中砂介質(zhì)注漿擴(kuò)散效果試驗(yàn)研究

摘要：為研究注漿材料在中砂介質(zhì)中的擴(kuò)散效果，設(shè)計(jì)了一套中砂介質(zhì)注漿系統(tǒng)，選用普通硅酸鹽42.5R水泥（OPC）、水泥-水玻璃雙漿液（C-S）、粉煤灰水泥（FPC）以及早強(qiáng)劑水泥漿液（ESAPC），進(jìn)行了注漿擴(kuò)散試驗(yàn)。測(cè)量得出漿液最大擴(kuò)散半徑和注漿量，并系統(tǒng)討論不同水灰比、水玻璃波美度、注漿壓力半徑以及粉煤灰含量對(duì)漿液擴(kuò)散的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：中砂介質(zhì)中，水灰比越大，OPC漿液的擴(kuò)散效果越顯著；OPC漿液的擴(kuò)散性能不如同等水灰比的FPC漿液，中砂介質(zhì)中漿脈擴(kuò)散半徑隨粉煤灰占比的提高而增大；相同工況下OPC漿液與ESAPC漿液擴(kuò)散半徑幾近相等；水泥-水玻璃雙漿液的擴(kuò)散效果遠(yuǎn)不如OPC漿液；水灰比可以顯著影響漿液的擴(kuò)散距離和注漿量；注漿壓力對(duì)漿液的擴(kuò)散半徑及注漿量的影響不大。

關(guān)鍵詞：中砂介質(zhì)；注漿擴(kuò)散；注漿壓力

中圖分類號(hào)：U416" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" "文章編號(hào)：２０９６-2118（2024）04-0087-04

Experimental Study on Diffusion Effect of Grouting in Medium Sand Medium

MA Yujia，SUN Chao，ZHAO Yikai*，CHEN Yuxuan，HE Jiale

（School of Geomatics and Prospecting Engineering，Jilin Jianzhu University，Changchun Jilin〓130118，China）

Abstract：In order to study the diffusion effect of grouting materials in medium sand medium，a grouting system was designed，ordinary silicate 42.5R cement（OPC），cement-water glass double grout（C-S），fly ash cement（FPC） and early strength cement slurry（ESAPC） were selected to carry out the grouting diffusion test.The maximum diffusion radius and grouting amount of grout were measured，and the influence of different water-cement ratio，water glass baume degree，grouting pressure radius and fly ash content on grout diffusion was systematically discussed.The results show that the diffusion effect of OPC grout in medium sand is more obvious with the increase of water-cement ratio.The diffusibility of OPC grout is different from that of FPC grout with water-cement ratio，and the diffusibility of slurry veins in medium sand medium increases with the proportion of fly ash.Under the same working condition，the diffusion radius of OPC and ESAPC grout is almost equal.The diffusion effect of cement-water glass double grout is much lower than that of OPC grout.The water-cement ratio can significantly affect the diffusion distance of slurry and the amount of grouting.The grouting pressure has little effect on the diffusion radius and grouting quantity of the slurry.

Keywords：medium sand medium；grouting diffusion；grouting pressure

在地下工程的修建過程中，時(shí)常會(huì)遇到砂土地層，該地層極易受到外界擾動(dòng)而產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致地層產(chǎn)生變形、位移甚至下沉等嚴(yán)重問題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)研究，例如HERZIG等[1]通過對(duì)砂土體孔隙注漿滲濾的研究，分析了多孔介質(zhì)注漿的擴(kuò)散性，并推導(dǎo)得出了幾種適用于不同堵塞機(jī)制的計(jì)算公式；楊秀竹[2]通過開展振動(dòng)注漿試驗(yàn)，分析了振動(dòng)時(shí)間、振動(dòng)強(qiáng)弱與漿脈擴(kuò)散距離之間的關(guān)系；秦鵬飛等[3]根據(jù)線性濾過定律、Darcy定律及質(zhì)量守恒方法研究了巖土體水泥顆粒運(yùn)動(dòng)方程，漿液運(yùn)動(dòng)速度，得出滲濾效應(yīng)使?jié){液流動(dòng)不均，繼而造成結(jié)石體的強(qiáng)度不穩(wěn)定，離散性較大；BOUCHELAGHEM等[4]針對(duì)水泥漿液，對(duì)圓柱體注漿進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了漿液流體力學(xué)性質(zhì)及注漿效果；楊志全等[5]通過試驗(yàn)驗(yàn)證了一種流變方程的可行性，其誤差在可接受范圍內(nèi)，該方程對(duì)于實(shí)際工程的應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。前人在注漿擴(kuò)散半徑公式擬合、室內(nèi)注漿模擬試驗(yàn)方面做了大量的工作，但針對(duì)中砂土層進(jìn)行注漿試驗(yàn)的研究很少，缺乏相關(guān)的理論體系和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文以中砂介質(zhì)為研究對(duì)象，探究中砂介質(zhì)的注漿擴(kuò)散效果。

