水泥浆液在黄土中注浆扩散的现场试验研究*

金 鑫，张松林，邱子涵 ，张 猛，屈永龙

(1.西安工业大学 建筑工程学院，西安 710021；2.天津运河城投资有限公司，天津 301722；3.长庆油田分公司 第二输油处，咸阳 712000)

在黄土工程沉陷病害治理、既有建构筑物地基加固等黄土地区路基加固等工程项目中，水泥浆注浆应用广泛，并且大量工程实例证明了其有效性。文献[1]研究了水泥及微量固化剂对黄土路基强度及水稳性的影响，并利用固化黄土微观形貌图对固化剂改善水泥稳定黄土的机理。文献[2]通过对不同配比的水泥改性黄土进行SEM细观结构测试和动三轴液化试验，研究了水泥改性黄土的液化特征。文献[3]对普通及超细水泥在黄土中的注浆效果进行对比分析。文献[4]研究了粉煤灰-水泥复合注浆材料最为湿陷性黄土地基注浆材料的可行性。然而以上采用水泥浆土体注浆加固研究工作仍主要集中于水泥浆液的可注性及注结石体加固效果评价两方面，对水泥浆在黄土体中的注浆扩散行为关注很少。然而在黄土地区水泥注浆工程中，浆液的扩散形式[5-8]不仅影响注浆加固体各项力学参数[9-11]的确定，而且也是后期加固工程注浆参数选取的重要依据。注浆扩散规律直接影响注浆工程量、注浆工期及注浆加固效果[12-13]。考虑水泥注浆工程的隐蔽性及黄土场地地质条件的特殊性[14-17]，黄土注浆工程的设计仍缺乏理论支持，工程实践基本上按照工程技术人员的经验进行，由于尚缺乏黄土工程水泥注浆浆液扩散特征、注浆量随时间的变化规律、注浆半径评判方法的实际情况，黄土地区水泥注浆工程设计存在一定的盲目性，难以满足注浆工程对经济性、时效性、准确性的要求，探索并分析水泥注浆在黄土中的扩散规律非常必要。

本文以陕西省富平县王廖镇的原状和重塑黄土场地为受注介质，采用现场水泥注浆试验，完善了水泥注浆技术同时，对黄土中水泥注浆浆液扩散特征，注浆压力、浆液扩散半径及注浆量随注浆时间的变化规律进行了分析，为相似水泥注浆黄土加固工程提供科学借鉴。

1 现场试验

1.1 注浆场地

现场试验场地位于陕西省富平县王廖镇，在注浆孔深度范围内(h=3×103mm)，黄土的物理性质详见表1。

表1 现场原状土样物理性质

1.2 注浆材料

现场注浆试验注浆材料选用地基加固作业中广泛使用的普通硅酸盐水泥，试验中按比例称取的水泥和水，在注浆前须不断在搅拌机中搅拌均匀，避免水泥浆离析现象的发生。现场试验注浆用水泥浆液的主要物理参数见表2。

表2 水泥浆主要技术参数

1.3 现场注浆设备及试验方案

现场试验注浆设备为保证注浆过程的连续性，其工作时由空气压缩机提供注浆压力，连续恒定的高压空气进入储浆罐压缩浆液，经由高压注浆管进入地层完成注浆。注浆系统布置如图1所示。

图1 水泥注浆系统示意图

在原状黄土注浆试验场地，利用螺旋钻在定点处钻孔，孔底距离地面为3×103mm，成孔直径为1×102mm，成孔过程保证垂直度并清理孔底浮土，原状黄土水泥注浆试验孔设置数量为7个。

重塑黄土现场成孔情况如图2所示，在重塑黄土注浆试验点，以注浆点为圆心进行成孔，成孔半径为6×102mm，深度为3×103mm。人工挖孔完成后，将挖孔取出的黄土过筛，去除杂物，测定其含水量。设定重塑黄土含水量ω=15.0%，孔隙比e=1.1。为保证重塑黄土回填的均匀性，沿土样深度方向共分15层进行填筑，每层2×102mm，制样时根据目标孔隙比及含水量计算每层黄土料的质量，采用相同击实能量分层夯实，每层击实到目标高度后均匀拉毛再击实下一层。成孔工作完成后进行注浆管的固定填埋工作，采用前述所制注浆管。

