雙管滲透注漿空間流態(tài)的模擬試驗研究

孔魯志，杜 俊，周衛(wèi)霞

(昆明學(xué)院 城鄉(xiāng)建設(shè)與工程管理學(xué)院，昆明 650214)

1 概 述

注漿是將一定材料配制成漿液，用壓送設(shè)備將其灌入地層或縫隙內(nèi)使其擴(kuò)展、凝膠或固化，以達(dá)到加固地層或防滲堵漏的目的，特別是在地下綜合加固處治中應(yīng)用廣泛。但是在現(xiàn)場注漿施工過程中，漿液的流動是在被注介質(zhì)內(nèi)部的，很難觀測到漿液的運(yùn)動和分布情況，隱蔽性和不確定性是注漿工程最大的特點(diǎn)，這就使得注漿設(shè)計和施工存在很大程度的盲目性和局限性。同時，較多的影響因素也制約了注漿技術(shù)的快速發(fā)展，如注漿材料、注漿器具、施工人員素質(zhì)等。然而在眾多因素中，是否考慮漿液空間流態(tài)的變化這一特性是注漿技術(shù)能否在實踐工程中取得突破和發(fā)展的關(guān)鍵之一[1]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對注漿理論進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，建立起一系列滲透注漿理論。Maag[2]應(yīng)用達(dá)西定律作為物理方程推導(dǎo)出漿液在砂層中球形滲透擴(kuò)散的經(jīng)驗公式。楊秀竹[3]推導(dǎo)出賓漢體漿液在均質(zhì)砂土中進(jìn)行滲透注漿時漿液有效擴(kuò)散半徑公式。楊志全[4]建立的黏度時變性賓漢流體滲流方程等。眾多學(xué)者雖然在注漿理論研究方面取得一定成果，但是由于被注介質(zhì)的地質(zhì)情況復(fù)雜，試驗研究人員所模擬的被注介質(zhì)并不一定具有廣泛的代表性，加之試驗結(jié)果不可避免地要受到試驗操作步驟、試驗數(shù)據(jù)處理誤差等因素的影響，所以這些經(jīng)驗公式有一定的局限性，阻礙了其在實際工程中的應(yīng)用推廣[5-6]。雖然很多學(xué)者對漿液的加固機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，但是他們在研究中對漿液空間流態(tài)的考慮仍顯不足。本研究旨在設(shè)計一套室內(nèi)注漿模型，深入研究漿液在被注介質(zhì)中的流動擴(kuò)散機(jī)理，以期研究成果對有關(guān)工程予以理論支撐，減少水泥漿液損耗，降低不合理因素對注漿效果的影響，提高施工質(zhì)量及工程經(jīng)濟(jì)效益。

2 水泥漿流變試驗

注漿過程中水泥漿處于液相流動狀態(tài)，確定其控件分布是建立注漿擴(kuò)散模型的前提。因此，本文對純水泥漿液空間流態(tài)的變化規(guī)律進(jìn)行試驗研究。

2.1 試驗材料

本試驗中所采用的注漿材料為水灰比W/C=0.8的純水泥漿液，漿液黏度為30·103·Pa·s，密度1.59 g/cm3，初凝時間11 h 10 min，結(jié)石率95%。

本實驗采用3種不同粒徑的砂石進(jìn)行混合作為被注介質(zhì)，共配置4組；各組級配配比及基本數(shù)據(jù)見表1、表2，各組級配混合特征見圖1。

表1 各組混合級配配比

表2 各組混合級配基本數(shù)據(jù)

圖1 各組混合級配混合特征

2.2 室內(nèi)注漿模型實驗裝置

為了觀測注漿時漿液的流動情況，研究水泥漿液在礫石土層中的注漿機(jī)理，設(shè)計本次室內(nèi)注漿模擬試驗。試驗采用有壓氮?dú)馓峁┳{壓力，有機(jī)玻璃試驗箱中存放被注介質(zhì)，二者之間由儲漿容器連接，見圖2。供壓裝置、儲漿容器、試驗箱3部分組成一個統(tǒng)一整體，試驗原理構(gòu)造圖見圖3。

圖2 注漿模擬試驗裝置

注:①-試驗箱體；②-被注介質(zhì)；③-注漿管；④-加筋軟管；⑤-儲漿容器；⑥-水泥漿液；⑦-注漿閥門；⑧-電子臺秤；⑨-氮?dú)馄块y門；⑩-氮?dú)馄?/p>

2.3 室內(nèi)模擬注漿試驗方案設(shè)計

采用正交試驗方法，綜合考慮被注介質(zhì)的孔隙特征(k)、注漿壓力(P)、注漿管間距(D)等參數(shù)對試驗的影響，結(jié)合正交表制定出雙管單孔注漿試驗方案，詳見表3。

表3 正交試驗設(shè)計表

3 試驗分析與討論

3.1 雙管注漿空間流態(tài)分析

雙管注漿試驗共得到16個試樣，選取部分代表性漿液擴(kuò)散結(jié)石體及流型圖，見圖4。圖4中，紫色陰影部分為1號管、2號管所注漿液相互影響相互膠結(jié)的結(jié)石體，紅色部分為1號管所注漿液的擴(kuò)散流態(tài)，綠色部分為2號管所注漿液的擴(kuò)散流態(tài)。

為此,本文考慮了路由空洞問題,并提出基于時延要求的抑制路由空洞的地理位置路由DG-SHGR(Delay-Guaranteed-based Suppressing Hole Geographic Routing),進(jìn)而解決上述的兩個問題。DG-SHGR路由的主要目的在于預(yù)先檢測路由空洞,然后再合理地選擇路由。

