李為華

(湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利建筑工程系，湖南 長(zhǎng)沙 410131)

經(jīng)過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)后的漿液能否達(dá)到好的注漿效果，必須在施工現(xiàn)場(chǎng)選擇具有代表性的位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)注漿實(shí)驗(yàn)研究，以確定最優(yōu)的施工材料和施工工藝，選擇某高邊坡作為實(shí)驗(yàn)漿材的試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng).

1 地質(zhì)條件

1.1 地層特性

該段地層由新至老分第四系全新統(tǒng)(Qh)、第四系更新統(tǒng)(Qp)、奧陶系中上統(tǒng)(O2+3)、奧陶系下統(tǒng)大灣組(O1d).其中奧陶系下統(tǒng)大灣組(O1d)為強(qiáng)風(fēng)化瘤狀灰?guī)r，特點(diǎn)為紫紅色，顯晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀，含泥量較高，裂隙發(fā)育溶蝕現(xiàn)象明顯.易風(fēng)化，地形上多呈緩地，巖質(zhì)較軟，巖芯呈碎塊狀，巖體完整性差，揭露厚度為0.5～13.2m之間.弱風(fēng)化瘤狀灰?guī)r的特點(diǎn)為紫紅色，顯晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀，含少量泥質(zhì)，偶夾薄層狀灰?guī)r，溶蝕裂隙及溶洞發(fā)育均有可塑－硬塑狀粘土充填.巖芯多呈柱狀，巖體完整性好，該層揭露厚度為35.3m.

1.2 邊坡區(qū)段工程地質(zhì)特征

該邊坡巖層呈單斜狀構(gòu)造，順向坡巖層產(chǎn)狀為:走向40°～60°，傾向?yàn)?10°～330°，傾角在 42°～48°之間.巖層走向與路線方向相同，傾向和坡向、傾角和坡角基本一致，參見圖1.

發(fā)育著的節(jié)理主要分兩組，其產(chǎn)狀分別為:走向75°，傾向 SE;傾角60°～70°，走向350°;傾向 SW，傾角70°～75°，呈X型組合，前者隙面粗糙，隙寬1～2mm，無(wú)充填物，具微張?zhí)卣?后者隙面光滑，隙寬2～4mm，粘土充填，延伸距離大于前者，延伸長(zhǎng)在幾米到幾十米之間.最小節(jié)理密度為6條/m，最大節(jié)理密度為1條/m，大多數(shù)節(jié)理密度在3～5條/m.

1.3 不良地質(zhì)現(xiàn)象

不良地質(zhì)現(xiàn)象主要有:巖堆、順向坡、巖溶等，具體分述如下:

(1)瘤狀灰?guī)r含泥成分較高，風(fēng)化差異明顯，巖石脫水后，容易產(chǎn)生干裂而發(fā)生崩塌;此外，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水沿節(jié)理活動(dòng)，差異溶蝕現(xiàn)象嚴(yán)重.巖層結(jié)構(gòu)面脆弱，巖塊穩(wěn)定性差，一旦形成臨空面，即向低洼地帶產(chǎn)生崩塌，而形成巖堆.

圖1 邊坡滑坡情況

(2)坡向與巖層傾向傾角相一致，角度在45°左右，瘤狀灰?guī)r含泥量較高，抗風(fēng)化能力較差，此外兩組“X”節(jié)理發(fā)育，差異風(fēng)化強(qiáng)烈，巖層常被切割成棱形塊體，開挖后沿層面容易發(fā)生滑移，對(duì)邊坡穩(wěn)定極為不利.圖1是邊坡開挖不久發(fā)生的滑坡現(xiàn)象.

1.4 邊坡巖體力學(xué)性能參數(shù)

在上述對(duì)邊坡進(jìn)行工程地質(zhì)水文調(diào)查過(guò)程中，對(duì)具有代表性的巖石進(jìn)行取樣，并根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算要求.對(duì)典型巖石進(jìn)行了物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗拉劈裂試驗(yàn)、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)以及弱面摩擦試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1、2.取樣時(shí)，邊坡已經(jīng)大部分開挖，邊坡輪廓基本出現(xiàn)，在開挖面選擇具有代表性的巖石進(jìn)行人工撿石取樣.

表1 某高邊坡巖石物理力學(xué)參數(shù)表

表2 某高邊坡典型巖石弱面粘結(jié)力與摩擦角參數(shù)表

2 工程方案設(shè)計(jì)

2.1 施工漿材設(shè)計(jì)與制備

由于地質(zhì)條件的不均勻性和復(fù)雜性，同類工程的注漿經(jīng)驗(yàn)往往僅能作為參考，不宜直接搬用，因此為了了解注漿特性，取得必要的注漿經(jīng)濟(jì)技術(shù)數(shù)據(jù)，確定或修正注漿方案，使設(shè)計(jì)、施工更符合實(shí)際情況，布置更合理，地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)或有特殊要求的工程，應(yīng)先期進(jìn)行一定規(guī)模和深度的現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)，并以此試驗(yàn)成果作為注漿設(shè)計(jì)和施工的主要依據(jù).

