杜　野　裴向軍　黃潤秋

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室(成都理工大學(xué))　成都　610059)

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黏度時變性灌漿材料加固碎裂巖體應(yīng)用研究*

杜野裴向軍黃潤秋

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室(成都理工大學(xué))成都610059)

針對普通水泥漿流動時間長、早期強(qiáng)度低、可灌性差，在復(fù)雜巖體注漿中質(zhì)量難以保證的問題，提出以普通水泥漿為基漿，對普通水泥漿適當(dāng)摻加外摻劑進(jìn)行改良，以調(diào)節(jié)水泥水化及硬化進(jìn)程，形成SJP黏度時變性灌漿材料。其特征主要為漿液初始流動性好，漿液黏度增長緩慢，漿液過可泵時間后其黏度將迅速增大，漿液在可泵時間內(nèi)保持良好的可灌性； 漿液流動時間可控，可泵時間到初凝時間間隔短，漿液不易被沖蝕； 同時漿液固結(jié)體具有前期強(qiáng)度增長快，后期強(qiáng)度高的特點； 可以根據(jù)不同巖層特點，改變外摻劑的加入量，可以形成與地層良好適應(yīng)性的灌漿材料。應(yīng)用結(jié)果表明：對于陡傾、寬縫、碎裂巖體，SJP黏度時變性灌漿材料具有良好適宜性，可以作為錨桿灌漿材料，在減少材料用量的同時，可縮短工時，灌注質(zhì)量滿足設(shè)計要求。SJP灌漿材料已應(yīng)用到壩基加固、房屋地基處理、地質(zhì)災(zāi)害治理工程中。

注漿工程黏度時變性灌漿材料碎裂巖體邊坡治理

0　引　言

注漿是改變巖土體物理力學(xué)性質(zhì)的一種施工方法(王國際， 2000； 鄺健政等， 2001； 烏效鳴等， 2002)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于巖土工程眾多領(lǐng)域，如大壩基礎(chǔ)防滲注漿、壩肩抗力體固結(jié)注漿、隧道以及地鐵工程遇到突水、涌水問題超前預(yù)注漿等，注漿以成為處理上述問題最為常用的方法。

對于注漿研究主要為被灌巖(土)的可灌注性、以及注漿材料的性能、漿液在被灌巖(土)體中的流動特性、以及注漿設(shè)備、注漿工藝、灌注效果的檢測等，而注漿材料是關(guān)系到注漿成敗的最為關(guān)鍵的因素。

目前注漿材料種類、數(shù)量眾多，但總體上仍是以水泥為代表的粒狀漿材，以及各類化學(xué)漿材?；瘜W(xué)類漿材一般初始黏度低、可灌性、漿液固結(jié)體的耐久性以及抗?jié)B性能較好，特別是對細(xì)微裂隙有較好的適應(yīng)性(蔣碩忠， 2003)。但是化學(xué)類漿液一般價格昂貴、以及化學(xué)類漿液一般具有毒性，化學(xué)漿液結(jié)石體強(qiáng)度一般要比水泥漿液結(jié)石體強(qiáng)度低，使其應(yīng)用范圍受到了限制(葛家良， 1995； 楊米加等， 1995； 王星華， 1998； 阮文軍等， 2001； 阮文軍， 2005a， 2005b； 胡安兵等， 2005)。

水泥漿液材料來源豐富、漿液配置方便、操作簡單、成本較低且固結(jié)體具有結(jié)石體強(qiáng)度高、耐久性好特點，因此在各類工程中得到了廣泛應(yīng)用。

普通水泥漿液凝固時間長、早期強(qiáng)度低、可灌性差，使其在復(fù)雜巖體注漿中應(yīng)用不能很好的應(yīng)用，灌注質(zhì)量難以保證，因此為了更好的應(yīng)用水泥漿液，需要對普通水泥漿液進(jìn)行改良，使其適宜于復(fù)雜巖體注漿。

本文以普通水泥漿液為基漿，適當(dāng)摻加外摻劑，調(diào)節(jié)水泥漿的水化以及硬化進(jìn)程，使得漿液性能大大改善，形成性能優(yōu)良的SJP黏度時變性水泥灌漿材料。

本文以九寨云頂悅榕酒店邊坡治理工程為例，研究SJP黏度時變性灌漿材料在加固碎裂巖體中的應(yīng)用。

1　SJP灌漿材料組成及性能特征

1.1漿液的基本組成

SJP漿液以普通水泥漿液為基漿，加入外摻劑1#(纖維素類溶劑)、2#(合成鈣硅質(zhì)早強(qiáng)劑)、3#(酰胺類穩(wěn)定性調(diào)節(jié)劑)經(jīng)溶解后形成水泥漿液。

