砂砾石层可灌性分析与探讨

王立彬 燕 乔 毕明亮

(三峡大学土木水电学院 湖北宜昌 443002)

1 研究背景

对砂砾石坝基进行防渗灌浆处理,首先要了解砂砾石层的可灌性。对于地层可灌性的研究,早在上世纪50年代,美国土木工程师学报上发表的S.J.Johnson文章,用 “可灌比值”判断地层的可灌性。到目前为止,用 “可灌比值M”判断地层可灌性意见尚未统一:Mitehell[1、2]认为M ≥25才能保证灌浆成功,且认为若M＜11,则水泥浆液不能用来灌注该地层;若11≤M＜19,则认为水泥浆液可能不能用来灌注该土壤。King和Bush认为[3]只有M≥16,才能保证灌浆成功。Bell[4]认为要保证水泥灌浆成功,水泥浆液颗粒直径必须不大于土壤D10颗粒直径的1/10。对以 “可灌比值”判断地层可灌性的差异,张文倬[5指出其主要原因是:(1)可灌比值仅表示被灌地层与灌浆材料颗粒之间几何关系,若以颗分曲线表示则二者都只是一个点,而通过该点可以有性质不同的曲线族,当可灌比值相同时,未能完全反映某一曲线的性质;(2)可灌比值未包含灌浆作业的主要因素,如设计指标 (灌浆后达到的防渗标准)、灌浆压力及浆液在孔隙中流动的阻力、施工工艺水平等。张作媚[6]指出除可灌比值外,尚有其它一些因素如浆液流变性和水力破坏现象等也影响砂砾石的可灌性。文献[7]指出可灌性的含义应该是,具有防渗加固作用的浆体的流动性和稳定性的综合效应,凡是影响浆体流变特征和稳定性的因素都影响着浆体的可灌性。而张文倬[8]指出若要较好地反映地层的可灌性,则它至少是可灌比值M、防渗标准 、灌浆压力P与地层中浆液流动阻力τ等主要因素的隐函数,即 ,然而未就此进行深入研究。

本文在前人研究的基础上,将明确砂砾石层可灌性的概念及其影响因素,综合考虑地质特性、浆液性能、灌浆压力以及防渗标准等重要因素,从多角度分析砂砾石层的可灌性,在此基础上,建立砂砾石层可灌性准则,为今后砂砾石层灌浆提供技术指导。

2 可灌性定义

可灌性是指砂砾石地层能接受灌浆材料灌入的一种特性。到目前为止可灌性还没有一个完整的定义,一般都以可灌比值来表述地层的可灌性。传统的可灌性只包括了浆液能否被灌进介质的能力,而对浆液在介质内的渗透性却似乎关注不够,实际上这很重要。这里综合考虑地质特性、浆液性能、灌浆压力以及防渗标准等重要因素,从实用性的角度将可灌性定义为:在确定被灌砂砾石层地质条件的前提下,在一定的灌浆压力作用下,所选适宜浆液渗透到其地层内的能力和浆液在其地层内的渗透能力,以及灌后其地层所能达到的防渗标准的能力。很显然,砂砾石层的可灌性是决定灌浆效果的先决条件。

判定砂砾石层的可灌性时要综合考虑以上各个因素,不能把它们相互孤立分割,忽略了任何一个因素来分析其可灌性都会导致错误的结果,进而影响其灌浆效果,甚至会直接影响到工程运行期的安全。下面将从这些主要影响因素出发,分析探讨砂砾石层的可灌性。

3 地质特性对可灌性的影响

3.1 颗粒级配曲线

颗粒级配曲线对于判定其可灌性有较大作用。我国曾根据一些工程的资料整理出4条特征曲线作为地基对不同灌浆材料可灌性的界限,见图1。当被灌地层颗粒级配曲线位于A线左侧时,该地层容易接受水泥灌浆;当地层埋藏较浅 (约 5m～10m),其颗粒级配曲线位于B及A线之间时,该地层虽属表层,但也可接受水泥粘土灌浆;当地层颗粒级配曲线位于C及B线之间时,该地层容易接受一般的水泥粘土灌浆;当地层颗粒级配曲线位于D及C线之间时,对该地层的灌浆就较复杂,须使用膨润土与磨细水泥灌注,有时还需用加分散剂进行分散和降低粘滞度的细粘土作补充灌浆;当被灌地层颗粒级配曲线位于D线右侧时,该地层很难进行灌浆处理。

图1 判别土壤可灌性的颗粒级配曲线[4、8]

