全風(fēng)化花崗巖地層中高固相離析漿液灌漿機理研究

趙 鈺，鄭 洪，曹 函，林 飛，王旭斌，賀茉莉

（1.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，湖南 長沙 410000；3.湖南宏禹工程集團有限公司，湖南 長沙 410000）

花崗巖廣泛分布于我國南方地區(qū)，受氣候、礦物、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、裂隙和生物等因素的影響，易發(fā)生不均勻風(fēng)化[1]。對于全風(fēng)化花崗巖的物理力學(xué)性質(zhì)，國內(nèi)外學(xué)者進行了相關(guān)研究。陳愛云等[2]對黑云母花崗巖全風(fēng)化層的工程地質(zhì)特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)其具有裂隙發(fā)育、自穩(wěn)能力差的特點，在地下工程建設(shè)中易失穩(wěn)垮塌；陳洪江等[3]通過對全風(fēng)化花崗巖多項物理力學(xué)指標(biāo)進行系統(tǒng)分析，認(rèn)為各指標(biāo)之間相互關(guān)聯(lián)，且全風(fēng)化花崗巖殘積土存在變異性特征；苗勝軍等[4]通過對全風(fēng)化花崗巖加載時細(xì)觀力學(xué)特性的研究，提出其破裂演化的規(guī)律；李建新等[5]通過對南岳地區(qū)的全風(fēng)化花崗巖進行試驗研究，得出了其遇水崩解性強的特點；張素敏等[6]發(fā)現(xiàn)具有其明顯的軟巖流變特征。因此，工程上常用注漿方式對全風(fēng)化花崗巖地層進行防滲加固。目前常用的灌漿方式主要有混凝土連續(xù)墻、高壓噴射灌漿、常規(guī)帷幕灌漿[7]等，但這些方式都存在一定問題：混凝土連續(xù)墻對施工技術(shù)、施工場地及施工設(shè)備要求高，且造價高昂；高噴灌漿水力切割全風(fēng)化花崗巖時較困難，最終形成的防滲帷幕整體性較差；常規(guī)水泥灌漿則存在易塌孔、易冒漿、難封閉、吸水不吸漿等技術(shù)難題。

為探究適宜全風(fēng)化花崗巖地層防滲加固的灌漿體系，國內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)研究。羅平平等[8]對全風(fēng)化花崗巖等類似裂隙巖體灌漿中的滲透性、可灌性、灌漿準(zhǔn)則的選取在理論及數(shù)值模擬層面進行了探討；李術(shù)才等[9]對富水?dāng)嗔褞?yōu)勢劈裂注漿機制進行研究，建立了單一平板優(yōu)勢劈裂注漿擴散模型，推導(dǎo)了考慮漿液流變特征的優(yōu)勢劈裂注漿擴散控制方程；齊延海等[10]探討了不同水壓條件下疏水降壓對全風(fēng)化花崗巖富水地層注漿模擬加固效果的影響；王旭斌等[11]探討了采用高壓脈動灌漿技術(shù)自下而上封閉灌漿的可行性。針對漿液選型問題，王凱等[12]使用普通水泥漿液進行了全風(fēng)化花崗巖注漿的模擬試驗；袁敬強等[13]采用攪拌混合法制備不同普通水泥漿液充填率的注漿試樣，開展物理力學(xué)及水理性試驗；涂鵬等[14]對于海底隧道中注漿材料強度劣化規(guī)律及使用壽命進行了研究；張健等[15]對普通水泥漿液和水泥-水玻璃漿液2 種漿液的加固效果進行了對比分析研究；張貴金等[16]則對黏土水泥膏漿流變性能及其對灌漿的影響進行了試驗研究。上述研究在注漿理論、試驗及工程實踐等方面對改進全風(fēng)化花崗巖地層灌漿體系進行了探索，具有一定參考價值，但是鮮有人考慮到由于常規(guī)水泥漿液本身為懸濁液，其難以完全注入巖體微裂隙和空隙，防滲加固效果較差，而且注漿過程中易冒漿，產(chǎn)生浪費的同時也增加了施工成本。因此選取注漿效果及經(jīng)濟效益優(yōu)良的漿液體系顯得尤為重要。