1 室內(nèi)砂土注漿試驗(yàn)

1.1 注漿試驗(yàn)系統(tǒng)

該中砂介質(zhì)注漿試驗(yàn)系統(tǒng)分別由砂土模擬裝置、漿液材料裝置、攪拌裝置、管道裝置、動(dòng)力裝置組成。鐵皮箱制成的砂土模擬裝置尺寸為1 m×1 m×1 m，漿液材料裝置分別由貯漿桶和盛液桶組成，以分桶計(jì)量方式制備漿液，并逐桶攪拌，管線裝置分別由鋼編織膠管和注漿花管構(gòu)成，該注漿系統(tǒng)的動(dòng)力裝置為雙泵活塞式注漿機(jī)。

1.2 注漿材料與被注試樣選取

本次試驗(yàn)注漿材料選用普通硅酸鹽42.5R水泥（OPC）、粉煤灰水泥（FPC）、早強(qiáng)劑水泥漿液（ESAPC）、水泥-水玻璃雙漿液（C-S）。土樣取自長(zhǎng)春市城市軌道交通3號(hào)線的中砂地層?；谑覂?nèi)試驗(yàn)，得出試驗(yàn)所用砂土基本物理特性如表1所示。

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 注漿壓力和注漿材料配比方案

為避免模型箱尺寸影響，導(dǎo)致注漿壓力過大引發(fā)爆漿等問題，將注漿壓力設(shè)置為0.2 MPa，0.3 MPa，0.4 MPa，以此來比較水泥基材料在不同注漿壓力下的注漿量；在試驗(yàn)中，考慮到水泥漿液的抗壓能力和流動(dòng)特性，OPC和ESAPC漿液的水灰比被控制在0.5～1.0，F(xiàn)PC漿液的水灰比被控制在0.8～1.0；水泥與粉煤灰的質(zhì)量比例分別為0.55：0.45，0.50：0.50和0.45：0.55；設(shè)定水玻璃波美度為45°Bé，水泥漿液的水灰比控制在0.5～1.0，將水玻璃與水泥漿的體積之比設(shè)為1：1，用于注漿施工的水的pH≥4.0；聚羧酸減水劑用量為膠凝材料的1%，早強(qiáng)劑的用量為水泥的2%。

1.3.2 不同工況下的漿液擴(kuò)散半徑

在不同注漿材料、不同注漿壓力以及相同材料不同水灰比的3種工況下進(jìn)行中砂介質(zhì)注漿，并對(duì)漿液的最大擴(kuò)散半徑進(jìn)行記錄，分析各種因素變化對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的影響差異。

1.3.3 不同工況下的注漿量

在不同注漿壓力及水灰比條件下，對(duì)OPC漿液進(jìn)行中砂介質(zhì)注漿，在不同注漿壓力下，記錄注漿量隨水灰比的變化情況，分析注漿壓力、水灰比對(duì)注漿量的影響。

2 注漿試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水灰比對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的影響

