北疆地區(qū)風(fēng)積沙注漿加固技術(shù)研究

蔡 忍，何 寧，張桂榮，李登華，周彥章

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024；2.江蘇政泰建筑設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，江蘇 宿遷 223800)

風(fēng)積沙在我國北方沙漠地區(qū)廣泛分布，具有顆粒較細(xì)且均勻、粉黏粒含量低、含水率低等特點(diǎn)[1]，與其他成因砂類土相比，工程性質(zhì)差異顯著，采用常規(guī)方法難以滿足大規(guī)模開展以風(fēng)積沙為主要填筑材料的工程建設(shè)需要。以往沙漠地區(qū)曾被視作工程建設(shè)的禁區(qū)，工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)匱乏，關(guān)于風(fēng)積沙工程性質(zhì)和工程應(yīng)用的研究成果較為少見。隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，陸續(xù)在北方沙漠地區(qū)完成了很多公路、輸氣管道、大型引調(diào)水工程等工程建設(shè)，針對(duì)不同類型建設(shè)項(xiàng)目開展了風(fēng)積沙工程特性的理論和試驗(yàn)研究工作，探索總結(jié)了風(fēng)積沙材料的應(yīng)用方法和施工工藝等，積累了較為豐富的研究成果和寶貴的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[1]。在已有的利用風(fēng)積沙作為工程填筑材料的工程實(shí)踐和研究大多都是基于風(fēng)積沙壓實(shí)機(jī)理的研究，主要集中在碾壓密實(shí)方面，且大多采用物理級(jí)配改良技術(shù)，可借鑒的成果有限。新疆伊犁地區(qū)正在開展大規(guī)模的輸、調(diào)水工程建設(shè)，渠線工程不可避免的要穿越沙漠地區(qū)，該區(qū)域風(fēng)積沙具有風(fēng)積沙的普遍工程特點(diǎn)[1-7]：(1)風(fēng)積沙的擊實(shí)曲線普遍具有“雙峰值”，即在最小含水率和最優(yōu)含水率時(shí)均可得到一個(gè)相對(duì)較大的干密度(最大干密度)，但兩種含水率狀態(tài)下得到的干密度值有所差異；(2)隨風(fēng)積沙中黏粉粒含量的增加，其擊實(shí)干密度增大，含水率對(duì)干密度的影響趨于明顯，擊實(shí)曲線也逐步向黏性土過渡；當(dāng)黏粉細(xì)顆粒質(zhì)量百分比超過一定比例時(shí)，其擊實(shí)特征與黏性土類似。當(dāng)風(fēng)積沙黏粉顆粒超過5%以后，其擊實(shí)特征會(huì)發(fā)生比較明顯的改變；(3)采用不同的擊實(shí)試驗(yàn)方法，得到的最大干密度值相差較大，表明擊實(shí)方法不同對(duì)擊實(shí)效果的影響較大；(4)顆粒非常均勻，含水率低，滲透系數(shù)大。

新疆沙漠地區(qū)渠堤填筑施工僅能在高溫干燥的夏秋天，攤鋪砂層和碾壓過的砂層都存在失水較快問題，導(dǎo)致碾壓好的填筑層失水成松散狀態(tài)，難以滿足運(yùn)輸上料重載工程車正常行走，上料困難，影響正常的填筑施工。針對(duì)風(fēng)積沙具有的工程特性，工程建設(shè)單位開展了系列研究，分別采用土工布包裹、土工格柵加筋[8]、固化等技術(shù)對(duì)筑堤風(fēng)積沙進(jìn)行加固處理，但仍難以滿足工程建設(shè)需要。國內(nèi)外在風(fēng)積沙穩(wěn)定技術(shù)和化學(xué)固沙技術(shù)方面開展了大量的試驗(yàn)研究與應(yīng)用，試驗(yàn)結(jié)果表明：水泥[9-10]、石灰[11-12]等無機(jī)膠凝材料與風(fēng)積沙拌和后，加固效果較好；化學(xué)高分子類固沙劑[13-15]，固沙速度快、效果好，但大部分研究局限于在風(fēng)積沙土層表面形成堅(jiān)固的結(jié)皮層，僅能抵御風(fēng)力侵蝕，對(duì)于深層加固的研究較少。

