富水砂卵石地層注漿加固試驗(yàn)研究

王天彪 周明洋

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

富水砂卵石地層注漿加固試驗(yàn)研究

王天彪 周明洋

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

通過自行研制的模擬飽水條件下注漿加固和堵水的試驗(yàn)裝置進(jìn)行單孔注漿試驗(yàn)，分析了注漿壓力和漿液擴(kuò)散規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明：注漿壓力存在“脈沖”現(xiàn)象，孔隙水壓力越大，“脈沖”現(xiàn)象越明顯；凝膠注漿材料在地層中擴(kuò)散分為兩個(gè)階段，地層中水壓力越大，漿液擴(kuò)散半徑越小。

富水砂卵石地層，注漿加固，水壓力，漿液

0 引言

在城市隧道施工中，注漿是一種被廣泛運(yùn)用的技術(shù)，通過注漿，能夠提高富水砂卵石地層的承載能力，還可達(dá)到防滲、堵水、固結(jié)的目的[1-4]。雖然目前隧道預(yù)注漿加固技術(shù)已經(jīng)在很多工程中得到應(yīng)用，但針對注漿技術(shù)的理論研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工程需求，施工中常用的注漿參數(shù)設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)或工程類比法[5]。實(shí)際上，注漿參數(shù)的選取對于注漿效果有很大影響[6]。而注漿參數(shù)選取依賴于對漿液擴(kuò)散規(guī)律和加固機(jī)理的認(rèn)識。模型試驗(yàn)作為一種研究手段，是以相似理論為指導(dǎo)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制作與原型相似的模型，并借助測試儀器得到模型的力學(xué)參數(shù)及規(guī)律[7]。因此，對于富水砂卵石地層進(jìn)行模型試驗(yàn)，揭示注漿擴(kuò)散規(guī)律和加固機(jī)理，對注漿設(shè)計(jì)和施工，保障施工安全具有重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)選用的砂卵石為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人工配置砂卵石土樣。采用拌土器混合均勻，然后分層填入模型箱內(nèi)。土體密實(shí)度采用夯填度控制，每層填充5 cm，夯填度控制在0.9左右，實(shí)測滲透系數(shù)0.163 cm/s。測試完畢后土層上覆水泥漿密封，待水泥漿固結(jié)后施加豎向固定裝置(見圖1)。

注漿材料選擇水泥膨潤土—水玻璃雙液材料，在目前常用的C—S漿液中加入一定比例的膨潤土，改善漿液性能[8]。其中水泥為42.5號普通硅酸鹽水泥，膨潤土為鈉基膨潤土，水玻璃為模數(shù)3.2，波美度35Be′的鈉水玻璃，漿液配方見表1。其中水泥和膨潤土加量為固體質(zhì)量百分比，水玻璃加量為水玻璃與水泥膨潤土漿液之體積比，減水劑加量為水泥質(zhì)量百分比。

表1 注漿材料配比

2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置系統(tǒng)主要包括4個(gè)組成部分(示意圖見圖2，實(shí)物圖見圖3)：一是注漿試驗(yàn)容器；二是水壓力系統(tǒng)；三是雙液注漿系統(tǒng)；四是量測系統(tǒng)。

2.1 注漿試驗(yàn)容器

注漿試驗(yàn)容器用來模擬地層并在其中注漿，由有機(jī)玻璃板、鋼結(jié)構(gòu)架及配套裝置組成(示意圖見圖4)，外觀尺寸為800 mm×500 mm×600 mm，可注漿范圍600 mm×480 mm×590 mm。注漿試驗(yàn)容器主要包括兩部分，即進(jìn)水槽和注漿容器箱，其中進(jìn)水槽連接水壓力系統(tǒng)，下部通過進(jìn)水口與注漿容器箱相連，另設(shè)一個(gè)出水口，以便需要時(shí)排出容器箱內(nèi)多余水。

2.2 水壓力系統(tǒng)