3.2 细粒含量

水利水电部门从砂砾石层中D0.1的含量考虑,假设砂砾石层的砂砾粒径D已知且等径,则按图2中颗粒间断面面积导出最小颗粒的当量直径为d=0.032D(实际内切圆直径应小于此值)。说明砂砾粒径愈细,浆液材料粒径愈大,含量愈高,则可灌性愈差。如按水泥颗粒组成中最小粒径为0.0lmm(占29%～33%)估计,则砂砾石层颗粒粒径应大于0.4mm才具有可灌性,为此,施工中常用小于0.1mm粒径的颗粒D0.1的百分含量来控制,一般当D 0.1含量少于5%时,灌注水泥粘土浆液才较顺利[9]。

图2 颗粒间直径关系图

3.3 渗透系数

从渗透系数考虑:通常认为渗透系数是直观反映浆液可灌性的指标。砂砾石层天然有效粒径与渗透系数有如下关系:

式中:K——砂砾石层的渗透系数,cm/s;α——系数;D0.1——砂砾石层的有效粒径。

实际上渗透系数和有效粒径可以当作同一个指标来看待。一般认为当K ＞60m/d～80m/d时,可以灌注水泥浆;K=30m/d～50m/d时,可以灌注水泥粘土浆;K＜30m/d时,用颗粒材料灌浆的效果就比较差,而宜采用化学灌浆[10]。

4 浆材性质对可灌性的影响

4.1 浆液类型

溶液型浆液,理论上可以进入任意小的空隙,几乎不受限制。但在实际上,如果被灌地层的孔隙很小 (如细颗粒的土砂层),它在空隙内的流动速度将会很慢,到达预定距离所需的时间将会很长;在此时间内,由于浆液粘度进一步增大,在其到达预定地点以前,逐步增大的流动阻力就早已使其停止了流动,因此,溶液型浆液的可灌性受地层空隙和浆液流动阻力的影响。

含有水泥、粘土、砂子等固体颗粒材料的悬浊型浆液,使用时会受到更严格的限制。它的可灌性主要取决于浆材的粒度、土砂颗粒中孔隙的有效直径。

4.2 灌浆材料的细度

灌浆材料的细度是影响浆液灌入能力的主要原因。原则上,只当灌浆材料的颗粒尺寸d小于地层的有效孔隙D P,即“净空比”R(R=DP/d)大于1时,浆液才有可能进入地层孔隙。但在灌浆过程中,尤其当浆液的浓度较大时,材料往往以两粒或多粒的形式同时进入地层孔隙,故而导致渗浆通道的堵塞。因此,仅满足R＞1的条件是不够的,还必须考虑由群粒堵塞作用带来的附加影响。

浆液颗粒的细度不同,其可灌性是不同的,颗粒愈细,扩散半径及灌浆效果就愈好。对于灌浆工程所用水泥的细度必须根据所灌砂砾石层的孔隙大小、地质条件、灌浆压力等综合考虑,选择不同细度的灌浆材料,以适应各种复杂的灌浆工程要求[11〛。

4.3 浆液的渗透性

浆液灌入能力是指浆液灌入地层孔隙的难易程度。浆液的渗透性是指浆液在一定的孔隙中的渗透性能。其不仅依赖于浆液的灌入能力,而且与所处理地层的孔隙尺寸有关。渗透性好,浆液在一定灌浆压力下的扩散距离就远。

4.4 浆液的流变性

文献[7〛指出,可灌性作为一种材料的属性,应排除工艺的影响。故可灌性的含义应该是:具有防渗加固作用的浆液的流动性和稳定性的综合效应,凡是影响浆体流变特征和稳定性的因素都影响着浆体的可灌性。因此,根据可灌性的含义,用流变性和稳定性的可测量值塑性粘度和淤积流速 来表示,可灌性M为

式中:Vc——浆体的淤积流速 (cm/s);

ηpl——浆液的塑性粘度 (dyne◦s/cm2);

K ——常数。

将上述公式用水泥的比表面积与浆体的水灰比表示ηpl和Vc,则不同浆体的可灌性可表示为图3[7]。

图3 可灌性与水灰比和比表面积的关系

由图可见,浆体的水灰比在0.5～1.0的范围内,可灌性随着水灰比的增加而迅速增加;水灰比大于2.0时,可灌性随着水灰比的增加而减小。细水泥浆(s＞5000cm2/g)的可灌性优于普通浆体。综合考虑各种浆体,最佳水灰比范围是0.8～2.0之间。