本文基于對(duì)自滲注漿和負(fù)壓注漿兩種注漿加固技術(shù)的對(duì)比研究，分析注漿加固砂體不同深度的物理力學(xué)參數(shù)的變化，以實(shí)現(xiàn)增加砂粒間黏聚力為目標(biāo)，解決失水松散砂體上料的問題。

1 試驗(yàn)方案及過程

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用風(fēng)積沙取自于新疆某沙漠，根據(jù)不同工程項(xiàng)目的試驗(yàn)和研究結(jié)果，同一沙漠的不同區(qū)段，風(fēng)積沙的顆粒均勻、含水率低、粉黏粒含量低等特點(diǎn)及化學(xué)成分等特征基本變化不大，其滲透性指標(biāo)基本在同一量級(jí)范圍。試驗(yàn)用風(fēng)積沙干燥狀態(tài)下的最大干密度為1.55 g/cm3，最小干密度為1.29 g/cm3，風(fēng)積沙的滲透系數(shù)為5.89×10-3cm/s，試驗(yàn)中控制風(fēng)積沙密度在1.54 g/cm3左右，風(fēng)積沙的顆粒級(jí)配曲線見圖1。

圖1 風(fēng)積沙顆粒級(jí)配曲線

注漿材料為聚醋酸乙烯乳液(PVAc，下文中均用PVAc表示)。PVAc[16]是一種常用的粘結(jié)材料，具有價(jià)格低、使用方便、粘結(jié)強(qiáng)度高、無毒無害、對(duì)環(huán)境無污染等特點(diǎn)，作為膠粘劑和涂料廣泛用于織物粘結(jié)、木材加工、建筑裝潢等諸多行業(yè)中，同時(shí)也被應(yīng)用于固砂。試驗(yàn)中注漿材料是濃度為3.08%的PVAc水溶液。

1.2 試驗(yàn)裝置

為方便注漿后取樣，自滲注漿試驗(yàn)?zāi)＞卟捎萌齻€(gè)高10 cm，直徑10 cm和兩個(gè)高20 cm，直徑10 cm的法蘭有機(jī)玻璃筒拼結(jié)成的高70 cm柱狀模具，模具底部為一個(gè)上下皆透氣的真空腔。負(fù)壓注漿試驗(yàn)?zāi)＞卟捎萌齻€(gè)長30 cm、直徑10 cm和一個(gè)長20 cm、直徑10 cm的法蘭有機(jī)玻璃筒拼結(jié)成的長110 cm柱狀模具，模具上部是一個(gè)帶孔的有機(jī)玻璃蓋，可以安裝閥門與注漿管相連，模具底部為一個(gè)上下皆透氣的真空腔，在真空腔底部安裝一個(gè)閥門，并通過透明塑料管與水汽分離瓶上的橡膠塞相連，水汽分離瓶通過塑料真空管與真空泵相連，真空表同樣接到水汽分離瓶上，負(fù)壓注漿中通過抽真空在砂體內(nèi)形成負(fù)壓將漿液吸入完成注漿。自滲注漿和負(fù)壓注漿裝置分別見圖2和圖3。

圖2 自滲注漿裝置

圖3 負(fù)壓注漿裝置

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)注漿技術(shù)分為自滲和負(fù)壓注漿兩大類：(1)自滲注漿：在70 cm高的模具內(nèi)填筑60 cm砂柱，利用漿液自重和入滲完成注漿；(2)負(fù)壓注漿：基于抽真空形成負(fù)壓的原理，將漿液吸入砂體內(nèi)完成注漿，試驗(yàn)分為四組交叉試驗(yàn)，每組做三次平行試驗(yàn)，其中通過將有機(jī)玻璃筒豎直和水平固定在試驗(yàn)架上來控制是否考慮自重的影響，然后利用電接點(diǎn)真空表控制水汽分離瓶中的真空度來實(shí)現(xiàn)控制砂柱中的負(fù)壓穩(wěn)定在某一個(gè)值附近，負(fù)壓注漿具體方案見表1。

表1 負(fù)壓注漿試驗(yàn)方案

1.4 試驗(yàn)過程

(1)自滲注漿：①在模具內(nèi)填筑高60 cm，密度為1.54 g/cm3的砂樣；②配置濃度為3.08%的PVAc水溶液，將漿液倒入砂樣表層，并保持5 cm的漿液高度，每分鐘記錄一次滲入深度，然后將漿液補(bǔ)滿至5 cm處，待漿液滲到砂柱底部時(shí)，記錄最終時(shí)間；③重復(fù)做三次對(duì)比試驗(yàn)，并取不同深度的砂樣開展直剪試驗(yàn)。過程見圖4(a)。

