水利施工中特殊地層灌漿預(yù)加固方法研究

史蘭爽

(山東美譽(yù)工程咨詢有限公司，山東 濟(jì)寧 272000)

0 引 言

灌漿指的是在水利工程施工中把特定的材料制成漿液，利用壓力原理將漿液注入到特殊地層的孔隙或裂隙內(nèi)，使其擴(kuò)散、固化的一種過程[1]。灌漿預(yù)加固指的是對(duì)水利施工擬開挖地段注入具有填充和凝膠性能的漿液，來降低特殊地層圍巖滲透系數(shù)并固結(jié)松散巖體的圍巖。對(duì)水利施工中特殊地層灌漿預(yù)加固可以防止水利施工過程中發(fā)生水滲透，固定水利工程中各項(xiàng)施工工具，防止施工過程中特殊地層發(fā)生滑坡、地表下沉的情況，提高特殊地層的地基承載力[2]。

傳統(tǒng)的灌漿預(yù)加固方法無法減小灌漿時(shí)孔隙水壓力的上升，導(dǎo)致漿體對(duì)特殊地層的土體產(chǎn)生擾動(dòng)，從而導(dǎo)致特殊地層產(chǎn)生較大的沉降量，無法保證水利施工中的安全。水利施工過程中，安全是貫徹整個(gè)工程的核心。為此，研究中水利施工中特殊地層灌漿預(yù)加固方法，可幫助施工過程中盡可能控制特殊地層的沉降量，依據(jù)現(xiàn)有的工程地質(zhì)條件，預(yù)加工特殊地層中的裂隙，減小施工中的困難，最大程度降低水利施工帶來的破壞性，維持特殊地層原有的地表形態(tài)[3]。

1 水利施工中特殊地層灌漿預(yù)加固方法研究

1.1 計(jì)算特殊地層的應(yīng)力特征

在水利施工時(shí)，特殊地層附近應(yīng)力場(chǎng)會(huì)形成偏壓，這種偏壓的大小與特殊地層內(nèi)部一點(diǎn)的指向臨空方向的應(yīng)力相關(guān)，所以在計(jì)算特殊地層應(yīng)力特征時(shí)，以特殊地層坡口線為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閅軸，建立一個(gè)計(jì)算模型坐標(biāo)系，見圖1。

圖1 建立的特殊地層坐標(biāo)

利用Geo-slope中的線彈性模型，計(jì)算特殊地層邊坡的應(yīng)力場(chǎng)。設(shè)定彈性模量E=1.0 GPa，泊松比μ=0.30，得到圖1中x=1至x=6中每一列的應(yīng)力特征σx對(duì)應(yīng)的y值的變化，參見圖2。

圖2 應(yīng)力特征變化規(guī)律

由圖2可知，應(yīng)力特征σx沿著Y軸的方向呈現(xiàn)拋物線的變化，此時(shí)特殊地層坡面的σx值并不是最大，而是與坡面近于平行的坡體內(nèi)部的σx值最大[4]。計(jì)算得到σx在特殊地層具體的位置，見圖3。

圖3 應(yīng)力點(diǎn)所在特殊地層的位置

由圖3所示，所以σx數(shù)值在特殊地層的坡表面即a表面，σx接近線性變化，隨著特殊地層距離的不斷增大，σx值迅速增加，在坡腳達(dá)到最大值[5]。計(jì)算坡內(nèi)的剪應(yīng)力，得到：

(1)

式中：cx，φx為土條在X軸上的有限抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；αy為土條底部的坡腳的坡度；ly為土條底部的長(zhǎng)度。隨著坡比變緩，剪應(yīng)力近似線性減少，但在坡比1∶1.25處出現(xiàn)拐點(diǎn)，當(dāng)坡比為1∶0.5～1∶1.25時(shí)，剪應(yīng)力減緩的程度比1∶1.25～1∶2.0時(shí)要快[6]。最終計(jì)算得到應(yīng)力特征的穩(wěn)定性參數(shù)見表1。

