金 鑫，張松林，邱子涵 ，張 猛，屈永龍

(1.西安工業(yè)大學 建筑工程學院，西安 710021；2.天津運河城投資有限公司，天津 301722；3.長慶油田分公司 第二輸油處，咸陽 712000)

在黃土工程沉陷病害治理、既有建構筑物地基加固等黃土地區(qū)路基加固等工程項目中，水泥漿注漿應用廣泛，并且大量工程實例證明了其有效性。文獻[1]研究了水泥及微量固化劑對黃土路基強度及水穩(wěn)性的影響，并利用固化黃土微觀形貌圖對固化劑改善水泥穩(wěn)定黃土的機理。文獻[2]通過對不同配比的水泥改性黃土進行SEM細觀結構測試和動三軸液化試驗，研究了水泥改性黃土的液化特征。文獻[3]對普通及超細水泥在黃土中的注漿效果進行對比分析。文獻[4]研究了粉煤灰-水泥復合注漿材料最為濕陷性黃土地基注漿材料的可行性。然而以上采用水泥漿土體注漿加固研究工作仍主要集中于水泥漿液的可注性及注結石體加固效果評價兩方面，對水泥漿在黃土體中的注漿擴散行為關注很少。然而在黃土地區(qū)水泥注漿工程中，漿液的擴散形式[5-8]不僅影響注漿加固體各項力學參數(shù)[9-11]的確定，而且也是后期加固工程注漿參數(shù)選取的重要依據(jù)。注漿擴散規(guī)律直接影響注漿工程量、注漿工期及注漿加固效果[12-13]?？紤]水泥注漿工程的隱蔽性及黃土場地地質條件的特殊性[14-17]，黃土注漿工程的設計仍缺乏理論支持，工程實踐基本上按照工程技術人員的經驗進行，由于尚缺乏黃土工程水泥注漿漿液擴散特征、注漿量隨時間的變化規(guī)律、注漿半徑評判方法的實際情況，黃土地區(qū)水泥注漿工程設計存在一定的盲目性，難以滿足注漿工程對經濟性、時效性、準確性的要求，探索并分析水泥注漿在黃土中的擴散規(guī)律非常必要。

本文以陜西省富平縣王廖鎮(zhèn)的原狀和重塑黃土場地為受注介質，采用現(xiàn)場水泥注漿試驗，完善了水泥注漿技術同時，對黃土中水泥注漿漿液擴散特征，注漿壓力、漿液擴散半徑及注漿量隨注漿時間的變化規(guī)律進行了分析，為相似水泥注漿黃土加固工程提供科學借鑒。

1 現(xiàn)場試驗

1.1 注漿場地

現(xiàn)場試驗場地位于陜西省富平縣王廖鎮(zhèn)，在注漿孔深度范圍內(h=3×103mm)，黃土的物理性質詳見表1。

表1 現(xiàn)場原狀土樣物理性質

1.2 注漿材料

現(xiàn)場注漿試驗注漿材料選用地基加固作業(yè)中廣泛使用的普通硅酸鹽水泥，試驗中按比例稱取的水泥和水，在注漿前須不斷在攪拌機中攪拌均勻，避免水泥漿離析現(xiàn)象的發(fā)生?，F(xiàn)場試驗注漿用水泥漿液的主要物理參數(shù)見表2。

表2 水泥漿主要技術參數(shù)

1.3 現(xiàn)場注漿設備及試驗方案

現(xiàn)場試驗注漿設備為保證注漿過程的連續(xù)性，其工作時由空氣壓縮機提供注漿壓力，連續(xù)恒定的高壓空氣進入儲漿罐壓縮漿液，經由高壓注漿管進入地層完成注漿。注漿系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 水泥注漿系統(tǒng)示意圖

在原狀黃土注漿試驗場地，利用螺旋鉆在定點處鉆孔，孔底距離地面為3×103mm，成孔直徑為1×102mm，成孔過程保證垂直度并清理孔底浮土，原狀黃土水泥注漿試驗孔設置數(shù)量為7個。

重塑黃土現(xiàn)場成孔情況如圖2所示，在重塑黃土注漿試驗點，以注漿點為圓心進行成孔，成孔半徑為6×102mm，深度為3×103mm。人工挖孔完成后，將挖孔取出的黃土過篩，去除雜物，測定其含水量。設定重塑黃土含水量ω=15.0%，孔隙比e=1.1。為保證重塑黃土回填的均勻性，沿土樣深度方向共分15層進行填筑，每層2×102mm，制樣時根據(jù)目標孔隙比及含水量計算每層黃土料的質量，采用相同擊實能量分層夯實，每層擊實到目標高度后均勻拉毛再擊實下一層。成孔工作完成后進行注漿管的固定填埋工作，采用前述所制注漿管。

