基于滲濾效應(yīng)的砂土注漿加固機(jī)理研究

秦鵬飛 閆 然 鐘宏偉 黃 莉

(1.西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000;2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道工程學(xué)院,河南 鄭州 451000;3.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院馬克思主義學(xué)院,河南 鄭州 451000)

隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的縱深推入,我國經(jīng)濟(jì)迎來了高速發(fā)展的黃金期,土木、水利、礦業(yè)等各項(xiàng)建設(shè)蓬勃發(fā)展。含水砂層是目前工程建設(shè)中經(jīng)常揭露的不良地層,含水砂層力學(xué)強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)成分復(fù)雜,受開挖擾動(dòng)易產(chǎn)生坍塌、潰砂、地表沉陷等災(zāi)害。北京地鐵14號(hào)線、江西蓮花山隧道、廣深城際區(qū)間站等工程建設(shè)中,由于沒有及時(shí)治理含水砂層產(chǎn)生的隱患,造成了比較嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。

通過注漿可以有效封堵地下水的滲流通道,提高砂層的力學(xué)強(qiáng)度和抗?jié)B性能,注漿技術(shù)目前已成為水害治理、補(bǔ)強(qiáng)加固的重要技術(shù)手段。

普通硅酸鹽水泥市場(chǎng)價(jià)低、無污染,加固效果明顯(圖1(a)),是含水砂層等不良地質(zhì)加固的首選材料。水泥漿液在砂土層滲透擴(kuò)散時(shí),砂土骨架會(huì)對(duì)運(yùn)移中的水泥顆粒產(chǎn)生吸附、濾過作用,導(dǎo)致水泥顆粒在擴(kuò)散通道上不斷沉積[4-5]。水泥顆粒淤積量在一定時(shí)間范圍內(nèi)逐漸增加,最終會(huì)將漿液擴(kuò)散通道堵塞,此現(xiàn)象為“滲濾效應(yīng)”(圖1(b))。滲濾效應(yīng)顯著縮小了漿液的擴(kuò)散范圍,導(dǎo)致砂層加固強(qiáng)度和抗?jié)B效果沿程衰減[6-9]。

圖1 滲濾效應(yīng)圖示Fig.1 Diagram of infiltration effect

李術(shù)才等 指出滲濾效應(yīng)致使水泥顆粒在流動(dòng)通道上淤堵沉積(圖1(c)),砂土孔隙尺寸、漿液濃度及注漿壓力對(duì)漿液有效擴(kuò)散距離均有一定影響;馮嘯等[11]發(fā)現(xiàn)忽略滲濾效應(yīng),漿液擴(kuò)散速度、擴(kuò)散距離計(jì)算值約為實(shí)際值的1.2～2.22倍,動(dòng)界面壓力降則呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì);王凱等[12]研究表明,滲濾效應(yīng)導(dǎo)致砂土骨架產(chǎn)生了顯著的擠壓變形,滲濾效應(yīng)存在漿液流場(chǎng)與砂土應(yīng)力場(chǎng)的復(fù)雜耦合作用;朱光軒等[13]認(rèn)為適當(dāng)提高注漿壓力和注漿速率,可有效減小滲濾效應(yīng)的不利影響,改善砂土注漿的加固效果;陳鐵林等[14]基于物理模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),滲濾效應(yīng)顯著改變了漿液的擴(kuò)散形態(tài)和擴(kuò)散進(jìn)程,隨濃度衰減漿液由冪律流體轉(zhuǎn)變?yōu)榕ｎD流體。

目前滲濾效應(yīng)下漿液的擴(kuò)散速度、壓力衰減規(guī)律及漿液濃度的分布特征等,已有學(xué)者作出了積極探索并取得了一定研究成果。然而漿液擴(kuò)散規(guī)律極其復(fù)雜,砂土結(jié)構(gòu)又存在天然的不確定性,加之施工工藝多樣性的影響,現(xiàn)有研究仍不能完全滿足砂土地基項(xiàng)目建設(shè)的需要。為此本項(xiàng)目從理論、試驗(yàn)方面開展砂土注漿機(jī)理研究,分析滲濾效應(yīng)下水泥漿液的流速、壓力變化規(guī)律,水泥顆粒的運(yùn)移濾出機(jī)制及固砂體的抗?jié)B、強(qiáng)度特性。研究成果對(duì)全面提升滲透注漿的理論水平,服務(wù)分布廣闊的砂土場(chǎng)地工程建設(shè),具有一定的科學(xué)意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。

