北疆地区风积沙注浆加固技术研究

蔡 忍，何 宁，张桂荣，李登华，周彦章

(1.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210024；2.江苏政泰建筑设计集团有限公司，江苏 宿迁 223800)

风积沙在我国北方沙漠地区广泛分布，具有颗粒较细且均匀、粉黏粒含量低、含水率低等特点[1]，与其他成因砂类土相比，工程性质差异显著，采用常规方法难以满足大规模开展以风积沙为主要填筑材料的工程建设需要。以往沙漠地区曾被视作工程建设的禁区，工程建设经验匮乏，关于风积沙工程性质和工程应用的研究成果较为少见。随着我国社会经济高速发展，陆续在北方沙漠地区完成了很多公路、输气管道、大型引调水工程等工程建设，针对不同类型建设项目开展了风积沙工程特性的理论和试验研究工作，探索总结了风积沙材料的应用方法和施工工艺等，积累了较为丰富的研究成果和宝贵的建设经验[1]。在已有的利用风积沙作为工程填筑材料的工程实践和研究大多都是基于风积沙压实机理的研究，主要集中在碾压密实方面，且大多采用物理级配改良技术，可借鉴的成果有限。新疆伊犁地区正在开展大规模的输、调水工程建设，渠线工程不可避免的要穿越沙漠地区，该区域风积沙具有风积沙的普遍工程特点[1-7]：(1)风积沙的击实曲线普遍具有“双峰值”，即在最小含水率和最优含水率时均可得到一个相对较大的干密度(最大干密度)，但两种含水率状态下得到的干密度值有所差异；(2)随风积沙中黏粉粒含量的增加，其击实干密度增大，含水率对干密度的影响趋于明显，击实曲线也逐步向黏性土过渡；当黏粉细颗粒质量百分比超过一定比例时，其击实特征与黏性土类似。当风积沙黏粉颗粒超过5%以后，其击实特征会发生比较明显的改变；(3)采用不同的击实试验方法，得到的最大干密度值相差较大，表明击实方法不同对击实效果的影响较大；(4)颗粒非常均匀，含水率低，渗透系数大。

新疆沙漠地区渠堤填筑施工仅能在高温干燥的夏秋天，摊铺砂层和碾压过的砂层都存在失水较快问题，导致碾压好的填筑层失水成松散状态，难以满足运输上料重载工程车正常行走，上料困难，影响正常的填筑施工。针对风积沙具有的工程特性，工程建设单位开展了系列研究，分别采用土工布包裹、土工格栅加筋[8]、固化等技术对筑堤风积沙进行加固处理，但仍难以满足工程建设需要。国内外在风积沙稳定技术和化学固沙技术方面开展了大量的试验研究与应用，试验结果表明：水泥[9-10]、石灰[11-12]等无机胶凝材料与风积沙拌和后，加固效果较好；化学高分子类固沙剂[13-15]，固沙速度快、效果好，但大部分研究局限于在风积沙土层表面形成坚固的结皮层，仅能抵御风力侵蚀，对于深层加固的研究较少。

本文基于对自渗注浆和负压注浆两种注浆加固技术的对比研究，分析注浆加固砂体不同深度的物理力学参数的变化，以实现增加砂粒间黏聚力为目标，解决失水松散砂体上料的问题。

1 试验方案及过程

1.1 试验材料

试验用风积沙取自于新疆某沙漠，根据不同工程项目的试验和研究结果，同一沙漠的不同区段，风积沙的颗粒均匀、含水率低、粉黏粒含量低等特点及化学成分等特征基本变化不大，其渗透性指标基本在同一量级范围。试验用风积沙干燥状态下的最大干密度为1.55 g/cm3，最小干密度为1.29 g/cm3，风积沙的渗透系数为5.89×10-3cm/s，试验中控制风积沙密度在1.54 g/cm3左右，风积沙的颗粒级配曲线见图1。

