黏度时变性灌浆材料加固碎裂岩体应用研究*

杜　野　裴向军　黄润秋

(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)　成都　610059)



黏度时变性灌浆材料加固碎裂岩体应用研究*

杜野裴向军黄润秋

(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)成都610059)

针对普通水泥浆流动时间长、早期强度低、可灌性差，在复杂岩体注浆中质量难以保证的问题，提出以普通水泥浆为基浆，对普通水泥浆适当掺加外掺剂进行改良，以调节水泥水化及硬化进程，形成SJP黏度时变性灌浆材料。其特征主要为浆液初始流动性好，浆液黏度增长缓慢，浆液过可泵时间后其黏度将迅速增大，浆液在可泵时间内保持良好的可灌性； 浆液流动时间可控，可泵时间到初凝时间间隔短，浆液不易被冲蚀； 同时浆液固结体具有前期强度增长快，后期强度高的特点； 可以根据不同岩层特点，改变外掺剂的加入量，可以形成与地层良好适应性的灌浆材料。应用结果表明：对于陡倾、宽缝、碎裂岩体，SJP黏度时变性灌浆材料具有良好适宜性，可以作为锚杆灌浆材料，在减少材料用量的同时，可缩短工时，灌注质量满足设计要求。SJP灌浆材料已应用到坝基加固、房屋地基处理、地质灾害治理工程中。

注浆工程黏度时变性灌浆材料碎裂岩体边坡治理

0　引　言

注浆是改变岩土体物理力学性质的一种施工方法(王国际， 2000； 邝健政等， 2001； 乌效鸣等， 2002)，已经广泛应用于岩土工程众多领域，如大坝基础防渗注浆、坝肩抗力体固结注浆、隧道以及地铁工程遇到突水、涌水问题超前预注浆等，注浆以成为处理上述问题最为常用的方法。

对于注浆研究主要为被灌岩(土)的可灌注性、以及注浆材料的性能、浆液在被灌岩(土)体中的流动特性、以及注浆设备、注浆工艺、灌注效果的检测等，而注浆材料是关系到注浆成败的最为关键的因素。

目前注浆材料种类、数量众多，但总体上仍是以水泥为代表的粒状浆材，以及各类化学浆材。化学类浆材一般初始黏度低、可灌性、浆液固结体的耐久性以及抗渗性能较好，特别是对细微裂隙有较好的适应性(蒋硕忠， 2003)。但是化学类浆液一般价格昂贵、以及化学类浆液一般具有毒性，化学浆液结石体强度一般要比水泥浆液结石体强度低，使其应用范围受到了限制(葛家良， 1995； 杨米加等， 1995； 王星华， 1998； 阮文军等， 2001； 阮文军， 2005a， 2005b； 胡安兵等， 2005)。

水泥浆液材料来源丰富、浆液配置方便、操作简单、成本较低且固结体具有结石体强度高、耐久性好特点，因此在各类工程中得到了广泛应用。

普通水泥浆液凝固时间长、早期强度低、可灌性差，使其在复杂岩体注浆中应用不能很好的应用，灌注质量难以保证，因此为了更好的应用水泥浆液，需要对普通水泥浆液进行改良，使其适宜于复杂岩体注浆。

本文以普通水泥浆液为基浆，适当掺加外掺剂，调节水泥浆的水化以及硬化进程，使得浆液性能大大改善，形成性能优良的SJP黏度时变性水泥灌浆材料。

本文以九寨云顶悦榕酒店边坡治理工程为例，研究SJP黏度时变性灌浆材料在加固碎裂岩体中的应用。

1　SJP灌浆材料组成及性能特征

1.1浆液的基本组成

SJP浆液以普通水泥浆液为基浆，加入外掺剂1#(纤维素类溶剂)、2#(合成钙硅质早强剂)、3#(酰胺类稳定性调节剂)经溶解后形成水泥浆液。

1#纤维素溶剂，主要为一些有机物质，其中甲基纤维素： 0.5%～1%，羟丙基纤维素1%～2%。1#外掺剂具有调节浆液抗分散能力，增强浆液的可灌注性、可控性的作用。

2#合成钙硅质早强剂，主要为一些无机盐类，其中硅酸盐5%～10%，氧化钙2%～8%，氧化硅1%～10%等。2#外掺剂具有调节浆液固结体的早期强度，并提高浆液固结体的后期强度、控制浆液的凝结时间等作用。

3#酰胺类稳定性调节剂，主要为有机物质，其中聚丙烯酰胺： 0.5%～1%，丙烯酸钠0.2%～1%。3#外掺剂具有调节浆液抗分散能力，提高浆液的可灌性，调节浆液的初凝结时间、终凝时间等作用。

