趙 鈺，鄭 洪，曹 函，林 飛，王旭斌，賀茉莉

（1.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長(zhǎng)沙 410000；3.湖南宏禹工程集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

花崗巖廣泛分布于我國(guó)南方地區(qū)，受氣候、礦物、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、裂隙和生物等因素的影響，易發(fā)生不均勻風(fēng)化[1]。對(duì)于全風(fēng)化花崗巖的物理力學(xué)性質(zhì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。陳愛(ài)云等[2]對(duì)黑云母花崗巖全風(fēng)化層的工程地質(zhì)特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其具有裂隙發(fā)育、自穩(wěn)能力差的特點(diǎn)，在地下工程建設(shè)中易失穩(wěn)垮塌；陳洪江等[3]通過(guò)對(duì)全風(fēng)化花崗巖多項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)分析，認(rèn)為各指標(biāo)之間相互關(guān)聯(lián)，且全風(fēng)化花崗巖殘積土存在變異性特征；苗勝軍等[4]通過(guò)對(duì)全風(fēng)化花崗巖加載時(shí)細(xì)觀力學(xué)特性的研究，提出其破裂演化的規(guī)律；李建新等[5]通過(guò)對(duì)南岳地區(qū)的全風(fēng)化花崗巖進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出了其遇水崩解性強(qiáng)的特點(diǎn)；張素敏等[6]發(fā)現(xiàn)具有其明顯的軟巖流變特征。因此，工程上常用注漿方式對(duì)全風(fēng)化花崗巖地層進(jìn)行防滲加固。目前常用的灌漿方式主要有混凝土連續(xù)墻、高壓噴射灌漿、常規(guī)帷幕灌漿[7]等，但這些方式都存在一定問(wèn)題：混凝土連續(xù)墻對(duì)施工技術(shù)、施工場(chǎng)地及施工設(shè)備要求高，且造價(jià)高昂；高噴灌漿水力切割全風(fēng)化花崗巖時(shí)較困難，最終形成的防滲帷幕整體性較差；常規(guī)水泥灌漿則存在易塌孔、易冒漿、難封閉、吸水不吸漿等技術(shù)難題。

為探究適宜全風(fēng)化花崗巖地層防滲加固的灌漿體系，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究。羅平平等[8]對(duì)全風(fēng)化花崗巖等類似裂隙巖體灌漿中的滲透性、可灌性、灌漿準(zhǔn)則的選取在理論及數(shù)值模擬層面進(jìn)行了探討；李術(shù)才等[9]對(duì)富水?dāng)嗔褞?yōu)勢(shì)劈裂注漿機(jī)制進(jìn)行研究，建立了單一平板優(yōu)勢(shì)劈裂注漿擴(kuò)散模型，推導(dǎo)了考慮漿液流變特征的優(yōu)勢(shì)劈裂注漿擴(kuò)散控制方程；齊延海等[10]探討了不同水壓條件下疏水降壓對(duì)全風(fēng)化花崗巖富水地層注漿模擬加固效果的影響；王旭斌等[11]探討了采用高壓脈動(dòng)灌漿技術(shù)自下而上封閉灌漿的可行性。針對(duì)漿液選型問(wèn)題，王凱等[12]使用普通水泥漿液進(jìn)行了全風(fēng)化花崗巖注漿的模擬試驗(yàn)；袁敬強(qiáng)等[13]采用攪拌混合法制備不同普通水泥漿液充填率的注漿試樣，開(kāi)展物理力學(xué)及水理性試驗(yàn)；涂鵬等[14]對(duì)于海底隧道中注漿材料強(qiáng)度劣化規(guī)律及使用壽命進(jìn)行了研究；張健等[15]對(duì)普通水泥漿液和水泥-水玻璃漿液2 種漿液的加固效果進(jìn)行了對(duì)比分析研究；張貴金等[16]則對(duì)黏土水泥膏漿流變性能及其對(duì)灌漿的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。上述研究在注漿理論、試驗(yàn)及工程實(shí)踐等方面對(duì)改進(jìn)全風(fēng)化花崗巖地層灌漿體系進(jìn)行了探索，具有一定參考價(jià)值，但是鮮有人考慮到由于常規(guī)水泥漿液本身為懸濁液，其難以完全注入巖體微裂隙和空隙，防滲加固效果較差，而且注漿過(guò)程中易冒漿，產(chǎn)生浪費(fèi)的同時(shí)也增加了施工成本。因此選取注漿效果及經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)良的漿液體系顯得尤為重要。

