滲濾效應(yīng)下砂土注漿加固機(jī)理試驗研究

秦鵬飛 黃 莉 蘇丹娜 鐘宏偉 邸銀橋

(1.蘭州大學(xué) 西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點實驗室,蘭州 730000;2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道工程學(xué)院,鄭州 451000)

隨著“一帶一路”倡議的縱深推進(jìn)和我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,大規(guī)模高層建筑、水利水電、深井礦山及城市地鐵等工程相繼投入建設(shè),而含水砂層是這些項目建設(shè)中經(jīng)常揭露的不良地層.含水砂層結(jié)構(gòu)松散、自穩(wěn)性差,受施工擾動極易引發(fā)塌方、涌水潰砂、地表塌陷等災(zāi)害,往往造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1-3].級配不良的含水粉細(xì)砂,其細(xì)小顆粒在地下水滲透作用下,粒間有效應(yīng)力喪失會導(dǎo)致砂層內(nèi)形成連續(xù)、貫穿的過水通道,產(chǎn)生潛蝕、流土及管涌等形式的滲透破壞.滲透破壞降低了砂層的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性,進(jìn)而誘發(fā)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、圍巖失穩(wěn),造成工程事故[4-5].

實踐表明注漿可顯著提高砂層的力學(xué)強(qiáng)度及抗?jié)B性能,注漿技術(shù)目前已成為含水砂層加固治理的有效方式.工程上常通過低壓滲透或高壓擠密-劈裂等方法,對含水砂層進(jìn)行改良處理(如圖1(a)所示).當(dāng)采用普通硅酸鹽水泥漿液對松散砂土加固時,砂土骨架會對運(yùn)移擴(kuò)散的水泥顆粒產(chǎn)生濾過、吸附作用.水泥顆粒受作用后在擴(kuò)散通道上滯留沉積,產(chǎn)生滲濾效應(yīng)(如圖1(b)所示).滲濾效應(yīng)降低了漿液的有效擴(kuò)散距離,導(dǎo)致砂層加固強(qiáng)度和抗?jié)B效果沿程衰減[6-9].

圖1 注漿加固與滲濾效應(yīng)

李術(shù)才等[10]指出受深層“滲濾效應(yīng)”的影響,水泥顆粒在多孔介質(zhì)間隙內(nèi)產(chǎn)生了大量的淤堵沉積(如圖1(c)所示),致使砂層滲透系數(shù)沿程發(fā)生不均勻的變化;馮嘯等[11]將“滲濾效應(yīng)”濾積的水泥顆粒視為砂土顆粒,通過分析顆粒型漿液的密度方程和水、水泥及砂土骨架的質(zhì)量守恒方程,計算了水泥顆粒在砂土介質(zhì)中的滲濾系數(shù)λ;王凱等[12]分析了普通水泥和超細(xì)水泥在微裂隙巖體中的滲濾機(jī)制,發(fā)現(xiàn)普通水泥的最小可注入和最小無滲濾裂隙開度分別為140μm和310μm,而超細(xì)水泥則分別為80μm 和280μm;朱光軒等[13]考慮滲流域內(nèi)各組分質(zhì)量守恒(如圖1(c)所示),采用顆粒沉積概率模型描述水泥顆粒在多孔介質(zhì)內(nèi)沉積吸附行為,建立了考慮滲濾效應(yīng)的柱形擴(kuò)散理論模型;張玉等[14]發(fā)現(xiàn)滲濾效應(yīng)下,漿液的有效擴(kuò)散距離與孔隙率、水灰比、注漿壓力及注漿時間等因素有關(guān),為便于節(jié)省材料、保證效果,建議注漿設(shè)計水灰比適當(dāng)提高0.1～0.2.

目前關(guān)于滲濾效應(yīng)對漿液濃度、流速及壓力的影響研究,取得了豐碩的成果,然而由于漿液擴(kuò)散規(guī)律的復(fù)雜性、砂層結(jié)構(gòu)的自然性及施工工藝的多樣性,現(xiàn)有研究仍不能完全滿足工程建設(shè)的需要.為此本文開展基于滲濾效應(yīng)的砂土注漿機(jī)理研究,分析水泥顆粒的運(yùn)移濾出機(jī)制、漿液的擴(kuò)散規(guī)律及固砂體的強(qiáng)度特性.本文研究成果可有效提升滲透注漿的理論設(shè)計水平,為砂土場地工程項目建設(shè)提供科學(xué)指導(dǎo).

