水泥-水玻璃浆液在圆砾层的扩散规律

水泥-水玻璃浆液在圆砾层的扩散规律

吴有平

(中地海外中扬建设工程有限责任公司，湖南 长沙 410016)

摘要：基于浆液在孔隙介质中的渗流方程，推导出了圆砾层中浆液流动时间、注浆量、扩散半径的计算式，并在一定的假设条件下，获得了水泥-水玻璃浆液粘度随时间变化的规律，探讨了不同注浆压力和浆液流动时间对浆液扩散半径的影响.浆液扩散半径随注浆压力的增大呈非线性增大，随浆液流动时间的增大呈非线性减小.圆砾层防渗注浆工程实例验证了圆砾层双液注浆计算式的正确性.

关键词：水泥-水玻璃浆液；宾汉体浆液；圆砾层；扩散半径

文章编号：1007-2985(2015)05-0063-05

收稿日期：2015-05-21

作者简介：吴有平(1979—)，男，湖南邵阳人，中地海外中扬建设工程有限责任公司工程师，硕士，主要从事地基处理与边坡工程研究.

中图分类号：TU441文献标志码：A

DOI：10.3969/j.cnki.jdxb.2015.05.014

对于圆砾层防渗，主要有高压喷射注浆、深层搅拌桩、钻孔灌注桩与旋喷桩、花管注浆帷幕、地下连续墙等[1-5]防渗止水方法.近些年，随着注浆在工程中的应用范围不断扩大，人们开始把水泥-水玻璃浆液注浆引入砂砾层防渗工程中[6-8].早在上个世纪80年代，前苏联就已经开展了水玻璃改良土体渗透性的研究[9].

目前，大多数注浆理论主要以单液注浆进行研究.杨志全等[10]对黏度时变性宾汉体浆液的柱-半球形渗透注浆机制进行了研究.杨坪[11]对砂卵(砾)石层进行了模拟注浆试验及渗透注浆机理研究.郑大为等[12]和程鹏达等[13]考虑灌注过程中的浆液粘度随时间的变化，推导出了均匀沙层的扩散计算式.有部分学者开始研究双液注浆，如杨宇友等[14]对砂层中双液注浆的堵水模型进行了研究并开展了室内试验.这些研究主要针对颗粒较均匀的砂层或单一浆液，圆砾层中水泥-水玻璃液浆的扩散规律尚未涉及.

基于浆液在孔隙介质中的渗流方程，对圆砾层中水泥-水玻璃双液注浆中注浆压力、浆液流动时间、浆液扩散半径等因素之间的关系进行研究，为水泥-水玻璃双液注浆设计提供必要的理论依据.

1　圆砾层注浆模型

1.1 基本假定

圆砾层注浆渗流基本假定：(1)圆砾层为各向同性体；(2)设水泥浆液为宾汉姆流体，只有剪切应力达到屈服值τ0后，浆液才会流动；(3)浆液在注浆扩散过程中流型不变，考虑浆液流变参数(如粘度)的时变性；(4)地下水为静态水，没有施加外力情况下不发生流动.

1.2 圆砾层注浆柱形渗流模型

设在r与r+dr间液流稳定渗透扩散，其渗流运动方程为：

其中ξ为积分常数.

当r=rc时，则

当r=r1时，则

已知注浆时间及压力差(HC-H0)时，可计算t时的浆液扩散半径为

(1)

其中：K为圆砾层渗透系数(cm/s)；μw为水的粘度(mPa·s)；rc为钻孔半径(cm)；r1为浆液扩散半径(cm)；h为圆砾层厚度(cm)；n为圆砾层孔隙率(%)；δ为启动压力梯度；t为注浆时间(s)；Hc为钻孔压力的等值水柱高(cm)；H0为注浆层地下水压力的等值水柱高(cm)；ΔH为钻孔压力与注浆层地下水压力之差的等值水柱高(cm)；μ(t)为浆液的粘度(mPa·s)；若把浆液简化为牛顿流体，浆液的启梯度为0.

1.3 圆砾层注浆扩散规律

(1)注浆时间对浆液粘度的影响.当水灰比为1∶1时[15-16]，由不同水泥浆(C)和水玻璃(S)体积比浆液的粘度随时间变化的方程拟合出C-S浆液粘度μ(t)随时间变化的曲线如图1所示.由图中1可知，水泥-水玻璃浆液为粘时变宾汉流体，且随着时间的增长，其粘度逐渐变大.

(2)不同注浆压力对浆液扩散半径的影响.对于圆砾层渗流模型，设地下水产生的压力为78 kPa(根据工程实例选取)，v(C)∶v(S)=1∶1，孔隙率n=0.3，渗透系数K=0.069 4 cm/s，根据(1)式计算出不同注浆压力下水泥-水玻璃浆液注浆扩散半径，注浆压力对浆液扩散半径的影响如图2所示.

图1　水泥-水玻璃浆液粘度随时间变化曲线

图2　浆液扩散半径与注浆压力的关系曲线

由图2可知，随着注浆浆液压力的增大，浆液扩散半径也逐渐增大，其扩散半径与注浆压力并不成线性关系，而是先增长较快而后增加的速率趋慢.对比浆液到达地层时间不同的扩散半径曲线可以发现，在相同的灌浆压力下，浆液到达地层的时间越短，其扩散半径越大.因而在注浆设计中，为确保浆液的扩散半径，尽可能的缩短浆液混合到注入地层的时间，同时适当增加压力.

