水反应高聚物注浆材料扩散特性现场试验研究

徐文超，何智颖，潘泓泽，黄金林

（华南农业大学水利与土木工程学院 广州 510640）

0 引言

据统计，我国已建成8.7 万座水库［1-2］，绝大多数修建于20 世纪50 年代～70 年代，90%以上为土石坝。局限于当时生活条件、设计标准和施工水平，大部分水库大坝质量偏低，经过长时间的运行，土石坝会存在安全隐患。根据堤坝工程事故统计，主要破坏模式有渗漏管涌、洪水漫溢、滑坡坍塌，而这些破坏模式与渗流有关［4-5］，所以对各类土石坝防渗加固是主要的工程措施［6-8］。

高聚物是一种新型加固或防渗注浆材料，具有环保安全、耐腐蚀性好、抗渗性能优良、使用寿命长、强度提高快，施工快捷，柔韧性好，能与岩土协调变形，能与土体紧密结合的特点，且注浆材料与水反应固化时能自膨胀特征，相对于水泥等传统工程材料具有密度小，增的加荷载小等优点，因而成为堤坝等设施防渗加固最具发展前景的绿色加固材料［9］。

前期对水反应高聚合物进行了室内注浆扩散试验［9］，由于室内试验模具、注浆压力的限制，造成了试验条件与注浆材料的扩散的边界条件与实际有所区别，为了推广聚合物为注浆材料在工程中的应用，还需要进行符合现场实际的注浆参数，从而指导防渗加固的工程设计，所以本试验的主要目的为通过在不同土体的介质材料现场注浆试验，得到防渗加固的设计参数，对堤坝防渗加固新技术的开发和应用具有重要的理论意义和工程价值。

1 试验材料及试验方法

1.1 原材料

碎石、天然砂和石英砂这3 种砂石材料的物理参数指标如表1所示，注浆材料参数如表2所示，颗粒级配曲线如图1所示。

图1 砂石级配曲线Fig.1 Curves of Aggregate Grading

表1 土的物理参数指标Tab.1 Physical Parameter of Soil

表2 高聚物注浆材料参数指标Tab.2 Parameter Indexes of Grouted Polymer Material

1.2 现场试验

因为室内试验与现场实验边界条件不同，可能造成注浆材料的扩散机理与室内试验有所差异，因此，在现场开挖深坑，长×宽×深=1 m×0.5 m×1 m，共3 个坑，如图2 所示，然后分别在不同坑中分层回填碎石、天然砂、石英砂，每次回填厚度约30 cm，边回填边压实，最后碎石、天然砂、石英砂的回填厚度75 cm，最后坑中回填粘土25 cm，并压密实，以防注浆过程中因为注浆压力浆液外冒。

图2 注浆坑开挖Fig.2 Excavation of Grouting Pit

粘土压实后，往坑中注入水，然后静置15 d 开始注浆试验。注浆点1、2、3 的布置位置如图3，注浆点位于地面以下70 cm，注浆点1、2、3 的注浆时间分别为4 min、8 min、10 min，注浆速度为0.303 kg/min。

图3 注浆点位置布置Fig.3 Grouting Location Layout

采用水反应高聚物为速派克超级泡沫水反应注浆材料，注浆前分别向坑中注入水，土体完全浸润。当准备充分后，按比例调整好速派克超级泡沫和催化剂，并充分搅拌，然后开动注浆机开始注浆。注浆完成后，将泵针拔出，注浆设备和现场如图4所示。

图4 注浆设备及注浆现场Fig.4 Grouting Equipment and Grouting Situ

2 试验结果分析

2.1 介质中的扩散特征

高聚物材料注浆完后，为注浆材料充分固化，在试验坑中再注水，然后静置48 h 后，对现场试验注浆固化后的材料进行开挖，高聚物材料注浆在石英砂、天然砂、碎石扩散特性如，扩散直径和扩散长度尺寸分别如图5～图7 所示。高聚物注浆材料在石英砂、碎石比较的介质，石英砂不均匀系数1.42、曲率系数0.89，碎石不均匀系数1.53、曲率系数0.92等介质中扩散形成的固化物都呈现橄榄球形，以注浆管出口为中心，向四周膨胀扩展。而天然砂不均匀系数1.98、曲率系数0.64，介质中扩散形成的固化物都呈现树形，以注浆管出口为中心，向四周膨胀扩展。

