粉質(zhì)黏土注漿試驗(yàn)研究.docx

石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào) ( 自 然 科 學(xué) 版 )第 26 卷 增刊Vol26SuppJOUNAL OF SHIJIAZHUANG TIEDAO UNIVESITY ( NATUAL SCIENCE)2013 年 9 月Sep 2013粉質(zhì)黏土注漿試驗(yàn)研究 徐恒國( 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司 城交院，北京100055)摘要: 結(jié)合具體工程，進(jìn)行室內(nèi)和現(xiàn)場注漿試驗(yàn)，通過試驗(yàn)研究粉質(zhì)黏土地層條件下注漿加固機(jī)理，注漿加固可行性及相應(yīng)的注漿工藝和參數(shù)。以便安全順利施工，并為類似工程提供借 鑒。關(guān)鍵詞: 粉質(zhì)黏土; 注漿機(jī)理; 劈裂注漿; 現(xiàn)場試驗(yàn); 注漿工藝1工程概況本工程為南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程 ( 北京段) 惠南莊大寧段 PCCP 管道工程穿京石高速淺埋暗挖工程，現(xiàn)采取兩聯(lián)單洞方式穿越高速公路，穿越樁號為 HDG48 + 295 714 HDG48 + 364 713，長為 69 m，與 PCCP 輸水干線呈 79夾角，接近正交，兩洞中心間距 10 85 m，結(jié)構(gòu)頂覆土深 4 5 m 左右。在該項(xiàng)工程中，超前小導(dǎo)管注漿作為淺埋暗挖施工技術(shù)的主要輔助施工措施，其施工質(zhì)量將直接影響到本工程的施工質(zhì)量和安全。為保證本項(xiàng)工程施工過程中的注漿質(zhì)量及施工安全，要求施工單位嚴(yán)格 按照本技術(shù)要求進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿試驗(yàn)，通過試驗(yàn)分析研究粉質(zhì)黏土地層條件下注漿加固機(jī)理，提出該特殊地層注漿加固可行性及相應(yīng)的注漿工藝和參數(shù)，以便安全順利施工。2室內(nèi)試驗(yàn)通過地質(zhì)勘測報(bào)告，該段地層為粉質(zhì)黏土，上下分為兩層，上層為褐黃色粉質(zhì)黏土( 黃色土) ，下層為灰色粉質(zhì)黏土( 黑色土) 。2 1室內(nèi)原狀土實(shí)驗(yàn)進(jìn)行原狀土室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，主要目的是確定其物理力學(xué)參數(shù)和可注性，進(jìn)而結(jié)合經(jīng)驗(yàn)為確定適合該地層 合理漿液配比方案。嚴(yán)格按照室內(nèi)實(shí)驗(yàn)規(guī)范和要求，在室內(nèi)測量了這兩種土的干密度、孔隙率、含水率、滲透系數(shù)、壓縮模 量、粘聚力和內(nèi)摩擦角。其結(jié)果如下表 1 所示。表 1原狀土基本物理力學(xué)特性指標(biāo)土樣 干密度 / ( gcm 3 )滲透系數(shù) / ( 10 5 cms 1 )粘聚力 / kPa 內(nèi)摩擦角 / ( )孔隙率含水率壓縮模量 / MPa黃色土黑色土1 711 620 370 4123 2026 706 156 8310 467 0724 0223 8216202 2室內(nèi)注漿材料配比試驗(yàn)根據(jù)原狀土基本物理力學(xué)特性指標(biāo)和注漿機(jī)理分析，確定注漿該地層注漿主要機(jī)理為滲透和劈裂擠 密共同作用加固土體降低滲透性。漿材配比主要目的是根據(jù)土性配比合適漿材，以其達(dá)到上述目的。( 1) 漿材配方設(shè)計(jì)?？紤]對漿液凝膠時(shí)間、強(qiáng)度和耐久性等參數(shù)，研究超細(xì)水泥和普通水泥的不同水灰比以及改性水玻璃及兩者構(gòu)成的雙液漿配比，優(yōu)化現(xiàn)場試驗(yàn)方案。各種材料配合比試驗(yàn)如下: 水灰比(W / C ) ，普通水泥 1 51，1 1，0 6 1，超細(xì)水泥 2 1，1 5 1，1 25 1，1 1，0 8 1，0 6 1，TGM1，1 1，0 6 1，超 細(xì) 水 泥 + 水 玻 璃 1 5 1，1 0 1，0 6 1，改 性 水 玻 璃 30%H2 SO4 ，特種水泥 1 2Na2 SiO3 ，( 30Be) ; 雙液體積比 ( c / s) ，超細(xì)水泥 + 水玻璃 1 1，改性水玻璃 11。