GIN灌漿法力學原理探究

李素萍 吳言聰

【摘? 要】GIN（Grouting Intensity Number）灌漿法以水泥穩定漿液為基礎，是一種較傳統灌漿法施工速度更快、更節約材料、施工更簡單的灌漿工法。論文以漿液在最理想的水平層狀裂隙擴散的物理模型來揭示GIN灌漿法的力學原理，以增進國人對GIN灌漿法的理解。GIN灌漿法是在滿足一定質量要求的前提下對漿液擴散范圍進行嚴格控制的灌漿方法。

【Abstract】Based on the cement stabilized slurry， GIN （Grouting Intensity Number） grouting method is a grouting method with faster construction speed， more material saving and simpler construction than traditional grouting method. The paper uses the physical model of slurry spreading in the most ideal horizontal layered cracks to reveal the mechanical principles of GIN grouting method， so as to improve the understanding of GIN grouting method by China's people. The GIN grouting method is a grouting method that strictly controls the spread of slurry under the premise of meeting certain quality requirements.

【關鍵詞】GIN灌漿法;模型;原理

【Keywords】GIN grouting method; model; principles

【中圖分類號】TV543? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）05-0158-03

1 引言

基于水泥穩定漿液的GIN（Grouting Intensity Number）灌漿法也叫作“灌漿強度值灌漿法”或“GIN限制灌漿法”。因單段灌漿中保持灌漿壓力P與灌漿單耗V的乘積為一常數（GIN值）而得名。由瑞士灌漿專家隆巴迪博士（G.Lombardi）于1993年首次提出。其較傳統灌漿方法具有施工速度快、節約材料、施工簡單等優點。已在許多國家得到了廣泛應用，取得了良好的經濟效益和社會效益。GIN法灌漿在國外已是一項成熟的工法，在國內還處于推廣的階段。

水泥穩定漿液為水灰比小于0.6的水泥漿，以及在水灰比0.6～1.0的水泥漿中加入少量的穩定劑（常用膨潤土）經高速攪拌制成2h析水率小于5%，又有一定塑性屈服強度的漿液。應用于GIN灌漿的穩定漿液常取水灰比為0.6～0.8。

常見流體分2種：一種是可以由粘滯系數單獨表征其流變特性的牛頓流體，典型如水和油;一種是由粘滯性和粘聚性（以下稱塑性屈服強度）共同決定其流變特性的賓漢流體，典型如牙膏和泥漿。其中，粘滯性控制流速，粘聚性控制最遠擴散距離（對于指定的灌漿壓力及巖石裂隙寬度）。水泥穩定漿液屬于賓漢流體。

要使巖體灌漿緊密就必須消耗一定的能量。在一個灌漿段內，能量的消耗近似等于灌漿壓力P和灌漿單耗V的乘積，即PV。這個數值GIN值又叫灌漿強度值。

灌漿，顧名思義，最簡單的理解就是把漿液灌入裂隙中去。由此，所有的關于灌漿的問題便簡化為把什么樣的漿液用什么樣的方式灌入什么樣的裂隙中去的問題。圍繞這些問題，本文以漿液在最理想的水平層狀裂隙擴散的模型來揭示GIN灌漿法的力學原理。

2 穩定漿液在裂隙中流動的力學模型

穩定漿液屬于賓漢流體，結合經典流體力學理論，本文以最簡單的水平層狀均勻裂隙（如圖1）為例，討論穩定漿液在一定灌漿壓力P下達到力平衡時（即在此壓力下不再吃漿時）的各種灌漿參數。

2.1 穩定漿液在裂隙中的流態

賓漢流體流經一定寬度的裂隙時有穩定的流核（如圖2所示）。

流核厚度e的表達式為： e= ? ? ? （1）

其中，τ0——漿液塑性屈服強度;

J——壓力梯度;

γ——漿液重度。

2.2 穩定漿液在裂隙內的壓力分布

維特根據漿液的力平衡方程和邊界條件推導出穩定漿液在裂隙內的壓力分布公式為[1]：

Pi=P-（Ri-r0）? ? ? （2）

其中，Ri——離鉆孔中心的距離;

？啄——裂隙寬度;

r0——灌漿孔半徑。

2.3 穩定漿液在既定壓力及既定裂隙下的最大擴散距離

由式（2）可知，當Ri在孔壁附近時，作用在穩定漿液上的壓力為灌漿壓力P。而當Ri在最大灌漿半徑Rmax時，Pi和τ0漿液塑性屈服強度相等，漿液停止流動，可求得漿液在灌漿壓力P下的最大擴散距離Rmax。因為穩定漿液的塑性屈服強度一般不大于4Pa，相對于MPa級的灌漿壓力可以忽略為零。將Pi=0帶入式（2），計算得Rmax表達式為：

Rmax+r0? ? ? ?（3）

2.4 穩定漿液在既定壓力及既定裂隙下的最大吸漿量

漿液在均勻水平層狀裂隙中以鉆孔中心為圓心餅狀擴散至最大擴散距離Rmax（如圖3）。由此可求得此壓力下的最大吸漿量Qmax。

Qmax=？啄πR2max=? ? ?（4）

2.5 穩定漿液在灌漿過程中的平均灌漿速度

在整個灌漿過程中，漿液在裂隙內的流速呈線性分布。平均灌漿速度Fa近似正比于平均灌漿壓力及裂隙寬度，近似反比于裂隙自身阻流特性和漿液塑性屈服強度。其中，裂隙自身阻流特性近似反比于裂隙寬度。其表達式為：

Fa=? ? ? （5）

其中，k——一個實驗系數;

