基于以氣驅(qū)水技術(shù)的含水地層灌漿改性試驗(yàn)研究

王江營(yíng)，張貴金，劉福東，陳安重，范 明

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410076；2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410076；3.五凌電力有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004；4.中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014；5.長(zhǎng)沙普照生化科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

化學(xué)漿材[1]因具有可灌性好、見效快、施工方便等優(yōu)點(diǎn)在灌漿工程中扮演著日益重要的角色，用以改善地層滲透性及巖土體強(qiáng)度。然而，含水地層中由于存在較多自由水[2]通常會(huì)對(duì)化學(xué)灌漿產(chǎn)生不利影響，不僅造成工程成本提高，而且難以達(dá)到理想的改性效果[3]。為了提高化學(xué)灌漿在含水地層改性中的適用性，可以考慮引入以氣驅(qū)水技術(shù)，通過充氣在原有地層中產(chǎn)生空氣隔幕，為化學(xué)灌漿創(chuàng)造良好的施工環(huán)境。

以氣驅(qū)水，即通過在巖土體內(nèi)注入具有一定壓力的氣體，在局部范圍內(nèi)驅(qū)替巖土體孔隙中的自由水，并達(dá)到新的平衡。將空氣作為一種輔助手段用于工程建設(shè)由來已久，如含水層地下儲(chǔ)氣庫建造[4]、利用空氣擾動(dòng)技術(shù)或曝氣法處理多孔介質(zhì)中的污染物[5～6]、壓氣新奧法隧道施工[7]等。Javadi等[8]針對(duì)壓氣法施工隧道過程中氣壓降低問題，推導(dǎo)并建立了相應(yīng)的計(jì)算模型；劉輝等[7]采用數(shù)值方法研究了采用壓氣新奧法隧道施工時(shí)地下滲流場(chǎng)中水流與氣流的分布和變化規(guī)律，及其對(duì)原有地下水分布的影響，并對(duì)施工中是否需要補(bǔ)氣進(jìn)行預(yù)測(cè)；Nusier等[9]基于土壤學(xué)有關(guān)原理探討了土體中空氣與水的相互作用關(guān)系，并對(duì)它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了分析；葉賀炯[10]提出通過鉆孔向邊坡注入空氣，改變邊坡滲流場(chǎng)排出坡體地下水，以快速提高邊坡的穩(wěn)定性；杜麗麗等[11]探討了以氣驅(qū)水技術(shù)在滑坡治理中的應(yīng)用，彭爾興等[12]針對(duì)不同干密度和含水率的非飽和含砂細(xì)粒土的氣體滲透性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，均取得了一定成果。

以氣驅(qū)水技術(shù)在工程建設(shè)中已得到一定應(yīng)用，并逐漸被認(rèn)可，但是該技術(shù)尚未完全成熟，其在灌漿工程中的應(yīng)用國(guó)內(nèi)外亦是鮮有報(bào)道。因此，本文擬在已有研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)以氣驅(qū)水技術(shù)在含水地層灌漿改性中的應(yīng)用進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期為相關(guān)工程實(shí)踐和理論分析提供一定參考和依據(jù)。

1 以氣驅(qū)水可行性試驗(yàn)及其工藝原理

1.1 以氣驅(qū)水可行性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證以氣體驅(qū)替含水土層中自由水的可行性，分別選取飽和黏土和粉質(zhì)砂土進(jìn)行試驗(yàn)。

分別對(duì)兩種土樣進(jìn)行飽和，并在土樣頂部保留約1 kPa水頭壓力，開始向土體內(nèi)充氣，氣壓由小逐漸增大，當(dāng)氣壓增加到一定程度，土體發(fā)生破壞時(shí)停止試驗(yàn)。

試驗(yàn)過程中，當(dāng)氣壓較小時(shí)，盡管有一定氣體充入土體，但兩個(gè)試驗(yàn)裝置內(nèi)并未發(fā)生明顯變化。而隨著氣壓慢慢增加，這兩種土樣內(nèi)逐漸出現(xiàn)了不同的變化。

對(duì)于黏土試樣，筒壁上開始出現(xiàn)氣泡并不斷累積、擴(kuò)大，形成空氣路徑，與此同時(shí)，液面有所上升，但不明顯；當(dāng)氣壓進(jìn)一步增加時(shí)，試樣逐漸被整體抬起，液面隨之抬升，抬空區(qū)域隨氣體進(jìn)入而不斷增大，且抬空區(qū)只有空氣。

對(duì)于粉質(zhì)砂土，氣壓升高后筒壁上亦會(huì)出現(xiàn)氣泡，相比黏土只有少許氣泡，同時(shí)，土體液面開始逐漸上升，其上升速度和高度均比黏土顯著，在氣壓不再增加的情況下，液面最終會(huì)維持在一定高度。隨氣壓繼續(xù)增大，粉質(zhì)砂土和上部液面同樣會(huì)被整體抬起，出現(xiàn)抬空區(qū)，其破壞過程與黏土破壞過程比較相似。

