岩土渗透破坏及其注浆防治研究综述

秦鹏飞，朱利颖，王文菁

（1.重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074；2.黄河科技学院工学部，河南 郑州 451000）

0 引言

地下水广袤赋存在各种地下结构和岩土介质中，土的破坏常常是由土中水及其渗流引起的。岩土项目建设中常见的工程事故，如基坑突涌、堤防流土流沙、隧道冒顶坍塌等，有很大部分是强水头诱发的渗透破坏，进而导致的工程灾害[1-4]。Darcy 与非Darcy 渗流条件下，岩土介质均可能发生渗透破坏，非Darcy 渗流状态下破坏后果较严重，破坏形式常表现为管涌、流土、接触冲刷和接触流土等[5-6]。

通过注浆可有效封堵地下水的渗流通道，显著提升岩土介质的整体物理力学性能，实践表明注浆技术目前是渗透破坏防治的有效方法（图1）。本文对管涌、流土等渗透破坏的发生机理进行了研究分析，然后结合工程对注浆防治理论、防治材料进行了系统剖析。

图1 渗透破坏与注浆防治Fig.1 Seepage damage and grouting prevention

1 渗透破坏机理

地下水在裂隙岩体、砂砾石土中有压流动时，岩块或土颗粒承受地下水产生的浮力及渗流力作用，导致岩土介质的强度和应力状态发生变化。岩土介质力学性质的改变会反作用于渗流场中的水体，改变其渗流方向和渗流速度。岩土结构中存在渗流场和应力场的复杂耦合作用，特定情况下地下水的渗流会导致岩土介质的变形、破坏。渗透破坏（Seepage failure）是指在强渗流场作用下，土工构筑物或地基的变形和破坏。渗透破坏的主要表现形式为流土和管涌，在工程分析中常被称为渗透变形（Seepage deformation）或渗透失稳（Instability due to seepage）[7-9]。

渗透破坏的发生取决于岩土介质自身的几何性状，同时受外部水力因素的显著影响。岩土自身几何性状包括颗粒级配、密实度、颗粒形态，外部水力因素则主要包括水力梯度的大小及作用方向等。级配良好、结构稳定的岩土体抗渗性能较强，通常不会发生渗透破坏，高水头作用下只发生溢流出口的浅层流土破坏，而级配均匀、密实度小的土体抗渗能力差，高水头作用下可能发生贯通深部的管涌破坏。

1.1 流土

流土是指在方向向上的渗透力作用下，土体中的颗粒群同时起动而流失的现象。流土是否发生与渗流力大小紧密相关，当渗流力大于土体颗粒的有效重力时，颗粒间有效应力丧失，局部土体或者颗粒群同时发生悬浮和移动，岩土结构遭到破坏。砂土中的流土破坏主要表现为砂沸、泉眼群等，而黏性土中的流土破坏主要表现为土块隆起、膨胀、浮动等[10-12]。在2 种不同渗透性质的土层交界面，垂直水流将细颗粒冲进另一层土称为接触流土；而在土层与基础结构的交界面，水流将土颗粒沿界面冲走的现象称为接触冲刷[13-14]。

双层地基是土木、水利等项目建设中经常揭露的不良地质，双层地基中薄弱的黏土区域发生流土破坏的潜在可能性较大。假定某一双层地基承受水头差作用，取半径为a，厚度为l 的圆柱状黏土层对其渗透破坏机理进行分析揭示（图2）。该圆柱状薄弱区域承受向上的渗透力J、向下的重力G 和剪应力τ，当向上的渗透力逐渐增加达到临界值时，应力平衡状态被打破，黏土层发生流土破坏[15-16]。临界平衡状态为：

