適合鈣質(zhì)砂地基注漿加固的材料性能試驗(yàn)研究

李可良，許宏發(fā)，楊殷豪，趙良才

（1.陸軍工程大學(xué) 國(guó)防工程學(xué)院爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210007；2.63850部隊(duì)，吉林 白城 137000）

引 言

我國(guó)南海諸島絕大多數(shù)是由珊瑚礁構(gòu)成，礁體通常由松散無(wú)膠結(jié)或弱膠結(jié)的砂礫層（主要為鈣質(zhì)砂）和固結(jié)成巖的次生或原生礁灰?guī)r層組成，厚達(dá)2 0 0 0 m以上，這些開(kāi)發(fā)建設(shè)都避不開(kāi)深厚的原狀或吹填鈣質(zhì)砂地基。鈣質(zhì)砂地基承載力低、變形大，限制了工程建設(shè)，因此對(duì)鈣質(zhì)砂地基進(jìn)行加固研究，具有重要的實(shí)踐意義。

鈣質(zhì)砂是一種海洋生物（珊瑚、海藻、貝殼等）成因的，富含碳酸鈣或其他難溶碳酸鹽類物質(zhì)（通常CaCO3含量5 0 %以上）的特殊巖土介質(zhì)，其礦物成分主要為文石、白云石、方解石（含Mg＜1 %）和鎂方解石（含 Mg＞1 %）[1-8]。鈣質(zhì)砂主要物質(zhì)來(lái)源為造礁珊瑚、珊瑚藻及其他海洋生物的骨架殘骸在原地沉積或近源搬運(yùn)沉積[6]，保留著原生生物骨架中的細(xì)小孔隙，顆粒具有多孔隙（含有內(nèi)孔隙）、形狀不規(guī)則、易破碎、易膠結(jié)等特點(diǎn)，其工程力學(xué)性質(zhì)與一般陸相、海相沉積物相比，有較明顯的差異[2-4]。

我國(guó)南海的開(kāi)發(fā)建設(shè)避不開(kāi)深厚的原狀或吹填鈣質(zhì)砂地基，而鈣質(zhì)砂孔隙比高、壓縮性大、承載力低，因此，有必要深入研究其工程地質(zhì)特性，正確認(rèn)識(shí)和掌握其加固規(guī)律和方法。目前鈣質(zhì)砂地基的加固方法主要有擾動(dòng)加固（如夯實(shí)、擠密、振沖等）、原位加固（如微生物固化技術(shù)、注漿等）和樁基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的擾動(dòng)加固對(duì)提高鈣質(zhì)砂地基承載力和抗?jié)B能力有限，微生物固化技術(shù)尚未進(jìn)行工程應(yīng)用，樁基礎(chǔ)施工機(jī)械復(fù)雜、成本高，而注漿技術(shù)是巖土工程中提高地基承載力和抗?jié)B性的有效加固方式，且施工簡(jiǎn)單、成本低，已經(jīng)形成了非常成熟的理論和施工方法，但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)鈣質(zhì)砂注漿加固研究非常少[9-14]。

本文采用四種注漿材料，分別為復(fù)合硅酸鹽水泥、超細(xì)水泥、水玻璃-氯化鈣、超細(xì)水泥-水玻璃，對(duì)不同注漿材料的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究；進(jìn)行了鈣質(zhì)砂注漿試驗(yàn)，分析了不同材料的可注性和固結(jié)體強(qiáng)度，比選了適合鈣質(zhì)砂的注漿材料，為鈣質(zhì)砂地基注漿加固提供了參考。

1 水泥類漿液性能

試驗(yàn)用復(fù)合硅酸鹽水泥，為馬鞍山海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·C 32.5R水泥，超細(xì)水泥為山東康晶新材料科技有限公司生產(chǎn)的k1340型號(hào)超細(xì)灌漿水泥，采用Winner 2000激光粒度分析儀測(cè)試兩種水泥的顆粒粒度，分別見(jiàn)表 1、表 2，分布曲線如圖1，兩種水泥的基本物性指標(biāo)見(jiàn)表3。

