透明土模拟筑坝料注浆加固研究

吕彦源，王建新，2，李红梅

（1.新疆农业大学 水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆农业大学 新疆水利工程与水旱灾害防治实验室，乌鲁木齐， 830052）

水利工程建设中，在结构的加固和防渗方面，注浆技术一直作为一种重要的手段被广泛运用， 注浆技术在应用过程中具有隐蔽性， 这种特性导致工程营养的实际效果和技术研究存在着很大的随意性和盲目性。 因此对于注浆过程的可视化研究就变得极为重要。 而透明土模型试验技术因为拥有可以实现非嵌入式、可视化观测注浆过程的优点，得到了广泛关注或应用。本文将从透明土模型试验技术、注浆加固的可视化研究、注浆理论和数模研究这4个方面进行简要综述。

1 透明土模型试验技术

1.1 技术原理

透明土模型试验技术是由透明土材料制备物理模型，然后用全自动多功能加载仪对模型进行加载，最后通过数字图像采集设备对实验全过程进行观测捕捉，经过对试验前后的图像对比分析，从而得出模型特定位置的土体变形规律。

1.2 透明土种类

透明土是指和天然岩土的工程性质相近的透明材料。 目前，透明土可大致分成两种类型。 第一类是用于模拟天然黏土，通常由无定形二氧化硅、气相二氧化硅、 水珠、 凝胶珠和Laponite RD制成的透明黏土， 使用这些材料制备的透明土的物理性质与天然土相近。第二类是用于模拟天然砂，通常由硅胶、熔融石英、冰晶石和熔融硅石制成的透明砂，这些材料配制的透明砂土的硬度相较于第一种材料会更高［1］。不同的透明土颗粒材料， 所需要的孔隙流体也是不一样的，如表1。

表1 透明土的材料

1.3 透明土制备过程

进行透明土制备时， 首先根据所要模拟的土体对象选择合适的材料， 然后再依据材料选择折射率匹配的孔隙流体。如果是模拟天然砂，模拟材料在与孔隙流体充分混合后，应进行真空处理，直至混合液透明；如果是模拟天然黏土，则需对模拟材料与孔隙流体的混合物进行固结来获取黏聚力［2］。

从模拟土石坝筑坝料来说，当模拟土坝时，制备方法与模拟天然黏土类似；当模拟堆石坝时，制备方法与模拟天然砂类似。 对于模拟土石混合坝的筑坝料的制备方法，可以进一步展开研究。

1.4 透明土制备成本与环境影响

合成透明土壤的固体材料主要包括无定形硅粉、无定形硅胶和熔融石英。无定形硅粉因成本低廉而被广泛用于工业生产， 而无定形硅胶是硅粉的胶体形式， 熔融石英则是天然石英熔融冷却后形成的材料。相比于其他试验方法，透明土模型试验技术材料价格相对较低，测试成本低，且测试的开展难度低。

常用的制备透明土的材料对于环境所产生的污染很小。 如在工业上，无定形二氧化硅是一种软性磨料，常被作为牙膏摩擦剂来使用。在农业上，水珠和凝胶珠也被用于模拟土壤， 来观测植物根系的生长［3］。在环境治理上， 磨碎后的熔融石英也可用来修复沙滩。孔隙流体中使用较多的矿物油，在有机农业中作为低风险的天然源农药的应用前景也十分广阔。

2 注浆加固的可视化研究

曹兆虎等［4］采用烘烤石英砂作为透明土材料，将正十二烷和15号白油混杂在一起作为孔隙液体，结合PIV图像技术，对桩基贯入过程中，桩周土体内部变形测量和桩端后注浆过程进行可视化研究， 得出结论：桩端注浆会形成椭圆球孔扩张模式，且楔形管桩沉桩时， 桩周土体产生的位移场与等截面桩有一定差异，桩顶处产生的位移最大。

Gao Y等［5］采用折射率相同的熔融二氧化硅和溴化钙溶液制成的透明土， 经过模型试验得出了注浆半径与注浆时间成正比的结论， 验证了马格（Maag）的渗透灌浆公式的正确性。Li P等［6］设计了一套注浆模型试验系统， 该系统由岩体可视化模拟材料、高强度透明装置、12台参数可控注浆泵送装置和连续物理现场测量系统组成， 并进行了砂土注浆模拟试验，验证了该试验系统的适用性。

3 注浆理论

土石坝的坝体材料多为本地的石料、 本地的土料或者本地的土石混合材料所构成， 而按照土石坝的材料类型，土石坝又可分成3种：土坝、堆石坝、土石混合坝（又称土石坝）。

土石坝的结构中充满了孔隙或者裂隙， 因此有必要对岩体结构进行研究， 这对于注浆技术的实际应用十分重要。目前，岩体结构的注浆理论可以分成多孔介质理论、裂隙介质理论、拟连续介质理论及孔隙和裂隙双重介质理论。

（1）多孔介质理论。 该理论定义，岩体中的裂缝以孔隙为主，孔隙之间互相渗透。根据孔隙的分布类型，可分为各向同性多孔介质与各向异性多孔介质。

（2）裂隙介质理论。 这一理论认为，裂隙是岩体的主要裂缝，把岩体分为不连续的部分；裂隙是浆液流动和扩散的通道。

（3）拟连续介质理论。 从理论上说，虽然岩石被裂缝隔开，但利用这一理论的等价原理，岩体和裂缝之间的连续性在空间的任何地方都可以保持。 裂隙与裂隙之间是相互连通的。 如果将这些通道看作一个整体的话， 则可以认为它们具有相同或相似的几何形状。因此在岩体中，任何部位都存在着介质和孔隙介质，同时浆液在岩体中通过这种孔隙流动。

（4）孔隙和裂隙双重介质理论。 此理论认为，岩体包括孔隙度低、渗透性高的裂缝系统和孔隙度高、孔隙性低的岩块系统，当浆液流经这种介质时，它既流入裂缝中，也流入块体中，并且在两者之间发生强烈的质量交换。

4 数模研究

数值模拟技术是研究注浆技术的重要工具之一，可为工程的实际应用提供一些参考。王乾伟等［7］采用耦合FVM法对注浆过程进行了三维数值模拟，随后又通过TIN算法、边界表达技术及NURBS简化技术构建了三维模拟， 对注浆的流程开展了动态可视化的研究。 在对于筑坝料的模拟上，高德清［8］采用了PFC2D方法， 对筑坝料的动力变形实验进行数值模拟。 其中，数值模拟结果与室内动力实验相比，数据采集方面差异较大，同时因为是PFC2D是二维技术，很难做到仿真。 因此在后续对于筑坝料进行数值模拟的研究中，可以采取三维的数值模拟方法，能更加准确地进行实验。

5 结语

（1）目前透明土的制备技术已趋于成熟，可在模拟土石坝筑坝料上，对可选取的模拟材料进行更多试验。 且透明土制备成本相对较低，对环境影响较小。

（2）在化学注浆、后注浆等研究中，已有成功进行可视化研究的先例， 透明土模拟筑坝料注浆应在此基础上进一步进行深化。

（3）可以用数值模拟建立三维数值模型，再用透明土建立物理模型对注浆过程进行可视化研究，最后相互进行验证， 方法十分适合筑坝料这种大尺寸材料的研究。

除此之外， 还应该考虑注浆时浆液的扩散规律、对于注浆效果产生影响的因素考虑是否全面、注浆压力对于透明土孔隙变形影响等问题。