秦鵬飛，朱利穎，王文菁

（1.重慶交通大學(xué)水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074；2.黃河科技學(xué)院工學(xué)部，河南 鄭州 451000）

0 引言

地下水廣袤賦存在各種地下結(jié)構(gòu)和巖土介質(zhì)中，土的破壞常常是由土中水及其滲流引起的。巖土項目建設(shè)中常見的工程事故，如基坑突涌、堤防流土流沙、隧道冒頂坍塌等，有很大部分是強水頭誘發(fā)的滲透破壞，進而導(dǎo)致的工程災(zāi)害[1-4]。Darcy 與非Darcy 滲流條件下，巖土介質(zhì)均可能發(fā)生滲透破壞，非Darcy 滲流狀態(tài)下破壞后果較嚴(yán)重，破壞形式常表現(xiàn)為管涌、流土、接觸沖刷和接觸流土等[5-6]。

通過注漿可有效封堵地下水的滲流通道，顯著提升巖土介質(zhì)的整體物理力學(xué)性能，實踐表明注漿技術(shù)目前是滲透破壞防治的有效方法（圖1）。本文對管涌、流土等滲透破壞的發(fā)生機理進行了研究分析，然后結(jié)合工程對注漿防治理論、防治材料進行了系統(tǒng)剖析。

圖1 滲透破壞與注漿防治Fig.1 Seepage damage and grouting prevention

1 滲透破壞機理

地下水在裂隙巖體、砂礫石土中有壓流動時，巖塊或土顆粒承受地下水產(chǎn)生的浮力及滲流力作用，導(dǎo)致巖土介質(zhì)的強度和應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。巖土介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的改變會反作用于滲流場中的水體，改變其滲流方向和滲流速度。巖土結(jié)構(gòu)中存在滲流場和應(yīng)力場的復(fù)雜耦合作用，特定情況下地下水的滲流會導(dǎo)致巖土介質(zhì)的變形、破壞。滲透破壞（Seepage failure）是指在強滲流場作用下，土工構(gòu)筑物或地基的變形和破壞。滲透破壞的主要表現(xiàn)形式為流土和管涌，在工程分析中常被稱為滲透變形（Seepage deformation）或滲透失穩(wěn)（Instability due to seepage）[7-9]。

滲透破壞的發(fā)生取決于巖土介質(zhì)自身的幾何性狀，同時受外部水力因素的顯著影響。巖土自身幾何性狀包括顆粒級配、密實度、顆粒形態(tài)，外部水力因素則主要包括水力梯度的大小及作用方向等。級配良好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的巖土體抗?jié)B性能較強，通常不會發(fā)生滲透破壞，高水頭作用下只發(fā)生溢流出口的淺層流土破壞，而級配均勻、密實度小的土體抗?jié)B能力差，高水頭作用下可能發(fā)生貫通深部的管涌破壞。

1.1 流土

流土是指在方向向上的滲透力作用下，土體中的顆粒群同時起動而流失的現(xiàn)象。流土是否發(fā)生與滲流力大小緊密相關(guān)，當(dāng)滲流力大于土體顆粒的有效重力時，顆粒間有效應(yīng)力喪失，局部土體或者顆粒群同時發(fā)生懸浮和移動，巖土結(jié)構(gòu)遭到破壞。砂土中的流土破壞主要表現(xiàn)為砂沸、泉眼群等，而黏性土中的流土破壞主要表現(xiàn)為土塊隆起、膨脹、浮動等[10-12]。在2 種不同滲透性質(zhì)的土層交界面，垂直水流將細(xì)顆粒沖進另一層土稱為接觸流土；而在土層與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的交界面，水流將土顆粒沿界面沖走的現(xiàn)象稱為接觸沖刷[13-14]。

雙層地基是土木、水利等項目建設(shè)中經(jīng)常揭露的不良地質(zhì)，雙層地基中薄弱的黏土區(qū)域發(fā)生流土破壞的潛在可能性較大。假定某一雙層地基承受水頭差作用，取半徑為a，厚度為l 的圓柱狀黏土層對其滲透破壞機理進行分析揭示（圖2）。該圓柱狀薄弱區(qū)域承受向上的滲透力J、向下的重力G 和剪應(yīng)力τ，當(dāng)向上的滲透力逐漸增加達到臨界值時，應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，黏土層發(fā)生流土破壞[15-16]。臨界平衡狀態(tài)為：

圖2 流土破壞機理分析Fig.2 Soil-flow failure and mechanism analysis

式中：γ′為黏土層的浮重度，kN/m3；γw為水的重度，kN/m3；c 為土的黏聚力，kPa；φ 為土體內(nèi)摩擦角，（°）；icr為臨界水力坡降，可化簡為：