單純的放緩坡度并不能減少坡腳的應(yīng)力集中，所以在預(yù)加固時(shí)，還應(yīng)確定特殊低層的掌子面失穩(wěn)形式，實(shí)現(xiàn)水利施工中特殊低層灌漿預(yù)加固方法的研究[7]。

1.2 確定特殊地層掌子面失穩(wěn)形式

利用條分法確定特殊地層掌子面失穩(wěn)形式。首先假定若干可能的剪切面-滑裂面，將滑裂面以上土體分成若干垂直土條，對(duì)于作用于各土條上的力進(jìn)行力與力矩的平衡分析，求出在極限平衡狀態(tài)下土體穩(wěn)定的安全系數(shù)，并通過一定數(shù)量的試算，找出最危險(xiǎn)滑裂面位置及相應(yīng)的(最小的)安全系數(shù)[8-9]。調(diào)整灌漿過程中的各項(xiàng)參數(shù)，調(diào)整參數(shù)見表2。

表1 應(yīng)力特征的穩(wěn)定性參數(shù)計(jì)算表

表2 調(diào)整的失穩(wěn)參數(shù)

由表2所示，調(diào)整各項(xiàng)剪應(yīng)力的參數(shù)后，在考慮每個(gè)土條底部法向力的平衡，計(jì)算得到：

Nt=Wtcosα

(2)

規(guī)定各土條對(duì)滑弧圓心的力矩之和為零，直接計(jì)算得出土坡的安全系數(shù)為：

(3)

式中：ct和φt為土條t上的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；αt為土條底部的坡角；lt為土條底部的長(zhǎng)度；Wt為土條的自重。

計(jì)算過程見圖4。

圖4 失穩(wěn)模型計(jì)算過程

由圖4所示，根據(jù)靜力平衡建立的方程中，未知數(shù)的數(shù)目超過方程中的數(shù)目和力均平衡條件，對(duì)多余的未知數(shù)進(jìn)行假定，此時(shí)沿著劃分的土條兩側(cè)垂直面上的剪應(yīng)力不能超過這個(gè)面上所能發(fā)揮的抗剪能力，掌子面上無法產(chǎn)生拉應(yīng)力，此時(shí)掌子面呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，可以沿用此次計(jì)算結(jié)果，對(duì)特殊地層灌漿進(jìn)行預(yù)加固[10-11]。

1.3 實(shí)現(xiàn)灌漿預(yù)加固

在實(shí)現(xiàn)灌漿預(yù)加固前，假設(shè)灌漿口與特殊地層裂隙面垂直，漿液在壓力的作用下，沿著灌漿口向四周擴(kuò)散，漿液以牛頓流體的規(guī)律擴(kuò)撒，擴(kuò)散鋒面呈圓形，假設(shè)裂隙平直光滑，不考慮傾角的影響時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)的灌漿量為Q，漿液擴(kuò)散半徑為r，灌漿漿液在特殊地層擴(kuò)散鋒面處的流速為：

(4)

其中：vr為漿液的流速；h為裂隙寬度。

進(jìn)一步計(jì)算得到特殊地層裂隙水中的流動(dòng)規(guī)律：

(5)

式中：γ為流體重量；Jf為水力梯度；μ為流體動(dòng)力黏滯系數(shù)。

將式(4)代入式(5)中，整理計(jì)算得到：

(6)

對(duì)式(6)積分處理，計(jì)算得到牛頓流體在特殊地層內(nèi)流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)壓力為：

(7)

此時(shí)r0為特殊地層的裂隙半徑，依照式(7)可以得到擴(kuò)散半徑求解所需的注漿壓力參數(shù)[12]。

當(dāng)特殊地層裂隙中存在靜水壓力為pw的地下水時(shí)，此時(shí)應(yīng)設(shè)置地下水參數(shù)，計(jì)算得到：

(8)

