砂層注漿模型試驗(yàn)水泥含量檢測(cè)方法研究

潘榮凱， 楊 平， 陳 亮， 蔣興起(.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 0037； .常州市軌道交通發(fā)展有限公司, 江蘇 常州 300)

0 引言

凍結(jié)法施工聯(lián)絡(luò)通道后融沉現(xiàn)象會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生不良后果，控制工后融沉已成為軟弱地層凍結(jié)需要解決的難題[1].施工前進(jìn)行預(yù)注漿加固可有效抑制融沉.采用注漿模型試驗(yàn)研究漿液分布情況及擴(kuò)散規(guī)律，可為地下工程預(yù)注漿設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)確定提供依據(jù)，并可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行指導(dǎo).

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都開(kāi)展了注漿模型試驗(yàn)研究，張家奇等[2]、田多等[3]研制高壓注漿試驗(yàn)裝置以研究高壓條件下漿液擴(kuò)散機(jī)制；Goth?ll等[4-5]、Gustafson等[6]、王騰等[7]研究了漿液在單裂隙和多裂隙下的擴(kuò)散規(guī)律；周茗如等[8]、錢自衛(wèi)等[9]、Wang等[10]、Bezuijen等[11]、Eisa[12]基于不同土層進(jìn)行注漿試驗(yàn)；在注漿效果檢測(cè)方面，曹兆虎等[13]基于人工合成透明土材料和 PIV 圖像處理技術(shù)，開(kāi)展楔形管樁沉樁及樁端后注漿施工過(guò)程的可視化模型試驗(yàn)；程盼等[14]通過(guò)動(dòng)力觸探原位測(cè)試和地質(zhì)雷達(dá)等方法對(duì)松散土體注漿后加固效果進(jìn)行檢測(cè)；姜春露等[15]采用大型有機(jī)玻璃模型對(duì)弱膠結(jié)多孔巖石注水飽和及注漿過(guò)程中電阻率變化進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)；胡熠等[16]采用微型電極進(jìn)行不同地下水條件注漿檢測(cè)試驗(yàn).以上試驗(yàn)均采用物理方法檢測(cè)，對(duì)儀器和操作要求較高，取樣量較大，而在室內(nèi)模型試驗(yàn)中應(yīng)用化學(xué)滴定方法檢測(cè)注漿效果的研究很少，筆者通過(guò)設(shè)計(jì)研發(fā)注漿模型試驗(yàn)裝置，改進(jìn)水泥土中水泥含量的化學(xué)滴定檢測(cè)方法，結(jié)合分塊法研究漿液擴(kuò)散和分布規(guī)律，取得了良好的效果.

1 注漿模型試驗(yàn)裝置研發(fā)

注漿模型試驗(yàn)裝置如圖1所示，由加壓穩(wěn)定系統(tǒng)、模型箱系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)組成.

1.1 加壓穩(wěn)定系統(tǒng)

加壓穩(wěn)定系統(tǒng)由一臺(tái)液壓機(jī)提供，如圖1(a)所示.油箱上面是電動(dòng)機(jī)，液壓油通過(guò)兩根油管輸送到液壓缸，液壓缸既可提供壓力，也可提供拉力，壓盤通過(guò)控制器下降或上升.頂板和底板尺寸為700 mm×700 mm×30 mm，4根立柱高1 280 mm，如圖1(b)所示，頂板和底板各通過(guò)4個(gè)螺母與立柱固定，底板上平行焊接兩條導(dǎo)軌將模型箱定位并限制其位移.

1.2 模型箱系統(tǒng)

