飽和砂層定向誘導注漿理論及試驗研究*

李萌萌，張 維，鄧洪亮，王守凡

(1.北京工業大學城市建設學部，北京 100124；2.北京市政路橋股份有限公司，北京 100045)

0 引言

注漿技術因其對改善巖土性質的顯著作用，被廣泛應用于地下工程止水加固等工程實踐中[1]。針對不同的土體結構特征、漿液物理特性以及注漿目的，注漿技術根據其作用機理可以劃分為多種注漿方法。由于飽和砂層具有穩定性差、滲透性差、覆蓋面廣的特點[2]，目前常用的注漿方法對其均存在一定的應用限制。從穩定性的角度考慮，劈裂注漿、高壓旋噴注漿和壓密注漿的注漿壓力較大，易導致飽和砂層土體失穩；從滲透性的角度考慮，填充注漿和常規滲透注漿存在擴散距離短、擴散方向不可控、擴散范圍不集中的問題；從經濟性的角度考慮，化學注漿施工成本較高，不適含大規模應用。

本研究在常規滲透注漿理論[3-4]的基礎上，考慮排水壓力對漿液擴散的促進作用和范圍約束作用，提出一種兼具注漿壓力和排水壓力的新型雙管注漿方法，建立了飽和砂層的定向誘導注漿理論，并通過理論推導和模型試驗分析漿液在注漿正壓與排水負壓共同作用下的擴散規律。

1 飽和砂層定向誘導注漿理論分析

定向誘導注漿區別于傳統的單孔注漿和多孔注漿方法，在注漿擴散范圍內沿預期注漿方向設置排水孔進行排水，降低砂層中的孔隙水壓力，從而在注漿孔與排水孔之間的土體中形成更大的壓力差，增大了預期注漿方向上漿液擴散運動的動能，如圖1所示。土體內的漿液受到注漿正壓和排水負壓的共同作用。

圖1 定向誘導注漿作用原理

1.1 理論模型建立

定向誘導注漿理論模型的理論假定如下[5-6]。

1)被注土層均質且各向同性，注漿過程中土層結構不發生改變。

2)注漿端擴散的漿液和排水端滲流的水均為牛頓流體，注漿過程中二者的流型和黏度均保持不變。

3)注漿端的漿液從注漿管的底部注入土層，排水端的水從土層中匯向排水管底部，二者擴散方向相反，但均呈球形擴散。

4)單位時間的注漿量和排水量均不變，液體只發生層流運動。

5)不考慮土體內自由水對漿液的稀釋作用。

6)注漿正壓的影響范圍與排水負壓的影響范圍有一定的重疊，并足以驅動水泥漿液產生滲流。

定向誘導注漿理論模型建立在有限范圍內，注漿管與排水管埋深一致，兩管半徑均為r0；兩管圓心的連線距離為擴散距離L，且L?r0；注漿正壓水頭高度、排水負壓水頭高度、地下水高度分別為hg，hd，h0；注漿正壓應力、排水負壓應力分別為Pg，Pd，有Pg=γghg，Pd=γwhd，其中γg，γw分別為漿液和水的重度；漿液和水在砂層內的滲透系數分別為kg，kw，有kg=μgγw，kw=μwγw，其中μg，μw分別為漿液和水的黏度；單位時間的注漿量和排水量分別為Qg，Qd。定向誘導注漿理論模型如圖2所示。

圖2 定向誘導注漿理論模型

1.2 公式推導

1.2.1二維注漿正壓空間分布方程

在兩管管底連線所在平面內，因r0?L，故將l=r0處定義為初始注漿正壓Pg0的位置；單位時間內通過每個擴散面的注漿量均為Qg。

由達西定律得出滲流方程：

(1)

積分得：

(2)

代入邊界條件：l=r0時，Pg(l)=Pg0，得出二維注漿正壓空間分布方程如下：

(3)

1.2.2二維排水負壓空間分布方程

在兩管管底連線所在平面內，因r0?L，故將l=L-r0處定義為初始排水負壓Pd0的位置；單位時間內通過每個擴散面的排水量均為Qd。

由達西定律得出滲流方程：

(4)

