孔魯志，杜 俊，周衛(wèi)霞

(昆明學(xué)院 城鄉(xiāng)建設(shè)與工程管理學(xué)院，昆明 650214)

1 概 述

注漿是將一定材料配制成漿液，用壓送設(shè)備將其灌入地層或縫隙內(nèi)使其擴(kuò)展、凝膠或固化，以達(dá)到加固地層或防滲堵漏的目的，特別是在地下綜合加固處治中應(yīng)用廣泛。但是在現(xiàn)場(chǎng)注漿施工過(guò)程中，漿液的流動(dòng)是在被注介質(zhì)內(nèi)部的，很難觀測(cè)到漿液的運(yùn)動(dòng)和分布情況，隱蔽性和不確定性是注漿工程最大的特點(diǎn)，這就使得注漿設(shè)計(jì)和施工存在很大程度的盲目性和局限性。同時(shí)，較多的影響因素也制約了注漿技術(shù)的快速發(fā)展，如注漿材料、注漿器具、施工人員素質(zhì)等。然而在眾多因素中，是否考慮漿液空間流態(tài)的變化這一特性是注漿技術(shù)能否在實(shí)踐工程中取得突破和發(fā)展的關(guān)鍵之一[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)注漿理論進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，建立起一系列滲透注漿理論。Maag[2]應(yīng)用達(dá)西定律作為物理方程推導(dǎo)出漿液在砂層中球形滲透擴(kuò)散的經(jīng)驗(yàn)公式。楊秀竹[3]推導(dǎo)出賓漢體漿液在均質(zhì)砂土中進(jìn)行滲透注漿時(shí)漿液有效擴(kuò)散半徑公式。楊志全[4]建立的黏度時(shí)變性賓漢流體滲流方程等。眾多學(xué)者雖然在注漿理論研究方面取得一定成果，但是由于被注介質(zhì)的地質(zhì)情況復(fù)雜，試驗(yàn)研究人員所模擬的被注介質(zhì)并不一定具有廣泛的代表性，加之試驗(yàn)結(jié)果不可避免地要受到試驗(yàn)操作步驟、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理誤差等因素的影響，所以這些經(jīng)驗(yàn)公式有一定的局限性，阻礙了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用推廣[5-6]。雖然很多學(xué)者對(duì)漿液的加固機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，但是他們?cè)谘芯恐袑?duì)漿液空間流態(tài)的考慮仍顯不足。本研究旨在設(shè)計(jì)一套室內(nèi)注漿模型，深入研究漿液在被注介質(zhì)中的流動(dòng)擴(kuò)散機(jī)理，以期研究成果對(duì)有關(guān)工程予以理論支撐，減少水泥漿液損耗，降低不合理因素對(duì)注漿效果的影響，提高施工質(zhì)量及工程經(jīng)濟(jì)效益。

2 水泥漿流變?cè)囼?yàn)

注漿過(guò)程中水泥漿處于液相流動(dòng)狀態(tài)，確定其控件分布是建立注漿擴(kuò)散模型的前提。因此，本文對(duì)純水泥漿液空間流態(tài)的變化規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)中所采用的注漿材料為水灰比W/C=0.8的純水泥漿液，漿液黏度為30·103·Pa·s，密度1.59 g/cm3，初凝時(shí)間11 h 10 min，結(jié)石率95%。

本實(shí)驗(yàn)采用3種不同粒徑的砂石進(jìn)行混合作為被注介質(zhì)，共配置4組；各組級(jí)配配比及基本數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2，各組級(jí)配混合特征見(jiàn)圖1。

表1 各組混合級(jí)配配比

表2 各組混合級(jí)配基本數(shù)據(jù)

