注漿模擬試驗(yàn)研究進(jìn)展及展望

吉咸偉

（上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海200025）

注漿模擬試驗(yàn)研究進(jìn)展及展望

吉咸偉*

（上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海200025）

對巖體結(jié)構(gòu)理論進(jìn)行了闡述和總結(jié)，介紹了目前注漿模擬試驗(yàn)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)M的巖土體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了注漿模擬試驗(yàn)分類，指出了當(dāng)前模擬試驗(yàn)的不足，提出了注漿模擬試驗(yàn)的研究方向。

注漿；巖土結(jié)構(gòu)；模擬試驗(yàn)；裂隙巖體；孔隙介質(zhì)

1　概述

在工程建設(shè)中，許多巖土體的強(qiáng)度特性和水穩(wěn)定性不能滿足工程要求，需要對巖土體進(jìn)行改造處理，注漿技術(shù)是常用方法之一。大量工程實(shí)踐證明，注漿技術(shù)是行之有效的堵水加固技術(shù)。目前注漿理論多通過工程實(shí)踐積累、理論推導(dǎo)、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法進(jìn)行研究，模型試驗(yàn)以工程實(shí)踐為背景，根據(jù)相似定律建立注漿模型，觀察注漿過程中的各種現(xiàn)象，并監(jiān)測各項(xiàng)數(shù)據(jù)，以此對注漿理論進(jìn)行研究。模型試驗(yàn)研究對于注漿理論的推進(jìn)具有重要意義。目前對于注漿模型試驗(yàn)的研究多集中于單裂隙注漿試驗(yàn)和孔隙介質(zhì)注漿模擬試驗(yàn)，連通裂隙、網(wǎng)絡(luò)裂隙、管道注漿等研究相對較少。巖土體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增大了注漿理論研究的難度，正確認(rèn)識巖土體結(jié)構(gòu)是獲得正確注漿理論的基礎(chǔ)。

2　巖體結(jié)構(gòu)理論

巖體空隙是漿液在巖體中擴(kuò)散的通道，不同的巖體結(jié)構(gòu)，漿液擴(kuò)散規(guī)律不同，對巖體強(qiáng)度和水穩(wěn)性的改造也有較大差異。因此，對巖體結(jié)構(gòu)的研究是注漿理論研究的基礎(chǔ)。

2.1多孔介質(zhì)理論

該理論認(rèn)為巖體中的空隙以孔隙為主，孔隙之間相互連通，作為地下水和漿液擴(kuò)散的通道，呈多孔構(gòu)造。根據(jù)巖體中孔隙分布情況，將其分為各向同性多孔介質(zhì)和各向異性多孔介質(zhì)。最終注漿效果取決于漿液對于孔隙的填充封堵情況。多孔介質(zhì)理論忽略了巖體中的節(jié)理、微斷層等裂隙影響，主要針對粗砂巖、卵石層等巖體，適用于對裂隙較少的含水層改造。

2.2擬連續(xù)介質(zhì)理論

該理論認(rèn)為巖體雖受裂隙分割，但通過該理論應(yīng)用等效原理處理后，巖體空間內(nèi)每一點(diǎn)上巖石和裂隙都保持連續(xù)。因此，在巖體內(nèi)每一點(diǎn)上都同時(shí)存在巖石介質(zhì)和孔隙介質(zhì)，漿液就是通過這些孔隙在巖體內(nèi)流動(dòng)的［1］。

2.3裂隙介質(zhì)理論

該理論認(rèn)為巖體空隙以裂隙為主，裂隙作為主導(dǎo)因素控制巖體結(jié)構(gòu)，將巖體分割為非連續(xù)體，地下水在裂隙中流動(dòng)，裂隙作為漿液擴(kuò)散的通道。對巖體結(jié)構(gòu)和水穩(wěn)性的改造是漿液對裂隙填充封堵的過程。裂隙介質(zhì)理論主要針對以裂隙為主導(dǎo)的地層，適用于對煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶的注漿封堵。

2.4孔隙和裂隙雙重介質(zhì)理論

該理論認(rèn)為巖體由孔隙性差而透水性強(qiáng)的裂隙系統(tǒng)和孔隙性好而透水性弱的巖塊系統(tǒng)組成，漿液在該種介質(zhì)中流動(dòng)時(shí)，既可在裂隙中流動(dòng)，又可在巖塊中流動(dòng)，并在兩者之間發(fā)生強(qiáng)烈的質(zhì)量交換［1］。

