王江營，張貴金，劉福東，陳安重，范 明

(1.長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南 長沙 410076；2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410076；3.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410004；4.中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014；5.長沙普照生化科技有限公司，湖南 長沙 410000)

化學(xué)漿材[1]因具有可灌性好、見效快、施工方便等優(yōu)點在灌漿工程中扮演著日益重要的角色，用以改善地層滲透性及巖土體強度。然而，含水地層中由于存在較多自由水[2]通常會對化學(xué)灌漿產(chǎn)生不利影響，不僅造成工程成本提高，而且難以達到理想的改性效果[3]。為了提高化學(xué)灌漿在含水地層改性中的適用性，可以考慮引入以氣驅(qū)水技術(shù)，通過充氣在原有地層中產(chǎn)生空氣隔幕，為化學(xué)灌漿創(chuàng)造良好的施工環(huán)境。

以氣驅(qū)水，即通過在巖土體內(nèi)注入具有一定壓力的氣體，在局部范圍內(nèi)驅(qū)替巖土體孔隙中的自由水，并達到新的平衡。將空氣作為一種輔助手段用于工程建設(shè)由來已久，如含水層地下儲氣庫建造[4]、利用空氣擾動技術(shù)或曝氣法處理多孔介質(zhì)中的污染物[5～6]、壓氣新奧法隧道施工[7]等。Javadi等[8]針對壓氣法施工隧道過程中氣壓降低問題，推導(dǎo)并建立了相應(yīng)的計算模型；劉輝等[7]采用數(shù)值方法研究了采用壓氣新奧法隧道施工時地下滲流場中水流與氣流的分布和變化規(guī)律，及其對原有地下水分布的影響，并對施工中是否需要補氣進行預(yù)測；Nusier等[9]基于土壤學(xué)有關(guān)原理探討了土體中空氣與水的相互作用關(guān)系，并對它們的運動規(guī)律進行了分析；葉賀炯[10]提出通過鉆孔向邊坡注入空氣，改變邊坡滲流場排出坡體地下水，以快速提高邊坡的穩(wěn)定性；杜麗麗等[11]探討了以氣驅(qū)水技術(shù)在滑坡治理中的應(yīng)用，彭爾興等[12]針對不同干密度和含水率的非飽和含砂細粒土的氣體滲透性進行了試驗研究，均取得了一定成果。

以氣驅(qū)水技術(shù)在工程建設(shè)中已得到一定應(yīng)用，并逐漸被認可，但是該技術(shù)尚未完全成熟，其在灌漿工程中的應(yīng)用國內(nèi)外亦是鮮有報道。因此，本文擬在已有研究成果的基礎(chǔ)上，對以氣驅(qū)水技術(shù)在含水地層灌漿改性中的應(yīng)用進行試驗研究，以期為相關(guān)工程實踐和理論分析提供一定參考和依據(jù)。

1 以氣驅(qū)水可行性試驗及其工藝原理

1.1 以氣驅(qū)水可行性試驗

為了驗證以氣體驅(qū)替含水土層中自由水的可行性，分別選取飽和黏土和粉質(zhì)砂土進行試驗。

分別對兩種土樣進行飽和，并在土樣頂部保留約1 kPa水頭壓力，開始向土體內(nèi)充氣，氣壓由小逐漸增大，當氣壓增加到一定程度，土體發(fā)生破壞時停止試驗。

試驗過程中，當氣壓較小時，盡管有一定氣體充入土體，但兩個試驗裝置內(nèi)并未發(fā)生明顯變化。而隨著氣壓慢慢增加，這兩種土樣內(nèi)逐漸出現(xiàn)了不同的變化。

對于黏土試樣，筒壁上開始出現(xiàn)氣泡并不斷累積、擴大，形成空氣路徑，與此同時，液面有所上升，但不明顯；當氣壓進一步增加時，試樣逐漸被整體抬起，液面隨之抬升，抬空區(qū)域隨氣體進入而不斷增大，且抬空區(qū)只有空氣。

對于粉質(zhì)砂土，氣壓升高后筒壁上亦會出現(xiàn)氣泡，相比黏土只有少許氣泡，同時，土體液面開始逐漸上升，其上升速度和高度均比黏土顯著，在氣壓不再增加的情況下，液面最終會維持在一定高度。隨氣壓繼續(xù)增大，粉質(zhì)砂土和上部液面同樣會被整體抬起，出現(xiàn)抬空區(qū)，其破壞過程與黏土破壞過程比較相似。

