水泥-水玻璃漿液在圓礫層的擴(kuò)散規(guī)律

吳有平

(中地海外中揚(yáng)建設(shè)工程有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410016)

摘要：基于漿液在孔隙介質(zhì)中的滲流方程，推導(dǎo)出了圓礫層中漿液流動(dòng)時(shí)間、注漿量、擴(kuò)散半徑的計(jì)算式，并在一定的假設(shè)條件下，獲得了水泥-水玻璃漿液粘度隨時(shí)間變化的規(guī)律，探討了不同注漿壓力和漿液流動(dòng)時(shí)間對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的影響.漿液擴(kuò)散半徑隨注漿壓力的增大呈非線性增大，隨漿液流動(dòng)時(shí)間的增大呈非線性減小.圓礫層防滲注漿工程實(shí)例驗(yàn)證了圓礫層雙液注漿計(jì)算式的正確性.

關(guān)鍵詞：水泥-水玻璃漿液；賓漢體漿液；圓礫層；擴(kuò)散半徑

文章編號(hào)：1007-2985(2015)05-0063-05

收稿日期：2015-05-21

作者簡(jiǎn)介：吳有平(1979—)，男，湖南邵陽人，中地海外中揚(yáng)建設(shè)工程有限責(zé)任公司工程師，碩士，主要從事地基處理與邊坡工程研究.

中圖分類號(hào)：TU441文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.cnki.jdxb.2015.05.014

對(duì)于圓礫層防滲，主要有高壓噴射注漿、深層攪拌樁、鉆孔灌注樁與旋噴樁、花管注漿帷幕、地下連續(xù)墻等[1-5]防滲止水方法.近些年，隨著注漿在工程中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，人們開始把水泥-水玻璃漿液注漿引入砂礫層防滲工程中[6-8].早在上個(gè)世紀(jì)80年代，前蘇聯(lián)就已經(jīng)開展了水玻璃改良土體滲透性的研究[9].

目前，大多數(shù)注漿理論主要以單液注漿進(jìn)行研究.楊志全等[10]對(duì)黏度時(shí)變性賓漢體漿液的柱-半球形滲透注漿機(jī)制進(jìn)行了研究.楊坪[11]對(duì)砂卵(礫)石層進(jìn)行了模擬注漿試驗(yàn)及滲透注漿機(jī)理研究.鄭大為等[12]和程鵬達(dá)等[13]考慮灌注過程中的漿液粘度隨時(shí)間的變化，推導(dǎo)出了均勻沙層的擴(kuò)散計(jì)算式.有部分學(xué)者開始研究雙液注漿，如楊宇友等[14]對(duì)砂層中雙液注漿的堵水模型進(jìn)行了研究并開展了室內(nèi)試驗(yàn).這些研究主要針對(duì)顆粒較均勻的砂層或單一漿液，圓礫層中水泥-水玻璃液漿的擴(kuò)散規(guī)律尚未涉及.

基于漿液在孔隙介質(zhì)中的滲流方程，對(duì)圓礫層中水泥-水玻璃雙液注漿中注漿壓力、漿液流動(dòng)時(shí)間、漿液擴(kuò)散半徑等因素之間的關(guān)系進(jìn)行研究，為水泥-水玻璃雙液注漿設(shè)計(jì)提供必要的理論依據(jù).

1　圓礫層注漿模型

1.1 基本假定

圓礫層注漿滲流基本假定：(1)圓礫層為各向同性體；(2)設(shè)水泥漿液為賓漢姆流體，只有剪切應(yīng)力達(dá)到屈服值τ0后，漿液才會(huì)流動(dòng)；(3)漿液在注漿擴(kuò)散過程中流型不變，考慮漿液流變參數(shù)(如粘度)的時(shí)變性；(4)地下水為靜態(tài)水，沒有施加外力情況下不發(fā)生流動(dòng).

1.2 圓礫層注漿柱形滲流模型

設(shè)在r與r+dr間液流穩(wěn)定滲透擴(kuò)散，其滲流運(yùn)動(dòng)方程為：

其中ξ為積分常數(shù).

當(dāng)r=rc時(shí)，則

當(dāng)r=r1時(shí)，則

已知注漿時(shí)間及壓力差(HC-H0)時(shí)，可計(jì)算t時(shí)的漿液擴(kuò)散半徑為

(1)

其中：K為圓礫層滲透系數(shù)(cm/s)；μw為水的粘度(mPa·s)；rc為鉆孔半徑(cm)；r1為漿液擴(kuò)散半徑(cm)；h為圓礫層厚度(cm)；n為圓礫層孔隙率(%)；δ為啟動(dòng)壓力梯度；t為注漿時(shí)間(s)；Hc為鉆孔壓力的等值水柱高(cm)；H0為注漿層地下水壓力的等值水柱高(cm)；ΔH為鉆孔壓力與注漿層地下水壓力之差的等值水柱高(cm)；μ(t)為漿液的粘度(mPa·s)；若把漿液簡(jiǎn)化為牛頓流體，漿液的啟梯度為0.