图2 重塑黄土场地人工成孔

注浆试验中为保证浆液压力在地层中的均匀扩散，注浆管在底端以上1.5×103mm范围内为空腔，将注浆管竖直放入孔洞中心，将土工纤维与树脂混合物放入孔内捣实，地面上预留3×102mm的立管，以便连接高压注浆管注浆管，并设置木质盘根，在下方1.5×103mm的范围内形成空腔。注浆过程压力较大，为避免浆液在压力作用下沿注浆孔溢出，在土工纤维与树脂混合物上层均匀灌入水灰比为1∶1的水泥浆并振捣密实，使密封水泥浆与孔壁严密接触，保证注浆孔的密封性能。封孔水泥浆凝固以后即可进行注浆试验。注浆管掩埋及密封完成后的注浆孔如图3所示。

图3 注浆管掩埋及注浆孔密封

原状及重塑黄土中，现场水泥单液注浆试验方案见表3。

表3 黄土场地水泥注浆试验方案

注浆完成并在养护一周之后，进行结石体的开挖，由于注浆试验点较多，且埋藏深度较大，先采用挖掘机进行上部土体的开挖，当接近结石体时改用人工挖掘。挖掘原则是显露结石体的大部分，挖掘深度为3×103mm左右。在挖掘过程中要做好结石体的几何尺寸等数据的记录，对结石体进行编号，同时观察浆液在黄土中的扩散形式。

2 现场注浆试验结果分析

2.1 水泥浆液结石体特征

根据现场开挖及观察可得：

1) 对于原状黄土和重塑黄土，水泥浆液注浆完成后，均形成明显的加固体，加固体自注浆孔向外延伸呈脉板状(图4)，符合劈裂注浆特征，说明水泥浆液的在黄土中的扩散形式主要是劈裂注浆。主要是应为黄土中粒径为0.05～0.01 mm的粉粒含量最高，占比达50%～60%，普通水泥颗粒粒径主要分布范围在0～0.1 mm之间，与黄土颗粒相差不大，因此水泥浆液不易在黄土中发生渗透扩散。

图4 黄土中水泥注浆浆脉

2) 注浆结石体呈脉状分布，其断裂形态如图5所示，结石体脉板是水泥浆凝固而成，不是水泥浆液与黄土混合的加固体，脉板内未见黄土混入。加固体呈现水泥浆的青灰色，与黄土颜色对比强烈。注浆孔劈裂之前被水泥浆液挤压发生扩张，注浆完成后，孔中滞留的水泥浆液凝固成水泥柱，如图4所示的中央柱状体。经观测可知，水泥柱的直径略大于注浆孔直径。注浆孔在水泥浆液压力作用下扩张到一定程度发生劈裂扩散，以注浆孔为中心水泥浆脉有一条较大的浆脉和一条相对较小的浆脉。大浆脉扩散范围较大，为主裂缝。小浆脉扩散距离较小，为次裂缝。

3) 无论是原状黄土还是重塑黄土，在注浆劈裂-裂缝周围，黄土与水泥浆未发生混溶，浆-土界面明显。在原状黄土中，水泥浆脉板与黄土分界面接近于平面，界面较平整，如图5(a)所示。在重塑黄土中，水泥浆脉板与黄土分界面有许多突进土体的小裂缝，小裂缝长度较小，分叉较多，如图5(b)所示。

图5 黄土中水泥浆脉断裂形态

2.2 原状黄土中水泥注浆分析

对7个原状黄土注浆孔分别进行不同注浆压力下的水泥浆现场注浆试验，注浆试验结果记录见表4。试验发现，保持注浆压力恒定条件下，随着注浆时间的增加，注浆量逐渐增大，记录得到的注浆量随时间的变化如图6所示。