注浆材料的一般配合比(质量比)如下：水︰水泥︰1#外掺剂︰2#外掺剂︰3#外掺剂=0.6︰1︰(0.08～0.4)%︰(1～3)%︰(0.05～1.5)%，根据地层对注浆材料性能的要求，调整外掺剂掺入量，形成不同性能的注浆材料。

1.2浆液的性能特征

与普通水泥浆相比，SJP浆液克服了其凝固时间长、早期强度低、可灌性差、在复杂岩体注浆中质量难以保证的缺点。通过适量外掺剂的加入，可以调节水泥浆水化及硬化进程，形成了具有流动性可控、强度较高为特点的SJP浆液，能够解决强卸荷深部拉裂岩体的加固处理难题(裴向军等， 2011)，同时还可以根据地层特点，改变外掺剂加入量，形成具有良好适应性灌浆材料。

以优选浆液配方(质量比)为例对浆液的性能进行分析，水:水泥:1#外掺剂:2#外掺剂:3#外掺剂=0.6︰1︰0.08%︰2%︰0.05%，浆液性能如下：

1.2.1SJP浆液的稳定性

根据优选配方，SJP浆液在配置完毕静止2个小时后，测得析水率为3mL/100mL，按照稳定性浆液的要求(浆液配置完成2h后的析水率小于5%)，浆液析水率不超过5%，因此黏度时变性浆液属于稳定性浆液(郑玉辉， 2005)。

1.2.2SJP浆液流变性

SJP浆液优选配方流变曲线(图1)，从图1 可知在可泵时间内流变曲线平缓，黏度增长缓慢，过可泵时间后，黏度迅速增加失去流动性，具有突变特征，保证浆液在可泵时间内保持了良好的可灌性，利于浆液充分灌注地层孔隙和裂隙中。

图1　SJP浆液流变曲线Fig. 1　SJP slurry flow curve

1.2.3SJP浆液的固结特性

采用优选配方的浆液固结特性与同水灰比(λ=0.6)普通水泥浆固结特性对比分析(表1，图2)。

表1　SJP浆液与普通水泥浆液固结时间对比表Table1　SJP slurry and ordinary cement slurry consolidation time comparison table

水/g水泥/g助剂1#/g助剂2#/g助剂3#/g可泵时间/min初凝时间/min终凝时间/min360060000006249381000360060004.81203658798

图2　SJP浆液与普通水泥浆液的固结时间对比曲线Fig. 2　SJP slurry and ordinary cement slurry consolidation time contrast curve1. 可泵时间； 2. 初凝时间； 3. 终凝时间

结果表明：SJP浆液可泵时间到初凝时间间隔为22min，从初凝时间到终凝时间间隔为11min。在可泵时间满足工程条件的情况下，灌浆工程中要求灌浆结石体应尽快发挥强度，这就需要缩短灌浆的凝结时间。图2 表为采用优选配方的黏度时变性浆液可泵时间、凝结时间的变化曲线。从曲线上看，曲线具有加速变化的性质，浆液初凝到终凝的时间间隔短，浆液固结体快速形成强度，可以大大降低浆液在裂隙中被水冲蚀，具有快速收敛的性质。

1.2.4SJP浆液固结体强度

强度是衡量灌浆材料的一个必不可少的性能指标，为了使得固结体强度满足工程要求，需要灌浆材料结石体强度具有相当的强度(陈礼仪等， 2007)。

本文对各种不同配比的浆液固结体强度进行了试验得到一系列试验结果，本文只列出优选配方SJP浆液与同水灰比0.6的普通水泥浆固结体的单轴抗压强度试验结果，固结体强度对比(表2，图3)。

表2　SJP浆液与普通水泥浆液固结体的强度对比表Table2　SJP slurry and ordinary cement grouting consolidation with the strength comparison chart

龄期/d抗压强度/MPa净浆浆液SJP浆液36.527.56710.3211.85282024.62

图3　SJP浆液与普通水泥浆液固结体的强度对比曲线Fig. 3　SJP slurry and ordinary cement grouting consolidation with the strength contrast curve

通过表2及图3 可知，SJP浆液与普通水泥浆液固结体相比，SJP浆液固结体具有前期强度增长快，在3d的时候强度值为7.56MPa，比普通水泥浆浆固结体大1.04MPa， 28d强度为24.62MPa，比普通浆液固结体大4.62MPa，综上所述，SJP浆液固结体具有前期强度增长快，后期强度高的特点。

1.2.5SJP浆液经济性

SJP黏度时变性灌浆材料以来源丰富的水泥为主要灌浆材料，掺加少量的外掺剂使浆液性能改变。与普通水泥浆相比，黏度时变性浆液在复杂岩体灌注中，可以减少材料用量以及缩短工时，具有一定的经济性，以九寨云顶悦荣酒店边坡注浆工程为例，对其经济性进行分析论述。

