雙管滲透注漿空間流態的模擬試驗研究

2018-11-02 03:49:50孔魯志周衛霞

水利科技與經濟 2018年10期

孔魯志，杜俊，周衛霞

(昆明學院城鄉建設與工程管理學院，昆明 650214)

1 概述

注漿是將一定材料配制成漿液，用壓送設備將其灌入地層或縫隙內使其擴展、凝膠或固化，以達到加固地層或防滲堵漏的目的，特別是在地下綜合加固處治中應用廣泛。但是在現場注漿施工過程中，漿液的流動是在被注介質內部的，很難觀測到漿液的運動和分布情況，隱蔽性和不確定性是注漿工程最大的特點，這就使得注漿設計和施工存在很大程度的盲目性和局限性。同時，較多的影響因素也制約了注漿技術的快速發展，如注漿材料、注漿器具、施工人員素質等。然而在眾多因素中，是否考慮漿液空間流態的變化這一特性是注漿技術能否在實踐工程中取得突破和發展的關鍵之一[1]。

目前，國內外學者對注漿理論進行了深入細致的研究，建立起一系列滲透注漿理論。Maag[2]應用達西定律作為物理方程推導出漿液在砂層中球形滲透擴散的經驗公式。楊秀竹[3]推導出賓漢體漿液在均質砂土中進行滲透注漿時漿液有效擴散半徑公式。楊志全[4]建立的黏度時變性賓漢流體滲流方程等。眾多學者雖然在注漿理論研究方面取得一定成果，但是由于被注介質的地質情況復雜，試驗研究人員所模擬的被注介質并不一定具有廣泛的代表性，加之試驗結果不可避免地要受到試驗操作步驟、試驗數據處理誤差等因素的影響，所以這些經驗公式有一定的局限性，阻礙了其在實際工程中的應用推廣[5-6]。雖然很多學者對漿液的加固機理進行了深入的研究，但是他們在研究中對漿液空間流態的考慮仍顯不足。本研究旨在設計一套室內注漿模型，深入研究漿液在被注介質中的流動擴散機理，以期研究成果對有關工程予以理論支撐，減少水泥漿液損耗，降低不合理因素對注漿效果的影響，提高施工質量及工程經濟效益。

2 水泥漿流變試驗

注漿過程中水泥漿處于液相流動狀態，確定其控件分布是建立注漿擴散模型的前提。因此，本文對純水泥漿液空間流態的變化規律進行試驗研究。

2.1 試驗材料

本試驗中所采用的注漿材料為水灰比W/C=0.8的純水泥漿液，漿液黏度為30·103·Pa·s，密度1.59 g/cm3，初凝時間11 h 10 min，結石率95%。

本實驗采用3種不同粒徑的砂石進行混合作為被注介質，共配置4組；各組級配配比及基本數據見表1、表2，各組級配混合特征見圖1。

表1 各組混合級配配比

表2 各組混合級配基本數據

圖1 各組混合級配混合特征

2.2 室內注漿模型實驗裝置

為了觀測注漿時漿液的流動情況，研究水泥漿液在礫石土層中的注漿機理，設計本次室內注漿模擬試驗。試驗采用有壓氮氣提供注漿壓力，有機玻璃試驗箱中存放被注介質，二者之間由儲漿容器連接，見圖2。供壓裝置、儲漿容器、試驗箱3部分組成一個統一整體，試驗原理構造圖見圖3。

圖2 注漿模擬試驗裝置

注:①-試驗箱體；②-被注介質；③-注漿管；④-加筋軟管；⑤-儲漿容器；⑥-水泥漿液；⑦-注漿閥門；⑧-電子臺秤；⑨-氮氣瓶閥門；⑩-氮氣瓶

2.3 室內模擬注漿試驗方案設計

采用正交試驗方法，綜合考慮被注介質的孔隙特征(k)、注漿壓力(P)、注漿管間距(D)等參數對試驗的影響，結合正交表制定出雙管單孔注漿試驗方案，詳見表3。

表3 正交試驗設計表

3 試驗分析與討論

3.1 雙管注漿空間流態分析

雙管注漿試驗共得到16個試樣，選取部分代表性漿液擴散結石體及流型圖，見圖4。圖4中，紫色陰影部分為1號管、2號管所注漿液相互影響相互膠結的結石體，紅色部分為1號管所注漿液的擴散流態，綠色部分為2號管所注漿液的擴散流態。

