李可良，許宏發(fā)，楊殷豪，趙良才

（1.陸軍工程大學 國防工程學院爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，江蘇 南京 210007；2.63850部隊，吉林 白城 137000）

引 言

我國南海諸島絕大多數(shù)是由珊瑚礁構成，礁體通常由松散無膠結或弱膠結的砂礫層（主要為鈣質砂）和固結成巖的次生或原生礁灰?guī)r層組成，厚達2 0 0 0 m以上，這些開發(fā)建設都避不開深厚的原狀或吹填鈣質砂地基。鈣質砂地基承載力低、變形大，限制了工程建設，因此對鈣質砂地基進行加固研究，具有重要的實踐意義。

鈣質砂是一種海洋生物（珊瑚、海藻、貝殼等）成因的，富含碳酸鈣或其他難溶碳酸鹽類物質（通常CaCO3含量5 0 %以上）的特殊巖土介質，其礦物成分主要為文石、白云石、方解石（含Mg＜1 %）和鎂方解石（含 Mg＞1 %）[1-8]。鈣質砂主要物質來源為造礁珊瑚、珊瑚藻及其他海洋生物的骨架殘骸在原地沉積或近源搬運沉積[6]，保留著原生生物骨架中的細小孔隙，顆粒具有多孔隙（含有內(nèi)孔隙）、形狀不規(guī)則、易破碎、易膠結等特點，其工程力學性質與一般陸相、海相沉積物相比，有較明顯的差異[2-4]。

我國南海的開發(fā)建設避不開深厚的原狀或吹填鈣質砂地基，而鈣質砂孔隙比高、壓縮性大、承載力低，因此，有必要深入研究其工程地質特性，正確認識和掌握其加固規(guī)律和方法。目前鈣質砂地基的加固方法主要有擾動加固（如夯實、擠密、振沖等）、原位加固（如微生物固化技術、注漿等）和樁基礎，傳統(tǒng)的擾動加固對提高鈣質砂地基承載力和抗?jié)B能力有限，微生物固化技術尚未進行工程應用，樁基礎施工機械復雜、成本高，而注漿技術是巖土工程中提高地基承載力和抗?jié)B性的有效加固方式，且施工簡單、成本低，已經(jīng)形成了非常成熟的理論和施工方法，但目前國內(nèi)外對鈣質砂注漿加固研究非常少[9-14]。

本文采用四種注漿材料，分別為復合硅酸鹽水泥、超細水泥、水玻璃-氯化鈣、超細水泥-水玻璃，對不同注漿材料的性能進行了試驗研究；進行了鈣質砂注漿試驗，分析了不同材料的可注性和固結體強度，比選了適合鈣質砂的注漿材料，為鈣質砂地基注漿加固提供了參考。

1 水泥類漿液性能

試驗用復合硅酸鹽水泥，為馬鞍山海螺水泥有限責任公司生產(chǎn)的P·C 32.5R水泥，超細水泥為山東康晶新材料科技有限公司生產(chǎn)的k1340型號超細灌漿水泥，采用Winner 2000激光粒度分析儀測試兩種水泥的顆粒粒度，分別見表 1、表 2，分布曲線如圖1，兩種水泥的基本物性指標見表3。

表1 復合硅酸鹽水泥顆粒粒徑分析

表2 超細水泥顆粒粒徑分析

表3 復合硅酸鹽水泥和超細水泥基本物性指標[15]

圖1 水泥顆粒粒徑分析及分布曲線

2 水玻璃-氯化鈣漿液性能

水玻璃原液模數(shù)3.1，波美度40，按公式1配成相應的波美度，具體濃度及配比見表 4。工程應用上通常是1:1雙液注漿，因此，水玻璃溶液和氯化鈣溶液各取50 ml，混合后，倒杯法測試凝膠時間，記錄見表5。

