单裂隙注浆填充电阻演化规律的试验研究

2019-10-18王海龙党志琴徐志强齐文彬

铁道建筑 2019年9期

王海龙，党志琴，徐志强，刘冬，齐文彬

（河北建筑工程学院土木工程学院，河北张家口 075000）

目前越来越多的隧道工程经过断层破碎带，破碎带中裂隙分布的广泛性，对隧道施工影响很大。近50年来，有关浆液在裂隙中的填充已经成为隧道工程的一个重要课题［1-3］。研究注浆填充理论的方法之一是室内模拟试验。由于不可控制因素过多，试验结果离散性较大，因此裂隙室内注浆试验主要集中在单裂隙模拟试验上。

比较成功的是奥地利学者进行的单裂隙模拟试验，用混凝土浇筑成2 m×1 m×1 m的模型，经过特殊的劈裂形成裂隙，对其注浆，最终建立注浆流量、注浆压力和扩散距离三者之间的关系［4］。该模型采用混凝土制作，其吸水率跟实际差别很大，且忽略了现实中大多数不规则的裂隙，具有随机性，可以用分形维数近似表示裂隙的几何形态［5］。刘人太等［6］考虑动水条件下，速凝浆液在单一裂隙中的扩散模拟试验，分析了浆液扩散形态、浆液压力场变化规律及留存率等规律。李术才等［7］考虑浆液时变性，通过平板模拟试验，分析了定注浆流量条件下，水泥-水玻璃浆液的扩散规律。孙子正等［8］通过单裂隙模拟试验，研究了静水条件下，注浆压力与扩散分布规律。罗平平等［9］针对倾斜单裂隙进行了研究。张改玲等［10］对化学浆液在单一裂隙中的扩散进行了研究，分析了堵水效果与动水流速成负相关关系。而这些研究模型大多数采用平直、光滑、不透水的边界条件，但是现实中隧道破碎带注浆裂隙的特点是不规则、含杂质、透水性很大。室内试验模拟过于理想化，难以对隧道断层破碎带注浆提供合理的指导。

断裂层破碎带多为沉积岩，含砂质、填充物、吸水率大是其比较普遍的特点［11］。本文针对隧道断层破碎带粗糙、透水的边界条件，采用黄砂岩制成单裂隙模拟材料与实际较为相符。以此研究注浆的填充规律，为隧道施工中破碎带注浆提供一定的参考。

1 材料和方法

1.1 试验原理

1）控制主要因素、忽略微小因素。沿长度方向对单裂隙注浆，压力因能量转换，沿长度方向必然下降。而单裂隙是由黄砂岩试块通过PVC（Polyvinyl chloride，聚氯乙烯）圆管链接而成，因PVC 管的光滑程度要远远大于劈开黄砂岩表面的光滑程度，并且黄砂岩裂隙表面渗透系数很大，而PVC 管几乎无渗透。所以忽略PVC 管的压力损失，单裂隙长度仅与黄砂岩试块有关。

2）相似性原理。黄砂岩是沉积岩的一种，强度低，吸水率高。黄砂岩由细颗粒的砂子结交而成，自然表面是粗糙的细颗粒状。内部有许多孔洞，质地疏松、孔洞容易积水、抗冻融性能和耐候性都较差，容易断裂、破碎。因网络裂隙过于复杂，研究注浆往往从单裂隙入手，而从实际断层破碎带中取单裂隙模型研究显然不可能。为此，需要选取一种相对具有代表断层破碎带岩体性质的岩石来进行模拟试验。经过对比分析，选取黄砂岩作为单裂隙模拟材料。

1.2 试验设计

1.2.1 单裂隙模型设计

单裂隙由12块黄砂岩样组成，每块黄砂岩长度为12 cm，将黄砂岩用一定的方法制成相应开度的裂隙，黄砂岩与黄砂岩之间采用直径6 cm 的PVC 管连接。忽略连接管中的能量损失，单裂隙总长度为144 cm。裂隙入口布置压力表，检测初始注浆压力，每隔24 cm布置压力表，检测沿裂隙长度方向压力的变化，压力表量程0.6 MPa；万用表从第2 块试块开始布置，每隔24 cm 布置1 块，检测沿裂隙长度方向电阻的变化，万用表量程为200 Ω 到200 MΩ。单裂隙试验设计模型如图1所示。