圖2 重塑黃土場地人工成孔

注漿試驗中為保證漿液壓力在地層中的均勻擴散，注漿管在底端以上1.5×103mm范圍內為空腔，將注漿管豎直放入孔洞中心，將土工纖維與樹脂混合物放入孔內搗實，地面上預留3×102mm的立管，以便連接高壓注漿管注漿管，并設置木質盤根，在下方1.5×103mm的范圍內形成空腔。注漿過程壓力較大，為避免漿液在壓力作用下沿注漿孔溢出，在土工纖維與樹脂混合物上層均勻灌入水灰比為1∶1的水泥漿并振搗密實，使密封水泥漿與孔壁嚴密接觸，保證注漿孔的密封性能。封孔水泥漿凝固以后即可進行注漿試驗。注漿管掩埋及密封完成后的注漿孔如圖3所示。

圖3 注漿管掩埋及注漿孔密封

原狀及重塑黃土中，現(xiàn)場水泥單液注漿試驗方案見表3。

表3 黃土場地水泥注漿試驗方案

注漿完成并在養(yǎng)護一周之后，進行結石體的開挖，由于注漿試驗點較多，且埋藏深度較大，先采用挖掘機進行上部土體的開挖，當接近結石體時改用人工挖掘。挖掘原則是顯露結石體的大部分，挖掘深度為3×103mm左右。在挖掘過程中要做好結石體的幾何尺寸等數(shù)據(jù)的記錄，對結石體進行編號，同時觀察漿液在黃土中的擴散形式。

2 現(xiàn)場注漿試驗結果分析

2.1 水泥漿液結石體特征

根據(jù)現(xiàn)場開挖及觀察可得：

1) 對于原狀黃土和重塑黃土，水泥漿液注漿完成后，均形成明顯的加固體，加固體自注漿孔向外延伸呈脈板狀(圖4)，符合劈裂注漿特征，說明水泥漿液的在黃土中的擴散形式主要是劈裂注漿。主要是應為黃土中粒徑為0.05～0.01 mm的粉粒含量最高，占比達50%～60%，普通水泥顆粒粒徑主要分布范圍在0～0.1 mm之間，與黃土顆粒相差不大，因此水泥漿液不易在黃土中發(fā)生滲透擴散。

圖4 黃土中水泥注漿漿脈

2) 注漿結石體呈脈狀分布，其斷裂形態(tài)如圖5所示，結石體脈板是水泥漿凝固而成，不是水泥漿液與黃土混合的加固體，脈板內未見黃土混入。加固體呈現(xiàn)水泥漿的青灰色，與黃土顏色對比強烈。注漿孔劈裂之前被水泥漿液擠壓發(fā)生擴張，注漿完成后，孔中滯留的水泥漿液凝固成水泥柱，如圖4所示的中央柱狀體。經觀測可知，水泥柱的直徑略大于注漿孔直徑。注漿孔在水泥漿液壓力作用下擴張到一定程度發(fā)生劈裂擴散，以注漿孔為中心水泥漿脈有一條較大的漿脈和一條相對較小的漿脈。大漿脈擴散范圍較大，為主裂縫。小漿脈擴散距離較小，為次裂縫。

3) 無論是原狀黃土還是重塑黃土，在注漿劈裂-裂縫周圍，黃土與水泥漿未發(fā)生混溶，漿-土界面明顯。在原狀黃土中，水泥漿脈板與黃土分界面接近于平面，界面較平整，如圖5(a)所示。在重塑黃土中，水泥漿脈板與黃土分界面有許多突進土體的小裂縫，小裂縫長度較小，分叉較多，如圖5(b)所示。

圖5 黃土中水泥漿脈斷裂形態(tài)

2.2 原狀黃土中水泥注漿分析

對7個原狀黃土注漿孔分別進行不同注漿壓力下的水泥漿現(xiàn)場注漿試驗，注漿試驗結果記錄見表4。試驗發(fā)現(xiàn)，保持注漿壓力恒定條件下，隨著注漿時間的增加，注漿量逐漸增大，記錄得到的注漿量隨時間的變化如圖6所示。