圖4 代表性結(jié)石體及流型圖

雙管注漿過程中，漿液在被注介質(zhì)中形成兩種空間流態(tài)。第一種空間流態(tài)，當(dāng)注漿管間距較小或被注介質(zhì)滲透系數(shù)K較大或注漿壓力較大時，兩管所注漿液會相互影響并形成一個完整的結(jié)石體；該結(jié)石體整體呈橢球形或柱形。第二種空間流態(tài)，當(dāng)注漿管間距較大或被注介質(zhì)滲透系數(shù)K較小或注漿壓力較小時，兩管所注漿液便有可能不會產(chǎn)生相互影響并形成兩個單獨(dú)的結(jié)石體。這兩部分結(jié)石體的空間流態(tài)與水泥漿液滲透擴(kuò)散理論中的球形擴(kuò)散和柱形擴(kuò)散原理基本吻合。

3.2 有效注漿量分析

在本實驗中，試驗1、試驗2、試驗3、試驗5、試驗6、試驗8、試驗9、試驗11、試驗12、試驗15和試驗16中的左右兩部分有膠結(jié)現(xiàn)象。為了找到形成結(jié)石體的有效注漿量，將左右兩管注漿相互影響的區(qū)域進(jìn)行定義，見圖5(a)中紫色陰影部分。

設(shè)圖5(a)中左邊1號管所注漿液形成的結(jié)石體的有效擴(kuò)散半徑為r1，右邊2號管所注漿液形成的結(jié)石體的有效擴(kuò)散半徑為r2，r1、r2均可測得，已知1、2號管的管間距為D。則定義有效注漿量為Q′，那么確定有效注漿量的公式如下：

(1)

式中：h為兩注漿管相互影響部分的高度；1.59為水灰比W/C=0.8的水泥漿液的密度1.59 g/cm3。當(dāng)r1+r2≤D即兩注漿管所注漿液形成的空間流態(tài)為一個整體時，Q′取0；當(dāng)r1+r2>D即兩注漿管所注漿液為兩個獨(dú)立部分時，Q′取正常計算值。

試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表4。

圖5 典型試驗的漿液擴(kuò)散

表4 各組實驗數(shù)據(jù)分析表

3.3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.3.1 有效注漿量Q′的數(shù)據(jù)分析

Q′=0.02133P0.81789119K-0.33040680D5.38356692

(2)

F=4.1362，R2=0.9738

由此得到式(2)是顯著的，從復(fù)相關(guān)系數(shù)也能得到實驗結(jié)果與影響因素之間的線性關(guān)系也是非常密切的。影響有效注漿量最為顯著因素是注漿管孔間距，其次是注漿壓力，砂石滲透系數(shù)對有效注漿量的影響相對較小。

3.3.2 漿液擴(kuò)散半徑r1、r2數(shù)據(jù)分析

將表4中試驗結(jié)果進(jìn)行回歸分析，即可得到漿液擴(kuò)散半徑r1、r2與注漿壓力P、混合級配砂石滲透系數(shù)K、注漿管間距D之間的關(guān)系為：

r1=4.45388P0.185471K0.787952D-1.048710

(3)

F=0.7220，R2=0.7199

由此得到式(3)是顯著的，從復(fù)相關(guān)系數(shù)也能得到實驗結(jié)果與影響因素之間的線性關(guān)系也很密切。影響水泥漿液擴(kuò)散半徑r1最為顯著因素是砂石滲透系數(shù)，而注漿壓力和注漿管間距對漿液擴(kuò)散半徑r1影響相對較小。

r2=0.73701P1.525302K-0.535416D1.284324

(4)

F=1.1223，R2=0.8607

由此得到式(4)是顯著的，從復(fù)相關(guān)系數(shù)也能得到實驗結(jié)果與影響因素之間的線性關(guān)系密切。影響水泥漿液擴(kuò)散半徑r2最為顯著因素是注漿壓力和注漿管間距，而砂石滲透系數(shù)對漿液擴(kuò)散半徑r2影響相對較小。

4 結(jié) 論

本文通過對水泥漿液在礫石土層中的注漿開展一系列相關(guān)的試驗研究，對屬于賓漢姆流體的水泥漿液雙管注漿的空間流態(tài)進(jìn)行了分析，取得一些具有理論意義和實用價值的成果，具體歸納如下：

1) 雙管注漿過程中，漿液在被注介質(zhì)中形成兩種空間流態(tài)。第一種空間流態(tài)，雙管注漿形成一個完整的結(jié)石體，該結(jié)石體整體呈橢球形或柱形；第二種空間流態(tài)，兩管注漿形成兩個單獨(dú)的結(jié)石體。

2) 通過對注漿試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析，得到注漿壓力、漿液耗散量、礫石土層滲透系數(shù)、漿液擴(kuò)散半徑、注漿管間距等注漿參數(shù)之間的定量關(guān)系式：

Q′=0.02133P0.81789119K-0.33040680D5.38356692

r1=4.45388P0.185471K0.787952D-1.048710

r2=0.73701P1.525302K-0.535416D1.284324

本研究通過進(jìn)行一系列的實驗和模擬試驗，得到可以減小施工過程中漿液耗散、降低施工成本的經(jīng)驗公式，從而為現(xiàn)場注漿施工過程提供了一定的理論支持，可以有效提高施工效率，減少注漿現(xiàn)場施工的隱蔽性和不確定性對工程安全帶來的影響。