全風(fēng)化花崗巖地層膨潤(rùn)土-超細(xì)水泥漿液濾失特性研究

孫谞， 李建中*， 黃松， 高宇豪， 汪志韜

(1.有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)沙 410083； 2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410083)

全風(fēng)化花崗巖廣泛分布廣泛，在各種因素如地形環(huán)境、溫濕度、底層深度等影響下易發(fā)生不均勻風(fēng)化[1]，對(duì)于其物理力學(xué)和工程特性，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，周小文等[2]從孔徑分布、顆粒級(jí)配特征、土樣破壞形態(tài)與強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)性等方面對(duì)全風(fēng)化花崗巖與花崗巖殘積土進(jìn)行了比較分析。在物理力學(xué)方面，李建新等[3]進(jìn)行了崩解實(shí)驗(yàn)，得到其遇水極易崩解的結(jié)論；姚紀(jì)華等[4]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試和室內(nèi)土工試驗(yàn)，研究了溪頭水庫(kù)大壩壩基全風(fēng)化花崗巖的物理力學(xué)特性及變化規(guī)律，并計(jì)算了壩體的抗滑穩(wěn)定性；張樹坡等[5]采用礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)分析、強(qiáng)度特征和破壞模式研究，分析了贛南花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡失穩(wěn)破壞的5種模式，以坡面沖刷破壞最常見。此外還有室內(nèi)流變?cè)囼?yàn)，張素敏等[6]研究發(fā)現(xiàn)全風(fēng)化花崗巖具有明顯的軟巖流變特征；陳裕等[7]檢測(cè)了原狀樣和注漿后試樣的微觀結(jié)構(gòu)、礦物成分、比表面積和孔徑分布，并進(jìn)行了對(duì)比分析；陳愛云[8]研究發(fā)現(xiàn)，華東、華南的黑云母花崗巖全風(fēng)化層具有裂隙發(fā)育、自穩(wěn)能力差的特點(diǎn)，在地下工程建設(shè)中易失穩(wěn)垮塌。Liu等[9]對(duì)花崗巖地層的滲流-侵蝕特性進(jìn)行了研究，并建立了滲流-侵蝕耦合突水模型。對(duì)于全風(fēng)化花崗巖結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，微小裂隙極度發(fā)育，遇水極易軟化崩解的問(wèn)題，工程上常采用灌漿的方法對(duì)全風(fēng)化花崗巖地層進(jìn)行防滲加固處理[10]。

為尋找適合全風(fēng)化花崗巖地層防滲加固的灌漿體系，中外學(xué)者開展了相關(guān)研究。漿液擴(kuò)散方面，徐強(qiáng)等[11]提出了基于離散元的裂隙巖體注漿滲流應(yīng)力耦合計(jì)算方法，發(fā)現(xiàn)了各因素對(duì)漿液擴(kuò)散的影響規(guī)律；漿液黏度對(duì)注漿加固效果的也有影響，楊磊等[12]研究了不同黏度漿液的擴(kuò)散規(guī)律；Zhang等[13-14]進(jìn)行了注漿模擬試驗(yàn)，研究了不同粒徑分布和注漿壓力下的注漿擴(kuò)散規(guī)律。劈裂灌漿工藝方面，謝超等[15]探究了多個(gè)因素對(duì)起劈壓力的影響；Yun等[16]提出了確定起裂壓力、劈裂長(zhǎng)度、厚度及壓濾現(xiàn)象的解析解。工程應(yīng)用上，Zheng等[17]通過(guò)強(qiáng)度、滲透性、抗沖刷等多項(xiàng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)充填比、齡期、水流對(duì)效果影響，來(lái)確定注漿材料的最優(yōu)參數(shù)；Dou等[18]提出了鉆孔注漿與注漿相結(jié)合的脈動(dòng)注漿方法，并結(jié)合黏土-水泥漿材料對(duì)水庫(kù)壩肩進(jìn)行了注漿試驗(yàn)。漿液材料方面，朱浩龍等[19]推導(dǎo)出高固相離析漿液在注漿過(guò)程中的擴(kuò)散方程；趙鈺等[20]采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究了該漿液的加固機(jī)理和效果；盧書明等[21]采用水泥-水玻璃雙液注漿來(lái)解決隧道開挖的滲水問(wèn)題；張健等[22]開展了全風(fēng)化花崗巖地層單、雙液漿加固試驗(yàn)的研究。針對(duì)黏土水泥、濕磨水泥和超細(xì)水泥，蔣煌斌等[23]、張貴金等[24]研究了此類材料的防滲加固機(jī)理和效果。綜上，學(xué)者們?cè)谧{技術(shù)、注漿材料以及實(shí)際工程應(yīng)用方面開展了大量研究，但相關(guān)特性對(duì)注漿效果產(chǎn)生影響尚鮮見報(bào)道。