图2 流土破坏机理分析Fig.2 Soil-flow failure and mechanism analysis

式中：γ′为黏土层的浮重度，kN/m3；γw为水的重度，kN/m3；c 为土的黏聚力，kPa；φ 为土体内摩擦角，（°）；icr为临界水力坡降，可化简为：

σ 为圆柱破坏面上的法向应力，可由朗肯土压力理论计算求得：

式中：K0为静止侧压力系数，K0=1-sin φ。

考虑式（3），则流土破坏的临界水力坡降可表示为：

1.2 管涌

管涌是指在渗透力作用下，岩土介质中细小颗粒在骨架孔隙中运移流失的现象。管涌的发生机理为在一定渗透梯度和渗流速度的动水环境中，土体骨架间的可动细颗粒被水流带走，逐渐形成穿越土体的细小渗流通道[17-18]。随着渗流作用的加剧，土体贯通孔隙越来越大，最终掏空土体形成连续涌水通道（图3）。管涌多发生在细砂、粉砂等无黏性土中，管涌方向与渗流方向一致。

图3 管涌机理分析Fig.3 Piping mechanism analysis

管涌在岩土项目建设中具有频发性、高危害性特征，其发生-发展机理复杂。研究表明，管涌是伴随孔隙水渗流、细颗粒运移流失和多孔介质骨架形变的多场多相耦合过程，常需结合理论分析、模型试验、数值计算等方法进行综合探测。管涌发生初期，岩土介质的细小颗粒受孔隙水流冲刷侵蚀作用，发生自由跳动后跟随水流运移流失，此时土体的粗、细颗粒发生位置移动、调整，致使土体的宏微观结构产生响应和改变。地下水渗流场受岩土应力场动态影响，导致孔隙水压力的分布呈现复杂且对岩土介质整体稳定性不利的特征[19-20]。伴随着侵蚀的加剧和流失量的增加，土体的防渗、承载性能逐渐降低，而多孔介质的骨架结构、平衡状态，在渗流场变化过程中受到波动和冲击，也在不断劣化、衰退。管涌机理的深刻揭示，可考虑从“渗流-侵蚀-应力”全耦合的角度建立数学物理模型，以研究其发生、发展、破坏机制。

2 注浆防治技术

通过注浆可以显著改善土体的物理力学性质，有效提升岩土介质的防渗性能。注浆是指通过钻孔并置入管路的方式，利用液压、气压将水泥或化学浆材注入不良土层中，浆材经化学反应后形成力学性能良好的结石凝胶体，从而达到改良土质、防渗加固的地基处理方法[21-22]。常见注浆方式有渗透注浆、压密注浆和劈裂注浆等（图4），在水利、隧道、矿山和工民建方面都有广泛应用。

图4 注浆浆液扩散机理Fig.4 Diffusion mechanism of grout

2.1 注浆理论

球形扩散理论、柱形扩散理论、袖套管法理论及单平板裂隙理论，以其体系严谨、计算精准，在渗透注浆（Penetration grouting）理论研究中占有重要地位。Maag、Baker、Wallner、G.Lombad 及刘嘉才等人以这些理论研究为基础，分别推导了注浆压力衰减、浆液扩散分布的计算公式。其中Maag 公式[23]较具有代表性，工程应用最广。Maag球形扩散计算式为，柱形扩散式为

式中：R1为浆液球形扩散半径，cm；R2为浆液柱形扩散半径（为隐函数），cm；k 为砂土渗透系数，cm/s；h0为球形扩散压力水头，cm；h1为柱形扩散压力水头，cm；r0为注浆孔半径，cm；t 为注浆时间，s；β 为浆液黏度与水的黏度比；n 为砂土的孔隙率。

压密注浆（Compaction grouting）是利用水灰比较小的黏稠浆液，强行挤压土体，通过化学胶结、离子交换及挤压膨胀等作用，实现土体加固的注浆方式。劈裂注浆（Splitting grouting）则是施加持续增大的注浆压力，将土层启劈并形成纵横交错的网状浆脉，起到加筋和加固作用的注浆方式。浆液的扩散方式与注浆压力大小紧密相关，低压灌注时主要表现为渗透作用方式，高压时则表现为劈裂和压密作用方式。其中劈裂注浆是压密-劈裂-渗透循环作用的过程，劈裂注浆发生时伴随有压密和渗透等其它作用方式[24]。