表4 原狀黃土現(xiàn)場注漿試驗結果

圖6 原狀黃土中水泥漿注漿量與時間的關系

1) 在一定壓力下，漿液注入量隨時間大致呈線性增長，但當注漿時間t達到一定值t0后，注漿量趨于穩(wěn)定，不再隨時間增加(無法注入)。這一時間界限值t0的存在非常明顯，當t小于t0時注漿量隨時間線性增長，當t達到t0后注漿量增加值迅速減小并趨于穩(wěn)定。并且，在一定范圍內有效注漿時間t0隨注漿壓力p的增大而增大。因此為便于后續(xù)試驗結果于分析，將這一注漿時間界限值t0定義有效注漿時間。

2) 注漿完成后，開挖并實測水泥漿脈板寬度(水泥漿自注漿孔中心向外的擴散半徑r)，漿液擴散半徑隨注漿壓力的增大而增大。水泥漿液在0.55 MPa時擴散半徑有較大增長，土體在較大壓力作用下大裂縫發(fā)展較快，注漿壓力大于0.55 MPa以后半徑增長趨于平緩。注漿初期水泥漿液擴散半徑隨注漿壓力擴展的主要原因是黃土體中注漿壓力增大致使孔隙壓力無法利用土體滲透使其及時消散，此時高壓水泥漿在黃土中產生劈裂通道，漿液沿裂縫擴展同時沿垂直于裂縫壁方向發(fā)生滲透，當劈裂裂縫產生后，注漿壓力可沿裂縫及時消散，使注漿擴散半徑增長速率趨于平緩。

3) 圖6中各條曲線在t0之前的斜率代表注漿速率，隨著壓力的增長斜率呈增加趨勢，即注漿速率隨著壓力的增大而增大。水泥漿液在原狀黃土中為劈裂擴散，在0.15 MPa、0.25 MPa、0.35 MPa壓力下注漿速率隨著壓力的增大而有明顯增大。特別是壓力從0.25 MPa增大至0.35 MPa時注漿速率增長明顯，發(fā)生該現(xiàn)象的原因，可歸結為當注漿壓力達到0.35 MPa時使原狀黃土劈裂裂縫快速擴展，裂縫產生以后沿裂縫形成新的滲透通道，注漿速率增大。當壓力超過0.35 MPa后，注漿速率隨著壓力的增長速率逐漸減小。

2.3 重塑黃土中水泥注漿分析

為進一步探究水泥漿液在黃土中的劈裂特征，消除原狀黃土中天然缺陷對注漿擴散形式的影響，對5個重塑黃土注漿孔分別進行水泥注漿試驗，試驗結果見表5及圖7所示。

表5 重塑黃土現(xiàn)場注漿試驗結果

圖7 重塑黃土中水泥漿注漿量與時間的關系

1) 重塑黃土注漿試驗規(guī)律與原狀黃土相同，但在一定壓力下，漿液注入量隨時間大致呈線性增長。注漿時間t達到有效注漿時間t0后，注漿量趨于穩(wěn)定。有效注漿時間隨注漿壓力的增大而增大。

2) 水泥漿液在重塑黃土中仍以劈裂擴散為主，在0.15 MPa壓力下注漿速率較小，是因為黃土中裂縫發(fā)展較小。當壓力達到0.25 MPa時注漿速率增長明顯，產生這一現(xiàn)象的原因，可歸結為壓力達到0.25 MPa時使重塑黃土劈裂裂縫快速擴展，裂縫產生以后沿裂縫形成新的滲透通道，注漿速率增大。當壓力從0.35 MPa增大到0.45 MPa時注漿速率有明顯增長，說明壓力達到0.45 MPa時重塑黃土劈裂裂縫又出現(xiàn)了快速擴展。

3) 相同壓力條件下水泥漿在原狀黃土中半徑大于重塑黃土中的值，這是因為水泥漿液主要為劈裂擴散，原狀黃土中有天然存在的大孔隙及豎向的節(jié)理形成的薄弱面利于劈裂及漿液的擴散，而重塑黃土土?；旌暇鶆颍W性質均勻，不利于形成平滑貫通的大裂縫。由現(xiàn)場挖掘的結石體可以觀察到，原狀土中水泥漿液形成的裂縫較平滑，多在一個平面，重塑黃土中的水泥漿裂縫沿主漿脈有較多的分支漿脈，裂縫平面不明顯。

2.4 水泥漿液擴散半徑、注漿量與注漿壓力的關系

根據(jù)表4～5中水泥漿液在黃土中擴散半徑的實測結果，得到黃土中水泥漿注漿半徑與注漿壓力的關系如圖8所示。

圖8 水泥漿擴散半徑與注漿壓力的關系

根據(jù)圖8可以看出，注漿半徑隨著注漿壓力的提高而增加。在注漿壓力相同條件下，水泥漿在原狀黃土中的擴散半徑略大于重塑黃土，因為水泥漿液主要為劈裂擴散，原狀黃土中有天然存在的大孔隙及豎向的節(jié)理形成天然的薄弱面利于劈裂及漿液的擴散，而重塑黃土土粒混合均勻，力學性質均勻不利于形成平滑貫通的大裂縫。由現(xiàn)場挖掘的結石體可以觀察到，原狀土中水泥漿液形成的裂縫較平滑，多在一個平面，重塑黃土中的水泥漿裂縫沿主漿脈有較多的小支脈，裂縫平面不明顯。