( 2) 各種漿材綜合性分析。通過室內(nèi)對各種材料進(jìn)行的物理力學(xué)性能測試，認(rèn)為: TGM 特種水泥是收稿日期: 2013 08 15增刊徐恒國: 粉質(zhì)黏土注漿試驗(yàn)研究269一種早強(qiáng)、耐久性好、凝結(jié)時(shí)間可調(diào)、可操作性強(qiáng)的注漿材料，可用于各種注漿工程; 超細(xì)水泥強(qiáng)度高、耐久性好、可操作性強(qiáng)，可用于對早期強(qiáng)度不高的注漿工程; 普通水泥的強(qiáng)度適中、耐久性達(dá)到要求，可用于 對早期強(qiáng)度不高、地層孔隙率大的注漿工程; 水泥-水玻璃注漿材料具有一定的早期強(qiáng)度，凝結(jié)時(shí)間可調(diào)， 但耐久性差，僅適合于臨時(shí)封堵或臨時(shí)加固注漿; 改性水玻璃的強(qiáng)度很低，漿液膠凝時(shí)間不易正確控制， 僅適用于對強(qiáng)度要求不高的地層滲透注漿，不適用于加固地層。3現(xiàn)場注漿試驗(yàn)3 1注漿孔的布置及深度注漿導(dǎo)管應(yīng)按設(shè)計(jì)要求布置，導(dǎo)管長 3 0 m，環(huán)向間距 0 3 m，縱向間距 1 m，外插角 7 15，小導(dǎo)管 外露 20 cm 以利于安設(shè)注漿管路。有效注漿范圍厚度不小于 1 m。為了使?jié){液擴(kuò)散后相互重疊，成為一 個(gè)整體，漿液擴(kuò)散半徑應(yīng)不小于 0 3 m，注漿導(dǎo)管取直徑 32( 外徑) 進(jìn)行試驗(yàn)。隧道成拱在黃色土層，所 處位置比較特殊，工程中安全性要求比較重要，所以在黃土層布設(shè)了 16 個(gè)試驗(yàn)孔，相鄰兩孔注入同類漿 液，進(jìn)行所有 8 類漿液現(xiàn)場試驗(yàn); 為了節(jié)省時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，在黑土層、黃土和黑土交界處各布設(shè)了 10 個(gè)試驗(yàn) 孔，進(jìn)行部分漿液的試驗(yàn)。注漿材料配比根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合地層條件，選取采用的注漿材料有: TGM( 超細(xì)水泥級) 漿、改性水玻璃漿液，超 細(xì)水泥-水玻璃漿液或超細(xì)水泥漿或其它漿液作為試驗(yàn)用注漿材料。黃土區(qū)域注漿材料為: 普通水泥、普 通水泥、TGM( 加固型) 、TGM、改性水玻璃、超細(xì)水泥 + 水玻璃、普通水泥 + 水玻璃共七種漿材，超細(xì)水 泥的水灰比為 1 1 和 1 25 1 兩種配方，其余均為 1 1; 黑土區(qū)的漿液配方為: 超細(xì)水泥、TGM( 加固 型) 、TGM、普通水泥 + 水玻璃共四種漿材，水灰比均為 1 1; 過渡區(qū)漿材配方為: 超細(xì)水泥、TGM( 加固3 2型) 、TGM、普通水泥、普通水泥 + 水玻璃共五種漿材，水灰比均為 13 3注漿壓力控制根據(jù)現(xiàn)場的施工情況和原狀土的基本物理力學(xué)指標(biāo)，將注漿壓力控制在 0 1 0 5 MPa 之間。1。3 4注漿土樣室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果及分析根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮同F(xiàn)場注漿情況共取了 17 組土樣，進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)性能試驗(yàn)，以檢測本次試驗(yàn)的注漿效果。其詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果如表 2 所示。