图1 风积沙颗粒级配曲线

注浆材料为聚醋酸乙烯乳液(PVAc，下文中均用PVAc表示)。PVAc[16]是一种常用的粘结材料，具有价格低、使用方便、粘结强度高、无毒无害、对环境无污染等特点，作为胶粘剂和涂料广泛用于织物粘结、木材加工、建筑装潢等诸多行业中，同时也被应用于固砂。试验中注浆材料是浓度为3.08%的PVAc水溶液。

1.2 试验装置

为方便注浆后取样，自渗注浆试验模具采用三个高10 cm，直径10 cm和两个高20 cm，直径10 cm的法兰有机玻璃筒拼结成的高70 cm柱状模具，模具底部为一个上下皆透气的真空腔。负压注浆试验模具采用三个长30 cm、直径10 cm和一个长20 cm、直径10 cm的法兰有机玻璃筒拼结成的长110 cm柱状模具，模具上部是一个带孔的有机玻璃盖，可以安装阀门与注浆管相连，模具底部为一个上下皆透气的真空腔，在真空腔底部安装一个阀门，并通过透明塑料管与水汽分离瓶上的橡胶塞相连，水汽分离瓶通过塑料真空管与真空泵相连，真空表同样接到水汽分离瓶上，负压注浆中通过抽真空在砂体内形成负压将浆液吸入完成注浆。自渗注浆和负压注浆装置分别见图2和图3。

图2 自渗注浆装置

图3 负压注浆装置

1.3 试验方案

试验注浆技术分为自渗和负压注浆两大类：(1)自渗注浆：在70 cm高的模具内填筑60 cm砂柱，利用浆液自重和入渗完成注浆；(2)负压注浆：基于抽真空形成负压的原理，将浆液吸入砂体内完成注浆，试验分为四组交叉试验，每组做三次平行试验，其中通过将有机玻璃筒竖直和水平固定在试验架上来控制是否考虑自重的影响，然后利用电接点真空表控制水汽分离瓶中的真空度来实现控制砂柱中的负压稳定在某一个值附近，负压注浆具体方案见表1。

表1 负压注浆试验方案

1.4 试验过程

(1)自渗注浆：①在模具内填筑高60 cm，密度为1.54 g/cm3的砂样；②配置浓度为3.08%的PVAc水溶液，将浆液倒入砂样表层，并保持5 cm的浆液高度，每分钟记录一次渗入深度，然后将浆液补满至5 cm处，待浆液渗到砂柱底部时，记录最终时间；③重复做三次对比试验，并取不同深度的砂样开展直剪试验。过程见图4(a)。

(2)负压注浆：①在模具内填筑密度1.54 g/cm3的砂样，并连接好各个管道；②配置浓度为3.08%的PVAc水溶液，并倒入浆液桶内；③打开真空泵，控制负压大小，记录浆液扩散每增加5 cm的时间；④重复做三次对比试验，并取不同扩散距离的砂样做直剪试验。过程见图4(b)。

图4 注浆试验过程

2 结果与分析

风积沙注浆加固试验表明：PVAc注入风积沙后，风积沙的黏聚力明显提高，黏聚力最大可以达到67.5 kPa，接近黏聚力最小时4.5 kPa的15倍，内摩擦角则随着黏聚力的增加而呈减小趋势；负压注浆的注浆速率和有效加固深度高于自渗注浆。

2.1 自渗注浆试验结果

浆液自渗注浆过程中，从60 cm深砂柱底部渗出的浆液为透明无色(浆液本身是乳白色)，可见当浆液从砂柱底部渗出时，浆液内PVAc的含量明显减少。自渗注浆试验中的注浆量、渗透深度和渗透时间分别见表2和图5。

表2 自渗注浆的注浆量

图5 自渗注浆渗入深度随时间变化图

由表2和图5可得，自渗注浆的注浆量占待注风积沙体积的39.92%，自渗注浆渗入60 cm深砂层所需时间在25 min左右。由于PVAc本身的粘附性和风积沙对浆液的渗滤作用，导致从砂柱底部渗出的浆液变为透明无色，因此需要对已注浆砂柱分层取样，研究每层改良后砂样的物理力学参数，分析其改良加固效果的衰减趋势，确定自渗注浆的有效加固深度。

