自膨脹高聚物在土體中擴散機理研究

石明生 楊淑琪 王利超 劉恒

摘 要：高聚物注漿材料已被廣泛應用于土質堤壩防滲加固中，但對其在土體中的擴散機理仍然缺乏深入的認識。通過鉆孔內注漿的方式進行了模型試驗和現場試驗，深入研究了高聚物注漿材料在土體中的擴散規(guī)律。試驗結果表明：高聚物注漿材料在土體中會沿垂直于注漿孔側壁的方向進行片狀劈裂擴散，并對漿液周圍的土體有擠密和滲透膠結的作用;高聚物的擴散面積隨著注漿量的增加而增加，隨著土體密度的增大而減小。

關鍵詞：擴散規(guī)律;高聚物;注漿材料;試驗研究

中圖分類號：TV41

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.09.030

引用格式：石明生，楊淑琪，王利超，等.自膨脹高聚物在土體中擴散機理研究[J].人民黃河，2021，43（9）：156-159，164.

Study on Diffusion Mechanism of Polymer Grouting Materials in Soil

SHI Mingsheng1， YANG Shuqi2， WANG Lichao3， LIU Heng4

（1.School of Water Conservancy and Environment， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China;

2.School of Architectural Design and Engineering， Hebi Polytechnic， Hebi 458000， China;

3.Henan Provincial Communications Planning & Design Institute Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China;

4.School of Civil and Transportation Engineering， Henan University of? Urban Construction， Pingdingshan 467036， China）

Abstract： Polymer grouting materials have been widely used in soil dams for seepage prevention and reinforcement， but their diffusion mechanism in soil still lacks in-depth understanding. In this paper， the model test and field test were carried out by grouting in the borehole， and the diffusion law of polymer grouting material in the soil was studied in depth. The test results show that the polymer grouting material will spread in the direction perpendicular to the side wall of the grouting hole in the soil， and it will have the effect of compacting and penetrating the cement around the slurry; The diffusion area of the material increases with the increase of the grouting amount and decreases with the increase of the soil density.

Key words： diffusion laws; polymer; grouting materials; experimental study

1 引 言

我國土質堤壩歷史悠久，地質條件復雜，安全隱患較多，滲水是其主要病害之一，因此堤壩防滲加固技術一直是研究的熱點。工程中常用的防滲技術有高壓噴射灌漿、帷幕灌漿、混凝土防滲墻、劈裂灌漿等，這些技術都存在施工周期長、對壩體擾動大、防滲體與原材料結合不夠緊密以及施工占地面積大等缺點。

高聚物注漿技術是在20世紀70年代發(fā)展起來的一種基礎工程快速維修防滲加固技術，主要應用于建筑物的地基加固、沉降抬升、混凝土面板脫空、高速公路快速修復等方面。該技術是將一定配比的高聚物注漿材料通過注漿管注入地基，待高聚物注漿材料發(fā)生化學反應后迅速膨脹固化，達到填充、防滲及加固的目的。非水反應高聚物注漿材料屬于化學灌漿材料，相較于傳統(tǒng)的注漿材料，其反應速度快、無須養(yǎng)生即可在幾秒內迅速膨脹，具有良好的耐化學腐蝕性及抗?jié)B性能且不會與水發(fā)生反應，能在各種不利環(huán)境條件下保證長期的穩(wěn)定性 [1] ，因此高聚物注漿技術在堤壩防滲修復方面同樣得到了一定的應用。

注漿材料在土體中的擴散規(guī)律是工程應用的理論基礎，目前國內外對于化學灌漿材料擴散機理的研究大多以水泥類注漿材料為主，主要是在滲透灌漿理論和劈裂灌漿理論兩個方面進行研究[2-4]。高聚物注漿材料在土體中擴散時最初為隨時間變化的賓漢姆流體，之后迅速反應膨脹填充擠密土體，這就導致了高聚物注漿材料在土體中的擴散方式不符合上述擴散理論。