為此,本文考慮了路由空洞問題,并提出基于時延要求的抑制路由空洞的地理位置路由DG-SHGR(Delay-Guaranteed-based Suppressing Hole Geographic Routing),進而解決上述的兩個問題。DG-SHGR路由的主要目的在于預先檢測路由空洞,然后再合理地選擇路由。

圖4 代表性結石體及流型圖

雙管注漿過程中，漿液在被注介質中形成兩種空間流態。第一種空間流態，當注漿管間距較小或被注介質滲透系數K較大或注漿壓力較大時，兩管所注漿液會相互影響并形成一個完整的結石體；該結石體整體呈橢球形或柱形。第二種空間流態，當注漿管間距較大或被注介質滲透系數K較小或注漿壓力較小時，兩管所注漿液便有可能不會產生相互影響并形成兩個單獨的結石體。這兩部分結石體的空間流態與水泥漿液滲透擴散理論中的球形擴散和柱形擴散原理基本吻合。

3.2 有效注漿量分析

在本實驗中，試驗1、試驗2、試驗3、試驗5、試驗6、試驗8、試驗9、試驗11、試驗12、試驗15和試驗16中的左右兩部分有膠結現象。為了找到形成結石體的有效注漿量，將左右兩管注漿相互影響的區域進行定義，見圖5(a)中紫色陰影部分。

設圖5(a)中左邊1號管所注漿液形成的結石體的有效擴散半徑為r1，右邊2號管所注漿液形成的結石體的有效擴散半徑為r2，r1、r2均可測得，已知1、2號管的管間距為D。則定義有效注漿量為Q′，那么確定有效注漿量的公式如下：

(1)

式中：h為兩注漿管相互影響部分的高度；1.59為水灰比W/C=0.8的水泥漿液的密度1.59 g/cm3。當r1+r2≤D即兩注漿管所注漿液形成的空間流態為一個整體時，Q′取0；當r1+r2>D即兩注漿管所注漿液為兩個獨立部分時，Q′取正常計算值。

試驗數據分析結果見表4。

圖5 典型試驗的漿液擴散

表4 各組實驗數據分析表

3.3 試驗數據分析

3.3.1 有效注漿量Q′的數據分析

Q′=0.02133P0.81789119K-0.33040680D5.38356692

(2)

F=4.1362，R2=0.9738

由此得到式(2)是顯著的，從復相關系數也能得到實驗結果與影響因素之間的線性關系也是非常密切的。影響有效注漿量最為顯著因素是注漿管孔間距，其次是注漿壓力，砂石滲透系數對有效注漿量的影響相對較小。

3.3.2 漿液擴散半徑r1、r2數據分析

將表4中試驗結果進行回歸分析，即可得到漿液擴散半徑r1、r2與注漿壓力P、混合級配砂石滲透系數K、注漿管間距D之間的關系為：

r1=4.45388P0.185471K0.787952D-1.048710

(3)

F=0.7220，R2=0.7199

由此得到式(3)是顯著的，從復相關系數也能得到實驗結果與影響因素之間的線性關系也很密切。影響水泥漿液擴散半徑r1最為顯著因素是砂石滲透系數，而注漿壓力和注漿管間距對漿液擴散半徑r1影響相對較小。

r2=0.73701P1.525302K-0.535416D1.284324

(4)

F=1.1223，R2=0.8607

由此得到式(4)是顯著的，從復相關系數也能得到實驗結果與影響因素之間的線性關系密切。影響水泥漿液擴散半徑r2最為顯著因素是注漿壓力和注漿管間距，而砂石滲透系數對漿液擴散半徑r2影響相對較小。

4 結論

本文通過對水泥漿液在礫石土層中的注漿開展一系列相關的試驗研究，對屬于賓漢姆流體的水泥漿液雙管注漿的空間流態進行了分析，取得一些具有理論意義和實用價值的成果，具體歸納如下：

1) 雙管注漿過程中，漿液在被注介質中形成兩種空間流態。第一種空間流態，雙管注漿形成一個完整的結石體，該結石體整體呈橢球形或柱形；第二種空間流態，兩管注漿形成兩個單獨的結石體。

2) 通過對注漿試驗結果數據分析，得到注漿壓力、漿液耗散量、礫石土層滲透系數、漿液擴散半徑、注漿管間距等注漿參數之間的定量關系式：