3　注漿模擬試驗(yàn)研究

目前，國內(nèi)外對巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)的物理模擬和數(shù)值模擬尚無可靠、成熟的研究方法，而現(xiàn)有的數(shù)值法和數(shù)值計(jì)算程序也還不能完全模擬注漿過程［2］。因此，對注漿過程的模擬和注漿理論的研究多通過模型試驗(yàn)進(jìn)行。通過模型試驗(yàn)，可以對注漿過程中的注漿壓力、動(dòng)水流速、注漿流量、巖土體結(jié)構(gòu)等進(jìn)行變量控制，并檢測注漿壓力、動(dòng)水流速、水壓變化規(guī)律、結(jié)石體的強(qiáng)度及抗?jié)B性等，在此基礎(chǔ)上分析漿液擴(kuò)散規(guī)律，進(jìn)行理論推導(dǎo)和修正，模型試驗(yàn)對注漿實(shí)踐中注漿工藝、漿液配比和注漿工程設(shè)計(jì)具有重要意義。

3.1裂隙巖體注漿模擬試驗(yàn)研究

（1）奧地利學(xué)者采用3種模型來模擬漿液在單裂隙中的流動(dòng)。第1種模型是將澆筑的2m×1m×1m的混凝土塊劈開一條裂隙，在裂隙中注漿，分析注漿流量、注漿壓力及滲透距的關(guān)系；第2種模型是用直徑為1.4m、厚為0.3m混凝土塊拼接形成裂隙，在混凝土塊中間鉆孔進(jìn)行注漿，研究裂隙流量、注漿壓力及漿液粘度在不同裂隙開度下的關(guān)系；第3種模型采用2.0m×3.0m厚的鋼板拼成裂隙，將裂隙粗糙度納入考慮范圍，研究粗糙度對注漿流量及漿液擴(kuò)散距離的影響。

（2）李術(shù)才等建立了準(zhǔn)三維裂隙動(dòng)水注漿模型試驗(yàn)臺，可以實(shí)現(xiàn)裂隙寬度、裂隙動(dòng)水流場參數(shù)（流速、水壓等）、注漿壓力、注漿速率、裂隙傾角、漿液密度和漿液黏度等多因素條件的定量調(diào)節(jié)［3］。該試驗(yàn)臺水壓可達(dá)0～0.5MPa，注漿壓力為0～1.5MPa；裂隙尺寸為2000mm×4000mm，裂隙開度5～30mm可調(diào)。通過試驗(yàn)，對動(dòng)水條件下漿液擴(kuò)散形態(tài)和擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了研究，提出漿液的U形擴(kuò)散規(guī)律和水泥漿液的分層分區(qū)擴(kuò)散機(jī)制，得到漿液的快速析水沉積原理和沉積留核擴(kuò)散規(guī)律，實(shí)現(xiàn)漿液擴(kuò)散和封堵效果的定量評價(jià)。

（3）楊米加等通過向試驗(yàn)盒中灌入水泥，預(yù)留出裂隙寬度作為試驗(yàn)裂隙，以水泥漿液作為注漿材料，進(jìn)行了單裂隙和網(wǎng)格裂隙的注漿模擬試驗(yàn)。建立了裂隙開度同水灰比和注漿壓力的關(guān)系，并對裂隙幾何特征對巖體宏觀滲透性影響進(jìn)行了討論，研究了裂隙網(wǎng)絡(luò)中的漿液滲透壓力分布特征。

（4）郝哲等分析了注漿過程對巖體裂隙的影響。將裂隙分為孤立裂隙和連通裂隙分別進(jìn)行分析，納入地應(yīng)力作用的強(qiáng)度因子和灌漿壓力的強(qiáng)度因子，對裂隙擴(kuò)展的壓力進(jìn)行了計(jì)算，得出了孤立裂隙和連通裂隙的裂隙開度變化和總壓力關(guān)系公式。

（5）徐志鵬等建立了高壓裂隙注漿試驗(yàn)臺［4］。該試驗(yàn)平臺注漿壓力可達(dá)36MPa，持續(xù)時(shí)間4～5h，裂隙由2個(gè)半圓柱形的砂漿塊拼接形成，裂隙寬度2～8mm，以塑性早強(qiáng)漿材作為注漿材料，該試驗(yàn)平臺中單個(gè)裂隙試件可以相互拼接增加裂隙長度，最長可達(dá)1000～1500m，可以有效的模擬1000～1500m深含水裂隙中的高壓注漿。通過試驗(yàn)，分析高壓下裂隙的抗?jié)B性和注漿壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律，繪制P-t曲線，研究了P-t曲線與抗?jié)B性的關(guān)系，并對擴(kuò)散距離與時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行了討論。