式中：

V0表示水玻璃原液體積；

A為其波美度值（°Bé）；

V水表示兌水體積；

B表示兌水稀釋后的波美度值（°Bé）。

表4 不同波美度溶液兌水與原液體積比

表5 不同配合比的水玻璃-氯化鈣溶液凝結時間記錄

從表5可知，當水玻璃濃度一定時，氯化鈣濃度低于4 %時，凝結時間在數(shù)分鐘至十幾分鐘，且濃度越低，時間越長；氯化鈣溶液濃度為5 %～10 %時，漿液瞬間凝結；氯化鈣濃度12 %以上時，漿液混合后，很快凝結成冰沙狀，攪拌1分鐘后，呈糊狀，不成形，靜置 24小時以上，狀態(tài)沒有改變；說明氯化鈣濃度5 %～10 %時，化學反應最充分，高于或低于此濃度，化學反應都會受抑制。當氯化鈣溶液濃度低于4 %且一定時，凝結時間隨水玻璃濃度先減小再增大，在30 °Bé時最小，說明30 °Bé時化學反應最充分。不同配比下，凝結體的強度較小，手捏就碎，故不做強度試驗。成模較好的凝結體（水玻璃濃度25 °Bé，氯化鈣濃度5 %）體積收縮較大，14 d抗壓強度才達到3 kPa，變形達20 %時仍不破壞，卸載時變形恢復，說明凝結體強度很小，具有很好的彈性。

3 超細水泥-水玻璃漿液性能

3.1 漿液凝膠時間

超細水泥漿液和水玻璃溶液各取 50 ml，混合后，倒杯法測試膠凝時間如表6。

表6 不同配合比的凝結時間記錄 /s

水灰比一定時，凝結時間隨水玻璃濃度變化情況如圖2（a）所示，水玻璃濃度一定時，凝結時間隨水灰比變化情況如圖2（b）所示。

圖2 不同配合比凝結時間變化

由圖2可知，超細水泥-水玻璃漿液的凝結時間隨水玻璃濃度和水泥漿液水灰比的變化規(guī)律很明顯，總體而言，當水玻璃濃度一定時，凝結時間隨水灰比的增大而增大。當水灰比一定時，凝結時間隨水玻璃濃度增大而增大。從注漿堵水的角度看，減小波美度可以縮短漿液凝結時間，達到加速止水目的，但注漿后結石體強度可能會變低；減小水灰比可以縮短凝結時間，但擴散范圍可能會變小。從注漿加固的角度看，增大波美度可以增大漿液凝結時間，從而漿液擴散更遠，但價格更高；增大水灰比可以增大凝結時間，從而漿液擴散更遠，但注漿后結石體強度可能降低。因此，實際工程，應根據(jù)地質環(huán)境，通過試驗確定漿液配比。

3.2 漿液凝結體抗壓強度

漿液凝結體強度是影響鈣質砂注漿后結石體強度的重要影響因素，配置3個濃度的水玻璃溶液和3個水灰比的超細水泥漿液，按體積比1:1混合后測試3 d和28 d抗壓強度，統(tǒng)計結果見表7。

表7 不同配比3 d和28 d抗壓強度統(tǒng)計

當水灰比一定時，凝結體抗壓強度隨水玻璃變化如圖3（a）所示，可知，當水灰比較小時（≤1.5），凝結體強度隨水玻璃濃度增大先升高后下降，在25 °Bé時達到最大；當水灰比較大時（=3），凝結體強度隨水玻璃濃度增大略微升高，說明超細水泥-水玻璃漿液反應時，水玻璃濃度存在一個較優(yōu)的濃度，大于或小于這個濃度，都會削弱凝結體強度。當水玻璃濃度一定時，凝結體抗壓強度隨水灰比變化如圖3（b）所示，可知，凝結體強度隨水灰比增大而下降，并且下降的速度先快后慢，這是因為超細水泥-水玻璃反應所需的水量一定，水灰比越大，凝膠體內(nèi)多余的水分就越多，反而削弱了凝膠體強度。隨時間的增長，凝結體強度增大，前期增長較快，后期增長較慢，3 d抗壓強度能達到28 d抗壓強度的32 %～91 %。