表1 復(fù)合硅酸鹽水泥顆粒粒徑分析

表2 超細(xì)水泥顆粒粒徑分析

表3 復(fù)合硅酸鹽水泥和超細(xì)水泥基本物性指標(biāo)[15]

圖1 水泥顆粒粒徑分析及分布曲線

2 水玻璃-氯化鈣漿液性能

水玻璃原液模數(shù)3.1，波美度40，按公式1配成相應(yīng)的波美度，具體濃度及配比見(jiàn)表 4。工程應(yīng)用上通常是1:1雙液注漿，因此，水玻璃溶液和氯化鈣溶液各取50 ml，混合后，倒杯法測(cè)試凝膠時(shí)間，記錄見(jiàn)表5。

式中：

V0表示水玻璃原液體積；

A為其波美度值（°Bé）；

V水表示兌水體積；

B表示兌水稀釋后的波美度值（°Bé）。

表4 不同波美度溶液兌水與原液體積比

表5 不同配合比的水玻璃-氯化鈣溶液凝結(jié)時(shí)間記錄

從表5可知，當(dāng)水玻璃濃度一定時(shí)，氯化鈣濃度低于4 %時(shí)，凝結(jié)時(shí)間在數(shù)分鐘至十幾分鐘，且濃度越低，時(shí)間越長(zhǎng)；氯化鈣溶液濃度為5 %～10 %時(shí)，漿液瞬間凝結(jié)；氯化鈣濃度12 %以上時(shí)，漿液混合后，很快凝結(jié)成冰沙狀，攪拌1分鐘后，呈糊狀，不成形，靜置 24小時(shí)以上，狀態(tài)沒(méi)有改變；說(shuō)明氯化鈣濃度5 %～10 %時(shí)，化學(xué)反應(yīng)最充分，高于或低于此濃度，化學(xué)反應(yīng)都會(huì)受抑制。當(dāng)氯化鈣溶液濃度低于4 %且一定時(shí)，凝結(jié)時(shí)間隨水玻璃濃度先減小再增大，在30 °Bé時(shí)最小，說(shuō)明30 °Bé時(shí)化學(xué)反應(yīng)最充分。不同配比下，凝結(jié)體的強(qiáng)度較小，手捏就碎，故不做強(qiáng)度試驗(yàn)。成模較好的凝結(jié)體（水玻璃濃度25 °Bé，氯化鈣濃度5 %）體積收縮較大，14 d抗壓強(qiáng)度才達(dá)到3 kPa，變形達(dá)20 %時(shí)仍不破壞，卸載時(shí)變形恢復(fù)，說(shuō)明凝結(jié)體強(qiáng)度很小，具有很好的彈性。

3 超細(xì)水泥-水玻璃漿液性能

3.1 漿液凝膠時(shí)間

超細(xì)水泥漿液和水玻璃溶液各取 50 ml，混合后，倒杯法測(cè)試膠凝時(shí)間如表6。

表6 不同配合比的凝結(jié)時(shí)間記錄 /s

水灰比一定時(shí)，凝結(jié)時(shí)間隨水玻璃濃度變化情況如圖2（a）所示，水玻璃濃度一定時(shí)，凝結(jié)時(shí)間隨水灰比變化情況如圖2（b）所示。

圖2 不同配合比凝結(jié)時(shí)間變化

由圖2可知，超細(xì)水泥-水玻璃漿液的凝結(jié)時(shí)間隨水玻璃濃度和水泥漿液水灰比的變化規(guī)律很明顯，總體而言，當(dāng)水玻璃濃度一定時(shí)，凝結(jié)時(shí)間隨水灰比的增大而增大。當(dāng)水灰比一定時(shí)，凝結(jié)時(shí)間隨水玻璃濃度增大而增大。從注漿堵水的角度看，減小波美度可以縮短漿液凝結(jié)時(shí)間，達(dá)到加速止水目的，但注漿后結(jié)石體強(qiáng)度可能會(huì)變低；減小水灰比可以縮短凝結(jié)時(shí)間，但擴(kuò)散范圍可能會(huì)變小。從注漿加固的角度看，增大波美度可以增大漿液凝結(jié)時(shí)間，從而漿液擴(kuò)散更遠(yuǎn)，但價(jià)格更高；增大水灰比可以增大凝結(jié)時(shí)間，從而漿液擴(kuò)散更遠(yuǎn)，但注漿后結(jié)石體強(qiáng)度可能降低。因此，實(shí)際工程，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)環(huán)境，通過(guò)試驗(yàn)確定漿液配比。