通過對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可知：

(1)在飽和黏土中以充氣驅(qū)替土體孔隙中的自由水，其可行性較低。因?yàn)榭諝庀胍M(jìn)入飽和土的孔隙中，需克服水氣分界面的表面張力T和孔隙水壓力u(圖1)[11]。黏土中細(xì)粒組含量較多，導(dǎo)致土體孔隙直徑細(xì)小，表面張力T較大，為了達(dá)到以氣驅(qū)水的效果，氣壓P需不斷增加，在試驗(yàn)中，當(dāng)P增大到一定程度，尚未克服表面張力和孔隙水壓力時(shí)，已產(chǎn)生劈裂作用，土體及液面被整體抬起，未能達(dá)到比較理想以氣驅(qū)水效果。

圖1 氣驅(qū)水示意圖Fig.1 Schematic diagram of gas driven water

(2)在粉質(zhì)砂土進(jìn)行以氣驅(qū)水具有較好的可行性。粉質(zhì)砂土中顆粒粒徑較大，土體孔隙直徑亦相對(duì)較大，其表面張力T相對(duì)較小，氣壓P超過飽和砂土所能承受的極限壓力之前，已經(jīng)能夠克服表面張力T和孔隙水壓力u，部分氣體可以進(jìn)入飽和土體孔隙內(nèi)部，水被驅(qū)替出來，故此時(shí)液面有了比較明顯的上升，在氣壓穩(wěn)定的條件下，一段時(shí)間后可達(dá)到新的平衡狀態(tài)。如果氣壓繼續(xù)增加，同樣會(huì)出現(xiàn)整體抬升破壞。

(3)雖然在飽和粉質(zhì)砂土中進(jìn)行以氣驅(qū)水具有較好的可行性，但是存在初始?jí)毫min和極限壓力Pmax，只有當(dāng)氣壓在(Pmin，Pmax)之間時(shí)，氣驅(qū)水才是可行的。

1.2 合理充氣壓力探討

根據(jù)圖3，可認(rèn)為初始充氣壓力Pmin等于水頭壓力Pw與進(jìn)氣值Pc之和，即：

Pmin=Pw+Pc

(1)

水頭壓力Pw與水頭高度有關(guān)，易于計(jì)算；進(jìn)氣值Pc與表面張力T、土體孔隙通道直徑等因素有關(guān)，難以精確計(jì)算，文[11]給出了不同孔隙半徑r對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣值，具體見表1，黏土、粉土和砂土的最大孔徑r分別約為5，10和100 μm，進(jìn)而可求得不同水頭壓力下的初始?jí)毫min。

表1 不同孔隙半徑對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣壓力值

此外，杜麗麗[11]通過試驗(yàn)研究建立了極限充氣壓力Pmax的表達(dá)式：

(2)

式中：c、φ——飽和土的黏聚力與內(nèi)摩擦角；

B——?dú)怏w影響區(qū)域?qū)挾龋?/p>

γsat——飽和土重度；

λ——靜止土壓力系數(shù)；

H——充氣點(diǎn)埋深。

由上述分析可知，當(dāng)土體孔隙半徑較小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)Pmin≥Pmax的情況，難以實(shí)現(xiàn)以氣驅(qū)水。此時(shí)，即便增加上覆重量，土體無法被整體抬升，其內(nèi)部仍有可能產(chǎn)生劈裂空隙通道，出現(xiàn)竄氣現(xiàn)象(即充氣氣體直接與外部連通)。

2 含水土層以氣驅(qū)水化學(xué)灌漿模擬試驗(yàn)

為了驗(yàn)證以氣驅(qū)水工藝在含水土層化學(xué)灌漿中的作用，自主設(shè)計(jì)了相關(guān)試驗(yàn)裝置(圖2)，進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

圖2 模擬試驗(yàn)裝置圖Fig.2 Apparatus of the simulation test

2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用的土體以粉質(zhì)砂土為主，在試驗(yàn)裝置兩側(cè)存在固定的水頭差(2.5 m)，在水頭壓力作用下對(duì)土體進(jìn)行飽和，土體飽和后其內(nèi)部會(huì)形成滲流通道，在裝置左側(cè)可觀測(cè)到有穩(wěn)定的水量滲出，然后開展對(duì)比試驗(yàn)。

(1)不采用氣驅(qū)水工藝，直接在含水土層中灌注高滲透環(huán)氧漿材，灌漿結(jié)束后7 d鉆芯取樣，檢驗(yàn)灌漿效果。

(2)相同條件下，首先在含水粉質(zhì)砂土層中進(jìn)行充氣，氣壓由0緩慢升至30 kPa，保證試驗(yàn)裝置頂部不發(fā)生抬動(dòng)，并維持一段時(shí)間，達(dá)到平衡狀態(tài)氣體無法繼續(xù)進(jìn)入土體時(shí)，停止充氣；然后灌注高滲透環(huán)氧漿材，在灌漿結(jié)束后7 d鉆芯取樣，檢驗(yàn)灌漿效果，并與未加固原狀土和第1組試驗(yàn)的芯樣進(jìn)行對(duì)比。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