圖3 不同配合比超凝結體抗壓強度

4 不同注漿材料對鈣質砂加固試驗效果分析

4.1 試驗目的

采用上述4種注漿材料，分別對鈣質砂進行注漿加固，分析兩種水泥類漿液對鈣質砂的可注性，對不同注漿材料的鈣質砂固結體單軸抗壓強度進行比較，優(yōu)選出適合鈣質砂地基注漿加固的注漿材料，為鈣質砂注漿加固領域的理論研究和工程應用提供一定參考。

4.2 試驗裝置及操作

模擬實驗裝置如圖4所示，由空氣壓縮機、儲漿桶、模具、回漿桶組成，各裝置通過高壓軟管和閥門連接。空氣壓縮機提供注漿壓力；儲漿桶存放注漿液；模具由有機玻璃管（厚×直徑×高：5 mm×50 mm×100 mm）、上蓋、下蓋及緊固螺桿構成，鈣質砂注漿固結體生成裝置；回漿桶回收溢出的漿液。

操作時，先將有機玻璃管內(nèi)壁涂抹凡士林，下蓋上放透水石，再倒入鈣質砂，砂子上放濾片，將上蓋套好密封，擰緊螺桿，將配好的漿液倒入儲漿桶，通過高壓軟管將空氣壓縮機、儲漿桶、模具連接。該裝置不僅可以進行水泥類漿液可注性試驗，還可得到標準的鈣質砂固結體試塊進行強度分析。復合硅酸鹽水泥漿液和超細水泥漿液，只需要一個儲漿桶；水玻璃-氯化鈣漿液，先注水玻璃再注氯化鈣；超細水泥-水玻璃漿液，先注超細水泥漿液，再注水玻璃溶液。

圖4 鈣質砂注漿試驗裝置模型

4.3 試驗方案

試驗用鈣質砂來自我國南海某島礁，天然鈣質砂多為珊瑚碎枝，采用機械破碎，烘箱 10小時烘干后，用振篩機篩分，按《土的工程分類》（GB/T 50145-2007）[16]將砂粒分為粗砂（0.5 mm＜d≤2 mm）、中砂（0.25 mm＜d≤0.5 mm）和細砂（0.075 mm＜d≤0.25 mm）三組。在對比水泥類漿液可注性時，水灰比采用1.5和2，注漿壓力采用0.3 MPa和0.5 MPa，注漿過程中，軟管回漿桶處流出漿液時，結束注漿，如無漿液流出，保持注漿時間5 min后結束注漿。注漿完畢后，取下軟管清洗，觀察模具內(nèi)砂樣的注入效果。漿液充滿有機玻璃管認為是完全注入，漿液注入不到1 cm認為是完全不注入，漿液注入大于1 cm且小于10 cm認為是注入不充分。

選取特定工況，采用不同注漿材料進行鈣質砂注漿試驗，對不同注漿材料的鈣質砂固結體強度進行初步的分析和比較，為將來系統(tǒng)研究不同工況下各注漿材料對鈣質砂加固效果規(guī)律提供思路和參考。

4.4 水泥類漿液的可注性分析

根據(jù)試驗方案編組，對復合硅酸鹽水泥和超細水泥進行鈣質砂注漿試驗，各工況下的注入情況如表8所示。

表8 復合硅酸鹽水泥和超細水泥對鈣質砂的注入情況

表9 砂層可注性判定

多學者對砂層介質的可注性進行了深入研究，提出了相應的判定參數(shù)和標準，見表 9，這些研究主要是通過被注介質孔隙直徑與注漿材料粒徑的關系比來確定，當注漿液顆粒尺寸與介質孔隙相比較小時，則能注入，反之則不能注入。從表 1、2可以看出超細水泥顆粒比復合硅酸鹽水泥更細，說明超細水泥對鈣質砂注漿具有更好的可注性，表 8試驗結果給出了驗證。

