水反應(yīng)高聚物注漿材料擴(kuò)散特性現(xiàn)場試驗(yàn)研究

徐文超，何智穎，潘泓澤，黃金林

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院 廣州 510640）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國已建成8.7 萬座水庫［1-2］，絕大多數(shù)修建于20 世紀(jì)50 年代～70 年代，90%以上為土石壩。局限于當(dāng)時(shí)生活條件、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工水平，大部分水庫大壩質(zhì)量偏低，經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行，土石壩會(huì)存在安全隱患。根據(jù)堤壩工程事故統(tǒng)計(jì)，主要破壞模式有滲漏管涌、洪水漫溢、滑坡坍塌，而這些破壞模式與滲流有關(guān)［4-5］，所以對各類土石壩防滲加固是主要的工程措施［6-8］。

高聚物是一種新型加固或防滲注漿材料，具有環(huán)保安全、耐腐蝕性好、抗?jié)B性能優(yōu)良、使用壽命長、強(qiáng)度提高快，施工快捷，柔韌性好，能與巖土協(xié)調(diào)變形，能與土體緊密結(jié)合的特點(diǎn)，且注漿材料與水反應(yīng)固化時(shí)能自膨脹特征，相對于水泥等傳統(tǒng)工程材料具有密度小，增的加荷載小等優(yōu)點(diǎn)，因而成為堤壩等設(shè)施防滲加固最具發(fā)展前景的綠色加固材料［9］。

前期對水反應(yīng)高聚合物進(jìn)行了室內(nèi)注漿擴(kuò)散試驗(yàn)［9］，由于室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)＞?、注漿壓力的限制，造成了試驗(yàn)條件與注漿材料的擴(kuò)散的邊界條件與實(shí)際有所區(qū)別，為了推廣聚合物為注漿材料在工程中的應(yīng)用，還需要進(jìn)行符合現(xiàn)場實(shí)際的注漿參數(shù)，從而指導(dǎo)防滲加固的工程設(shè)計(jì)，所以本試驗(yàn)的主要目的為通過在不同土體的介質(zhì)材料現(xiàn)場注漿試驗(yàn)，得到防滲加固的設(shè)計(jì)參數(shù)，對堤壩防滲加固新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用具有重要的理論意義和工程價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

碎石、天然砂和石英砂這3 種砂石材料的物理參數(shù)指標(biāo)如表1所示，注漿材料參數(shù)如表2所示，顆粒級配曲線如圖1所示。

圖1 砂石級配曲線Fig.1 Curves of Aggregate Grading

表1 土的物理參數(shù)指標(biāo)Tab.1 Physical Parameter of Soil

表2 高聚物注漿材料參數(shù)指標(biāo)Tab.2 Parameter Indexes of Grouted Polymer Material

1.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

因?yàn)槭覂?nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)邊界條件不同，可能造成注漿材料的擴(kuò)散機(jī)理與室內(nèi)試驗(yàn)有所差異，因此，在現(xiàn)場開挖深坑，長×寬×深=1 m×0.5 m×1 m，共3 個(gè)坑，如圖2 所示，然后分別在不同坑中分層回填碎石、天然砂、石英砂，每次回填厚度約30 cm，邊回填邊壓實(shí)，最后碎石、天然砂、石英砂的回填厚度75 cm，最后坑中回填粘土25 cm，并壓密實(shí)，以防注漿過程中因?yàn)樽{壓力漿液外冒。

圖2 注漿坑開挖Fig.2 Excavation of Grouting Pit

粘土壓實(shí)后，往坑中注入水，然后靜置15 d 開始注漿試驗(yàn)。注漿點(diǎn)1、2、3 的布置位置如圖3，注漿點(diǎn)位于地面以下70 cm，注漿點(diǎn)1、2、3 的注漿時(shí)間分別為4 min、8 min、10 min，注漿速度為0.303 kg/min。

圖3 注漿點(diǎn)位置布置Fig.3 Grouting Location Layout

采用水反應(yīng)高聚物為速派克超級泡沫水反應(yīng)注漿材料，注漿前分別向坑中注入水，土體完全浸潤。當(dāng)準(zhǔn)備充分后，按比例調(diào)整好速派克超級泡沫和催化劑，并充分?jǐn)嚢瑁缓箝_動(dòng)注漿機(jī)開始注漿。注漿完成后，將泵針拔出，注漿設(shè)備和現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 注漿設(shè)備及注漿現(xiàn)場Fig.4 Grouting Equipment and Grouting Situ

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 介質(zhì)中的擴(kuò)散特征

高聚物材料注漿完后，為注漿材料充分固化，在試驗(yàn)坑中再注水，然后靜置48 h 后，對現(xiàn)場試驗(yàn)注漿固化后的材料進(jìn)行開挖，高聚物材料注漿在石英砂、天然砂、碎石擴(kuò)散特性如，擴(kuò)散直徑和擴(kuò)散長度尺寸分別如圖5～圖7 所示。高聚物注漿材料在石英砂、碎石比較的介質(zhì)，石英砂不均勻系數(shù)1.42、曲率系數(shù)0.89，碎石不均勻系數(shù)1.53、曲率系數(shù)0.92等介質(zhì)中擴(kuò)散形成的固化物都呈現(xiàn)橄欖球形，以注漿管出口為中心，向四周膨脹擴(kuò)展。而天然砂不均勻系數(shù)1.98、曲率系數(shù)0.64，介質(zhì)中擴(kuò)散形成的固化物都呈現(xiàn)樹形，以注漿管出口為中心，向四周膨脹擴(kuò)展。

