王小龍，王起才，2，張戎令，2，潘亞康

(1．蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070;2．道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730070; 3．蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州730070)

水泥-水玻璃雙液注漿力學(xué)行為的定量研究

王小龍1，王起才1，2，張戎令1，2，潘亞康3

(1．蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070;2．道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730070; 3．蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州730070)

水泥-水玻璃雙液注漿力學(xué)行為的定量研究對(duì)注漿土層中地下管線等結(jié)構(gòu)的變形分析具有重要意義。對(duì)注漿壓力0.4，0.8，1.0 MPa，距注漿中心0.5，0.8，1.0 m，不同注漿齡期時(shí)的高精度測(cè)斜管的變形進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)定，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出注漿土層測(cè)斜管受到的均布荷載的計(jì)算公式。經(jīng)有限元模擬計(jì)算驗(yàn)證，當(dāng)測(cè)斜管承受由該公式計(jì)算得出的均布荷載時(shí)，測(cè)斜管變形有限元計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較吻合。該結(jié)論對(duì)變形控制嚴(yán)格、必須進(jìn)行變形預(yù)測(cè)與分析的水泥-水玻璃雙液注漿加固結(jié)構(gòu)具有參考價(jià)值。

水泥-水玻璃雙液注漿;力學(xué)行為;測(cè)斜管;均布荷載

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鄉(xiāng)建設(shè)的加快，土地資源越來(lái)越緊缺，促使人們著眼于地下空間的開(kāi)發(fā)與利用。在地下工程建設(shè)中，確保既有建筑及地下管線安全，提高軟弱地層承載力成為地下工程順利施工的關(guān)鍵［1］。注漿技術(shù)作為不良地質(zhì)處理的有效手段之一，得到廣泛應(yīng)用。水泥-水玻璃雙液漿以水泥和水玻璃為主劑，注入加固土層中可提高土體的物理力學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)土體本身抗剪強(qiáng)度、承載力特性等［2］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在注漿理論與施工工藝方面做了大量研究［3-6］，Maag提出砂土層中的牛頓漿液球形滲透理論公式［7］，在Maag的球形滲透理論基礎(chǔ)上，Raffle等推導(dǎo)出漿液流量、球形擴(kuò)散半徑和注漿壓力之間的關(guān)系式［8］。王勝等［9］對(duì)不同水灰比漿液的膠凝時(shí)間和流動(dòng)性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，初步獲得了磷酸氫二鈉對(duì)水泥-水玻璃雙液漿凝固性能的影響規(guī)律。安妮等［10］針對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程中常出現(xiàn)的壁后注漿問(wèn)題，分析了水泥-水玻璃雙液漿膠凝時(shí)間、抗壓強(qiáng)度的影響因素及相關(guān)規(guī)律。然而當(dāng)前研究大多著眼于注漿參數(shù)的確定與施工工藝的改進(jìn)，忽略了水泥-水玻璃雙液注漿的力學(xué)行為?；诖?，本文利用高精度測(cè)斜儀測(cè)定粉質(zhì)黏土區(qū)不同注漿參數(shù)下測(cè)斜管的變形，分析了水泥-水玻璃雙液注漿土層中測(cè)斜管的受力特點(diǎn)，并定量研究了水泥-水玻璃雙液注漿的力學(xué)行為。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

水泥-水玻璃雙液漿注入土體時(shí)，土體受到水泥-水玻璃雙液漿的擠壓產(chǎn)生擾動(dòng)，離注漿中心越近，水泥-水玻璃雙液漿越容易到達(dá)，土體受到的擠壓力越大，相應(yīng)的該處測(cè)斜管的變形越大。水泥-水玻璃雙液注漿斷面示意如圖1。

圖1 水泥-水玻璃雙液注漿斷面示意

1.2 試驗(yàn)材料和儀器

1)試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用水采用自來(lái)水，水泥采用河南省衛(wèi)輝市春江水泥有限公司生產(chǎn)的P．O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比為1∶1。按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB/T 17671—1999)檢測(cè)，硅酸鹽水泥性能參數(shù)見(jiàn)表1。水玻璃采用市場(chǎng)上銷售的符合國(guó)家要求的水玻璃，水玻璃模數(shù)2.96，水玻璃溶液濃度為35°Be'。水泥漿與水玻璃體積比為1∶1。測(cè)斜管采用高精度鋁合金測(cè)斜管，高精度鋁合金測(cè)斜管各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 硅酸鹽水泥性能參數(shù)