1#纖維素溶劑，主要為一些有機(jī)物質(zhì)，其中甲基纖維素： 0.5%～1%，羥丙基纖維素1%～2%。1#外摻劑具有調(diào)節(jié)漿液抗分散能力，增強(qiáng)漿液的可灌注性、可控性的作用。

2#合成鈣硅質(zhì)早強(qiáng)劑，主要為一些無機(jī)鹽類，其中硅酸鹽5%～10%，氧化鈣2%～8%，氧化硅1%～10%等。2#外摻劑具有調(diào)節(jié)漿液固結(jié)體的早期強(qiáng)度，并提高漿液固結(jié)體的后期強(qiáng)度、控制漿液的凝結(jié)時間等作用。

3#酰胺類穩(wěn)定性調(diào)節(jié)劑，主要為有機(jī)物質(zhì)，其中聚丙烯酰胺： 0.5%～1%，丙烯酸鈉0.2%～1%。3#外摻劑具有調(diào)節(jié)漿液抗分散能力，提高漿液的可灌性，調(diào)節(jié)漿液的初凝結(jié)時間、終凝時間等作用。

注漿材料的一般配合比(質(zhì)量比)如下：水︰水泥︰1#外摻劑︰2#外摻劑︰3#外摻劑=0.6︰1︰(0.08～0.4)%︰(1～3)%︰(0.05～1.5)%，根據(jù)地層對注漿材料性能的要求，調(diào)整外摻劑摻入量，形成不同性能的注漿材料。

1.2漿液的性能特征

與普通水泥漿相比，SJP漿液克服了其凝固時間長、早期強(qiáng)度低、可灌性差、在復(fù)雜巖體注漿中質(zhì)量難以保證的缺點。通過適量外摻劑的加入，可以調(diào)節(jié)水泥漿水化及硬化進(jìn)程，形成了具有流動性可控、強(qiáng)度較高為特點的SJP漿液，能夠解決強(qiáng)卸荷深部拉裂巖體的加固處理難題(裴向軍等， 2011)，同時還可以根據(jù)地層特點，改變外摻劑加入量，形成具有良好適應(yīng)性灌漿材料。

以優(yōu)選漿液配方(質(zhì)量比)為例對漿液的性能進(jìn)行分析，水:水泥:1#外摻劑:2#外摻劑:3#外摻劑=0.6︰1︰0.08%︰2%︰0.05%，漿液性能如下：

1.2.1SJP漿液的穩(wěn)定性

根據(jù)優(yōu)選配方，SJP漿液在配置完畢靜止2個小時后，測得析水率為3mL/100mL，按照穩(wěn)定性漿液的要求(漿液配置完成2h后的析水率小于5%)，漿液析水率不超過5%，因此黏度時變性漿液屬于穩(wěn)定性漿液(鄭玉輝， 2005)。

1.2.2SJP漿液流變性

SJP漿液優(yōu)選配方流變曲線(圖1)，從圖1 可知在可泵時間內(nèi)流變曲線平緩，黏度增長緩慢，過可泵時間后，黏度迅速增加失去流動性，具有突變特征，保證漿液在可泵時間內(nèi)保持了良好的可灌性，利于漿液充分灌注地層孔隙和裂隙中。

圖1　SJP漿液流變曲線Fig. 1　SJP slurry flow curve

1.2.3SJP漿液的固結(jié)特性

采用優(yōu)選配方的漿液固結(jié)特性與同水灰比(λ=0.6)普通水泥漿固結(jié)特性對比分析(表1，圖2)。

表1　SJP漿液與普通水泥漿液固結(jié)時間對比表Table1　SJP slurry and ordinary cement slurry consolidation time comparison table

水/g水泥/g助劑1#/g助劑2#/g助劑3#/g可泵時間/min初凝時間/min終凝時間/min360060000006249381000360060004.81203658798

圖2　SJP漿液與普通水泥漿液的固結(jié)時間對比曲線Fig. 2　SJP slurry and ordinary cement slurry consolidation time contrast curve1. 可泵時間； 2. 初凝時間； 3. 終凝時間

結(jié)果表明：SJP漿液可泵時間到初凝時間間隔為22min，從初凝時間到終凝時間間隔為11min。在可泵時間滿足工程條件的情況下，灌漿工程中要求灌漿結(jié)石體應(yīng)盡快發(fā)揮強(qiáng)度，這就需要縮短灌漿的凝結(jié)時間。圖2 表為采用優(yōu)選配方的黏度時變性漿液可泵時間、凝結(jié)時間的變化曲線。從曲線上看，曲線具有加速變化的性質(zhì)，漿液初凝到終凝的時間間隔短，漿液固結(jié)體快速形成強(qiáng)度，可以大大降低漿液在裂隙中被水沖蝕，具有快速收斂的性質(zhì)。