图6为自渗注浆改良风积沙物理力学参数与入渗深度关系曲线。试验结果表明，在20 cm深度范围内，改良后砂样的黏聚力随着入渗深度的增加而略有增加，超过20 cm后，则随着入渗深度的增加而减小，且在浆液渗透深度达到30 cm时，黏聚力减小到24.4 kPa，随着入渗深度的继续增加，黏聚力减小到20 kPa以下；改良后砂样的内摩擦角随着入渗深度的增加而逐渐增大，但是在50 cm以下则略有减小，且内摩擦角均在22°以上。综上可得：取黏聚力20 kPa以上为有效加固范围，则自渗注浆的有效渗透深度为30 cm。

图6 自渗注浆改良风积沙物理力学参数与入渗深度关系曲线

2.2 负压注浆试验结果

在负压为90 kPa条件下，不论是否考虑浆液自重，浆液最终渗入真空腔内时，仍呈乳白色，因此90 kPa负压条件下 PVAc本身的粘附性和风积沙的渗滤作用，对浆液中PVAc含量的影响并不明显；在不考虑浆液自重条件下，负压为60 kPa和30 kPa时，浆液最终渗入真空腔时，变为透明无色，表明PVAc本身的粘附性和风积沙的渗滤作用，对浆液中PVAc含量的影响比较明显，并且在负压为30 kPa条件下，当扩散路径长110 cm时，浆液注入缓慢，12 min浆液仅注入30 cm～40 cm且后面扩散距离基本上不再增长，经过多次试验得到，负压为30 kPa时，最大扩散半径为100 cm。四组不同条件下负压注浆的注浆量、注浆耗时和扩散距离见表3。

表3 负压注浆试验的扩散距离、注浆量和注浆时间

从表3得：考虑浆液自重和不考虑浆液自重条件下，负压为90 kPa时，注浆量的平均值在30%左右；不考虑浆液自重时，随着负压的减小注浆量逐渐增加。负压为90 kPa时，考虑浆液自重，注浆的平均耗时为221.09 s；不考虑浆液自重，注浆的平均耗时为274.25 s，整体注浆时间比考虑浆液自重的慢了24%；不考虑浆液自重时，随着负压逐级减小，注浆速率大幅度减小，注浆耗时成倍增加。

图7为90 kPa负压条件下，是否考虑浆液自重时注浆加固风积沙的物理力学参数与浆液扩散距离的关系曲线，负压注浆对风积沙的物理力学性质的改良效果较好。

在考虑浆液自重影响时，10 cm～90 cm扩散距离范围内注浆后风积沙的黏聚力均在50 kPa以上，且大部分大于60 kPa，仅在扩散距离最远110 cm处，黏聚力减小到25 kPa。分析原因如下：考虑浆液自重的负压注浆试验过程中，砂柱整体竖直放置，受风积沙本身自重和负压吸力作用，砂柱底部的砂体相对于上半部会进一步密实孔隙减少，注浆后浆液含量相对来说较少，因此考虑浆液自重的负压试验，砂柱底部的黏聚力小于砂柱上半部分。在不考虑浆液自重的负压注浆试验中，除了浆液扩散距离为10 cm和30 cm处砂样的黏聚力在40 kPa左右，扩散距离更大处的黏聚力均大于50 kPa。分析原因是：不考虑浆液自重的负压注浆试验过程中，砂柱水平放置，整体注浆效果较好，黏聚力基本上都在40 kPa以上。

从图7(b)可以看出：考虑浆液自重的负压注浆试验中，注浆加固砂样的内摩擦角基本上随着浆液扩散距离的增加而呈现先减小后增大的趋势，且内摩擦角均大于24°；不考虑浆液自重的负压注浆试验中，注浆加固砂样的内摩擦角基本上随着浆液扩散距离的增加而呈现先减小后增大的趋势，且内摩擦角基本上均大于等于20°。

