中砂介质注浆扩散效果试验研究

摘要：为研究注浆材料在中砂介质中的扩散效果，设计了一套中砂介质注浆系统，选用普通硅酸盐42.5R水泥（OPC）、水泥-水玻璃双浆液（C-S）、粉煤灰水泥（FPC）以及早强剂水泥浆液（ESAPC），进行了注浆扩散试验。测量得出浆液最大扩散半径和注浆量，并系统讨论不同水灰比、水玻璃波美度、注浆压力半径以及粉煤灰含量对浆液扩散的影响规律。研究结果表明：中砂介质中，水灰比越大，OPC浆液的扩散效果越显著；OPC浆液的扩散性能不如同等水灰比的FPC浆液，中砂介质中浆脉扩散半径随粉煤灰占比的提高而增大；相同工况下OPC浆液与ESAPC浆液扩散半径几近相等；水泥-水玻璃双浆液的扩散效果远不如OPC浆液；水灰比可以显著影响浆液的扩散距离和注浆量；注浆压力对浆液的扩散半径及注浆量的影响不大。

关键词：中砂介质；注浆扩散；注浆压力

中图分类号：U416" "文献标识码：A" "文章编号：２０９６-2118（2024）04-0087-04

Experimental Study on Diffusion Effect of Grouting in Medium Sand Medium

MA Yujia，SUN Chao，ZHAO Yikai*，CHEN Yuxuan，HE Jiale

（School of Geomatics and Prospecting Engineering，Jilin Jianzhu University，Changchun Jilin〓130118，China）

Abstract：In order to study the diffusion effect of grouting materials in medium sand medium，a grouting system was designed，ordinary silicate 42.5R cement（OPC），cement-water glass double grout（C-S），fly ash cement（FPC） and early strength cement slurry（ESAPC） were selected to carry out the grouting diffusion test.The maximum diffusion radius and grouting amount of grout were measured，and the influence of different water-cement ratio，water glass baume degree，grouting pressure radius and fly ash content on grout diffusion was systematically discussed.The results show that the diffusion effect of OPC grout in medium sand is more obvious with the increase of water-cement ratio.The diffusibility of OPC grout is different from that of FPC grout with water-cement ratio，and the diffusibility of slurry veins in medium sand medium increases with the proportion of fly ash.Under the same working condition，the diffusion radius of OPC and ESAPC grout is almost equal.The diffusion effect of cement-water glass double grout is much lower than that of OPC grout.The water-cement ratio can significantly affect the diffusion distance of slurry and the amount of grouting.The grouting pressure has little effect on the diffusion radius and grouting quantity of the slurry.

Keywords：medium sand medium；grouting diffusion；grouting pressure

在地下工程的修建过程中，时常会遇到砂土地层，该地层极易受到外界扰动而产生破坏，导致地层产生变形、位移甚至下沉等严重问题。国内外学者对其进行了相关研究，例如HERZIG等[1]通过对砂土体孔隙注浆渗滤的研究，分析了多孔介质注浆的扩散性，并推导得出了几种适用于不同堵塞机制的计算公式；杨秀竹[2]通过开展振动注浆试验，分析了振动时间、振动强弱与浆脉扩散距离之间的关系；秦鹏飞等[3]根据线性滤过定律、Darcy定律及质量守恒方法研究了岩土体水泥颗粒运动方程，浆液运动速度，得出渗滤效应使浆液流动不均，继而造成结石体的强度不稳定，离散性较大；BOUCHELAGHEM等[4]针对水泥浆液，对圆柱体注浆进行数值模拟，分析了浆液流体力学性质及注浆效果；杨志全等[5]通过试验验证了一种流变方程的可行性，其误差在可接受范围内，该方程对于实际工程的应用具有一定的参考价值。前人在注浆扩散半径公式拟合、室内注浆模拟试验方面做了大量的工作，但针对中砂土层进行注浆试验的研究很少，缺乏相关的理论体系和试验数据，本文以中砂介质为研究对象，探究中砂介质的注浆扩散效果。

1 室内砂土注浆试验

1.1 注浆试验系统

该中砂介质注浆试验系统分别由砂土模拟装置、浆液材料装置、搅拌装置、管道装置、动力装置组成。铁皮箱制成的砂土模拟装置尺寸为1 m×1 m×1 m，浆液材料装置分别由贮浆桶和盛液桶组成，以分桶计量方式制备浆液，并逐桶搅拌，管线装置分别由钢编织胶管和注浆花管构成，该注浆系统的动力装置为双泵活塞式注浆机。