湖南省岳陽(yáng)市平江抽水蓄能電站建造場(chǎng)地內(nèi)的全風(fēng)化花崗巖地層，受到強(qiáng)烈的蝕變作用，地層內(nèi)存在從幾毫米到幾微米的大小貫通裂隙，根據(jù)前期灌漿試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)采用普通水泥漿材則無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效灌注，若采用超細(xì)水泥漿材也存在一些問(wèn)題：地層中存在超細(xì)水泥也無(wú)法進(jìn)入的裂隙，且地下水位較低，在非飽和的地層中灌漿時(shí)，漿體內(nèi)的水分隨裂隙擴(kuò)散，但水泥顆粒無(wú)法進(jìn)入一些微小裂隙，導(dǎo)致固結(jié)體因水化不足而出現(xiàn)防滲加固效果不佳的問(wèn)題，因此，提升漿材的抗濾失性是相關(guān)灌漿加固工程中急需解決的問(wèn)題。而在對(duì)膨潤(rùn)土-水泥灌漿材料配方的前期研究中，發(fā)現(xiàn)漿液的濾失特性會(huì)受到漿液配比的影響，其中主要為膨潤(rùn)土和超細(xì)水泥，鑒于此，開展進(jìn)一步的試驗(yàn)研究，設(shè)置更全面的配比來(lái)測(cè)定漿液的濾失特性，并選取其中較為典型的配比下濾失泥餅進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，從微觀角度來(lái)分析造成其濾失性質(zhì)不同的原因，最后再結(jié)合多孔介質(zhì)的有限元模擬，進(jìn)一步研究泥餅中抗濾失結(jié)構(gòu)及其分布情況對(duì)此方面特點(diǎn)的貢獻(xiàn)，以期揭示該漿液濾失特性變化規(guī)律，后續(xù)在地下水位以上相對(duì)干燥的全風(fēng)化、強(qiáng)蝕變花崗巖地層中進(jìn)行注漿施工時(shí)，能夠通過(guò)調(diào)整各組分的摻入量，或者結(jié)合研究成果選取更合適的材料，來(lái)減少漿液中水分的濾失，保證加固體的充分水化、凝結(jié)，為地層注漿加固工程項(xiàng)目提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

如圖1所示，首先采用 Mastersizer3000激光粒度分析儀對(duì)材料的粒徑進(jìn)行測(cè)定，得到材料的粒徑級(jí)配曲線，判斷材料的粒徑分布特征；然后采用ZNS-2型中壓失水儀測(cè)定材料中主要起到抗失水作用的膨潤(rùn)土的濾失特性，根據(jù)前期配方實(shí)驗(yàn)，找到適合體現(xiàn)濾失量變化規(guī)律的配比，進(jìn)行濾失量測(cè)定，最后選取合適的試驗(yàn)組，采用TESCAN公司的MIRA3型掃描電鏡，對(duì)濾失試驗(yàn)中形成泥餅的側(cè)斷面進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)，從微觀角度分析濾失特性變化原因。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Test equipment