2.2 注浆材料

注浆材料是注浆技术发展的关键环节，新注浆材料发明往往会推动注浆技术的蓬勃发展。水泥类浆材目前主要有复合水泥、超细水泥等，化学类浆材主要有水玻璃、丙烯酸盐、环氧树脂、聚氨醋等。

2.2.1 复合水泥与超细水泥

通过掺加激发剂或改性材料形成的复合水泥，可显著提升注浆材料的胶凝、流动及力学性能。以硅酸盐水泥、工业废渣为原料，通过碱激发方式制备的新型水泥基材料EMCG（Efficient Material of Cement-based Grout），具有流动性好、水化矿物致密、浆-岩胶结力强等特性[25]；以钢渣为矿物掺合料制备的复合水泥胶砂，可有效延缓水泥浆液凝结时间，水化反应形成的C-S-H、C-A-S-H凝胶，则可显著提高结石体的抗侵蚀性能；以水溶性聚氨酯（PU）和其它微量组分研制的复合型硫铝酸盐水泥（SAC）[26]，具有泵送性能稳定、快硬早强微膨胀等优良特性。

超细水泥分散性好、比表面积大、活性高，超细水泥浆液具有与化学浆液相同的良好渗透性。超细水泥浆液稳定性极高，水灰比1.4∶1、1.6∶1 的超细水泥浆液，其析水率分别为4.6%和5.8%，水灰比大于2∶1 后浆液性能逐渐下降。超细水泥对致密砂层、矿山岩体[27]及原状黄土等，均有优异的加固效果。矿山岩体经超细水泥-水玻璃双液浆加固后，围岩稳定性普遍提升Ⅰ～Ⅱ个等级；马兰黄土经超细水泥注浆加固后，宏微观结构得到显著改善，承载性能显著增强。超细水泥主要性能特征见表1。

表1 超细水泥颗粒特征及力学性能Table 1 Characteristics and mechanical properties of ultra-fine cement particles

2.2.2 地聚物

地聚物（Geopolymer）是一种由硅铝酸盐矿物、工业废弃物为原料，经强碱激发、高温固化形成的无机胶凝材料。地聚物空间结构呈网状，由AlO4和SiO4四面体单元组成，具有凝结快强度高、耐高温耐腐蚀等优良特性。地聚物制备工艺简单、原料来源丰富，具有极高的研究、开发价值。

固化温度是影响地聚物力学性能的重要因素。适当提高固化温度可以加速地聚反应速度，增加聚合物胶凝体产量，但固化温度过高（＞80 ℃）会急剧加速缩聚而抑制溶解，降低加固效果。碱激发剂种类及浓度等，对地聚物的物相组成、微观结构和抗压、抗弯性能也会产生显著影响。水玻璃模数超过1.4 后，地聚物凝胶溶液黏度增大，不利于后期强度的形成[28]。地聚物砂浆抗压强度P随水玻璃模数z 增加呈先增后减趋势，二者关系符合抛物线模型：

碱激发矿渣微粉对软黏土进行的加固测试发现，经聚合改良后软土形成方解石、莫来石等次生矿物，无侧限抗压强度达5 MPa，碱激发剂掺量对固化软黏土的早期强度提升影响显著，但对14 d、28 d 强度影响较小[29]。水玻璃碱激发粉煤灰地聚物对黄土进行的加固研究，发现碱激发形成的硅铝酸钠凝胶产物充填于黄土颗粒间[30]，产物相互胶结形成空间网状结构，有效改善了黄土孔径分布，加固后黄土黏聚力c 达550 kPa，内摩擦角φ 达39°。