1.2 注浆材料与被注试样选取

本次试验注浆材料选用普通硅酸盐42.5R水泥（OPC）、粉煤灰水泥（FPC）、早强剂水泥浆液（ESAPC）、水泥-水玻璃双浆液（C-S）。土样取自长春市城市轨道交通3号线的中砂地层。基于室内试验，得出试验所用砂土基本物理特性如表1所示。

1.3 试验方案

1.3.1 注浆压力和注浆材料配比方案

为避免模型箱尺寸影响，导致注浆压力过大引发爆浆等问题，将注浆压力设置为0.2 MPa，0.3 MPa，0.4 MPa，以此来比较水泥基材料在不同注浆压力下的注浆量；在试验中，考虑到水泥浆液的抗压能力和流动特性，OPC和ESAPC浆液的水灰比被控制在0.5～1.0，FPC浆液的水灰比被控制在0.8～1.0；水泥与粉煤灰的质量比例分别为0.55：0.45，0.50：0.50和0.45：0.55；设定水玻璃波美度为45°Bé，水泥浆液的水灰比控制在0.5～1.0，将水玻璃与水泥浆的体积之比设为1：1，用于注浆施工的水的pH≥4.0；聚羧酸减水剂用量为胶凝材料的1%，早强剂的用量为水泥的2%。

1.3.2 不同工况下的浆液扩散半径

在不同注浆材料、不同注浆压力以及相同材料不同水灰比的3种工况下进行中砂介质注浆，并对浆液的最大扩散半径进行记录，分析各种因素变化对浆液扩散半径的影响差异。

1.3.3 不同工况下的注浆量

在不同注浆压力及水灰比条件下，对OPC浆液进行中砂介质注浆，在不同注浆压力下，记录注浆量随水灰比的变化情况，分析注浆压力、水灰比对注浆量的影响。

2 注浆试验结果分析

2.1 水灰比对浆液扩散半径的影响

2.1.1 OPC浆液扩散效果

表2为不同水灰比下OPC浆液的最大注浆扩散半径。试验结果表明，OPC浆液在中砂介质中都可进行扩散，但扩散的距离存在显著差异，水灰比越大，浆液的扩散效果就越显著。在OPC浆液水灰比为1.0的条件下，其最大扩散半径达到了257 mm，当OPC浆液水灰比为0.5时，其扩散半径仅为84 mm，两种不同水灰比条件下，OPC浆液在中砂介质中的最大扩散半径之比为3.06：1；分析可知，随水灰比的增大，浆液的流动特性变得更为活跃，因此浆脉的扩散范围也随之扩大；对于水灰比较低的OPC浆液，由于其较高的黏度，扩散时更易于黏附在砂土颗粒上，导致其流动性降低，扩散半径减小。

2.1.2 FPC浆液扩散效果

图1为0.2 MPa条件下FPC浆液注浆扩散半径，在不同水灰比下，该浆液都能在中砂环境中保持稳定的扩散，浆脉的扩散半径随粉煤灰的比例提高而增大。FPC浆液W/C=1.0，粉煤灰占比为0.6时，其扩散半径达到309 mm；在FPC浆液W/C=0.8，粉煤灰占比为0.4时，其扩散半径为199 mm。粉煤灰颗粒细度虽高于水泥，但OPC浆液的扩散性能却不如同水灰比的FPC浆液。这是因为粉煤灰具有“降黏”的特性，利用其“降黏”的特性不仅能减少水泥的使用量，还能增加浆液的扩散距离，为注浆技术提供了一个绿色、环保、经济型可行的方案。

2.1.3 ESAPC浆液扩散效果

如图2所示，OPC浆液与加入早强剂的浆液扩散半径几近相等。分析可知，早强剂颗粒粒径虽大于水泥颗粒粒径，但加入量仅为水泥质量的2%，影响甚小，故在中砂介质注浆中采用ESAPC浆液时，其扩散效果可以参考OPC浆液。