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)根據(jù)工程需要和全風(fēng)化花崗巖的地層特性，采用普通硅酸鹽水泥摻入一定量超細(xì)水泥增加可灌性，并加入膨潤(rùn)土調(diào)節(jié)黏度、降低析水率、增強(qiáng)漿液穩(wěn)定性和抗濾失性，一方面滿足全風(fēng)化花崗巖地層的灌漿要求，另一方面也需要配合灌漿工藝進(jìn)行具體參數(shù)的調(diào)控。材料具體信息如下：①普通硅酸鹽水泥：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(P.O.42.5水泥)；②超細(xì)硅酸鹽水泥：選用山東康晶新材料科技有限公司生產(chǎn)的K1340級(jí)別超細(xì)水泥；③膨潤(rùn)土：選用山東華濰膨潤(rùn)土有限公司生產(chǎn)的800目商品鈉基膨潤(rùn)土，有機(jī)物含量小于3%，75 μm篩余量不超過(guò)3.2%。

首先針對(duì)3種材料，使用Mastersizer3000激光粒度分析儀進(jìn)行了粒徑分布測(cè)試，計(jì)算出的相關(guān)粒徑曲線參數(shù)如表1所示，計(jì)算得到材料的顆粒級(jí)配曲線如圖2所示。

數(shù)據(jù)表明，膨潤(rùn)土級(jí)配較好，粒徑均勻，從零點(diǎn)幾微米到幾十微米都有分布。相比于普通硅酸鹽水泥，超細(xì)水泥的平均粒徑更小，粒徑范圍更集中。地層的可灌比可用地層顆粒尺寸與注漿材料顆粒尺寸表示，即可灌比M，其計(jì)算公式為[23]

(1)

式(1)中：d15為地層中小于某粒徑尺寸的顆粒含量占總質(zhì)量的15%；D85為注漿材料中小于某粒徑尺寸的顆粒含量占總質(zhì)量的85%。

該全風(fēng)化花崗巖地層的d15約為0.1 mm，通過(guò)對(duì)粒徑級(jí)配進(jìn)行計(jì)算，得到了不同超細(xì)水泥摻入比下的可灌比，結(jié)果如圖3所示。

發(fā)現(xiàn)普通水泥中加入該超細(xì)水泥能夠有效地提升可灌比，漿液更容易進(jìn)入花崗巖地層的微小裂隙。針對(duì)該膨潤(rùn)土，前期試驗(yàn)進(jìn)行了不同濃度下膨潤(rùn)土漿液的馬氏漏斗黏度和濾失量測(cè)定試驗(yàn)，得到的結(jié)果如圖4所示。

表1 普通硅酸鹽水泥、超細(xì)水泥、膨潤(rùn)土級(jí)配參數(shù)Table 1 Grading parameter of ordinary portland cement, ultrafine cement and bentonite

圖2 普通硅酸鹽水泥、超細(xì)水泥、膨潤(rùn)土級(jí)配曲線Fig.2 Grading curves of ordinary portland cement, ultrafine cement and bentonite

數(shù)據(jù)表明，該膨潤(rùn)土的抗濾失特性較好，較低濃度下也能有效阻止?jié){體內(nèi)水分濾出，形成的泥皮薄而韌，折后不形成裂紋，如圖5所示。隨著膨潤(rùn)土濃度提升，濾失量明顯減小，但黏度提升也十分顯著，基本呈指數(shù)型增長(zhǎng)，因此需要控制其摻入量。

圖3 各超細(xì)水泥摻入量下漿液的可灌比Fig.3 Grouting ratio of grout with different ultrafine cement content

圖4 膨潤(rùn)土濾失量和馬氏漏斗黏度曲線Fig.4 Filtration curve and Marsh funnel viscosity curve of bentonite

圖5 膨潤(rùn)土抗濾失泥皮Fig.5 The bentonite mud cake to resist filtration

2 濾失試驗(yàn)及微觀檢測(cè)

2.1 濾失試驗(yàn)