2　SJP浆液复杂地层注浆应用研究

九寨云顶悦榕酒店工程位于九寨沟县南部的保华乡，与九寨沟县城的水平距3.3km，工程区场地高程为2365～2680m。

酒店下边坡高程2000～2400m段为决定基础稳定性的坡段，该坡段坡体倾向为90°～133°，总体坡度为40°，坡体上部顺坡向长度约为1100m，坡体下部顺坡向长度为1300m，边坡为高陡边坡，酒店基础位于边坡的强卸荷带范围内。基础加固采用垂直砂浆锚杆加固，由于卸荷带的发育，锚杆灌浆遇到了单孔灌浆量大、窜浆、跑浆，浆液漏失严重的问题，严重制约着工程进展及灌浆质量。

2.1九寨云顶悦榕酒店边坡地质条件

工程区主要出露的地层主要为三叠系杂谷脑(T2z)和第四系(Q4)地层，岩性主要以砂岩、灰岩为主。主要发育3组结构面： ①层面： 350°∠50°～60°； ②结构面： 187°∠76°～85°； ③ 350°∠45°～50°。该边坡位于坡体的强卸荷带范围内，裂隙发育，边坡岩体较为破碎，结构松散，岩体有架空现象(图4，图5)。

图4　卸荷岩体Fig. 4　Unloading rock mass

图5　架空岩体Fig. 5　Overhead rock mass

图6　E区灌浆平面布置图Fig. 6　E area grouting layout

边坡岩体卸荷，风化作用强烈，加上结构面的组合，使得边坡岩体破碎严重，E区基础灌浆 (图6)存在着严重的砂浆漏、跑浆问题，施工单位为此停工，严重影响着工程的进度。

2.2边坡治理工程问题

根据边坡开挖及在锚杆成孔过程中发现，在E2-7至 E2-14轴线岩岩体节理、裂隙以及断层发育，岩层及其破碎，局部伴有地层空腔，地质条件极其复杂，造成锚杆成孔困难，以及下锚杆难度大大增大。锚杆注浆过程中受到上述破碎地层以及节理裂隙的影响，造成锚杆注浆量超出设计注浆量的数倍至数十倍，注浆过程中常常发生浆液的窜浆、浆液的跑浆(图7，图8)，严重影响着注浆成本及注浆质量。

图7　注浆孔窜浆液Fig. 7　Channeling slurry of grouting holes

图8　注浆浆液跑浆Fig. 8　Running grout slurry

2.3黏度时变性浆液的对比应用

2.3.1普通水泥砂浆的应用

该工程采用独立砂浆锚杆基础，浆液配比及性能(表3，表4)。以靠山测E-1(图6 所示)锚杆灌浆为例，此孔深度为12m，孔径为90mm，锚杆灌浆采用水灰比0.7的普通水泥砂浆方式灌入，锚杆灌浆久灌不止，灌注水泥砂浆3d，水泥用量大于4t，采用了灌注待凝、降低水灰比为0.6的方式孔口仍无返浆，仍存在着严重的漏跑浆久灌不止问题(图9)。分析表明，普通水泥砂浆浆液的凝结时间过长，未能在失去流动性后快速形成强度，致使浆液漏失严重。

表3　普通水泥砂浆灌浆材料配比表Table3　Ordinary cement mortar grouting material ratio table

注浆孔灌浆材料浆液配合比E-1水泥砂浆0.7︰1︰1.5(水︰水泥︰砂)0.6︰1︰1.5(水︰水泥︰砂)

表4　普通水泥砂浆性能表Table4　Ordinary cement mortar performance table

灌浆材料水灰比/λ析水率/(2h/%)可泵时间/min初凝时间/min终凝时间/min水泥砂浆0.77.1620108013250.66.25959751210

图9　浆液顺缝隙跑浆Fig. 9　Pulp slurry ran along the slit

2.3.2SJP黏度时变性浆液的应用

采用SJP浆液的配比及性能如表5、表6所示及注浆量成果对比(表7)。

表5　SJP灌浆材料配比表Table5　SJP grouting material ratio table

注浆孔灌浆材料浆液配合比E-1SJP浆液0.6︰1.0︰0.0033︰0.02︰0.01(水︰水泥︰助剂1#︰助剂2#︰助剂3#)

表6　SJP灌浆材料性能表Table6　SJP grouting material performance table

表7　灌浆材料用量对比表Table7　Grouting material usage comparison table

通过表7可知，采用水灰比0.6普通水泥砂浆总注入量大于4000L孔口仍无返浆，而采用SJP浆液750L后孔口返浆，而且总注灰量不到水泥砂浆的18.75%，大大减少灌注量，缩短灌浆工时，具有显著的经济性能。分析原因主要为SJP浆液流动性好，可泵时间、初凝时间终凝时间间隔短(如图10 所示为浆液凝结时间对比分析图所示)，在浆液失去流动性后能够迅速形成强度，减少浆液顺缝跑浆、漏浆。

