透明土模擬筑壩料注漿加固研究

呂彥源，王建新，2，李紅梅

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 新疆水利工程與水旱災(zāi)害防治實驗室，烏魯木齊， 830052）

水利工程建設(shè)中，在結(jié)構(gòu)的加固和防滲方面，注漿技術(shù)一直作為一種重要的手段被廣泛運用， 注漿技術(shù)在應(yīng)用過程中具有隱蔽性， 這種特性導(dǎo)致工程營養(yǎng)的實際效果和技術(shù)研究存在著很大的隨意性和盲目性。 因此對于注漿過程的可視化研究就變得極為重要。 而透明土模型試驗技術(shù)因為擁有可以實現(xiàn)非嵌入式、可視化觀測注漿過程的優(yōu)點，得到了廣泛關(guān)注或應(yīng)用。本文將從透明土模型試驗技術(shù)、注漿加固的可視化研究、注漿理論和數(shù)模研究這4個方面進行簡要綜述。

1 透明土模型試驗技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

透明土模型試驗技術(shù)是由透明土材料制備物理模型，然后用全自動多功能加載儀對模型進行加載，最后通過數(shù)字圖像采集設(shè)備對實驗全過程進行觀測捕捉，經(jīng)過對試驗前后的圖像對比分析，從而得出模型特定位置的土體變形規(guī)律。

1.2 透明土種類

透明土是指和天然巖土的工程性質(zhì)相近的透明材料。 目前，透明土可大致分成兩種類型。 第一類是用于模擬天然黏土，通常由無定形二氧化硅、氣相二氧化硅、 水珠、 凝膠珠和Laponite RD制成的透明黏土， 使用這些材料制備的透明土的物理性質(zhì)與天然土相近。第二類是用于模擬天然砂，通常由硅膠、熔融石英、冰晶石和熔融硅石制成的透明砂，這些材料配制的透明砂土的硬度相較于第一種材料會更高［1］。不同的透明土顆粒材料， 所需要的孔隙流體也是不一樣的，如表1。

表1 透明土的材料

1.3 透明土制備過程

進行透明土制備時， 首先根據(jù)所要模擬的土體對象選擇合適的材料， 然后再依據(jù)材料選擇折射率匹配的孔隙流體。如果是模擬天然砂，模擬材料在與孔隙流體充分混合后，應(yīng)進行真空處理，直至混合液透明；如果是模擬天然黏土，則需對模擬材料與孔隙流體的混合物進行固結(jié)來獲取黏聚力［2］。

從模擬土石壩筑壩料來說，當(dāng)模擬土壩時，制備方法與模擬天然黏土類似；當(dāng)模擬堆石壩時，制備方法與模擬天然砂類似。 對于模擬土石混合壩的筑壩料的制備方法，可以進一步展開研究。

1.4 透明土制備成本與環(huán)境影響

合成透明土壤的固體材料主要包括無定形硅粉、無定形硅膠和熔融石英。無定形硅粉因成本低廉而被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)， 而無定形硅膠是硅粉的膠體形式， 熔融石英則是天然石英熔融冷卻后形成的材料。相比于其他試驗方法，透明土模型試驗技術(shù)材料價格相對較低，測試成本低，且測試的開展難度低。

常用的制備透明土的材料對于環(huán)境所產(chǎn)生的污染很小。 如在工業(yè)上，無定形二氧化硅是一種軟性磨料，常被作為牙膏摩擦劑來使用。在農(nóng)業(yè)上，水珠和凝膠珠也被用于模擬土壤， 來觀測植物根系的生長［3］。在環(huán)境治理上， 磨碎后的熔融石英也可用來修復(fù)沙灘。孔隙流體中使用較多的礦物油，在有機農(nóng)業(yè)中作為低風(fēng)險的天然源農(nóng)藥的應(yīng)用前景也十分廣闊。

2 注漿加固的可視化研究

曹兆虎等［4］采用烘烤石英砂作為透明土材料，將正十二烷和15號白油混雜在一起作為孔隙液體，結(jié)合PIV圖像技術(shù)，對樁基貫入過程中，樁周土體內(nèi)部變形測量和樁端后注漿過程進行可視化研究， 得出結(jié)論：樁端注漿會形成橢圓球孔擴張模式，且楔形管樁沉樁時， 樁周土體產(chǎn)生的位移場與等截面樁有一定差異，樁頂處產(chǎn)生的位移最大。