首先根據(jù)前期試驗(yàn)，在膨潤(rùn)土含量為6%～10%范圍內(nèi)漿體的濾失特性變化較明顯，又由于倒入容器的漿液體積有限，水固比小于1.2時(shí)，漿液水分含量較少，易發(fā)生噴氣現(xiàn)象，氣壓無(wú)法維持穩(wěn)定而急劇降低，當(dāng)水固比大于1.4時(shí)，漿液結(jié)石體強(qiáng)度又不滿足工程需要，因此調(diào)整水固比為1.2、1.3、1.4，最后改變超細(xì)水泥的含量進(jìn)行試驗(yàn)。

調(diào)配漿液時(shí)，首先根據(jù)試驗(yàn)用量來(lái)量取清水，根據(jù)水固比計(jì)算出所需固體重量，再根據(jù)材料的摻入比分別稱取備好。配漿過(guò)程中，首先使用玻璃棒邊攪拌邊加入膨潤(rùn)土，全部加入后再使用泥漿攪拌機(jī)對(duì)膨潤(rùn)土漿液進(jìn)行偏心高速攪拌，讓其完全分散、充分水化，偏心攪拌法能夠促進(jìn)容器底部的膨潤(rùn)土結(jié)塊分散，攪拌時(shí)間不低于10 min；待膨潤(rùn)土漿液攪拌均勻后加入超細(xì)水泥，先用玻璃棒攪拌，使干粉消失后再用泥漿攪拌器進(jìn)行偏心高速攪拌，攪拌時(shí)間不低于10 min；最后加入普通水泥，同樣先用大玻璃棒攪拌，使干粉消失后再用小型手持水泥攪拌器進(jìn)行攪拌，使?jié){液達(dá)到均勻的狀態(tài)，攪拌時(shí)間不低于10 min。

進(jìn)行濾失試驗(yàn)時(shí)，先將均勻漿液倒入濾失杯至刻度線，后將膠圈放置好、杯口鋪上泥漿濾失專用濾紙，再蓋上杯蓋固定好，使倒置容器漿液不流出。將濾失杯安裝在失水儀上，加壓至0.69 MPa，接通加壓部分與濾失杯中間的端口，氣壓進(jìn)入濾失杯瞬間開始計(jì)時(shí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中注意氣壓降低情況，及時(shí)補(bǔ)充壓力，使其穩(wěn)定在0.69 MPa，計(jì)時(shí)到達(dá)7 min 30 s后取走量筒讀取濾失量[25]。得到數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 濾失量測(cè)定數(shù)據(jù)Table 2 The measurement data of filtration

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律。

(1)對(duì)比不同膨潤(rùn)土摻入比下的濾失量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著膨潤(rùn)土含量增大，濾失量顯著降低：當(dāng)膨潤(rùn)土含量為6%時(shí)，大部分的試驗(yàn)組都無(wú)法完成7 min 30 s的濾失試驗(yàn)而提前出現(xiàn)噴氣現(xiàn)象，即在此濃度下，漿液的抗濾失性很差，無(wú)法保持漿體內(nèi)的水分；當(dāng)膨潤(rùn)土含量為10%時(shí)，不同水固比下漿液的濾失量都較低，且變化范圍也不大，即膨潤(rùn)土較多時(shí)，其水化形成的膠體網(wǎng)絡(luò)能夠很好地阻止?jié){體內(nèi)水分濾出。漿液的失水特性主要由膨潤(rùn)土決定。

(2)一定范圍內(nèi)加入超細(xì)水泥顆粒有利于減少濾失量，各水固比、各膨潤(rùn)土濃度下，濾失量基本都在超細(xì)水泥為10%左右時(shí)達(dá)到最低，但隨著超細(xì)水泥持續(xù)增加，失水也逐漸增大，甚至超過(guò)不加超細(xì)水泥時(shí)的水平。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)

根據(jù)濾失試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，1.4水固比、8%膨潤(rùn)土、不同超細(xì)水泥含量下漿液的濾失量變化最大，因此選取了該條件下0、10%、50%超細(xì)水泥摻入量下的濾失泥餅，試驗(yàn)后馬上烘干阻止水泥水化，后掰開泥餅，取側(cè)斷面進(jìn)行處理，采用TESCAN公司的MIRA3型掃描電鏡觀測(cè)其微觀結(jié)構(gòu)，得到泥餅照片和電鏡掃描照片如圖6所示。