1.3 圓礫層注漿擴(kuò)散規(guī)律

(1)注漿時(shí)間對(duì)漿液粘度的影響.當(dāng)水灰比為1∶1時(shí)[15-16]，由不同水泥漿(C)和水玻璃(S)體積比漿液的粘度隨時(shí)間變化的方程擬合出C-S漿液粘度μ(t)隨時(shí)間變化的曲線如圖1所示.由圖中1可知，水泥-水玻璃漿液為粘時(shí)變賓漢流體，且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，其粘度逐漸變大.

(2)不同注漿壓力對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的影響.對(duì)于圓礫層滲流模型，設(shè)地下水產(chǎn)生的壓力為78 kPa(根據(jù)工程實(shí)例選取)，v(C)∶v(S)=1∶1，孔隙率n=0.3，滲透系數(shù)K=0.069 4 cm/s，根據(jù)(1)式計(jì)算出不同注漿壓力下水泥-水玻璃漿液注漿擴(kuò)散半徑，注漿壓力對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的影響如圖2所示.

圖1　水泥-水玻璃漿液粘度隨時(shí)間變化曲線

圖2　漿液擴(kuò)散半徑與注漿壓力的關(guān)系曲線

由圖2可知，隨著注漿漿液壓力的增大，漿液擴(kuò)散半徑也逐漸增大，其擴(kuò)散半徑與注漿壓力并不成線性關(guān)系，而是先增長(zhǎng)較快而后增加的速率趨慢.對(duì)比漿液到達(dá)地層時(shí)間不同的擴(kuò)散半徑曲線可以發(fā)現(xiàn)，在相同的灌漿壓力下，漿液到達(dá)地層的時(shí)間越短，其擴(kuò)散半徑越大.因而在注漿設(shè)計(jì)中，為確保漿液的擴(kuò)散半徑，盡可能的縮短漿液混合到注入地層的時(shí)間，同時(shí)適當(dāng)增加壓力.

圖3　漿液擴(kuò)散半徑與流動(dòng)時(shí)間關(guān)系曲線

(3)不同漿液流動(dòng)時(shí)間與漿液擴(kuò)散半徑的關(guān)系.假定在地下水產(chǎn)生的壓力=78 kPa，注漿壓力0.4 MPa，圓礫層孔隙率n=0.3，滲透系數(shù)K=0.069 4 cm/s的情況下，根據(jù)(13)式得出水泥-水玻璃漿液其擴(kuò)散半徑與漿液流動(dòng)時(shí)間(混合到注入地層的時(shí)間)的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果如圖3所示.

從圖3可以看出，在假定的條件下，漿液流動(dòng)時(shí)間小于60 s時(shí)，漿液擴(kuò)散半徑衰減較快，而后慢慢趨緩.v(C)∶v(S)比值較小時(shí)，即水玻璃摻量較大時(shí)，其擴(kuò)散半徑較大.

2　工程案例

2.1 工程概況

某基坑工程位于長(zhǎng)沙市開福區(qū)，地形相對(duì)平坦，地面標(biāo)高30.6~32.8 m，基坑底標(biāo)高為21.3 m.鉆探揭露，場(chǎng)地上覆土層屬?zèng)_積層，場(chǎng)地內(nèi)埋藏的地層主要由人工填土、耕土、粉質(zhì)粘土、圓礫、強(qiáng)風(fēng)化板巖、中風(fēng)化板巖組成.其中圓礫層：褐黃色，顆粒含量約占總質(zhì)量的70%~80%，20 mm以上顆粒含量約占總質(zhì)量的50%，其余為細(xì)沙質(zhì)充填；層頂標(biāo)高18.9~23.0 m，層厚1.4~2.2 m，全場(chǎng)分布.地下水賦存于圓礫層中，屬于承壓水，實(shí)測(cè)初見水位24.8~19.6 m，距地面深度8.0~10.5 m；穩(wěn)定水位25.8~30.0 m，距地面深度2.1~4.2 m.

本基坑工程采用懸臂樁支護(hù)，上部放坡.支護(hù)樁樁徑1.0 m，樁間距2.0 m，樁長(zhǎng)12.0 m，嵌固段長(zhǎng)5.0 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25；樁頂冠梁尺寸1.0 m×0.6 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，冠梁頂標(biāo)高29~31 m；樁間采用小鉆孔(φ=75 mm)靜壓雙液注漿在含水圓礫層形成止水帷幕.

