自膨胀高聚物在土体中扩散机理研究

石明生 杨淑琪 王利超 刘恒

摘 要：高聚物注漿材料已被广泛应用于土质堤坝防渗加固中，但对其在土体中的扩散机理仍然缺乏深入的认识。通过钻孔内注浆的方式进行了模型试验和现场试验，深入研究了高聚物注浆材料在土体中的扩散规律。试验结果表明：高聚物注浆材料在土体中会沿垂直于注浆孔侧壁的方向进行片状劈裂扩散，并对浆液周围的土体有挤密和渗透胶结的作用;高聚物的扩散面积随着注浆量的增加而增加，随着土体密度的增大而减小。

关键词：扩散规律;高聚物;注浆材料;试验研究

中图分类号：TV41

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.09.030

引用格式：石明生，杨淑琪，王利超，等.自膨胀高聚物在土体中扩散机理研究[J].人民黄河，2021，43（9）：156-159，164.

Study on Diffusion Mechanism of Polymer Grouting Materials in Soil

SHI Mingsheng1， YANG Shuqi2， WANG Lichao3， LIU Heng4

（1.School of Water Conservancy and Environment， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China;

2.School of Architectural Design and Engineering， Hebi Polytechnic， Hebi 458000， China;

3.Henan Provincial Communications Planning & Design Institute Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China;

4.School of Civil and Transportation Engineering， Henan University of  Urban Construction， Pingdingshan 467036， China）

Abstract： Polymer grouting materials have been widely used in soil dams for seepage prevention and reinforcement， but their diffusion mechanism in soil still lacks in-depth understanding. In this paper， the model test and field test were carried out by grouting in the borehole， and the diffusion law of polymer grouting material in the soil was studied in depth. The test results show that the polymer grouting material will spread in the direction perpendicular to the side wall of the grouting hole in the soil， and it will have the effect of compacting and penetrating the cement around the slurry; The diffusion area of the material increases with the increase of the grouting amount and decreases with the increase of the soil density.

Key words： diffusion laws; polymer; grouting materials; experimental study

1 引 言

我国土质堤坝历史悠久，地质条件复杂，安全隐患较多，渗水是其主要病害之一，因此堤坝防渗加固技术一直是研究的热点。工程中常用的防渗技术有高压喷射灌浆、帷幕灌浆、混凝土防渗墙、劈裂灌浆等，这些技术都存在施工周期长、对坝体扰动大、防渗体与原材料结合不够紧密以及施工占地面积大等缺点。

高聚物注浆技术是在20世纪70年代发展起来的一种基础工程快速维修防渗加固技术，主要应用于建筑物的地基加固、沉降抬升、混凝土面板脱空、高速公路快速修复等方面。该技术是将一定配比的高聚物注浆材料通过注浆管注入地基，待高聚物注浆材料发生化学反应后迅速膨胀固化，达到填充、防渗及加固的目的。非水反应高聚物注浆材料属于化学灌浆材料，相较于传统的注浆材料，其反应速度快、无须养生即可在几秒内迅速膨胀，具有良好的耐化学腐蚀性及抗渗性能且不会与水发生反应，能在各种不利环境条件下保证长期的稳定性 [1] ，因此高聚物注浆技术在堤坝防渗修复方面同样得到了一定的应用。

注浆材料在土体中的扩散规律是工程应用的理论基础，目前国内外对于化学灌浆材料扩散机理的研究大多以水泥类注浆材料为主，主要是在渗透灌浆理论和劈裂灌浆理论两个方面进行研究[2-4]。高聚物注浆材料在土体中扩散时最初为随时间变化的宾汉姆流体，之后迅速反应膨胀填充挤密土体，这就导致了高聚物注浆材料在土体中的扩散方式不符合上述扩散理论。