3.2 漿液凝結(jié)體抗壓強(qiáng)度

漿液凝結(jié)體強(qiáng)度是影響鈣質(zhì)砂注漿后結(jié)石體強(qiáng)度的重要影響因素，配置3個(gè)濃度的水玻璃溶液和3個(gè)水灰比的超細(xì)水泥漿液，按體積比1:1混合后測(cè)試3 d和28 d抗壓強(qiáng)度，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 不同配比3 d和28 d抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

當(dāng)水灰比一定時(shí)，凝結(jié)體抗壓強(qiáng)度隨水玻璃變化如圖3（a）所示，可知，當(dāng)水灰比較小時(shí)（≤1.5），凝結(jié)體強(qiáng)度隨水玻璃濃度增大先升高后下降，在25 °Bé時(shí)達(dá)到最大；當(dāng)水灰比較大時(shí)（=3），凝結(jié)體強(qiáng)度隨水玻璃濃度增大略微升高，說(shuō)明超細(xì)水泥-水玻璃漿液反應(yīng)時(shí)，水玻璃濃度存在一個(gè)較優(yōu)的濃度，大于或小于這個(gè)濃度，都會(huì)削弱凝結(jié)體強(qiáng)度。當(dāng)水玻璃濃度一定時(shí)，凝結(jié)體抗壓強(qiáng)度隨水灰比變化如圖3（b）所示，可知，凝結(jié)體強(qiáng)度隨水灰比增大而下降，并且下降的速度先快后慢，這是因?yàn)槌?xì)水泥-水玻璃反應(yīng)所需的水量一定，水灰比越大，凝膠體內(nèi)多余的水分就越多，反而削弱了凝膠體強(qiáng)度。隨時(shí)間的增長(zhǎng)，凝結(jié)體強(qiáng)度增大，前期增長(zhǎng)較快，后期增長(zhǎng)較慢，3 d抗壓強(qiáng)度能達(dá)到28 d抗壓強(qiáng)度的32 %～91 %。

圖3 不同配合比超凝結(jié)體抗壓強(qiáng)度

4 不同注漿材料對(duì)鈣質(zhì)砂加固試驗(yàn)效果分析

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

采用上述4種注漿材料，分別對(duì)鈣質(zhì)砂進(jìn)行注漿加固，分析兩種水泥類漿液對(duì)鈣質(zhì)砂的可注性，對(duì)不同注漿材料的鈣質(zhì)砂固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行比較，優(yōu)選出適合鈣質(zhì)砂地基注漿加固的注漿材料，為鈣質(zhì)砂注漿加固領(lǐng)域的理論研究和工程應(yīng)用提供一定參考。

4.2 試驗(yàn)裝置及操作

模擬實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，由空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)漿桶、模具、回漿桶組成，各裝置通過(guò)高壓軟管和閥門連接?？諝鈮嚎s機(jī)提供注漿壓力；儲(chǔ)漿桶存放注漿液；模具由有機(jī)玻璃管（厚×直徑×高：5 mm×50 mm×100 mm）、上蓋、下蓋及緊固螺桿構(gòu)成，鈣質(zhì)砂注漿固結(jié)體生成裝置；回漿桶回收溢出的漿液。

操作時(shí)，先將有機(jī)玻璃管內(nèi)壁涂抹凡士林，下蓋上放透水石，再倒入鈣質(zhì)砂，砂子上放濾片，將上蓋套好密封，擰緊螺桿，將配好的漿液倒入儲(chǔ)漿桶，通過(guò)高壓軟管將空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)漿桶、模具連接。該裝置不僅可以進(jìn)行水泥類漿液可注性試驗(yàn)，還可得到標(biāo)準(zhǔn)的鈣質(zhì)砂固結(jié)體試塊進(jìn)行強(qiáng)度分析。復(fù)合硅酸鹽水泥漿液和超細(xì)水泥漿液，只需要一個(gè)儲(chǔ)漿桶；水玻璃-氯化鈣漿液，先注水玻璃再注氯化鈣；超細(xì)水泥-水玻璃漿液，先注超細(xì)水泥漿液，再注水玻璃溶液。