鑒于此，本文以湖南省郴州市莽山水庫(kù)防滲加固注漿項(xiàng)目工程主副壩段深厚層全風(fēng)化花崗巖地層為研究對(duì)象，選取以當(dāng)?shù)鼗◢弾r顆粒為主要原材料的高固相離析漿液開(kāi)展系統(tǒng)的注漿模擬試驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)不同注漿壓力、不同取樣位置試樣的物理力學(xué)試驗(yàn)，分析該漿液體系的防滲加固效果及實(shí)用意義，揭示該漿液在全風(fēng)化花崗巖地層注漿中的擴(kuò)散機(jī)理，以期對(duì)今后類似工程項(xiàng)目提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料

1.1 注漿材料

由于普通硅酸鹽水泥作為灌漿材料普遍存在凝結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、早期強(qiáng)度不高的缺陷，不能完全滿足灌漿要求。若想滿足灌漿需要且能應(yīng)用于實(shí)際工程中，注漿材料必須具備凝結(jié)速度快、早期強(qiáng)度高及流動(dòng)性較好等特點(diǎn)。根據(jù)這一情況，本次注漿試驗(yàn)中采用了配方（水泥∶膨潤(rùn)土∶全風(fēng)化花崗巖砂土∶水∶HY-1）的高固相離析漿液。具體要求如下：

水泥：選用湖南婁底漣源水泥廠生產(chǎn)的海螺牌普通硅酸鹽水泥（PO42.5），其細(xì)度通過(guò)80 μm 方孔篩的篩余量小于5%。

膨潤(rùn)土：選用四川仁壽興大工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的鈉質(zhì)基膨潤(rùn)土，有機(jī)物含量不宜大于3%。

全風(fēng)化花崗巖砂土：為全風(fēng)化花崗巖經(jīng)過(guò)10 mm方孔篩網(wǎng)過(guò)篩所得。

宏禹1 號(hào)（HY-1）：為湖南省宏禹工程集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的添加劑，具有使?jié){液增稠、速凝、早強(qiáng)等效果。

該漿液配方的基本參數(shù)如下：塌落度160 mm，擴(kuò)展值36 mm，稠度90 mm，析水率/結(jié)實(shí)率1%/99%，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間分別為3 h 和5.5 h。

1.2 全風(fēng)化花崗巖地層特

試驗(yàn)土樣取自湖南省郴州市莽山水庫(kù)主副壩交界處的全風(fēng)化花崗巖地層，土樣基本物理性質(zhì)如下：天然密度2.08 g/cm3，干密度1.84 g/cm3，含水率12.83%，孔隙率37%。使用德國(guó)BRUKER 公司生產(chǎn)的New D8 型衍射儀對(duì)全風(fēng)化花崗巖試樣粉末進(jìn)行了X-RD礦物成分定量分析，土體礦物組成及各部分質(zhì)量參數(shù)見(jiàn)圖1，其中，石英、高嶺石、長(zhǎng)石、云母、方解石、赤鐵礦含量分別為13.83%、42.57%、31.27%、8.84%、1.26%、2.23%。粒徑級(jí)配曲線見(jiàn)圖2。

圖1 全風(fēng)化花崗巖X-RD 測(cè)試結(jié)果Fig.1 X-rd test results of the fully weathered granite

由圖1可知，該地全風(fēng)化花崗巖礦物成分主要由石英、高嶺石、長(zhǎng)石組成，黏土礦物含量高，對(duì)水的敏感性強(qiáng)，易水化膨脹，壩體長(zhǎng)久浸泡在水中，自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)受到影響。

由圖2可知，該土樣總體顆粒級(jí)配良好，粒徑分布范圍廣，其中2～10 mm 的礫粒組占總質(zhì)量的40%左右，小于0.1 mm 的細(xì)粒組平均占總質(zhì)量4%，0.1～2 mm粒徑范圍內(nèi)的砂粒組平均占總質(zhì)量的60%，由土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)[17]可知該地層組成以砂粒組為主。

圖2 全風(fēng)化花崗巖土樣顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Granule gradation curves of the fully weathered granite soil samples

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 注漿模擬試驗(yàn)

基于張貴金等[18]室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上研發(fā)的大型室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，主要由千斤頂反作用力平臺(tái)、注漿腔體、砂漿注漿泵、漿液攪拌桶4 部分組成。

圖3 注漿模擬試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the grouting simulation test device

砂漿注漿泵型號(hào)為衡陽(yáng)中地裝備鉆探工程機(jī)械有限公司生產(chǎn)的BWS100/7 無(wú)極變速高壓脈動(dòng)注漿泵，泵速33～108 r/min，流量30～100 L/min，最高工作壓力7 MPa。試驗(yàn)所用注漿腔體形狀為圓筒狀，直徑×高度為56 cm×80 cm，縱向分為相等的兩半并由螺栓連接，以方便取樣，桶壁厚2 cm，壁上均勻分布泄流孔，用于裝載全風(fēng)化花崗巖土樣。千斤頂反作用力平臺(tái)主要作用為固定注漿腔體及提供上覆荷載以防止注漿時(shí)發(fā)生地層抬動(dòng)。試驗(yàn)步驟如下：