通過對上述試驗結(jié)果進行分析，可知：

(1)在飽和黏土中以充氣驅(qū)替土體孔隙中的自由水，其可行性較低。因為空氣想要進入飽和土的孔隙中，需克服水氣分界面的表面張力T和孔隙水壓力u(圖1)[11]。黏土中細粒組含量較多，導(dǎo)致土體孔隙直徑細小，表面張力T較大，為了達到以氣驅(qū)水的效果，氣壓P需不斷增加，在試驗中，當P增大到一定程度，尚未克服表面張力和孔隙水壓力時，已產(chǎn)生劈裂作用，土體及液面被整體抬起，未能達到比較理想以氣驅(qū)水效果。

圖1 氣驅(qū)水示意圖Fig.1 Schematic diagram of gas driven water

(2)在粉質(zhì)砂土進行以氣驅(qū)水具有較好的可行性。粉質(zhì)砂土中顆粒粒徑較大，土體孔隙直徑亦相對較大，其表面張力T相對較小，氣壓P超過飽和砂土所能承受的極限壓力之前，已經(jīng)能夠克服表面張力T和孔隙水壓力u，部分氣體可以進入飽和土體孔隙內(nèi)部，水被驅(qū)替出來，故此時液面有了比較明顯的上升，在氣壓穩(wěn)定的條件下，一段時間后可達到新的平衡狀態(tài)。如果氣壓繼續(xù)增加，同樣會出現(xiàn)整體抬升破壞。

(3)雖然在飽和粉質(zhì)砂土中進行以氣驅(qū)水具有較好的可行性，但是存在初始壓力Pmin和極限壓力Pmax，只有當氣壓在(Pmin，Pmax)之間時，氣驅(qū)水才是可行的。

1.2 合理充氣壓力探討

根據(jù)圖3，可認為初始充氣壓力Pmin等于水頭壓力Pw與進氣值Pc之和，即：

Pmin=Pw+Pc

(1)

水頭壓力Pw與水頭高度有關(guān)，易于計算；進氣值Pc與表面張力T、土體孔隙通道直徑等因素有關(guān)，難以精確計算，文[11]給出了不同孔隙半徑r對應(yīng)的進氣值，具體見表1，黏土、粉土和砂土的最大孔徑r分別約為5，10和100 μm，進而可求得不同水頭壓力下的初始壓力Pmin。

表1 不同孔隙半徑對應(yīng)的進氣壓力值

此外，杜麗麗[11]通過試驗研究建立了極限充氣壓力Pmax的表達式：

(2)

式中：c、φ——飽和土的黏聚力與內(nèi)摩擦角；

B——氣體影響區(qū)域?qū)挾龋?/p>

γsat——飽和土重度；

λ——靜止土壓力系數(shù)；

H——充氣點埋深。

由上述分析可知，當土體孔隙半徑較小時，會出現(xiàn)Pmin≥Pmax的情況，難以實現(xiàn)以氣驅(qū)水。此時，即便增加上覆重量，土體無法被整體抬升，其內(nèi)部仍有可能產(chǎn)生劈裂空隙通道，出現(xiàn)竄氣現(xiàn)象(即充氣氣體直接與外部連通)。

2 含水土層以氣驅(qū)水化學(xué)灌漿模擬試驗

為了驗證以氣驅(qū)水工藝在含水土層化學(xué)灌漿中的作用，自主設(shè)計了相關(guān)試驗裝置(圖2)，進行模擬試驗。

圖2 模擬試驗裝置圖Fig.2 Apparatus of the simulation test

2.1 試驗方案

試驗采用的土體以粉質(zhì)砂土為主，在試驗裝置兩側(cè)存在固定的水頭差(2.5 m)，在水頭壓力作用下對土體進行飽和，土體飽和后其內(nèi)部會形成滲流通道，在裝置左側(cè)可觀測到有穩(wěn)定的水量滲出，然后開展對比試驗。

(1)不采用氣驅(qū)水工藝，直接在含水土層中灌注高滲透環(huán)氧漿材，灌漿結(jié)束后7 d鉆芯取樣，檢驗灌漿效果。

(2)相同條件下，首先在含水粉質(zhì)砂土層中進行充氣，氣壓由0緩慢升至30 kPa，保證試驗裝置頂部不發(fā)生抬動，并維持一段時間，達到平衡狀態(tài)氣體無法繼續(xù)進入土體時，停止充氣；然后灌注高滲透環(huán)氧漿材，在灌漿結(jié)束后7 d鉆芯取樣，檢驗灌漿效果，并與未加固原狀土和第1組試驗的芯樣進行對比。