1.2.4SJP漿液固結(jié)體強(qiáng)度

強(qiáng)度是衡量灌漿材料的一個必不可少的性能指標(biāo)，為了使得固結(jié)體強(qiáng)度滿足工程要求，需要灌漿材料結(jié)石體強(qiáng)度具有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度(陳禮儀等， 2007)。

本文對各種不同配比的漿液固結(jié)體強(qiáng)度進(jìn)行了試驗得到一系列試驗結(jié)果，本文只列出優(yōu)選配方SJP漿液與同水灰比0.6的普通水泥漿固結(jié)體的單軸抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果，固結(jié)體強(qiáng)度對比(表2，圖3)。

表2　SJP漿液與普通水泥漿液固結(jié)體的強(qiáng)度對比表Table2　SJP slurry and ordinary cement grouting consolidation with the strength comparison chart

齡期/d抗壓強(qiáng)度/MPa凈漿漿液SJP漿液36.527.56710.3211.85282024.62

圖3　SJP漿液與普通水泥漿液固結(jié)體的強(qiáng)度對比曲線Fig. 3　SJP slurry and ordinary cement grouting consolidation with the strength contrast curve

通過表2及圖3 可知，SJP漿液與普通水泥漿液固結(jié)體相比，SJP漿液固結(jié)體具有前期強(qiáng)度增長快，在3d的時候強(qiáng)度值為7.56MPa，比普通水泥漿漿固結(jié)體大1.04MPa， 28d強(qiáng)度為24.62MPa，比普通漿液固結(jié)體大4.62MPa，綜上所述，SJP漿液固結(jié)體具有前期強(qiáng)度增長快，后期強(qiáng)度高的特點。

1.2.5SJP漿液經(jīng)濟(jì)性

SJP黏度時變性灌漿材料以來源豐富的水泥為主要灌漿材料，摻加少量的外摻劑使?jié){液性能改變。與普通水泥漿相比，黏度時變性漿液在復(fù)雜巖體灌注中，可以減少材料用量以及縮短工時，具有一定的經(jīng)濟(jì)性，以九寨云頂悅榮酒店邊坡注漿工程為例，對其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析論述。

2　SJP漿液復(fù)雜地層注漿應(yīng)用研究

九寨云頂悅榕酒店工程位于九寨溝縣南部的保華鄉(xiāng)，與九寨溝縣城的水平距3.3km，工程區(qū)場地高程為2365～2680m。

酒店下邊坡高程2000～2400m段為決定基礎(chǔ)穩(wěn)定性的坡段，該坡段坡體傾向為90°～133°，總體坡度為40°，坡體上部順坡向長度約為1100m，坡體下部順坡向長度為1300m，邊坡為高陡邊坡，酒店基礎(chǔ)位于邊坡的強(qiáng)卸荷帶范圍內(nèi)?；A(chǔ)加固采用垂直砂漿錨桿加固，由于卸荷帶的發(fā)育，錨桿灌漿遇到了單孔灌漿量大、竄漿、跑漿，漿液漏失嚴(yán)重的問題，嚴(yán)重制約著工程進(jìn)展及灌漿質(zhì)量。

2.1九寨云頂悅榕酒店邊坡地質(zhì)條件

工程區(qū)主要出露的地層主要為三疊系雜谷腦(T2z)和第四系(Q4)地層，巖性主要以砂巖、灰?guī)r為主。主要發(fā)育3組結(jié)構(gòu)面： ①層面： 350°∠50°～60°； ②結(jié)構(gòu)面： 187°∠76°～85°； ③ 350°∠45°～50°。該邊坡位于坡體的強(qiáng)卸荷帶范圍內(nèi)，裂隙發(fā)育，邊坡巖體較為破碎，結(jié)構(gòu)松散，巖體有架空現(xiàn)象(圖4，圖5)。

圖4　卸荷巖體Fig. 4　Unloading rock mass

圖5　架空巖體Fig. 5　Overhead rock mass

圖6　E區(qū)灌漿平面布置圖Fig. 6　E area grouting layout

邊坡巖體卸荷，風(fēng)化作用強(qiáng)烈，加上結(jié)構(gòu)面的組合，使得邊坡巖體破碎嚴(yán)重，E區(qū)基礎(chǔ)灌漿 (圖6)存在著嚴(yán)重的砂漿漏、跑漿問題，施工單位為此停工，嚴(yán)重影響著工程的進(jìn)度。