（1）對(duì)全風(fēng)化花崗巖原狀土烘干并篩除粒徑超過(guò)10 mm 的塊石（含量極低，為避免尺寸效應(yīng)故篩除）；（2）每層填筑高度為5 cm，根據(jù)測(cè)得含水率（12.8%）及天然密度（2.08 g/cm3）計(jì)算得到每層土體中需加入的水及土的質(zhì)量分別為2.91，22.71 kg，加入后將土體夯實(shí)到指定高度；（3）待注漿腔體填筑完畢后靜置6 h；（4）連接好注漿管路，開(kāi)啟攪拌桶，將水、水泥、膨潤(rùn)土、全風(fēng)化砂、宏禹1 號(hào)按配方依次加入進(jìn)行攪拌；（5）攪拌均勻后開(kāi)啟注漿泵，調(diào)整泵速，觀察壓力表示數(shù)，待達(dá)到試驗(yàn)預(yù)設(shè)終壓后，停止注漿。（6）注漿結(jié)束12 h 后，打開(kāi)注漿腔體，在指定位置進(jìn)行取樣（圖4）。

圖4 取樣點(diǎn)位置圖Fig.4 Schematic diagram of the sampling point location

2.2 物理力學(xué)試驗(yàn)

對(duì)注漿前試樣與在不同注漿壓力條件下取樣點(diǎn)A、B 處試樣分別進(jìn)行無(wú)側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度、直接剪切、氣測(cè)滲透率試驗(yàn)，研究該漿液在不同的注漿壓力下對(duì)于全風(fēng)化花崗巖強(qiáng)度特性、滲透性的影響情況及漿液擴(kuò)散模式機(jī)理。注漿前全風(fēng)化花崗巖原位取樣和注漿后結(jié)石體試樣如圖5所示。

圖5 注漿前全風(fēng)化花崗巖原樣（a）和注漿后結(jié)石體試樣（b）Fig.5 Completely weathered granite samples before grouting (a)and stone sample after grouting (b)

2.2.1 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無(wú)側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用濟(jì)南一諾世紀(jì)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司的YDW-100 型微機(jī)控制巖石拉伸劈裂實(shí)驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)時(shí)采用位移加載方式，加載速度為2 mm/min，根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程[19]，試樣為直徑50 mm、高度100 mm 的圓柱體。注漿結(jié)束12 h后取樣，試驗(yàn)前需在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d。

2.2.2 直接剪切試驗(yàn)

直接剪切試驗(yàn)所用試驗(yàn)儀器為濟(jì)南礦巖實(shí)驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的YZ-6 型數(shù)顯式巖石直剪儀。法向壓力分別選取300，400，500 kPa，采用手動(dòng)加載方式，控制剪切速率約為2 mm/min，測(cè)得在不同注漿壓力、不同法向壓力情況下的注漿前后試樣抗剪強(qiáng)度。試驗(yàn)試樣為直徑50 mm、高度50 mm 的圓柱體，注漿結(jié)束12 h 后取樣，試驗(yàn)前需在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d。

2.2.3 滲透試驗(yàn)

注漿前試樣采取常水頭試驗(yàn)方式測(cè)試滲透率，試驗(yàn)儀器選用南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的TST-70 型土壤滲透儀。灌漿后試樣采取氣測(cè)方式測(cè)試滲透率，試驗(yàn)儀器為江蘇聯(lián)友科研儀器有限公司生產(chǎn)的KXD-Ⅱ型孔隙度滲透率聯(lián)測(cè)儀，注漿后試樣尺寸要求為直徑25 mm、高度50 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，在注漿完成12 h 后取樣，養(yǎng)護(hù)28 d 后進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 單軸抗壓試驗(yàn)

單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖6、表1所示，通過(guò)對(duì)取樣點(diǎn)A 和取樣點(diǎn)B 處所取試樣進(jìn)行的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著注漿壓力的提高，A、B 處所取試樣的單軸抗壓強(qiáng)度均顯著提高（圖中注漿壓力為0 的點(diǎn)代表原狀土樣的單軸抗壓強(qiáng)度），其中，取樣點(diǎn)A 處所取試樣在不同壓力下的單軸抗壓強(qiáng)度均大于B 處所取試樣，當(dāng)注漿壓力在0.0～0.5 MPa 時(shí)，A 處所取試樣強(qiáng)度增幅最大，0.5 MPa 時(shí)試樣單軸抗壓強(qiáng)度為未注漿時(shí)的7.33 倍，注漿壓力在0.5～1.5 MPa之間時(shí)增幅較為穩(wěn)定，1.5 MPa 時(shí)試樣強(qiáng)度為未注漿時(shí)的13.67 倍；B 處所取試樣在注漿壓力達(dá)到0.5 MPa 之前增幅較緩，0.5 MPa 時(shí)強(qiáng)度為注漿前的3.25 倍，超過(guò)0.5 MPa 后增幅呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，而當(dāng)注漿壓力增大到1.0 MPa 后，單軸抗壓強(qiáng)度增幅再次變緩，注漿壓力在1.0～1.5 MPa 時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度分別為注漿前的7.58 倍、10.08 倍。