在石英砂介质中的注浆试验，石英砂颗粒直径0.15～1.18，当注浆时间为4 min，扩散水平方向直径20 cm，垂直方向下部大，上部小，高聚物材料扩散后的固化物不饱满状态，如图5⒜；注浆时间为8 min，扩散水平方向直径25 cm，垂直方向40 cm，除高聚物材料扩散后的固化物的底部和顶部外，中间基本为圆柱形，形状饱满，如图5⒝；注浆时间为10 min，扩散水平方向直径28 cm，垂直方向43 cm，形状和扩散尺寸和注浆8 min 基本相同，固化物的密实度更大，如图5⒞所示。根据以上注浆实测，在石英砂介质材料中，高聚物材料的最佳注浆时间为8 min，注浆点水平间距30 cm，竖向间距40 cm。

图5 高聚物在石英砂中的扩散特性Fig.5 Diffusion Patterns of Polymer Material in Quartz Sand

在天然砂介质中的注浆试验，天然砂颗粒直径0.15～4.75 mm，当注浆时间为8 min、10 min，呈树状，扩散水平方向直径26 ～30 cm，垂直方向高度48～50 cm，呈树状，形状呈现明显的不规则性，如图6所示。这种不规则形状是由于天然砂的不均匀，高聚物材料在各个方向扩散时受到的阻力不相同，造成各方向扩展形状不同。根据以上注浆实测，在天然砂介质材料中，高聚物材料注浆的最佳注浆时间为8 min，注浆点水平间距20 cm，竖向间距40 cm。

图6 高聚物在天然砂中的扩散特性Fig.6 Diffusion Patterns of Polymer Material in Sand

在碎石介质中的注浆试验，碎石颗粒直径3～5 mm，孔隙明显大于其他2 种砂，高聚物材料在碎石介质中扩散比砂更容易，橄榄球形。当注浆时间为4 min，扩散水平方向直径26 cm，垂直方向高度28 cm，如图7⒜所示；注浆时间为8 min，扩散水平方向直径32 cm，垂直方向高度33 cm，如图7⒝所示；注浆时间为10 min，扩散水平方向直径45 cm，垂直方向高度40 cm，如图7⒞所示。根据以上注浆实测，在碎石介质材料中，高聚物材料注浆的最佳注浆时间为8 min，注浆点水平间距40 cm，竖向间距40 cm。

图7 高聚物在碎石中的扩散特性Fig.7 Diffusion Patterns of Polymer Material in Macadam

2.2 扩散直径

高聚物注浆材料在碎石、天然砂和石英砂等土体中现场注浆试验，扩散直径与注浆时间如图8所示，高聚物注浆在碎石、天然砂和石英3 种土体中都以圆柱体的形式扩散，水平方向和竖向的扩散直径都是随注浆时间增加，扩散直径扩大。注浆时间8 min，扩散直径增加不明显，天然砂和石英砂水平向扩散直径大约25 cm，碎石扩散直径大约30 cm。注浆时间10 min，扩散直径增加不明显，天然砂和石英砂水平向扩散直径大约30 cm，碎石扩散直径大约45 cm。

图8 高聚物现场注浆扩展直径Fig.8 Diffusion Length-grouting Time Curves of Polymer Material in Different Sand

3 结论

对碎石、天然砂和石英砂等介质中水反应高聚物注浆材料扩散现场试验，有如下结论：

⑴水反应高聚物注浆材料在不同特征的介质中的扩散特性有所不同，碎石和石英砂等均质介质中，注浆材料扩散固化物呈橄榄球形，在天然砂等不均匀介质材料中，试样呈树状。

⑵在碎石、天然砂和石英砂等介质中，高聚物材料注浆的最佳注浆时间为8 min，石英砂介质中注浆点水平间距30 cm，竖向间距40 cm，在天然砂介质中，注浆点水平间距20 cm，竖向间距40 cm；在碎石介质中，注浆点水平间距40 cm，竖向间距40 cm。