表4 原状黄土现场注浆试验结果

图6 原状黄土中水泥浆注浆量与时间的关系

1) 在一定压力下，浆液注入量随时间大致呈线性增长，但当注浆时间t达到一定值t0后，注浆量趋于稳定，不再随时间增加(无法注入)。这一时间界限值t0的存在非常明显，当t小于t0时注浆量随时间线性增长，当t达到t0后注浆量增加值迅速减小并趋于稳定。并且，在一定范围内有效注浆时间t0随注浆压力p的增大而增大。因此为便于后续试验结果于分析，将这一注浆时间界限值t0定义有效注浆时间。

2) 注浆完成后，开挖并实测水泥浆脉板宽度(水泥浆自注浆孔中心向外的扩散半径r)，浆液扩散半径随注浆压力的增大而增大。水泥浆液在0.55 MPa时扩散半径有较大增长，土体在较大压力作用下大裂缝发展较快，注浆压力大于0.55 MPa以后半径增长趋于平缓。注浆初期水泥浆液扩散半径随注浆压力扩展的主要原因是黄土体中注浆压力增大致使孔隙压力无法利用土体渗透使其及时消散，此时高压水泥浆在黄土中产生劈裂通道，浆液沿裂缝扩展同时沿垂直于裂缝壁方向发生渗透，当劈裂裂缝产生后，注浆压力可沿裂缝及时消散，使注浆扩散半径增长速率趋于平缓。

3) 图6中各条曲线在t0之前的斜率代表注浆速率，随着压力的增长斜率呈增加趋势，即注浆速率随着压力的增大而增大。水泥浆液在原状黄土中为劈裂扩散，在0.15 MPa、0.25 MPa、0.35 MPa压力下注浆速率随着压力的增大而有明显增大。特别是压力从0.25 MPa增大至0.35 MPa时注浆速率增长明显，发生该现象的原因，可归结为当注浆压力达到0.35 MPa时使原状黄土劈裂裂缝快速扩展，裂缝产生以后沿裂缝形成新的渗透通道，注浆速率增大。当压力超过0.35 MPa后，注浆速率随着压力的增长速率逐渐减小。

2.3 重塑黄土中水泥注浆分析

为进一步探究水泥浆液在黄土中的劈裂特征，消除原状黄土中天然缺陷对注浆扩散形式的影响，对5个重塑黄土注浆孔分别进行水泥注浆试验，试验结果见表5及图7所示。

表5 重塑黄土现场注浆试验结果

图7 重塑黄土中水泥浆注浆量与时间的关系

1) 重塑黄土注浆试验规律与原状黄土相同，但在一定压力下，浆液注入量随时间大致呈线性增长。注浆时间t达到有效注浆时间t0后，注浆量趋于稳定。有效注浆时间随注浆压力的增大而增大。

2) 水泥浆液在重塑黄土中仍以劈裂扩散为主，在0.15 MPa压力下注浆速率较小，是因为黄土中裂缝发展较小。当压力达到0.25 MPa时注浆速率增长明显，产生这一现象的原因，可归结为压力达到0.25 MPa时使重塑黄土劈裂裂缝快速扩展，裂缝产生以后沿裂缝形成新的渗透通道，注浆速率增大。当压力从0.35 MPa增大到0.45 MPa时注浆速率有明显增长，说明压力达到0.45 MPa时重塑黄土劈裂裂缝又出现了快速扩展。

3) 相同压力条件下水泥浆在原状黄土中半径大于重塑黄土中的值，这是因为水泥浆液主要为劈裂扩散，原状黄土中有天然存在的大孔隙及竖向的节理形成的薄弱面利于劈裂及浆液的扩散，而重塑黄土土粒混合均匀，力学性质均匀，不利于形成平滑贯通的大裂缝。由现场挖掘的结石体可以观察到，原状土中水泥浆液形成的裂缝较平滑，多在一个平面，重塑黄土中的水泥浆裂缝沿主浆脉有较多的分支浆脉，裂缝平面不明显。