李曉龍等[5]以計算流體動力學理論為基礎建立了高聚物漿液在二維裂隙中的流動擴散模型，研究了高聚物注漿材料在巖體裂隙中的擴散機制;王復明等從數值分析與試驗方法兩個角度研究了高聚物注漿材料在預制狹長窄槽中的擴散機理[6]，并在此基礎上研發(fā)了高聚物柔性防滲墻技術，采用該技術可以形成一道連續(xù)的防滲墻，達到堤壩防滲加固的目的[7-8]。然而目前針對高聚物注漿材料在土體中的擴散規(guī)律方面的研究還不夠深入[9-13]，一方面是巖體裂隙與土體介質相差甚遠，另一方面是目前的研究只考慮了注漿壓力對高聚物在土體中擴散的影響，而忽略了同樣重要的高聚物注漿量、土體密度等因素，因此全面研究高聚物注漿材料在土體中的擴散規(guī)律具有重要的理論意義和實用價值。雖然有關學者采用數值模擬的方式對高聚物在土體中的定向擴散進行了研究[14]，但缺少試驗驗證，因此筆者從試驗角度出發(fā)，研究了高聚物注漿材料在土體中的擴散方式以及高聚物擴散面積與高聚物注漿量、土體密度的關系，借此對高聚物注漿材料在土體中的擴散規(guī)律進行了研究，并對實際工程應用情況進行了分析。

2 高聚物注漿試驗

2.1 非水反應高聚物

試驗采用的高聚物注漿材料為非水反應類的多元醇和異氰酸酯兩種高聚物材料，兩者的配比為1∶1，可以在注漿設備中進行霧化并充分融合后迅速發(fā)生反應。

2.2 試驗方法

2.2.1 鉆孔方式

試驗采用的方法為鉆孔注漿法，首先在預定點打孔，在孔內放入注漿管，高聚物注漿材料在注漿壓力的作用下通過注漿管到達預定的注漿位置。本次試驗設計的注漿孔直徑為3.7 cm，孔深為130 cm。為了保證漿液在注漿孔內膨脹，在距地面30 cm處設置封孔點，利用布袋內注漿方法封孔，注漿方法如圖1所示。

2.2.2 注漿方案

模型注漿試驗方法：在試驗場內開挖一長、寬、深分別為200、60、130 cm的試驗槽，然后回填不同密度的土體進行試驗，試驗槽模型如圖2所示。土體密度設定為1.43、1.61、1.71 g/cm3，每種密度土體中注入不同質量漿液，經過前期預注漿試驗，確定每種密度下漿液質量梯度為500、750、1 000、1 250、1 500、1 750、2 000、2 250 g。

模型注漿試驗選取的土體為鄭州地區(qū)較為常見的粉土，根據室內土工試驗，其物理力學性質指標見表1。

模型注漿試驗結束后，對注漿孔進行了現場開挖，以觀察注漿效果，由擴散高度和平均擴散長度來計算高聚物的擴散面積。

3 試驗結果與分析

3.1 擴散面積與注漿量的關系

圖3為擴散面積與注漿量的關系，可以看出高聚物的擴散面積隨著注漿量的增多而增大。注漿開始后，漿液的膨脹力隨著注漿量的增加而逐漸增大，當增大到一定值時，超過土體抗拉強度，土體發(fā)生劈裂裂縫，漿液浸入裂縫，并沿裂縫擴散。高聚物的注入會逐漸擠密土體，提供更大的圍壓，導致膨脹力進一步增大，但擠密后土體的抗拉強度增大，當膨脹力小于土體抗拉強度時，不會繼續(xù)產生劈裂。當注漿量剛剛多于產生裂縫的注漿量時，隨著反應的進行膨脹力會迅速小于土體的抗拉強度，擴散停止。隨著注漿量的增加，膨脹力的減小速度變緩，擴散面積增大。

3.2 擴散面積與土體密度的關系

圖4為擴散面積與土體密度的關系，可以看出高聚物的擴散面積隨著土體密度的增大而減小，在不同的注漿量條件下，高聚物的擴散面積與土體密度呈線性關系，高聚物的擴散面積由注漿量和土體密度決定。

