基于黃土地區大壩基礎防滲處理的劈裂注漿技術研究

崔汝靜

（云南昭通市昭魯大型灌區管理局,云南 昭通 657000）

1 引言

西北地區分布這大面積的黃土,黃土的濕陷性是最大的特點之一,而引起黃土濕陷性的原因是黃土具有多孔性、垂直節理發育等特征,該結構組成會造成黃土遇水后將其疏松的土粒聚集,而黃土的組成主要由粉粒和親水性較弱的礦物成分所構成,由于黃土長期處于半干旱和干旱的氣候中,使得黃土中水分蒸發,致使黃土中含水量比較小；而黃土中具有粘粒的強結合水連接和鹽類成分膠結連接,在比較干燥的環境中,黃土承擔一定的承載力之后變形不是很大。但是,當黃土遇水遭到浸濕之后,土粒之間的連接明顯發生減弱以及黃土中的結合水膜加厚,由于結合水膜分布在顆粒間,導致結合水的連接作用減弱甚至會消失,而可溶性的鹽類成分也會溶于水中,以上原因會導致黃土的主體骨架結構的承載能力減弱,在上層覆蓋土的自重壓力及外部附加壓力作用下,主體結構遭到破壞,土顆粒向大孔隙滑動,黃土的承載力減小,從而黃土出現大面積濕陷[1-2]。

2 大壩加固技術

目前工程上常用的加固技術有很多,前人也進行比較深入的研究。本世紀初,廉翔[3]基于七一水庫大壩工程實例,通過研究高噴注漿防滲墻的具體設計和施工要求,給高噴注漿技術的工程應用提供了理論指導。楊亞新[4]結合具體工程案例,對大壩壩基滲漏的原因進行了分析,并給出了具體的防滲加固方案,給工程實踐提供了參考范例。尚海濤[5]等在分析宮山嘴水庫大壩質量問題的基礎上,給出了高壓定噴灌漿方案,并通過注水試驗,驗證了施工效果。李焱華等[6]研究了特殊地質、氣候條件下高壓擺噴灌漿技術的工程應用,通過工程設計和參數優化,以及具體的施工要求,得出高壓擺噴灌漿技術在高原地區應用技術可行、效果顯著。王欣榮[7]分析了化學灌漿技術在大壩基礎處理中的應用,研究了不同化學灌漿材料和新型化學灌漿技術,得出化學灌漿技術在大壩基礎的防滲加固中是安全可靠的。黃觀幸對高壓噴射注漿在防止大壩滲流中的應用進行研究,通過高壓噴射注漿技術形成的防滲墻能夠有效防止大壩滲流。周文帥等[8]通過試驗研究了土釘支護技術加固河道邊坡的應用,通過設置不同的土釘間距以及不同的坡度條件展開試驗,最后得出在下相同坡度條件下,隨著孔徑的減小,邊坡最大土壤流失量也在減小。

綜合以上可以發現,前人對灌漿技術的研究大多集中在方案設計和施工技術等方面,對于具體的注漿機理,不同注漿參數對注漿加固效果的影響等方面的研究尚有欠缺。

3 注漿試驗

3.1 場地概況

地質勘查報告,試驗場地地基土分層分別為：素填土（Q4ml）,平均厚度約2.56 m；黃土狀粉土（Q4al+pl）,平均厚度約6.37 m；馬蘭黃土（Q3eol）,平均厚度約24 m；圓礫（Q3al+pl）,平均厚度約4.5 m。經評價,該地基土為Ⅳ級嚴重自重濕陷性類型[9-10]。

3.2 試驗設計

在試驗場地分3 組打注漿孔,每組6 個注漿孔,孔距80 cm,孔位按等邊三角形布置,見圖1 。

圖1 注漿孔位布置圖

注漿所用漿液為P.O42.5純水泥凈漿,注漿量Q的計算方法如下所示：

式中：Q1為樁芯所需注漿量,m3；Q2為單個支脈所需注漿量,m3；c1為經驗系數,可取1.1～1.3,所需復合地基承載力高時,取較大值,d為樁徑,m；l為樁長,m；n為支脈個數,c2為漿液擴散系數取1.5,V為單個支脈體積,m3。

計算注漿量時,為了計算方便,將支脈簡化為長、寬、厚均勻的薄板狀形態。

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每組注漿孔所用注漿漿液配比不同,分別為：第一組,注漿漿液水灰比1.2,第二組,注漿漿液水灰比為1.0,第三組,注漿漿液水灰比為0.7。注漿過程分為全段劈裂注漿和分層劈裂注漿兩步進行,為了避免在注漿過程中相鄰兩注漿孔相互影響,需要進行隔孔注漿。首先進行注漿孔的鉆孔作業,注漿孔孔徑11 cm,孔深10 m,鉆孔結束后,進行注漿漿液的配制,然后開始全段劈裂注漿,注漿管長10 m,管壁開噴漿孔。第1 組全段注漿完成后,鉆第二組注漿孔,配制第二組注漿漿液,進行第二組全段注漿,依次進行。

3.3 注漿參數分析

在注漿過程中,記錄好每次注漿的注漿壓力（P）、注漿量（Q）、隨注漿時間（t）的變化數據,注漿結束后,每組挑選兩個最具代表性的注漿孔的注漿參數進行分析。第一組1號孔和5號孔全段劈裂注漿的注漿壓力（P）、注漿量（Q）隨時間（t）額變化情況見圖2、圖3。