鑒于此，本文以湖南省郴州市莽山水庫防滲加固注漿項目工程主副壩段深厚層全風(fēng)化花崗巖地層為研究對象，選取以當(dāng)?shù)鼗◢弾r顆粒為主要原材料的高固相離析漿液開展系統(tǒng)的注漿模擬試驗研究，通過對不同注漿壓力、不同取樣位置試樣的物理力學(xué)試驗，分析該漿液體系的防滲加固效果及實用意義，揭示該漿液在全風(fēng)化花崗巖地層注漿中的擴散機理，以期對今后類似工程項目提供指導(dǎo)。

1 試驗材料

1.1 注漿材料

由于普通硅酸鹽水泥作為灌漿材料普遍存在凝結(jié)時間過長、早期強度不高的缺陷，不能完全滿足灌漿要求。若想滿足灌漿需要且能應(yīng)用于實際工程中，注漿材料必須具備凝結(jié)速度快、早期強度高及流動性較好等特點。根據(jù)這一情況，本次注漿試驗中采用了配方（水泥∶膨潤土∶全風(fēng)化花崗巖砂土∶水∶HY-1）的高固相離析漿液。具體要求如下：

水泥：選用湖南婁底漣源水泥廠生產(chǎn)的海螺牌普通硅酸鹽水泥（PO42.5），其細(xì)度通過80 μm 方孔篩的篩余量小于5%。

膨潤土：選用四川仁壽興大工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的鈉質(zhì)基膨潤土，有機物含量不宜大于3%。

全風(fēng)化花崗巖砂土：為全風(fēng)化花崗巖經(jīng)過10 mm方孔篩網(wǎng)過篩所得。

宏禹1 號（HY-1）：為湖南省宏禹工程集團有限公司生產(chǎn)的添加劑，具有使?jié){液增稠、速凝、早強等效果。

該漿液配方的基本參數(shù)如下：塌落度160 mm，擴展值36 mm，稠度90 mm，析水率/結(jié)實率1%/99%，初凝時間和終凝時間分別為3 h 和5.5 h。

1.2 全風(fēng)化花崗巖地層特

試驗土樣取自湖南省郴州市莽山水庫主副壩交界處的全風(fēng)化花崗巖地層，土樣基本物理性質(zhì)如下：天然密度2.08 g/cm3，干密度1.84 g/cm3，含水率12.83%，孔隙率37%。使用德國BRUKER 公司生產(chǎn)的New D8 型衍射儀對全風(fēng)化花崗巖試樣粉末進行了X-RD礦物成分定量分析，土體礦物組成及各部分質(zhì)量參數(shù)見圖1，其中，石英、高嶺石、長石、云母、方解石、赤鐵礦含量分別為13.83%、42.57%、31.27%、8.84%、1.26%、2.23%。粒徑級配曲線見圖2。

圖1 全風(fēng)化花崗巖X-RD 測試結(jié)果Fig.1 X-rd test results of the fully weathered granite

由圖1可知，該地全風(fēng)化花崗巖礦物成分主要由石英、高嶺石、長石組成，黏土礦物含量高，對水的敏感性強，易水化膨脹，壩體長久浸泡在水中，自身的結(jié)構(gòu)強度會受到影響。

由圖2可知，該土樣總體顆粒級配良好，粒徑分布范圍廣，其中2～10 mm 的礫粒組占總質(zhì)量的40%左右，小于0.1 mm 的細(xì)粒組平均占總質(zhì)量4%，0.1～2 mm粒徑范圍內(nèi)的砂粒組平均占總質(zhì)量的60%，由土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)[17]可知該地層組成以砂粒組為主。

圖2 全風(fēng)化花崗巖土樣顆粒級配曲線Fig.2 Granule gradation curves of the fully weathered granite soil samples

2 試驗方案設(shè)計

2.1 注漿模擬試驗

基于張貴金等[18]室內(nèi)模擬試驗裝置基礎(chǔ)上研發(fā)的大型室內(nèi)試驗系統(tǒng)如圖3所示，主要由千斤頂反作用力平臺、注漿腔體、砂漿注漿泵、漿液攪拌桶4 部分組成。