图7 90 kPa负压条件下是否考虑浆液自重时改良风积沙物理力学参数与浆液扩散距离关系曲线

图8为不考虑浆液自重时，不同负压条件和制样时间情况下注浆加固风积沙的物理力学参数与浆液扩散距离的关系曲线。不考虑浆液自重影响，负压为90 kPa条件下，除了浆液扩散距离为10 cm和30 cm处砂样的黏聚力在40 kPa左右，扩散距离更大处的黏聚力均大于50 kPa，内摩擦角随浆液扩散距离的增加呈先减小后增加的趋势。不考虑浆液自重影响，负压为60 kPa和30 kPa条件下，增加考虑一个影响因素—制样时间，即在单元试验模型中注浆完成后，取出砂样并保持松散密封状态一段时间后(5 d)再制成环刀样进行风干养护，此时黏聚力整体偏小，小于90 kPa条件下的黏聚力，且随浆液扩散距离的增加呈先增加后减小的趋势。增加了制样时间，即考虑了改良砂样经扰动成松散状态后未及时压密条件下对改良砂样物理力学性质的影响，在这个过程中，浆液材料在风积沙颗粒表面形成的胶膜并没有相互及时紧密的连接到一起，因此黏聚力整体偏小。综上可得：取黏聚力20 kPa以上为有效加固范围，当负压为90 kPa时，110 cm的砂柱均处于负压注浆的有效扩散范围内，当负压为60 kPa和30 kPa时，负压注浆的有效扩散距离为50 cm。

图8 不同负压条件和制样时间情况下改良风积沙物理力学参数与浆液扩散距离关系曲线

自渗注浆和60 kPa、30 kPa条件下负压注浆过程中从砂柱渗入真空腔的浆液呈透明无色(原浆液呈乳白色)，而90 kPa时渗入真空腔的浆液仍呈乳白色。表明60 kPa和30 kPa负压不足以克服PVAc本身的粘附性和风积沙的渗滤作用；当负压为90 kPa时，对浆液产生的吸力较大，可以有效地克服两者的作用。

从图9可以看出：改良砂样经历直剪试验之后，砂样仅从剪切面处分成上下两部分，仍能保持成型不松散，表明改良砂样风干后黏聚力较原本干燥松散状态下提升比较明显，改良效果较好。

图9 改良砂样直剪后形状

3 结 论

通过室内风积沙注浆试验，研究分析了不同注浆技术和不同注浆条件下的注浆量、注浆速率以及注浆加固风积沙物理力学参数的变化，主要结论如下：

(1)PVAc本身的粘附性和风积沙的渗滤作用，对浆液内PVAc含量影响比较明显，但是当负压达到90 kPa时，则能有效克服其影响。

(2)自渗注浆的注浆量占改良砂样体积的40%左右；负压条件下，随着负压减小，注浆量逐渐增加，且均小于自渗注浆的浆液量，且在负压为90 kPa时，负压注浆的注浆量比自渗注浆的减少了25%。

(3)自渗注浆的速率较慢，注满60 cm深的砂柱需要25 min左右；负压注浆的速率较快，远远高于自渗注浆，负压为90 kPa时，注满110 cm的砂柱耗时不超过5 min，但是随着负压的减小，注浆速率大幅度减小，注浆耗时成倍增加，同时浆液的自重可以有效地提高注浆速率。

(4)取黏聚力20 kPa以上为有效加固范围：自渗注浆的有效加固深度为30 cm，超过30 cm后改良砂样的黏聚力减小到20 kPa以下，内摩擦角均在22°以上；当负压为90 kPa时，110 cm的砂柱均处于负压注浆的有效扩散范围内，黏聚力基本上在40 kPa以上，内摩擦角均在20°以上；当负压为60 kPa和30 kPa时，负压注浆的有效扩散距离为50 cm，黏聚力基本可以达到20 kPa以上，内摩擦角均在28°以上。

(5)砂样注浆完成后，应避免扰动，如若发生扰动，应及时进行碾压，将砂样恢复原状，否则会降低改良砂样的黏聚力。