1 基本機(jī)制

水泥漿液是典型的顆粒型漿液,水泥顆粒在運(yùn)移、遷延的過程中逐漸在注漿通道上沉積。以注漿孔為中心,砂層由內(nèi)而外依次可劃分為泥漿沉積區(qū)、漿水混合區(qū)與飽和砂土區(qū)(圖2)。砂土滲透注漿鉆孔半徑r0,初始注漿壓力p0;泥漿沉積形成r～(r0,rc)的擴(kuò)散范圍,注漿壓力p1;漿液擴(kuò)散鋒面為漿水混合區(qū),半徑r～(rc,R),壓力p2;外圍為飽和砂層,半徑R,壓力pw。

圖2 滲濾效應(yīng)分析Fig.2 Analysis of infiltration effect

漿液擴(kuò)散遵從Darcy滲流定律[15],水泥漿鋒面處表示為

式中,K0、Kc分別為含水砂層的初始滲透系數(shù)及泥漿沉積區(qū)的滲透系數(shù),cm/s;ρcs、ρw分別為水泥漿液的密度和水的密度,g/cm3;g為重力加速度,m/s2。

依據(jù)高等滲流力學(xué),考慮水、水泥顆粒及砂土骨架的質(zhì)量平衡方程,并引入線性濾過定律[16-18]:

式中,μ為水泥顆粒與砂土骨架的質(zhì)量交換系數(shù),g/(cm3s);ρc、ρw、ρs分別為水泥、水和砂子的密度,g/cm3;vc、νw、νs分別為水泥顆粒、水和砂子的移動(dòng)速度,cm/s;nc、nw、ns分別為水泥顆粒、水和砂子的單位體積百分含量;λ為滲濾系數(shù),s-1;n0為砂土初始孔隙率;δ為孔隙中的水泥顆粒含量。

滲濾效應(yīng)下水泥顆粒的運(yùn)移基本方程及漿液鋒面速度、壓力表達(dá)式[19-20]:[10]

式中,ν0為漿液孔口流速,cm/s;φ為漿液中水泥顆粒的體積含量,無量綱;p′為水在潔凈砂土中運(yùn)移rc的壓力降,kPa;m、j為壓力降標(biāo)量。

2 砂土注漿試驗(yàn)

本次試驗(yàn)所用砂子取自鄭州市象湖生態(tài)公園濕地,天然含水量13%～16%,篩分得其顆粒級(jí)配曲線見圖3(a)。為便于分析對(duì)比,砂土注漿試驗(yàn)共設(shè)計(jì)1.2、1.4和1.6計(jì)3個(gè)不同的孔隙比。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,砂土孔隙比

式中,ds為砂土相對(duì)密度;w為含水率,ρw、ρs為水和砂子的密度,g/cm3。由計(jì)算公式可以求出不同孔隙比對(duì)應(yīng)的砂料質(zhì)量,稱重后倒入注漿模型中。注漿模型為白色塑料PVC管,內(nèi)徑50 mm,長度40～50 cm。試驗(yàn)采用漿液自流的方式進(jìn)行灌注,注漿壓力設(shè)計(jì)為50、75、100 kPa,將紅色塑料管提升一定高度后固定,倒入水泥漿使其在自重作用下注入砂層(圖3(b))。

圖3 滲濾效應(yīng)下砂土注漿試驗(yàn)Fig.3 Sand grouting test under seepage effect

試驗(yàn)漿材為河南建筑工程公司生產(chǎn)的礦渣硅酸鹽水泥和中原水泥廠生產(chǎn)的聚合物超細(xì)水泥,水灰比設(shè)計(jì)為 0.6∶1、0.8∶1 和 1∶1。 注漿試驗(yàn)前對(duì)漿液比重、初終凝時(shí)間、屈服強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試,漿液比重采用高精度比重計(jì)進(jìn)行測(cè)定,初終凝結(jié)時(shí)間采用ISO標(biāo)準(zhǔn)維卡儀進(jìn)行測(cè)定,屈服強(qiáng)度、塑性黏度采用NDJ-1旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)進(jìn)行測(cè)定[21-23]。本次試驗(yàn)所配置漿液基本性能見表1、表2。

表1 礦渣硅酸鹽水泥漿液基本性能Table 1 Basic properties of slag Portland cement slurry

表2 超細(xì)水泥漿液基本性能Table 2 Basic properties of superfine cement slurry

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同試驗(yàn)條件下漿液的擴(kuò)散距離柱狀圖見圖4～圖 6,其中 1、2、3 代表礦渣硅酸鹽水泥漿液,4、5、6 代表超細(xì)水泥漿液。