從圖6(a)可以看出，泥餅表面光滑，在膨潤(rùn)土膠結(jié)作用下較完整，表面不存在大裂縫作為泄水通道，發(fā)揮一定的抗失水特性。

從圖6(b)可以看出，泥餅斷面上存在表層輕微水化的水泥顆粒、膨潤(rùn)土水化膠結(jié)物以及最大能夠達(dá)到20 μm的孔隙等。膠結(jié)產(chǎn)物的主要以包裹細(xì)小顆粒黏附在大顆粒表面的形式存在，當(dāng)不加入超細(xì)水泥時(shí)，細(xì)顆粒含量非常少，黏附在大顆粒上的膠體十分常見，但由于膨潤(rùn)土含量較少，膠體難以連結(jié)起來(lái)，也無(wú)法填充顆粒間的孔隙，更不能形成一個(gè)完整的抗濾失膠體面，因此水泥顆粒本身的孔隙和顆粒之間的孔隙成為了漿體內(nèi)水分泄出的通道，導(dǎo)致膨潤(rùn)土的抗濾失性質(zhì)沒(méi)有得到很好發(fā)揮。

圖6 濾失泥餅斷面10 000倍鏡下微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 Microscopic structure of mud cake section at 10 000 magnification

對(duì)濾失量最小實(shí)驗(yàn)組的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，從圖6(c)可以看出，大顆粒之間的間隙有許多被膠體包裹的細(xì)顆粒填充，導(dǎo)致孔隙變小讓孔隙的透水性減弱；由于膨潤(rùn)土膠體包裹了細(xì)顆粒形成塊狀、球狀的膠結(jié)體，體積更大，難以附著在大顆粒表面，而是在壓力水流驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入裂隙，不同膠結(jié)體之間的相互黏結(jié)也更常見，稍大的抗濾失膜更易形成，濾失量進(jìn)一步下降。由于試樣是在干燥情況下觀察的，使得顆粒間以及顆粒本身的孔隙比較明顯，如圖中下部紅圈，但在飽水狀態(tài)下，膨潤(rùn)土水化膠體吸水膨脹幾倍到幾十倍，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，包裹超細(xì)水泥顆粒填充孔隙，能有效減少漿體內(nèi)水分從孔隙中的濾出，讓濾失量達(dá)到該膨潤(rùn)土摻入量下的最小。

觀察圖6(d)發(fā)現(xiàn)，在超量加入超細(xì)水泥時(shí)，斷面上鋪滿超細(xì)水泥顆粒及其表面的水化產(chǎn)物，即細(xì)顆粒反過(guò)來(lái)包裹了膠體，阻止其相互連結(jié)，雖然原本存在的大孔隙也被細(xì)顆粒填充，完全不見，但是水泥顆粒在水化前非常松散，并不能連接成一個(gè)完整的、密實(shí)的抗濾失膜來(lái)阻止水分濾出，同時(shí)也不具備蒙脫石吸水膨脹進(jìn)而形成凝膠的特性，甚至其本身就存在大量微小的孔隙，這些微小孔隙連貫形成的貫通微裂隙網(wǎng)作為濾水通道，如圖中方框所示，導(dǎo)致濾失量明顯增加，甚至超過(guò)不加入超細(xì)水泥的試驗(yàn)組。

綜上，通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)觀察，可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律。

(1)在膨潤(rùn)土-水泥漿液中，根據(jù)各種材料特性分析，灌漿過(guò)程中，起到抗濾失作用的成分主要是膨潤(rùn)土，依靠蒙脫石吸水膨脹形成膠體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，附著在未水化或正在緩慢水化的水泥顆粒上，填充在大水泥顆粒之間的孔隙里，阻止水分濾出。