图1 单裂隙试验设计模型示意

试块模型制作流程：①将黄砂岩用WHY-2000 压力试验机劈开；②用AB 胶将垫片（100 mm×3 mm×3 mm）粘成试验裂隙要求的开度，放置30 min；③将2条同厚度的垫片用AB 胶粘在劈开的岩石上，垫片与垫片的距离为15 mm，放置30 min；④把另一块岩石用AB 胶与其粘在一起，放置30 min；⑤注浆管及导线按照试验设计安置在岩石裂隙端部，用封口胶对试块进行封边，放置24 h。

组装步骤：首先在亚格力板上均匀铺设一定厚度的土；再将12 块试块铺在土层上面，试块与试块之间需要安装压力表的用三通连接，不安装压力表的用二通连接；然后在试块周围覆一定厚度的土并压实、压平；最后用螺丝将模型上下两侧及四周进行固定，组装如图2所示。

图2 组装示意

1.2.2 注浆试验装置设计

注浆试验装置主要由注浆系统、扩散检测系统、裂隙系统和排气系统4部分构成。注浆系统由注浆机和稳压管组成，注浆机最大注浆压力为3.0 MPa；稳压管采用抗测压20.0 MPa，直径12 mm 的天然气管。扩散检测系统主要由压力表和万用表组成。裂隙系统主要由12块劈裂的黄砂岩构成。排气系统，主要是排气阀部分，利于空气的排放并防止浆液溢出。注浆试验装置见图3。

图3 注浆试验装置

1.2.3 注浆材料设计

试验注浆材料采用水灰比1∶1的水泥浆液。水泥为32.5R 的普通硅酸盐水泥，符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》要求，应用范围广泛。根据文献［12］水灰比1：1的水泥浆液为宾汉流体。

1.2.4 试验内容

1）浆液电阻试验。在距离、体积、温度、时间等相同条件下，测定固定容器中不同水灰比浆液的电阻。

2）注浆试验。调整注浆压力，当压力稳定到0.2 MPa时，打开注浆开关开始记录不同时间的电阻和压力。当排气阀有浆液流出时，关闭阀门。注浆过程中控制初始压力恒定。注浆3 min，数据监测10 min。

2 结果与讨论

2.1 电阻与水灰比的关系

在同一组浆液电阻试验中，电阻随时间的推移而增大；前期数值变化较快，注浆3 min 时数值相对稳定。其原因是浆液中颗粒的吸附与凝聚作用由快到慢，水泥沉积，水灰比变小，浆液变稠，离子数目减少，相应的电阻变大。注浆3 min 后离子数目相对稳定，电阻变化缓慢，所以采用注浆3 min 的电阻作为注浆试验的主要参考。

注浆3 min时不同水灰比水泥浆液电阻曲线见图4。可知，随着水灰比的增大，电阻逐渐变小。浆液的电阻与导线之间的距离、浆液体积、稠度等多个因素有关，尽管所测的电阻曲线不能说明某个水灰比浆液的具体电阻，但是同等条件下测量不同水灰比浆液的电阻曲线却能说明电阻随着水灰比的增大有减小的趋势，即电阻与水灰比负相关，说明水灰比沿长度方向逐渐减小。同一组试验中，电阻随时间的增加而不断变大也进一步证明了这个关系。