表 2 試驗(yàn)結(jié)果表干密度 /( gcm 3 )滲透系數(shù) 10 6壓縮模量Es1 2 / MPa粘聚力 /kPa內(nèi)摩擦角 / ( )土樣注漿材料孔隙率含水率黃色土原狀土超細(xì)水泥普通水泥 + 水玻璃改性水玻璃普通水泥超細(xì)水泥 + 水玻璃TGM( 加固)1 711 751 771 711 761 781 790 370 330 330 280 350 310 3123 221 322 422 422 721 1220 361 521 3319 1510 2523 6518 795 8310 4618 6920 221 2316 2522 3222 4724 0233 2527 9027 2128 9833 7838 6316131718171619 TGM 1 74 0 33 20 5 10 35 21 05 34 80 18 黑色土原狀土超細(xì)水泥普通水泥 + 水玻璃TGM( 加固)1 621 641 651 670 410 40 380 3826 725 825 521 668 326 8320 156 837 078 449 39 8123 8226 8232 3229 9020172016 TGM 1 64 0 39 23 5 12 15 9 05 26 98 20 過度土層超細(xì)水泥普通水泥 + 水玻璃TGM( 加固)TGM1 651 681 681 670 360 380 380 3723 522 622 822 723 8516 838 8110 2313 4513 8912 9013 7829 8532 8140 0535 2616191617通過試驗(yàn)結(jié)果分析表可以很清晰的看出，不同的注漿材料對于改善土體的指標(biāo)效果不盡相同，但是各種注漿對地層改善都有一定的效果，說明在該土層注漿具有可注性，大體總結(jié)如下:( 1) 在注入不同材料的漿液以后，土體的內(nèi)摩擦角變化差距較小，但粘聚力的差異較大。270石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版)第 26 卷( 2) TGM( 加固) 水泥可以較好改善土體的密實(shí)程度，其加固效果和抗?jié)B效果也很好。( 3) 普通水泥 + 水玻璃材料對于加固土層和增加土的壓縮模量效果較 TGM 水泥性相比差距不大，但是對于改善土體的滲透性效果較 TGM 水泥要差，同時(shí)，超細(xì)水泥的改善效果好于普通水泥。( 4) 單純注入改性水玻璃漿液，對于土體的抗?jié)B能力有較大改善，但是對于加固土體來說效果不好，因此，其綜合性較其它漿液差。4粉質(zhì)黏土注漿特性分析從這次注漿試驗(yàn)結(jié)果看，在粉質(zhì)黏土地層中注漿，漿液進(jìn)入地層的方式以及改善地層的性能的機(jī)理，與砂質(zhì)地層、松散顆粒結(jié)構(gòu)地層是不同的，粉質(zhì)黏土地層中土顆粒很小，滲透系數(shù)在 10 cm 4 / s 級以下，因此，漿液靠滲透機(jī)理是無法滲入地層的，漿液都是在壓力的作用下，以劈裂擠密的形式進(jìn)入地層，形成支條狀的漿脈，在地層中硬化，這次試驗(yàn)也證實(shí)了這種現(xiàn)象。下面對本次注漿試驗(yàn)作詳細(xì)分析。4 1粉質(zhì)黏土地層注漿機(jī)理現(xiàn)場注漿試驗(yàn)過程中記錄了注漿壓力和注漿時(shí)間，各種漿液配方的其 P-t 圖線基本一致如圖 1 所示。根據(jù)圖 1 分析粉質(zhì)黏土地層 注漿機(jī)理為劈裂擠密 注漿，其機(jī)理大致可以分為以下 3 個(gè)階段:( 1) 鼓泡壓密階段。漿液進(jìn)入土體形成漿泡并向外擴(kuò)張，使?jié){ 泡 在 土體中引起復(fù)雜的徑向和切向應(yīng)力變 化，緊靠漿泡處的土體受到嚴(yán)重的破壞和剪切，形 成 塑性變形區(qū)，使 土 體 擠 密。剛 開 始 注 漿，漿液所具備的能 圖 1 P-t 曲線量不大，不能劈裂地層，漿液聚集在注漿管孔附近，形成橢球形泡體擠壓土體，其壓力曲線正如上圖所示，曲線的初始部分吃漿量少，而壓力增長快，說明土體尚未裂開，曲線中的第一個(gè)峰值壓力即為啟裂壓力。啟裂壓力前的曲線段稱為鼓泡壓密階段( 與壓密注漿相似) 。( 2) 劈裂階段。漿液在注漿壓力作用下，先后克服地層的初始應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度，使其沿垂直于小主應(yīng) 力的平面上發(fā)生劈裂，漿液由此進(jìn)入，擠密土體，并與土體發(fā)生物理和化學(xué)作用，形成復(fù)合土體的漿脈。( 3) 被動(dòng)土壓力階段。通過前兩階段的作用，土體得到初步加固，土中的軟弱面，孔隙及裂隙都被填 充滿，此時(shí)漿液在較高壓力作用下，克服土的被動(dòng)土壓力，擠密土體使其固結(jié)，同時(shí)漿脈周圍的土體也被 壓密，最終形成了以漿脈網(wǎng)絡(luò)為骨架的復(fù)合土體。