對基巖水泥基漿液可灌性的研究應(yīng)用

鄒紅燁，何修亮，雷加欣

（黑龍江省水利監(jiān)督保障中心，哈爾濱 150040）

0 引 言

在基礎(chǔ)巖體上修建水利工程，經(jīng)常要對有缺陷的基巖進行處理，水泥灌漿是改善基巖性能常用而有效的方式，充分把握基巖可灌性是有效灌漿的前提。目前，國內(nèi)外對基巖透水性研究理論較為成熟，并把巖體透水率Lu 値作為確定基巖灌漿的標準，但基巖的透水性不能代替其可灌性，因此采用基巖透水率作為基巖灌漿標準是不夠科學的，應(yīng)研究基巖透水性與可灌性的關(guān)系，統(tǒng)籌考慮影響基巖可灌性的因素，提出基巖可灌性標準，據(jù)此確定基巖處理的灌漿參數(shù)[1]。

1 基巖可灌性概念提出

基巖可灌性目前還沒有統(tǒng)一的物理概念，僅對基巖可灌性含義有各種解釋。但從其本質(zhì)和目的來看，基巖可灌性是指為改善基礎(chǔ)巖體的天然地質(zhì)條件，提高整體性、堅固性和防滲性，基礎(chǔ)巖體能夠適應(yīng)進行灌漿的可能性，通俗的說就是地基巖體能夠在一定邊界條件下吸收某一種漿液或溶液的能力。

基礎(chǔ)巖體通常具有不連續(xù)性、非均質(zhì)性、各向異性和存在不同于自重應(yīng)力的天然應(yīng)力場。除其本身各種自然性能受巖石性能影響外，更受其中發(fā)育的各種結(jié)構(gòu)面及其產(chǎn)狀、間距、貫度、粗糙度、張開度和充填情況的控制；還受灌漿材料物理、化學性質(zhì)的影響。

考慮到灌漿試驗和壓水試驗在工作原理上的一致性，依據(jù)透水率來表征巖體透水性，現(xiàn)引入一個新的物理量：耗漿率（g）。耗漿率為在單位時間內(nèi)，以一定壓力，單位段長度所消耗的漿液量。即：

式中：g為試段耗漿率，L /( min m )；L為試段長，m；Q為試段漿液流量，L / min；P為試段壓力，MPa。

為便于比較和分析對比以及和壓水試驗相對應(yīng)，便于學術(shù)交流和理論研究，一般情況下，實驗壓力選用大的壓力，即1MPa。由此可以確定，耗漿率的單位與透水率的單位相同，即 L /( min m )。由此可以知道，巖體的可灌性不僅與巖體本身特性有關(guān)，而且還與灌漿所采用的漿液特性有關(guān)。這與客觀實際是相符的。灌漿試驗工作按照現(xiàn)有規(guī)范有關(guān)規(guī)定進行即可。

2 基巖可灌性與透水性的關(guān)系

基巖的可灌性與透水性既相聯(lián)系又有不同，基巖透水性實質(zhì)是巖體裂隙的透水性，透水性強弱取絕于裂隙的類型、間距、傾向、長度、寬度、形態(tài)、水壓力及不同裂隙間水力聯(lián)系等。但因水泥基漿液中固相物質(zhì)顆粒的存在，巖體可灌性與透水性出現(xiàn)差別。雖然水和水泥漿液都具有流動性，但巖體裂隙對固相物質(zhì)的流動具有阻止作用，在相同灌漿壓力和巖體裂隙條件下，水泥漿液中固相物質(zhì)顆徑越大，其可灌性就越差。試驗研究表明，透水性強的巖體一般多表現(xiàn)為較強的可灌性，但巖體的可灌性一定弱于透水性，甚至有的巖體具有透水性，而不具有可灌性。

統(tǒng)計多組工程試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：①透水率＜5Lu，注漿量＜5kg/m，基巖既不具有透水性，也不具有可灌性；②透水率＜20Lu，注漿量＜5kg/m，基巖有大量毛發(fā)狀或細窄裂隙，具有一定透水性，但不具有可灌性；③透水率＞30Lu，注漿量＞50kg/m，基巖既具有透水性，又具有可灌性，且灌漿質(zhì)量容易保證；④透水率＜5Lu，注漿量＞500kg/m，基巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)面發(fā)生了漿力劈裂破壞，灌漿失去作用。