圖4 鈣質(zhì)砂注漿試驗(yàn)裝置模型

4.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)用鈣質(zhì)砂來(lái)自我國(guó)南海某島礁，天然鈣質(zhì)砂多為珊瑚碎枝，采用機(jī)械破碎，烘箱 10小時(shí)烘干后，用振篩機(jī)篩分，按《土的工程分類》（GB/T 50145-2007）[16]將砂粒分為粗砂（0.5 mm＜d≤2 mm）、中砂（0.25 mm＜d≤0.5 mm）和細(xì)砂（0.075 mm＜d≤0.25 mm）三組。在對(duì)比水泥類漿液可注性時(shí)，水灰比采用1.5和2，注漿壓力采用0.3 MPa和0.5 MPa，注漿過(guò)程中，軟管回漿桶處流出漿液時(shí)，結(jié)束注漿，如無(wú)漿液流出，保持注漿時(shí)間5 min后結(jié)束注漿。注漿完畢后，取下軟管清洗，觀察模具內(nèi)砂樣的注入效果。漿液充滿有機(jī)玻璃管認(rèn)為是完全注入，漿液注入不到1 cm認(rèn)為是完全不注入，漿液注入大于1 cm且小于10 cm認(rèn)為是注入不充分。

選取特定工況，采用不同注漿材料進(jìn)行鈣質(zhì)砂注漿試驗(yàn)，對(duì)不同注漿材料的鈣質(zhì)砂固結(jié)體強(qiáng)度進(jìn)行初步的分析和比較，為將來(lái)系統(tǒng)研究不同工況下各注漿材料對(duì)鈣質(zhì)砂加固效果規(guī)律提供思路和參考。

4.4 水泥類漿液的可注性分析

根據(jù)試驗(yàn)方案編組，對(duì)復(fù)合硅酸鹽水泥和超細(xì)水泥進(jìn)行鈣質(zhì)砂注漿試驗(yàn)，各工況下的注入情況如表8所示。

表8 復(fù)合硅酸鹽水泥和超細(xì)水泥對(duì)鈣質(zhì)砂的注入情況

表9 砂層可注性判定

多學(xué)者對(duì)砂層介質(zhì)的可注性進(jìn)行了深入研究，提出了相應(yīng)的判定參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表 9，這些研究主要是通過(guò)被注介質(zhì)孔隙直徑與注漿材料粒徑的關(guān)系比來(lái)確定，當(dāng)注漿液顆粒尺寸與介質(zhì)孔隙相比較小時(shí)，則能注入，反之則不能注入。從表 1、2可以看出超細(xì)水泥顆粒比復(fù)合硅酸鹽水泥更細(xì)，說(shuō)明超細(xì)水泥對(duì)鈣質(zhì)砂注漿具有更好的可注性，表 8試驗(yàn)結(jié)果給出了驗(yàn)證。

結(jié)合表1、2和表8、9可知，對(duì)于復(fù)合硅酸鹽水泥漿液，注入粗砂時(shí)，有D15/d85=14，D10/d90=11，D10/d95=8，查表9可注，實(shí)際在注漿壓力0.3 MPa時(shí)，注入不充分，在注漿壓力0.5 MPa時(shí)，完全注入；注入中砂時(shí)，有D15/d85=6，D10/d90=5，D10/d95=5，查表4-2不可注，實(shí)際不可注。對(duì)于超細(xì)水泥漿液，注入粗砂時(shí)，有D15/d85=77，D10/d90=58，D10/d95=44，查表9可注，實(shí)際可注；注入中砂時(shí)，有D15/d85=36，D10/d90=28，D10/d95=21，查表9可注，實(shí)際在水灰比為1.5時(shí)，注入不充分，在水灰比為2時(shí)，完全注入；注入細(xì)砂時(shí)，有D15/d85=12，D10/d90=9，D10/d95=7，查表9不可注，實(shí)際不可注。上述分析表明，當(dāng)鈣質(zhì)砂孔隙直徑和注漿液粒徑比滿足表 9不可注的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，實(shí)際注漿不管多大壓力和多大水灰比，都是不可注，說(shuō)明鈣質(zhì)砂孔隙直徑和注漿液粒徑比是可注性的決定因素；當(dāng)鈣質(zhì)砂孔隙直徑與注漿液粒徑之比滿足表9可注的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，比值越大，越容易注入，當(dāng)比值較小時(shí)，還受漿液水灰比和注漿壓力的影響，水灰比和注漿壓力越大，注入越充分，說(shuō)明文獻(xiàn)[20]中的標(biāo)準(zhǔn)考慮因素更多，更符合注漿實(shí)際，可作為鈣質(zhì)砂可注性的參考。

