水泥水玻璃注漿加固黃土隧道富水軟弱段試驗(yàn)研究

吳 昊， 楊曉華

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064)

1 研究背景

黃土隧道富水地段圍巖強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力差，極易發(fā)生塌方、突水涌泥等施工地質(zhì)災(zāi)害。采用水泥水玻璃注漿加固黃土隧道是預(yù)防其災(zāi)害的常用方法。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)水泥水玻璃注漿加固效果進(jìn)行了研究[1-5]。水泥水玻璃不同配合比漿液的凝膠時(shí)間的不同對(duì)隧道土體加固的效果影響明顯。大多數(shù)工程僅憑以往的工程經(jīng)驗(yàn)來選擇漿液的配制及注漿參數(shù)[6-15]，往往造成方案設(shè)計(jì)不合理以及實(shí)際注漿量浪費(fèi)。因此，對(duì)不同配比下漿液的凝膠時(shí)間規(guī)律及其加固黃土后復(fù)合土體的強(qiáng)度增長(zhǎng)特性進(jìn)行深入研究是很有必要的，可以為黃土隧道水泥水玻璃加固法提供合理的漿液配合比及重要的參數(shù)依據(jù)。

本文結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)，研究了漿液在不同配比下的凝結(jié)時(shí)間以及注漿加固時(shí)影響土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的因素；基于現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)，對(duì)注漿壓力、漿液擴(kuò)散半徑及注漿加固后復(fù)合土體的強(qiáng)度進(jìn)行了深入研究，旨在為黃土隧道施工災(zāi)害的處治方案提供參考。

2 水泥-水玻璃凝膠時(shí)間試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)方案

通過測(cè)定不同的水玻璃濃度、水灰比及水泥水玻璃體積比情況下漿液的凝膠時(shí)間，分析水玻璃濃度、水灰比及水泥水玻璃體積比對(duì)凝膠時(shí)間的影響，從而為黃土隧道注漿加固提供合理的漿液配合比，試驗(yàn)制定配比方案如表1。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)具體步驟如下：將水泥漿液和水玻璃溶液分別置于兩個(gè)燒杯內(nèi)，首先將其中一個(gè)燒杯的液體倒入另一燒杯內(nèi)，緊接著將混合液體倒入之前的燒杯中，不停重復(fù)這一步驟，直至燒杯內(nèi)的液體凝膠，不再流動(dòng)為止。從第一次合成混合液體開始計(jì)時(shí)到混合液體不再流動(dòng)的時(shí)間即為凝膠時(shí)間。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)測(cè)得的不同水泥水玻璃體積比及水灰比下漿液的凝結(jié)時(shí)間如表1所示。

表1 不同水泥水玻璃體積比及水灰比下漿液的凝結(jié)時(shí)間

分別繪制不同水灰比和不同水玻璃濃度下漿液的凝膠時(shí)間曲線圖，如圖1、2。

圖1 不同水灰比下漿液凝膠時(shí)間曲線

圖2 不同水玻璃濃度下漿液凝膠時(shí)間曲線

由圖1、2可以看出，水玻璃濃度、水灰比(W/C)和水泥與水玻璃體積比(C∶S)均對(duì)漿液凝膠時(shí)間有影響，同等W/C和C∶S情況下，隨著水玻璃濃度的增加，雙液漿的凝膠時(shí)間顯著增加；當(dāng)水玻璃濃度及C∶S相同時(shí)，凝膠時(shí)間隨著W/C的增加而增加；當(dāng)水玻璃濃度及W/C一定時(shí)，凝結(jié)時(shí)間隨著C∶S增大而減少。當(dāng)C∶S為1∶0.5、水玻璃濃度為30° Be′、W/C為0.6∶1時(shí)，漿液凝結(jié)時(shí)間最短，為29 s；當(dāng)C∶S為1∶1、水玻璃濃度為45° Be′、W/C為1∶1時(shí)，漿液凝結(jié)時(shí)間最長(zhǎng)，為134 s。在實(shí)際工程注漿加固中，需考慮這些因素對(duì)凝膠時(shí)間的影響，才能制定合理的配合比。本文針對(duì)黃土隧道富水軟弱段土體加固處理推薦的合理配合比為：水灰比應(yīng)選取1∶1，水玻璃濃度取30～35° Be′，水泥水玻璃體積比取1∶1。

3 水泥-水玻璃漿液加固黃土試驗(yàn)研究

提高圍巖強(qiáng)度是黃土隧道富水軟弱段進(jìn)行水泥水玻璃注漿的主要目的。但現(xiàn)有研究中有關(guān)注漿加固土體后復(fù)合土的強(qiáng)度參數(shù)多憑借經(jīng)驗(yàn)判斷。本文以漿液摻入率作為模擬注入率的指標(biāo)，將重塑土與水泥及水玻璃進(jìn)行拌合制樣，養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析漿液的摻入率、土樣的含水率、水玻璃濃度對(duì)其強(qiáng)度的影響。

