大足石刻砂岩模拟裂隙灌浆试验

孙　鹏，严绍军，窦　彦,陈嘉琦,何　凯

(中国地质大学(武汉) 工程学院,武汉　430074)

大足石刻砂岩模拟裂隙灌浆试验

孙鹏，严绍军，窦彦,陈嘉琦,何凯

(中国地质大学(武汉) 工程学院,武汉430074)

摘要：裂隙渗水是导致世界文化遗产大足石刻文物破坏的一个重要因素。将一种无机环保的改性偏高岭土灌浆材料拟用于大足石刻保护工程，为研究该新型材料的可灌性，进行了室内模拟裂隙灌浆试验。通过石刻砂岩岩板控制裂隙的张开度，着重研究此种材料不同水灰比的浆液在不同灌浆压力、灌浆时间下的灌浆过程及浆体进入裂隙的最小宽度。试验表明：浆液能进入的裂隙最小宽度值与水灰比、灌浆压力和灌浆时间均有关；水灰比是控制浆液可灌性的首要因素，而压力的提高并不能显著提高灌浆速度；提高水灰比、灌浆压力及灌浆时间均可改善细小裂隙的灌浆效果。

关键词：大足石刻；裂隙渗水；文物保护；灌浆材料；灌浆试验；可灌性

1研究背景

大足石刻是唐末、宋初时期的宗教摩崖石刻，以佛教题材为主，儒、道教造像并陈，尤以北山摩崖造像和宝顶山摩崖造像为著，是全国重点文物保护单位、世界文化遗产[1]。大足石刻裂隙渗水[2]是导致文物破坏的一个主要因素，渗水病害会导致文物表面风化加快，影响石刻的艺术价值；其次渗水使本地区的岩土体强度和稳定性降低，不利于文物和游客安全。

针对裂隙渗水病害，通常进行裂隙压力灌浆[3]。在灌浆之前，要选取合适的灌浆材料。在岩土文物保护中，选取的灌浆材料[4]首先具备安全性，保证它对文物本体不产生损害；其次材料要具有良好的工作性，与周围岩体具有一定的粘结性，及在自然裂隙中的稳定性。传统的灌浆材料[5]可分为有机系材料、无机系材料和复合系材料3大类。3种材料各有优缺点，有机材料具有适用范围广、凝结时间可调控、后期强度高、防渗性好的优势，但是其价格昂贵且大部分具有毒性；无机系材料具有来源广泛、价格便宜、防渗效果好的优点，但是它的适用范围较窄、凝结速度慢。

通过对大足石刻的现场工程地质勘察，针对其渗水病害、综合环境、经济等各方面因素，决定使用无机系灌浆材料。所用的材料由中国地质大学(武汉)文物保护中心研发，材料以偏高岭土[6]、硅粉[7]和超细水泥[8]为主要成分，固体灰中加入适量的激发剂和减水剂。激发剂的主要作用是对偏高岭土进行激发，使其颗粒更加分散；减水剂主要用于改善浆体的流动性，减水剂和激发剂的用量和固体灰呈一定比例。大量的室内试验证明该材料具有工作性好、后期强度高、防渗效果好的诸多优点，而且此种材料很好地解决了传统水泥材料的泛盐碱问题[9]，这种灌浆材料对文物本体影响甚小。

针对裂隙灌浆机理，Wittke与Wallner推导出宾汉姆浆液在二维等厚光滑裂隙中的运动规律公式[10]，Lombadi[11]推导出浆液的最大扩散半径；在国内，张良辉等[12]对等开度粗糙裂隙中浆液的流动作了详细的阐述。近几年来，针对裂隙灌浆的研究主要集中在灌浆材料[13]的研究，如PS材料、超细水泥灌浆材料等，无机多元复合环保型材料成为未来灌浆材料发展的主流。