圖1 各組混合級(jí)配混合特征

2.2 室內(nèi)注漿模型實(shí)驗(yàn)裝置

為了觀測(cè)注漿時(shí)漿液的流動(dòng)情況，研究水泥漿液在礫石土層中的注漿機(jī)理，設(shè)計(jì)本次室內(nèi)注漿模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)采用有壓氮?dú)馓峁┳{壓力，有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱中存放被注介質(zhì)，二者之間由儲(chǔ)漿容器連接，見(jiàn)圖2。供壓裝置、儲(chǔ)漿容器、試驗(yàn)箱3部分組成一個(gè)統(tǒng)一整體，試驗(yàn)原理構(gòu)造圖見(jiàn)圖3。

圖2 注漿模擬試驗(yàn)裝置

注:①-試驗(yàn)箱體；②-被注介質(zhì)；③-注漿管；④-加筋軟管；⑤-儲(chǔ)漿容器；⑥-水泥漿液；⑦-注漿閥門；⑧-電子臺(tái)秤；⑨-氮?dú)馄块y門；⑩-氮?dú)馄?/p>

2.3 室內(nèi)模擬注漿試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)方法，綜合考慮被注介質(zhì)的孔隙特征(k)、注漿壓力(P)、注漿管間距(D)等參數(shù)對(duì)試驗(yàn)的影響，結(jié)合正交表制定出雙管單孔注漿試驗(yàn)方案，詳見(jiàn)表3。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

3 試驗(yàn)分析與討論

3.1 雙管注漿空間流態(tài)分析

雙管注漿試驗(yàn)共得到16個(gè)試樣，選取部分代表性漿液擴(kuò)散結(jié)石體及流型圖，見(jiàn)圖4。圖4中，紫色陰影部分為1號(hào)管、2號(hào)管所注漿液相互影響相互膠結(jié)的結(jié)石體，紅色部分為1號(hào)管所注漿液的擴(kuò)散流態(tài)，綠色部分為2號(hào)管所注漿液的擴(kuò)散流態(tài)。

為此,本文考慮了路由空洞問(wèn)題,并提出基于時(shí)延要求的抑制路由空洞的地理位置路由DG-SHGR(Delay-Guaranteed-based Suppressing Hole Geographic Routing),進(jìn)而解決上述的兩個(gè)問(wèn)題。DG-SHGR路由的主要目的在于預(yù)先檢測(cè)路由空洞,然后再合理地選擇路由。

圖4 代表性結(jié)石體及流型圖

雙管注漿過(guò)程中，漿液在被注介質(zhì)中形成兩種空間流態(tài)。第一種空間流態(tài)，當(dāng)注漿管間距較小或被注介質(zhì)滲透系數(shù)K較大或注漿壓力較大時(shí)，兩管所注漿液會(huì)相互影響并形成一個(gè)完整的結(jié)石體；該結(jié)石體整體呈橢球形或柱形。第二種空間流態(tài)，當(dāng)注漿管間距較大或被注介質(zhì)滲透系數(shù)K較小或注漿壓力較小時(shí)，兩管所注漿液便有可能不會(huì)產(chǎn)生相互影響并形成兩個(gè)單獨(dú)的結(jié)石體。這兩部分結(jié)石體的空間流態(tài)與水泥漿液滲透擴(kuò)散理論中的球形擴(kuò)散和柱形擴(kuò)散原理基本吻合。

3.2 有效注漿量分析

在本實(shí)驗(yàn)中，試驗(yàn)1、試驗(yàn)2、試驗(yàn)3、試驗(yàn)5、試驗(yàn)6、試驗(yàn)8、試驗(yàn)9、試驗(yàn)11、試驗(yàn)12、試驗(yàn)15和試驗(yàn)16中的左右兩部分有膠結(jié)現(xiàn)象。為了找到形成結(jié)石體的有效注漿量，將左右兩管注漿相互影響的區(qū)域進(jìn)行定義，見(jiàn)圖5(a)中紫色陰影部分。

設(shè)圖5(a)中左邊1號(hào)管所注漿液形成的結(jié)石體的有效擴(kuò)散半徑為r1，右邊2號(hào)管所注漿液形成的結(jié)石體的有效擴(kuò)散半徑為r2，r1、r2均可測(cè)得，已知1、2號(hào)管的管間距為D。則定義有效注漿量為Q′，那么確定有效注漿量的公式如下：