根據(jù)本試驗(yàn)前期模擬注漿所得結(jié)果，漿液擴(kuò)散范圍在距離注漿口120 mm之內(nèi)，為減小或避免尺寸效應(yīng)產(chǎn)生的影響，注漿管伸入土體中長(zhǎng)度為140 mm，注漿孔A和F到模型箱頂(底)部和側(cè)邊距離均不小于150 mm，如圖1(b)所示.模型箱由4塊大小相同的鋼板組合而成，尺寸為500 mm×550 mm×8 mm，每?jī)蓧K板垂直焊接，形成兩個(gè)L形鋼板，在兩個(gè)側(cè)面對(duì)稱開(kāi)注漿孔，注漿孔直徑10 mm，內(nèi)部為螺紋狀，用來(lái)與注漿管連接.為模擬實(shí)際工程中凍結(jié)管布置方式，注漿孔布置采用方形和梅花形兩種方式，其中C、D、E、F 4個(gè)孔組成方形布置，B、C、D 3個(gè)孔組成梅花形布置，工程中凍結(jié)孔間距為800 mm，按10∶1比例縮小，則模型箱上孔間距為80 mm.孔A與F距離為283 mm，單孔試驗(yàn)時(shí)可使用這兩個(gè)孔同時(shí)注漿，減少模型填筑次數(shù).將M 12螺絲前端切割成10 mm長(zhǎng)的螺桿，在注漿孔不使用時(shí)將螺絲擰進(jìn).

為固定模型箱并提高模型箱剛度，制作3組抱箍，每組抱箍?jī)啥擞瞄L(zhǎng)100 mm的螺絲收緊.同時(shí)制作一個(gè)490 mm×490 mm×20 mm的壓板，在裝料結(jié)束后將壓板置于砂樣上，加壓時(shí)與壓盤接觸.

1.3 注漿系統(tǒng)

注漿系統(tǒng)由注漿機(jī)和注漿管組成，注漿機(jī)為JBY 618型高壓雙液注漿機(jī)，如圖1(c)所示，既可進(jìn)行單液注漿，也可進(jìn)行雙液注漿.注漿機(jī)由電鉆提供壓力，將漿液從高壓管輸送到前端混合器中，經(jīng)過(guò)注漿管進(jìn)入土體.注漿管為使用外徑14 mm、內(nèi)徑4 mm、壁厚5 mm的小口徑鋼管設(shè)計(jì)制作而成，如圖2所示.注漿管分為3個(gè)部分：第1部分為50 mm長(zhǎng)、外徑8 mm注漿段，漿液從注漿口注入土體中，注漿段末端為3個(gè)外徑7 mm、厚1.5 mm的橡膠皮圈，防止?jié){液回流；第2部分為105 mm長(zhǎng)、外徑12.5 mm螺紋段與模型箱中注漿孔連接，螺紋段末端為螺母，可向前旋進(jìn)，螺母前面為一個(gè)外徑12 mm、厚2 mm的橡膠皮圈，可密封注漿孔與螺母之間的空隙；第3部分為英制螺紋段，與注漿機(jī)上的混合器連接，內(nèi)口做成漏斗形狀，方便漿液流進(jìn).

1.立柱；2.頂板；3.底板；4.螺母；5.液壓缸；6.壓盤；7.上抱箍；8.中抱箍；9.下抱箍；10.導(dǎo)軌；11.模型箱把手；12.油箱；13.壓力表；14.電動(dòng)機(jī)；15.油管；16.料杯桶；17.電鉆；18.注漿機(jī)；19.高壓管；20.混合器；21.滑塊；22.控制器；23.長(zhǎng)螺絲；24.壓板；25.壓板把手；26.模型箱；A～F.注漿孔圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 View of test device

1.英制螺紋段；2.螺母；3.12 mm橡膠皮圈；4.螺紋段；5.7 mm橡膠皮圈；6.注漿段圖2 注漿管結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of grouting pipe

圖3 注漿模型試驗(yàn)步驟Fig.3 Steps of grouting model test

1.4 注漿模型試驗(yàn)步驟

注漿模型試驗(yàn)分為8個(gè)步驟，如圖3所示.其中鋪裝砂樣時(shí)根據(jù)容積和密度計(jì)算值預(yù)先稱重，分層填裝壓實(shí).鉆孔擰管需根據(jù)試驗(yàn)要求打開(kāi)指定注漿孔上的螺絲，并在注漿管中放置一根鐵芯，防止細(xì)砂在鉆孔過(guò)程中進(jìn)入管內(nèi)導(dǎo)致注漿管進(jìn)入土體中的距離無(wú)法達(dá)到規(guī)定長(zhǎng)度.注漿管擰至設(shè)定位置后抽出鐵芯，同時(shí)將螺紋段末端的螺母向前擰進(jìn)并通過(guò)橡膠皮圈與模型箱側(cè)壁緊密貼合達(dá)到密封效果.