試驗(yàn)所用黃土呈褐黃色、略濕、均勻性和孔隙發(fā)育良好、含少量植物根系和蝸牛殼碎片，其基本物理性質(zhì)如表2所示。

表2 試驗(yàn)黃土的基本物理性質(zhì)

試驗(yàn)中主要考慮黃土含水率、黃土密度、漿液摻入率及水玻璃濃度的影響因素。具體試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。對(duì)4種參數(shù)進(jìn)行正交組合，共制備24個(gè)不同組合的試塊，養(yǎng)護(hù)完成后，采用萬能壓力機(jī)開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

表3 試驗(yàn)工況參數(shù)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)的步驟與過程按照?qǐng)D3進(jìn)行。

圖3 試驗(yàn)步驟示意圖

試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

通過分析表4的試驗(yàn)結(jié)果得出，水泥-水玻璃加固黃土?xí)r， 土體的含水率、密度、水玻璃濃度及漿液摻入率對(duì)其強(qiáng)度有顯著影響。

(1)漿液摻入比的影響。從表4中可以看出，在土體含水率、密度及水玻璃濃度相同的情況下，試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著漿液摻入比的升高而增大。當(dāng)土體含水率為20%、密度1.6 g/cm3及水玻璃濃度為30° Be′時(shí)，漿液摻入比對(duì)土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響最大，漿液摻入比由5%變?yōu)?0%、15%后土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提高了48.79%、120.56%。這主要是因?yàn)樗嗪渴菦Q定試件抗壓強(qiáng)度的主要因素，試件內(nèi)的水泥含量隨著漿液摻入比的增大而增大，試件的抗壓強(qiáng)度也會(huì)隨之變大。

表4 不同參數(shù)漿液加固黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度 kPa

注：(1)水泥為425#普通硅酸鹽水泥； (2)試塊在室溫內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d。

(2)含水率的影響。當(dāng)其他條件一定時(shí)，含水率20%土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高于含水率25%土體，這是因?yàn)楫?dāng)漿液加入土壤中，漿液中的水泥會(huì)產(chǎn)生水化作用，消耗土壤中的水分。當(dāng)土體含水率過低時(shí)，漿液內(nèi)的水泥不能完全水解，使得水泥水化產(chǎn)物變少，導(dǎo)致加固土體無法達(dá)到預(yù)期的加固效果。反之，當(dāng)土體的含水率過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致單位體積內(nèi)水泥水化產(chǎn)物過少，不能形成有效的整體強(qiáng)度，從而降低加固土體的強(qiáng)度。故理論上存在一個(gè)含水率閾值，當(dāng)土體含水率小于該閾值時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著含水率呈正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)含水率超過該閾值時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度含水率呈負(fù)相關(guān)系。由本次試驗(yàn)可以看出，土體的含水率的理論閾值應(yīng)在25%以內(nèi)。

(3)密度的影響。其他條件相同時(shí)，土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著密度的增加而增大。當(dāng)土體含水率為20%、水玻璃濃度為35° Be′及漿液摻入比為10%時(shí)，密度從1.6 g/cm3變?yōu)?.8 g/cm3其抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率最小，為76.5%；當(dāng)土體含水率為25%、水玻璃濃度為30° Be′及漿液摻入比為10%時(shí)，密度從1.6 g/cm3變?yōu)?.8 g/cm3其抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率最大，達(dá)到153.79%，可見密度對(duì)土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較為顯著。

(4)水玻璃濃度的影響。土體抗壓強(qiáng)度之所以能夠得以加強(qiáng)主要因?yàn)槿芤褐信cCa2+產(chǎn)生硅酸鹽水化物增多而引起的。當(dāng)土體含水率為20%、密度1.8 g/cm3及漿液摻入比為10%時(shí)，水玻璃濃度對(duì)土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響最小，濃度由30° Be′變?yōu)?5° Be′后土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高7.47%；當(dāng)土體含水率為25%、密度1.6 g/cm3及漿液摻入比為5%時(shí)，水玻璃濃度對(duì)土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響最小，濃度由30° Be′變?yōu)?5° Be′后土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了57.86%。

試驗(yàn)結(jié)果表明，土體含水率為25%、密度1.6 g/cm3、水玻璃濃度30° Be′及漿液摻入比為5%時(shí)，土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最小，為49.6 kPa；土體含水率為20%、密度1.8 g/cm3、水玻璃濃度35° Be′及漿液摻入比為15%時(shí)，土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大，達(dá)到297.5 kPa。