σ 為圓柱破壞面上的法向應(yīng)力，可由朗肯土壓力理論計算求得：

式中：K0為靜止側(cè)壓力系數(shù)，K0=1-sin φ。

考慮式（3），則流土破壞的臨界水力坡降可表示為：

1.2 管涌

管涌是指在滲透力作用下，巖土介質(zhì)中細(xì)小顆粒在骨架孔隙中運移流失的現(xiàn)象。管涌的發(fā)生機理為在一定滲透梯度和滲流速度的動水環(huán)境中，土體骨架間的可動細(xì)顆粒被水流帶走，逐漸形成穿越土體的細(xì)小滲流通道[17-18]。隨著滲流作用的加劇，土體貫通孔隙越來越大，最終掏空土體形成連續(xù)涌水通道（圖3）。管涌多發(fā)生在細(xì)砂、粉砂等無黏性土中，管涌方向與滲流方向一致。

圖3 管涌機理分析Fig.3 Piping mechanism analysis

管涌在巖土項目建設(shè)中具有頻發(fā)性、高危害性特征，其發(fā)生-發(fā)展機理復(fù)雜。研究表明，管涌是伴隨孔隙水滲流、細(xì)顆粒運移流失和多孔介質(zhì)骨架形變的多場多相耦合過程，常需結(jié)合理論分析、模型試驗、數(shù)值計算等方法進行綜合探測。管涌發(fā)生初期，巖土介質(zhì)的細(xì)小顆粒受孔隙水流沖刷侵蝕作用，發(fā)生自由跳動后跟隨水流運移流失，此時土體的粗、細(xì)顆粒發(fā)生位置移動、調(diào)整，致使土體的宏微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生響應(yīng)和改變。地下水滲流場受巖土應(yīng)力場動態(tài)影響，導(dǎo)致孔隙水壓力的分布呈現(xiàn)復(fù)雜且對巖土介質(zhì)整體穩(wěn)定性不利的特征[19-20]。伴隨著侵蝕的加劇和流失量的增加，土體的防滲、承載性能逐漸降低，而多孔介質(zhì)的骨架結(jié)構(gòu)、平衡狀態(tài)，在滲流場變化過程中受到波動和沖擊，也在不斷劣化、衰退。管涌機理的深刻揭示，可考慮從“滲流-侵蝕-應(yīng)力”全耦合的角度建立數(shù)學(xué)物理模型，以研究其發(fā)生、發(fā)展、破壞機制。

2 注漿防治技術(shù)

通過注漿可以顯著改善土體的物理力學(xué)性質(zhì)，有效提升巖土介質(zhì)的防滲性能。注漿是指通過鉆孔并置入管路的方式，利用液壓、氣壓將水泥或化學(xué)漿材注入不良土層中，漿材經(jīng)化學(xué)反應(yīng)后形成力學(xué)性能良好的結(jié)石凝膠體，從而達到改良土質(zhì)、防滲加固的地基處理方法[21-22]。常見注漿方式有滲透注漿、壓密注漿和劈裂注漿等（圖4），在水利、隧道、礦山和工民建方面都有廣泛應(yīng)用。

圖4 注漿漿液擴散機理Fig.4 Diffusion mechanism of grout

2.1 注漿理論

球形擴散理論、柱形擴散理論、袖套管法理論及單平板裂隙理論，以其體系嚴(yán)謹(jǐn)、計算精準(zhǔn)，在滲透注漿（Penetration grouting）理論研究中占有重要地位。Maag、Baker、Wallner、G.Lombad 及劉嘉才等人以這些理論研究為基礎(chǔ)，分別推導(dǎo)了注漿壓力衰減、漿液擴散分布的計算公式。其中Maag 公式[23]較具有代表性，工程應(yīng)用最廣。Maag球形擴散計算式為，柱形擴散式為

式中：R1為漿液球形擴散半徑，cm；R2為漿液柱形擴散半徑（為隱函數(shù)），cm；k 為砂土滲透系數(shù)，cm/s；h0為球形擴散壓力水頭，cm；h1為柱形擴散壓力水頭，cm；r0為注漿孔半徑，cm；t 為注漿時間，s；β 為漿液黏度與水的黏度比；n 為砂土的孔隙率。

壓密注漿（Compaction grouting）是利用水灰比較小的黏稠漿液，強行擠壓土體，通過化學(xué)膠結(jié)、離子交換及擠壓膨脹等作用，實現(xiàn)土體加固的注漿方式。劈裂注漿（Splitting grouting）則是施加持續(xù)增大的注漿壓力，將土層啟劈并形成縱橫交錯的網(wǎng)狀漿脈，起到加筋和加固作用的注漿方式。漿液的擴散方式與注漿壓力大小緊密相關(guān)，低壓灌注時主要表現(xiàn)為滲透作用方式，高壓時則表現(xiàn)為劈裂和壓密作用方式。其中劈裂注漿是壓密-劈裂-滲透循環(huán)作用的過程，劈裂注漿發(fā)生時伴隨有壓密和滲透等其它作用方式[24]。

