基于滲濾效應的砂土注漿加固機理研究

秦鵬飛 閆 然 鐘宏偉 黃 莉

(1.西部災害與環境力學教育部重點實驗室,甘肅 蘭州 730000;2.鄭州鐵路職業技術學院鐵道工程學院,河南 鄭州 451000;3.鄭州鐵路職業技術學院馬克思主義學院,河南 鄭州 451000)

隨著“一帶一路”戰略的縱深推入,我國經濟迎來了高速發展的黃金期,土木、水利、礦業等各項建設蓬勃發展。含水砂層是目前工程建設中經常揭露的不良地層,含水砂層力學強度低、結構成分復雜,受開挖擾動易產生坍塌、潰砂、地表沉陷等災害。北京地鐵14號線、江西蓮花山隧道、廣深城際區間站等工程建設中,由于沒有及時治理含水砂層產生的隱患,造成了比較嚴重的經濟損失[1-3]。

通過注漿可以有效封堵地下水的滲流通道,提高砂層的力學強度和抗滲性能,注漿技術目前已成為水害治理、補強加固的重要技術手段。

普通硅酸鹽水泥市場價低、無污染,加固效果明顯(圖1(a)),是含水砂層等不良地質加固的首選材料。水泥漿液在砂土層滲透擴散時,砂土骨架會對運移中的水泥顆粒產生吸附、濾過作用,導致水泥顆粒在擴散通道上不斷沉積[4-5]。水泥顆粒淤積量在一定時間范圍內逐漸增加,最終會將漿液擴散通道堵塞,此現象為“滲濾效應”(圖1(b))。滲濾效應顯著縮小了漿液的擴散范圍,導致砂層加固強度和抗滲效果沿程衰減[6-9]。

圖1 滲濾效應圖示Fig.1 Diagram of infiltration effect

李術才等 指出滲濾效應致使水泥顆粒在流動通道上淤堵沉積(圖1(c)),砂土孔隙尺寸、漿液濃度及注漿壓力對漿液有效擴散距離均有一定影響;馮嘯等[11]發現忽略滲濾效應,漿液擴散速度、擴散距離計算值約為實際值的1.2～2.22倍,動界面壓力降則呈現先增后減趨勢;王凱等[12]研究表明,滲濾效應導致砂土骨架產生了顯著的擠壓變形,滲濾效應存在漿液流場與砂土應力場的復雜耦合作用;朱光軒等[13]認為適當提高注漿壓力和注漿速率,可有效減小滲濾效應的不利影響,改善砂土注漿的加固效果;陳鐵林等[14]基于物理模型試驗發現,滲濾效應顯著改變了漿液的擴散形態和擴散進程,隨濃度衰減漿液由冪律流體轉變為牛頓流體。

目前滲濾效應下漿液的擴散速度、壓力衰減規律及漿液濃度的分布特征等,已有學者作出了積極探索并取得了一定研究成果。然而漿液擴散規律極其復雜,砂土結構又存在天然的不確定性,加之施工工藝多樣性的影響,現有研究仍不能完全滿足砂土地基項目建設的需要。為此本項目從理論、試驗方面開展砂土注漿機理研究,分析滲濾效應下水泥漿液的流速、壓力變化規律,水泥顆粒的運移濾出機制及固砂體的抗滲、強度特性。研究成果對全面提升滲透注漿的理論水平,服務分布廣闊的砂土場地工程建設,具有一定的科學意義和學術價值。

1 基本機制

水泥漿液是典型的顆粒型漿液,水泥顆粒在運移、遷延的過程中逐漸在注漿通道上沉積。以注漿孔為中心,砂層由內而外依次可劃分為泥漿沉積區、漿水混合區與飽和砂土區(圖2)。砂土滲透注漿鉆孔半徑r0,初始注漿壓力p0;泥漿沉積形成r～(r0,rc)的擴散范圍,注漿壓力p1;漿液擴散鋒面為漿水混合區,半徑r～(rc,R),壓力p2;外圍為飽和砂層,半徑R,壓力pw。

圖2 滲濾效應分析Fig.2 Analysis of infiltration effect

漿液擴散遵從Darcy滲流定律[15],水泥漿鋒面處表示為

式中,K0、Kc分別為含水砂層的初始滲透系數及泥漿沉積區的滲透系數,cm/s;ρcs、ρw分別為水泥漿液的密度和水的密度,g/cm3;g為重力加速度,m/s2。

依據高等滲流力學,考慮水、水泥顆粒及砂土骨架的質量平衡方程,并引入線性濾過定律[16-18]:

式中,μ為水泥顆粒與砂土骨架的質量交換系數,g/(cm3s);ρc、ρw、ρs分別為水泥、水和砂子的密度,g/cm3;vc、νw、νs分別為水泥顆粒、水和砂子的移動速度,cm/s;nc、nw、ns分別為水泥顆粒、水和砂子的單位體積百分含量;λ為滲濾系數,s-1;n0為砂土初始孔隙率;δ為孔隙中的水泥顆粒含量。

滲濾效應下水泥顆粒的運移基本方程及漿液鋒面速度、壓力表達式[19-20]:[10]

式中,ν0為漿液孔口流速,cm/s;φ為漿液中水泥顆粒的體積含量,無量綱;p′為水在潔凈砂土中運移rc的壓力降,kPa;m、j為壓力降標量。

2 砂土注漿試驗

本次試驗所用砂子取自鄭州市象湖生態公園濕地,天然含水量13%～16%,篩分得其顆粒級配曲線見圖3(a)。為便于分析對比,砂土注漿試驗共設計1.2、1.4和1.6計3個不同的孔隙比。根據《土工試驗方法標準》,砂土孔隙比