2.4 水泥浆液扩散半径、注浆量与注浆压力的关系

根据表4～5中水泥浆液在黄土中扩散半径的实测结果，得到黄土中水泥浆注浆半径与注浆压力的关系如图8所示。

图8 水泥浆扩散半径与注浆压力的关系

根据图8可以看出，注浆半径随着注浆压力的提高而增加。在注浆压力相同条件下，水泥浆在原状黄土中的扩散半径略大于重塑黄土，因为水泥浆液主要为劈裂扩散，原状黄土中有天然存在的大孔隙及竖向的节理形成天然的薄弱面利于劈裂及浆液的扩散，而重塑黄土土粒混合均匀，力学性质均匀不利于形成平滑贯通的大裂缝。由现场挖掘的结石体可以观察到，原状土中水泥浆液形成的裂缝较平滑，多在一个平面，重塑黄土中的水泥浆裂缝沿主浆脉有较多的小支脉，裂缝平面不明显。

为便于应用，将原状黄土和重塑黄土水泥浆液扩散半径数据进行归一化处理。图8中水泥浆液扩散半径与注浆压力近似于线性关系，经线性回归，得到水泥浆液扩散半径r与注浆压力p的关系式为

r=0.75p+0.04,

(1)

式中:r为水泥浆液的扩散半径(m)；p为注浆压力(MPa)。

现场试验过程发现，当注浆时间达到有效注浆时间后，注浆量趋于稳定值，并且注浆量随注浆压力的变化而变化，根据表4～5记录现场注浆量，得到原状黄土与重塑黄土水泥浆液注浆量与注浆压力的关系如图9所示。

图9 注浆量与注浆压力的关系

图9中随着注浆压力的提高，在两种土体中的注浆量都在增加。将原状黄土和重塑黄土水泥浆液注浆量数据进行归一化处理，得到黄土中水泥浆液注浆量m0与注浆压力p的关系式为

m0=495.89p-26，

(2)

其中m0为水泥浆液有效注浆量(kg)。

2.5 水泥注浆有效注浆时间分析

基于表2、表3有效注浆时间数值，图10给出了原状黄土与重塑黄土中水泥浆液有效注浆时间与注浆压力的关系。

图10 水泥浆液在原状与重塑黄土中有效注浆时间与注浆压力的关系

如图10所示，有效注浆时间随着注浆压力的提高而增加。比较原状黄土和重塑黄土的水泥浆液有效注浆时间数据，可以发现，原状土体中水泥有效注浆时间在各个注浆压力下均高于重塑土。原状黄土中存在的天然薄弱层，浆液通道多于重塑黄土，因此在相同压力之下，虽然注浆扩散半径和注浆量差异不大，但注浆速率差异较大，导致水泥浆液在原状黄土的有效注浆时间大于重塑黄土。根据有效注浆时间t0随注浆压力p的变化特征，分别对其进行线性回归，得到水玻璃有效注浆时间数据t0与注浆压力p的关系式。

(3)

式中:t0为水泥浆有效注浆时间(s)；p为注浆压力(MPa)。

将式(1),式(2)代入式(3)中，得到原状及重塑黄土中有效注浆时间t0与水泥浆液扩散半径r和水泥注浆量m0的相关关系为

(4)

(5)

在黄土地区若采用单液水泥浆进行注浆加固工程时，根据所需加固范围(扩散半径r)，利用式(4)计算得到有效注浆时间t0，根据相应t0按照式(3)及式(5)可快速确定相应条件下的有效注浆压力及注浆量，为实现黄土地区水泥注浆加固工程的快速设计分析奠定基础。

3 结 论

1) 水泥浆液在黄土中以劈裂的形式进行扩散，结石体自注浆孔向外延伸呈脉板状。

2) 在一定注浆压力下，注浆量随时间近似呈线性增长，当注浆时间达到有效注浆时间后，注浆量趋于稳定。原状和重塑黄土中注浆速率差异较大，水泥浆液在原状黄土的有效注浆时间大于重塑黄土。

3) 相同注浆压力条件下水泥浆在原状黄土中半径大于重塑黄土中的值。原状土体中水泥有效注浆时间在各个注浆压力下均高于重塑土。

4) 根据黄土地区水泥注浆加固工程的所需加固范围，可计算得到相应有效注浆时间，并可快速确定相应条件下水泥注浆有效注浆压力及注浆量。

5) 本文现场试验用黄土场地较为单一，不同黄土地区中水泥注浆的扩散特点、注浆压力及有效注浆时间等的变化规律是否具有相同的特性，须在今后的试验中不断进行探究与验证。