楊志全，牛向東，侯克鵬，周宗紅，梁 維，郭延輝，程 涌，楊八九

（1. 昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明，650093；2. 云南亞融礦業(yè)科技有限公司，云南 昆明 650093）

1 引 言

自19世紀(jì)初法國人Charles Berlghy將注漿技術(shù)用于Dieppe沖刷閘上之后，經(jīng)過各國學(xué)者專家的不斷研究與探索，目前其已發(fā)展運(yùn)用到冶金、地鐵、建筑、鐵路、軍事、公路及軍事等領(lǐng)域的巖土工程實(shí)用施工技術(shù)[1－3]。礫石土是土石混合土，常被稱為礫質(zhì)土，國內(nèi)也稱其為寬級配土[4]。礫石土層是第四紀(jì)形成的一種松散粗碎屑堆積物層，在我國分布非常廣泛，北到遼松平原山前地帶、松花江河床，南到珠江三角洲、東邊的長江三角洲、西部的青藏高原都有礫石土分布[5－7]，目前較多的自然災(zāi)害由礫石土地層誘發(fā)，如滑坡、泥石流災(zāi)害，造成重大的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失[8－11]。隨著世界人口的急劇增長與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞日益嚴(yán)重，同時(shí)全球氣候變化異常，局部山區(qū)極端驟降強(qiáng)暴雨事件逐漸增多，礫石土誘發(fā)的災(zāi)害會日益增多，損失也會日益慘重。

國內(nèi)外學(xué)者已對礫石土進(jìn)行了較深入地研究，并取得了較豐富的研究成果，但主要集中在礫石土性質(zhì)[11－16]，其在工程防滲墻與土石壩方面的運(yùn)用[17－19]及誘發(fā)形成自然災(zāi)害等領(lǐng)域，對于通過注漿技術(shù)來改變礫石土層的承載與防滲能力，如流體在其中的擴(kuò)散半徑、注漿量及形成的結(jié)石體強(qiáng)度性質(zhì)等方面的系統(tǒng)研究并不多，僅有少量的研究成果發(fā)表，這些成果因其研究對象與礫石土層具有一定的差異或研究不全面[20－21]，限制了注漿技術(shù)在礫石土層實(shí)際工程中的應(yīng)用。開展注漿流體在礫石土地層中擴(kuò)散規(guī)律的系統(tǒng)研究，對礫石土誘發(fā)的滑坡、泥石流等災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)提供技術(shù)參考。為此，筆者通過注漿模擬試驗(yàn)與數(shù)值分析等研究方法，開展礫石土層中漿液擴(kuò)散半徑、注漿量及注漿形成的結(jié)石體強(qiáng)度性質(zhì)等擴(kuò)散參數(shù)的變化規(guī)律與特征的研究，以期為礫石土層實(shí)際注漿工程實(shí)踐提供理論支撐。

2 試驗(yàn)研究

2.1 注漿試驗(yàn)裝置及工作原理

圖1 注漿試驗(yàn)裝置Fig.1 Grouting experiments device

注漿試驗(yàn)采用靜壓滲透注漿，其工作原理示意圖如圖2所示。

2.2 試驗(yàn)材料

在注漿試驗(yàn)中，采用5～10 mm、3～5 mm及1～3 mm三種不同顆粒級配的建筑砂石并經(jīng)不同程度的夯實(shí)來模擬不同性質(zhì)特征的礫石土層。

注漿材料選用昆明水泥廠生產(chǎn)標(biāo)號為#32.5的普通硅酸鹽水泥。該標(biāo)號水泥在目前工程上廣泛運(yùn)用作為注漿材料。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)法設(shè)計(jì)。選用注漿壓力、礫石土層的孔隙率及注漿水泥漿液水灰比 3個(gè)因素，且每個(gè)因素選定3個(gè)水平值。模擬的3種不同礫石土層性質(zhì)特征參數(shù)見表1。

表1 模擬的3種不同礫石土層性質(zhì)特征參數(shù)Table 1 Properties characteristic parameters of three simulated gravel soils

注漿壓力與注漿水泥漿液水灰比2個(gè)因素選取的3個(gè)水平值和由此得到的注漿試驗(yàn)選取的因子與水平見表2。

表2 注漿試驗(yàn)選取的因子與水平Table 2 Factors and levels selected for grouting experiments

依據(jù)正交表L9(34)[22]設(shè)計(jì)的注漿試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表3。