3 基巖可灌性因素分析

分析影響基巖可灌性因素，從以下兩方面入手：①基礎(chǔ)巖體；②灌漿材料。

3.1 基礎(chǔ)巖體

基礎(chǔ)巖體由結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面組成，結(jié)構(gòu)體的滲透系數(shù)很小，一般在10～14cm/s 左右，不透水也不吸漿。基巖只所以具有可灌性，是因為巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面的存在，但結(jié)構(gòu)體與可灌性并非無關(guān)，結(jié)構(gòu)體的力學性質(zhì)決定了灌漿最大允許壓力（即漿力劈裂壓力），灌漿壓力大小是影響可灌性的重要因素。

1）巖體結(jié)構(gòu)體：因各類基巖的物理力學性質(zhì)不同，其臨界灌漿壓力也各有不同，超過臨界灌漿壓力，基礎(chǔ)巖體就會出現(xiàn)漿力劈裂，發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞。由于灌漿的目的是為了改善基礎(chǔ)巖體性能，提高基巖的整體性、堅固性和抗?jié)B性，因此，基礎(chǔ)巖體的可灌性是指不發(fā)生漿力劈裂破壞情況下的可灌性。反過來講，基礎(chǔ)巖體的漿力劈裂壓力大小也決定了最大容許灌漿壓力值。經(jīng)驗資料表明，常見基礎(chǔ)巖石的物理性質(zhì)如表1 所示。

基礎(chǔ)巖體漿力劈裂壓力大小與巖體結(jié)構(gòu)體力學性質(zhì)密切相關(guān)。結(jié)構(gòu)體的力學性質(zhì)包括其在壓縮、拉伸和剪切（包括壓剪和拉剪）等荷載條件下的變形、強度和破壞特性。結(jié)構(gòu)體變形性質(zhì)是其在載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變（變形）關(guān)系，強度性質(zhì)是其對應(yīng)于各種載荷條件下的承載能力，破壞特性是巖體超過承受能力后發(fā)生大變形或破壞的形式。巖石的力學性質(zhì)越好，巖體灌漿的容許壓力越大，可灌性就越強。因此，掌握結(jié)構(gòu)體的力學性質(zhì)，可以更好地分析基巖漿力劈裂破壞情形，合理地確定最大容許灌漿壓力。

基礎(chǔ)巖體漿力劈裂壓力大小可以通過現(xiàn)場鉆芯取樣和力學性質(zhì)試驗分析判定，并通過現(xiàn)場灌漿試驗對力學試驗分析成果進行核驗。在不發(fā)生漿力劈裂情況下，灌漿壓力越大，漿體結(jié)石體更密實，灌漿效果就越好，因此目前帷幕灌漿和固結(jié)灌漿通常都采用高壓灌漿的施工方法。大量試驗表明，最大灌漿壓力宜控制在基巖漿力劈裂壓力的80%以內(nèi)。

2）巖體結(jié)構(gòu)面：巖體結(jié)構(gòu)面按規(guī)模可分為斷層、軟弱面和裂隙等，裂隙是巖體最基本的結(jié)構(gòu)面，基巖處理更多的是對巖體內(nèi)裂隙進行處理。巖體裂隙類型、間距、傾向、長度、寬度、形態(tài)以及不同裂隙間的水力聯(lián)系等特性，對可灌性均有不同影響，但裂隙寬度是影響基礎(chǔ)巖體可灌性最重要指標，也是產(chǎn)生基巖透水性和可灌性差別的核心所在。試驗表明：在使用相同灌漿材料的條件下，基巖內(nèi)裂隙越細微，漿液可灌性就越差，而且這種細微的裂隙越致密，基礎(chǔ)巖體就越容易發(fā)生漿力劈裂破壞，進而會使基礎(chǔ)巖體的可灌性更差；基礎(chǔ)巖體內(nèi)裂隙寬度越大，漿液的可灌性就明顯增強，可灌性隨裂隙寬度變化呈幾何倍數(shù)變化。

巖體內(nèi)裂隙寬度與結(jié)構(gòu)面的成因密切相關(guān)，在巖石建造過程中形成的原生結(jié)構(gòu)面，如巖漿巖冷卻收縮時形成的原生節(jié)理、變質(zhì)巖內(nèi)的片理、片麻理和沉積巖的層面、層理等，一般這類裂隙極細微，滲透等級為微透水或極微透水，沒有可灌性。在巖體改造過程中地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用形成的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，如各種褶皺、斷層、裂隙、節(jié)理、劈理等，這類地質(zhì)痕跡幾經(jīng)重疊和復合，一般裂隙透水性和可灌性均較強。因卸荷作用和風化作用形成的次生裂隙，錯綜復雜，沒有規(guī)律，一般透水性較強，可灌性較差。巖體內(nèi)裂隙寬度與巖石自身的力學性質(zhì)也存在一定的關(guān)系，通常巖石越堅硬，強度越大，彈性模量越小，裂隙就會越寬，一般透水性強，可灌性較好，這一點在各類巖石斷層帶可以得到證實。