李晓龙等[5]以计算流体动力学理论为基础建立了高聚物浆液在二维裂隙中的流动扩散模型，研究了高聚物注浆材料在岩体裂隙中的扩散机制;王复明等从数值分析与试验方法两个角度研究了高聚物注浆材料在预制狭长窄槽中的扩散机理[6]，并在此基础上研发了高聚物柔性防渗墙技术，采用该技术可以形成一道连续的防渗墙，达到堤坝防渗加固的目的[7-8]。然而目前针对高聚物注浆材料在土体中的扩散规律方面的研究还不够深入[9-13]，一方面是岩体裂隙与土体介质相差甚远，另一方面是目前的研究只考虑了注浆压力对高聚物在土体中扩散的影响，而忽略了同样重要的高聚物注浆量、土体密度等因素，因此全面研究高聚物注浆材料在土体中的扩散规律具有重要的理论意义和实用价值。虽然有关学者采用数值模拟的方式对高聚物在土体中的定向扩散进行了研究[14]，但缺少试验验证，因此笔者从试验角度出发，研究了高聚物注浆材料在土体中的扩散方式以及高聚物扩散面积与高聚物注浆量、土体密度的关系，借此对高聚物注浆材料在土体中的扩散规律进行了研究，并对实际工程应用情况进行了分析。

2 高聚物注漿试验

2.1 非水反应高聚物

试验采用的高聚物注浆材料为非水反应类的多元醇和异氰酸酯两种高聚物材料，两者的配比为1∶1，可以在注浆设备中进行雾化并充分融合后迅速发生反应。

2.2 试验方法

2.2.1 钻孔方式

试验采用的方法为钻孔注浆法，首先在预定点打孔，在孔内放入注浆管，高聚物注浆材料在注浆压力的作用下通过注浆管到达预定的注浆位置。本次试验设计的注浆孔直径为3.7 cm，孔深为130 cm。为了保证浆液在注浆孔内膨胀，在距地面30 cm处设置封孔点，利用布袋内注浆方法封孔，注浆方法如图1所示。

2.2.2 注浆方案

模型注浆试验方法：在试验场内开挖一长、宽、深分别为200、60、130 cm的试验槽，然后回填不同密度的土体进行试验，试验槽模型如图2所示。土体密度设定为1.43、1.61、1.71 g/cm3，每种密度土体中注入不同质量浆液，经过前期预注浆试验，确定每种密度下浆液质量梯度为500、750、1 000、1 250、1 500、1 750、2 000、2 250 g。

模型注浆试验选取的土体为郑州地区较为常见的粉土，根据室内土工试验，其物理力学性质指标见表1。

模型注浆试验结束后，对注浆孔进行了现场开挖，以观察注浆效果，由扩散高度和平均扩散长度来计算高聚物的扩散面积。

3 试验结果与分析

3.1 扩散面积与注浆量的关系

图3为扩散面积与注浆量的关系，可以看出高聚物的扩散面积随着注浆量的增多而增大。注浆开始后，浆液的膨胀力随着注浆量的增加而逐渐增大，当增大到一定值时，超过土体抗拉强度，土体发生劈裂裂缝，浆液浸入裂缝，并沿裂缝扩散。高聚物的注入会逐渐挤密土体，提供更大的围压，导致膨胀力进一步增大，但挤密后土体的抗拉强度增大，当膨胀力小于土体抗拉强度时，不会继续产生劈裂。当注浆量刚刚多于产生裂缝的注浆量时，随着反应的进行膨胀力会迅速小于土体的抗拉强度，扩散停止。随着注浆量的增加，膨胀力的减小速度变缓，扩散面积增大。

3.2 扩散面积与土体密度的关系

图4为扩散面积与土体密度的关系，可以看出高聚物的扩散面积随着土体密度的增大而减小，在不同的注浆量条件下，高聚物的扩散面积与土体密度呈线性关系，高聚物的扩散面积由注浆量和土体密度决定。