圖3 注漿模擬試驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the grouting simulation test device

砂漿注漿泵型號為衡陽中地裝備鉆探工程機械有限公司生產(chǎn)的BWS100/7 無極變速高壓脈動注漿泵，泵速33～108 r/min，流量30～100 L/min，最高工作壓力7 MPa。試驗所用注漿腔體形狀為圓筒狀，直徑×高度為56 cm×80 cm，縱向分為相等的兩半并由螺栓連接，以方便取樣，桶壁厚2 cm，壁上均勻分布泄流孔，用于裝載全風(fēng)化花崗巖土樣。千斤頂反作用力平臺主要作用為固定注漿腔體及提供上覆荷載以防止注漿時發(fā)生地層抬動。試驗步驟如下：

（1）對全風(fēng)化花崗巖原狀土烘干并篩除粒徑超過10 mm 的塊石（含量極低，為避免尺寸效應(yīng)故篩除）；（2）每層填筑高度為5 cm，根據(jù)測得含水率（12.8%）及天然密度（2.08 g/cm3）計算得到每層土體中需加入的水及土的質(zhì)量分別為2.91，22.71 kg，加入后將土體夯實到指定高度；（3）待注漿腔體填筑完畢后靜置6 h；（4）連接好注漿管路，開啟攪拌桶，將水、水泥、膨潤土、全風(fēng)化砂、宏禹1 號按配方依次加入進行攪拌；（5）攪拌均勻后開啟注漿泵，調(diào)整泵速，觀察壓力表示數(shù)，待達到試驗預(yù)設(shè)終壓后，停止注漿。（6）注漿結(jié)束12 h 后，打開注漿腔體，在指定位置進行取樣（圖4）。

圖4 取樣點位置圖Fig.4 Schematic diagram of the sampling point location

2.2 物理力學(xué)試驗

對注漿前試樣與在不同注漿壓力條件下取樣點A、B 處試樣分別進行無側(cè)限單軸抗壓強度、直接剪切、氣測滲透率試驗，研究該漿液在不同的注漿壓力下對于全風(fēng)化花崗巖強度特性、滲透性的影響情況及漿液擴散模式機理。注漿前全風(fēng)化花崗巖原位取樣和注漿后結(jié)石體試樣如圖5所示。

圖5 注漿前全風(fēng)化花崗巖原樣（a）和注漿后結(jié)石體試樣（b）Fig.5 Completely weathered granite samples before grouting (a)and stone sample after grouting (b)

2.2.1 單軸抗壓強度試驗

無側(cè)限單軸抗壓強度試驗采用濟南一諾世紀(jì)實驗儀器有限公司的YDW-100 型微機控制巖石拉伸劈裂實驗機。試驗時采用位移加載方式，加載速度為2 mm/min，根據(jù)土工試驗規(guī)程[19]，試樣為直徑50 mm、高度100 mm 的圓柱體。注漿結(jié)束12 h后取樣，試驗前需在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護28 d。

2.2.2 直接剪切試驗

直接剪切試驗所用試驗儀器為濟南礦巖實驗儀器有限公司生產(chǎn)的YZ-6 型數(shù)顯式巖石直剪儀。法向壓力分別選取300，400，500 kPa，采用手動加載方式，控制剪切速率約為2 mm/min，測得在不同注漿壓力、不同法向壓力情況下的注漿前后試樣抗剪強度。試驗試樣為直徑50 mm、高度50 mm 的圓柱體，注漿結(jié)束12 h 后取樣，試驗前需在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護28 d。

2.2.3 滲透試驗

注漿前試樣采取常水頭試驗方式測試滲透率，試驗儀器選用南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的TST-70 型土壤滲透儀。灌漿后試樣采取氣測方式測試滲透率，試驗儀器為江蘇聯(lián)友科研儀器有限公司生產(chǎn)的KXD-Ⅱ型孔隙度滲透率聯(lián)測儀，注漿后試樣尺寸要求為直徑25 mm、高度50 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，在注漿完成12 h 后取樣，養(yǎng)護28 d 后進行試驗。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 單軸抗壓試驗