表2 高精度鋁合金測(cè)斜管參數(shù)

2)試驗(yàn)儀器

采用GZJB型液壓雙液注漿泵進(jìn)行注漿，其工作原理示意如圖2。測(cè)斜儀系統(tǒng)精度為±0.25 mm/m，分辨率為±0.02 mm/500 mm。

圖2 水泥-水玻璃雙液注漿泵工作原理示意

1.3 試驗(yàn)分組

試驗(yàn)根據(jù)注漿壓力不同分為3組，每組試驗(yàn)按照距注漿中心距離不同又分為3個(gè)對(duì)照組，試驗(yàn)分組見(jiàn)表3。

表3 水泥-水玻璃雙液注漿試驗(yàn)分組

1.4 測(cè)斜管變形計(jì)算方法

試驗(yàn)在粉質(zhì)黏土區(qū)進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)環(huán)境條件單一，沒(méi)有外界因素對(duì)測(cè)斜管變形產(chǎn)生影響。由水泥-水玻璃雙液注漿引起的測(cè)斜管變形Δ(正值向注漿中心外側(cè)偏移，負(fù)值向注漿中心內(nèi)側(cè)偏移)由下式計(jì)算。

式中:St為注漿齡期t時(shí)測(cè)斜管變形值;S0為測(cè)斜管的初始變形值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同注漿齡期和注漿深度測(cè)斜管的變形

注漿壓力1.0 MPa，距注漿中心0.5 m和0.8 m，測(cè)斜管變形隨注漿齡期變化曲線見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn):同一注漿齡期距注漿中心越遠(yuǎn)測(cè)斜管的變形越小;距注漿中心距離不變時(shí)，注漿齡期1 h時(shí)土體在注漿壓力和水泥-水玻璃漿液共同作用下產(chǎn)生側(cè)移，測(cè)斜管受到擠壓發(fā)生變形;2 h時(shí)測(cè)斜管側(cè)向壓力減小，變形回彈;4 h時(shí)測(cè)斜管變形值超過(guò)1 h時(shí)，12 h時(shí)測(cè)斜管變形持續(xù)增大。忽略其他因素的影響，如果沒(méi)有進(jìn)行注漿，測(cè)斜管不會(huì)產(chǎn)生任何變形，注漿之后測(cè)斜管才發(fā)生變形。根據(jù)力與變形的關(guān)系，一定的變形，必然對(duì)應(yīng)著一定的外力。因此，由圖3可知，注漿齡期1，2，4，12 h，水泥-水玻璃雙液注漿對(duì)測(cè)斜管施加的壓力值先增大后減小，再持續(xù)增大。

圖3 測(cè)斜管變形隨注漿齡期變化曲線

注漿壓力1.0 MPa、距注漿中心0.5 m時(shí)各個(gè)注漿齡期測(cè)斜管變形隨注漿深度變化曲線見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn):注漿齡期12 h時(shí)注漿深度2 m處測(cè)斜管發(fā)生最大變形，為10.2 mm，離注漿土層中心深度(注漿深度為2 m)越遠(yuǎn)，測(cè)斜管變形越小。各個(gè)注漿齡期測(cè)斜管變形隨注漿深度變化趨勢(shì)相同，即測(cè)斜管變形最大值均在注漿土層中心深度處，離注漿土層中心深度越遠(yuǎn)，測(cè)斜管變形越小。

2.2 水泥-水玻璃雙液注漿測(cè)斜管受力與變形分析

水泥-水玻璃雙液注漿測(cè)斜管受力變形示意如圖5所示。由圖5(a)可見(jiàn)，在未注漿土層2 m處，測(cè)斜管變形很小，近似為0。注漿土層范圍注漿管開(kāi)花孔，土質(zhì)為粉質(zhì)黏土，分布均勻。水泥-水玻璃雙液漿通過(guò)土體顆粒之間的孔隙進(jìn)入注漿土層，漿液呈柱面擴(kuò)散［11］。測(cè)斜管受到的壓力主要由土體受到擠壓橫向移動(dòng)以及水泥-水玻璃的物理化學(xué)反應(yīng)引起。因此，水泥-水玻璃雙液注漿對(duì)測(cè)斜管施加的壓力可以簡(jiǎn)化為注漿土層測(cè)斜管受到的均布荷載q。注漿土層測(cè)斜管受到的均布荷載q的計(jì)算可以簡(jiǎn)化為:未注漿土層2 m處為固端約束;注漿土層中心深度(h/2)處測(cè)斜管變形實(shí)測(cè)值Δm對(duì)應(yīng)均布荷載q。其中h為水泥-水玻璃雙液注漿土層深度。