(2)不加入超細(xì)水泥時(shí)，膨潤(rùn)土含量較少，形成的膠體主要附著在大顆粒表面，無(wú)法填充裂隙，濾失量較大；適量加入超細(xì)水泥時(shí)，增加了細(xì)顆粒含量，膠體包裹細(xì)顆粒后形成球狀，體積更大，難以黏附在大顆粒表面，更易進(jìn)入大顆粒之間的裂隙，填充度提高，濾失量降低；超量加入超細(xì)水泥時(shí)，膠體反而被細(xì)顆粒包裹，雖然裂隙的填充度達(dá)到最佳，但膨潤(rùn)土沒(méi)有起到抗失水作用，導(dǎo)致水泥顆粒本身的微小孔連貫起來(lái)成為濾水通道，濾失量達(dá)到最大。

3 多孔介質(zhì)滲流數(shù)值模擬

漿體內(nèi)水分滲流經(jīng)泥餅流出的過(guò)程可采用有限元軟件中常用計(jì)算流體力學(xué)中的多孔介質(zhì)模塊進(jìn)行數(shù)值模擬研究。對(duì)于此類多孔介質(zhì)中的緩流，可采用達(dá)西定律接口，在設(shè)定的進(jìn)出口壓力(速度)、流體黏度、介質(zhì)滲透率等參數(shù)下，對(duì)滲流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，得到其流動(dòng)參數(shù)和特征。

分析可知，膨潤(rùn)土水化形成膠體的形態(tài)和分布決定了泥餅抗濾失性能好壞，數(shù)值模擬也將從這個(gè)方面展開，模型如圖7所示。

模型根據(jù)ZNS-2型中壓失水儀的漿液容器建立，容器內(nèi)徑即為模型寬度，約76.2 mm，容器深度為模型長(zhǎng)，約65.1 mm。流體入口設(shè)置為模型的頂邊，壓力設(shè)置為0.69 MPa；出口則是模型底邊，設(shè)置為自由出口，外界壓力為0；設(shè)置重力g，方向向下。而針對(duì)濾失形成的泥餅，取厚度為15 mm，為了更清晰地展示滲流情況，兩邊各延長(zhǎng)1 mm，在該尺寸下，進(jìn)一步將其分割為6行5列共30個(gè)更小的區(qū)域，能夠進(jìn)一步通過(guò)設(shè)置不同區(qū)域的滲透率來(lái)區(qū)分膠結(jié)部分與非膠結(jié)部分。如圖8所示，將膠結(jié)物的形態(tài)與分布分為4種類型，分別為完整膜狀、小孔隙狀、大孔隙狀、分散塊狀。

流體入口設(shè)置為模型的頂邊(藍(lán)線)，壓力設(shè)置為0.69 MPa； 出口是模型底邊(黃線)，設(shè)置為自由出口，外界壓力為0圖7 多孔介質(zhì)泥餅?zāi)Ｐ虵ig.7 Porous media model of mud cake

圖8 多孔介質(zhì)泥餅內(nèi)膠結(jié)物的形態(tài)分布Fig.8 Morphological distribution of colloid in the porous media model

數(shù)值模擬具體參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)參數(shù)選取，其中關(guān)鍵參數(shù)如表3所示，對(duì)此模型進(jìn)行計(jì)算，得到各形態(tài)膠結(jié)物存在下多孔介質(zhì)泥餅內(nèi)的滲流情況如圖9所示。