單軸抗壓強度試驗結(jié)果如圖6、表1所示，通過對取樣點A 和取樣點B 處所取試樣進行的單軸抗壓強度試驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，隨著注漿壓力的提高，A、B 處所取試樣的單軸抗壓強度均顯著提高（圖中注漿壓力為0 的點代表原狀土樣的單軸抗壓強度），其中，取樣點A 處所取試樣在不同壓力下的單軸抗壓強度均大于B 處所取試樣，當(dāng)注漿壓力在0.0～0.5 MPa 時，A 處所取試樣強度增幅最大，0.5 MPa 時試樣單軸抗壓強度為未注漿時的7.33 倍，注漿壓力在0.5～1.5 MPa之間時增幅較為穩(wěn)定，1.5 MPa 時試樣強度為未注漿時的13.67 倍；B 處所取試樣在注漿壓力達到0.5 MPa 之前增幅較緩，0.5 MPa 時強度為注漿前的3.25 倍，超過0.5 MPa 后增幅呈現(xiàn)增大趨勢，而當(dāng)注漿壓力增大到1.0 MPa 后，單軸抗壓強度增幅再次變緩，注漿壓力在1.0～1.5 MPa 時單軸抗壓強度分別為注漿前的7.58 倍、10.08 倍。

圖6 單軸抗壓強度與注漿壓力關(guān)系Fig.6 Relationship between uniaxial compressive strength and grouting pressure

表1 取樣點A，B 不同注漿壓力下單軸抗壓強度實驗結(jié)果Table 1 Experimental results of uniaxial compressive strength at sampling point A and B under different grouting pressures

3.2 直接剪切試驗

不同注漿壓力條件下取樣點A、B 所取試樣在法向壓力分別為300，400，500 kPa 時的抗剪強度值如表2所示。分別選取σn=400，500 kPa 時不同注漿壓力、不同取樣點試樣的抗剪強度進行分析，注漿壓力與抗剪強度關(guān)系見圖7。由圖7、表2可知，取樣點A、B 所取試樣在不同法向壓力下的抗剪強度都隨著注漿壓力的增大而提高，取樣點A 處所取試樣在不同法向壓力、不同注漿壓力情況下的抗剪強度總是大于取樣點B 處試樣。法向壓力σn=400 kPa 時，取樣點A 試樣抗剪強度在注漿壓力0.0～0.5 MPa 段上升幅度較大，0.5 MPa 時強度為未注漿土體試樣的2.07 倍，0.5～1.5 MPa 段上升幅度較小，1.0，1.5 MPa時強度分別為未注漿土體試樣的2.47 倍、2.88 倍。取樣點B 試樣抗剪強度在0～0.5 MPa 段上升較緩，0.5～1.0 MPa 段幅度增大，1.0～1.5 MPa 又再次變緩，注漿壓力為0.5，1.0，1.5 MPa 時的抗剪強度分別是未注漿土樣強度的1.36 倍、2.05 倍、2.25 倍。法向壓力σn=500 kPa 時，取樣點A、B 所取試樣抗剪強度隨注漿壓力增長規(guī)律與σn=400 kPa 時基本相同，取樣點A 所取試樣在注漿壓力為0.5，1.0，1.5 MPa時的抗剪強度分別是未注漿土樣強度的2.12 倍、2.32 倍、2.69 倍，取樣點B 則為1.63 倍、2.15 倍、2.31 倍。

表2 取樣點A，B 試樣抗剪強度實驗結(jié)果Table 2 Experimental results of shear strength of sample at sampling of point A and B

圖7 不同法向應(yīng)力時抗剪強度與注漿壓力關(guān)系Fig.7 Relationship between shear strength and grouting pressure of different normal stress

3.3 滲透試驗

采用氣測方式進行滲透率測試，所用氣體為氮氣，試驗原理為當(dāng)氣體以一定流速通過巖樣時，在巖樣兩端建立壓差，根據(jù)巖樣兩端的壓差和氣體的流速，利用達西定律即可求出巖樣的滲透率，換算得到巖樣滲透系數(shù)：

