双管渗透注浆空间流态的模拟试验研究

2018-11-02孔鲁志周卫霞

水利科技与经济 2018年10期

孔鲁志，杜俊，周卫霞

(昆明学院城乡建设与工程管理学院，昆明 650214)

1 概述

注浆是将一定材料配制成浆液，用压送设备将其灌入地层或缝隙内使其扩展、凝胶或固化，以达到加固地层或防渗堵漏的目的，特别是在地下综合加固处治中应用广泛。但是在现场注浆施工过程中，浆液的流动是在被注介质内部的，很难观测到浆液的运动和分布情况，隐蔽性和不确定性是注浆工程最大的特点，这就使得注浆设计和施工存在很大程度的盲目性和局限性。同时，较多的影响因素也制约了注浆技术的快速发展，如注浆材料、注浆器具、施工人员素质等。然而在众多因素中，是否考虑浆液空间流态的变化这一特性是注浆技术能否在实践工程中取得突破和发展的关键之一[1]。

目前，国内外学者对注浆理论进行了深入细致的研究，建立起一系列渗透注浆理论。Maag[2]应用达西定律作为物理方程推导出浆液在砂层中球形渗透扩散的经验公式。杨秀竹[3]推导出宾汉体浆液在均质砂土中进行渗透注浆时浆液有效扩散半径公式。杨志全[4]建立的黏度时变性宾汉流体渗流方程等。众多学者虽然在注浆理论研究方面取得一定成果，但是由于被注介质的地质情况复杂，试验研究人员所模拟的被注介质并不一定具有广泛的代表性，加之试验结果不可避免地要受到试验操作步骤、试验数据处理误差等因素的影响，所以这些经验公式有一定的局限性，阻碍了其在实际工程中的应用推广[5-6]。虽然很多学者对浆液的加固机理进行了深入的研究，但是他们在研究中对浆液空间流态的考虑仍显不足。本研究旨在设计一套室内注浆模型，深入研究浆液在被注介质中的流动扩散机理，以期研究成果对有关工程予以理论支撑，减少水泥浆液损耗，降低不合理因素对注浆效果的影响，提高施工质量及工程经济效益。

2 水泥浆流变试验

注浆过程中水泥浆处于液相流动状态，确定其控件分布是建立注浆扩散模型的前提。因此，本文对纯水泥浆液空间流态的变化规律进行试验研究。

2.1 试验材料

本试验中所采用的注浆材料为水灰比W/C=0.8的纯水泥浆液，浆液黏度为30·103·Pa·s，密度1.59 g/cm3，初凝时间11 h 10 min，结石率95%。

本实验采用3种不同粒径的砂石进行混合作为被注介质，共配置4组；各组级配配比及基本数据见表1、表2，各组级配混合特征见图1。

表1 各组混合级配配比

表2 各组混合级配基本数据

图1 各组混合级配混合特征

2.2 室内注浆模型实验装置

为了观测注浆时浆液的流动情况，研究水泥浆液在砾石土层中的注浆机理，设计本次室内注浆模拟试验。试验采用有压氮气提供注浆压力，有机玻璃试验箱中存放被注介质，二者之间由储浆容器连接，见图2。供压装置、储浆容器、试验箱3部分组成一个统一整体，试验原理构造图见图3。

图2 注浆模拟试验装置

注:①-试验箱体；②-被注介质；③-注浆管；④-加筋软管；⑤-储浆容器；⑥-水泥浆液；⑦-注浆阀门；⑧-电子台秤；⑨-氮气瓶阀门；⑩-氮气瓶

2.3 室内模拟注浆试验方案设计

采用正交试验方法，综合考虑被注介质的孔隙特征(k)、注浆压力(P)、注浆管间距(D)等参数对试验的影响，结合正交表制定出双管单孔注浆试验方案，详见表3。

表3 正交试验设计表

3 试验分析与讨论

3.1 双管注浆空间流态分析

双管注浆试验共得到16个试样，选取部分代表性浆液扩散结石体及流型图，见图4。图4中，紫色阴影部分为1号管、2号管所注浆液相互影响相互胶结的结石体，红色部分为1号管所注浆液的扩散流态，绿色部分为2号管所注浆液的扩散流态。

为此,本文考虑了路由空洞问题,并提出基于时延要求的抑制路由空洞的地理位置路由DG-SHGR(Delay-Guaranteed-based Suppressing Hole Geographic Routing),进而解决上述的两个问题。DG-SHGR路由的主要目的在于预先检测路由空洞,然后再合理地选择路由。

图4 代表性结石体及流型图

双管注浆过程中，浆液在被注介质中形成两种空间流态。第一种空间流态，当注浆管间距较小或被注介质渗透系数K较大或注浆压力较大时，两管所注浆液会相互影响并形成一个完整的结石体；该结石体整体呈椭球形或柱形。第二种空间流态，当注浆管间距较大或被注介质渗透系数K较小或注浆压力较小时，两管所注浆液便有可能不会产生相互影响并形成两个单独的结石体。这两部分结石体的空间流态与水泥浆液渗透扩散理论中的球形扩散和柱形扩散原理基本吻合。