在同样的含水率情况下，土体的密度越小，其孔隙率就越大，高聚物劈裂土体以及扩散时所消耗的能量就越小，因此在同样的注浆量前提下，土体密度越小，扩散面积越大，高聚物注浆材料的扩散面积随着土体密度的增大而减小。土体密度与注浆量是影响高聚物扩散面积的重要因素，在应用中需要根据实际情况选择不同的参数。

3.3 高聚物在土体中的扩散方式

高聚物浆液凝固后的凝固体为薄片状，在注浆孔的两边出现了两个扩散方向，并且其扩散角度不确定，并不都是沿小主应力作用面方向扩散，而且其扩散长度不相同，如图5所示;高聚物凝固体的最大高度基本与注浆孔有效高度一致，厚度则随着距注浆孔的距离增大而减小，形成片状楔形结构，最厚的地方约为2.5 cm，最薄的地方约为 0.8 cm，如图6（a）所示;高聚物浆液在土体中扩散时不能透过细小孔隙，在注浆压力及膨胀力的作用下会挤压浆液周围的土体，并对周围土体产生渗透胶结作用，与周围土体紧密结合，如图6（b）所示。

从高聚物的注浆工艺及现场注浆试验开挖观察结果分析，两种浆液首先在注浆枪内混合，注浆开始后，高聚物浆液发生反应并快速膨胀充满注浆孔，在周围土体的约束下产生越来越大的膨胀力，在注浆压力以及膨胀力的作用下，快速挤压周围土体。当膨胀力足够大时，注浆孔周围的土体会被劈裂进而出现裂缝。由于土体并非理想的均质各向同性体，所以劈裂缝的方向并不都是沿小主应力作用面方向，而且有时还不对称。浆液会浸入裂缝，并在膨胀力的作用下继续流动。随着反应的进行，高聚物继续扩散，最后在土层中形成高聚物片状楔形体。浆液的扩散过程如图7所示。

高聚物浆液的扩散与土体的抗拉强度及高聚物的膨胀力有关，浆液的扩散过程遵循圆孔扩张理论，注浆孔的受力情况如图8所示，注浆孔孔壁的土体抗拉强度σt与水平方向的主应力σ2、σ3和膨胀力P的关系为

σt=（σ2+σ3-P）-2（σ2-σ3）cos 2θ（1）

当θ=0时，抗拉强度σt最小，即

σt=3σ3-σ2-P（2）

当P>3σ3-σ2时，σt<0，此时开始出现拉应力;当P>3σ3-σ2+σt时，在注浆孔孔壁上产生裂缝，即起劈膨胀力Pc[4]为

Pc=3σ3-σ2+σt （3）

当高聚物膨胀力大于Pc时，高聚物浆液沿着注浆孔侧壁垂直劈裂土体，并浸入裂缝继续扩展，最后形成的凝固体为片状楔形体，视为片状劈裂扩散。因此，高

聚物注浆材料在土体中的扩散方式为片状劈裂扩散，能够在垂直于注浆孔侧壁的某一方向形成片状楔形体，并且在楔形体与土体的接触面上形成浆土胶结体。

4 工程应用

根据模型试验得到的高聚物注浆材料在土体中的扩散方式以及高聚物扩散面积与注浆量、土体密度的关系，进行高聚物注浆现场试验。

4.1 注浆方案

现场试验场地为驻马店市某水库的一段均质堤坝，地面以下3 m深度范围内均为重粉质壤土，土层的物理力学性质指标见表2。

现场共设计6个注浆孔，孔间距为1 m，每个注浆孔注入不同的注浆量，分别为2 000、3 000、4 000、5 000、6 000、7 000 g。

4.2 注浆效果

整个注浆过程没有发生跑浆、漏浆等事故，注浆完成后对注浆孔进行了开挖观察，发现高聚物凝固体呈薄片状楔形体，注浆孔附近的厚度最大，扩散方式为片状劈裂扩散，见图9。高聚物沿着注浆孔的两边劈裂土体，其扩散方向并不都是沿小主应力作用面方向扩散，扩散长度随着注浆量的增加而增大。因此，在工程应用中高聚物的扩散方式及凝结形态与模型注浆得出的结论基本一致，且经过高聚物注浆修复后的堤坝具有良好的抗渗性。