2.2 注漿材料

注漿材料是注漿技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，新注漿材料發(fā)明往往會推動注漿技術(shù)的蓬勃發(fā)展。水泥類漿材目前主要有復(fù)合水泥、超細(xì)水泥等，化學(xué)類漿材主要有水玻璃、丙烯酸鹽、環(huán)氧樹脂、聚氨醋等。

2.2.1 復(fù)合水泥與超細(xì)水泥

通過摻加激發(fā)劑或改性材料形成的復(fù)合水泥，可顯著提升注漿材料的膠凝、流動及力學(xué)性能。以硅酸鹽水泥、工業(yè)廢渣為原料，通過堿激發(fā)方式制備的新型水泥基材料EMCG（Efficient Material of Cement-based Grout），具有流動性好、水化礦物致密、漿-巖膠結(jié)力強等特性[25]；以鋼渣為礦物摻合料制備的復(fù)合水泥膠砂，可有效延緩水泥漿液凝結(jié)時間，水化反應(yīng)形成的C-S-H、C-A-S-H凝膠，則可顯著提高結(jié)石體的抗侵蝕性能；以水溶性聚氨酯（PU）和其它微量組分研制的復(fù)合型硫鋁酸鹽水泥（SAC）[26]，具有泵送性能穩(wěn)定、快硬早強微膨脹等優(yōu)良特性。

超細(xì)水泥分散性好、比表面積大、活性高，超細(xì)水泥漿液具有與化學(xué)漿液相同的良好滲透性。超細(xì)水泥漿液穩(wěn)定性極高，水灰比1.4∶1、1.6∶1 的超細(xì)水泥漿液，其析水率分別為4.6%和5.8%，水灰比大于2∶1 后漿液性能逐漸下降。超細(xì)水泥對致密砂層、礦山巖體[27]及原狀黃土等，均有優(yōu)異的加固效果。礦山巖體經(jīng)超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿加固后，圍巖穩(wěn)定性普遍提升Ⅰ～Ⅱ個等級；馬蘭黃土經(jīng)超細(xì)水泥注漿加固后，宏微觀結(jié)構(gòu)得到顯著改善，承載性能顯著增強。超細(xì)水泥主要性能特征見表1。

表1 超細(xì)水泥顆粒特征及力學(xué)性能Table 1 Characteristics and mechanical properties of ultra-fine cement particles

2.2.2 地聚物

地聚物（Geopolymer）是一種由硅鋁酸鹽礦物、工業(yè)廢棄物為原料，經(jīng)強堿激發(fā)、高溫固化形成的無機膠凝材料。地聚物空間結(jié)構(gòu)呈網(wǎng)狀，由AlO4和SiO4四面體單元組成，具有凝結(jié)快強度高、耐高溫耐腐蝕等優(yōu)良特性。地聚物制備工藝簡單、原料來源豐富，具有極高的研究、開發(fā)價值。

固化溫度是影響地聚物力學(xué)性能的重要因素。適當(dāng)提高固化溫度可以加速地聚反應(yīng)速度，增加聚合物膠凝體產(chǎn)量，但固化溫度過高（＞80 ℃）會急劇加速縮聚而抑制溶解，降低加固效果。堿激發(fā)劑種類及濃度等，對地聚物的物相組成、微觀結(jié)構(gòu)和抗壓、抗彎性能也會產(chǎn)生顯著影響。水玻璃模數(shù)超過1.4 后，地聚物凝膠溶液黏度增大，不利于后期強度的形成[28]。地聚物砂漿抗壓強度P隨水玻璃模數(shù)z 增加呈先增后減趨勢，二者關(guān)系符合拋物線模型：

堿激發(fā)礦渣微粉對軟黏土進行的加固測試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)聚合改良后軟土形成方解石、莫來石等次生礦物，無側(cè)限抗壓強度達5 MPa，堿激發(fā)劑摻量對固化軟黏土的早期強度提升影響顯著，但對14 d、28 d 強度影響較小[29]。水玻璃堿激發(fā)粉煤灰地聚物對黃土進行的加固研究，發(fā)現(xiàn)堿激發(fā)形成的硅鋁酸鈉凝膠產(chǎn)物充填于黃土顆粒間[30]，產(chǎn)物相互膠結(jié)形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效改善了黃土孔徑分布，加固后黃土黏聚力c 達550 kPa，內(nèi)摩擦角φ 達39°。