1 基本機(jī)制

水泥漿液在砂土層運(yùn)移擴(kuò)散時,水泥顆粒發(fā)生不均勻的淤堵沉積.在漿液的擴(kuò)散通道上,由內(nèi)而外依次為泥漿沉積區(qū)、漿-水混合區(qū)和飽和砂土區(qū)(如圖2所示).注漿孔半徑r=r0,注漿壓力p=p0;泥漿沉積區(qū)半徑r0≤r≤rc,壓力p=p1;漿-水混合區(qū)半徑rc≤r≤R,壓力p=p2;飽和砂土區(qū)r=R,p=pw.

圖2 滲濾效應(yīng)分析

水泥漿鋒面處Darcy滲流定律為[15]

其中:Kc為水泥沉積層滲透系數(shù)(cm/s);K0為沙土層初始滲透系數(shù)(cm/s);ρcs為水泥漿密度(g/cm3);ρw為水的密度(g/cm3);g為重力加速度(m/s2).

依據(jù)水泥顆粒、水和砂土骨架的質(zhì)量平衡方程及線性濾過定律[16-18],見式(2)～(5):

式中:μ為質(zhì)量交換系數(shù)(g·cm-3·s-1);ρc、ρw、ρs分別為水泥顆粒、水和砂土骨架的密度(g/cm3);vc、vw、vs分別為水泥顆粒、水和砂土骨架的速度(cm/s);nc、nw、ns分別為單位體積內(nèi)水泥顆粒、水和砂土骨架的體積分?jǐn)?shù);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,可以得到滲濾效應(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],見式(6)～(8):

式中:v0為水泥漿初始流速(cm/s);φ為水泥顆粒的體積分?jǐn)?shù),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

試驗所用砂子為鄭州市賈魯河河床上的中細(xì)砂,含水率約為14%,其顆粒級配曲線如圖3(a)所示.試驗共設(shè)計3種不同的砂土孔隙比,分別為1.2、1.4和1.6.由孔隙比計算公式e=-1,可以求出不同孔隙比對應(yīng)的砂料密度及質(zhì)量,將砂子稱重后均勻裝入注漿模型中.注漿模型為建筑用給排水管(PVC管),直徑50 mm,長度50 cm.試驗的注漿壓力為50、75、100 k Pa,由漿液自重提供,即將灌漿塑料管提升一定高度形成壓力漿頭以進(jìn)行灌注.注漿試驗前對漿液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測試,根據(jù)計算公式p=γh計算出不同注漿壓力對應(yīng)的高度h,將塑料管提升至相應(yīng)高度后固定,倒入水泥漿進(jìn)行灌注,如圖3(b)所示.

圖3 滲濾效應(yīng)下砂土注漿試驗

試驗所用漿材為鄭州市水泥廠生產(chǎn)的礦渣硅酸鹽水泥和中德新亞建筑材料有限公司生產(chǎn)的聚合物超細(xì)水泥,所配置的水泥漿液水灰比分別為0.6∶1、0.8∶1和1∶1.按照規(guī)范規(guī)定對漿液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、流變參數(shù)和凝結(jié)時間等性能參數(shù)進(jìn)行了測試,漿液的塑性黏度采用NDJ-1旋轉(zhuǎn)黏度計進(jìn)行測定,凝結(jié)時間依據(jù)GB1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》,采用ISO 標(biāo)準(zhǔn)法維卡儀進(jìn)行測定[21-24].水泥漿液的基本物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1、表2.

表1 礦渣硅酸鹽水泥漿液基本性能

表2 超細(xì)水泥漿液基本性能

3 試驗結(jié)果分析

3.1 擴(kuò)散速度分析

取K0=0.64 cm/s、φ=0.47、p0=50 k Pa,將相關(guān)參數(shù)代入式(7),分析計算得到漿液擴(kuò)散速度如圖4所示.圖4 中漿液水灰比分別為1∶1、0.8∶1 和0.6∶1.從圖4可看出,隨孔隙比增加漿液擴(kuò)散速度增大,超細(xì)水泥漿液的擴(kuò)散速度略高于礦渣硅酸鹽水泥漿液.其它試驗條件相同情形下,不同水灰比水泥漿液擴(kuò)散速度相差0.7～1.6倍.