式中：Q2—通過巖芯出口處的氣體流量/（cm3·s-1）；

ΔP—巖芯入口處與出口處的氣體壓差；

P—巖芯出口處的氣體壓力；

μg—氣體的黏度/（MPa·s）；

L—巖芯長度/cm；

F—巖芯截面積/cm2；

γ—流體重度/（N·cm-3）；

μ—流體的動力黏滯系數(shù)/（MPa·s）。

出口處氣體壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，其值為101.325 kPa，試驗時室溫為18 ℃，空氣黏度為0.017 99 MPa·s，流體重度取9.8×10-3N/cm3，動力黏滯系數(shù)為1.061×10-6kPa·s。計算得到不同注漿壓力條件下不同取樣位置試樣滲透系數(shù)結(jié)果如表3所示。

表3 不同取樣位置注漿壓力與滲透系數(shù)Table 3 Relationship between grouting pressure and permeability at different sampling locations

由表3可知，不同位置所取試樣的滲透系數(shù)均隨注漿壓力的增大降低。試驗測得未注漿土樣的滲透系數(shù)為4.7×10-4cm/s，根據(jù)水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[20]，其滲透性等級為中等透水。注漿壓力提升至0.5 MPa 與1.0 MPa 時，滲透系數(shù)數(shù)量級由10-4降為10-5，滲透性等級為弱透水。當(dāng)壓力提升至1.5 MPa時，取樣點A 處試樣滲透系數(shù)數(shù)量級達到了10-6，滲透性等級為微透水。

將取樣點A、B 注漿壓力與滲透系數(shù)對應(yīng)點擬合為二次曲線，如圖8所示，方程分別為：

圖8 不同取樣點試樣注漿壓力與滲透系數(shù)關(guān)系Fig.8 Relationship between grouting pressure and permeability of the samples at different sampling points

取樣點A：y=0.75x2-2.131x+2.434 5，R2=0.982 4

取樣點B：y=0.53x2-1.661x+2.444 5，R2=0.987 3

在注漿壓力0～1.5 MPa 之間，取樣點A 擬合曲線方程斜率的絕對值總是大于取樣點B，對應(yīng)取樣點A 處試樣滲透系數(shù)隨注漿壓力增大降低幅度始終大于取樣點B 處試樣，A、B 擬合方程斜率逐漸趨向于0，對應(yīng)曲線趨于平緩，說明注漿壓力在0～1.5 MPa 之間滲透系數(shù)變化幅度逐漸減小。

4 漿液作用機理分析

4.1 強度特性分析

根據(jù)尚彥軍等[21]、趙柳等[22]、李曉鄂[23]等關(guān)于全風(fēng)化花崗巖微觀特性的研究，全風(fēng)化花崗巖中孔隙以大孔隙和中小孔隙為主，范圍為30%～50%，礦物成分以石英居多，長石含量小于50%，而正?；◢弾r礦物長石含量占2/3 以上，長期的不均勻風(fēng)化導(dǎo)致花崗巖結(jié)構(gòu)遭到破壞，膠結(jié)物和長石等易風(fēng)化礦物破碎流失，在自重和外力作用下形成裂縫和孔隙，直接影響了全風(fēng)化花崗巖的密實程度、力學(xué)特征與滲透能力。該高固相離析漿液注漿可以有效改善這一情況。當(dāng)注漿壓力在0～0.5 MPa 時，由于壓濾效應(yīng)影響，漿液中的水分在壓力作用下濾過土體，漿液濃度升高，高濃度的漿液首先向注漿管口周邊的土體裂縫孔隙中滲透。如前文所述，高固相離析漿液以全風(fēng)化花崗巖顆粒為主體材料，而該地全風(fēng)化花崗巖顆粒中含有大量的高嶺石等黏土礦物，這些黏土礦物與膨潤土一同發(fā)生水化膨脹，充填裂隙孔隙。隨著注入漿液的增多，空間填充完畢，開始形成憋壓，在注漿管口附近聚集形成柱狀漿泡，高濃度的水泥漿液置換掉周圍松散土體。由于漿泡的強度遠遠大于全風(fēng)化花崗巖的強度，因此在取樣點A 處試樣單軸抗壓強度與直剪強度增幅明顯。對于取樣點B 處，由于漿液在此壓力范圍內(nèi)無法對地層形成劈裂，形成的漿泡也比較小，因此取樣點B 處地層除了滲入的少量漿液外，最主要是由于土體擠密壓縮，裂縫閉合，孔隙變小而引起的土體力學(xué)強度升高。當(dāng)注漿壓力在0.5～1.0 MPa 范圍時，管口處漿泡擴張，繼續(xù)擠密地層。當(dāng)注漿壓力上升至大于地層啟劈壓力后，土體沿著最薄弱面產(chǎn)生裂隙，漿液進入裂隙沿徑向擴展，產(chǎn)生劈裂面。隨著壓力繼續(xù)增大，劈裂面的數(shù)目增多，部分劈裂面互相貫通，漿脈擴展，提高了漿脈周圍土體密實度。這表現(xiàn)為取樣點A 處強度上升幅度減小，而取樣點B 處由于漿脈的形成增幅變大。

