秦鹏飞 黄 莉 苏丹娜 钟宏伟 邸银桥
(1.兰州大学 西部灾害与环境力学教育部重点实验室,兰州 730000;2.郑州铁路职业技术学院 铁道工程学院,郑州 451000)
随着“一带一路”倡议的纵深推进和我国经济高速发展,大规模高层建筑、水利水电、深井矿山及城市地铁等工程相继投入建设,而含水砂层是这些项目建设中经常揭露的不良地层.含水砂层结构松散、自稳性差,受施工扰动极易引发塌方、涌水溃砂、地表塌陷等灾害,往往造成严重的人员伤亡和经济损失[1-3].级配不良的含水粉细砂,其细小颗粒在地下水渗透作用下,粒间有效应力丧失会导致砂层内形成连续、贯穿的过水通道,产生潜蚀、流土及管涌等形式的渗透破坏.渗透破坏降低了砂层的整体强度和稳定性,进而诱发支护结构变形、围岩失稳,造成工程事故[4-5].
实践表明注浆可显著提高砂层的力学强度及抗渗性能,注浆技术目前已成为含水砂层加固治理的有效方式.工程上常通过低压渗透或高压挤密-劈裂等方法,对含水砂层进行改良处理(如图1(a)所示).当采用普通硅酸盐水泥浆液对松散砂土加固时,砂土骨架会对运移扩散的水泥颗粒产生滤过、吸附作用.水泥颗粒受作用后在扩散通道上滞留沉积,产生渗滤效应(如图1(b)所示).渗滤效应降低了浆液的有效扩散距离,导致砂层加固强度和抗渗效果沿程衰减[6-9].
图1 注浆加固与渗滤效应
李术才等[10]指出受深层“渗滤效应”的影响,水泥颗粒在多孔介质间隙内产生了大量的淤堵沉积(如图1(c)所示),致使砂层渗透系数沿程发生不均匀的变化;冯啸等[11]将“渗滤效应”滤积的水泥颗粒视为砂土颗粒,通过分析颗粒型浆液的密度方程和水、水泥及砂土骨架的质量守恒方程,计算了水泥颗粒在砂土介质中的渗滤系数λ;王凯等[12]分析了普通水泥和超细水泥在微裂隙岩体中的渗滤机制,发现普通水泥的最小可注入和最小无渗滤裂隙开度分别为140μm和310μm,而超细水泥则分别为80μm 和280μm;朱光轩等[13]考虑渗流域内各组分质量守恒(如图1(c)所示),采用颗粒沉积概率模型描述水泥颗粒在多孔介质内沉积吸附行为,建立了考虑渗滤效应的柱形扩散理论模型;张玉等[14]发现渗滤效应下,浆液的有效扩散距离与孔隙率、水灰比、注浆压力及注浆时间等因素有关,为便于节省材料、保证效果,建议注浆设计水灰比适当提高0.1～0.2.
目前关于渗滤效应对浆液浓度、流速及压力的影响研究,取得了丰硕的成果,然而由于浆液扩散规律的复杂性、砂层结构的自然性及施工工艺的多样性,现有研究仍不能完全满足工程建设的需要.为此本文开展基于渗滤效应的砂土注浆机理研究,分析水泥颗粒的运移滤出机制、浆液的扩散规律及固砂体的强度特性.本文研究成果可有效提升渗透注浆的理论设计水平,为砂土场地工程项目建设提供科学指导.
水泥浆液在砂土层运移扩散时,水泥颗粒发生不均匀的淤堵沉积.在浆液的扩散通道上,由内而外依次为泥浆沉积区、浆-水混合区和饱和砂土区(如图2所示).注浆孔半径r=r0,注浆压力p=p0;泥浆沉积区半径r0≤r≤rc,压力p=p1;浆-水混合区半径rc≤r≤R,压力p=p2;饱和砂土区r=R,p=pw.
图2 渗滤效应分析
水泥浆锋面处Darcy渗流定律为[15]
其中:Kc为水泥沉积层渗透系数(cm/s);K0为沙土层初始渗透系数(cm/s);ρcs为水泥浆密度(g/cm3);ρw为水的密度(g/cm3);g为重力加速度(m/s2).
依据水泥颗粒、水和砂土骨架的质量平衡方程及线性滤过定律[16-18],见式(2)～(5):
式中:μ为质量交换系数(g·cm-3·s-1);ρc、ρw、ρs分别为水泥颗粒、水和砂土骨架的密度(g/cm3);vc、vw、vs分别为水泥颗粒、水和砂土骨架的速度(cm/s);nc、nw、ns分别为单位体积内水泥颗粒、水和砂土骨架的体积分数;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,可以得到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],见式(6)～(8):
式中:v0为水泥浆初始流速(cm/s);φ为水泥颗粒的体积分数,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.