4 水泥-水玻璃漿液加固黃土室外模擬試驗(yàn)

漿液擴(kuò)散方式、擴(kuò)散半徑及注漿后加固效果在實(shí)際工程中都并無固定得標(biāo)準(zhǔn)。通過設(shè)計(jì)室外模擬試驗(yàn)，能夠更好地觀測(cè)雙液注漿時(shí)漿液在隧道軟弱段中的擴(kuò)散情況及探究注漿加固效果。該試驗(yàn)中主要考慮注漿量、注漿壓力、漿液擴(kuò)散半徑等參數(shù)，以便更深入地了解注漿技術(shù)，為注漿設(shè)計(jì)和施工提供參考。

4.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图安牧?/h3>

(1)在試驗(yàn)場(chǎng)地上開挖一個(gè)滿足試驗(yàn)要求的試坑，尺寸為2 m×2 m×1.5 m。

(2)本次試驗(yàn)用采用Φ30 mm、厚度2.5 mm、L(長(zhǎng)度)30 mm的無縫鋼管作為注漿用花管。注漿眼在管壁呈螺旋式分布，每個(gè)截面取一個(gè)孔眼，孔眼軸線間距為20 cm。

(3)注漿設(shè)備主要包括注漿泵、攪拌機(jī)、膠管、貯漿桶、混合器、止?jié){塞等。采取雙液系統(tǒng)注漿。

(4)試驗(yàn)材料使用的注漿材料為425#普通硅酸鹽水泥和水玻璃，試驗(yàn)樣土取自西安渭河北岸涇渭新區(qū)。

4.2 試驗(yàn)方法及步驟

本次注漿模擬試驗(yàn)采用水灰比為1∶1，水泥水玻璃體積比為1∶1，水玻璃濃度為35° Be′的水泥水玻璃注漿；填土密度為1.78 g/cm3，含水率為22.5%。注漿時(shí)間為30 min，注漿量413 L，注漿壓力控制在0.2～1.5 MPa之間，根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。

注漿注漿前對(duì)土體進(jìn)行平面載荷試驗(yàn)，分8級(jí)加載(每級(jí)荷載加載15 min，持續(xù)2 h)選用直徑為56.4 cm(面積為2 500 cm2)的承壓板；注漿28 d后在試驗(yàn)面對(duì)稱選取3個(gè)試樣點(diǎn)分別進(jìn)行平板載荷試驗(yàn)，主要步驟如圖4所示，平板載荷試驗(yàn)試點(diǎn)選取如圖5所示。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

漿液擴(kuò)散示意圖如圖6所示，開挖效果圖如圖7所示。漿液擴(kuò)散大部分在700 mm以內(nèi)，其中試坑上部分局部可到達(dá)900 mm。由平板載荷試驗(yàn)繪出其P-S曲線，如圖8所示。

圖4 試驗(yàn)步驟示意圖

圖5 平板載荷試驗(yàn)試點(diǎn)位置示意圖

圖6 土體中漿液擴(kuò)散示意圖

圖7 漿脈示意圖

圖8 平板載荷試驗(yàn)P-S曲線圖

根據(jù)P-S曲線，未加固土的極限荷載為100 kPa，由直線段斜率計(jì)算得到其變形模量為8.87 MPa；注漿后土體的極限荷載為300 kPa，其變形模量為21.48 MPa。

5 結(jié) 論

(1)水泥-水玻璃漿液可以通過調(diào)整配比的方法獲得不同的凝膠時(shí)間，較單液注漿加固，其具有時(shí)間短且可準(zhǔn)確控制的優(yōu)點(diǎn)。在加固黃土隧道富水軟弱段時(shí)，水泥-水玻璃漿液的配比應(yīng)為：水灰比為1∶1，水玻璃濃度為 30～35°Be′，水泥水-玻璃體積比為 1∶1。

(2)水泥-水玻璃注漿加固效果受到了漿液摻入比、土樣含水率、土樣密度、水玻璃濃度以及水泥漿與水玻璃體積比的影響。其中漿液摻入比對(duì)土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響最大，水玻璃濃度對(duì)土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響最小。當(dāng)土體含水率為20%、密度1.8 g/cm3、水玻璃濃度35°Be′和漿液摻入比為15%時(shí)，土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大，達(dá)到297.5 kPa。

(3)結(jié)合之前室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果，通過現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)，得到了水泥-水玻璃混合雙液注漿的技術(shù)參數(shù)，可為水泥水玻璃加固黃土隧道富水軟弱段提供參數(shù)依據(jù)。

(4)在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中并未考慮實(shí)際土體中的顆粒粒徑和滲透系數(shù)，對(duì)土體的密度以及孔隙率也只是大體估計(jì)，以后可以做進(jìn)一步研究。