在同樣的含水率情況下，土體的密度越小，其孔隙率就越大，高聚物劈裂土體以及擴散時所消耗的能量就越小，因此在同樣的注漿量前提下，土體密度越小，擴散面積越大，高聚物注漿材料的擴散面積隨著土體密度的增大而減小。土體密度與注漿量是影響高聚物擴散面積的重要因素，在應用中需要根據實際情況選擇不同的參數。

3.3 高聚物在土體中的擴散方式

高聚物漿液凝固后的凝固體為薄片狀，在注漿孔的兩邊出現了兩個擴散方向，并且其擴散角度不確定，并不都是沿小主應力作用面方向擴散，而且其擴散長度不相同，如圖5所示;高聚物凝固體的最大高度基本與注漿孔有效高度一致，厚度則隨著距注漿孔的距離增大而減小，形成片狀楔形結構，最厚的地方約為2.5 cm，最薄的地方約為 0.8 cm，如圖6（a）所示;高聚物漿液在土體中擴散時不能透過細小孔隙，在注漿壓力及膨脹力的作用下會擠壓漿液周圍的土體，并對周圍土體產生滲透膠結作用，與周圍土體緊密結合，如圖6（b）所示。

從高聚物的注漿工藝及現場注漿試驗開挖觀察結果分析，兩種漿液首先在注漿槍內混合，注漿開始后，高聚物漿液發(fā)生反應并快速膨脹充滿注漿孔，在周圍土體的約束下產生越來越大的膨脹力，在注漿壓力以及膨脹力的作用下，快速擠壓周圍土體。當膨脹力足夠大時，注漿孔周圍的土體會被劈裂進而出現裂縫。由于土體并非理想的均質各向同性體，所以劈裂縫的方向并不都是沿小主應力作用面方向，而且有時還不對稱。漿液會浸入裂縫，并在膨脹力的作用下繼續(xù)流動。隨著反應的進行，高聚物繼續(xù)擴散，最后在土層中形成高聚物片狀楔形體。漿液的擴散過程如圖7所示。

高聚物漿液的擴散與土體的抗拉強度及高聚物的膨脹力有關，漿液的擴散過程遵循圓孔擴張理論，注漿孔的受力情況如圖8所示，注漿孔孔壁的土體抗拉強度σt與水平方向的主應力σ2、σ3和膨脹力P的關系為

σt=（σ2+σ3-P）-2（σ2-σ3）cos 2θ（1）

當θ=0時，抗拉強度σt最小，即

σt=3σ3-σ2-P（2）

當P>3σ3-σ2時，σt<0，此時開始出現拉應力;當P>3σ3-σ2+σt時，在注漿孔孔壁上產生裂縫，即起劈膨脹力Pc[4]為

Pc=3σ3-σ2+σt （3）

當高聚物膨脹力大于Pc時，高聚物漿液沿著注漿孔側壁垂直劈裂土體，并浸入裂縫繼續(xù)擴展，最后形成的凝固體為片狀楔形體，視為片狀劈裂擴散。因此，高

聚物注漿材料在土體中的擴散方式為片狀劈裂擴散，能夠在垂直于注漿孔側壁的某一方向形成片狀楔形體，并且在楔形體與土體的接觸面上形成漿土膠結體。

4 工程應用

根據模型試驗得到的高聚物注漿材料在土體中的擴散方式以及高聚物擴散面積與注漿量、土體密度的關系，進行高聚物注漿現場試驗。

4.1 注漿方案

現場試驗場地為駐馬店市某水庫的一段均質堤壩，地面以下3 m深度范圍內均為重粉質壤土，土層的物理力學性質指標見表2。

現場共設計6個注漿孔，孔間距為1 m，每個注漿孔注入不同的注漿量，分別為2 000、3 000、4 000、5 000、6 000、7 000 g。

4.2 注漿效果

整個注漿過程沒有發(fā)生跑漿、漏漿等事故，注漿完成后對注漿孔進行了開挖觀察，發(fā)現高聚物凝固體呈薄片狀楔形體，注漿孔附近的厚度最大，擴散方式為片狀劈裂擴散，見圖9。高聚物沿著注漿孔的兩邊劈裂土體，其擴散方向并不都是沿小主應力作用面方向擴散，擴散長度隨著注漿量的增加而增大。因此，在工程應用中高聚物的擴散方式及凝結形態(tài)與模型注漿得出的結論基本一致，且經過高聚物注漿修復后的堤壩具有良好的抗?jié)B性。