2 改進(jìn)型EDTA二鈉滴定法

EDTA是乙二胺四乙酸的簡(jiǎn)稱，EDTA二鈉滴定法在施工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)水泥土攪拌樁中水泥含量的應(yīng)用較多，同時(shí)也可用來(lái)判斷水泥與土混合的均勻性.此檢測(cè)方法精確度較高，誤差在0.1 mL之內(nèi)，且檢測(cè)成本相對(duì)較低，操作簡(jiǎn)便，但取土質(zhì)量過(guò)大易導(dǎo)致水泥不能完全反應(yīng)，且土樣含水率的變化對(duì)滴定結(jié)果有一定影響，因此需對(duì)此法進(jìn)行改進(jìn).

2.1 試驗(yàn)所需器材及藥品

50 mL酸式滴定管；滴定架；10 mL移液管；200 mL錐形瓶；250 mL燒杯；1 L容量瓶；3 mL塑料滴管；25 mL、50 mL比色管；玻璃棒；分析天平；研缽；20 mL棕色廣口瓶(裝鈣紅指示劑)；5 L聚乙烯桶(裝氯化銨溶液)；1 L聚乙烯容量瓶(裝氫氧化鈉溶液).

0.1 mol/L乙二胺四乙酸二鈉(簡(jiǎn)稱EDTA二鈉)溶液；體積分?jǐn)?shù)為10%氯化銨溶液；體積分?jǐn)?shù)為1.8%氫氧化鈉溶液(內(nèi)含三乙醇胺)；鈣紅指示劑(內(nèi)含硫酸鉀).

2.2 改進(jìn)型EDTA二鈉滴定法

將配制好的水泥土試樣放入烘箱中烘干，取出試樣放入研缽中研磨成極細(xì)顆粒并使其充分混合，稱取等量試樣放入燒杯中進(jìn)行滴定.因本試驗(yàn)注漿所用硅酸鹽水泥水化后會(huì)產(chǎn)生Ca2+、Fe3+、Al3+、Mn2+、Mg2+等離子，在采用EDTA二鈉滴定法進(jìn)行水泥含量檢測(cè)時(shí)，加入氯化銨溶液溶出Ca2+后，需加入NaOH溶液使Fe3+、Al3+、Mn2+、Mg2+等干擾離子沉淀，同時(shí)NaOH溶液中加入少量三乙醇胺溶液起掩蔽作用.反應(yīng)后的溶液加入鈣紅指示劑可與Ca2+形成紅色絡(luò)合物，加入EDTA二鈉溶液后EDTA二鈉奪取絡(luò)合物中的Ca2+，使指示劑被釋放出來(lái)，溶液由絡(luò)合物的顏色轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x指示劑的顏色，用以指示滴定終點(diǎn)的到達(dá).

改進(jìn)后的EDTA二鈉滴定法避免了試樣取出后含水率變化對(duì)滴定產(chǎn)生的影響，以往EDTA二鈉滴定法在取樣后需密封存放，使得試驗(yàn)時(shí)與原含水率一致，但在運(yùn)輸和試驗(yàn)過(guò)程中難以保證含水率不發(fā)生變化.采用將取出試樣烘干的方式，將含水率降為0，這樣即使在先前操作過(guò)程中含水率發(fā)生變化也對(duì)后期試驗(yàn)沒(méi)有影響.同時(shí)，經(jīng)研磨后試樣中的水泥與砂樣充分混合，所有試樣稱取同樣質(zhì)量水泥與砂樣混合物進(jìn)行滴定，減少了在取樣過(guò)程中由于試樣質(zhì)量損失引起的誤差.同時(shí)因開(kāi)挖分塊時(shí)塊體較小，各類藥品消耗量也大大減少，采用少量試樣分析法可以更好地適應(yīng)試驗(yàn)要求.

2.3 EDTA二鈉消耗量與水泥含量關(guān)系標(biāo)定

為研究砂性土層注漿后水泥土中水泥含量與EDTA二鈉溶液消耗量之間的關(guān)系，制作水泥含量分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%的6個(gè)試樣.注漿試驗(yàn)采用干砂，則制作試樣的砂樣含水率為0%，水泥水灰比為1.5∶1，砂土顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖4，水泥、水和砂樣配比見(jiàn)表1.