目前针对流体在裂隙中的流动规律的研究，仅限于等张开度的裂隙，而对复杂裂隙网络中浆液的流动缺乏研究。无机颗粒悬浮类材料被广泛用于灌浆工程实践中，但是对于这类材料究竟能进入多小的裂隙？依然缺少理论论证和试验验证。本次研究以无机颗粒悬浮类材料为灌浆材料进行模拟灌浆试验[14]及试验验证。

2灌浆理论简介

2.1牛顿流体和宾汉姆流体及其本构方程

流体根据其流变特性分为牛顿流体和宾汉姆流体[15]。前者又称为黏性流体，影响其流动的只是其黏度，它的流动服从牛顿定律，相邻流层剪切流动的剪应力τ(单位接触面上的剪应力)和切应变dv/dx(流层间的速度梯度)成正比例关系，即

(1)

式中η为黏滞系数(Pa·s)，又称为动力黏度，简称黏度。黏滞性亦称为“内摩擦”，它是液体、气体内部阻碍其相对流动的一种特性。

宾汉姆流体又称为黏塑性流体，影响其流动的不仅有浆液的黏度，还有浆液的黏聚力或称剪切屈服强度，它只有先克服了黏聚力之后才能发生流动。一般悬浊液如水泥浆、水泥黏土浆、黏土浆、水泥砂浆和水泥水玻璃浆等均为宾汉姆流体。对于宾汉姆流体，通常用黏性η和黏聚力c这2个参量描述，用宾汉姆流变理论表示为

(2)

空气和水只有黏度而没有黏聚力，可视为牛顿体，其他流体如灌浆浆液因为其黏聚力的存在，要按照宾汉姆体进行分析。

2.2宾汉姆体在二维等厚光滑裂隙中的流动

裂隙岩体内存在大量的节理裂隙，尤其是多次构造作用形成的节理，分布相当复杂，因此，研究浆液在岩体裂隙内的流动规律就更复杂。目前，只能利用裂隙岩体的一些渗流模型，研究浆液在较为简单的裂隙模型内流动的规律[16]。

在二维平面等厚光滑裂隙中，宾汉姆浆体在压力作用下产生流动，如图1所示。

注:R0为钻孔半径；R为流体的扩散半径；v为流体的速度；2h为裂隙宽度；2Z0为流核区高度。图1　浆体在二维光滑裂隙中的流动Fig.1　The flowing of slurry in two-dimensionalsmooth fracture

灌浆浆液在被施加超过黏聚力的切应力时才能流动，因此灌浆浆液在流动中一般分为2个区域：流体质点间无相对运动的部分成为流核区，流核区以外的成为速梯区，浆液在2区的交界面上发生屈服。

根据浆体在二维等厚光滑裂隙中的流动，Wittke与Wallner推导出宾汉姆浆液在二维等厚光滑裂隙中的运动规律平衡微分方程，即

(3)

边界条件：

Z=h时，τ=0;

(4)

(5)

式中：τ0为浆体的剪切屈服强度；r,Z分别为径向和轴向的裂隙张开方向。

浆体在裂隙中的压力P分布及其扩散范围(扩散半径R)为：

(6)

(7)

式中P0为初始灌浆压力。

浆液在裂隙中的流动速率和单位流量分别按照下列公式计算[17]。

牛顿型浆体：

(8)

(9)

宾汉姆型浆体：

当2Z0<2h时，

(10)

(11)

式中：Ir为压力梯度；Z为位置势。

当2Z0=2h时，VB，qB均为0，浆液停止运动。

Lombadi推导出浆液的最大扩散半径Rmax为

(12)

式中：Pmax为最大注浆压力；δ为裂缝宽度。

上述对宾汉姆流体运动规律的推导过程是建立在等厚光滑裂隙的基础之上的，但是对于宾汉姆体在裂隙张开度线性变化的裂隙中的运动规律至今仍缺乏相应的理论，对于宾汉姆流体在这类裂隙中的扩散半径必须通过试验获取。