试验所用砂子为郑州市贾鲁河河床上的中细砂,含水率约为14%,其颗粒级配曲线如图3(a)所示.试验共设计3种不同的砂土孔隙比,分别为1.2、1.4和1.6.由孔隙比计算公式e=-1,可以求出不同孔隙比对应的砂料密度及质量,将砂子称重后均匀装入注浆模型中.注浆模型为建筑用给排水管(PVC管),直径50 mm,长度50 cm.试验的注浆压力为50、75、100 k Pa,由浆液自重提供,即将灌浆塑料管提升一定高度形成压力浆头以进行灌注.注浆试验前对浆液的质量分数进行测试,根据计算公式p=γh计算出不同注浆压力对应的高度h,将塑料管提升至相应高度后固定,倒入水泥浆进行灌注,如图3(b)所示.
图3 渗滤效应下砂土注浆试验
试验所用浆材为郑州市水泥厂生产的矿渣硅酸盐水泥和中德新亚建筑材料有限公司生产的聚合物超细水泥,所配置的水泥浆液水灰比分别为0.6∶1、0.8∶1和1∶1.按照规范规定对浆液的质量分数、流变参数和凝结时间等性能参数进行了测试,浆液的塑性黏度采用NDJ-1旋转黏度计进行测定,凝结时间依据GB1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》,采用ISO 标准法维卡仪进行测定[21-24].水泥浆液的基本物理力学性能指标见表1、表2.
表1 矿渣硅酸盐水泥浆液基本性能
表2 超细水泥浆液基本性能
3.1 扩散速度分析
取K0=0.64 cm/s、φ=0.47、p0=50 k Pa,将相关参数代入式(7),分析计算得到浆液扩散速度如图4所示.图4 中浆液水灰比分别为1∶1、0.8∶1 和0.6∶1.从图4可看出,随孔隙比增加浆液扩散速度增大,超细水泥浆液的扩散速度略高于矿渣硅酸盐水泥浆液.其它试验条件相同情形下,不同水灰比水泥浆液扩散速度相差0.7～1.6倍.
图4 不同水灰比浆液扩散速度分析
3.2 扩散距离分析
图5为不同水灰比浆液的扩散距离,从图中可以看出,随水灰比增加浆液扩散距离变大,反之随水灰比减小浆液扩散距离明显减小.这是由于水灰比减小导致浆液浓度增加,水泥颗粒被滤出阻塞孔隙通道,浆液扩散终止.同样,随孔隙比减小,孔隙尺寸缩小,渗滤效应导致浆液扩散距离减小.其它试验条件相同情形下,不同水灰比水泥浆液最大扩散距离相差2.6倍,不同孔隙比水泥浆液最大扩散距离相差3.1倍.
图5 浆液扩散距离分析(Ⅰ)(单位:cm)
图6为不同注浆压力下浆液的扩散距离,从图中可以看出,随注浆压力增加,浆液扩散距离明显变大.这是由于注浆压力增加提高了浆液输送动力,水泥颗粒克服惯性力、吸附力的不利影响,有效扩散距离显著增加.同样,随水灰比增加浆液浓度变小,渗滤作用减小,浆液扩散距离有所增加.其它试验条件相同情形下,不同注浆压力水泥浆液最大扩散距离相差1.9倍,不同水灰比水泥浆液最大扩散距离相差2.7倍.
图6 浆液扩散距离分析(Ⅱ)(单位:cm)
图7为不同孔隙比下浆液的扩散距离,从图中可以看出,随孔隙比增加浆液扩散距离变大,反之随孔隙比减小浆液扩散距离明显减小.这是由于孔隙比减小导致扩散通道尺寸变小,水泥颗粒被滤出阻塞孔隙通道,浆液扩散终止.同样,随注浆压力减小,浆液输送能力变差,渗滤效应导致浆液扩散距离减小.
图7 浆液扩散距离分析(Ⅲ)(单位:cm)
其它试验条件相同情形下,不同孔隙比水泥浆液最大扩散距离相差3.2倍,不同压力水泥浆液最大扩散距离相差2.9倍.
3.3 强度分析
砂土结石体外观形态、破坏形态如图8～9所示.从图中可以看出,级配砂土内部结构非常复杂,局部区域颗粒细小密实度高,受渗滤效应影响浆液未有效填充.由渗滤效应导致的浆液分布不均衡性,直接决定了砂土结石体强度的不均衡性和离散性,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8 砂土结石形态分析
图9 破坏形态分析
表3 砂土强度测试结果 (单位:MPa)
砂层等多孔介质渗透注浆时,受吸附力、惯性力等作用浆液在砂土内部产生渗滤效应.基于Darcy渗流定律、质量守恒方程及线性滤过定律,对水泥颗粒的运移方程、浆液锋面速度及压力进行推导,分析了多孔介质渗滤效应的基本机理.采用矿渣、超细水泥进行了砂土注浆试验,发现水灰比、孔隙比及注浆压力对渗滤效应均有显著影响,不同水灰比、不同孔隙比、不同注浆压力下浆液最大扩散距离相差2～3倍.由渗滤效应导致浆液在砂层分布不均衡,直接决定了结石体强度的不均衡和离散性,一定程度上降低了注浆加固的效果.
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