式中,ds為砂土相對密度;w為含水率,ρw、ρs為水和砂子的密度,g/cm3。由計算公式可以求出不同孔隙比對應的砂料質量,稱重后倒入注漿模型中。注漿模型為白色塑料PVC管,內徑50 mm,長度40～50 cm。試驗采用漿液自流的方式進行灌注,注漿壓力設計為50、75、100 kPa,將紅色塑料管提升一定高度后固定,倒入水泥漿使其在自重作用下注入砂層(圖3(b))。

圖3 滲濾效應下砂土注漿試驗Fig.3 Sand grouting test under seepage effect

試驗漿材為河南建筑工程公司生產的礦渣硅酸鹽水泥和中原水泥廠生產的聚合物超細水泥,水灰比設計為 0.6∶1、0.8∶1 和 1∶1。 注漿試驗前對漿液比重、初終凝時間、屈服強度等參數進行了測試,漿液比重采用高精度比重計進行測定,初終凝結時間采用ISO標準維卡儀進行測定,屈服強度、塑性黏度采用NDJ-1旋轉黏度計進行測定[21-23]。本次試驗所配置漿液基本性能見表1、表2。

表1 礦渣硅酸鹽水泥漿液基本性能Table 1 Basic properties of slag Portland cement slurry

表2 超細水泥漿液基本性能Table 2 Basic properties of superfine cement slurry

3 試驗結果分析

不同試驗條件下漿液的擴散距離柱狀圖見圖4～圖 6,其中 1、2、3 代表礦渣硅酸鹽水泥漿液,4、5、6 代表超細水泥漿液。

3.1 擴散距離分析

圖4為統計分析的漿液擴散距離。圖4表明漿液水灰比越大,相同實驗條件下漿液擴散距離越大,反之水灰比越小漿液擴散距離就越小。這是由于水灰比與漿液濃度呈反比,水灰比越小水泥顆粒質量分數越高,受砂土骨架攔截、吸附、捕獲的機率越大,水泥顆粒濾出阻塞孔隙通道后,致使漿液擴散終止。同樣孔隙比也在一定程度上影響著滲透注漿的效果,孔隙比越小砂土孔隙尺寸越小,漿液的擴散路徑逐漸被阻斷。其他條件相同的情形下,不同水灰比水泥漿液極限擴散距離相差2.3～2.6倍,不同孔隙比水泥漿液極限擴散距離相差2.7～3.1倍。

圖4 漿液擴散距離統計分析Fig.4 Stastic analysis of slurry diffusion distance

圖5為不同注漿壓力下的漿液擴散距離。圖5顯示隨注漿壓力增加,礦渣、超細水泥漿液的滲透擴散距離均有所增加。這表明注漿壓力是漿液輸送、擴散的主要動力,注漿壓力的提高保證了漿液流動的舒暢性,一定程度上克服了滲濾效應的不利影響,有效擴散距離顯著增加。與此同時水灰比的增加降低了漿液濃度,削弱了滲濾效應的負面作用,漿液擴散距離相應增加。其他試驗條件一致的情形下,不同注漿壓力水泥漿液極限擴散距離相差1.6～1.9倍,不同水灰比水泥漿液極限擴散距離相差2.5～2.8倍。

圖5 不同注漿壓力下漿液擴散距離分析Fig.5 Analysis of slurry diffusion distance under different grouting pressures

圖6為不同孔隙比下的漿液擴散距離。從圖6可以看出,砂土孔隙比與漿液擴散距離正相關,孔隙比越大漿液的流動路徑越長,孔隙比越小則漿液的擴散范圍越小。這是由于孔隙比減小時,砂土孔隙尺寸明顯減小,水泥顆粒極易被砂土骨架捕獲并沉積,導致擴散通道阻塞。同樣,注漿壓力減小會使漿液輸送能力變差,嚴重降低砂土注漿加固的效果。其他試驗條件保持不變的情形下,不同孔隙比水泥漿液最大擴散距離相差2.9～3.2倍,不同壓力水泥漿液最大擴散距離相差2.6～3.0倍。

圖6 不同孔隙比下漿液擴散距離分析Fig.6 Analysis of slurry diffusion distance under different porousities

3.2 強度分析

注漿試驗28 d后對砂土結石體進行了強度測試,其外表形態、細觀形態及破壞形態見圖7、圖8。由圖可知級配砂土成分復雜,結構不規則,局部區域主要由粉細砂占據,孔隙尺寸小未被漿液有效充填。滲濾效應導致漿液在砂土內部分布不均勻,造成結石體強度的離散性和弱化性,在一定程度上降低了注漿加固的效果。結石體強度測試結果見表3。

圖7 砂土結石形態分析Fig.7 Morphological analysisof sand stone

圖8 破壞形態分析Fig.8 Morphological analysis of failure sand stone

表3 砂土強度測試結果Table 3 Sand strength test results MPa

4 結 語

滲濾效應對漿液有效擴散范圍、加固效果具有顯著影響,基于滲流力學的一般原理和質量守恒,對漿液擴散速度、壓力及水泥顆粒運移、濾出機制進行了分析,并采用礦渣硅酸鹽水泥、聚合物超細水泥對含水砂層進行了注漿試驗。理論推導和模型試驗表明,漿液水灰比、注漿壓力及介質孔隙率均在一定程度上決定著注漿加固效果。隨水灰比和孔隙比減小,漿液濃度增加,有效擴散范圍減小;注漿壓力減小,漿液擴散分布不均衡,在一定程度上也降低了注漿加固的效果。研究結果對于含水砂層注漿治理具有一定的參考價值和學術意義。