從圖9可知,多孔介質(zhì)泥餅內(nèi)的滲流主要由滲透率較小的膠結(jié)體形態(tài)和分布決定。從圖9(a)看出，當(dāng)膠結(jié)體呈現(xiàn)完整膜存在時(shí)，流體難以從泥餅滲出，整體的滲流速度非常小，壓力分布也非常均勻；圖9(b)表明，當(dāng)膠結(jié)體相互的膠結(jié)效果一般時(shí)，細(xì)小裂隙存在并作為滲流通道，滲流就會(huì)從其中流向下方出口，膠結(jié)體上下的壓力差非常大，即滲流經(jīng)過(guò)小孔隙后壓力急劇減小，變化過(guò)程很短，導(dǎo)致經(jīng)過(guò)孔隙后滲流的較大速度仍保持一段距離；圖9(c)中的膠結(jié)體相互膠結(jié)更差，存在尺寸更大的孔隙，這就決定了滲流的主要流動(dòng)方向，為追求最易流動(dòng)路徑，速度云圖中甚至出現(xiàn)了閃電狀的轉(zhuǎn)折，該情況下的流體壓力則在流動(dòng)過(guò)程中逐漸減小；圖9(d)中，分散塊狀膠結(jié)體中沒(méi)有流動(dòng)，但滲流被阻擋后沿著膠結(jié)物的側(cè)邊流出模型，由于膠結(jié)體沒(méi)有有效地阻止?jié)B流流動(dòng)，流體壓力釋放很早，在遇到膠結(jié)體之前就開始下降。

圖9 各形態(tài)膠結(jié)物的多孔介質(zhì)泥餅內(nèi)滲流速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)Fig.9 Velocity field and pressure field of seepage in porous media with different Morphological distribution of colloid

此外，還計(jì)算了出口上的最大速度與線流率，數(shù)據(jù)結(jié)果如表4所示。

表3 數(shù)值模擬參數(shù)Table 3 Numerical simulation parameters

表4 模型出口最大流速和線流率Table 4 The maximum flow velocity and maximum linear flow rate at the outlet of the model

可以看出，不同膠結(jié)物形態(tài)的最大流速與線流率差別巨大，完整膜狀膠結(jié)物的抗濾失性能最佳，水分濾出量相對(duì)來(lái)說(shuō)極小；結(jié)合前面分析，膠結(jié)體雖然改變了流動(dòng)方向，但只要存在孔隙，就無(wú)法有效阻止?jié)B流在多孔介質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)，其最大滲出速度就達(dá)到了完整膜狀模型中速度的上萬(wàn)倍；隨著孔隙變大，抗濾失效果也越差，模型出口的線流率也呈現(xiàn)倍數(shù)增長(zhǎng)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)膨潤(rùn)土-水泥漿液的一系列試驗(yàn)、檢測(cè)，關(guān)于該花崗巖灌漿材料的抗濾失特性得出如下結(jié)論。

(1)該漿液體系采用普通水泥混合超細(xì)水泥的方式，能夠有效提升該漿液中細(xì)顆粒的含量，增強(qiáng)對(duì)微小裂隙的填充性能。漿液中主要起到抗濾失作用的成分是膨潤(rùn)土。

(2)采用確定水固比、膨潤(rùn)土含量和超細(xì)水泥含量的方法進(jìn)行了多組漿液濾失實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)膨潤(rùn)土含量決定了濾失量大小，而相同膨潤(rùn)土含量下，適量加入超細(xì)水泥也能有效提升漿液的抗濾失性。但超細(xì)水泥的摻入量持續(xù)增大時(shí)，濾失量也會(huì)增加，甚至超過(guò)不加入超細(xì)水泥的試驗(yàn)組。

(3)通過(guò)對(duì)抗濾失泥餅斷面的微觀結(jié)構(gòu)觀察，發(fā)現(xiàn)濾失量最低的試驗(yàn)組中，適量增加的細(xì)顆粒含量，能夠讓膠體包裹細(xì)顆粒后形成球狀，體積更大，更易進(jìn)入大顆粒之間的裂隙，提高填充度，濾失量降至最低；而不加入和超量加入超細(xì)水泥的試驗(yàn)組，都因?yàn)榕驖?rùn)土水化形成膠體的形態(tài)與分布不佳，而導(dǎo)致濾失量增大。

(4)對(duì)不同膠結(jié)體形態(tài)與分布情況下泥餅內(nèi)的滲流情況進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)在相同邊界條件下，不同膠結(jié)體形態(tài)分布決定了滲流的流動(dòng)：膠結(jié)體間的間隙決定了滲流的方向，膠結(jié)體成膜的完整性和孔隙大小決定了滲流速度及其流率的大小。