Pa——灌漿過程中的平均灌漿壓力。

3 GIN灌漿法的力學原理

3.1 關于可灌性

經實驗得當裂隙寬度小于2倍流核厚度e時，光滑壁面產生純擠出;裂隙為粗糙面，則漿液停止流動[2]。

結論1：由式（1）可知，裂隙寬度只有大于漿液的2倍流核厚度才有可灌性。提高灌漿壓力，摻加高效減水劑降低漿液的塑性屈服強度，可以減小流核厚度，增加可灌性。

3.2 關于GIN值

GIN=PV。在灌漿壓力P下達到的最終GIN值的表達式為：

GIN=PV=PQmax/L? ? ? （6）

其中，V——灌漿段單耗;

L——灌漿段段長。

由此可以得出如下結論：

結論2：由式（6）可知，在既定的穩定漿液和既定的裂隙中，最終GIN值僅與灌漿壓力P有關，且和灌漿壓力的3次方成正比。

結論3：結合式（3）和式（6）可知，在既定的穩定漿液下，保持GIN值一致，實質上就是保持了漿液擴散半徑的一致。

結論4：結合式（3）和式（6）可知，GIN灌漿法對漿液擴散半徑的控制和裂隙的寬度δ無要求，僅需要保證裂隙寬度δ和灌漿壓力P的乘積為一個常數即可。由此便既可以做到用較高壓力灌注細微裂隙保證灌漿質量，又可以用較低壓力灌注寬大裂隙，避免漿液超出設計漿液擴散距離，節約了灌漿材料及灌注此部分無效漿液的時間。

結論5：結合式（3）和式（6），顯而易見，對于一個實際的灌漿段來講其裂隙寬度δ是平均而言的。所以GIN灌漿對擴散半徑的控制也是整體性的、平均而言的。具體到特定的單個灌漿段，依舊存在寬大裂隙漿液擴散距離遠、細微裂隙漿液擴散距離不足的問題。傳統的稀漿開灌，逐級變濃的灌漿方法可以在犧牲一部分灌入寬大裂隙的稀漿灰量的基礎上保證單個灌漿段內的細微裂隙得到足夠的填充。由此可知，GIN灌漿法對處理裂隙開度不均勻程度大的地層效果不如傳統灌漿法。這便是GIN灌漿不適用于防滲標準透水率q≤1的高防滲要求地段的原因。

GIN灌漿法質量控制的核心便是：相似灌區僅選用一種穩定漿液（保證漿液塑性屈服強度一致）并選取合適的GIN值。在灌漿操作中始終保持GIN值一致，以此做到在始終嚴格控制漿液擴散范圍的情況下對地層進行灌漿處理[3]。

GIN值的選取可以理論計算，也可以由工程類比及灌漿實驗確定。

3.3 關于灌漿時間

將式（4）最大吸漿量Qmax除以式（5）平均灌漿速度Fa可得灌漿時間T的表達式：

T? ? ? ?（7）

結論6：由式（7）可知在既定漿液條件下，各灌段的灌漿時間T取決于GIN值、實驗系數k、灌漿過程的平均壓力Pa以及裂隙寬度δ。在既定漿液、既定GIN值和既定裂隙寬度條件下，灌漿時間T僅取決于灌漿過程中的平均灌漿壓力Pa且與之成反比。于是，在保證不發生漿力劈裂和地層抬動等不利情況下可以提高灌漿過程的平均壓力Pa以進一步縮短灌漿時間。

3.4 關于GIN灌漿法

結論7：綜合結論1～6，得出GIN灌漿法較傳統灌漿方法具有施工速度快、節約材料、施工簡單的優點。實質上，GIN灌漿法是在滿足一定質量要求的前提下對漿液擴散范圍進行嚴格控制的灌漿方法。傳統灌漿法在處理高標準帷幕灌漿等方面自有其優勢。現階段，GIN灌漿法仍不足以完全替代傳統灌漿法。但可以預見的是，GIN灌漿法是灌漿技術走向精確控制（對漿液擴散范圍、灌漿材料、灌漿時間，灌漿質量）道路上的一個里程碑式的重要成果，代表了基巖灌漿處理技術的未來走向。隨著灌漿材料、灌漿設備以及灌漿工藝的不斷發展，GIN灌漿法的應用必定會更加有效和普遍。

4 說明與討論

本文中所指灌漿壓力為灌段中點的實際灌漿壓力。真實的實際灌漿壓力受管路沿程損失、地下水壓力、壓力表安裝位置及壓力表誤差等各種復雜因素的影響，會和壓力傳感器顯示壓力有所不同。

本文中所推理的最大擴散距離公式是在理想情況下得到的，考慮裂隙本身的阻流性質，實際情況還需根據實驗乘以一個小于1系數。

因專業及知識局限，本文未能從工程地質角度對各種裂隙性質作出分析討論，而各種地質因素如地下水、節理裂隙走向、地質構造、巖土性質等對灌漿效果的影響是具有決定性的。

GIN灌漿工法較變換漿液比級的傳統灌漿工法有諸多優點。但適用范圍一般限于基巖及部分覆蓋層帷幕灌漿施工及固結灌漿施工。在巖溶發育地段不宜采用，在帷幕防滲標準透水率q≤1的地段也不宜采用。

【參考文獻】

【1】楊光煦.水泥穩定漿液灌漿參數與方法[A].中國水力發電工程學會水工及水電站建筑物專業委員會.2002年水工專委會學術交流會議學術論文集[C].中國水力發電工程學會水工及水電站建筑物專業委員會：中國水力發電工程學會，2002：9.

【2】武桂枝.盤石頭水庫大壩基巖灌漿施工[J].河南水利與南水北調，2007（4）：46-47.

【3】齊偉軍，夏春.穩定劑水泥漿流變機理研究[J].混凝土，2005（9）：6-10+17.