2.1.1 OPC漿液擴(kuò)散效果

表2為不同水灰比下OPC漿液的最大注漿擴(kuò)散半徑。試驗(yàn)結(jié)果表明，OPC漿液在中砂介質(zhì)中都可進(jìn)行擴(kuò)散，但擴(kuò)散的距離存在顯著差異，水灰比越大，漿液的擴(kuò)散效果就越顯著。在OPC漿液水灰比為1.0的條件下，其最大擴(kuò)散半徑達(dá)到了257 mm，當(dāng)OPC漿液水灰比為0.5時(shí)，其擴(kuò)散半徑僅為84 mm，兩種不同水灰比條件下，OPC漿液在中砂介質(zhì)中的最大擴(kuò)散半徑之比為3.06：1；分析可知，隨水灰比的增大，漿液的流動(dòng)特性變得更為活躍，因此漿脈的擴(kuò)散范圍也隨之?dāng)U大；對(duì)于水灰比較低的OPC漿液，由于其較高的黏度，擴(kuò)散時(shí)更易于黏附在砂土顆粒上，導(dǎo)致其流動(dòng)性降低，擴(kuò)散半徑減小。

2.1.2 FPC漿液擴(kuò)散效果

圖1為0.2 MPa條件下FPC漿液注漿擴(kuò)散半徑，在不同水灰比下，該漿液都能在中砂環(huán)境中保持穩(wěn)定的擴(kuò)散，漿脈的擴(kuò)散半徑隨粉煤灰的比例提高而增大。FPC漿液W/C=1.0，粉煤灰占比為0.6時(shí)，其擴(kuò)散半徑達(dá)到309 mm；在FPC漿液W/C=0.8，粉煤灰占比為0.4時(shí)，其擴(kuò)散半徑為199 mm。粉煤灰顆粒細(xì)度雖高于水泥，但OPC漿液的擴(kuò)散性能卻不如同水灰比的FPC漿液。這是因?yàn)榉勖夯揖哂小敖叼ぁ钡奶匦?，利用其“降黏”的特性不僅能減少水泥的使用量，還能增加漿液的擴(kuò)散距離，為注漿技術(shù)提供了一個(gè)綠色、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)型可行的方案。

2.1.3 ESAPC漿液擴(kuò)散效果

如圖2所示，OPC漿液與加入早強(qiáng)劑的漿液擴(kuò)散半徑幾近相等。分析可知，早強(qiáng)劑顆粒粒徑雖大于水泥顆粒粒徑，但加入量?jī)H為水泥質(zhì)量的2%，影響甚小，故在中砂介質(zhì)注漿中采用ESAPC漿液時(shí)，其擴(kuò)散效果可以參考OPC漿液。

2.1.4 C-S漿液擴(kuò)散效果

表3為C-S漿液在不同水灰比下的最大擴(kuò)散半徑，當(dāng)水泥漿液W/C=1.0時(shí)，其最大擴(kuò)散半徑達(dá)到113 mm，在水泥漿液W/C=0.5時(shí)，其最大擴(kuò)散的半徑為80 mm，分析試驗(yàn)結(jié)果可知，其最大擴(kuò)散半徑隨水灰比增大而增大。OPC漿液在中砂介質(zhì)注漿的擴(kuò)散效果明顯強(qiáng)于C-S漿液，分析其原因：C-S漿液注入中砂介質(zhì)后，由于其快速凝結(jié)的特性，漿液在擴(kuò)散到更遠(yuǎn)的距離之前就已經(jīng)凝結(jié)，并在中砂介質(zhì)中起到了膠結(jié)和填充孔隙的作用，從而提高了砂土的強(qiáng)度；再者，水玻璃因其高度的黏性，緊密地附著在砂土的表層，導(dǎo)致在中砂介質(zhì)中，C-S漿液的注漿擴(kuò)散效果不如OPC漿液。因此在需要迅速凝固并增強(qiáng)其強(qiáng)度的注漿項(xiàng)目中，C-S漿液較為適用。

2.2 注漿壓力對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的影響

圖3（a）～（b）分別為OPC漿液與ESAPC漿液在不同注漿壓力下的擴(kuò)散半徑，在OPC漿液水灰比為0.8時(shí)，注漿壓力為0.4 MPa，僅比注漿壓力為0.2 MPa時(shí)的擴(kuò)散半徑長(zhǎng)26 mm；在ESAPC漿液水灰比為1.0時(shí)，注漿壓力對(duì)擴(kuò)散半徑的提升作用并不顯著。經(jīng)試驗(yàn)得出：高壓下的漿液并不是穩(wěn)定向四周擴(kuò)散的，而是在砂土與注漿花管之間的薄弱位置噴出，此時(shí)砂土似乎處于某種“飽和狀態(tài)”，因此，增大注漿壓力對(duì)漿液在中砂介質(zhì)中擴(kuò)散半徑的增長(zhǎng)影響甚微。在實(shí)際注漿工程中，可考慮較細(xì)粒徑注漿材料或增大水灰比來增加擴(kuò)散半徑。