图3　浆液扩散半径与流动时间关系曲线

(3)不同浆液流动时间与浆液扩散半径的关系.假定在地下水产生的压力=78 kPa，注浆压力0.4 MPa，圆砾层孔隙率n=0.3，渗透系数K=0.069 4 cm/s的情况下，根据(13)式得出水泥-水玻璃浆液其扩散半径与浆液流动时间(混合到注入地层的时间)的关系，计算结果如图3所示.

从图3可以看出，在假定的条件下，浆液流动时间小于60 s时，浆液扩散半径衰减较快，而后慢慢趋缓.v(C)∶v(S)比值较小时，即水玻璃掺量较大时，其扩散半径较大.

2　工程案例

2.1 工程概况

某基坑工程位于长沙市开福区，地形相对平坦，地面标高30.6~32.8 m，基坑底标高为21.3 m.钻探揭露，场地上覆土层属冲积层，场地内埋藏的地层主要由人工填土、耕土、粉质粘土、圆砾、强风化板岩、中风化板岩组成.其中圆砾层：褐黄色，颗粒含量约占总质量的70%~80%，20 mm以上颗粒含量约占总质量的50%，其余为细沙质充填；层顶标高18.9~23.0 m，层厚1.4~2.2 m，全场分布.地下水赋存于圆砾层中，属于承压水，实测初见水位24.8~19.6 m，距地面深度8.0~10.5 m；稳定水位25.8~30.0 m，距地面深度2.1~4.2 m.

本基坑工程采用悬臂桩支护，上部放坡.支护桩桩径1.0 m，桩间距2.0 m，桩长12.0 m，嵌固段长5.0 m，混凝土强度等级C25；桩顶冠梁尺寸1.0 m×0.6 m，混凝土强度等级为C25，冠梁顶标高29~31 m；桩间采用小钻孔(φ=75 mm)静压双液注浆在含水圆砾层形成止水帷幕.

2.2 注浆设计

由勘察报告可知，圆砾层孔隙率n=0.3，圆砾层渗透系数K=0.069 4 cm/s.圆砾层中部的地下水平均高度为7.8 m，圆砾层上部的覆盖层厚约10 m，考虑到注浆过程中压力损失、上部土层的重度、强度以及静水压力，选定0.4 MPa作为注浆压力值.由于注浆段的长度相比空口段来说比较短，所以钻孔的造价对整个注浆工程的成本影响较大.为减小钻孔数量，参考浆液扩散半径与其流动时间的关系曲线(图3)，选用v(C)∶v(S)=1∶1的配比.

从图3可以看出，当浆液流动时间小于60 s时，扩散半径较大，控制流动时间为60 s.根据(1)式可以计算得出，浆液流动时间为60 s时，其扩散半径为36.4 cm.考虑钻孔孔位及倾斜的影响，孔距选取55 cm.注浆孔布置及扩散范围示意如图4.

2.3 注浆效果

为检测水泥-水玻璃双液注浆后浆液的扩散范围及其充填情况，在双液注浆孔两孔中间处钻检查孔，抽取岩芯，岩芯如图5所示.由图5可知，水泥-水玻璃双液浆已经充分填充了砾石之间的孔隙，达到了预期效果.在基坑开挖后，基坑地面基本无水渗出，表明采用水泥-水玻璃双液注浆在圆砾层中止水是可行的.

图4　注浆孔布置及扩散范围示意(单位：mm)

图5　注浆检查孔岩芯

3　结论

在与工程实际情况基本接近的假设条件下，可以得出如下结论：

(1)水泥-水玻璃浆液属于宾汉流体，满足宾汉流体本构方程.水泥-水玻璃浆液是时变性流体，浆液粘度随其时间的增长而增大.

(2)随着注浆浆液压力的增大，浆液扩散半径也逐渐增大，其扩散半径与注浆压力并不成线性关系，而是先增长较快而后增加的速率趋慢.对比浆液到达地层时间不同的扩散半径曲线可以发现，在相同的灌浆压力下，浆液到达地层的时间越短，其扩散半径越大.

(3)浆液流动时间小于60 s时，浆液扩散半径衰减较快，而后慢慢趋缓.

(4)通过对工程案例分析，验证文中计算方法的正确性，可为其他工程提供参考依据.

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参考文献：

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Diffusion Law of Cement-Sodium Silicate Grout in Gravel Ground

WU Youping

(CGCOC Zhongyang Construction Engineering Limited Liability Company，Changsha 410016，China)

Abstract：Based on the seepage equation of the slurry in the porous media，the mathematical formulas of grouting flow time，grout amount，diffusion radius in gravel ground were derived.Under certain conditions，the grout viscosity of the cement-silicate grout change with time was obtained，the effects of grouting pressure and the time of cement-silicate grout arriving into ground on the grout diffusion radius in gravel ground were analyzed.The results indicate that the grout diffusion radius increase nonlinearly with the increase of the grouting pressure and decrease nonlinearly with the time of cement-silicate grout arriving into ground.The calculation results from mathematical formulas accord with the results of grouting engineering，which were grouted of cement-sodium silicate in gravel ground.

Key words：cement-silicate grout；Bingham grout；gravel ground；diffusion radius

(责任编辑陈炳权)