圖4 不同水灰比漿液擴(kuò)散速度分析

3.2 擴(kuò)散距離分析

圖5為不同水灰比漿液的擴(kuò)散距離,從圖中可以看出,隨水灰比增加漿液擴(kuò)散距離變大,反之隨水灰比減小漿液擴(kuò)散距離明顯減小.這是由于水灰比減小導(dǎo)致漿液濃度增加,水泥顆粒被濾出阻塞孔隙通道,漿液擴(kuò)散終止.同樣,隨孔隙比減小,孔隙尺寸縮小,滲濾效應(yīng)導(dǎo)致漿液擴(kuò)散距離減小.其它試驗條件相同情形下,不同水灰比水泥漿液最大擴(kuò)散距離相差2.6倍,不同孔隙比水泥漿液最大擴(kuò)散距離相差3.1倍.

圖5 漿液擴(kuò)散距離分析(Ⅰ)(單位:cm)

圖6為不同注漿壓力下漿液的擴(kuò)散距離,從圖中可以看出,隨注漿壓力增加,漿液擴(kuò)散距離明顯變大.這是由于注漿壓力增加提高了漿液輸送動力,水泥顆?？朔T性力、吸附力的不利影響,有效擴(kuò)散距離顯著增加.同樣,隨水灰比增加漿液濃度變小,滲濾作用減小,漿液擴(kuò)散距離有所增加.其它試驗條件相同情形下,不同注漿壓力水泥漿液最大擴(kuò)散距離相差1.9倍,不同水灰比水泥漿液最大擴(kuò)散距離相差2.7倍.

圖6 漿液擴(kuò)散距離分析(Ⅱ)(單位:cm)

圖7為不同孔隙比下漿液的擴(kuò)散距離,從圖中可以看出,隨孔隙比增加漿液擴(kuò)散距離變大,反之隨孔隙比減小漿液擴(kuò)散距離明顯減小.這是由于孔隙比減小導(dǎo)致擴(kuò)散通道尺寸變小,水泥顆粒被濾出阻塞孔隙通道,漿液擴(kuò)散終止.同樣,隨注漿壓力減小,漿液輸送能力變差,滲濾效應(yīng)導(dǎo)致漿液擴(kuò)散距離減小.

圖7 漿液擴(kuò)散距離分析(Ⅲ)(單位:cm)

其它試驗條件相同情形下,不同孔隙比水泥漿液最大擴(kuò)散距離相差3.2倍,不同壓力水泥漿液最大擴(kuò)散距離相差2.9倍.

3.3 強(qiáng)度分析

砂土結(jié)石體外觀形態(tài)、破壞形態(tài)如圖8～9所示.從圖中可以看出,級配砂土內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,局部區(qū)域顆粒細(xì)小密實度高,受滲濾效應(yīng)影響漿液未有效填充.由滲濾效應(yīng)導(dǎo)致的漿液分布不均衡性,直接決定了砂土結(jié)石體強(qiáng)度的不均衡性和離散性,在一定程度上降低了注漿加固的效果.結(jié)石體強(qiáng)度測試結(jié)果見表3.

圖8 砂土結(jié)石形態(tài)分析

圖9 破壞形態(tài)分析

表3 砂土強(qiáng)度測試結(jié)果 (單位:MPa)

4 結(jié)語

砂層等多孔介質(zhì)滲透注漿時,受吸附力、慣性力等作用漿液在砂土內(nèi)部產(chǎn)生滲濾效應(yīng).基于Darcy滲流定律、質(zhì)量守恒方程及線性濾過定律,對水泥顆粒的運(yùn)移方程、漿液鋒面速度及壓力進(jìn)行推導(dǎo),分析了多孔介質(zhì)滲濾效應(yīng)的基本機(jī)理.采用礦渣、超細(xì)水泥進(jìn)行了砂土注漿試驗,發(fā)現(xiàn)水灰比、孔隙比及注漿壓力對滲濾效應(yīng)均有顯著影響,不同水灰比、不同孔隙比、不同注漿壓力下漿液最大擴(kuò)散距離相差2～3倍.由滲濾效應(yīng)導(dǎo)致漿液在砂層分布不均衡,直接決定了結(jié)石體強(qiáng)度的不均衡和離散性,一定程度上降低了注漿加固的效果.