Gao Y等［5］采用折射率相同的熔融二氧化硅和溴化鈣溶液制成的透明土， 經(jīng)過模型試驗得出了注漿半徑與注漿時間成正比的結(jié)論， 驗證了馬格（Maag）的滲透灌漿公式的正確性。Li P等［6］設(shè)計了一套注漿模型試驗系統(tǒng)， 該系統(tǒng)由巖體可視化模擬材料、高強度透明裝置、12臺參數(shù)可控注漿泵送裝置和連續(xù)物理現(xiàn)場測量系統(tǒng)組成， 并進行了砂土注漿模擬試驗，驗證了該試驗系統(tǒng)的適用性。

3 注漿理論

土石壩的壩體材料多為本地的石料、 本地的土料或者本地的土石混合材料所構(gòu)成， 而按照土石壩的材料類型，土石壩又可分成3種：土壩、堆石壩、土石混合壩（又稱土石壩）。

土石壩的結(jié)構(gòu)中充滿了孔隙或者裂隙， 因此有必要對巖體結(jié)構(gòu)進行研究， 這對于注漿技術(shù)的實際應(yīng)用十分重要。目前，巖體結(jié)構(gòu)的注漿理論可以分成多孔介質(zhì)理論、裂隙介質(zhì)理論、擬連續(xù)介質(zhì)理論及孔隙和裂隙雙重介質(zhì)理論。

（1）多孔介質(zhì)理論。 該理論定義，巖體中的裂縫以孔隙為主，孔隙之間互相滲透。根據(jù)孔隙的分布類型，可分為各向同性多孔介質(zhì)與各向異性多孔介質(zhì)。

（2）裂隙介質(zhì)理論。 這一理論認(rèn)為，裂隙是巖體的主要裂縫，把巖體分為不連續(xù)的部分；裂隙是漿液流動和擴散的通道。

（3）擬連續(xù)介質(zhì)理論。 從理論上說，雖然巖石被裂縫隔開，但利用這一理論的等價原理，巖體和裂縫之間的連續(xù)性在空間的任何地方都可以保持。 裂隙與裂隙之間是相互連通的。 如果將這些通道看作一個整體的話， 則可以認(rèn)為它們具有相同或相似的幾何形狀。因此在巖體中，任何部位都存在著介質(zhì)和孔隙介質(zhì)，同時漿液在巖體中通過這種孔隙流動。

（4）孔隙和裂隙雙重介質(zhì)理論。 此理論認(rèn)為，巖體包括孔隙度低、滲透性高的裂縫系統(tǒng)和孔隙度高、孔隙性低的巖塊系統(tǒng)，當(dāng)漿液流經(jīng)這種介質(zhì)時，它既流入裂縫中，也流入塊體中，并且在兩者之間發(fā)生強烈的質(zhì)量交換。

4 數(shù)模研究

數(shù)值模擬技術(shù)是研究注漿技術(shù)的重要工具之一，可為工程的實際應(yīng)用提供一些參考。王乾偉等［7］采用耦合FVM法對注漿過程進行了三維數(shù)值模擬，隨后又通過TIN算法、邊界表達技術(shù)及NURBS簡化技術(shù)構(gòu)建了三維模擬， 對注漿的流程開展了動態(tài)可視化的研究。 在對于筑壩料的模擬上，高德清［8］采用了PFC2D方法， 對筑壩料的動力變形實驗進行數(shù)值模擬。 其中，數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)動力實驗相比，數(shù)據(jù)采集方面差異較大，同時因為是PFC2D是二維技術(shù)，很難做到仿真。 因此在后續(xù)對于筑壩料進行數(shù)值模擬的研究中，可以采取三維的數(shù)值模擬方法，能更加準(zhǔn)確地進行實驗。

5 結(jié)語

（1）目前透明土的制備技術(shù)已趨于成熟，可在模擬土石壩筑壩料上，對可選取的模擬材料進行更多試驗。 且透明土制備成本相對較低，對環(huán)境影響較小。

（2）在化學(xué)注漿、后注漿等研究中，已有成功進行可視化研究的先例， 透明土模擬筑壩料注漿應(yīng)在此基礎(chǔ)上進一步進行深化。

（3）可以用數(shù)值模擬建立三維數(shù)值模型，再用透明土建立物理模型對注漿過程進行可視化研究，最后相互進行驗證， 方法十分適合筑壩料這種大尺寸材料的研究。

除此之外， 還應(yīng)該考慮注漿時漿液的擴散規(guī)律、對于注漿效果產(chǎn)生影響的因素考慮是否全面、注漿壓力對于透明土孔隙變形影響等問題。