3室内模拟灌浆试验

3.1试验目的

在文物渗水治理中，常选取无机颗粒悬浮类材料进行灌浆防渗，但是对于这类材料究竟能够进去多小的裂隙缺乏理论证明和试验验证，这类材料在裂隙中的扩散过程与灌浆压力、灌浆时间、材料的水灰比均有关，本次试验以所选取的无机颗粒悬浮类材料作为试验灌浆材料，探究这种材料在不同条件下能进入的最小裂隙宽度。

3.2试验设计

3.2.1试验用岩样和模拟裂隙

本次试验所用的岩样为取自大足石刻宝顶山的砂岩，将试样进行XRD分析，结果如表1所示。

表1　样品XRD测试结果

从XRD结果看，岩样以长石和石英为主要成分，含有少量的方解石、蒙脱石之类的矿物，符合砂岩的组成特性，试验用样为细粒长石石英砂岩。

将取回的岩样切成长30cm，宽20cm，高5cm的岩板。将2块岩板叠放，由于岩板的接触面较光滑，故2块岩板之间可视作无缝隙，在岩板中间放置一块铁质卡片，一侧控制合适的裂隙宽度，另一侧控制裂隙宽度为0。在前期实验中，控制裂隙宽度为2mm，但浆液在较小灌浆压力下即可灌入且从岩板后端喷浆，因而继续减小裂隙宽度。在反复试验后，决定控制裂隙宽度为0.45mm。

将缝隙一侧与灌浆孔相连，除灌浆孔与裂隙相通的位置，其它位置用做好的塑料板堵死。为防止浆液从侧边流出，灌浆孔要与压力表相连，以便于测定真实的灌浆压力；为了防止浆液进入压力表中对压力表造成破坏，在灌浆孔连接压力表的管中灌入少量洗洁精等黏稠液体。垂直方向考虑到灌浆时岩板承受灌浆压力，为防止岩板被灌浆压力顶起，用C型夹夹紧，如图2所示。

图2　固定岩板模拟裂隙Fig.2　Fixation of rock plates for simulating fracture

3.2.2主要设备

试验设备主要包括空压机、灌浆筒、压力表、F型夹和C型夹各2个、岩板2块。空压机连接电源，用于提供稳定的灌浆压力，空压机连接灌浆筒，灌浆筒用来放置配置好的浆液，灌浆筒和模拟裂隙、压力表相连，压力表用来测定真实的灌浆压力。见图3。

图3　试验配置Fig.3　Sketch of the testing configuration

3.3.3试验方法

不同水灰比的浆液在不同的灌浆压力和灌浆时间条件下，扩散半径不同，对于灌浆压力，设定0.2,0.3,0.4MPa3个测量值；针对灌浆时间，在尝试试验阶段发现，由于岩板的面积所限，浆液在裂隙中从开始扩散至停止扩散，时间跨度不超过10min，因此设定0.5,1,2,4,8min5个测量点；对扩散半径测量时，打开岩板，用电子游标卡尺进行测量。

浆液在灌浆压力作用下进入模拟裂隙，随着扩散距离的增大，压力逐渐消散，同时随着浆液所进入的裂隙宽度逐渐减小，浆液所受的黏滞阻力逐渐增大，最终灌浆压力和黏滞阻力相互抵消，浆液停止继续运动，这时浆液的扩散半径就是其最终扩散半径。如图4。

图4　流动浆体扩散示意图Fig.4　The spread sketch of flowing slurry

由三角形的等比法则可知

(13)

式中：b为浆液能进入的最小裂隙宽度；L为岩板的长度；h0为初始裂隙宽度；a为浆液的最终扩散半径。

4灌浆试验结果

在配置灌浆浆液时，要考虑浆液的流动性，流动性太差，会导致浆液在管内堵死，试验将无法进行。浆液的流动性主要和水灰比有关，在灌浆试验前，首先对不同水灰比浆液的流动性进行测试。