2.2 試驗結(jié)果及分析

(1)對含水土層滲流的影響

對于第1組試驗，灌漿結(jié)束時，滲流量尚無明顯改觀，隨時間推移，化學(xué)漿液逐漸凝硬，滲流量逐漸減小，由最初的7.21 cm3/s降到了2.02 cm3/s。

第2組試驗，在含水土層中進行充氣時，初始階段，土體滲流量有所增加，隨著氣體不斷進入，滲流量逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定(圖3)。

圖3 滲流量隨充氣時間的變化關(guān)系圖Fig.3 Relationship of seepage flow and air inflating time

這是因為在初始階段，氣體可驅(qū)替含水土層孔隙中自由水，原有滲流流速在氣壓作用下得到提高，故滲流量有所增加。隨著土體孔隙逐漸被空氣占領(lǐng)，充氣區(qū)域土體變成了非飽和土，之前貫通的滲流通道(孔隙)被有壓氣體阻塞，達到平衡狀態(tài)時，會形成了一定空氣隔幕(圖4)，降低了含水土層中的滲流流速及部分土體的含水率，為接下來的化學(xué)灌漿創(chuàng)造了有利環(huán)境。灌漿結(jié)束后，隨漿液逐漸凝硬，最終滲流量降低至0.78 cm3/s。

圖4 以氣驅(qū)水技術(shù)效果示意圖Fig.4 Diagram showing the effect of gas driven water

雖然通過化學(xué)灌漿可以降低含水土層的滲透性，但是如果先采用以氣驅(qū)水工藝再進行灌漿，不僅效率更高，而且能達到更好的效果。

(2)對含水土層強度的影響

原狀土是飽和的粉質(zhì)砂土，難以得到完整芯樣，由于化學(xué)漿材的作用，兩組對比試驗中均可取得較好的芯樣。

在兩組對比試驗中均取6個芯樣進行密度和無側(cè)限抗壓強度測試，如果6個芯樣的最大或最小值與平均值之差超過了20%，則取中間4個芯樣的平均值作為測試結(jié)果(表2)。

表2 不同芯樣測試結(jié)果

由表2可知，由于化學(xué)漿液的入滲，土體的密度和無側(cè)限抗壓強度均得到提高，在空氣隔幕的保護下，可得到更好的加固效果。

(3)對含水土層微觀結(jié)構(gòu)的影響

為了對試驗結(jié)果做進一步分析，采用電子顯微鏡(SEM)對不同芯樣進行掃描(放大20 000倍)，見圖5。

圖5 電鏡掃描照片F(xiàn)ig.5 SEM photograph

由圖5(a)、(b)可知，原狀土是由許多松散顆粒組成，顆粒之間孔隙較多；純環(huán)氧漿液結(jié)石體非常密實，呈整體結(jié)構(gòu)。由圖5(c)、(d)可知，灌漿后原狀土的顆粒形狀和微觀結(jié)構(gòu)均發(fā)生改變，第1組芯樣的掃描照片中仍可見較多的孔隙，顆粒之間的連接性不如第2組芯樣緊密；相比之下，第2組芯樣微觀結(jié)構(gòu)較原狀土已發(fā)生明顯變化，這也是第2組試驗效果更加理想的原因。

3 結(jié)論

將以氣驅(qū)水技術(shù)引入到含水地層灌漿改性工程中，進行了有關(guān)的試驗研究，得到如下結(jié)論：

(1)在孔隙較大的飽和粉質(zhì)砂土中充氣驅(qū)替其孔隙中的自由水具有較好的可行性，但是充氣壓力P需控制在初始壓力Pmin和極限壓力Pmax之間。

(2)在含水土層中充氣驅(qū)替孔隙中的自由水，可形成空氣隔幕，使土體從飽和狀態(tài)變?yōu)榉秋柡?，降低其滲透性及含水率，為后續(xù)化學(xué)灌漿創(chuàng)造有利環(huán)境。

(3)采用以氣驅(qū)水工藝后再進行化學(xué)灌漿可取得更好的效果。試驗表明，原有土體的滲透性明顯降低，抗壓強度能夠得到較大幅度提高，化學(xué)漿液可更好地改善原有土體的松散結(jié)構(gòu)。

該技術(shù)仍處于室內(nèi)試驗和理論研究階段，要成功應(yīng)用于工程實踐，仍需對不同氣壓的影響范圍、灌漿管與充氣管之間的合理距離、氣壓與灌漿壓力的控制標準等問題展開進一步研究。