图4 注浆3 min时不同水灰比水泥浆液电阻曲线

2.2 单裂隙填充电阻演化过程

通过万用表检测注浆60，180，300，420 s的电阻并绘制曲线，见图5。

图5 不同时间电阻随位置的变化曲线

由图5可知：注浆180 s 时电阻沿单裂隙长度方向先逐渐增大，由1 040 kΩ 增加到1 500 kΩ。在扩散距离60 cm 处出现电阻最大值，说明此处水灰比最小，浆液最稠。随后电阻沿着长度方向急剧下降，在扩散距离70～90 cm 之间减幅很大，近似成直线型急剧减小，由1 500 kΩ 降低到80 kΩ，扩散距离95 cm的位置出现电阻最小值，说明此处相应的水灰比最大，浆液最稀。从扩散距离100 cm 开始，电阻再次沿长度方向增大，但第2次电阻上升的幅度远远小于第1次电阻上升的幅度，由80 kΩ 上升到720 kΩ，说明水灰比小幅度降低。注浆60，300，420 s时电阻曲线都有类似的规律。注浆过程中，水灰比的变化即浆液的稠度明显与注浆位置有关。

综上所述，从注浆起始位置到100 cm，电阻的大小关系为注浆60 s<注浆180 s<注浆300 s<注浆420 s。末端的电阻，大小关系不明确。原因是：测量电阻的导线布置在试块底面；随着时间的增加，水泥浆液持续沉积，底部的水灰比越来越小，所以检测到的电阻随着时间的增加越来越大。末端水灰比较大，水灰比变化的主要原因是黄砂岩的吸水作用，当吸水饱和时，电阻变化相对较小。总体来说裂隙中浆液水灰比的变化与时间负相关。

2.3 裂隙填充截面饱和度分析

注浆结束后放置7 d，等水泥浆液硬化产生一定强度后，对模型中检测电阻的黄砂岩试块从中间切割，观察裂隙截面填充效果。裂隙在长度18，42，66 cm 截面处填充效果较好，90，114，138 cm 截面处能明显看到孔隙，其中90 cm 截面处空隙最大。沿扩散方向电阻检测位置的裂隙断面见图6。

图6 沿扩散方向电阻检测位置的裂隙断面图

不同位置截面及孔隙面积见表1。截面饱和度=1-孔隙面积/截面面积。可知：截面饱和度的变化与距离有关，从起始位置到延长70 cm，截面饱和度逐渐升高，孔隙率较小，平均饱和度93.26%；从延长70 cm 到90 cm，截面饱和度急剧降低，饱和度降到63.78%，相对前段降低29.48%。从延长95 cm 到144 cm，饱和度缓慢增大，平均饱和度78.13%，相对首段降低15.13%。

表1 不同位置截面及孔隙面积

截面饱和度与检测到的电阻数据变化趋势基本一致，电阻较大的位置裂隙注浆基本饱和，电阻较小的位置注浆饱和度较差，见图7。

图7 电阻与饱和度对比

2.4 注浆过程中水泥沉积规律的讨论

根据流体力学理论，在注浆压力、裂隙开度及浆液水灰比一定时，浆液在裂隙中流动的速度与扩散距离成反比。随着浆液扩散距离的增大，水泥浆液流速减小，水泥颗粒的动能降低，导致水泥颗粒在某一位置必然发生沉积。在重力作用下，沉积速度增加，这是沉积发生的力学原因。水泥颗粒之间由于吸附、凝聚作用形成小团体，加快了沉积过程，这是沉积发生的化学原因。裂隙模型由黄砂岩制成，黄砂岩吸水率很大，这是沉积发生的物理原因。注浆过程中，水泥颗粒不断沉积，形成“脊背”［13］。裂隙的有效高度不断被缩小，试验过程中，因注浆压力保持不变，有效高度缩小后进浆率减小，浆液的流动速度随之变小，导致在扩散距离更近的位置形成“脊背”，随着注浆的进行，裂隙被逐渐填满。“脊背”大大缩小了裂隙的有效高度，但稀浆液会从脊背上部未被填充的空隙中流过，致使“脊背”后方浆液的水灰比很大，出现密实度急剧降低的填充段。稀浆液会继续沿长度方向扩散，稀浆液中的水部分被黄砂岩吸收，浆液水灰比再次变小，浓度逐渐变大，填充也逐渐密实，形成后一段的填充。此阶段的填充密实度要远远小于第1阶段的密实度，注浆充填过程示意见图8。