3.1 擴(kuò)散距離分析

圖4為統(tǒng)計(jì)分析的漿液擴(kuò)散距離。圖4表明漿液水灰比越大,相同實(shí)驗(yàn)條件下漿液擴(kuò)散距離越大,反之水灰比越小漿液擴(kuò)散距離就越小。這是由于水灰比與漿液濃度呈反比,水灰比越小水泥顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,受砂土骨架攔截、吸附、捕獲的機(jī)率越大,水泥顆粒濾出阻塞孔隙通道后,致使?jié){液擴(kuò)散終止。同樣孔隙比也在一定程度上影響著滲透注漿的效果,孔隙比越小砂土孔隙尺寸越小,漿液的擴(kuò)散路徑逐漸被阻斷。其他條件相同的情形下,不同水灰比水泥漿液極限擴(kuò)散距離相差2.3～2.6倍,不同孔隙比水泥漿液極限擴(kuò)散距離相差2.7～3.1倍。

圖4 漿液擴(kuò)散距離統(tǒng)計(jì)分析Fig.4 Stastic analysis of slurry diffusion distance

圖5為不同注漿壓力下的漿液擴(kuò)散距離。圖5顯示隨注漿壓力增加,礦渣、超細(xì)水泥漿液的滲透擴(kuò)散距離均有所增加。這表明注漿壓力是漿液輸送、擴(kuò)散的主要?jiǎng)恿?注漿壓力的提高保證了漿液流動(dòng)的舒暢性,一定程度上克服了滲濾效應(yīng)的不利影響,有效擴(kuò)散距離顯著增加。與此同時(shí)水灰比的增加降低了漿液濃度,削弱了滲濾效應(yīng)的負(fù)面作用,漿液擴(kuò)散距離相應(yīng)增加。其他試驗(yàn)條件一致的情形下,不同注漿壓力水泥漿液極限擴(kuò)散距離相差1.6～1.9倍,不同水灰比水泥漿液極限擴(kuò)散距離相差2.5～2.8倍。

圖5 不同注漿壓力下漿液擴(kuò)散距離分析Fig.5 Analysis of slurry diffusion distance under different grouting pressures

圖6為不同孔隙比下的漿液擴(kuò)散距離。從圖6可以看出,砂土孔隙比與漿液擴(kuò)散距離正相關(guān),孔隙比越大漿液的流動(dòng)路徑越長,孔隙比越小則漿液的擴(kuò)散范圍越小。這是由于孔隙比減小時(shí),砂土孔隙尺寸明顯減小,水泥顆粒極易被砂土骨架捕獲并沉積,導(dǎo)致擴(kuò)散通道阻塞。同樣,注漿壓力減小會(huì)使?jié){液輸送能力變差,嚴(yán)重降低砂土注漿加固的效果。其他試驗(yàn)條件保持不變的情形下,不同孔隙比水泥漿液最大擴(kuò)散距離相差2.9～3.2倍,不同壓力水泥漿液最大擴(kuò)散距離相差2.6～3.0倍。

圖6 不同孔隙比下漿液擴(kuò)散距離分析Fig.6 Analysis of slurry diffusion distance under different porousities

3.2 強(qiáng)度分析

注漿試驗(yàn)28 d后對(duì)砂土結(jié)石體進(jìn)行了強(qiáng)度測(cè)試,其外表形態(tài)、細(xì)觀形態(tài)及破壞形態(tài)見圖7、圖8。由圖可知級(jí)配砂土成分復(fù)雜,結(jié)構(gòu)不規(guī)則,局部區(qū)域主要由粉細(xì)砂占據(jù),孔隙尺寸小未被漿液有效充填。滲濾效應(yīng)導(dǎo)致漿液在砂土內(nèi)部分布不均勻,造成結(jié)石體強(qiáng)度的離散性和弱化性,在一定程度上降低了注漿加固的效果。結(jié)石體強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見表3。

圖7 砂土結(jié)石形態(tài)分析Fig.7 Morphological analysisof sand stone

圖8 破壞形態(tài)分析Fig.8 Morphological analysis of failure sand stone

表3 砂土強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 3 Sand strength test results MPa

4 結(jié) 語

滲濾效應(yīng)對(duì)漿液有效擴(kuò)散范圍、加固效果具有顯著影響,基于滲流力學(xué)的一般原理和質(zhì)量守恒,對(duì)漿液擴(kuò)散速度、壓力及水泥顆粒運(yùn)移、濾出機(jī)制進(jìn)行了分析,并采用礦渣硅酸鹽水泥、聚合物超細(xì)水泥對(duì)含水砂層進(jìn)行了注漿試驗(yàn)。理論推導(dǎo)和模型試驗(yàn)表明,漿液水灰比、注漿壓力及介質(zhì)孔隙率均在一定程度上決定著注漿加固效果。隨水灰比和孔隙比減小,漿液濃度增加,有效擴(kuò)散范圍減小;注漿壓力減小,漿液擴(kuò)散分布不均衡,在一定程度上也降低了注漿加固的效果。研究結(jié)果對(duì)于含水砂層注漿治理具有一定的參考價(jià)值和學(xué)術(shù)意義。