此次室内对浆体流动度测试时，采用的流动度试验模型规格为：上口直径36mm，下口直径60mm，高60mm。流动度测试参考GB/T2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》[18]，采用游标卡尺测量流动度尺寸。

图5　流动度随水灰比变化Fig.5　Variation of liquiditywith water-cement ratio

由图5可知：①水灰比小于0.6时，浆液的流动性很差，流动度<100，已经无法满足灌浆要求，故本次测试过程中只记录当水灰比>0.6时的测试结果。②浆液的流动性大体随水灰比的增加而增大，水灰比为0.6时，流动度为81.2mm，基本上可以满足灌浆需要；水灰比为0.8～1.0时，流动度均值约为180mm；水灰比>1时，流动度达到250mm，但是浆液过稀对浆液及时凝固不利。

为了便于操作，试验中使用的灌浆材料水灰比逐渐增大。在试验初期，首先采用水灰比为0.6的浆液进行灌注时，浆液在管内堵死，原因在于水灰比过小，浆液的流动性太差，加压的过程中，水被不断挤出，浆液的水灰比持续下降，浆液变得越来越稠，流动性越来越差直至堵死管道；其次，水灰比也不宜过大，过大的水灰比会使浆液过稀，浆液流动性太好会出现末端喷浆现象，在工程实际中，过稀的浆液虽然易于灌入裂隙，但是强度生成缓慢，不利于其快速凝结，往往在产生强度之前就被水冲走，达不到防渗或者加固效果，因此在本次试验中设计水灰比主要为0.7，0.8，0.9。

4.1水灰比为0.7时的灌浆结果

水灰比为0.7的浆液相对较稠，流动性较差，在试验中，控制灌浆压力为0.2MPa时，浆液不能进入，控制灌浆压力0.3MPa时浆液的扩散半径约为35mm，对应裂隙宽度约为0.4mm。

因此加大灌浆压力至0.4MPa，灌入1min后，浆液扩散半径为87.3mm，对应的裂隙宽度为0.31mm；灌入2min后，扩散半径增加到165mm，对应的裂隙宽度为0.20mm；继续延长加压时间至4min，浆液扩散半径增加到180.94mm，对应的裂隙宽度约为0.18mm，继续延长时间，扩散半径并无太大变化，因此，水灰比为0.7的浆液在0.4MPa灌浆压力下可灌入宽约0.17mm的裂隙。水灰比为0.7的浆液的灌浆试验进程如图6(a)所示。

增大灌浆压力，有利于浆液进入更小的裂隙，水灰比为0.7的浆液可进入的最小裂隙宽度随压力变化如图6(b)所示。

图6　水灰比为0.7的灌浆试验结果Fig.6　Groutability of slurry with water-cement ratio of 0.7 under different grouting pressures

4.2水灰比为0.8时的灌浆结果

水灰比为0.8的浆液流动性较好，控制真实的灌浆压力为0.2MPa，灌入1min后扩散半径为35.43mm，对应的最小裂隙宽度为0.39mm；灌入2min后，扩散半径增加到147.06mm，对应的最小裂隙宽度为0.23mm；继续延长加压时间，浆液所走距离无明显变化，故水灰比为0.8的浆液在0.2MPa真实灌浆压力下所能灌入的最小裂隙宽度约为0.23mm。在0.2MPa灌浆压力下，灌浆进程如图7(a)所示。

控制灌浆压力为0.3MPa，灌入1min后，浆液扩散半径为101.5mm，对应的裂隙宽度为0.29mm；灌入2min后，扩散半径为178.0mm，对应裂隙宽度为0.18mm；继续延长灌浆时间，无明显变化，因此在0.3MPa真实灌浆压力下，水灰比为0.8的浆液所能进去的最小裂隙宽度约为0.18mm，在0.3MPa灌浆压力下，水灰比为0.8的浆液灌浆进程如图7(b)所示。