水壓力系統(tǒng)是為砂卵石層提供初始水頭壓力，從而模擬具有一定承壓水頭壓力地層中的注漿情況。水壓力系統(tǒng)主要包括支架、升降滑輪、水容器、連接水管、閥門、進(jìn)水槽等。通過升降滑輪調(diào)整水容器高度，實(shí)現(xiàn)不同水頭高度的水壓力。

2.3 注漿系統(tǒng)

注漿系統(tǒng)由注漿泵、雙液混合器、流量表、壓力表、連接管、注漿花管等構(gòu)成。其中，注漿花管出漿孔布置呈梅花形，見圖5。

2.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

注漿模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用來監(jiān)測注漿過程中注漿壓力及孔隙水壓力的分布和變化情況，主要由土壓力計(jì)、微型滲壓計(jì)、JC-4A型智能靜態(tài)應(yīng)變儀和PC終端構(gòu)成，見圖6。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果整理

注漿過程中注漿壓力和孔隙水壓力分別采用預(yù)埋土壓力計(jì)和滲壓計(jì)監(jiān)測。土壓力計(jì)和滲壓計(jì)對稱埋置在注漿孔兩側(cè)，間距7 cm，如圖3所示。從注漿管向兩側(cè)分布，土壓力計(jì)編號為T1，T2，T3，T4，滲壓計(jì)編號為S1，S2，S3，S4，量程均為0 kPa～500 kPa。圖7～圖9中縱軸是傳感器采回的電流強(qiáng)度信號；橫軸則是采集時(shí)刻，系統(tǒng)設(shè)置為每10 s采集1次數(shù)據(jù)。圖中繪制了不同擴(kuò)散距離處傳感器所采集電流強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線。注漿過程中注漿壓力通過安裝在孔口處的壓力表讀取，注漿流量通過流量表讀取。根據(jù)記錄結(jié)果繪制注漿壓力、注漿流量和注漿時(shí)間關(guān)系曲線，即P—Q—t曲線，見圖10。

3.2 注漿壓力擴(kuò)散分析

圖10記錄了注漿口壓力及流量變化情況，圖7～圖9分別記錄了飽水、水頭高度1 m，2 m砂卵石層注漿壓力的變化規(guī)律，呈現(xiàn)出一定的相似性：注漿開始后，砂卵石土體中的孔隙水在漿液驅(qū)動(dòng)下向注漿管周圍擴(kuò)散，距離注漿管越近，受到的注漿壓力越大；此后隨著注漿泵吸漿和壓漿的交替過程，壓力曲線出現(xiàn)“脈沖”現(xiàn)象，吸漿過程中，壓力降低，壓漿過程中，壓力逐漸升高；隨著漿液擴(kuò)散和凝結(jié)，注漿壓力增長變緩至穩(wěn)定，土壓計(jì)的“脈沖”峰值逐漸降低，滲壓計(jì)數(shù)值急劇降低，漿液完全充填土體孔隙。圖11中注漿加固體剖面上用黑色曲線標(biāo)注了漿液較為明顯的擴(kuò)散路徑，呈現(xiàn)不規(guī)則的擴(kuò)散流動(dòng)方向。結(jié)合以上分析推測：凝膠注漿材料在地層中擴(kuò)散分為兩個(gè)階段：第一階段為后端漿液推動(dòng)前端漿液向前推進(jìn)，第二階段為后端漿液劈裂前端漿液形成新的擴(kuò)散通道向前擴(kuò)散。

需要注意的是，注漿后期提高注漿壓力并不能提高地層中注漿量，漿液將沖破地層及表面密封層，造成土層隆起甚至破壞。如圖12所示，注漿壓力提高到200 kPa或更高時(shí)，土層表面的水泥密封層被破壞，鑿除水泥密封層可以看出，土層表面全部被漿液覆蓋，造成了密封層的隆起和破壞。