漿液在受注地層中應(yīng)該具有良好的滲入性.即在一定的壓力下，能注入到一定寬度的裂隙中去.通常這種要求可按照計(jì)算進(jìn)行，其計(jì)算公式見式(1)［1］:

式中N－被注地層的可注比;l－裂隙寬度，mm;d95－注漿材料中顆粒級(jí)別曲線上含量為95%的粒徑，mm.

如果要保證注漿切實(shí)可行，必須通過(guò)計(jì)算使得N＞5;在當(dāng)N＜3時(shí)，認(rèn)為漿液完全不可注.考慮到層理間裂隙開度不大為1至2mm之間，假設(shè)取N值為9.0，則要求注漿材料的細(xì)度為12～24μm，同時(shí)由于存在高液限粘土或者硅質(zhì)巖膠結(jié)層，需要采用細(xì)顆粒注漿材料，以便注漿效果更好，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)注漿原材料的選取可以得知該注漿材料粒徑滿足該地質(zhì)條件對(duì)粒徑的要求.

根據(jù)賓漢流體在巖體柱形滲透中的注漿時(shí)間的表達(dá)式(2)［2］:

式中rc－鉆孔半徑，cm;r1－漿液擴(kuò)散半徑，cm;n－巖體孔隙率;λ－始動(dòng)壓力梯度，MPa/m;t－注漿時(shí)間，s;Δp－鉆孔壓力與注漿層地下水壓力之差，MPa.

根據(jù)巖石的性質(zhì)分析和初步預(yù)期要達(dá)到的注漿效果，n=0.001初步選取rc=40cm，r1=100cm，λ =0.1MPa/m，Δp=0.5MPa，K=10－3cm/s，這樣初步估算出的注漿時(shí)間為25min左右，所以要將漿液的凝膠時(shí)間控制在30min以上為佳.

根據(jù)漿液的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與工程地質(zhì)條件的分析，設(shè)計(jì)漿液的水灰比為:1:1、1:1.5、1:2;粉煤灰的摻量為25%;粘土的摻量為15%;石灰的摻量為7.5%;激發(fā)劑NaOH的摻量為3%;水玻璃(波美度35)的摻量為漿液體積:水玻璃體積=1:0.3.漿液的主要性能見表3，漿液的制備具體過(guò)程如圖2，注漿試驗(yàn)孔采用梅花型布置，排距與孔距均為2.5m，如圖3.

表3 漿液的主要性能

圖2 漿液制備過(guò)程

圖3 注漿試驗(yàn)孔平面布置圖

2.2 施工設(shè)備

主要的設(shè)備有:YT—24型鉆機(jī)一臺(tái);BWT—8Y液壓注漿泵一臺(tái)，其最大輸出壓力為1.5MPa;壓力表兩個(gè)，其最大量程為0～4MPa;立式水泥攪拌機(jī)兩臺(tái)，其攪漿能力為167～250L/min;水泥漿輸送和回漿管各一根.

2.3 注漿施工

根據(jù)設(shè)計(jì)的目的，此次注漿試驗(yàn)既要解決好漿液的擴(kuò)散范圍，達(dá)到控制注漿的目的;同時(shí)又要把施工爆破產(chǎn)生的破碎巖石充填粘結(jié);同時(shí)對(duì)層狀巖層層理面間的粘土進(jìn)行改良，增強(qiáng)層理面粘結(jié)力和水穩(wěn)性.

由于地層的不均勻性，對(duì)有些注漿孔采用逐步加壓的方式進(jìn)行注漿，對(duì)有些注漿孔采取恒壓的方式進(jìn)行注漿［3－8］，具體注漿壓力與注漿量的關(guān)系、注漿壓力與注入率之間的關(guān)系見表4、圖4和表5.

表4 注漿量與注漿壓力的關(guān)系

圖4 注漿量與注漿壓力的關(guān)系

表5 恒壓注漿壓力與注漿量關(guān)

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的意義

(1)指導(dǎo)施工，預(yù)報(bào)險(xiǎn)情:做出工程預(yù)報(bào)，確定施工對(duì)策;監(jiān)視險(xiǎn)情，安全施工.

(2)掌握工程營(yíng)運(yùn)中的安全狀況;及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施.

(3)校核理論，完善工程類比方法.為工程類比提供參數(shù)指標(biāo)，為注漿工程設(shè)計(jì)與施工累計(jì)資料［8－10］.