2.2邊坡治理工程問題

根據(jù)邊坡開挖及在錨桿成孔過程中發(fā)現(xiàn)，在E2-7至 E2-14軸線巖巖體節(jié)理、裂隙以及斷層發(fā)育，巖層及其破碎，局部伴有地層空腔，地質(zhì)條件極其復(fù)雜，造成錨桿成孔困難，以及下錨桿難度大大增大。錨桿注漿過程中受到上述破碎地層以及節(jié)理裂隙的影響，造成錨桿注漿量超出設(shè)計注漿量的數(shù)倍至數(shù)十倍，注漿過程中常常發(fā)生漿液的竄漿、漿液的跑漿(圖7，圖8)，嚴(yán)重影響著注漿成本及注漿質(zhì)量。

圖7　注漿孔竄漿液Fig. 7　Channeling slurry of grouting holes

圖8　注漿漿液跑漿Fig. 8　Running grout slurry

2.3黏度時變性漿液的對比應(yīng)用

2.3.1普通水泥砂漿的應(yīng)用

該工程采用獨(dú)立砂漿錨桿基礎(chǔ)，漿液配比及性能(表3，表4)。以靠山測E-1(圖6 所示)錨桿灌漿為例，此孔深度為12m，孔徑為90mm，錨桿灌漿采用水灰比0.7的普通水泥砂漿方式灌入，錨桿灌漿久灌不止，灌注水泥砂漿3d，水泥用量大于4t，采用了灌注待凝、降低水灰比為0.6的方式孔口仍無返漿，仍存在著嚴(yán)重的漏跑漿久灌不止問題(圖9)。分析表明，普通水泥砂漿漿液的凝結(jié)時間過長，未能在失去流動性后快速形成強(qiáng)度，致使?jié){液漏失嚴(yán)重。

表3　普通水泥砂漿灌漿材料配比表Table3　Ordinary cement mortar grouting material ratio table

注漿孔灌漿材料漿液配合比E-1水泥砂漿0.7︰1︰1.5(水︰水泥︰砂)0.6︰1︰1.5(水︰水泥︰砂)

表4　普通水泥砂漿性能表Table4　Ordinary cement mortar performance table

灌漿材料水灰比/λ析水率/(2h/%)可泵時間/min初凝時間/min終凝時間/min水泥砂漿0.77.1620108013250.66.25959751210

圖9　漿液順縫隙跑漿Fig. 9　Pulp slurry ran along the slit

2.3.2SJP黏度時變性漿液的應(yīng)用

采用SJP漿液的配比及性能如表5、表6所示及注漿量成果對比(表7)。

表5　SJP灌漿材料配比表Table5　SJP grouting material ratio table

注漿孔灌漿材料漿液配合比E-1SJP漿液0.6︰1.0︰0.0033︰0.02︰0.01(水︰水泥︰助劑1#︰助劑2#︰助劑3#)

表6　SJP灌漿材料性能表Table6　SJP grouting material performance table

表7　灌漿材料用量對比表Table7　Grouting material usage comparison table

通過表7可知，采用水灰比0.6普通水泥砂漿總注入量大于4000L孔口仍無返漿，而采用SJP漿液750L后孔口返漿，而且總注灰量不到水泥砂漿的18.75%，大大減少灌注量，縮短灌漿工時，具有顯著的經(jīng)濟(jì)性能。分析原因主要為SJP漿液流動性好，可泵時間、初凝時間終凝時間間隔短(如圖10 所示為漿液凝結(jié)時間對比分析圖所示)，在漿液失去流動性后能夠迅速形成強(qiáng)度，減少漿液順縫跑漿、漏漿。

表8　檢測試驗結(jié)果表Table8　Testing results table

序號檢測孔編號最大荷載/kN自由段長度/m錨固段長度/m錨桿彈性位移量/mm錨頭最大位移量/mm錨桿自由段長度與1/2錨固段長度之和的理論彈性伸長值/mm80%自由段長度理論彈性伸長值/mm1JCE-12160.6101.622.497.520.642JCE-22160.6121.962.948.860.643JCE-32160.6102.453.687.520.644JCE-42160.6153.265.1110.880.645JCE-52160.6123.004.608.860.646JCE-62160.6152.914.4310.880.64

圖10　SJP漿液與普通砂漿的凝結(jié)時間對比曲線Fig. 10　SJP slurry and ordinary mortar setting time contrast curve1. 可泵時間； 2. 初凝時間； 3. 終凝時間