3.2孔隙介質(zhì)注漿模擬試驗(yàn)研究

（1）郭密文對高壓封閉環(huán)境下孔隙介質(zhì)中化學(xué)漿液擴(kuò)散機(jī)制進(jìn)行了研究［5］。采用特制圓柱型缸體保證封閉環(huán)境，以飽和砂土作為孔隙介質(zhì)，用伺服儀提供試驗(yàn)所需的1～3MPa壓強(qiáng)，化學(xué)漿液作為注漿材料。試驗(yàn)隊(duì)孔隙水壓力等數(shù)值進(jìn)行測定，注漿結(jié)束后對漿液結(jié)石體形狀進(jìn)行分析，得出了漿液在封閉高壓化境下的3種擴(kuò)散模式：球形擴(kuò)散、指形擴(kuò)散、面狀擴(kuò)散，總結(jié)出了置換推進(jìn)、優(yōu)勢路徑和分層富集3種漿液擴(kuò)散機(jī)制，從注漿孔至缸體邊緣空間層面、注漿初始至注漿結(jié)束時(shí)間層面討論了漿液的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。

（2）王檔良研究了動(dòng)水條件下孔隙介質(zhì)的注漿機(jī)理［6］。采用0.2m的圓筒形模型箱作為孔隙介質(zhì)容器，以飽和砂子作為孔隙介質(zhì)，注漿泵向模型箱中持續(xù)注水保證動(dòng)水環(huán)境，以化學(xué)漿液作為注漿材料，根據(jù)模型箱上的12個(gè)孔堵塞數(shù)量來判斷注漿效果，進(jìn)行了動(dòng)水條件下漿液擴(kuò)散單因素和多因素試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對影響漿液擴(kuò)散的多個(gè)因素進(jìn)行了定性排序，研究了漏點(diǎn)大小、膠凝時(shí)間、漏點(diǎn)壓力對封堵效果的定量化影響。

（3）謝猛進(jìn)行了水泥漿液在松散碎石體中的注漿模擬試驗(yàn)［7］。采用了600mm×600mm×600mm的模型箱，以松散碎石體作為孔隙介質(zhì)進(jìn)行靜壓滲透注漿。該試驗(yàn)對多個(gè)注漿孔下的漿液擴(kuò)散進(jìn)行了研究，進(jìn)行了普通硅酸鹽水泥在單孔豎直注漿、三孔豎直注漿和三孔水平注漿下的試驗(yàn)。得到了水灰比、孔隙率、注漿量、注漿壓力和擴(kuò)散距離的關(guān)系，分析了注漿量和擴(kuò)散距離的影響因素。

（4）楊坪模擬了砂卵石層中的注漿過程［8］。模型箱采用了（0～1500）mm×1220mm×1000mm的尺寸，用河床砂卵石作為孔隙介質(zhì)，硅酸水泥作為注漿材料進(jìn)行正交試驗(yàn)，依據(jù)模型箱中埋放的探頭探測到漿液時(shí)作為停止注漿的時(shí)機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果得到了不同試驗(yàn)下的擴(kuò)散半徑和注漿量圖線，對結(jié)石體強(qiáng)度及影響因素進(jìn)行了分析。

3.3管道注漿模擬試驗(yàn)研究

（1）胡巍對動(dòng)水條件下的管道注漿過程進(jìn)行了模擬［9］。采用了內(nèi)徑為5mm的PVC管路模擬巖石管道，以固定水頭的水箱保證動(dòng)水環(huán)境，以水泥漿液作為注漿材料進(jìn)行了正交試驗(yàn)。對漿液在管道中的流動(dòng)和擴(kuò)散現(xiàn)象進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)了水擊現(xiàn)象，并對水擊的機(jī)理進(jìn)行了研究，討論了管道環(huán)境下水泥漿液完成封堵的條件。

（2）張士林對管道中的堆積層厚度與水力坡度的關(guān)系進(jìn)行了理論研究，得到了堆積層厚度和水力坡度之間的關(guān)系公式，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。得到了管道中流體、固體顆粒和漿體3者的速度分布，根據(jù)固體顆粒在流體作用下的起動(dòng)條件，得到了不同水力坡度下堆積層厚度的變化規(guī)律，并用數(shù)學(xué)公式形式進(jìn)行表述。

3.4工程現(xiàn)場試驗(yàn)研究

張淑同對破碎煤體的注漿加固技術(shù)和堵水技術(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)踐研究［10］。在兗州礦業(yè)集團(tuán)南囤煤礦9302工作面進(jìn)行了綜放工作面破碎煤體注漿加固試驗(yàn)，在徐州礦業(yè)集團(tuán)張雙樓煤礦進(jìn)行了裂隙巖體注漿堵水試驗(yàn)，兩次實(shí)踐注漿效果顯著，均達(dá)到了注漿預(yù)期效果，證明了注漿技術(shù)在破碎煤體加固和堵水過程中的有效性。工程現(xiàn)場注漿實(shí)踐較多，再此不多做贅述。