表3 注漿試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 3 Design schemes of grouting experiments

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

依照表3的注漿試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案開展注漿后，得到的注漿量 Q、注漿形成的結(jié)石體抗壓強(qiáng)度 Fcu及水泥漿液擴(kuò)散半徑R等試驗(yàn)結(jié)果，見表4，注漿形成的結(jié)石體見圖3。

表4 注漿試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of grouting experiments

圖3 注漿形成的結(jié)石體Fig.3 Stone body by grouted gravel soil

3 數(shù)值分析

依據(jù)表4中的試驗(yàn)結(jié)果，本部分采用國際上通用的 Minitab 16軟件開展礫石土層中漿液擴(kuò)散半徑、注漿量及注漿形成的結(jié)石體強(qiáng)度性質(zhì)等擴(kuò)散參數(shù)的變化規(guī)律與特征的數(shù)值分析。

3.1 注漿量分析

采用Minitab 16軟件對礫石土層中注漿的注漿量Q與水灰比w、礫石土層孔隙率n、注漿壓力p及注漿時(shí)間t間的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值分析，可以得到它們之間符合以下的關(guān)系：

表5為注漿量方差分析表。表中，SS為平方和；MS為均方差；F為F分布值；P為擬合過程的確定系數(shù)（如果P＜α，則相關(guān)性統(tǒng)計(jì)意義顯著，常用α=0.05）；S以響應(yīng)變量的單位進(jìn)行度量，它表示數(shù)據(jù)值偏離回歸線的標(biāo)準(zhǔn)距離；S、R-Sq、調(diào)整R-Sq為指擬合數(shù)據(jù)的相關(guān)數(shù)據(jù)，R-Sq為觀測的響應(yīng)值中由預(yù)測變量解釋的變異量，而調(diào)整R-Sq表示已根據(jù)模型中的項(xiàng)數(shù)調(diào)整的修正R-Sq。

表5 注漿量方差分析Table 5 Variance analysis of grouting amount

因此，數(shù)值回歸礫石土層中注漿量模型式（1）成立，可用來較好地預(yù)測礫石土層中注漿的注漿量Q。由式（1）可以看出，影響注漿量最為顯著的因素是漿液水灰比，其次是注漿時(shí)間與礫石土地層孔隙率，而注漿壓力對注漿量的影響相對較小。

3.2 注漿結(jié)石體抗壓強(qiáng)度分析

采用同樣的方法可分析得到礫石土層中注漿形成的結(jié)石體抗壓強(qiáng)度 Fcu與水灰比 w、礫石土層孔隙率n、注漿壓力p及注漿時(shí)間t之間的關(guān)系為

圖4 礫石土層中注漿量與注漿影響因素間的數(shù)值擬合殘差正態(tài)概率Fig.4 Numerical fitting residual normal probability plot among grouting amount and grouting effect factors in the gravel soil

表6 結(jié)石體抗壓強(qiáng)度方差分析Table 6 Variance analysis of compressive strength of stone body

因此，數(shù)值回歸礫石土層中注漿形成的結(jié)石體抗壓強(qiáng)度模型式（2）成立，可用來較好地預(yù)測礫石土層中注漿形成的結(jié)石體抗壓強(qiáng)度Fcu。

由式（2）可以看出, 影響注漿結(jié)石體抗壓強(qiáng)度最為顯著的因素是地層孔隙率，其次是漿液水灰比與注漿時(shí)間，而注漿壓力對其的影響相對較小。

3.3 注漿擴(kuò)散半徑分析

數(shù)值分析礫石土層中注漿的漿液擴(kuò)散半徑R與水灰比w、礫石土層孔隙率n、注漿壓力p與注漿時(shí)間t之間也滿足以下的關(guān)系式：

圖5 礫石土層中注漿結(jié)石體抗壓強(qiáng)度與注漿影響因素間的數(shù)值擬合殘差正態(tài)概率Fig.5 Numerical fitting residual normal probability plot among compressive strength of stone body and grouting effect factors in the gravel soil

因此，數(shù)值回歸礫石土層中注漿的漿液擴(kuò)散半徑模型式（3）成立，可用來較好地預(yù)測礫石土層中注漿的漿液擴(kuò)散半徑R。由式（3）可以看出，影響漿液擴(kuò)散半徑最為顯著的因素是漿液水灰比，其次是注漿時(shí)間與地層孔隙率，而注漿壓力對注漿擴(kuò)散半徑的影響相對較小。