注漿壓力在1.0～1.5 MPa 范圍時，漿泡繼續(xù)擴張，漿脈沿徑向繼續(xù)延伸、加粗，形成的劈裂面數(shù)量增多，劈裂面之間相互貫通，表現(xiàn)為A、B 兩點處土體強度上升幅度減小。

4.2 滲透性分析

數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，原狀全風(fēng)化花崗巖的滲透率較大，平均滲透系數(shù)為4.7×10-4cm/s，屬于中等透水等級，注漿對于改善全風(fēng)化花崗巖的滲透率效果顯著。在不同注漿壓力下，A、B 取樣點所取試樣的滲透率均顯著下降，達到10-5甚至10-6數(shù)量級，透水等級也降低為弱透水、微透水。取樣點A 處試樣滲透系數(shù)在不同注漿壓力下均小于B 處試樣。運用SEM 掃描電鏡手段進行原因分析，掃描電鏡結(jié)果見圖9。

原狀全風(fēng)化花崗巖樣品在1 000 倍、3 000 倍鏡下可以看出，全風(fēng)化花崗巖存在團粒狀、片狀、塊狀、細(xì)粒狀微觀結(jié)構(gòu)，顆粒表面不平整，侵蝕嚴(yán)重，礦物連接松散、礦物之間存在空隙、帶狀裂隙及亞微米級孔隙。礦物間隙為風(fēng)化長石被沖刷帶走形成，留下黑云母、石英等礦物；巖體有強烈的風(fēng)化作用，空隙發(fā)育，影響巖體整體的結(jié)構(gòu)性，導(dǎo)致其滲透率較高，力學(xué)強度較低。。

注漿后樣品孔隙率遠遠低于注漿前。在注漿過程中，巖體顆粒之間由漿液充當(dāng)膠結(jié)物進行連接，漿液中的膨潤土與全風(fēng)化花崗巖顆粒所含的大量黏土礦物吸水膨脹，堵漏效果顯著。同時水泥發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化產(chǎn)物（纖維狀或花瓣狀的水化硅酸鈣晶體（C-S-H）、針狀的鈣礬石晶體（AF_t）等）充填于孔隙中，不但對土顆粒有膠結(jié)作用，甚至相互膠結(jié)形成連續(xù)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使加固體強度得到提升，密實程度提高，孔隙率的降低使其滲透率也明顯下降。

取樣點A 所處位置比取樣點B 更靠近注漿管口，在一定注漿壓力下注入漿液量更多，由圖9（b）、（c）中明顯看出，取樣點A 處試樣孔隙較取樣點B 處試樣更少，裂隙填充及顆粒之間的膠結(jié)也更明顯，取樣點B 試樣漿液水化生成的纖維狀、針狀晶體只是部分膠結(jié)，并沒有完全填充裂隙，導(dǎo)致其強度和滲透率變化小于取樣點A 試樣。這說明在注漿過程中，水化產(chǎn)物生成及漿液膠結(jié)巖體顆粒的過程隨著注入土體的漿液量增多而逐漸發(fā)生，這也是距離注漿管越近的土層防滲加固效果越好的影響因素。

圖9 全風(fēng)化花崗巖原樣和注漿后試樣SEM 掃描電鏡圖Fig.9 Scanning electron microscope (SEM) images of the original samples of the ompletely weathered granite and the samples after grouting