2.3 注漿壓力對(duì)注漿量的影響

如圖4所示，同一注漿壓力下OPC漿液的注漿量在隨水灰比的增大而增加，OPC漿液水灰比為1.0，注漿壓力在0.4 MPa時(shí)，注漿量達(dá)到了峰值；在水灰比保持不變的情況下，注漿壓力增加會(huì)導(dǎo)致注漿量的上升，但這種上升并不顯著；當(dāng)注漿壓力保持不變時(shí)，水灰比的上升引起的注漿量增長(zhǎng)幅度處于5 L～7 L范圍內(nèi)，約占注漿量基數(shù)的11.6%。究其原因：其內(nèi)部的自由水越多，越有助于液體展現(xiàn)出更出色的潤(rùn)滑特性，進(jìn)而增強(qiáng)漿液的活躍性，使得漿液能夠以花管為中心進(jìn)行更廣泛的擴(kuò)散，這也導(dǎo)致了注漿量的相應(yīng)增加。故在實(shí)際工程中，可以選擇合理的水灰比來控制注漿量。

3 結(jié)論

1） 受自由水潤(rùn)滑作用影響，水灰比越大，漿液的擴(kuò)散效果就越顯著；由于粉煤灰具有“降黏”的特性，漿脈擴(kuò)散半徑隨粉煤灰占比的提高而增大，OPC漿液的擴(kuò)散性能不如同等水灰比的FPC漿液，在實(shí)際工程中，利用其“降黏”特性可減少水泥的使用量，增加漿液的擴(kuò)散距離；同工況下OPC漿液與ESAPC漿液擴(kuò)散半徑幾近相等，ESAPC漿液擴(kuò)散效果可參考OPC漿液；由于C-S漿液凝結(jié)時(shí)間短，C-S漿液的擴(kuò)散效果遠(yuǎn)不如OPC漿液，因此在需要迅速凝固并增強(qiáng)其強(qiáng)度的注漿項(xiàng)目中，C-S漿液較為適用。

2） 增大注漿壓力對(duì)漿液在中砂介質(zhì)中擴(kuò)散半徑的增長(zhǎng)影響甚微，高壓下的漿液并不是穩(wěn)定向四周擴(kuò)散的，而是在砂土與注漿花管之間的薄弱位置噴出。

3） 同一注漿壓力下OPC漿液的注漿量在隨水灰比的增大而增加，注漿壓力增加會(huì)導(dǎo)致注漿量的上升，但這種上升并不顯著，當(dāng)注漿壓力保持不變時(shí)，水灰比的上升引起的注漿量增長(zhǎng)幅度處于5 L～7 L范圍內(nèi)，約占到注漿量基數(shù)的11.6%。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]HERZIG J P，LECLERC D M，Goff P L.Flow of suspensions through porous media-application to deep filtration[J].Industrial and Engineering Chemistry，1970，62（5）：8-35.

[2]楊秀竹.靜動(dòng)力作用下漿液擴(kuò)散理論與試驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2005.

[3]秦鵬飛，黃莉，蘇丹娜，等.滲濾效應(yīng)下砂土注漿加固機(jī)理試驗(yàn)研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，44（3）：62-66.

[4]BOUCHELAGHEM F，VULLIET L，Leroy D，et al.Real-scale miscible grout injection experiment and performance of advection-dispersion-filtration model[J].International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，2001，25（12）：1149-1173.

[5]楊志全，侯克鵬，郭婷婷，等.黏度時(shí)變性賓漢體漿液的柱-半球形滲透注漿機(jī)制研究[J].巖土力學(xué)，2011，32（9）：2697-2703.

編輯：楊 洋