比較分析三種土層含水情況下注漿壓力的擴(kuò)散規(guī)律及P—Q—t曲線，可以得出：高壓飽水砂卵石地層注漿時(shí)需要更大的初始注漿壓力，水壓越大，所需的注漿壓力也越大；注漿壓力擴(kuò)散的范圍隨水壓力增大而減小；注漿管周圍孔隙水壓力在初始注漿時(shí)因來不及消散而變化較大，距離注漿管周圍較遠(yuǎn)處孔隙水壓力受注漿壓力影響較小，說明漿液擴(kuò)散速率從注漿管向周圍遞減；同時(shí)注漿壓力在地層傳遞過程中與孔隙水壓力互相作用下，孔隙水壓力越大，壓力曲線中“脈沖”現(xiàn)象更為明顯。

3.3 漿液擴(kuò)散半徑分析

注漿完成24 h后，清除砂卵石表面水泥密封層，從試驗(yàn)箱壁開始向注漿管附近開挖，得到注漿加固體。清理后得到注漿有效擴(kuò)散半徑見表2，注漿固結(jié)體見圖13。

表2 注漿有效擴(kuò)散半徑 cm

從表2和圖13可以看出，1 m水頭條件下注漿有效擴(kuò)散半徑小于飽水條件下，2 m水頭條件下注漿有效擴(kuò)散半徑僅為飽水條件下的1/2?？梢缘贸觯旱貙又兴畨毫Φ拇嬖趯ψ{壓力擴(kuò)散范圍和漿液擴(kuò)散半徑存在較大影響，水壓力越大，漿液擴(kuò)散半徑越小。

4 結(jié)語

注漿作為一種專業(yè)性較強(qiáng)的技術(shù)，在城市隧道等工程的建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。但對富水砂卵石地層注漿的研究尚不充分，需要對漿液在富水砂卵石地層的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究。通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)M飽水條件下注漿加固和堵水，通過插入壓力滲流傳感器的方法，來探究凝膠漿液在砂卵石層中的擴(kuò)散過程；并通過不同水頭壓力下注漿結(jié)石體的直觀對比，探究地層中水壓力的存在對漿液擴(kuò)散半徑的影響。得到以下結(jié)論：1)注漿壓力存在“脈沖”現(xiàn)象，孔隙水壓力越大，“脈沖”現(xiàn)象越明顯；2)凝膠注漿材料在地層中擴(kuò)散分為兩個(gè)階段：第一階段為后端漿液推動(dòng)前端漿液向前推進(jìn)，第二階段為后端漿液劈裂前端漿液形成新的擴(kuò)散通道向前擴(kuò)散。注漿后期提高注漿壓力并不能提高地層中注漿量；3)地層中水壓力的存在對注漿壓力擴(kuò)散范圍和漿液擴(kuò)散半徑存在較大影響，水壓力越大，漿液擴(kuò)散半徑則越小。

由于本試驗(yàn)裝置的注漿管路和土層密封性問題，試驗(yàn)中的注漿壓力和承壓水壓力不夠高，這些情況可能與現(xiàn)場施工條件不符，需要進(jìn)一步深入研究。

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Research of reinforcement simulation test on grouting for water-rich sandy gravel strata

Wang Tianbiao Zhou Mingyang

(FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeoscience(Beijing),Beijing100083,China)

In this situation, an experiment device was developed to grout in sandy gravel strata with rich water for reinforcement and water plugging. Using the device, single hole grouting tests were directed, and got the rule of grouting pressure and diffusion radius. The experimental results show that the phenomenon of “pulse” exists in the grouting process, and the greater the pore water pressure is, the more obvious the phenomenon of “pulse” is, the diffusion of gel material includes two processes: the greater the water pressure is in the formation, the smaller the diffusion radius is.

sandy gravel strata with rich water, reinforcement grouting, water pressure, slurry

1009-6825(2017)03-0059-04

2016-11-19

王天彪(1990- )，男，在讀碩士

TU472.5

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