4.3 漿液擴散模式及機理分析

對不同注漿壓力下注漿試驗結(jié)束后的結(jié)石體取樣，試樣形態(tài)特征如圖10所示。

圖10 不同注漿壓力下結(jié)石體形態(tài)Fig.10 Stone body shape under different grouting pressures

當(dāng)注漿壓力為0.5 MPa 時，漿液首先沿著孔隙與裂縫滲透，在注漿管管口處形成直徑12.5 cm、厚度5.5 cm 的球狀漿泡，漿泡周圍土體被擠密。當(dāng)注漿壓力達到1.0 MPa 時，注漿口管口處形成厚度為7.4 cm漿泡的同時，土體擠密現(xiàn)象更明顯，又產(chǎn)生了主劈裂面及次生劈裂面1 和2。沿徑向首先在漿泡周圍較薄弱面形成主劈裂面，隨著壓力逐漸增大，又在主劈裂面的基礎(chǔ)上形成次生劈裂面1，并在另一薄弱面方向形成次生劈裂面面2。當(dāng)壓力損耗之后的殘余壓力剛好下降至與地層啟劈壓力相等時，漿液無法繼續(xù)往前劈裂擴展。當(dāng)注漿壓力達到1.5 MPa 時，注漿口管口處形成11.3 cm 的漿泡，沿徑向形成4 個較為明顯的劈裂面，形成的所有劈裂面之間彼此貫通，形成了1 個中間凸、四周凹的圓餅狀結(jié)石體，此現(xiàn)象與鄒建等研究結(jié)果相吻合[24]。

綜合上述分析可知，該高固相離析漿液在全風(fēng)化花崗巖注漿的過程中存在3 個階段：滲透擴散、擠密壓縮、劈裂擴展。

注漿剛開始時漿液首先滲透充填至土體的孔隙和空隙中，表現(xiàn)為滲透注漿機理；待空間被漿液填充完畢后開始起壓，周圍土體被擠密，裂縫閉合，孔隙減少，表現(xiàn)為壓密注漿機理；實際上壓密灌漿和劈裂灌漿兩個階段之間并沒有嚴(yán)格的區(qū)分。隨著壓力上升，漿泡逐漸增大，導(dǎo)致漿泡周圍的土體強度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等增大。當(dāng)壓力超過土體的啟劈壓力時，漿液沿著土體的薄弱面擴散，產(chǎn)生一個或多個劈裂面。壓力增長至一定程度后，劈裂面之間相互貫通，表現(xiàn)為劈裂注漿機理。綜合上述分析，該離析漿液對于全風(fēng)化花崗巖地層防滲加固注漿效果顯著，注漿時上部的黏土水泥顆粒可以深入到全風(fēng)化花崗巖的裂縫中，下部的大顆粒水泥砂漿可以對全風(fēng)化花崗巖地層進行擠密，有效提高地層強度，降低滲透率。

5 結(jié)論

（1）設(shè)計了一種適用于全風(fēng)化花崗巖地層注漿的室內(nèi)模擬試驗裝置，實現(xiàn)了漿液在整個注漿過程中的擴散情況模擬，且方便注漿后完整結(jié)石體取樣。

（2）以全風(fēng)化花崗巖顆粒為主體的高固相離析漿液在全風(fēng)化花崗巖地層注漿中效果顯著。該離析漿液上部的黏土水泥顆?？梢陨钊氲饺L(fēng)化花崗巖的裂縫中，下部的大顆粒水泥砂漿可以對全風(fēng)化花崗巖地層進行擠密。隨著注漿壓力提高，灌后土體單軸抗壓強度提高3.25～13.67 倍，抗剪強度提高1.63～2.69 倍，滲透率下降至10-5cm/s 甚至10-6cm/s。

（3）土體強度與滲透率增幅最大總是發(fā)生于漿液最先接觸地層階段，擠密地層使強度與滲透率上升較小，漿液中固體成分充填孔隙裂縫是改變土體強度與滲透率的最重要因素。

（4）以全風(fēng)化花崗巖顆粒為主體的高固相離析漿液在全風(fēng)化花崗巖地層注漿時存在滲透擴散、擠密壓縮、劈裂擴展3 個階段，是一種復(fù)合注漿形式。