在石英砂介質(zhì)中的注漿試驗(yàn)，石英砂顆粒直徑0.15～1.18，當(dāng)注漿時(shí)間為4 min，擴(kuò)散水平方向直徑20 cm，垂直方向下部大，上部小，高聚物材料擴(kuò)散后的固化物不飽滿狀態(tài)，如圖5?；注漿時(shí)間為8 min，擴(kuò)散水平方向直徑25 cm，垂直方向40 cm，除高聚物材料擴(kuò)散后的固化物的底部和頂部外，中間基本為圓柱形，形狀飽滿，如圖5?；注漿時(shí)間為10 min，擴(kuò)散水平方向直徑28 cm，垂直方向43 cm，形狀和擴(kuò)散尺寸和注漿8 min 基本相同，固化物的密實(shí)度更大，如圖5?所示。根據(jù)以上注漿實(shí)測，在石英砂介質(zhì)材料中，高聚物材料的最佳注漿時(shí)間為8 min，注漿點(diǎn)水平間距30 cm，豎向間距40 cm。

圖5 高聚物在石英砂中的擴(kuò)散特性Fig.5 Diffusion Patterns of Polymer Material in Quartz Sand

在天然砂介質(zhì)中的注漿試驗(yàn)，天然砂顆粒直徑0.15～4.75 mm，當(dāng)注漿時(shí)間為8 min、10 min，呈樹狀，擴(kuò)散水平方向直徑26 ～30 cm，垂直方向高度48～50 cm，呈樹狀，形狀呈現(xiàn)明顯的不規(guī)則性，如圖6所示。這種不規(guī)則形狀是由于天然砂的不均勻，高聚物材料在各個(gè)方向擴(kuò)散時(shí)受到的阻力不相同，造成各方向擴(kuò)展形狀不同。根據(jù)以上注漿實(shí)測，在天然砂介質(zhì)材料中，高聚物材料注漿的最佳注漿時(shí)間為8 min，注漿點(diǎn)水平間距20 cm，豎向間距40 cm。

圖6 高聚物在天然砂中的擴(kuò)散特性Fig.6 Diffusion Patterns of Polymer Material in Sand

在碎石介質(zhì)中的注漿試驗(yàn)，碎石顆粒直徑3～5 mm，孔隙明顯大于其他2 種砂，高聚物材料在碎石介質(zhì)中擴(kuò)散比砂更容易，橄欖球形。當(dāng)注漿時(shí)間為4 min，擴(kuò)散水平方向直徑26 cm，垂直方向高度28 cm，如圖7?所示；注漿時(shí)間為8 min，擴(kuò)散水平方向直徑32 cm，垂直方向高度33 cm，如圖7?所示；注漿時(shí)間為10 min，擴(kuò)散水平方向直徑45 cm，垂直方向高度40 cm，如圖7?所示。根據(jù)以上注漿實(shí)測，在碎石介質(zhì)材料中，高聚物材料注漿的最佳注漿時(shí)間為8 min，注漿點(diǎn)水平間距40 cm，豎向間距40 cm。

圖7 高聚物在碎石中的擴(kuò)散特性Fig.7 Diffusion Patterns of Polymer Material in Macadam

2.2 擴(kuò)散直徑

高聚物注漿材料在碎石、天然砂和石英砂等土體中現(xiàn)場注漿試驗(yàn)，擴(kuò)散直徑與注漿時(shí)間如圖8所示，高聚物注漿在碎石、天然砂和石英3 種土體中都以圓柱體的形式擴(kuò)散，水平方向和豎向的擴(kuò)散直徑都是隨注漿時(shí)間增加，擴(kuò)散直徑擴(kuò)大。注漿時(shí)間8 min，擴(kuò)散直徑增加不明顯，天然砂和石英砂水平向擴(kuò)散直徑大約25 cm，碎石擴(kuò)散直徑大約30 cm。注漿時(shí)間10 min，擴(kuò)散直徑增加不明顯，天然砂和石英砂水平向擴(kuò)散直徑大約30 cm，碎石擴(kuò)散直徑大約45 cm。

圖8 高聚物現(xiàn)場注漿擴(kuò)展直徑Fig.8 Diffusion Length-grouting Time Curves of Polymer Material in Different Sand

3 結(jié)論

對碎石、天然砂和石英砂等介質(zhì)中水反應(yīng)高聚物注漿材料擴(kuò)散現(xiàn)場試驗(yàn)，有如下結(jié)論：

⑴水反應(yīng)高聚物注漿材料在不同特征的介質(zhì)中的擴(kuò)散特性有所不同，碎石和石英砂等均質(zhì)介質(zhì)中，注漿材料擴(kuò)散固化物呈橄欖球形，在天然砂等不均勻介質(zhì)材料中，試樣呈樹狀。

⑵在碎石、天然砂和石英砂等介質(zhì)中，高聚物材料注漿的最佳注漿時(shí)間為8 min，石英砂介質(zhì)中注漿點(diǎn)水平間距30 cm，豎向間距40 cm，在天然砂介質(zhì)中，注漿點(diǎn)水平間距20 cm，豎向間距40 cm；在碎石介質(zhì)中，注漿點(diǎn)水平間距40 cm，豎向間距40 cm。