(1)

式中：h為兩注漿管相互影響部分的高度；1.59為水灰比W/C=0.8的水泥漿液的密度1.59 g/cm3。當(dāng)r1+r2≤D即兩注漿管所注漿液形成的空間流態(tài)為一個(gè)整體時(shí)，Q′取0；當(dāng)r1+r2>D即兩注漿管所注漿液為兩個(gè)獨(dú)立部分時(shí)，Q′取正常計(jì)算值。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果見(jiàn)表4。

圖5 典型試驗(yàn)的漿液擴(kuò)散

表4 各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.3.1 有效注漿量Q′的數(shù)據(jù)分析

Q′=0.02133P0.81789119K-0.33040680D5.38356692

(2)

F=4.1362，R2=0.9738

由此得到式(2)是顯著的，從復(fù)相關(guān)系數(shù)也能得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果與影響因素之間的線性關(guān)系也是非常密切的。影響有效注漿量最為顯著因素是注漿管孔間距，其次是注漿壓力，砂石滲透系數(shù)對(duì)有效注漿量的影響相對(duì)較小。

3.3.2 漿液擴(kuò)散半徑r1、r2數(shù)據(jù)分析

將表4中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，即可得到漿液擴(kuò)散半徑r1、r2與注漿壓力P、混合級(jí)配砂石滲透系數(shù)K、注漿管間距D之間的關(guān)系為：

r1=4.45388P0.185471K0.787952D-1.048710

(3)

F=0.7220，R2=0.7199

由此得到式(3)是顯著的，從復(fù)相關(guān)系數(shù)也能得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果與影響因素之間的線性關(guān)系也很密切。影響水泥漿液擴(kuò)散半徑r1最為顯著因素是砂石滲透系數(shù)，而注漿壓力和注漿管間距對(duì)漿液擴(kuò)散半徑r1影響相對(duì)較小。

r2=0.73701P1.525302K-0.535416D1.284324

(4)

F=1.1223，R2=0.8607

由此得到式(4)是顯著的，從復(fù)相關(guān)系數(shù)也能得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果與影響因素之間的線性關(guān)系密切。影響水泥漿液擴(kuò)散半徑r2最為顯著因素是注漿壓力和注漿管間距，而砂石滲透系數(shù)對(duì)漿液擴(kuò)散半徑r2影響相對(duì)較小。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)水泥漿液在礫石土層中的注漿開(kāi)展一系列相關(guān)的試驗(yàn)研究，對(duì)屬于賓漢姆流體的水泥漿液雙管注漿的空間流態(tài)進(jìn)行了分析，取得一些具有理論意義和實(shí)用價(jià)值的成果，具體歸納如下：

1) 雙管注漿過(guò)程中，漿液在被注介質(zhì)中形成兩種空間流態(tài)。第一種空間流態(tài)，雙管注漿形成一個(gè)完整的結(jié)石體，該結(jié)石體整體呈橢球形或柱形；第二種空間流態(tài)，兩管注漿形成兩個(gè)單獨(dú)的結(jié)石體。

2) 通過(guò)對(duì)注漿試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析，得到注漿壓力、漿液耗散量、礫石土層滲透系數(shù)、漿液擴(kuò)散半徑、注漿管間距等注漿參數(shù)之間的定量關(guān)系式：

Q′=0.02133P0.81789119K-0.33040680D5.38356692

r1=4.45388P0.185471K0.787952D-1.048710

r2=0.73701P1.525302K-0.535416D1.284324

本研究通過(guò)進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)和模擬試驗(yàn)，得到可以減小施工過(guò)程中漿液耗散、降低施工成本的經(jīng)驗(yàn)公式，從而為現(xiàn)場(chǎng)注漿施工過(guò)程提供了一定的理論支持，可以有效提高施工效率，減少注漿現(xiàn)場(chǎng)施工的隱蔽性和不確定性對(duì)工程安全帶來(lái)的影響。