基于渗滤效应的砂土注浆加固机理研究

秦鹏飞 闫 然 钟宏伟 黄 莉

(1.西部灾害与环境力学教育部重点实验室,甘肃 兰州 730000;2.郑州铁路职业技术学院铁道工程学院,河南 郑州 451000;3.郑州铁路职业技术学院马克思主义学院,河南 郑州 451000)

随着“一带一路”战略的纵深推入,我国经济迎来了高速发展的黄金期,土木、水利、矿业等各项建设蓬勃发展。含水砂层是目前工程建设中经常揭露的不良地层,含水砂层力学强度低、结构成分复杂,受开挖扰动易产生坍塌、溃砂、地表沉陷等灾害。北京地铁14号线、江西莲花山隧道、广深城际区间站等工程建设中,由于没有及时治理含水砂层产生的隐患,造成了比较严重的经济损失[1-3]。

通过注浆可以有效封堵地下水的渗流通道,提高砂层的力学强度和抗渗性能,注浆技术目前已成为水害治理、补强加固的重要技术手段。

普通硅酸盐水泥市场价低、无污染,加固效果明显(图1(a)),是含水砂层等不良地质加固的首选材料。水泥浆液在砂土层渗透扩散时,砂土骨架会对运移中的水泥颗粒产生吸附、滤过作用,导致水泥颗粒在扩散通道上不断沉积[4-5]。水泥颗粒淤积量在一定时间范围内逐渐增加,最终会将浆液扩散通道堵塞,此现象为“渗滤效应”(图1(b))。渗滤效应显著缩小了浆液的扩散范围,导致砂层加固强度和抗渗效果沿程衰减[6-9]。

图1 渗滤效应图示Fig.1 Diagram of infiltration effect

李术才等 指出渗滤效应致使水泥颗粒在流动通道上淤堵沉积(图1(c)),砂土孔隙尺寸、浆液浓度及注浆压力对浆液有效扩散距离均有一定影响;冯啸等[11]发现忽略渗滤效应,浆液扩散速度、扩散距离计算值约为实际值的1.2～2.22倍,动界面压力降则呈现先增后减趋势;王凯等[12]研究表明,渗滤效应导致砂土骨架产生了显著的挤压变形,渗滤效应存在浆液流场与砂土应力场的复杂耦合作用;朱光轩等[13]认为适当提高注浆压力和注浆速率,可有效减小渗滤效应的不利影响,改善砂土注浆的加固效果;陈铁林等[14]基于物理模型试验发现,渗滤效应显著改变了浆液的扩散形态和扩散进程,随浓度衰减浆液由幂律流体转变为牛顿流体。

目前渗滤效应下浆液的扩散速度、压力衰减规律及浆液浓度的分布特征等,已有学者作出了积极探索并取得了一定研究成果。然而浆液扩散规律极其复杂,砂土结构又存在天然的不确定性,加之施工工艺多样性的影响,现有研究仍不能完全满足砂土地基项目建设的需要。为此本项目从理论、试验方面开展砂土注浆机理研究,分析渗滤效应下水泥浆液的流速、压力变化规律,水泥颗粒的运移滤出机制及固砂体的抗渗、强度特性。研究成果对全面提升渗透注浆的理论水平,服务分布广阔的砂土场地工程建设,具有一定的科学意义和学术价值。

1 基本机制

水泥浆液是典型的颗粒型浆液,水泥颗粒在运移、迁延的过程中逐渐在注浆通道上沉积。以注浆孔为中心,砂层由内而外依次可划分为泥浆沉积区、浆水混合区与饱和砂土区(图2)。砂土渗透注浆钻孔半径r0,初始注浆压力p0;泥浆沉积形成r～(r0,rc)的扩散范围,注浆压力p1;浆液扩散锋面为浆水混合区,半径r～(rc,R),压力p2;外围为饱和砂层,半径R,压力pw。

图2 渗滤效应分析Fig.2 Analysis of infiltration effect

浆液扩散遵从Darcy渗流定律[15],水泥浆锋面处表示为

式中,K0、Kc分别为含水砂层的初始渗透系数及泥浆沉积区的渗透系数,cm/s;ρcs、ρw分别为水泥浆液的密度和水的密度,g/cm3;g为重力加速度,m/s2。

依据高等渗流力学,考虑水、水泥颗粒及砂土骨架的质量平衡方程,并引入线性滤过定律[16-18]:

式中,μ为水泥颗粒与砂土骨架的质量交换系数,g/(cm3s);ρc、ρw、ρs分别为水泥、水和砂子的密度,g/cm3;vc、νw、νs分别为水泥颗粒、水和砂子的移动速度,cm/s;nc、nw、ns分别为水泥颗粒、水和砂子的单位体积百分含量;λ为渗滤系数,s-1;n0为砂土初始孔隙率;δ为孔隙中的水泥颗粒含量。

渗滤效应下水泥颗粒的运移基本方程及浆液锋面速度、压力表达式[19-20]:[10]

式中,ν0为浆液孔口流速,cm/s;φ为浆液中水泥颗粒的体积含量,无量纲;p′为水在洁净砂土中运移rc的压力降,kPa;m、j为压力降标量。

2 砂土注浆试验

本次试验所用砂子取自郑州市象湖生态公园湿地,天然含水量13%～16%,筛分得其颗粒级配曲线见图3(a)。为便于分析对比,砂土注浆试验共设计1.2、1.4和1.6计3个不同的孔隙比。根据《土工试验方法标准》,砂土孔隙比