圖2 1號孔P-Q-t變化曲線

圖3 5號孔P-Q-t變化曲線

由圖2、3可以發現,當注漿漿液水灰比為1.2 時,兩個注漿孔的注漿上壓時間分別為98 s和95 s,此后壓力不斷增大,分別在第275 s和270 s達到最大值,1號孔注漿壓力最大值為0.63 MPa,5 號孔注漿壓力最大值為0.65 MPa,可見對于同一水灰比的漿液,同一地點注漿時,注漿上壓時間、壓力達到最大值的時間以及最大注漿壓力相差不大,具有參考價值。

第二組注漿漿液水灰比為1.0,注漿完成后,選擇最具代表性的2-2 和2-5 號孔的注漿參數,繪制其P-Q-t變化曲線見圖4、圖5。

圖4 2-2號孔P-Q-t變化曲線

圖5 2-5號孔P-Q-t變化曲線

由圖3、圖4可以看出,當注漿漿液水灰比為1.0時,兩個注漿孔的注漿上壓時間分別為82 s、79 s,此后壓力不斷增大,分別在第220 s和218 s達到最大值,注漿壓力最大值分別為0.53 MPa和0.49 MPa,可見兩個注漿孔的注漿參數差別不大,并且與水灰比為0.7 的注漿參數相比,注漿上壓時間和最大注漿壓力均有所減小,但是同一時間段內的漿液用量有所增加。

第三組注漿漿液水灰比為1.2,注漿完成后,選擇最具代表性的3-3 和3-6 號孔的注漿參數繪制其P-Q-t變化曲線見圖6、圖7。

圖6 3-3號孔P-Q-t變化曲線

圖7 3-6號孔P-Q-t變化曲線

由圖5、圖6可以得出,當注漿漿液水灰比為0.7 時,兩個注漿孔的注漿上壓時間分別為58 s和61 s,此后壓力不斷增大,分別在第150 s和152 s達到最大值,注漿壓力的最大值分別為0.47 MPa和0.45 MPa,兩個注漿孔的注漿參數差別不大,并且與水灰比為1.0 的注漿參數相比,注漿上壓時間和最大注漿壓力也均有所減小,而相同時間段內的漿液用量在3種水灰比中為最大。

3.4 漿液擴散規律分析

試驗所用注漿漿液為P.O42.5水泥凈漿,水泥漿為賓漢流體,屬非牛頓流體的一種,以漿液微圓柱體為研究對象,設土體劈裂裂縫寬度為,微圓柱體梁端的壓力分別為f和f+ df,則此段微圓柱體的壓力差為 df,微圓柱體表面所受剪應力為,則有[11]：

式中：b為漿液粘度；τs為漿液的剪切屈服強度；v為漿液的剪切速率,

設漿液微圓柱體高度為h0,對h0≤h≤0.5l或-0.5l≤h≤-h0區域內,認為漿液流速分布為拋物線形狀,見圖8。

圖8 注漿漿液流速分布

對（6）式沿按邊界條件z=0.5l、v=0的邊界條件沿方向積分,則有：

由于在-h0≤h≤h0區域內,注漿漿液不受剪應力作用,于是：

對劈裂面進行積分,則可得漿液的平均流速方程為：

土體劈裂所形成的的劈裂通道假定為橢圓形,其方程為：

其中,a為橢圓的長軸,即為漿液所擴散的最大長度,則a=a（t）,t為注漿時間,b為橢圓的短軸,,則土體劈裂時所形成的的劈裂通道的寬度為：

其中,E為黃土的彈性模量,K為裂縫斷開時的韌度,由于土體劈裂裂縫通道的體積和流入漿液的體積相等,則有：

其中, q為漿液流速, t為時間,聯立式（11）、（12）可得漿液擴散距離為：

劈裂裂縫末端的擴散速率則為：

4 結語

通過設計不同漿液水灰比下的三組注漿試驗,分別得到了漿液水灰比在1.2、1.0、0.7時的注漿壓力、注漿量和注漿時間之間的變化關系,通過繪制P-Q-t變化曲線圖并進行分析,最終得出以下結論：

（1）隨著注漿漿液水灰比不斷減小,注漿上壓時間、最大注漿壓力和達到最大注漿壓力所用的時間均隨之減小,可見在漿液水灰比越小,漿液越稀的情況下,注漿壓力增加的越快,所需的最大注漿壓力也越小,即漿液水灰比越小,越容易將土體劈裂。

（2）隨著注漿漿液水灰比的不斷減小,同一時段內的注漿量越大,說明在漿液越稀的情況下,漿液在土體中的滲透作用越強。此時,漿液不僅會對土體進行劈裂,而且會隨著劈裂裂縫不斷滲透、擴散,因此,在這種情況下,注漿擴散半徑也會越大。

（3）在實際工程中,注漿壓力與注漿漿液水灰比息息相關。當漿液水灰比較大時,注漿壓力較小,漿液無法對土體進行劈裂,不能填充擠壓土體,起到防滲加固的作用；當漿液水灰比較小時,注漿壓力較大,漿液對土體形成劈裂,但會隨著劈裂和滲透作用,擴散半徑不斷增大,會造成大量的漿液消耗,同時所形成的結石體強度不高,加固效果不好。因此,選擇合適的漿液配比至關重要,從試驗結果可知,漿液水灰比應選擇1.0為宜。

（4）通過理論推導,得出劈裂注漿漿液的擴散距離和擴散速率的表達式,明確了漿液擴散距離和擴散速率隨時間的變化規律,為工程實踐提供理論指導。