模型槽中模拟压密注浆的实验研究

蒋邵轩 钱玉林 晏云涛 曹 炜 许奇新 陈雪盈

(扬州大学 岩土工程研究所,扬州 225127)

0 引言

注浆又称为灌浆,是一种常见处理软弱地基的方法,用压送设备将具有有充填和胶结性能的浆液材料注入地层中土颗粒的间隙,土层的界面或岩面层的裂隙内,使其扩散、胶凝、固化,以达到加固地层或防渗堵漏的目的[1].首次将注浆法用于在工程中实践的是法国工程师查理士·贝里格尼[2]，在1802年时他采用自制的压浆泵将塑态的粘土浆液注入基础底板与地基土之间,充填空隙,从而有效的修复了挡潮闸.20世纪60年代时,日本人创造性的发明了一种高压喷射注浆的方法,该方法使得注浆技术迅速的向前迈进,并在全世界被广泛采用.我国注浆技术研究相对较晚,20世纪50年代开始初步掌握注浆技术[3].20世纪70年代末,在铁道行业中,进行了许多高压喷射注浆法的研究以及很多工程应用实践,取得了长足的进步,之后在全国各个相关行业中开始了大量的工程应用实践.在注浆材料方面,50年代末和60年代初时,进行了大量的有机高分子化学注浆材料的研究工作[4],目前我国可自行生产很多种化学注浆材料,常见的有水玻璃、丙烯酞胺、木质素类、尿醛树脂、聚氨脂、环氧树脂等.

依据浆液扩散机理的不同主要分为:渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆、电动化学注浆法和高压喷射注浆法[5].其中渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆三者都属于静压注浆,具有工艺简便、操作简单、施工占地小、对环境影响少、工期短、适应范围广等优点[6].在地下工程和基础工程中,软弱地基压密注浆处理、既有建筑地基注浆加固、高速公路路基注浆加固等大量的工程实践，都显现出静压注浆技术的有效性和经济性.

通常压密注浆的力学机理都是采取圆孔扩张理论来加以研究,圆孔扩张理论在地下隧道、井筒、沉桩等问题的应力应变分析中有着广泛的应用[7].Hill R.等人最早构思了球形小孔逐渐孔扩张的一些基本理论[8],随后又推导了Tresca材料中压力一扩张关系的一般的通解.H.S.Yu和G.T.houlsby依然使用了Mohr-Coulomb屈服准则和不相关联的流动法则[9],在此基础上进一步考虑了剪胀角的因素来反应一些土体的剪胀特性,使用了对数应变[10],保持了考虑塑性区的大变形的情形,来分析理想弹塑性土体中无限长的小孔的扩张问题,得出了当在变形量没有条件约束时,柱形和球形孔扩张的一般解.劈裂注浆时,通常人们都是用水力劈裂的基本原理来解释土体中裂隙的产生与发展的过程.在不同土质的土中注浆时,劈裂裂隙产生的机理也不一样,主要分为3类:拉应力原理、剪应力原理以及其他的破坏准则[11].黄明利等思考了在隧道侧壁岩土体中进行劈裂注浆时,劈裂方向发展的随机性与不确定性的问题,提出了一种所谓诱导劈裂注浆的方法,使得劈裂方向可以控制或者改变.当两孔之间的间距比诱导临界值小时,注浆孔周围的应力大小产生了旋转,浆液劈裂的方向发生了改变,将沿着水平方向产生劈裂裂缝.诱导孔与注浆孔间距的临界值的变化规律与侧压力系数有关,该系数增大临界值也增大.

尽管渗透、压密、劈裂注浆在工程实践中应用案例很多,但目前在更大程度上还是一门技艺.其作用机理、设计计算方法等方面尚不成熟.不少工程在应用注浆法处理工程问题中[12],在进行注浆加固方法的选择、注浆材料、注浆设计、注浆性能指标的确定和施工工艺参数的优选等项工作时,工程技术人员都缺少理论依据,不利于静压注浆技术的发展和应用.本文主要采用的注浆材料是水泥基材料,注浆土体为扬州大学扬子津东校区表层粉砂土体,水泥浆液的扩散方式主要为压密注浆以及劈裂注浆,通常情况下采用纯水泥基浆液注浆时，浆液的扩散方式都是压密-劈裂相伴随的形式,故文中研究主要侧重压密注浆以及劈裂注浆.

1 试验装置材料及步骤

为了探究不同水灰比的水泥浆液和不同注浆压力对浆液扩散性状的影响，进而观察分析粉砂中渗透注浆、压密注浆和劈裂注浆的规律,本文设计了一套室内注浆的试验装置与水泥浆压滤效应试验装置,用来研究在饱和粉砂中注浆的过程.通过室内注浆试验研究，归纳总结不同注浆参数对浆液扩散性状，比较分析不同参数对水泥浆压滤效应的影响.该装置主要由空气压缩机与调压阀、压力容器、振动器组成(见图1),注浆管布置见图2.

1.1 试验装置

(1) 空气压缩机与调压阀. 本文通过空气压缩机向压力容器中加压，使容器中的浆液在内外压差作用下沿注浆管流动,将空气压力转化为液压,从而实现注浆过程.调压阀是靠截流减压,又称减压阀.

