砂砾石土灌浆浆液扩散半径试验研究

， ， ，丽娟

(1.中国水利水电科学研究院,北京 100038;2.北京中水科水电科技开发有限公司,北京 100038)

1 研究背景

灌浆是指通过钻孔并置入灌浆管的方式，利用液压、气压或电化学等动力，将浆液均匀地注入地层中，浆液在地基岩土体内产生化学反应，与地基岩土体形成结构新、强度大、稳定性好的结石凝胶体，从而达到提高地基承载力或防渗漏的一种地基处理方法[1]。1802 年Charles Berigny 把注浆法用于Dieppe 冲刷闸的修理之后，越来越多的水利等工程采用了此项技术[2]。

砂砾石层是第四纪沉积物中的一种具有鲜明特征的松散粗碎屑堆积层，在我国分布非常广泛。在砂砾石地层中灌浆，要求灌入的浆液能形成连续、稳定的胶结体[3]，因此浆液的扩散距离(扩散半径)必须合理确定。浆液的扩散半径决定着灌浆孔的布置和浆液消耗量，是选择工艺参数、评价灌浆效果的重要依据[4]。由于灌浆工程是隐蔽工程，浆液在砂土层中的扩散是隐藏的，无法进行直观观测。在目前的灌浆设计和施工中，灌浆孔距主要是根据经验、现场试验确定的，因此很可能会出现因孔距太大或太小而导致的工程质量问题或投资上的浪费[5]。

前人的理论研究工作假定条件过于理想化，由于地层形态复杂多变，利用这些理论公式计算出的浆液扩散半径与实际情况相差很远，实用性较差。而试验研究工作又各执一词。不同研究人员有时得出的是完全相反的结论，如上述文献[8-10]的观点就截然不同。为进一步探讨灌浆压力、水灰比、孔隙比等因素对浆液扩散半径的影响，本文通过设计正交试验，进行均匀颗粒砂砾石层灌浆，分析各因素对扩散半径的影响关系，为砂砾石层灌浆提供有益探索。

2 试验材料、方法及设备

灌浆模型为建筑用给排水管(PVC管)，直径为50 mm，根据不同情况分别截成50～100 cm的长度。本次试验的灌浆压力共采用3个水平，分别为20，30，40 kPa，灌浆压力由浆液的自重提供，即将灌浆塑料软管提升一定高度形成压力浆头以进行灌注。灌浆试验前对浆液的比重等性能参数进行测试，根据计算公式p=γh分别计算出不同灌浆压力对应的高度h，将塑料软管提升至相应高度后固定，倒入水泥浆进行灌注，如图2所示。

图1 试验用石英砂

图2 灌浆简易设备

表1水泥浆液基本性能参数

Table1Basicparametersofcementslurry

水灰比膨润土掺量/% 密度/(g·cm-3)析水率流变参数屈服强度/Pa塑性黏度/(mPa·s)初凝时间/min终凝时间/min0.7∶131.70—6.0827.833106200.8∶131.63—5.2422.243756950.9∶131.580.011.7315.33445885

3 浆液性能基本参数

本次试验所选用的水泥为早强型复合硅酸盐水泥，强度等级为P.C32.5R。所配置的水泥浆液水灰比分别为0.7∶1，0.8∶1和0.9∶1，分别加入3%膨润土以形成稳定性浆液。对水泥浆的物理力学性能等参数进行了测试，主要包括浆液的比重、流变参数和凝结时间等。浆液的流变参数采用NDJ-4旋转黏度计进行测定计算，凝结时间则依照GB1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》[11]采用ISO标准法维卡仪进行测定。水泥浆液的基本物理力学性能指标请见表1。

4 灌浆正交试验

4.1 试验方案

正交设计是一种科学地安排多因素的试验和有效分析试验结果的好方法，它具有“均匀分散、整齐可比”的特点。在不影响试验效果的前提下，正交试验设计可以大大减少试验次数[12]。本试验采用3因素3水平的试验方案，共9个试样。正交试验表如表2。

表2 砂砾石土灌浆正交试验表

4.2 试验结果

室内灌浆完成后，在一定湿度环境下养护28 d。将PVC外壳拆除，测得各不同砂料灌浆模型的扩散半径，如表3所示。试样如图3所示。

表3 各不同灌浆模型的扩散半径

图3 结石体

表4灌浆试验结果分析

Table4Analysisofgroutingtestresults

数据分析水平和水平均值K1K2K3k1(=K1/3)k2(=K2/3)k3(=K3/3)极差水灰比83.5133.5186.027.8344.5062.0034.17孔隙比96.0123.5183.532.0041.1761.1729.17压力99.5161.5142.033.1753.8347.3320.66

4.3 试验结果分析

试验结果分析表如表4。其中，K1这一列的3个数分别是3个因素第1水平所在的试验中对应的扩散半径之和。类似地，K2这一列的3个数分别是3个因素的第2水平所在的试验中对应的扩散半径之和；K3同理。 而k1，k2，k3每一列的3个数，分别是K1，K2，K3中对应各数除以3所得的结果，即各水平对应的平均值。

同一行中，k1，k2，k3这3组数中的最大者减去最小者所得的差称为极差。极差越大，则这个因素的水平改变时对试验指标的影响越大。计算得出的3行极差分别为34.17，29.17，20.66。由此可知，第一行水灰比的极差最大，应是考虑的显著影响因素，接下来依次是孔隙比和灌浆压力。

4.4 试验结果进一步分析

正交试验的试验结果显示，水泥浆液的水灰比是影响水泥浆液扩散半径最显著的因素。这一现象的产生是与水泥浆液自身的物理力学性能密切相关的。水泥水化反应理论需水量约为水泥自身质量的20%，多余的水分将作为输送介质化作泥浆向前方流动。水泥浆液中多余水分的含量直接影响水泥浆液的流动性。水泥浆液的水灰比越大，浆液中的多余水分便越多，对水泥浆液流动性能的改善便越显著。因此，相对于被灌介质的地层状况(孔隙比)和灌浆的施工工艺(灌浆压力)而言，浆夜自身的物理力学性质(水灰比)对浆液的扩散半径起着更显著的影响。这一现象的产生，在通过对不同水灰比浆液的流变性能的分析中得到了较好的解释。

5 结 语

浆液的扩散半径不仅决定着灌浆孔的布置和浆液消耗量，而且是选择工艺参数、评价灌浆效果的重要依据，是灌浆施工中非常重要的参数。通过设计正交试验，对影响水泥浆液扩散半径的几个因素(水灰比、孔隙比、灌浆压力)进行了试验研究，试验结果表明水泥浆液的水灰比越大，浆液中的多余水分越多，对水泥浆液流动性能的改善便越显著。水灰比是影响水泥浆液扩散半径最显著的因素。

参考文献：

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