為便于應用，將原狀黃土和重塑黃土水泥漿液擴散半徑數(shù)據(jù)進行歸一化處理。圖8中水泥漿液擴散半徑與注漿壓力近似于線性關系，經線性回歸，得到水泥漿液擴散半徑r與注漿壓力p的關系式為

r=0.75p+0.04,

(1)

式中:r為水泥漿液的擴散半徑(m)；p為注漿壓力(MPa)。

現(xiàn)場試驗過程發(fā)現(xiàn)，當注漿時間達到有效注漿時間后，注漿量趨于穩(wěn)定值，并且注漿量隨注漿壓力的變化而變化，根據(jù)表4～5記錄現(xiàn)場注漿量，得到原狀黃土與重塑黃土水泥漿液注漿量與注漿壓力的關系如圖9所示。

圖9 注漿量與注漿壓力的關系

圖9中隨著注漿壓力的提高，在兩種土體中的注漿量都在增加。將原狀黃土和重塑黃土水泥漿液注漿量數(shù)據(jù)進行歸一化處理，得到黃土中水泥漿液注漿量m0與注漿壓力p的關系式為

m0=495.89p-26，

(2)

其中m0為水泥漿液有效注漿量(kg)。

2.5 水泥注漿有效注漿時間分析

基于表2、表3有效注漿時間數(shù)值，圖10給出了原狀黃土與重塑黃土中水泥漿液有效注漿時間與注漿壓力的關系。

圖10 水泥漿液在原狀與重塑黃土中有效注漿時間與注漿壓力的關系

如圖10所示，有效注漿時間隨著注漿壓力的提高而增加。比較原狀黃土和重塑黃土的水泥漿液有效注漿時間數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，原狀土體中水泥有效注漿時間在各個注漿壓力下均高于重塑土。原狀黃土中存在的天然薄弱層，漿液通道多于重塑黃土，因此在相同壓力之下，雖然注漿擴散半徑和注漿量差異不大，但注漿速率差異較大，導致水泥漿液在原狀黃土的有效注漿時間大于重塑黃土。根據(jù)有效注漿時間t0隨注漿壓力p的變化特征，分別對其進行線性回歸，得到水玻璃有效注漿時間數(shù)據(jù)t0與注漿壓力p的關系式。

(3)

式中:t0為水泥漿有效注漿時間(s)；p為注漿壓力(MPa)。

將式(1),式(2)代入式(3)中，得到原狀及重塑黃土中有效注漿時間t0與水泥漿液擴散半徑r和水泥注漿量m0的相關關系為

(4)

(5)

在黃土地區(qū)若采用單液水泥漿進行注漿加固工程時，根據(jù)所需加固范圍(擴散半徑r)，利用式(4)計算得到有效注漿時間t0，根據(jù)相應t0按照式(3)及式(5)可快速確定相應條件下的有效注漿壓力及注漿量，為實現(xiàn)黃土地區(qū)水泥注漿加固工程的快速設計分析奠定基礎。

3 結 論

1) 水泥漿液在黃土中以劈裂的形式進行擴散，結石體自注漿孔向外延伸呈脈板狀。

2) 在一定注漿壓力下，注漿量隨時間近似呈線性增長，當注漿時間達到有效注漿時間后，注漿量趨于穩(wěn)定。原狀和重塑黃土中注漿速率差異較大，水泥漿液在原狀黃土的有效注漿時間大于重塑黃土。

3) 相同注漿壓力條件下水泥漿在原狀黃土中半徑大于重塑黃土中的值。原狀土體中水泥有效注漿時間在各個注漿壓力下均高于重塑土。

4) 根據(jù)黃土地區(qū)水泥注漿加固工程的所需加固范圍，可計算得到相應有效注漿時間，并可快速確定相應條件下水泥注漿有效注漿壓力及注漿量。

5) 本文現(xiàn)場試驗用黃土場地較為單一，不同黃土地區(qū)中水泥注漿的擴散特點、注漿壓力及有效注漿時間等的變化規(guī)律是否具有相同的特性，須在今后的試驗中不斷進行探究與驗證。