圖4 顆粒級(jí)配曲線Fig.4 Grading curve

表1 試樣配比表Tab.1 Sample proportion

將配制好的試樣按上述滴定法進(jìn)行滴定試驗(yàn)，得水泥含量與EDTA二鈉溶液消耗量關(guān)系曲線如圖5所示.由圖中曲線可見(jiàn)水泥含量在5%～30%之間時(shí)與EDTA二鈉消耗量線性關(guān)系極好，可做檢測(cè)用標(biāo)定曲線.此曲線只適用于本試驗(yàn)用土，若采用其他級(jí)配的砂土或其他類別的土，因土的性質(zhì)有差別，需按上述方法重新制作標(biāo)定曲線.

圖5 水泥含量與EDTA二鈉消耗量關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between cement content and sodium EDTA consumption

3 分塊滴定法研究注漿后漿液分布規(guī)律

傳統(tǒng)的注漿試驗(yàn)在注漿完成后通常采用整體開(kāi)挖的方法取出結(jié)石體，觀察結(jié)石體的形狀和分布情況，由于少部分漿液會(huì)通過(guò)裂隙滲透到結(jié)石體以外的地方，因此在取出結(jié)石體時(shí)不能完全包含該部分漿液.為獲得完整的漿液擴(kuò)散范圍，本試驗(yàn)中采用分塊法結(jié)合EDTA二鈉滴定法來(lái)確定漿液擴(kuò)散規(guī)律，具體思路為：

(1)根據(jù)前期試驗(yàn)初估的漿液擴(kuò)散范圍，確定一個(gè)注漿管管口上方80 mm，下方60 mm，左邊和右邊各120 mm，前面110 mm的長(zhǎng)方體,即長(zhǎng)方體的尺寸為240 mm×240 mm×140 mm.

(2)確定每個(gè)分塊大小，本模型為40 mm×40 mm×20 mm，將長(zhǎng)方體分為7層，并給每層編號(hào)，由上往下依次為A、B、C、D、E、F、G.從注漿方向?qū)⒚?層分成6行6列，給每1塊編號(hào)，則第1層第1行第1列為A11，第1層第1行第2列為A12，第2層第1行第1列為B11，依次類推.從上往下逐層分塊，將每1塊土樣分別切割取出，放入對(duì)應(yīng)編號(hào)的塑料杯中，對(duì)于水泥含量過(guò)高、強(qiáng)度過(guò)大導(dǎo)致無(wú)法切割的位置則不分塊，在后期處理時(shí)用紅色標(biāo)記.

(3)將所有土樣用改進(jìn)型EDTA二鈉滴定法檢測(cè)水泥含量，根據(jù)EDTA二鈉消耗量與水泥含量關(guān)系曲線確定每個(gè)分塊中的水泥含量.

(4)在AutoCAD中建立與分塊時(shí)所選取的長(zhǎng)方體尺寸相同的模型，并同樣進(jìn)行分層分塊操作，得到如圖6所示的黑色線框圖.

(5)根據(jù)AutoCAD中不同顏色對(duì)應(yīng)的色號(hào)，如表2所示，建立水泥含量與色號(hào)之間的關(guān)系，如圖7所示，將水泥含量代入曲線中計(jì)算，得到相應(yīng)的色號(hào)，四舍五入精確取整到整十，再由表2查到對(duì)應(yīng)的顏色，即可得到各個(gè)編號(hào)土樣在AutoCAD中對(duì)應(yīng)的顏色.

(6)依據(jù)各個(gè)編號(hào)對(duì)應(yīng)的顏色和位置逐個(gè)逐層給線框圖上色，其中水泥含量超過(guò)16%的結(jié)石體部分色號(hào)默認(rèn)為10(本試驗(yàn)重點(diǎn)檢測(cè)水泥含量<16%的分布)，全部上完色后根據(jù)顏色分布研究漿液擴(kuò)散規(guī)律.