5 结 论

在模型注浆试验的基础上，研究了高聚物注浆材料在土体中的扩散方式以及高聚物扩散面积与高聚物注浆量、土体密度的关系，并进行了堤坝防渗工程应用，结果表明：

（1）高聚物凝固体扩散面积由注浆量和土体密度决定，随着土体密度的增大而减小，随着注浆量的增多而增大。

（2）高聚物注浆材料在土体中先挤压注浆孔，在膨胀力达到3σ3-σ2+σt之后劈裂土体，并在劈裂缝中以片状劈裂扩散的方式进行扩散，其劈裂方向为与侧壁竖向垂直的任意方向，并且形成的两个劈裂缝不一定对称，两个劈裂缝的扩散长度也不一定相同。

（3）高聚物固化后会形成中间厚、边缘薄的楔形体，同时由于注浆过程中高聚物浆液会挤压周围土体，在渗透胶结的作用下，凝固后的高聚物楔形体会在与土体的接触面上形成浆土胶结体。

（4）通过工程应用发现，高聚物注浆材料不能实现渗透扩散灌浆，其在土体中的扩散机理类似于劈裂灌浆。基于此扩散特性，可进一步提出应用于堤坝防渗的高聚物定向劈裂注浆技术，为高聚物定向劈裂技术以及高聚物柔性防渗墙技术提供理论支持，促进高聚物注浆技术在堤坝防渗工程上的应用。

参考文献：

[1] 石明生.高聚物注浆材料特性与堤坝定向劈裂注浆机理研究[D].大连：大连理工大学，2011：62-97.

[2] 孙斌堂，凌贤长，凌晨，等.渗透注浆浆液扩散与注浆压力分布数值模拟[J].水利学报，2007，38（11）：1402-1407.

[3] 錢自卫，姜振泉，曹丽文.渗透注浆浆液扩散半径计算方法研究及应用[J].工业建筑，2012，42（7）：100-104.

[4] 王洪恩，卢超.堤坝劈裂灌浆防渗加固技术[M].北京：中国水利水电出版社，2006：140-173.

[5] 李晓龙，王复明，钟燕辉，等.自膨胀高聚物注浆材料在二维裂隙中流动扩散仿真方法研究[J].岩石力学与工程学报，2015，34（6）：1188-1197.

[6] WANG Fuming，GUO Chengchao，GAO Yang .Formation of a Polymer Thin Wall Using the Level Set Method[J].International Journal of Geomechanics，2014，14（5）：04014021.1-04014021.10.

[7] 王复明，李嘉，石明生，等.堤坝防渗加固新技术研究与应用[J].水力发电学报，2016，35（12）：1-11.

[8] GUO Chengchao，CHU Xuanxuan，WANG Fuming . The Feasibility of Non-Water Reaction Polymer Grouting Technology Application in Seepage Prevention for Tailings Reservoirs[J].Water Science and Technology： Water Supply，2017，18（1）：203-213.

[9] JONATHAN Kantor. The URETEK Method Drives More Effective Road and Highway Maintance[N].Columbia Daily Tribune，2004-7-13（A3）.

[10] 叶书麟.地基处理[M].北京：中国建筑工业出版社，1988：193-202.

[11] 刘嘉材.化学注浆[M].北京：中国水利水电出版社，1987：15-49.

[12] 葛家良.化学灌浆技术的发展与展望[J].岩石力学与工程学报，2006，25（增刊2）：3384-3391.

[13] 邹金峰，徐望国，罗强，等.饱和土中劈裂灌浆压力研究[J].岩土力学， 2008，29（7）：1802-1806.

[14] 石明生，王复明，刘恒，等.堤坝高聚物定向劈裂注浆试验与有限元模拟[J].水利学报，2016，47（8）：1087-1092.

【责任编辑 崔潇菡】