控制灌浆压力为0.4MPa时，浆液迅速灌入，浆液能进入的最小裂隙宽度约为0.10mm。在不同的灌浆压力下，水灰比为0.8的浆液能进入的裂隙宽随灌浆压力变化如图7(c)所示。

由图7(c)可知，当灌浆压力提升至0.4MPa时，浆液能进入裂隙宽约0.10mm的裂隙，材料的可灌性良好。

4.3水灰比为0.9时灌浆结果

水灰比为0.9的浆液流动性好，在小灌浆压力条件下短时间内便可进入小裂隙。控制灌浆压力为0.2MPa，灌入1min后浆液扩散半径为195mm，对应的裂隙宽度为0.17mm；灌入2min，浆液首先从两侧冒出，扩散半径增加到217.6mm，对应的最小裂隙宽度为0.12mm；继续延长时间，扩散半径不再发生变化，因此，在0.2MPa真实灌浆压力下，水灰比为0.9的浆液所能进入的最小裂隙宽度为0.12mm。水灰比为0.9的浆液在0.2MPa灌浆压力下灌浆进程如图8所示。

图8　水灰比为0.9的浆体在灌浆压力0.2 MPa下可灌性Fig.8　Groutability ofslurry with water-cementratio of 0.9 under groutingpressure of 0.2 MPa

由图8可知，水灰比为0.9的浆液在0.2MPa的小灌浆压力下即可进入裂隙宽约0.12mm的裂隙中。

控制灌浆压力为0.3MPa，浆液从两端喷出，浆液损失量大，而且在浆液量不足时出现辐射式灌浆效果，浆液几乎布满整个岩板面，因此本试验中，对于较稀且流动性好的浆液所控制的灌浆压力较小。

5结论

(1) 浆液首先充填宽裂隙，然后进入小裂隙。限于岩板的面积，所控制的裂隙长度仅有20cm，浆体从开始进入到达到最小的裂隙时间跨度不超过5min，但在现场进行灌浆时，该时间跨度会根据裂隙的扩展范围变化有所延长。

(2) 在灌浆过程中，要保证充足的浆液，以防止辐射式灌浆现象，辐射式灌浆不利于浆体在裂隙中的连续性。

(3) 水灰比小的浆液在小灌浆压力下即可顺利灌入，且进入宽度较小裂隙中，大灌浆压力反而不利于灌浆。

(4) 对于同一水灰比的浆液，增大灌浆压力并不能明显改善灌浆效率，但可以使浆液进入更小的裂隙。

(5) 浆液能进入的最小裂隙宽度和水灰比有关，水灰比越大，所能进入的最小裂隙宽度越小，水灰比为1.0时，模拟裂隙被浆液完全填充，浆液能灌入0.05mm的裂隙中；当水灰比介于0.7～0.9之间时，在压力0.2～0.4MPa下，可灌入的裂隙宽度近于0.1mm，因此，材料的可灌性比较好。

(6) 适当延长灌浆时间有利于浆液进入更小的裂隙。

参考文献：

[1]梁入月. 基于文化遗产旅游的大足石刻旅游开发研究[D].重庆：重庆师范大学,2012.

[2]方云,魏海云,王金华. 隧洞排水法治理大足石刻渗水病害[J]. 现代地质，2001，15(3)：351-354.

[3]孙冀珣. 浅谈压力灌浆法在湿陷性黄土地基加固中的应用[J].甘肃科技，2012，28(14)：118-119.

[4]和法国. 交河故城崖体裂隙灌浆加固研究[D].兰州：兰州大学，2009.

[5]陈旭荣,董建军. 湿磨细水泥浆材的制备及灌浆技术的研究[J]. 长江科学院院报，1994，11(4)：38-45.

[6]WANGGM,SUB.MechanicalPropertiesandPermeabilityofMortarModifiedwithMetakaolin[J]. 武汉理工大学学报,2010，(17)：127-130.

