基于以气驱水技术的含水地层灌浆改性试验研究

2018-12-13王江营张贵金刘福东陈安重

水文地质工程地质 2018年6期

王江营，张贵金，刘福东，陈安重，范明

(1.长沙理工大学水利工程学院，湖南长沙 410076；2.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南长沙 410076；3.五凌电力有限公司，湖南长沙 410004；4.中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙 410014；5.长沙普照生化科技有限公司，湖南长沙 410000)

化学浆材[1]因具有可灌性好、见效快、施工方便等优点在灌浆工程中扮演着日益重要的角色，用以改善地层渗透性及岩土体强度。然而，含水地层中由于存在较多自由水[2]通常会对化学灌浆产生不利影响，不仅造成工程成本提高，而且难以达到理想的改性效果[3]。为了提高化学灌浆在含水地层改性中的适用性，可以考虑引入以气驱水技术，通过充气在原有地层中产生空气隔幕，为化学灌浆创造良好的施工环境。

以气驱水，即通过在岩土体内注入具有一定压力的气体，在局部范围内驱替岩土体孔隙中的自由水，并达到新的平衡。将空气作为一种辅助手段用于工程建设由来已久，如含水层地下储气库建造[4]、利用空气扰动技术或曝气法处理多孔介质中的污染物[5～6]、压气新奥法隧道施工[7]等。Javadi等[8]针对压气法施工隧道过程中气压降低问题，推导并建立了相应的计算模型；刘辉等[7]采用数值方法研究了采用压气新奥法隧道施工时地下渗流场中水流与气流的分布和变化规律，及其对原有地下水分布的影响，并对施工中是否需要补气进行预测；Nusier等[9]基于土壤学有关原理探讨了土体中空气与水的相互作用关系，并对它们的运动规律进行了分析；叶贺炯[10]提出通过钻孔向边坡注入空气，改变边坡渗流场排出坡体地下水，以快速提高边坡的稳定性；杜丽丽等[11]探讨了以气驱水技术在滑坡治理中的应用，彭尔兴等[12]针对不同干密度和含水率的非饱和含砂细粒土的气体渗透性进行了试验研究，均取得了一定成果。

以气驱水技术在工程建设中已得到一定应用，并逐渐被认可，但是该技术尚未完全成熟，其在灌浆工程中的应用国内外亦是鲜有报道。因此，本文拟在已有研究成果的基础上，对以气驱水技术在含水地层灌浆改性中的应用进行试验研究，以期为相关工程实践和理论分析提供一定参考和依据。

1 以气驱水可行性试验及其工艺原理

1.1 以气驱水可行性试验

为了验证以气体驱替含水土层中自由水的可行性，分别选取饱和黏土和粉质砂土进行试验。

分别对两种土样进行饱和，并在土样顶部保留约1 kPa水头压力，开始向土体内充气，气压由小逐渐增大，当气压增加到一定程度，土体发生破坏时停止试验。

试验过程中，当气压较小时，尽管有一定气体充入土体，但两个试验装置内并未发生明显变化。而随着气压慢慢增加，这两种土样内逐渐出现了不同的变化。

对于黏土试样，筒壁上开始出现气泡并不断累积、扩大，形成空气路径，与此同时，液面有所上升，但不明显；当气压进一步增加时，试样逐渐被整体抬起，液面随之抬升，抬空区域随气体进入而不断增大，且抬空区只有空气。

对于粉质砂土，气压升高后筒壁上亦会出现气泡，相比黏土只有少许气泡，同时，土体液面开始逐渐上升，其上升速度和高度均比黏土显著，在气压不再增加的情况下，液面最终会维持在一定高度。随气压继续增大，粉质砂土和上部液面同样会被整体抬起，出现抬空区，其破坏过程与黏土破坏过程比较相似。

通过对上述试验结果进行分析，可知：

(1)在饱和黏土中以充气驱替土体孔隙中的自由水，其可行性较低。因为空气想要进入饱和土的孔隙中，需克服水气分界面的表面张力T和孔隙水压力u(图1)[11]。黏土中细粒组含量较多，导致土体孔隙直径细小，表面张力T较大，为了达到以气驱水的效果，气压P需不断增加，在试验中，当P增大到一定程度，尚未克服表面张力和孔隙水压力时，已产生劈裂作用，土体及液面被整体抬起，未能达到比较理想以气驱水效果。

图1 气驱水示意图Fig.1 Schematic diagram of gas driven water

(2)在粉质砂土进行以气驱水具有较好的可行性。粉质砂土中颗粒粒径较大，土体孔隙直径亦相对较大，其表面张力T相对较小，气压P超过饱和砂土所能承受的极限压力之前，已经能够克服表面张力T和孔隙水压力u，部分气体可以进入饱和土体孔隙内部，水被驱替出来，故此时液面有了比较明显的上升，在气压稳定的条件下，一段时间后可达到新的平衡状态。如果气压继续增加，同样会出现整体抬升破坏。