2.1.4 C-S浆液扩散效果

表3为C-S浆液在不同水灰比下的最大扩散半径，当水泥浆液W/C=1.0时，其最大扩散半径达到113 mm，在水泥浆液W/C=0.5时，其最大扩散的半径为80 mm，分析试验结果可知，其最大扩散半径随水灰比增大而增大。OPC浆液在中砂介质注浆的扩散效果明显强于C-S浆液，分析其原因：C-S浆液注入中砂介质后，由于其快速凝结的特性，浆液在扩散到更远的距离之前就已经凝结，并在中砂介质中起到了胶结和填充孔隙的作用，从而提高了砂土的强度；再者，水玻璃因其高度的黏性，紧密地附着在砂土的表层，导致在中砂介质中，C-S浆液的注浆扩散效果不如OPC浆液。因此在需要迅速凝固并增强其强度的注浆项目中，C-S浆液较为适用。

2.2 注浆压力对浆液扩散半径的影响

图3（a）～（b）分别为OPC浆液与ESAPC浆液在不同注浆压力下的扩散半径，在OPC浆液水灰比为0.8时，注浆压力为0.4 MPa，仅比注浆压力为0.2 MPa时的扩散半径长26 mm；在ESAPC浆液水灰比为1.0时，注浆压力对扩散半径的提升作用并不显著。经试验得出：高压下的浆液并不是稳定向四周扩散的，而是在砂土与注浆花管之间的薄弱位置喷出，此时砂土似乎处于某种“饱和状态”，因此，增大注浆压力对浆液在中砂介质中扩散半径的增长影响甚微。在实际注浆工程中，可考虑较细粒径注浆材料或增大水灰比来增加扩散半径。

2.3 注浆压力对注浆量的影响

如图4所示，同一注浆压力下OPC浆液的注浆量在随水灰比的增大而增加，OPC浆液水灰比为1.0，注浆压力在0.4 MPa时，注浆量达到了峰值；在水灰比保持不变的情况下，注浆压力增加会导致注浆量的上升，但这种上升并不显著；当注浆压力保持不变时，水灰比的上升引起的注浆量增长幅度处于5 L～7 L范围内，约占注浆量基数的11.6%。究其原因：其内部的自由水越多，越有助于液体展现出更出色的润滑特性，进而增强浆液的活跃性，使得浆液能够以花管为中心进行更广泛的扩散，这也导致了注浆量的相应增加。故在实际工程中，可以选择合理的水灰比来控制注浆量。

3 结论

1） 受自由水润滑作用影响，水灰比越大，浆液的扩散效果就越显著；由于粉煤灰具有“降黏”的特性，浆脉扩散半径随粉煤灰占比的提高而增大，OPC浆液的扩散性能不如同等水灰比的FPC浆液，在实际工程中，利用其“降黏”特性可减少水泥的使用量，增加浆液的扩散距离；同工况下OPC浆液与ESAPC浆液扩散半径几近相等，ESAPC浆液扩散效果可参考OPC浆液；由于C-S浆液凝结时间短，C-S浆液的扩散效果远不如OPC浆液，因此在需要迅速凝固并增强其强度的注浆项目中，C-S浆液较为适用。

2） 增大注浆压力对浆液在中砂介质中扩散半径的增长影响甚微，高压下的浆液并不是稳定向四周扩散的，而是在砂土与注浆花管之间的薄弱位置喷出。

3） 同一注浆压力下OPC浆液的注浆量在随水灰比的增大而增加，注浆压力增加会导致注浆量的上升，但这种上升并不显著，当注浆压力保持不变时，水灰比的上升引起的注浆量增长幅度处于5 L～7 L范围内，约占到注浆量基数的11.6%。

参 考 文 献

[1]HERZIG J P，LECLERC D M，Goff P L.Flow of suspensions through porous media-application to deep filtration[J].Industrial and Engineering Chemistry，1970，62（5）：8-35.

[2]杨秀竹.静动力作用下浆液扩散理论与试验研究[D].长沙：中南大学，2005.

[3]秦鹏飞，黄莉，苏丹娜，等.渗滤效应下砂土注浆加固机理试验研究[J].三峡大学学报（自然科学版），2022，44（3）：62-66.

[4]BOUCHELAGHEM F，VULLIET L，Leroy D，et al.Real-scale miscible grout injection experiment and performance of advection-dispersion-filtration model[J].International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，2001，25（12）：1149-1173.

[5]杨志全，侯克鹏，郭婷婷，等.黏度时变性宾汉体浆液的柱-半球形渗透注浆机制研究[J].岩土力学，2011，32（9）：2697-2703.

编辑：杨 洋