision inclinometer pipe deformation of 0.5 meter away from grouting center with grouting pressure 0.4 MPa and grouting age 1,2,4 and 12 h， and combining finite element software ABAQUS. The cement-silicate double solution grouting mechanical properties of different grouting age and different grouting depth was then studied. The results show：at grouting age of 1,2,4 and 12 h，the grouting force generated by cement-silicate double solution grouting increases at first, and then decreases and thereafter continually increase， with the minimum value appears at grouting age of 2 h；At different grouting age，the maximum inclinometer deformation stress Mises appears in central depth of grouting soil， and the second largest deformation stress of inclinometer appears in the critical position between grouting soil and no grouting soil.

cement-silicate double solution grouting；inclinometer pipe；grouting age；mechanical characteristics

2016-05-04

長江學(xué)者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃滾動支持項目(IRT15R29)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51268032)；隴原青年創(chuàng)新人才扶持計劃項目

王起才(1962-)，男，河北晉州人，教授，博士，從事土木工程新材料及橋梁新結(jié)構(gòu)的研究和開發(fā)；E-mail：13909486262@139.com

TU528.041

A

1672-7029(2016)10-1926-07