5 結 論

在模型注漿試驗的基礎上，研究了高聚物注漿材料在土體中的擴散方式以及高聚物擴散面積與高聚物注漿量、土體密度的關系，并進行了堤壩防滲工程應用，結果表明：

（1）高聚物凝固體擴散面積由注漿量和土體密度決定，隨著土體密度的增大而減小，隨著注漿量的增多而增大。

（2）高聚物注漿材料在土體中先擠壓注漿孔，在膨脹力達到3σ3-σ2+σt之后劈裂土體，并在劈裂縫中以片狀劈裂擴散的方式進行擴散，其劈裂方向為與側壁豎向垂直的任意方向，并且形成的兩個劈裂縫不一定對稱，兩個劈裂縫的擴散長度也不一定相同。

（3）高聚物固化后會形成中間厚、邊緣薄的楔形體，同時由于注漿過程中高聚物漿液會擠壓周圍土體，在滲透膠結的作用下，凝固后的高聚物楔形體會在與土體的接觸面上形成漿土膠結體。

（4）通過工程應用發(fā)現，高聚物注漿材料不能實現滲透擴散灌漿，其在土體中的擴散機理類似于劈裂灌漿。基于此擴散特性，可進一步提出應用于堤壩防滲的高聚物定向劈裂注漿技術，為高聚物定向劈裂技術以及高聚物柔性防滲墻技術提供理論支持，促進高聚物注漿技術在堤壩防滲工程上的應用。

參考文獻：

[1] 石明生.高聚物注漿材料特性與堤壩定向劈裂注漿機理研究[D].大連：大連理工大學，2011：62-97.

[2] 孫斌堂，凌賢長，凌晨，等.滲透注漿漿液擴散與注漿壓力分布數值模擬[J].水利學報，2007，38（11）：1402-1407.

[3] 錢自衛(wèi)，姜振泉，曹麗文.滲透注漿漿液擴散半徑計算方法研究及應用[J].工業(yè)建筑，2012，42（7）：100-104.

[4] 王洪恩，盧超.堤壩劈裂灌漿防滲加固技術[M].北京：中國水利水電出版社，2006：140-173.

[5] 李曉龍，王復明，鐘燕輝，等.自膨脹高聚物注漿材料在二維裂隙中流動擴散仿真方法研究[J].巖石力學與工程學報，2015，34（6）：1188-1197.

[6] WANG Fuming，GUO Chengchao，GAO Yang .Formation of a Polymer Thin Wall Using the Level Set Method[J].International Journal of Geomechanics，2014，14（5）：04014021.1-04014021.10.

[7] 王復明，李嘉，石明生，等.堤壩防滲加固新技術研究與應用[J].水力發(fā)電學報，2016，35（12）：1-11.

[8] GUO Chengchao，CHU Xuanxuan，WANG Fuming . The Feasibility of Non-Water Reaction Polymer Grouting Technology Application in Seepage Prevention for Tailings Reservoirs[J].Water Science and Technology： Water Supply，2017，18（1）：203-213.

[9] JONATHAN Kantor. The URETEK Method Drives More Effective Road and Highway Maintance[N].Columbia Daily Tribune，2004-7-13（A3）.

[10] 葉書麟.地基處理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1988：193-202.

[11] 劉嘉材.化學注漿[M].北京：中國水利水電出版社，1987：15-49.

[12] 葛家良.化學灌漿技術的發(fā)展與展望[J].巖石力學與工程學報，2006，25（增刊2）：3384-3391.

[13] 鄒金峰，徐望國，羅強，等.飽和土中劈裂灌漿壓力研究[J].巖土力學， 2008，29（7）：1802-1806.

[14] 石明生，王復明，劉恒，等.堤壩高聚物定向劈裂注漿試驗與有限元模擬[J].水利學報，2016，47（8）：1087-1092.

【責任編輯 崔瀟菡】