4　研究展望

注漿技術(shù)的發(fā)展已有近百年的歷史，但與注漿材料、注漿工藝、注漿設(shè)備等快速發(fā)展相比較，注漿理論的研究水平還相當(dāng)落后、進(jìn)展緩慢［11］。注漿模擬試驗(yàn)是進(jìn)行注漿理論研究的有效方式，模擬試驗(yàn)的發(fā)展可以很好地推動(dòng)理論研究。根據(jù)目前注漿試驗(yàn)進(jìn)展情況，以下方向應(yīng)加強(qiáng)研究：

（1）高壓注漿模擬試驗(yàn)。目前對注漿試驗(yàn)的模擬多集中在常壓條件，工程實(shí)踐中很多待改造巖土體在地應(yīng)力中處于高壓環(huán)境，因此需加強(qiáng)對高壓環(huán)境下的注漿規(guī)律研究。

（2）巖體結(jié)構(gòu)研究。巖體結(jié)構(gòu)是注漿研究的基礎(chǔ)，目前的巖體結(jié)構(gòu)研究和巖體結(jié)構(gòu)整體分類仍有不足之處。巖體的裂隙是天然條件下形成的不規(guī)則的破裂面，其不規(guī)則特征強(qiáng)烈地影響漿液的滲流過程，而裂隙的分布、表面特征具有隨機(jī)性，服從一定的隨機(jī)分布規(guī)律［1］。

（3）動(dòng)水、管道等復(fù)雜環(huán)境下的模擬研究。目前的注漿模擬試驗(yàn)多集中于單裂隙和孔隙介質(zhì)，對于動(dòng)水條件、管道條件、網(wǎng)絡(luò)裂隙等復(fù)雜環(huán)境中的漿液擴(kuò)散規(guī)律研究較少。應(yīng)加強(qiáng)對復(fù)雜環(huán)境中漿液運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的研究。

5　結(jié)束語

注漿工程的隱蔽性增大了對注漿理論的研究難度，注漿模型模擬試驗(yàn)作為重要研究手段，對注漿理論的發(fā)展具有重要推動(dòng)作用。我們應(yīng)努力研制更加貼近實(shí)際的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停@得可靠、成熟的注漿理論指導(dǎo)注漿工程，加強(qiáng)巖土體改造和堵水加固的有效性。

［1］楊米加，陳明雄，賀永年.注漿理論的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，20（6）：839-841.

［2］徐志鵬.裂隙注漿模擬試驗(yàn)研究進(jìn)展［J］.建井技術(shù)，2012，33 （6）：26-29，37.

［3］李術(shù)才，張霄，張慶松，等.地下工程涌突水注漿止水漿液擴(kuò)散機(jī)制和封堵方法研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（11）：2377-2395.

［4］徐志鵬.高壓裂隙注漿試驗(yàn)臺研制及塑性早強(qiáng)漿材注漿試驗(yàn)研究［D］.北京：煤科總院建井研究分院，2009.

［5］郭密文.高壓封閉環(huán)境孔隙介質(zhì)中化學(xué)漿液擴(kuò)散機(jī)制試驗(yàn)研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2010.

［6］王檔良.多孔介質(zhì)動(dòng)水化學(xué)注漿機(jī)理研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2011.

［7］謝猛.水泥漿液在松散碎石體中注漿的模型試驗(yàn)研究［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2007.

［8］楊坪.砂卵（礫）石層模擬注漿試驗(yàn)及滲透注漿機(jī)理研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2005.

［9］胡巍.巖體裂隙與管道動(dòng)水注漿漿液擴(kuò)散封堵機(jī)理研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2013.

［10］張淑同.破碎煤巖體注漿加固與堵水研究［D］.青島：山東科技大學(xué)，2006.

［11］郝哲，王介強(qiáng)，劉斌.巖體滲透注漿的理論研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001（4）：492-496.

Development and Prospect for Experimental Investigation of Grouting

JI Xian-wei
（Shanghai Electric Power Design Institute Co.Std.，Shanghai 200025，China）

The focus of this study is to expound and summarize the rock mass structures theory.The current status and progress of grouting simulation study was described.Laboratory tests simulate multiple geotechnical structures，and by which the tests were classified into different kinds.Deficiencies in the current of the simulation tests were pointed，and the research of grouting simulation tests was proposed.

grouting；geotechnical structures；simulation test；rock fracture；porous media

TV543

A

1004-5716（2016）07-0193-03

2015-06-02

吉咸偉（1983-），男（漢族），江蘇淮安人，工程師、注冊土木工程師（巖土），現(xiàn)從事巖土工程勘察與設(shè)計(jì)工作。