表7 漿液擴(kuò)散半徑方差分析Table 7 Variance analysis of grout diffusion radius

圖6 礫石土層中注漿漿液擴(kuò)散半徑與注漿影響因素間的數(shù)值擬合殘差正態(tài)概率Fig.6 Numerical fitting residual normal probability plot among grout diffusion radius and grouting effect factors in gravel soil

4 模型驗(yàn)證

為研究在上節(jié)數(shù)值分析中得到的礫石土層中注漿的注漿量、漿液擴(kuò)散半徑及注漿形成的結(jié)石體抗壓強(qiáng)度等參數(shù)預(yù)測計(jì)算模型見式（1）～（3）在實(shí)際礫石土層注漿工程中的適用性，筆者設(shè)計(jì)注漿試驗(yàn)對其進(jìn)行驗(yàn)證。該部分采用與圖2相同的注漿試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)工作原理及步驟及試驗(yàn)材料。

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

注漿驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表8。

表8 注漿驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 8 Design schemes of grouting verification experiments

4.2 結(jié)果分析

礫石土層中注漿的注漿量、漿液擴(kuò)散半徑及注漿結(jié)石體抗壓強(qiáng)度等參數(shù)預(yù)測計(jì)算模型（式（1）～（3））計(jì)算的注漿量、漿液擴(kuò)散半徑及注漿形成的結(jié)石體抗壓強(qiáng)度的理論值與實(shí)際測量值及二者間的差值分析見表 9。從表中可以看出，礫石土層中注漿的注漿量、漿液擴(kuò)散半徑及注漿形成的結(jié)石體抗壓強(qiáng)度等參數(shù)預(yù)測計(jì)算模型（見式（1）～（3））分別計(jì)算的注漿量理論值小于實(shí)測值，而漿液擴(kuò)散半徑與注漿結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度的理論值均大于試驗(yàn)測量值，但都相差不大，其差率分別在10%、5%、10%左右變動，表明本文建立的礫石土層中注漿的注漿量、漿液擴(kuò)散半徑及注漿后結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度等參數(shù)預(yù)測計(jì)算模型能用來預(yù)測礫石土層實(shí)際注漿工程中的注漿量、漿液擴(kuò)散半徑及注漿形成的結(jié)石體抗壓強(qiáng)度等參數(shù)。因此，它們不僅可為礫石土層實(shí)際注漿工程實(shí)踐提供理論支撐，還可為礫石土誘發(fā)的滑坡、泥石流等災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

表9 礫石土層中驗(yàn)證注漿試驗(yàn)擴(kuò)散參數(shù)的理論計(jì)算值與實(shí)際測量值Table 9 Theoretical calculation values and actual measured values for verification of grouting diffusion parameters in gravel soil

5 結(jié) 論

（1）以注漿模擬試驗(yàn)為基礎(chǔ)，并結(jié)合數(shù)值分析研究方法，探討了礫石土層中注漿的注漿量、漿液擴(kuò)散半徑及注漿形成的結(jié)石體抗壓強(qiáng)度等參數(shù)預(yù)測計(jì)算模型。

（2）設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證了礫石土層中注漿的注漿量、漿液擴(kuò)散半徑及注漿結(jié)石體抗壓強(qiáng)度等參數(shù)預(yù)測計(jì)算模型。試驗(yàn)結(jié)果表明：礫石土層中注漿的注漿量、漿液擴(kuò)散半徑及注漿形成的結(jié)石體抗壓強(qiáng)度等參數(shù)預(yù)測計(jì)算模型計(jì)算的注漿量理論值小于實(shí)測值，而漿液擴(kuò)散半徑與漿后結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度的理論值均大于試驗(yàn)測量值，但都相差不大，其差率分別在10%、5%、10%左右變動。因此，它們能用來預(yù)測礫石土層實(shí)際注漿工程中的注漿量、漿液擴(kuò)散半徑及注漿結(jié)石體抗壓強(qiáng)度等參數(shù)。

本文的研究成果不僅可為礫石土層實(shí)際注漿工程實(shí)踐提供理論支撐，還可為礫石土誘發(fā)的滑坡、泥石流等災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)提供技術(shù)參考。

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