2.3.3工程質(zhì)量檢測

錨桿的抗拔力是否滿足設(shè)計要求，是施工質(zhì)量的重要指標(biāo)，對應(yīng)用SJP黏度時變性灌漿材料進(jìn)行施工完畢的錨桿進(jìn)行抗拔力工程質(zhì)量檢測，檢測結(jié)果(由于篇幅有限，本文只列出部分檢測結(jié)果)(表8)及檢測曲線(圖11，圖12)。

圖11　JCE-1檢測曲線Fig. 11　Detection curve of JCE-1

圖12　JCE-2檢測曲線Fig. 12　Detection curve of JCE-2

檢測結(jié)果表明：單根錨桿的抗拔承載力Nt≥140kN，滿足設(shè)計要求。

目前SJP灌漿材料已應(yīng)用到錨桿灌漿施工中，錨桿抗拔力達(dá)到設(shè)計要求，并且應(yīng)用到已施工完畢的錨桿灌漿補(bǔ)強(qiáng)施工中。

SJP灌漿材料已應(yīng)用到壩基加固、房屋地基處理、地質(zhì)災(zāi)害治理工程中。

3　結(jié)　論

對普通水泥漿摻加外摻劑進(jìn)行改良，得到SJP黏度時變性灌漿材料，對漿液的穩(wěn)定性、流變性、固結(jié)特性以及固結(jié)體強(qiáng)度進(jìn)行了研究，漿液在陡傾、寬縫、碎裂巖體灌漿中應(yīng)用，結(jié)果表明：

(1)SJP黏度時變性漿液為穩(wěn)定性漿液，漿液在可泵時間內(nèi)黏度增長緩慢，漿液保持良好的可灌性，過可泵期后黏度迅速增加。

(2)漿液凝結(jié)時間可控，可泵時間到初凝時間間隔短，過可泵時間后漿液固結(jié)體可以快速形成強(qiáng)度，漿液不易被沖蝕。

(3)漿液固結(jié)體具有前期強(qiáng)度增長快，后期強(qiáng)度高的特點，根據(jù)不同巖層特點，改變外摻劑的加入量，可以形成與地層良好適應(yīng)性的灌漿材料。

(4)對于陡傾、寬縫、碎裂巖體灌漿，SJP黏度時變性灌漿材料具有適宜性，可以減少材料用量，縮短工時，灌注質(zhì)量滿設(shè)計要求。

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THE APPLICATION STUDY ON FRAGMENTATION ROCK REINFORCE￣MENT OF AGEING STRENGTHENING MATERIAL GROU￣TING

DU YePEI XiangjunHUANG Runqiu

(State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection， Chengdu University of Technology，Chengdu610059)

The ordinary cement slurry has long setting time， low early strength， and poor groutability. It is difficult to guarantee quality in the complex rock grouting. It proposes the ordinary cement slurry as the base mud slurry， and it put admixture in the ordinary cement slurry admixture to adjust the cement hydration and hardening process， which forms the SJP grouting material of variable viscosity in time. The slurry has good initial liquidity and initial low viscosity. The viscosity of the slurry can increase rapidly after the pump time， the size of the pump can be maintained in good time， the slurry setting time can be controlled to the initial setting time. The pump can pump over short time interval， which can reduce slurry erosion. The slurry consolidation has fast growth of early strength and high strength characteristics late. It changes the amount of an admixture， which can be formed with the formation of adaptable grouting material depending on the characteristics of rock formation. The application results show that for steep， wide joints and broken rock grouting， the grouting material variability has good suitability of SJP viscosity. The SJP viscosity can be used as anchor grouting material. It reduces the amount of material at the same time and can save cost and working hours. The perfusion quality meets the design requirements. Meanwhile the SJP grouting material also can be used in dam reinforcement， building foundation treatment， and geological disaster control engineering applications．

Grouting engineering， Ageing strengthening grouting material， Fragmentation rock， Side slope treatment

10.13544/j.cnki.jeg.2016.03.005

2015-04-16;

2015-11-22.

地質(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室團(tuán)隊重點課題(SKLGP2014Z001)，國家自然科學(xué)基金(40402025)資助.

杜野(1986-)，男，博士生，主要從事地質(zhì)災(zāi)害、工程邊坡穩(wěn)定性評價與工程治理方面的研究工作. Email: dy20120831@126.com

簡介： 裴向軍(1970-)，男，博士，教授，主要從事地質(zhì)災(zāi)害、工程邊坡穩(wěn)定性評價與工程治理方面的教學(xué)與研究工作. Email: peixj0119@tom.com

TU45

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