(2) 压力容器. 本文通过压力容器将空气压力转化为液压,相关参数如表1.

(3) 振动器. 用来振动土体排除气泡.主要参数为;220V～50Hz 800W 13 000r/min Φ35mm.

(4) 工作原理. 调压阀将空气压缩机输出的高压气体控制在一定值,并输入压力容器.压力容器中的高压气体挤压水泥浆液,使其通过出浆口压入土样中.

图1 注浆装置示意图Fig.1 Grouting equipment schematic

图2 Φ8注浆管布置示意图Fig.2 Φ8 Grouting pipe layoutschematic

Specification/LQuality/kgAllowable pressure/MPaTickness/mmBarrel wallBucket coverInner diameter/mmDiameterHeightOutside diameter/mmDiameterHeight1015.50.8512209300219310

1.2 试验土体与注浆材料

1.2.1 试验土体

土体取于扬州大学扬子津东校区施工工地,由颗粒级配表2可知为粉砂.有效粒径d10=0.047mm,中间粒径d30=0.063mm,限制粒径d60=0.083mm,不均匀系数Cu=1.77,曲率系数Cc=1.02.

表2 粉砂颗粒级配Table 2 Powder sand gradation

试验过程中取模型槽中0.5m深度处土体,使用直剪仪测定的土体物理力学指标见表3.

表3 模型槽中土的物理力学性质指标Table 3 Physical and mechanical properties of the soil in the model tank

水泥采用扬州市绿杨牌P.O.42.5普通硅酸盐水泥,制成浆液时,应反复搅拌10min.

1.2.2 注浆参数

本文注浆设计参数见表4.

表4 注浆设计参数Table 4 Grouting design parameters

1.3 试验步骤

饱和粉砂试样制备及注浆试验过程的详细步骤如下:

(1) 将粉砂加入模型箱,在注浆管中充满水排除管子中空气,按设计位置在长1.8m×宽0.8m×高1.1m的模型槽中埋置外径8mm内径5mm的注浆管,向模型槽中填土的同时加入足够的水,分层用振动器振捣,排除其中空气.

(2) 填满模型槽之后静置固结3天,准备开始注浆,见图3，图4.

(3) 注浆前,将注浆管向上拔出10cm～15cm使得注浆管端部与塑料薄膜脱开,并且在土体中可形成预制的直径8mm的柱形孔,采用不同注浆参数注浆,试验装置见图5,注浆结束后将注浆管拔出洗净备用,待注入的水泥浆液凝固后开挖土体,取出浆泡与浆脉.

图3 在模型槽中制备饱和土Fig.3 Prepare saturated soilin the model tank 图4 震动器Fig.4 Vibrator 图5 注浆装置实物图Fig.5 Grouting device

2 粉砂中水泥基注浆试验结果分析

2.1 注浆压力与水灰比对浆液扩散性状的影响

压密注浆常选用水泥为主剂的浆液,主要包括水泥浆、水泥-水玻璃浆液、水泥砂浆等.当浆液水灰比较大,浆液的稠度较小时,由于注浆压力迅速升高易引起水力劈裂等原因,在土体中通常形成片状浆脉,浆液流向远处,压密注浆转变为劈裂注浆,压密效率下降,同时,低浓度的水泥浆液结石率低,凝固后体积有较大收缩,不利于保证注浆效果.

当水灰比较小浆液稠度较高时,注浆结石体形成柱形增强体,浆泡发展到一定程度后土体劈裂产生浆脉,并不断发展直到地表冒浆.因此,实施压密注浆加固地基时,需要采用黏度较大的浆液或水泥砂浆等极浓的浆液从而在软弱土体中形成柱形加固体[13].

浆液注入小孔后,小孔首先不断缓慢扩张,小孔半径增加,当注浆压力达到极限扩张压力或由于水力劈裂、土质不均匀等因素时孔壁产生裂缝,浆液克服小主应力使得裂隙不断发育形成片状浆脉,浆泡与浆脉的发展总是经历从无到有,由小到大的过程[14].在试验前,曾在小模型槽中做了很多注浆试验,如图8,但浆液常常会充满整个小模型槽且受边界条件影响较大,圆孔无法充分地扩张,故后来改为在大模型槽中注浆.在小模型槽注浆时,其中形成的一个注浆结石体清晰地表明了浆液的扩散性状,见图6～图9.

因此,在实际注浆工程中应该用浆液黏度较大的配合比,从而有利于浆泡的不断发展挤密置换周围土体,形成增强体,提高复合地基承载力与地基土密实度[15].

试验得到的不同水灰比与注浆压力条件下浆液结石体的基本特征见表5.