2.2 注漿設(shè)計(jì)

由勘察報(bào)告可知，圓礫層孔隙率n=0.3，圓礫層滲透系數(shù)K=0.069 4 cm/s.圓礫層中部的地下水平均高度為7.8 m，圓礫層上部的覆蓋層厚約10 m，考慮到注漿過程中壓力損失、上部土層的重度、強(qiáng)度以及靜水壓力，選定0.4 MPa作為注漿壓力值.由于注漿段的長(zhǎng)度相比空口段來說比較短，所以鉆孔的造價(jià)對(duì)整個(gè)注漿工程的成本影響較大.為減小鉆孔數(shù)量，參考漿液擴(kuò)散半徑與其流動(dòng)時(shí)間的關(guān)系曲線(圖3)，選用v(C)∶v(S)=1∶1的配比.

從圖3可以看出，當(dāng)漿液流動(dòng)時(shí)間小于60 s時(shí)，擴(kuò)散半徑較大，控制流動(dòng)時(shí)間為60 s.根據(jù)(1)式可以計(jì)算得出，漿液流動(dòng)時(shí)間為60 s時(shí)，其擴(kuò)散半徑為36.4 cm.考慮鉆孔孔位及傾斜的影響，孔距選取55 cm.注漿孔布置及擴(kuò)散范圍示意如圖4.

2.3 注漿效果

為檢測(cè)水泥-水玻璃雙液注漿后漿液的擴(kuò)散范圍及其充填情況，在雙液注漿孔兩孔中間處鉆檢查孔，抽取巖芯，巖芯如圖5所示.由圖5可知，水泥-水玻璃雙液漿已經(jīng)充分填充了礫石之間的孔隙，達(dá)到了預(yù)期效果.在基坑開挖后，基坑地面基本無水滲出，表明采用水泥-水玻璃雙液注漿在圓礫層中止水是可行的.

圖4　注漿孔布置及擴(kuò)散范圍示意(單位：mm)

圖5　注漿檢查孔巖芯

3　結(jié)論

在與工程實(shí)際情況基本接近的假設(shè)條件下，可以得出如下結(jié)論：

(1)水泥-水玻璃漿液屬于賓漢流體，滿足賓漢流體本構(gòu)方程.水泥-水玻璃漿液是時(shí)變性流體，漿液粘度隨其時(shí)間的增長(zhǎng)而增大.

(2)隨著注漿漿液壓力的增大，漿液擴(kuò)散半徑也逐漸增大，其擴(kuò)散半徑與注漿壓力并不成線性關(guān)系，而是先增長(zhǎng)較快而后增加的速率趨慢.對(duì)比漿液到達(dá)地層時(shí)間不同的擴(kuò)散半徑曲線可以發(fā)現(xiàn)，在相同的灌漿壓力下，漿液到達(dá)地層的時(shí)間越短，其擴(kuò)散半徑越大.

(3)漿液流動(dòng)時(shí)間小于60 s時(shí)，漿液擴(kuò)散半徑衰減較快，而后慢慢趨緩.

(4)通過對(duì)工程案例分析，驗(yàn)證文中計(jì)算方法的正確性，可為其他工程提供參考依據(jù).

隨著甲醛的話題不斷被炒作，消費(fèi)者關(guān)注熱度的不斷提升，部分商家很快嗅到了產(chǎn)品的宣傳點(diǎn)和賣點(diǎn)，開始在產(chǎn)品的廣告宣傳中加入“無醛”或“0醛”等字眼來吸引消費(fèi)者。消費(fèi)者在購(gòu)買產(chǎn)品時(shí)，無法識(shí)別產(chǎn)品是否環(huán)保，在很大程度上會(huì)被一些設(shè)計(jì)精妙的廣告宣傳所蒙蔽或欺騙。此前，所有商家的無醛宣傳都存在同一個(gè)問題，就是沒有依據(jù)，國(guó)家層面和行業(yè)層面都沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定什么樣的產(chǎn)品算是無醛產(chǎn)品。因此，木制品市場(chǎng)和人造板行業(yè)都急需一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范無醛人造板和制品的生產(chǎn)、檢測(cè)和標(biāo)識(shí)，消費(fèi)者也在尋求能予證實(shí)綠色環(huán)保家居建材產(chǎn)品的方法或可信賴的標(biāo)志。

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Diffusion Law of Cement-Sodium Silicate Grout in Gravel Ground

WU Youping

(CGCOC Zhongyang Construction Engineering Limited Liability Company，Changsha 410016，China)

Abstract：Based on the seepage equation of the slurry in the porous media，the mathematical formulas of grouting flow time，grout amount，diffusion radius in gravel ground were derived.Under certain conditions，the grout viscosity of the cement-silicate grout change with time was obtained，the effects of grouting pressure and the time of cement-silicate grout arriving into ground on the grout diffusion radius in gravel ground were analyzed.The results indicate that the grout diffusion radius increase nonlinearly with the increase of the grouting pressure and decrease nonlinearly with the time of cement-silicate grout arriving into ground.The calculation results from mathematical formulas accord with the results of grouting engineering，which were grouted of cement-sodium silicate in gravel ground.

Key words：cement-silicate grout；Bingham grout；gravel ground；diffusion radius

(責(zé)任編輯陳炳權(quán))