代入邊界條件：l=r0時，Pd(l)=-Pd0，得出二維排水負壓空間分布方程如下：

(5)

1.2.3一維漿液壓力空間分布方程

定向誘導注漿成功的關鍵在于兩管間的注漿路徑是否打通，因此本文僅選取兩管連線段上的擴散漿液進行壓應力分析，且有r0≤l≤L-r0。

正負壓應力求和，得出一維漿液壓力空間分布方程如下：

(6)

1.2.4判定條件

(7)

(8)

因此可推出以下規律。

1)當P＇(l)max?0時，Qg遠大于Qd，注漿正壓遠大于排水負壓，漿液壓力由注漿管向排水管逐漸減小。

3)當P＇(l)min≥0時，Qg遠大于Qd，排水負壓遠大于注漿正壓，漿液壓力由注漿管向排水管逐漸增大。

圖3 正負壓重疊效果

2 飽和砂層定向誘導注漿模型試驗

2.1 試驗模型

本研究依據定向誘導注漿原理及相似準則建立試驗模型[8]。試驗模型包含試驗箱體系統、注漿控制系統、負壓誘導系統和智能監測系統。其中，試驗箱體系統為高強玻璃試驗箱體，用以容納模擬飽和砂層和直接觀察漿液擴散情況；注漿控制系統包括注漿泵、加壓箱、注漿管、注漿管路、注漿壓力控制器及注漿控制閥；負壓誘導系統包括排水泵、排水壓力控制器、排水控制閥、排水管及排水管路；智能監測系統包括傳感器、注漿壓力表、排水壓力表、智能檢測采集器及系統監測平臺，是試驗過程中監測和收集數據的動態信息站。試驗模型各系統連接順序及現場實際狀況如圖4，5所示。

圖4 試驗模型

圖5 現場試驗模型

2.2 試驗設計

1)注漿材料

注漿材料選用普通硅酸鹽水泥；試驗用土選用石英砂、河砂，分別用于模擬飽和中砂層、飽和細砂層，黏土和土工膜用于模擬土體中的止水層。

2)注漿參數

注漿泵壓力的取值范圍為0.05～0.2MPa；排水泵壓力的取值范圍為0.04～0.08MPa；試驗漿液的水灰比均選用2∶1；注漿管與排水管間的距離為擴散距離，取值為0.5～1.5m。

3)試驗分組

分別以擴散距離L、注漿泵壓力P1、抽水泵壓力P2為變量進行多組對照試驗。

4)監測點布置

孔隙水壓力計與土壓力盒作為傳感器實時監測土體內不同位置的孔隙水壓力與土壓力，試驗共設有孔隙水壓力計8個，土壓力1個，平面布置如圖6所示。

圖6 監測點平面布置

5)試驗步驟

試驗過程主要分為試驗準備工作、試驗實施過程、試驗信息匯總3部分，具體試驗步驟如圖7所示。

圖7 試驗步驟流程

3 試驗結果分析

試驗監測數據主要來源于埋入土體的孔隙水壓力傳感器和土壓力計，其中土壓力計所測數據為注漿壓力，以下選取兩組具有代表性的試驗進行結果分析，兩組試驗參數如表1所示。

表1 試驗參數

3.1 第1組試驗結果

注漿壓力和孔隙水壓力的升降趨勢可反映土體中漿液的擴散狀態，變化曲線從一個穩定狀態到另一穩定狀態所需的時間為注漿時長。由本組試驗的應力-時間曲線得，t=5min時開始注漿，t=110min時結束注漿，注漿時長為T=Δt=105min，依次選取t=9,55,100min作為特征時刻進行分析，具體如圖8所示。

圖8 第1組試驗應力-時間曲線

針對上述3個特征時刻，分別繪制漿液流勢圖、孔隙水壓力等值線圖、注漿管與排水管連線之間孔隙水壓力剖面圖O-A和注漿管與排水管連線之外孔隙水壓力剖面圖O-C，如圖9所示。