注入地層的漿液最初是聚集在注漿口附近，沿注漿管 形成直徑粗細(xì)相間的不規(guī)則柱體。當(dāng)注漿壓力達(dá)到一定程度，漿液就沿地層的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生劈裂流動(dòng)。漿液劈裂流動(dòng)方向總是發(fā)生在阻力最小的應(yīng)力面上，由于正常固結(jié)土和欠固結(jié)土地基的小主應(yīng)力是水平向 的，因此初始劈裂主要是沿水平方向發(fā)展; 隨著灌漿壓力增大，則水平應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)化為被動(dòng)土壓力狀態(tài)， 這時(shí)最大主應(yīng)力基本呈水平向的，劈裂開始向豎直方向發(fā)展。漿液凝固后從整體上加強(qiáng)了土體，增加了 土體的抗剪強(qiáng)度。裂縫發(fā)展到一定程度，注漿壓力又重新上升，地層中大小主應(yīng)力方向發(fā)生變化，水平向主應(yīng)力轉(zhuǎn)化為 被動(dòng)土壓力狀態(tài)( 即水平主應(yīng)力為最大主應(yīng)力) ，這時(shí)需要有更大的注漿壓力才能使土中裂縫加寬或產(chǎn)生 新的裂縫，出現(xiàn)第二個(gè)壓力峰值。被動(dòng)土壓力階段是劈裂注漿加固土地基的關(guān)鍵階段，垂直劈裂后大量注漿，使小主應(yīng)力有所增加，縮 小了大小主應(yīng)力間的差別，提高了土體穩(wěn)定性。4 2粉質(zhì)黏土地層注漿可行性分析根據(jù)所進(jìn)行的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)認(rèn)為，在此類地層注漿能夠注入，對地層條件有所改善，通過注漿 這種手段來配合隧道的掘進(jìn)是可 行 的，但注漿加固效果有限，漿液注入仍有一定難度，難以達(dá)到預(yù)期效 果，因此注漿不能作為單一的措施使用，在掘進(jìn)中應(yīng)采用多種綜合措施，及時(shí)封閉、支護(hù)錨桿、格柵、鋼拱、 及時(shí)襯砌等方能確保工程的順利進(jìn)行。通過試驗(yàn)研究，得出如下主要結(jié)論:( 1) 粉質(zhì)黏土地層通過注漿方法加固地層是可行的，加固機(jī)理以劈裂、擠壓地層為主。增刊徐恒國: 粉質(zhì)黏土注漿試驗(yàn)研究271( 2) 雖然注漿對地層能有一定的加固效果，但土體穩(wěn)定性提高的幅度不大，注漿后土層的持久性不是很好; 所以，注漿加固手段可以使用，但必須結(jié)合其它手段綜合使用。( 3) 注漿材料的選擇不一定過細(xì)，但要強(qiáng)調(diào)早強(qiáng)，因此材料首推 TGM 特種灌漿材料，其次是普通水 泥，再其次是超細(xì)水泥，而水玻璃不適宜。( 4) 注漿工藝上壓力應(yīng)適中，不宜過高，施工時(shí)一定要短進(jìn)尺。4 3粉質(zhì)黏土地層注漿材料、工藝、參數(shù)建議綜上所述，在粉質(zhì)黏土地層的注漿，有一定難度，其工藝和材料都具特殊性。首先，工藝上宜采用中壓、短進(jìn)尺、孔間距不宜過大注漿較為有利，其原因是此類地層自穩(wěn)能力較差，需在短時(shí)間內(nèi)及時(shí)支護(hù)，故不宜進(jìn)行長臂注漿，而應(yīng)以短管注漿，開挖時(shí)預(yù)留止?jié){段，此外，中壓注入也是考慮到地層的適應(yīng)能力而 提出的，從現(xiàn)場試驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn)，壓力過大時(shí)，容易形成跑漿、串漿、劈裂紋脈細(xì)長且不均勻。只要材 料選擇得適當(dāng)，壓力無須過高，同樣可以注入; 而注漿壓力過高則有可能造成對土體的擾動(dòng)，使地層結(jié)構(gòu) 破壞，形成新的滲水通道。當(dāng)采用中壓注漿時(shí)對地層的推動(dòng)力不大，不會(huì)嚴(yán)重跑漿，當(dāng)注漿量達(dá)到預(yù)計(jì)范 圍后即可停止注漿，從堵水加固來講，采用上述方法應(yīng)該更加有利。其次是關(guān)于材料的選擇，材料不僅可 注性要好，還要有一定的早期強(qiáng)度。通過現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)后認(rèn)為: 所選擇的幾種注漿材料中以 TGM 特種灌漿材料為首選，其次是普通水泥，最后可選超細(xì)水泥。由于此類地層的特殊性，