圖4 測(cè)斜管變形隨注漿深度變化曲線

圖5 水泥-水玻璃雙液注漿測(cè)斜管受力變形示意

注漿壓力1.0 MPa，距注漿中心0.5 m，注漿齡期12 h時(shí)測(cè)斜管發(fā)生最大變形，為10.2 mm，而測(cè)斜管總長(zhǎng)為10 m，因此測(cè)斜管只發(fā)生了微小變形，彈性力學(xué)理論完全適用于測(cè)斜管的變形計(jì)算。根據(jù)圖5(b)，先利用力法計(jì)算出在均布荷載q作用下注漿土層中心深度(h/2)處測(cè)斜管的變形值Δm(q)［12］。假設(shè)圖5(b)測(cè)斜管的簡(jiǎn)化受力與測(cè)斜管的實(shí)際受力狀態(tài)相吻合，

式中:E為測(cè)斜管材料彈性模量;I為測(cè)斜管截面慣性矩。

2.3 測(cè)斜管變形計(jì)算的有限元驗(yàn)證與實(shí)際應(yīng)用

測(cè)斜管由6061-T6鋁合金制成，彈性模量E= 67 620 MPa，慣性矩I=233 320 mm4。距注漿中心0.5 m，注漿壓力1 MPa，注漿齡期12 h時(shí)，注漿土層中心深度(h/2)處測(cè)斜管變形實(shí)測(cè)值Δm為10.2 mm。根據(jù)式(2)計(jì)算出Δm=10.2 mm時(shí)注漿土層測(cè)斜管受到的均布荷載q，再利用有限元軟件ABAQUS模擬計(jì)算出當(dāng)測(cè)斜管受到圖5(b)所示的均布荷載q時(shí)各個(gè)位置的變形。注漿土層不同深度測(cè)斜管變形有限元模擬計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 注漿土層不同深度測(cè)斜管變形計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

由表4可以看出:注漿土層中心深度(2.0 m)處，測(cè)斜管變形計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相吻合;離加固土層中心稍遠(yuǎn)，兩者差值略微變大，但總體來(lái)說(shuō)可以滿足工程要求;加固土層兩端測(cè)斜管變形計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差最大，此計(jì)算模型已不適用。

根據(jù)試驗(yàn)不同注漿壓力下測(cè)斜管變形實(shí)測(cè)值，利用公式(2)計(jì)算出距離注漿中心0.5，0.8 m注漿土層測(cè)斜管受到的均布荷載，見(jiàn)表5。則利用力法計(jì)算的在均布荷載q作用下注漿土層中心深度(h/2)處測(cè)斜管的變形值Δm(q)與注漿土層中心深度(h/2)處測(cè)斜管變形實(shí)測(cè)值Δm相等，即Δm(q)= Δm，根據(jù)Δm(q)=Δm反算求得q。

表5 不同注漿參數(shù)下測(cè)斜管承受的均布荷載

對(duì)水泥-水玻璃雙液注漿土層管線外形與試驗(yàn)測(cè)斜管相似的地下管線進(jìn)行變形驗(yàn)算時(shí)，其受力狀態(tài)可參考表5確定。

3 結(jié)論

1)注漿齡期1 h時(shí)土體在注漿壓力和水泥-水玻璃漿液共同作用下產(chǎn)生側(cè)移，測(cè)斜管受到擠壓發(fā)生變形;2 h時(shí)測(cè)斜管側(cè)向壓力減小，變形回彈;4 h時(shí)測(cè)斜管變形值超過(guò)1 h時(shí)，12 h時(shí)測(cè)斜管變形持續(xù)增大。