(2)負(fù)壓注漿：①在模具內(nèi)填筑密度1.54 g/cm3的砂樣，并連接好各個(gè)管道；②配置濃度為3.08%的PVAc水溶液，并倒入漿液桶內(nèi)；③打開真空泵，控制負(fù)壓大小，記錄漿液擴(kuò)散每增加5 cm的時(shí)間；④重復(fù)做三次對(duì)比試驗(yàn)，并取不同擴(kuò)散距離的砂樣做直剪試驗(yàn)。過程見圖4(b)。

圖4 注漿試驗(yàn)過程

2 結(jié)果與分析

風(fēng)積沙注漿加固試驗(yàn)表明：PVAc注入風(fēng)積沙后，風(fēng)積沙的黏聚力明顯提高，黏聚力最大可以達(dá)到67.5 kPa，接近黏聚力最小時(shí)4.5 kPa的15倍，內(nèi)摩擦角則隨著黏聚力的增加而呈減小趨勢；負(fù)壓注漿的注漿速率和有效加固深度高于自滲注漿。

2.1 自滲注漿試驗(yàn)結(jié)果

漿液自滲注漿過程中，從60 cm深砂柱底部滲出的漿液為透明無色(漿液本身是乳白色)，可見當(dāng)漿液從砂柱底部滲出時(shí)，漿液內(nèi)PVAc的含量明顯減少。自滲注漿試驗(yàn)中的注漿量、滲透深度和滲透時(shí)間分別見表2和圖5。

表2 自滲注漿的注漿量

圖5 自滲注漿滲入深度隨時(shí)間變化圖

由表2和圖5可得，自滲注漿的注漿量占待注風(fēng)積沙體積的39.92%，自滲注漿滲入60 cm深砂層所需時(shí)間在25 min左右。由于PVAc本身的粘附性和風(fēng)積沙對(duì)漿液的滲濾作用，導(dǎo)致從砂柱底部滲出的漿液變?yōu)橥该鳠o色，因此需要對(duì)已注漿砂柱分層取樣，研究每層改良后砂樣的物理力學(xué)參數(shù)，分析其改良加固效果的衰減趨勢，確定自滲注漿的有效加固深度。

圖6為自滲注漿改良風(fēng)積沙物理力學(xué)參數(shù)與入滲深度關(guān)系曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明，在20 cm深度范圍內(nèi)，改良后砂樣的黏聚力隨著入滲深度的增加而略有增加，超過20 cm后，則隨著入滲深度的增加而減小，且在漿液滲透深度達(dá)到30 cm時(shí)，黏聚力減小到24.4 kPa，隨著入滲深度的繼續(xù)增加，黏聚力減小到20 kPa以下；改良后砂樣的內(nèi)摩擦角隨著入滲深度的增加而逐漸增大，但是在50 cm以下則略有減小，且內(nèi)摩擦角均在22°以上。綜上可得：取黏聚力20 kPa以上為有效加固范圍，則自滲注漿的有效滲透深度為30 cm。

圖6 自滲注漿改良風(fēng)積沙物理力學(xué)參數(shù)與入滲深度關(guān)系曲線

2.2 負(fù)壓注漿試驗(yàn)結(jié)果

在負(fù)壓為90 kPa條件下，不論是否考慮漿液自重，漿液最終滲入真空腔內(nèi)時(shí)，仍呈乳白色，因此90 kPa負(fù)壓條件下 PVAc本身的粘附性和風(fēng)積沙的滲濾作用，對(duì)漿液中PVAc含量的影響并不明顯；在不考慮漿液自重條件下，負(fù)壓為60 kPa和30 kPa時(shí)，漿液最終滲入真空腔時(shí)，變?yōu)橥该鳠o色，表明PVAc本身的粘附性和風(fēng)積沙的滲濾作用，對(duì)漿液中PVAc含量的影響比較明顯，并且在負(fù)壓為30 kPa條件下，當(dāng)擴(kuò)散路徑長110 cm時(shí)，漿液注入緩慢，12 min漿液僅注入30 cm～40 cm且后面擴(kuò)散距離基本上不再增長，經(jīng)過多次試驗(yàn)得到，負(fù)壓為30 kPa時(shí)，最大擴(kuò)散半徑為100 cm。四組不同條件下負(fù)壓注漿的注漿量、注漿耗時(shí)和擴(kuò)散距離見表3。