4.5 不同注漿材料的鈣質(zhì)砂固結(jié)體強(qiáng)度分析

在特定工況下，對(duì)3種不同注漿材料進(jìn)行鈣質(zhì)砂注漿加固試驗(yàn)，測(cè)試鈣質(zhì)砂固結(jié)體7 d強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表10。鈣質(zhì)砂注漿前抗壓強(qiáng)度很小，可視為0，注漿后，鈣質(zhì)砂固結(jié)體強(qiáng)度得到大幅提高，結(jié)石體7 d抗壓強(qiáng)度最高能達(dá)到1.096 MPa。從表10可以看出，對(duì)于同一種砂樣的固結(jié)體，超細(xì)水泥-水玻璃＞超細(xì)水泥＞水玻璃-氯化鈣；超細(xì)水泥注漿后固結(jié)體強(qiáng)度明顯高于水玻璃-氯化鈣注漿后固結(jié)體強(qiáng)度，前者是后者的7～8倍；超細(xì)水泥-水玻璃注漿后固結(jié)體強(qiáng)度比超細(xì)水泥注漿后固結(jié)體強(qiáng)度高23 %～62 %；三種不同的注漿材料，對(duì)中砂的固結(jié)體強(qiáng)度都要大于粗砂的固結(jié)體強(qiáng)度，這是因?yàn)橹猩氨却稚翱紫渡伲w粒之間更加緊密，接觸面更過(guò)，通過(guò)漿液的粘結(jié)后強(qiáng)度更高。

表10 不同注漿材料的鈣質(zhì)砂固結(jié)體7 d抗壓強(qiáng)度

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于水泥類注漿材料，超細(xì)水泥在可注性和強(qiáng)度方面都優(yōu)于復(fù)合硅酸鹽水泥，因此可以優(yōu)先考慮超細(xì)水泥作為注漿液，不過(guò)超細(xì)水泥價(jià)格要高于復(fù)合硅酸鹽水泥。對(duì)于水玻璃-氯化鈣，因?yàn)槭钦嫒芤?，理論上可以注入任何顆粒粒徑的鈣質(zhì)砂中，水玻璃-氯化鈣凝結(jié)時(shí)間快，但結(jié)石體強(qiáng)度不高，可用于臨時(shí)加固和防滲堵漏。超細(xì)水泥-氯化鈣漿液具有凝結(jié)時(shí)間快、強(qiáng)度較大的特點(diǎn)，即可應(yīng)用于臨時(shí)加固，也可用于永久加固。

綜上所述，超細(xì)水泥在鈣質(zhì)砂注漿加固方面效果最好，下一步，可以利用超細(xì)水泥作注漿液，對(duì)鈣質(zhì)砂進(jìn)行注漿加固研究，分析不同漿液參數(shù)（如水灰比）、注漿參數(shù)（如注漿壓力）、地層參數(shù)（如顆粒粒徑、級(jí)配、孔隙率、滲透系數(shù)等）、注漿方法等條件下，鈣質(zhì)砂注漿結(jié)石體力學(xué)性能變化規(guī)律，并可開(kāi)展數(shù)值分析，為鈣質(zhì)砂注漿加固領(lǐng)域的理論研究和工程實(shí)踐提供參考。