2)在未注漿土層2 m處，測(cè)斜管變形很小，近似為0。水泥-水玻璃雙液注漿土層中測(cè)斜管承受的均勻荷載的計(jì)算可簡(jiǎn)化為:未注漿土層2 m處為固端約束，注漿土層中心深度(h/2)處測(cè)斜管變形實(shí)測(cè)值Δm對(duì)應(yīng)均布荷載q。q=EIΔm/(0.333 3 h+0.25h2+ 0.0417h3+0.002 6h4)。

3)對(duì)水泥-水玻璃雙液注漿土層管線外形與試驗(yàn)測(cè)斜管相似的地下管線進(jìn)行變形驗(yàn)算時(shí)，其受力狀態(tài)可參考本文表5確定。

［1］郝亭宇．地下工程典型不良地質(zhì)水害治理技術(shù)［D］．濟(jì)南:山東大學(xué)，2015．

［2］艾孝軍．殘坡積土雙液注漿加固機(jī)理研究及工程應(yīng)用［D］．長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2013．

［3］楊志全，侯克鵬，郭婷婷，等．基于考慮時(shí)變性的賓漢姆流體的滲透注漿機(jī)理研究［J］．四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版)，2011，43(6):67-72．

［4］錢自衛(wèi)，姜振泉，曹麗文，等．弱膠結(jié)孔隙介質(zhì)滲透注漿模型試驗(yàn)研究［J］．巖土力學(xué)，2013，34(1):139-147．

［5］王乾，曲立清，郭洪雨，等．青島膠州灣海底隧道圍巖注漿加固技術(shù)［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30(4):790-802．

［6］FLEMING W G K．The Improvement of Pile Performance by Base Grouting［J］．Civil Engineering，1993，97(2):88-93．

［7］LIU J，GAO Y，SUI W．Visualization of Grout Permeation Inside Transparent Soil［J］．American Society of Civil Engineers，2013，23(10):188-194．

［8］黃紅元，榮耀．飽和砂層驅(qū)水滲透注漿分析［J］．巖土力學(xué)，2009，30(7):2016-2020．

［9］王勝，陳禮儀，史茂君．水泥-水玻璃漿液凝固特性試驗(yàn)研究［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(4):35-38．

［10］安妮，趙宇，石文廣，等．水泥-水玻璃雙液漿的特性試驗(yàn)研究及應(yīng)用［J］．鐵道建筑，2011(12):128-130．

［11］閆常赫，向可明，邱延峻．基于不同擴(kuò)散方式的路基滲透注漿模擬［J］．鐵道建筑，2008(11):40-42．

［12］于玲玲，楊正光．結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2014．

Quantitative Research on Mechanical Behavior of Cement-Waterglass Double Liquid Grouting

WANG Xiaolong1，WANG Qicai1，2，ZHANG Rongling1，2，PAN Yakang3
(1．School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China;2．National and Provincial Joint Engineering Laboratory of Road＆Bridge Disaster Prevention and control，Lanzhou Gansu 730070，China; 3．Lanzhou Railway Survey and Design Institute Co．，Ltd．，Lanzhou Gansu 730070，China)

Quantitative study of cement-waterglass double liquid grouting mechanical behavior has an important meaning for deformation analysis of underground pipeline structures in grouting soil and so on．Experimental measurements for the high-precision inclinometer pipe deformation at 0.5 m，0.8 m and 1.0 m from grouting center were made with grouting pressure of 0.4 M Pa，0.8 M Pa and 1.0 M Pa during different grouting stages，and the calculation formula for uniform load of inclinometer pipe in grouting soil was put forward according to the experimental results．T hrough verification by finite element simulating and calculating，the results calculated by finite element method are well coincident with the measured value of the inclinometer pipe deformation when the inclinometer pipe is under the uniform load calculated by the above formula．T he conclusion has strict deformation requirements and the deformation of cement-waterglass double liquid grouting reinforcement structure must be predicted and analyzed，which has a certain reference value．

Cement-waterglass double liquid grouting;M echanical behavior;Inclinometer pipe;Uniform load

U457+．3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．35

1003-1995(2016)12-0133-04

(責(zé)任審編葛全紅)

2016-07-10;

2016-10-10

長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT15R29);國(guó)家自然科學(xué)基金(51268032)

王小龍(1989—)，男，碩士研究生。