圖6 分塊線框圖Fig.6 Block diagram

表2 AutoCAD中顏色與色號(hào)對(duì)應(yīng)表Tab.2 Different color and color number comparison in AutoCAD

圖7 水泥含量與色號(hào)關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between cement content and color number

4 注漿試驗(yàn)結(jié)石體形狀及漿液擴(kuò)散特性

本次試驗(yàn)注漿材料為水泥，水灰比1.5∶1，注漿量400 mL，注漿壓力0.3 MPa，養(yǎng)護(hù)1 d，采取模型上部不加壓條件下注漿，模型箱中填料為干砂.按上述步驟完成注漿試驗(yàn)后進(jìn)行分塊法開(kāi)挖并取出結(jié)石體，清理附著在結(jié)石體上的松散砂粒，得如圖8所示形狀，其長(zhǎng)76 mm、寬46 mm、高83 mm.大部分漿液位于注漿管上方，將結(jié)石體分成兩部分，主體近似為長(zhǎng)方體，長(zhǎng)65 mm、寬53 mm、高60 mm.表面有明顯凹陷和凸起，另一部分為長(zhǎng)方體外延展出的一小塊結(jié)石體，大致為較扁平的橢球體，其長(zhǎng)38 mm、寬22 mm、高23 mm.

圖8 結(jié)石體形狀Fig.8 Stone body shape

按分塊滴定法進(jìn)行滴定和繪圖，得到分層分塊圖如圖9所示. 由圖9可知，共有96個(gè)分塊中含有水泥，根據(jù)每個(gè)分塊體積為32 cm3得到漿液最大擴(kuò)散范圍約為3 072 cm3，與注漿量比值為7.68，說(shuō)明滲透性良好，且注漿管上部擴(kuò)散范圍大于下部，原因是分層壓實(shí)時(shí)，下部填料壓實(shí)后再進(jìn)行上部填料壓實(shí)，上部壓實(shí)對(duì)下部填料也有作用，使得下部密實(shí)度更高，注入漿液時(shí)，漿液往密實(shí)度較小的地方運(yùn)動(dòng)，且因上部未加荷載，漿液向上運(yùn)動(dòng)受到的阻力小于向下的阻力.同時(shí)，在鉆孔時(shí)對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，上部砂土在重力作用下部分流失，使上部存在裂隙，注漿時(shí)漿液優(yōu)先進(jìn)入上方裂隙中并產(chǎn)生劈裂效果，后續(xù)漿液沿劈裂通道繼續(xù)填充擴(kuò)散，導(dǎo)致上部漿液較多.分層分塊圖清楚地顯示了漿液分布情況，總體上，每層中間位置色號(hào)較高，說(shuō)明漿液較多，往外逐漸減少，靠近注漿口的分層漿液擴(kuò)散范圍較大，越往外的分層擴(kuò)散范圍越小，水泥含量也越少.由圖9(h)可以看出漿液分布范圍較廣，不同水泥含量的分塊數(shù)量沒(méi)有較大差異，說(shuō)明從注漿口往外擴(kuò)散時(shí)漿液減少較為緩慢，漿液滲透效果較好.同時(shí)B、C、D、E層紅色塊體位置分布較為零碎，說(shuō)明結(jié)石體形狀不規(guī)則，與實(shí)際開(kāi)挖出的結(jié)石體基本一致.

圖9 分層分塊色號(hào)圖Fig.9 Hierarchical block diagram

5 結(jié)論

(1)研制的砂性地層注漿模型試驗(yàn)裝置及注漿試驗(yàn)方法合理可行，給出了模型試驗(yàn)方法.

(2)筆者提出了適合模型試驗(yàn)水泥含量檢測(cè)的改進(jìn)型EDTA二鈉滴定法，改進(jìn)后的滴定法可避免含水率對(duì)滴定產(chǎn)生的影響，減少在取樣過(guò)程中由于試樣質(zhì)量損失引起的誤差，采用少量試樣分析法能很好適應(yīng)試驗(yàn)要求.

(3)筆者提出了分塊法研究漿液分布規(guī)律的思路，并給出了具體方法.

(4)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了筆者提出的注漿體水泥含量檢測(cè)方法正確合理，可為類似研究提供新方法.