表8　检测试验结果表Table8　Testing results table

序号检测孔编号最大荷载/kN自由段长度/m锚固段长度/m锚杆弹性位移量/mm锚头最大位移量/mm锚杆自由段长度与1/2锚固段长度之和的理论弹性伸长值/mm80%自由段长度理论弹性伸长值/mm1JCE-12160.6101.622.497.520.642JCE-22160.6121.962.948.860.643JCE-32160.6102.453.687.520.644JCE-42160.6153.265.1110.880.645JCE-52160.6123.004.608.860.646JCE-62160.6152.914.4310.880.64

图10　SJP浆液与普通砂浆的凝结时间对比曲线Fig. 10　SJP slurry and ordinary mortar setting time contrast curve1. 可泵时间； 2. 初凝时间； 3. 终凝时间

2.3.3工程质量检测

锚杆的抗拔力是否满足设计要求，是施工质量的重要指标，对应用SJP黏度时变性灌浆材料进行施工完毕的锚杆进行抗拔力工程质量检测，检测结果(由于篇幅有限，本文只列出部分检测结果)(表8)及检测曲线(图11，图12)。

图11　JCE-1检测曲线Fig. 11　Detection curve of JCE-1

图12　JCE-2检测曲线Fig. 12　Detection curve of JCE-2

检测结果表明：单根锚杆的抗拔承载力Nt≥140kN，满足设计要求。

目前SJP灌浆材料已应用到锚杆灌浆施工中，锚杆抗拔力达到设计要求，并且应用到已施工完毕的锚杆灌浆补强施工中。

SJP灌浆材料已应用到坝基加固、房屋地基处理、地质灾害治理工程中。

3　结　论

对普通水泥浆掺加外掺剂进行改良，得到SJP黏度时变性灌浆材料，对浆液的稳定性、流变性、固结特性以及固结体强度进行了研究，浆液在陡倾、宽缝、碎裂岩体灌浆中应用，结果表明：

(1)SJP黏度时变性浆液为稳定性浆液，浆液在可泵时间内黏度增长缓慢，浆液保持良好的可灌性，过可泵期后黏度迅速增加。

(2)浆液凝结时间可控，可泵时间到初凝时间间隔短，过可泵时间后浆液固结体可以快速形成强度，浆液不易被冲蚀。

(3)浆液固结体具有前期强度增长快，后期强度高的特点，根据不同岩层特点，改变外掺剂的加入量，可以形成与地层良好适应性的灌浆材料。

(4)对于陡倾、宽缝、碎裂岩体灌浆，SJP黏度时变性灌浆材料具有适宜性，可以减少材料用量，缩短工时，灌注质量满设计要求。

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THE APPLICATION STUDY ON FRAGMENTATION ROCK REINFORCE￣MENT OF AGEING STRENGTHENING MATERIAL GROU￣TING

DU YePEI XiangjunHUANG Runqiu

(State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection， Chengdu University of Technology，Chengdu610059)

The ordinary cement slurry has long setting time， low early strength， and poor groutability. It is difficult to guarantee quality in the complex rock grouting. It proposes the ordinary cement slurry as the base mud slurry， and it put admixture in the ordinary cement slurry admixture to adjust the cement hydration and hardening process， which forms the SJP grouting material of variable viscosity in time. The slurry has good initial liquidity and initial low viscosity. The viscosity of the slurry can increase rapidly after the pump time， the size of the pump can be maintained in good time， the slurry setting time can be controlled to the initial setting time. The pump can pump over short time interval， which can reduce slurry erosion. The slurry consolidation has fast growth of early strength and high strength characteristics late. It changes the amount of an admixture， which can be formed with the formation of adaptable grouting material depending on the characteristics of rock formation. The application results show that for steep， wide joints and broken rock grouting， the grouting material variability has good suitability of SJP viscosity. The SJP viscosity can be used as anchor grouting material. It reduces the amount of material at the same time and can save cost and working hours. The perfusion quality meets the design requirements. Meanwhile the SJP grouting material also can be used in dam reinforcement， building foundation treatment， and geological disaster control engineering applications．

Grouting engineering， Ageing strengthening grouting material， Fragmentation rock， Side slope treatment

10.13544/j.cnki.jeg.2016.03.005

2015-04-16;

2015-11-22.

地质灾害与地质环境保护国家重点实验室团队重点课题(SKLGP2014Z001)，国家自然科学基金(40402025)资助.

杜野(1986-)，男，博士生，主要从事地质灾害、工程边坡稳定性评价与工程治理方面的研究工作. Email: dy20120831@126.com

简介： 裴向军(1970-)，男，博士，教授，主要从事地质灾害、工程边坡稳定性评价与工程治理方面的教学与研究工作. Email: peixj0119@tom.com

TU45

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