圖9 第1組試驗效果分析

1)由各時刻的流勢圖可看出，漿液從注漿管經過850mm處的勢能極小值點后繼續向排水管擴散，且注漿4min誘導趨勢就已經形成；由各時刻的等值線圖可看出，兩管連線上的孔隙水壓力變化梯度最大，漿液擴散范圍主要集中在該區域。均驗證了定向誘導注漿在飽和中砂層的可行性。

2)由各時刻的孔隙水壓力剖面圖O-A可看出，孔隙水壓力由注漿管向排水管非單調降低，存在極小值點，對應理論模型中情況②的應力最低點；同時，對比剖面圖O-C可看出，注漿前期漿液未向兩管中間以外區域擴散，后期存在一定的無效擴散，注漿區域整體較集中。

根據現場觀測可得，在注漿開始28min時抽水管中的水開始渾濁，表明漿液已經擴散至抽水管附近，誘導路徑貫通，最終定向誘導注漿試驗成功。

3.2 第2組試驗結果

本組試驗中孔-6、孔-7的數據規律異常，暫不分析，由應力-時間曲線得，t=10min時開始注漿，t=90min時結束注漿，注漿時長為T=Δt=80min，依次選取t=20，42，85min作為特征時刻進行分析，具體如圖10所示。

圖10 第2組試驗應力-時間曲線

上述3個特征時刻的對比分析，如圖11所示。

圖11 第2組試驗效果分析

1)由各時刻的流勢圖可看出，漿液沿穩定的壓力梯度從注漿管向排水管擴散，注漿10min誘導趨勢就已經形成；由各時刻的等值線圖可看出，兩管連線上的孔隙水壓力變化梯度最大，漿液擴散范圍主要集中在該區域。均驗證了定向誘導注漿在飽和細砂層的可行性。

2)由各時刻的孔隙水壓力剖面圖O-A可看出，孔隙水壓力由注漿管向排水管逐漸減小，未出現的應力最低點，對應理論模型中的情況①；同時，對比剖面圖O-B可看出，注漿后期漿液向兩管中間以外區域有少量擴散，整體注漿范圍集中。

3)對比第1組試驗,本組試驗的土體可注性較差，擴散距離較遠，但本組所需的注漿時長反而更短，說明增大正負壓差可顯著縮短注漿時長。

根據現場觀測可得，在注漿開始31min時排水管中的水開始渾濁，表明漿液已經擴散至排水管附近，誘導路徑貫通，最終定向誘導注漿試驗成功；注漿后期注漿管附近的飽和細砂出現了較明顯的沉降，導致兩管間700mm處現孔隙水壓力最高點。

4 結語

本文提出一種適用于飽和砂層的定向誘導注漿技術，以在預期注漿方向設置排水管的方式增大漿液滲透擴散的動能，解決了由飽和砂層穩定性差、滲透性差導致的注漿難題。本研究分別通過建立理論模型、完成模型試驗，雙向證明了定向誘導注漿理在飽和砂層中的可行性。同時還得出了以下結論。

1)理論推導得出定向誘導注漿過程中應力分布規律，并通過模型試驗得到了充分驗證：當注漿正壓遠大于排水負壓時，兩管間形成穩定的壓力差，應力分布與常規單孔注漿相似，但注漿時長明顯縮短；當注漿正壓與排水負壓相差不大時，兩管間存在應力最低點，僅當該點漿液壓力大于其流動阻力時誘導路徑才可形成。

2)模型試驗結果分析還得出，定向誘導注漿趨勢可在幾分鐘內形成；定向誘導注漿可有效控制漿液的擴散方向，縮小無效注漿范圍。

由此說明，飽和砂層的定向誘導注漿能夠提高注漿的效率和質量。針對第四系飽和砂層在我國各地廣泛存在的現實情況，定向誘導注漿技術不僅具有較高的理論意義，而且具有很高的工程推廣意義和經濟利用價值。