由式(7)、式(8)可知，最終的灌漿壓力與漿液擴(kuò)散半徑的參數(shù)為單位時(shí)間泵入量、漿液黏度、裂隙寬度、地下水壓力等參數(shù)，其中裂隙寬度參數(shù)最為重要[13]。但在實(shí)際水利工程中，裂隙表面粗糙，走向不斷變化，裂隙寬度變化較大，在局部裂隙張開度極小，對(duì)于水泥類懸濁液注漿材料而言，漿液滲流過程中較窄的裂隙容易導(dǎo)致漿液顆粒堵塞，使得漿液的滲流受阻，無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期注漿擴(kuò)散范圍所需的注漿壓力[14]。所以在實(shí)現(xiàn)灌漿預(yù)加固時(shí)，將式(8)整理為：

(9)

其中，η表示裂隙內(nèi)單位面積上的流動(dòng)阻力參數(shù)，決定著裂隙表面的粗糙性和曲折性[15]。

基于上述計(jì)算，最終確定得到預(yù)加固的鉆孔位置。預(yù)加固時(shí)，在淺孔滲透注漿加固的基礎(chǔ)上再進(jìn)行高壓深孔劈裂注漿，設(shè)計(jì)劈裂注漿區(qū)厚度2.5 m，注漿材料選用易滲透、高強(qiáng)度的超細(xì)水泥漿液，控制注漿的水灰比控制在0.75～0.85，預(yù)加固的灌漿圖見圖5。

圖5 預(yù)加固灌漿示意圖

由圖5所示的深孔劈裂灌漿圖可知，在特殊地層鉆7個(gè)孔隙，在各個(gè)孔隙中利用圖5所示的灌漿管進(jìn)行灌漿，最終實(shí)現(xiàn)特殊地層灌漿的預(yù)加固。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備灌漿設(shè)備及灌漿材料，設(shè)備的性能指標(biāo)見表3。

表3 設(shè)備性能指標(biāo)

使用表3中的設(shè)備，將煤和泥巖巖樣破碎成不同大小塊度，破碎完成后使用圓孔篩選破碎后的巖體，獲得塊徑尺寸為5～10 mm,10～20 mm,20～30 mm和30～40 mm的碎塊備用。按照既定的比例稱重，獲得不同塊度分布的巖樣組合，并分層鋪設(shè)保證鋪設(shè)的均勻、密實(shí)。為確保灌漿過程中不跑漿，將表3中的設(shè)備頭安放到固定位置，破碎巖樣的裝填比例見表4。

表4 破碎巖樣的裝填比例

采用水灰比為0.85∶1配置水泥漿液，在實(shí)際的水利施工中特殊地層中使用。分別使用兩種傳統(tǒng)預(yù)加固方法與水利施工中特殊地層灌漿預(yù)加固方法進(jìn)行預(yù)加固實(shí)驗(yàn)，對(duì)比3種預(yù)加固方法最終得到的特殊地層地表沉降情況。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在特殊地層設(shè)置5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，3種預(yù)加固方法最終得到的沉降量結(jié)果見圖6。

圖6 3種預(yù)加固方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由沉降實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖所示，以設(shè)置的5個(gè)測(cè)點(diǎn)得出的沉降量為基準(zhǔn)，最終傳統(tǒng)預(yù)加固方法1造成特殊地層的平均沉降量為5 mm，傳統(tǒng)預(yù)加固方法2最終得到的沉降量為3.5 mm。而水利施工中特殊地層灌漿預(yù)加固方法最終特殊地層的沉降量為1 mm，相比于兩種傳統(tǒng)預(yù)加固方法的沉降量，水利水利施工中特殊地層灌漿預(yù)加固方法造成的沉降量更小，幾乎不對(duì)原有的特殊地層造成下沉的影響，保證特殊地層的原有的機(jī)理，維持水利施工的正常進(jìn)行，更適合在實(shí)際中使用。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著水利施工工程難度的不斷增加，工程量不斷加大，逐漸破壞了水利施工環(huán)境中原有生態(tài)環(huán)境，研究一種水利施工中特殊地層灌漿預(yù)加固方法可以緩解水利施工中特殊地層下沉的問題，增強(qiáng)了灌漿預(yù)加固的技術(shù)性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特殊地層灌漿強(qiáng)度的解析計(jì)算，改善了傳統(tǒng)灌漿預(yù)加固方法的不足，讓灌漿預(yù)加固方法更具有科學(xué)性。