3.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容及結(jié)果

注漿施工屬于隱蔽工程，因此，質(zhì)量控制主要靠施工過(guò)程的監(jiān)控.傳統(tǒng)的控制方式主要有流量控制法、壓力控制法等.實(shí)際上流量和壓力都是隨著時(shí)間而波動(dòng)的，單純靠一個(gè)指標(biāo)，即注漿量或注漿終壓來(lái)控制注漿過(guò)程都是不科學(xué)的.目前，國(guó)內(nèi)外已發(fā)展了注漿過(guò)程監(jiān)控手段，可動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)測(cè)注漿過(guò)程流量和壓力的變化.

(1)注漿中地表位移監(jiān)測(cè)及注入量的確定

過(guò)高的注漿壓力會(huì)劈裂地層，發(fā)生不利的變形，使?jié){液呈脈狀過(guò)度擴(kuò)散，造成浪費(fèi).在注漿過(guò)程中，需要對(duì)周圍地表抬動(dòng)變形和水平位移監(jiān)測(cè).事先將觀察孔打入地層6米深(比注漿孔要深)，在孔中插入長(zhǎng)鐵管(10m)，將鐵管下半部固緊以作為不動(dòng)點(diǎn)，然后在鐵管露出坡面部分安一根橫向鋼管，橫向鋼管升到注漿孔位置附近，再安裝JMDL—2110智能數(shù)碼位移計(jì)進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，防止巖層發(fā)生過(guò)大的抬動(dòng).注漿過(guò)程中必須對(duì)地表抬動(dòng)連續(xù)進(jìn)行觀測(cè)記錄，防止地層破壞.地表位移變化監(jiān)測(cè)見表6.

(2)注漿過(guò)程中注漿壓力與注漿量的關(guān)系

注漿過(guò)程中，必須間隔為5分鐘左右記錄注漿量和壓力以及地表的位移情況、時(shí)間.注漿壓力或注入率突然改變時(shí)，應(yīng)該立即查明原因，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理.典型的注漿壓力與注漿量的關(guān)系見表4、圖4.

表6 地表位移變化

3.3 注漿效果檢測(cè)

注漿效果檢測(cè)是評(píng)價(jià)注漿工程的主要手段.目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于注漿效果的檢測(cè)大體上通過(guò)取樣試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)進(jìn)行.表 7 是使用較多的幾種檢測(cè)方法［11，12］.

表7 注漿效果探察方法分類表

本工程采取鉆孔取芯的直接檢測(cè)方式進(jìn)行注漿效果檢測(cè).在注漿孔中隨機(jī)的鉆芯取樣，巖芯取樣如圖5.

圖5 取樣巖芯

從巖樣中發(fā)現(xiàn)漿液在巖體中大致呈兩種擴(kuò)散，一種是沿著垂直注漿孔軸向方向的裂隙呈線狀擴(kuò)散，另一種是沿著層理面呈面狀擴(kuò)散.線狀擴(kuò)散的擴(kuò)散半徑在0.7～1.2m之間;面狀擴(kuò)散的擴(kuò)散半徑為0.7～2.0m之間.線狀擴(kuò)散的水泥漿液對(duì)表層垂直裂隙起粘結(jié)作用，增強(qiáng)表層巖體的整體性;面狀擴(kuò)漿液劈裂粘土充填在層面間，包裹著粘土中的砂礫.漿液和粘土之間的離子交換作用，提高了粘土的水穩(wěn)性;漿液與巖層的粘結(jié)作用，提高了巖層面間的抗滑性能.

取樣后將巖芯帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，分析發(fā)現(xiàn)表層由于爆破形成的破碎巖層被漿液膠結(jié)為整體，巖層孔隙的充填率達(dá)到95%以上，充填效果很好.對(duì)巖芯進(jìn)行注漿前后巖層粘結(jié)力和摩擦角的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表8，注漿以后巖層粘結(jié)力和摩擦角分別都有較大的提高.分析結(jié)果顯示該漿液對(duì)該工程具有較好的注漿效果，證明此次的注漿材料具有較好的可注性，此次注漿工程是一個(gè)成功的注漿工程.

表8 漿前后典型巖石弱面粘結(jié)力與摩擦角參數(shù)表比較

4 小結(jié)

本文對(duì)工程地質(zhì)條件進(jìn)行了分析，結(jié)合漿液性能，對(duì)工程進(jìn)行了注漿設(shè)計(jì);同時(shí)在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了施工監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出了該地質(zhì)條件下注漿壓力與注漿量的關(guān)系;對(duì)注漿效果、注漿半徑進(jìn)行了檢測(cè)，對(duì)注漿前后巖體性能的改變做出了比較.試驗(yàn)研究表明，該漿液對(duì)該工程具有較好的注漿效果，此次注漿工程是一個(gè)成功的注漿工程.

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