式中,ds为砂土相对密度;w为含水率,ρw、ρs为水和砂子的密度,g/cm3。由计算公式可以求出不同孔隙比对应的砂料质量,称重后倒入注浆模型中。注浆模型为白色塑料PVC管,内径50 mm,长度40～50 cm。试验采用浆液自流的方式进行灌注,注浆压力设计为50、75、100 kPa,将红色塑料管提升一定高度后固定,倒入水泥浆使其在自重作用下注入砂层(图3(b))。

图3 渗滤效应下砂土注浆试验Fig.3 Sand grouting test under seepage effect

试验浆材为河南建筑工程公司生产的矿渣硅酸盐水泥和中原水泥厂生产的聚合物超细水泥,水灰比设计为 0.6∶1、0.8∶1 和 1∶1。 注浆试验前对浆液比重、初终凝时间、屈服强度等参数进行了测试,浆液比重采用高精度比重计进行测定,初终凝结时间采用ISO标准维卡仪进行测定,屈服强度、塑性黏度采用NDJ-1旋转黏度计进行测定[21-23]。本次试验所配置浆液基本性能见表1、表2。

表1 矿渣硅酸盐水泥浆液基本性能Table 1 Basic properties of slag Portland cement slurry

表2 超细水泥浆液基本性能Table 2 Basic properties of superfine cement slurry

3 试验结果分析

不同试验条件下浆液的扩散距离柱状图见图4～图 6,其中 1、2、3 代表矿渣硅酸盐水泥浆液,4、5、6 代表超细水泥浆液。

3.1 扩散距离分析

图4为统计分析的浆液扩散距离。图4表明浆液水灰比越大,相同实验条件下浆液扩散距离越大,反之水灰比越小浆液扩散距离就越小。这是由于水灰比与浆液浓度呈反比,水灰比越小水泥颗粒质量分数越高,受砂土骨架拦截、吸附、捕获的机率越大,水泥颗粒滤出阻塞孔隙通道后,致使浆液扩散终止。同样孔隙比也在一定程度上影响着渗透注浆的效果,孔隙比越小砂土孔隙尺寸越小,浆液的扩散路径逐渐被阻断。其他条件相同的情形下,不同水灰比水泥浆液极限扩散距离相差2.3～2.6倍,不同孔隙比水泥浆液极限扩散距离相差2.7～3.1倍。

图4 浆液扩散距离统计分析Fig.4 Stastic analysis of slurry diffusion distance

图5为不同注浆压力下的浆液扩散距离。图5显示随注浆压力增加,矿渣、超细水泥浆液的渗透扩散距离均有所增加。这表明注浆压力是浆液输送、扩散的主要动力,注浆压力的提高保证了浆液流动的舒畅性,一定程度上克服了渗滤效应的不利影响,有效扩散距离显著增加。与此同时水灰比的增加降低了浆液浓度,削弱了渗滤效应的负面作用,浆液扩散距离相应增加。其他试验条件一致的情形下,不同注浆压力水泥浆液极限扩散距离相差1.6～1.9倍,不同水灰比水泥浆液极限扩散距离相差2.5～2.8倍。

图5 不同注浆压力下浆液扩散距离分析Fig.5 Analysis of slurry diffusion distance under different grouting pressures

图6为不同孔隙比下的浆液扩散距离。从图6可以看出,砂土孔隙比与浆液扩散距离正相关,孔隙比越大浆液的流动路径越长,孔隙比越小则浆液的扩散范围越小。这是由于孔隙比减小时,砂土孔隙尺寸明显减小,水泥颗粒极易被砂土骨架捕获并沉积,导致扩散通道阻塞。同样,注浆压力减小会使浆液输送能力变差,严重降低砂土注浆加固的效果。其他试验条件保持不变的情形下,不同孔隙比水泥浆液最大扩散距离相差2.9～3.2倍,不同压力水泥浆液最大扩散距离相差2.6～3.0倍。

图6 不同孔隙比下浆液扩散距离分析Fig.6 Analysis of slurry diffusion distance under different porousities

3.2 强度分析

注浆试验28 d后对砂土结石体进行了强度测试,其外表形态、细观形态及破坏形态见图7、图8。由图可知级配砂土成分复杂,结构不规则,局部区域主要由粉细砂占据,孔隙尺寸小未被浆液有效充填。渗滤效应导致浆液在砂土内部分布不均匀,造成结石体强度的离散性和弱化性,在一定程度上降低了注浆加固的效果。结石体强度测试结果见表3。

图7 砂土结石形态分析Fig.7 Morphological analysisof sand stone

图8 破坏形态分析Fig.8 Morphological analysis of failure sand stone

表3 砂土强度测试结果Table 3 Sand strength test results MPa

4 结 语

渗滤效应对浆液有效扩散范围、加固效果具有显著影响,基于渗流力学的一般原理和质量守恒,对浆液扩散速度、压力及水泥颗粒运移、滤出机制进行了分析,并采用矿渣硅酸盐水泥、聚合物超细水泥对含水砂层进行了注浆试验。理论推导和模型试验表明,浆液水灰比、注浆压力及介质孔隙率均在一定程度上决定着注浆加固效果。随水灰比和孔隙比减小,浆液浓度增加,有效扩散范围减小;注浆压力减小,浆液扩散分布不均衡,在一定程度上也降低了注浆加固的效果。研究结果对于含水砂层注浆治理具有一定的参考价值和学术意义。