結合表1、2和表8、9可知，對于復合硅酸鹽水泥漿液，注入粗砂時，有D15/d85=14，D10/d90=11，D10/d95=8，查表9可注，實際在注漿壓力0.3 MPa時，注入不充分，在注漿壓力0.5 MPa時，完全注入；注入中砂時，有D15/d85=6，D10/d90=5，D10/d95=5，查表4-2不可注，實際不可注。對于超細水泥漿液，注入粗砂時，有D15/d85=77，D10/d90=58，D10/d95=44，查表9可注，實際可注；注入中砂時，有D15/d85=36，D10/d90=28，D10/d95=21，查表9可注，實際在水灰比為1.5時，注入不充分，在水灰比為2時，完全注入；注入細砂時，有D15/d85=12，D10/d90=9，D10/d95=7，查表9不可注，實際不可注。上述分析表明，當鈣質砂孔隙直徑和注漿液粒徑比滿足表 9不可注的標準時，實際注漿不管多大壓力和多大水灰比，都是不可注，說明鈣質砂孔隙直徑和注漿液粒徑比是可注性的決定因素；當鈣質砂孔隙直徑與注漿液粒徑之比滿足表9可注的標準時，比值越大，越容易注入，當比值較小時，還受漿液水灰比和注漿壓力的影響，水灰比和注漿壓力越大，注入越充分，說明文獻[20]中的標準考慮因素更多，更符合注漿實際，可作為鈣質砂可注性的參考。

4.5 不同注漿材料的鈣質砂固結體強度分析

在特定工況下，對3種不同注漿材料進行鈣質砂注漿加固試驗，測試鈣質砂固結體7 d強度，結果見表10。鈣質砂注漿前抗壓強度很小，可視為0，注漿后，鈣質砂固結體強度得到大幅提高，結石體7 d抗壓強度最高能達到1.096 MPa。從表10可以看出，對于同一種砂樣的固結體，超細水泥-水玻璃＞超細水泥＞水玻璃-氯化鈣；超細水泥注漿后固結體強度明顯高于水玻璃-氯化鈣注漿后固結體強度，前者是后者的7～8倍；超細水泥-水玻璃注漿后固結體強度比超細水泥注漿后固結體強度高23 %～62 %；三種不同的注漿材料，對中砂的固結體強度都要大于粗砂的固結體強度，這是因為中砂比粗砂孔隙少，顆粒之間更加緊密，接觸面更過，通過漿液的粘結后強度更高。

表10 不同注漿材料的鈣質砂固結體7 d抗壓強度

5 結 語

對于水泥類注漿材料，超細水泥在可注性和強度方面都優(yōu)于復合硅酸鹽水泥，因此可以優(yōu)先考慮超細水泥作為注漿液，不過超細水泥價格要高于復合硅酸鹽水泥。對于水玻璃-氯化鈣，因為是真溶液，理論上可以注入任何顆粒粒徑的鈣質砂中，水玻璃-氯化鈣凝結時間快，但結石體強度不高，可用于臨時加固和防滲堵漏。超細水泥-氯化鈣漿液具有凝結時間快、強度較大的特點，即可應用于臨時加固，也可用于永久加固。

綜上所述，超細水泥在鈣質砂注漿加固方面效果最好，下一步，可以利用超細水泥作注漿液，對鈣質砂進行注漿加固研究，分析不同漿液參數(shù)（如水灰比）、注漿參數(shù)（如注漿壓力）、地層參數(shù)（如顆粒粒徑、級配、孔隙率、滲透系數(shù)等）、注漿方法等條件下，鈣質砂注漿結石體力學性能變化規(guī)律，并可開展數(shù)值分析，為鈣質砂注漿加固領域的理論研究和工程實踐提供參考。