2.2.3 微生物菌液

MICP 技術(shù)利用微生物菌液的新陳代謝活動，實現(xiàn)土建、水電等工程中的裂隙封堵、地基加固（圖5）。菌液可水解尿素產(chǎn)生碳酸根離子，碳酸根離子則與鈣溶液作用形成CaCO3凝膠體，以提高地基土的密實度和抗剪強度。微生物加固土的礦化過程與水泥相同，因而稱菌液和膠結(jié)液為生物水泥（Biocement）。MICP 技術(shù)具有施工擾動小、反應(yīng)可控、加固強度高、環(huán)境污染小等優(yōu)點，具有重要的研究價值和廣闊的發(fā)展前景。

圖5 微生物加固Fig.5 Microbial reinforcement

微生物固化土的成礦作用改變了土的原狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)MICP 固化處理后土的靜、動力學(xué)性能和耐久性均得到了顯著提升[31]。飽和粉細(xì)砂經(jīng)微生物加固后，壓縮系數(shù)由10-1下降到10-2MPa-1，滲透系數(shù)由10-2cm/s 下降到10-4cm/s，UCS 強度達到14 MPa 左右。微生物改良后土的峰值強度、殘余強度明顯提升，提升幅度受碳酸鈣生成量、試驗圍壓等因素影響[32]。微生物活動、礦化作用需要適宜的環(huán)境條件，良好的培育環(huán)境會激發(fā)菌液的固化潛能。溫度是影響微生物固化土處理效果的重要因素，MICP 加固的適宜溫度為20～40 ℃，適當(dāng)提高膠結(jié)液中尿素-鈣離子的濃度比可提升脲酶活性，增加礦化物產(chǎn)量。菌液濃度、膠結(jié)液濃度和礦化反應(yīng)時間對Ca2+利用率有顯著影響，膠結(jié)液濃度高于750 mmol/L 時，CaCO3晶體在砂土內(nèi)部呈簇狀發(fā)展，有利于提升微生物固化土的長期力學(xué)性能。振動臺試驗[33]對MICP 加固中粗砂的測試表明，經(jīng)固化處理后鈣質(zhì)砂具有較高的循環(huán)剪切阻力，液化特征由“流滑”轉(zhuǎn)變?yōu)椤把h(huán)活動性”，動力性能顯著改善。

2.2.4 高聚物

雙組份發(fā)泡聚氨酯作為一種新興的有機高分子材料，具有良好的膨脹性和可控性、反應(yīng)速度快且可調(diào)節(jié)、輕質(zhì)環(huán)保耐久等特點，21 世紀(jì)以來逐漸成為重要的修復(fù)加固材料，受到科研人員和工程師的廣泛關(guān)注（圖6）。

圖6 高聚物材料與工程應(yīng)用Fig.6 Polymer materials and engineering applications

高聚物注漿技術(shù)的基本原理是按照預(yù)先設(shè)定的配比，通過一定壓力向隧道、路基病害區(qū)注射雙組分原料和催化劑，原料經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)后體積迅速膨脹，形成拉壓、剪切強度極高的球狀固體，從而實現(xiàn)填充塌陷、防滲堵漏及加固地基的目的[34]。雙組分原料加聚反應(yīng)后形成靜止不動的有機聚合體，主要依靠其體積膨脹實現(xiàn)填充裂隙的目的，漿液具有良好的可控性；高聚物漿材密度為水泥漿的12%～18%，膨脹固化后基本不產(chǎn)生附加荷載，能有效保證巖土結(jié)構(gòu)的防滲加固效果；材料服役壽命長達50 a，惡劣環(huán)境下不變形、不收縮。高聚物漿材主要特性見表2。

表2 高聚物注漿材料主要性能Table 2 Main properties of polymer grouting materials

3 結(jié)語

地下水廣袤賦存在廣闊的土體介質(zhì)中，地下水的滲流及滲透破壞是目前工程建設(shè)中常見的現(xiàn)象。滲透破壞發(fā)生在基坑工程中可導(dǎo)致基坑坍塌，嚴(yán)重時可致人員傷亡并產(chǎn)生重大經(jīng)濟損失；滲透破壞發(fā)生在壩工工程中可毀壞壩基基礎(chǔ)，嚴(yán)重時可導(dǎo)致潰壩。滲透防治常采取的技術(shù)措施是注漿，通過注漿可以顯著改良土質(zhì)，提升巖土介質(zhì)的整體力學(xué)性能。本文在對流土、管涌等滲透破壞機理進行深刻剖析的基礎(chǔ)上，對滲透、壓密、劈裂注漿理論，復(fù)合與超細(xì)水泥、地聚物、高聚物、微生物菌液注漿材料進行了系統(tǒng)闡釋，旨在為提升巖土項目建設(shè)的精細(xì)化水平和推動其高質(zhì)量發(fā)展做貢獻。