表3 負(fù)壓注漿試驗(yàn)的擴(kuò)散距離、注漿量和注漿時(shí)間

從表3得：考慮漿液自重和不考慮漿液自重條件下，負(fù)壓為90 kPa時(shí)，注漿量的平均值在30%左右；不考慮漿液自重時(shí)，隨著負(fù)壓的減小注漿量逐漸增加。負(fù)壓為90 kPa時(shí)，考慮漿液自重，注漿的平均耗時(shí)為221.09 s；不考慮漿液自重，注漿的平均耗時(shí)為274.25 s，整體注漿時(shí)間比考慮漿液自重的慢了24%；不考慮漿液自重時(shí)，隨著負(fù)壓逐級(jí)減小，注漿速率大幅度減小，注漿耗時(shí)成倍增加。

圖7為90 kPa負(fù)壓條件下，是否考慮漿液自重時(shí)注漿加固風(fēng)積沙的物理力學(xué)參數(shù)與漿液擴(kuò)散距離的關(guān)系曲線，負(fù)壓注漿對(duì)風(fēng)積沙的物理力學(xué)性質(zhì)的改良效果較好。

在考慮漿液自重影響時(shí)，10 cm～90 cm擴(kuò)散距離范圍內(nèi)注漿后風(fēng)積沙的黏聚力均在50 kPa以上，且大部分大于60 kPa，僅在擴(kuò)散距離最遠(yuǎn)110 cm處，黏聚力減小到25 kPa。分析原因如下：考慮漿液自重的負(fù)壓注漿試驗(yàn)過程中，砂柱整體豎直放置，受風(fēng)積沙本身自重和負(fù)壓吸力作用，砂柱底部的砂體相對(duì)于上半部會(huì)進(jìn)一步密實(shí)孔隙減少，注漿后漿液含量相對(duì)來說較少，因此考慮漿液自重的負(fù)壓試驗(yàn)，砂柱底部的黏聚力小于砂柱上半部分。在不考慮漿液自重的負(fù)壓注漿試驗(yàn)中，除了漿液擴(kuò)散距離為10 cm和30 cm處砂樣的黏聚力在40 kPa左右，擴(kuò)散距離更大處的黏聚力均大于50 kPa。分析原因是：不考慮漿液自重的負(fù)壓注漿試驗(yàn)過程中，砂柱水平放置，整體注漿效果較好，黏聚力基本上都在40 kPa以上。

從圖7(b)可以看出：考慮漿液自重的負(fù)壓注漿試驗(yàn)中，注漿加固砂樣的內(nèi)摩擦角基本上隨著漿液擴(kuò)散距離的增加而呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，且內(nèi)摩擦角均大于24°；不考慮漿液自重的負(fù)壓注漿試驗(yàn)中，注漿加固砂樣的內(nèi)摩擦角基本上隨著漿液擴(kuò)散距離的增加而呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，且內(nèi)摩擦角基本上均大于等于20°。

圖7 90 kPa負(fù)壓條件下是否考慮漿液自重時(shí)改良風(fēng)積沙物理力學(xué)參數(shù)與漿液擴(kuò)散距離關(guān)系曲線

圖8為不考慮漿液自重時(shí)，不同負(fù)壓條件和制樣時(shí)間情況下注漿加固風(fēng)積沙的物理力學(xué)參數(shù)與漿液擴(kuò)散距離的關(guān)系曲線。不考慮漿液自重影響，負(fù)壓為90 kPa條件下，除了漿液擴(kuò)散距離為10 cm和30 cm處砂樣的黏聚力在40 kPa左右，擴(kuò)散距離更大處的黏聚力均大于50 kPa，內(nèi)摩擦角隨漿液擴(kuò)散距離的增加呈先減小后增加的趨勢。不考慮漿液自重影響，負(fù)壓為60 kPa和30 kPa條件下，增加考慮一個(gè)影響因素—制樣時(shí)間，即在單元試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭凶{完成后，取出砂樣并保持松散密封狀態(tài)一段時(shí)間后(5 d)再制成環(huán)刀樣進(jìn)行風(fēng)干養(yǎng)護(hù)，此時(shí)黏聚力整體偏小，小于90 kPa條件下的黏聚力，且隨漿液擴(kuò)散距離的增加呈先增加后減小的趨勢。增加了制樣時(shí)間，即考慮了改良砂樣經(jīng)擾動(dòng)成松散狀態(tài)后未及時(shí)壓密條件下對(duì)改良砂樣物理力學(xué)性質(zhì)的影響，在這個(gè)過程中，漿液材料在風(fēng)積沙顆粒表面形成的膠膜并沒有相互及時(shí)緊密的連接到一起，因此黏聚力整體偏小。綜上可得：取黏聚力20 kPa以上為有效加固范圍，當(dāng)負(fù)壓為90 kPa時(shí)，110 cm的砂柱均處于負(fù)壓注漿的有效擴(kuò)散范圍內(nèi)，當(dāng)負(fù)壓為60 kPa和30 kPa時(shí)，負(fù)壓注漿的有效擴(kuò)散距離為50 cm。