2.2.3 微生物菌液

MICP 技术利用微生物菌液的新陈代谢活动，实现土建、水电等工程中的裂隙封堵、地基加固（图5）。菌液可水解尿素产生碳酸根离子，碳酸根离子则与钙溶液作用形成CaCO3凝胶体，以提高地基土的密实度和抗剪强度。微生物加固土的矿化过程与水泥相同，因而称菌液和胶结液为生物水泥（Biocement）。MICP 技术具有施工扰动小、反应可控、加固强度高、环境污染小等优点，具有重要的研究价值和广阔的发展前景。

图5 微生物加固Fig.5 Microbial reinforcement

微生物固化土的成矿作用改变了土的原状结构，经MICP 固化处理后土的静、动力学性能和耐久性均得到了显著提升[31]。饱和粉细砂经微生物加固后，压缩系数由10-1下降到10-2MPa-1，渗透系数由10-2cm/s 下降到10-4cm/s，UCS 强度达到14 MPa 左右。微生物改良后土的峰值强度、残余强度明显提升，提升幅度受碳酸钙生成量、试验围压等因素影响[32]。微生物活动、矿化作用需要适宜的环境条件，良好的培育环境会激发菌液的固化潜能。温度是影响微生物固化土处理效果的重要因素，MICP 加固的适宜温度为20～40 ℃，适当提高胶结液中尿素-钙离子的浓度比可提升脲酶活性，增加矿化物产量。菌液浓度、胶结液浓度和矿化反应时间对Ca2+利用率有显著影响，胶结液浓度高于750 mmol/L 时，CaCO3晶体在砂土内部呈簇状发展，有利于提升微生物固化土的长期力学性能。振动台试验[33]对MICP 加固中粗砂的测试表明，经固化处理后钙质砂具有较高的循环剪切阻力，液化特征由“流滑”转变为“循环活动性”，动力性能显著改善。

2.2.4 高聚物

双组份发泡聚氨酯作为一种新兴的有机高分子材料，具有良好的膨胀性和可控性、反应速度快且可调节、轻质环保耐久等特点，21 世纪以来逐渐成为重要的修复加固材料，受到科研人员和工程师的广泛关注（图6）。

图6 高聚物材料与工程应用Fig.6 Polymer materials and engineering applications

高聚物注浆技术的基本原理是按照预先设定的配比，通过一定压力向隧道、路基病害区注射双组分原料和催化剂，原料经过化学反应后体积迅速膨胀，形成拉压、剪切强度极高的球状固体，从而实现填充塌陷、防渗堵漏及加固地基的目的[34]。双组分原料加聚反应后形成静止不动的有机聚合体，主要依靠其体积膨胀实现填充裂隙的目的，浆液具有良好的可控性；高聚物浆材密度为水泥浆的12%～18%，膨胀固化后基本不产生附加荷载，能有效保证岩土结构的防渗加固效果；材料服役寿命长达50 a，恶劣环境下不变形、不收缩。高聚物浆材主要特性见表2。

表2 高聚物注浆材料主要性能Table 2 Main properties of polymer grouting materials

3 结语

地下水广袤赋存在广阔的土体介质中，地下水的渗流及渗透破坏是目前工程建设中常见的现象。渗透破坏发生在基坑工程中可导致基坑坍塌，严重时可致人员伤亡并产生重大经济损失；渗透破坏发生在坝工工程中可毁坏坝基基础，严重时可导致溃坝。渗透防治常采取的技术措施是注浆，通过注浆可以显著改良土质，提升岩土介质的整体力学性能。本文在对流土、管涌等渗透破坏机理进行深刻剖析的基础上，对渗透、压密、劈裂注浆理论，复合与超细水泥、地聚物、高聚物、微生物菌液注浆材料进行了系统阐释，旨在为提升岩土项目建设的精细化水平和推动其高质量发展做贡献。