5 灌浆压力对可灌性的影响

可灌比值小于10时一般是不可灌的,但在实践中却出现与上述结论不一致的情况。有些坝基中虽含有不可灌的中细砂层,但却能用粘土水泥浆灌好。这是灌浆压力所起的作用,主要原理如下:

按照有效应力的库仑摩尔破坏标准,在各向同性地层中,材料的应力状态与式 (3)相符时即将发生破坏[12]:

式中:σ′1和 σ′3—— 有效大主应力和有效小主应力;φ′和c′——有效内摩擦角和有效凝聚力。

地层中由于灌浆压力的作用,将使砂砾石土的有效应力减小。当灌浆压力Pe达到式 (4)的标准时,就会导致地层的破坏:

式中:γ和γw—— 砂砾石土的容重和水的容重;h和hw)——灌浆层以上的土层厚度和地下水位高度;K ——主应力比。

上述公式所代表的破坏机理可用图4[6]的莫尔包线来解释,图中随着孔隙压力的增加,有效应力就逐渐减小而至与破坏包线相切,表明砂砾石土开始发生劈裂。这种由灌浆压力引起的水力劈裂,将使可灌的地层更加可灌,不可灌的地层变为可灌。这种地层的可灌性,将不受上述法则的约束,惟一限制它的是不能使地层的抬动带来不良后果。

图4 假想水力破坏机理

6 防渗标准对可灌性的影响

防渗灌浆通常以渗透性为标准,例如砂卵石层灌浆一般要求将渗透性降低到10-4～10-5cm/s,灌浆标准的含义实质上是指灌浆体内允许残存多大尺寸的空隙。在对相同性质的砂砾石层进行防渗灌浆时,若要求的防渗设计标准 (渗透系数)不同,则其可灌性也是不同的。如某坝基冲积层设计要求防渗标准为1×10-4cm/s与5×10-4cm/s,算得相应帷幕厚度为11.8m和24.6m,当用水泥粘土浆灌注,即其M值相同,前者不易达到而后者易满足要求,显然可灌性与防渗标准密切相关。对于同一地层,防渗标准低,其可灌性就好,反之,则相反。

7 可灌性准则的建立

鉴于可灌性的重要性,笔者结合可灌比、地层渗透系数、浆液性能、防渗标准等,建立以下可灌性准则,如图5。

图5 帷幕灌浆可灌性准则

从图5可以看出,所建立的地层可灌性准则综合考虑了地质特性、浆液性能、防渗标准及灌浆压力重要因素的影响,其包含两层重要含义:一是确保浆材能灌入砂砾石层;二是浆液在进入砂砾石层后,由于其浆液的良好渗透能力和稳定性,并在所选适宜压力作用下,使浆液渗透得更远,从而保证灌浆效果。

8 结论

本文在前人研究的基础上,综合考虑各影响因素,从实用性的角度给出了可灌性的定义,定义中明确包含了影响可灌性的主要因素:砂砾石层地质特性、浆液性能、灌浆压力以及防渗标准等,并分析了这些主要因素对可灌性的影响,从而得出重要结论;在此基础上,并结合笔者关于可灌性的认识,建立了砂砾石层可灌性准则。

1 Mitchell J K.In-Place Treatment of Foundation Soils[J].Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division,1970,(1):73～109.

2 Weaver K D.Dam Foundation Grouting[M].New York:ASCE,1991.

3 King JC,Bush E G W.Symposium on Grouting;Grouting of Granular Materials[J].Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division,1961,87(SM2):1～31.

4 Bell L A.A Cut-off in Rock and Alluvium at Asprokremmos Dam[A].Baker(ed.)W H.Proc.Conf.Grouting in Geotech Engg.[C].New York:ASCE,1982.246～263.

5 张文倬.大坝基础灌浆问题[J].云南水力发电,1993,(03):20-23.

6 张作媚.论砂砾石土的可灌性 [J].水利学报,1983,(10):13-20.

7 王子明,黄大能,谢尧生.新拌水泥浆体的流变特性及其可灌性的研究[J].中国建筑材料科学研究院学报,1990,2(02):1-6.

8 张文倬.坝基灌浆若干问题刍议[J].四川水利,2001,(05):20-23.

9 林宗元主编.岩土工程治理手册 [M].辽宁:科学技术出版社,1993.

10 梁润.施工技术[M].北京:中国水利水电出版社,1994.

11 陈新年,谷拴成.微细或超细水泥类注浆材料及其性能.西安矿业学院学报1999,(9):91～94.

12 Morgenstern,N.R.and Vaughan P.R.,Some Observations on Allowable Grouting Pressures.Grouts and Drilling Muds in Engineering Practice,1963.