圖8 不同負(fù)壓條件和制樣時(shí)間情況下改良風(fēng)積沙物理力學(xué)參數(shù)與漿液擴(kuò)散距離關(guān)系曲線

自滲注漿和60 kPa、30 kPa條件下負(fù)壓注漿過程中從砂柱滲入真空腔的漿液呈透明無色(原漿液呈乳白色)，而90 kPa時(shí)滲入真空腔的漿液仍呈乳白色。表明60 kPa和30 kPa負(fù)壓不足以克服PVAc本身的粘附性和風(fēng)積沙的滲濾作用；當(dāng)負(fù)壓為90 kPa時(shí)，對(duì)漿液產(chǎn)生的吸力較大，可以有效地克服兩者的作用。

從圖9可以看出：改良砂樣經(jīng)歷直剪試驗(yàn)之后，砂樣僅從剪切面處分成上下兩部分，仍能保持成型不松散，表明改良砂樣風(fēng)干后黏聚力較原本干燥松散狀態(tài)下提升比較明顯，改良效果較好。

圖9 改良砂樣直剪后形狀

3 結(jié) 論

通過室內(nèi)風(fēng)積沙注漿試驗(yàn)，研究分析了不同注漿技術(shù)和不同注漿條件下的注漿量、注漿速率以及注漿加固風(fēng)積沙物理力學(xué)參數(shù)的變化，主要結(jié)論如下：

(1)PVAc本身的粘附性和風(fēng)積沙的滲濾作用，對(duì)漿液內(nèi)PVAc含量影響比較明顯，但是當(dāng)負(fù)壓達(dá)到90 kPa時(shí)，則能有效克服其影響。

(2)自滲注漿的注漿量占改良砂樣體積的40%左右；負(fù)壓條件下，隨著負(fù)壓減小，注漿量逐漸增加，且均小于自滲注漿的漿液量，且在負(fù)壓為90 kPa時(shí)，負(fù)壓注漿的注漿量比自滲注漿的減少了25%。

(3)自滲注漿的速率較慢，注滿60 cm深的砂柱需要25 min左右；負(fù)壓注漿的速率較快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自滲注漿，負(fù)壓為90 kPa時(shí)，注滿110 cm的砂柱耗時(shí)不超過5 min，但是隨著負(fù)壓的減小，注漿速率大幅度減小，注漿耗時(shí)成倍增加，同時(shí)漿液的自重可以有效地提高注漿速率。

(4)取黏聚力20 kPa以上為有效加固范圍：自滲注漿的有效加固深度為30 cm，超過30 cm后改良砂樣的黏聚力減小到20 kPa以下，內(nèi)摩擦角均在22°以上；當(dāng)負(fù)壓為90 kPa時(shí)，110 cm的砂柱均處于負(fù)壓注漿的有效擴(kuò)散范圍內(nèi)，黏聚力基本上在40 kPa以上，內(nèi)摩擦角均在20°以上；當(dāng)負(fù)壓為60 kPa和30 kPa時(shí)，負(fù)壓注漿的有效擴(kuò)散距離為50 cm，黏聚力基本可以達(dá)到20 kPa以上，內(nèi)摩擦角均在28°以上。

(5)砂樣注漿完成后，應(yīng)避免擾動(dòng)，如若發(fā)生擾動(dòng)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行碾壓，將砂樣恢復(fù)原狀，否則會(huì)降低改良砂樣的黏聚力。