表5 不同注浆参数对浆液扩散性状的影响Table 5 Effect of different grouting parameters on diffusivity of slurry

续表5

图6 浆液沿着模型槽侧壁返浆Fig.6 The slurry returns to the side of the model groove

图7 小模型槽注浆形成的柱形浆泡与浆脉Fig.7 Columnar bubble and plasma

图8 小模型槽注浆系统Fig.8 Model groove grouting

图9 小模型槽装满土Fig.9 Model tank filled with soil

由试验可知,浆液在扩散过程中,首先是小孔扩张过程,随后进入劈裂流动阶段.在试验土体中,垂直于小主应力的方向最容易被水泥浆液注浆压力克服,产生裂缝,于是片状浆脉常常是沿竖直方向发育的.当采用的水灰比为0.6,0.8时，注浆小孔在压力作用下不断扩大,浆泡发育较好,形成柱形结石体.浆液结石体与粉砂土体分界面明显,水泥浆液颗粒不能通过渗透的方式扩散到土体中,在压力作用下圆形注浆孔直径不断扩大,挤密置换土体形成柱形结石体与片状浆脉,提高了地基承载力[16].当采用水灰比1.0时,土体中无浆泡,仅有片状浆脉,原因为水灰比较大时,当注浆压力迅速升高后引起水力劈裂,在土体中形成裂缝,浆液克服小主应力或薄弱面,沿着裂缝不断延伸扩展挤密置换土体形成片状浆脉,注浆压力越大,浆脉宽度也较大.压密注浆时应采用小于0.8的水灰比,稠度较高的浆液有利于保证圆形注浆孔的扩张形成柱形浆泡.随着注浆圆孔的不断扩张,浆液总是在寻找地应力较小或者是软弱面以及裂隙、孔洞等地方来突破土体的约束,所以通常在浆泡的上部会产生片状浆脉,浆脉垂直于小主应力,因为这个面上的地应力较小或强度较低,容易被克服.

2.2 填充注浆与定向劈裂注浆现象

2.2.1 填充注浆

当土体中存在较大孔隙、孔洞时，尤其在没有压实的堆填土中,浆液扩散进入蚂蚁窝状的空洞、孔隙中形成浆液与土体的混合体,浆液结石体与土体分界面明显.将土体冲洗掉后浆液结石体如图10.浆液充填挤密孔穴,使得土体密实,改善了地基土体物理力学特征,堵塞了渗水通道.

图10 浆液扩散进入蚂蚁窝状孔隙Fig.10 The slurry diffuses into the anthole

图11 定向劈裂时浆脉(w/c=0.8,p=0.2MPa) Fig.11 Directional cleft palate(w/c=0.8,p=0.2MPa)

2.2.2 定向劈裂注浆

当在土体中预制一条裂缝进行定向劈裂注浆时,显然浆液将会克服小主应力劈裂土体,浆脉不断扩展延伸,形成定向的片状浆脉[17],见图11.

本文做了一个定向劈裂注浆孔,将塑料袋折叠成片状预埋在注浆管端部,这样就在土体中形成了一条预制的裂缝,注浆时,在浆液压力作用下裂缝张开并不断向两侧与上部发展.在试验土体中,对于预制的缝隙,其上部地应力较小,底部地应力较大,所以浆液压力更容易克服上部地应力,缝隙向上发展直至地表冒浆.试验表明,裂缝向两侧扩张后迅速向上部扩张,片状浆液结石体表面凹凸不平且不同区段有转角,但整体上依然是垂直于小主应力(或中主应力)方向.由此可知,在进行用于止水的劈裂注浆时,可以预制裂缝,或采用较大的水灰比迅速的升高注浆压力引起水力劈裂裂缝,再采用小一点的水灰比加大注浆压力,撑开且填充裂隙.

3 结论

通过在模型槽中注浆试验结果，归纳总结不同注浆参数对浆液扩散性状的影响,从而得到以下结论：

(1) 在模型槽中开展水泥注浆试验表明,水泥浆颗粒不能渗透进入粉砂土体孔隙,浆液结石体与土体有明显分界面.浆液在扩散过程中,首先是小孔扩张过程,随后进入劈裂流动阶段,在类似于试验土体性质的较均质土体中,垂直于小主应力的方向最容易被水泥浆液注浆压力克服,产生裂缝,于是片状浆脉常常是沿竖直方向发育的.

(2) 稠度较高的浆液有利于保证圆形注浆孔的扩张形成柱形浆泡.在饱和土中,当采用较大的水灰比且注浆压力迅速上升时,土体中极易产生水力劈裂现象,浆液劈裂土体,形成片状浆脉,无浆泡.当土体中有蚂蚁窝状孔隙时,浆液可以填充挤密扩张孔隙,在土体中形成网络状结石体.

(3) 在粉砂中使用水泥浆液进行注浆时,本质是渗透效应、压密效应、劈裂效应相结合的过程.注浆过程中,浆液中的水溶液在压力作用下通过压滤效应渗透扩散到土体中,较大的水泥颗粒无法渗透到土的孔隙中去起到挤密土体的作用形成浆泡,当水灰比与注浆压力较大时,由于水力劈裂、土体分层非均质等原因使土体劈裂,在土体中形成浆脉.

(4) 浆液在扩散过程中,首先是小孔扩张过程,随后进入劈裂流动阶段.在类似于试验土体性质的较均质土体中,垂直于小主应力的方向最容易被水泥浆液注浆压力克服,产生裂缝.

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