[7]桑来玉. 硅粉对水泥石强度发展影响规律[J]. 钻井液与完井液，2004,(6)：43-45.

[8]CHENJJ,KWANAKH.SuperfineCementforImprovingPackingDensity,RheologyandStrengthofCementPaste[J].CementandConcreteComposites,2011,34(1): 11-15.

[9]方云,刘祥友,胡学军,等. 龙门石窟防渗灌浆试验研究[J]. 石窟寺研究，2010，(00)：221-243.

[10]WANGL,LIT.TheCalculationofGroutingDiffusionRadiusonBasedBinghamFluidforChunnelThatPassesthroughFracturedRockMass[J].AppliedMechanicsandMaterials, 2012：256-259.DOI:10.4028/www.scientific.net/AMM.256-259.1280.

[11]LOMBADIG.水泥灌浆浆液是稠好还是稀好[M]∥现代灌浆技术译文集.郭玉花，译.北京：水利电力出版社，1991.

[12]张良辉，雄厚金，张清，等.开度粗糙裂隙中浆液的流动[C]∥岩土力学与工程的新进展学术研讨会论文集. 广州：中国岩石力学与工程学会，1996:36-38.

[13]赵宏海,李磊,秦福刚,等. 裂隙岩体加固浆材的试验研究[J]. 长江科学院院报，2012，29(7)：77-81.

[14]ZHAOGS,ZHOUGQ,ZHONGGR,et al.AnalysisofStratumGroutingInfluenceonShaftLiningStresswiththeMethodsofSimulationandinsiteMeasurements[J].ProcediaEarthandPlanetaryScience,2009,1(1): 20-24.

[15]熊进，祝红，董建军.长江三峡工程灌浆技术研究[M].北京：中国水利水电出版社,2003:80-82.

[16]罗平平,李志平,范波,等. 倾斜单裂隙宾汉浆液流动模型理论研究[J]. 山东科技大学学报(自然科学版)，2010，(1)：43-47.

[17]雄厚金，林天建，李宁.岩土工程化学[M].北京：科学出版社，2011：72-73.

[18]GB/T2419—2005，水泥胶砂流动度测定方法[S]. 北京：中国标准出版社，2005.

(编辑：陈敏)

Simulation of Fracture Grouting Test for Sandstonesof Dazu Rock Carvings

SUNPeng,YANShao-jun,DOUYan,CHENJia-qi,HEKai

(FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Abstract:Seepage from sandstone fractures is an important cause of the deterioration of Dazu rock carvings, a world cultural heritage site. Fractures grouting is a traditional and effective way for the treatment of fracture seepage. A modified inorganic and environmental composite material of Metakaolin has been proposed for the grouting in the fractures of Dazu carvings. In this research, laboratory test with a man-made fracture was conducted to study the groutability of this material. By controlling the opening of fracture through two sandstone slates, the grouting procedure and minimum span of the artificial fracture were recorded to study the influence of water-cement ratio, grouting pressure and grouting duration. Results reveal that the minimum width that the slurry can flow into is controlled by the water-cement ratio, grouting pressure and grouting duration. Among the three factors, water-cement ratio plays a dominant role; while increasing the grouting pressure cannot improve the grouting efficiency obviously; raising the water-cement ratio and pressure or extending the grouting duration could improve the groutability of slurry in small fractures.

Key words:Dazu rock carvings; seepage from fracture; protection of cultural relics; grouting material; grouting test; groutability

收稿日期：2015-04-07；修回日期：2015-06-03

作者简介：孙鹏(1990-)，男，山东莱芜人，硕士研究生，主要从事不可移动文物保护工作，(电话)13476262564(电子信箱)1084328518@qq.com。

doi:10.11988/ckyyb.20150277

中图分类号：TV543.15

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)06-0134-06

2016,33(06):134-139