在黑龍江省紅星水庫土壩工程中，對同一壩基的兩個壩段進行巖石取芯試驗、壓水試驗和灌漿試驗，試驗用水為混凝土拌合用水，水泥為42.5 普通硅酸鹽水泥，多組試驗成果：通過對1#和5#壩段巖芯試樣觀察，1#壩段基礎(chǔ)巖體裂隙9 條，隙寬超過 0.25 ㎜寬6 條，5#壩段基礎(chǔ)巖體有數(shù)十條毛發(fā)狀不規(guī)則窄裂隙。1#、5#壩段平均透水率分別為21.6 Lu 和 23.1Lu，平均注漿量分別為 10.8 kg/m 和3 .2 kg/m。

3.2 灌漿材料

水泥基灌漿材料主要包括水泥、膨潤土、減水劑等。水泥基灌漿材料的物理、化學性質(zhì)對可灌性均有影響，但對可灌性影響最大的就是漿液中固相物質(zhì)顆粒粒徑大小。通常對于細小的裂隙，由于一般水泥顆粒粒徑遠大于裂隙寬度而不吃漿；若選用細水泥或超細水泥，其粒徑遠小于裂隙寬度，同一裂隙的巖體就可能具有良好的可灌性。基礎(chǔ)巖體裂隙寬度是相対不變的，水濕細度是可以加工的，因此，應(yīng)選擇合適的水泥細度以適應(yīng)裂隙寬度，滿足巖體灌漿要求。水泥顆粒粒徑大小一般選取裂隙寬度的1/3 ～1/5 為宜。

大量實踐證明，用一般水泥灌漿，對于＜0.12mm 寬度的細微裂隙，由于水泥顆粒受到裂隙寬度限制，不能順利填充到基礎(chǔ)巖體裂隙內(nèi)，不具有可灌性。為了達到基礎(chǔ)巖體灌漿目的，對小于0.12mm寬度的細微裂隙就要求采用細水泥或超細水泥進行灌漿。細水泥最大粒徑Dmax在35μm以下，平均粒徑D50為6～10μm，基礎(chǔ)巖體中寬度＜0.12mm甚至＜ 0.08 mm的微細裂隙均能較易灌入。而超細水泥,最大水泥粒徑Dmax在12μm以下,平均粒徑D50為3～6μm，能灌入寬度更小的裂隙。

在小浪底工程中，對3 種不同類型巖體裂隙寬度的可灌性進行研究，反映出不同水泥顆粒粒徑大小與巖體裂隙寬度的可灌性一般規(guī)律。具體如表2 所示。

表2 三種不同類型巖體裂隙寬度的可灌性

4 可灌性判定標準

通過試驗研究，基礎(chǔ)巖體的可灌性可以初步定義為在容許灌漿壓力下，含適宜大小粒徑固相物質(zhì)的灌漿漿液通過巖體裂隙的能力。可灌性標準可以分為四級：Ⅰ級難灌，Ⅱ級較難灌，Ⅲ級可灌，Ⅳ級易灌。基礎(chǔ)巖體可灌標準表如表3 所示：

表3 基礎(chǔ)巖體可灌標準表

5 結(jié) 論

灌漿是水工建筑物基巖處理的有效手段之一。為作好灌漿工作，保證灌漿質(zhì)量和效果，首先需要了解、分析和評價巖體的可灌性。目前，對于巖體可灌性的定量評價還沒有專用物理量，一般借助鉆孔壓水試驗成果透水率（g）來衡量，但巖體可灌性和巖體透水性、壓水試驗和灌漿試驗、水和漿液都是有明顯差別，其實質(zhì)是不一樣的。為此，建議引入一個新的物理量：耗漿率，用以表述巖體可灌性。依據(jù)耗漿率對巖體可灌性進行了簡單適宜分級，并以此為基礎(chǔ)，定量評價巖體可灌性。此外，還可采用灌漿試驗在現(xiàn)場測試巖體可灌性，灌漿試驗按照規(guī)范進行，也可以根據(jù)實際情況做必要的、合理的簡化。這為灌漿理論和方法、工藝的研究和發(fā)展提供了一種有效的途徑。