(3)虽然在饱和粉质砂土中进行以气驱水具有较好的可行性，但是存在初始压力Pmin和极限压力Pmax，只有当气压在(Pmin，Pmax)之间时，气驱水才是可行的。

1.2 合理充气压力探讨

根据图3，可认为初始充气压力Pmin等于水头压力Pw与进气值Pc之和，即：

Pmin=Pw+Pc

(1)

水头压力Pw与水头高度有关，易于计算；进气值Pc与表面张力T、土体孔隙通道直径等因素有关，难以精确计算，文[11]给出了不同孔隙半径r对应的进气值，具体见表1，黏土、粉土和砂土的最大孔径r分别约为5，10和100 μm，进而可求得不同水头压力下的初始压力Pmin。

表1 不同孔隙半径对应的进气压力值

此外，杜丽丽[11]通过试验研究建立了极限充气压力Pmax的表达式：

(2)

式中：c、φ——饱和土的黏聚力与内摩擦角；

B——气体影响区域宽度；

γsat——饱和土重度；

λ——静止土压力系数；

H——充气点埋深。

由上述分析可知，当土体孔隙半径较小时，会出现Pmin≥Pmax的情况，难以实现以气驱水。此时，即便增加上覆重量，土体无法被整体抬升，其内部仍有可能产生劈裂空隙通道，出现窜气现象(即充气气体直接与外部连通)。

2 含水土层以气驱水化学灌浆模拟试验

为了验证以气驱水工艺在含水土层化学灌浆中的作用，自主设计了相关试验装置(图2)，进行模拟试验。

图2 模拟试验装置图Fig.2 Apparatus of the simulation test

2.1 试验方案

试验采用的土体以粉质砂土为主，在试验装置两侧存在固定的水头差(2.5 m)，在水头压力作用下对土体进行饱和，土体饱和后其内部会形成渗流通道，在装置左侧可观测到有稳定的水量渗出，然后开展对比试验。

(1)不采用气驱水工艺，直接在含水土层中灌注高渗透环氧浆材，灌浆结束后7 d钻芯取样，检验灌浆效果。

(2)相同条件下，首先在含水粉质砂土层中进行充气，气压由0缓慢升至30 kPa，保证试验装置顶部不发生抬动，并维持一段时间，达到平衡状态气体无法继续进入土体时，停止充气；然后灌注高渗透环氧浆材，在灌浆结束后7 d钻芯取样，检验灌浆效果，并与未加固原状土和第1组试验的芯样进行对比。

2.2 试验结果及分析

(1)对含水土层渗流的影响

对于第1组试验，灌浆结束时，渗流量尚无明显改观，随时间推移，化学浆液逐渐凝硬，渗流量逐渐减小，由最初的7.21 cm3/s降到了2.02 cm3/s。

第2组试验，在含水土层中进行充气时，初始阶段，土体渗流量有所增加，随着气体不断进入，渗流量逐渐减小，最终趋于稳定(图3)。

图3 渗流量随充气时间的变化关系图Fig.3 Relationship of seepage flow and air inflating time

这是因为在初始阶段，气体可驱替含水土层孔隙中自由水，原有渗流流速在气压作用下得到提高，故渗流量有所增加。随着土体孔隙逐渐被空气占领，充气区域土体变成了非饱和土，之前贯通的渗流通道(孔隙)被有压气体阻塞，达到平衡状态时，会形成了一定空气隔幕(图4)，降低了含水土层中的渗流流速及部分土体的含水率，为接下来的化学灌浆创造了有利环境。灌浆结束后，随浆液逐渐凝硬，最终渗流量降低至0.78 cm3/s。

图4 以气驱水技术效果示意图Fig.4 Diagram showing the effect of gas driven water

虽然通过化学灌浆可以降低含水土层的渗透性，但是如果先采用以气驱水工艺再进行灌浆，不仅效率更高，而且能达到更好的效果。

(2)对含水土层强度的影响

原状土是饱和的粉质砂土，难以得到完整芯样，由于化学浆材的作用，两组对比试验中均可取得较好的芯样。

在两组对比试验中均取6个芯样进行密度和无侧限抗压强度测试，如果6个芯样的最大或最小值与平均值之差超过了20%，则取中间4个芯样的平均值作为测试结果(表2)。

表2 不同芯样测试结果

由表2可知，由于化学浆液的入渗，土体的密度和无侧限抗压强度均得到提高，在空气隔幕的保护下，可得到更好的加固效果。

(3)对含水土层微观结构的影响

为了对试验结果做进一步分析，采用电子显微镜(SEM)对不同芯样进行扫描(放大20 000倍)，见图5。

图5 电镜扫描照片Fig.5 SEM photograph

由图5(a)、(b)可知，原状土是由许多松散颗粒组成，颗粒之间孔隙较多；纯环氧浆液结石体非常密实，呈整体结构。由图5(c)、(d)可知，灌浆后原状土的颗粒形状和微观结构均发生改变，第1组芯样的扫描照片中仍可见较多的孔隙，颗粒之间的连接性不如第2组芯样紧密；相比之下，第2组芯样微观结构较原状土已发生明显变化，这也是第2组试验效果更加理想的原因。