(1)對(duì)含水土層滲流的影響

對(duì)于第1組試驗(yàn)，灌漿結(jié)束時(shí)，滲流量尚無明顯改觀，隨時(shí)間推移，化學(xué)漿液逐漸凝硬，滲流量逐漸減小，由最初的7.21 cm3/s降到了2.02 cm3/s。

第2組試驗(yàn)，在含水土層中進(jìn)行充氣時(shí)，初始階段，土體滲流量有所增加，隨著氣體不斷進(jìn)入，滲流量逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定(圖3)。

圖3 滲流量隨充氣時(shí)間的變化關(guān)系圖Fig.3 Relationship of seepage flow and air inflating time

這是因?yàn)樵诔跏茧A段，氣體可驅(qū)替含水土層孔隙中自由水，原有滲流流速在氣壓作用下得到提高，故滲流量有所增加。隨著土體孔隙逐漸被空氣占領(lǐng)，充氣區(qū)域土體變成了非飽和土，之前貫通的滲流通道(孔隙)被有壓氣體阻塞，達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，會(huì)形成了一定空氣隔幕(圖4)，降低了含水土層中的滲流流速及部分土體的含水率，為接下來的化學(xué)灌漿創(chuàng)造了有利環(huán)境。灌漿結(jié)束后，隨漿液逐漸凝硬，最終滲流量降低至0.78 cm3/s。

圖4 以氣驅(qū)水技術(shù)效果示意圖Fig.4 Diagram showing the effect of gas driven water

雖然通過化學(xué)灌漿可以降低含水土層的滲透性，但是如果先采用以氣驅(qū)水工藝再進(jìn)行灌漿，不僅效率更高，而且能達(dá)到更好的效果。

(2)對(duì)含水土層強(qiáng)度的影響

原狀土是飽和的粉質(zhì)砂土，難以得到完整芯樣，由于化學(xué)漿材的作用，兩組對(duì)比試驗(yàn)中均可取得較好的芯樣。

在兩組對(duì)比試驗(yàn)中均取6個(gè)芯樣進(jìn)行密度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，如果6個(gè)芯樣的最大或最小值與平均值之差超過了20%，則取中間4個(gè)芯樣的平均值作為測(cè)試結(jié)果(表2)。

表2 不同芯樣測(cè)試結(jié)果

由表2可知，由于化學(xué)漿液的入滲，土體的密度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均得到提高，在空氣隔幕的保護(hù)下，可得到更好的加固效果。

(3)對(duì)含水土層微觀結(jié)構(gòu)的影響

為了對(duì)試驗(yàn)結(jié)果做進(jìn)一步分析，采用電子顯微鏡(SEM)對(duì)不同芯樣進(jìn)行掃描(放大20 000倍)，見圖5。

圖5 電鏡掃描照片F(xiàn)ig.5 SEM photograph

由圖5(a)、(b)可知，原狀土是由許多松散顆粒組成，顆粒之間孔隙較多；純環(huán)氧漿液結(jié)石體非常密實(shí)，呈整體結(jié)構(gòu)。由圖5(c)、(d)可知，灌漿后原狀土的顆粒形狀和微觀結(jié)構(gòu)均發(fā)生改變，第1組芯樣的掃描照片中仍可見較多的孔隙，顆粒之間的連接性不如第2組芯樣緊密；相比之下，第2組芯樣微觀結(jié)構(gòu)較原狀土已發(fā)生明顯變化，這也是第2組試驗(yàn)效果更加理想的原因。

3 結(jié)論

將以氣驅(qū)水技術(shù)引入到含水地層灌漿改性工程中，進(jìn)行了有關(guān)的試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

(1)在孔隙較大的飽和粉質(zhì)砂土中充氣驅(qū)替其孔隙中的自由水具有較好的可行性，但是充氣壓力P需控制在初始?jí)毫min和極限壓力Pmax之間。

(2)在含水土層中充氣驅(qū)替孔隙中的自由水，可形成空氣隔幕，使土體從飽和狀態(tài)變?yōu)榉秋柡?，降低其滲透性及含水率，為后續(xù)化學(xué)灌漿創(chuàng)造有利環(huán)境。

(3)采用以氣驅(qū)水工藝后再進(jìn)行化學(xué)灌漿可取得更好的效果。試驗(yàn)表明，原有土體的滲透性明顯降低，抗壓強(qiáng)度能夠得到較大幅度提高，化學(xué)漿液可更好地改善原有土體的松散結(jié)構(gòu)。

該技術(shù)仍處于室內(nèi)試驗(yàn)和理論研究階段，要成功應(yīng)用于工程實(shí)踐，仍需對(duì)不同氣壓的影響范圍、灌漿管與充氣管之間的合理距離、氣壓與灌漿壓力的控制標(biāo)準(zhǔn)等問題展開進(jìn)一步研究。