圖6 單軸抗壓強(qiáng)度與注漿壓力關(guān)系Fig.6 Relationship between uniaxial compressive strength and grouting pressure

表1 取樣點(diǎn)A，B 不同注漿壓力下單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results of uniaxial compressive strength at sampling point A and B under different grouting pressures

3.2 直接剪切試驗(yàn)

不同注漿壓力條件下取樣點(diǎn)A、B 所取試樣在法向壓力分別為300，400，500 kPa 時(shí)的抗剪強(qiáng)度值如表2所示。分別選取σn=400，500 kPa 時(shí)不同注漿壓力、不同取樣點(diǎn)試樣的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行分析，注漿壓力與抗剪強(qiáng)度關(guān)系見(jiàn)圖7。由圖7、表2可知，取樣點(diǎn)A、B 所取試樣在不同法向壓力下的抗剪強(qiáng)度都隨著注漿壓力的增大而提高，取樣點(diǎn)A 處所取試樣在不同法向壓力、不同注漿壓力情況下的抗剪強(qiáng)度總是大于取樣點(diǎn)B 處試樣。法向壓力σn=400 kPa 時(shí)，取樣點(diǎn)A 試樣抗剪強(qiáng)度在注漿壓力0.0～0.5 MPa 段上升幅度較大，0.5 MPa 時(shí)強(qiáng)度為未注漿土體試樣的2.07 倍，0.5～1.5 MPa 段上升幅度較小，1.0，1.5 MPa時(shí)強(qiáng)度分別為未注漿土體試樣的2.47 倍、2.88 倍。取樣點(diǎn)B 試樣抗剪強(qiáng)度在0～0.5 MPa 段上升較緩，0.5～1.0 MPa 段幅度增大，1.0～1.5 MPa 又再次變緩，注漿壓力為0.5，1.0，1.5 MPa 時(shí)的抗剪強(qiáng)度分別是未注漿土樣強(qiáng)度的1.36 倍、2.05 倍、2.25 倍。法向壓力σn=500 kPa 時(shí)，取樣點(diǎn)A、B 所取試樣抗剪強(qiáng)度隨注漿壓力增長(zhǎng)規(guī)律與σn=400 kPa 時(shí)基本相同，取樣點(diǎn)A 所取試樣在注漿壓力為0.5，1.0，1.5 MPa時(shí)的抗剪強(qiáng)度分別是未注漿土樣強(qiáng)度的2.12 倍、2.32 倍、2.69 倍，取樣點(diǎn)B 則為1.63 倍、2.15 倍、2.31 倍。

表2 取樣點(diǎn)A，B 試樣抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of shear strength of sample at sampling of point A and B

圖7 不同法向應(yīng)力時(shí)抗剪強(qiáng)度與注漿壓力關(guān)系Fig.7 Relationship between shear strength and grouting pressure of different normal stress

3.3 滲透試驗(yàn)

采用氣測(cè)方式進(jìn)行滲透率測(cè)試，所用氣體為氮?dú)?，試?yàn)原理為當(dāng)氣體以一定流速通過(guò)巖樣時(shí)，在巖樣兩端建立壓差，根據(jù)巖樣兩端的壓差和氣體的流速，利用達(dá)西定律即可求出巖樣的滲透率，換算得到巖樣滲透系數(shù)：

式中：Q2—通過(guò)巖芯出口處的氣體流量/（cm3·s-1）；

ΔP—巖芯入口處與出口處的氣體壓差；

P—巖芯出口處的氣體壓力；

μg—?dú)怏w的黏度/（MPa·s）；

L—巖芯長(zhǎng)度/cm；

F—巖芯截面積/cm2；

γ—流體重度/（N·cm-3）；

μ—流體的動(dòng)力黏滯系數(shù)/（MPa·s）。

出口處氣體壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，其值為101.325 kPa，試驗(yàn)時(shí)室溫為18 ℃，空氣黏度為0.017 99 MPa·s，流體重度取9.8×10-3N/cm3，動(dòng)力黏滯系數(shù)為1.061×10-6kPa·s。計(jì)算得到不同注漿壓力條件下不同取樣位置試樣滲透系數(shù)結(jié)果如表3所示。

表3 不同取樣位置注漿壓力與滲透系數(shù)Table 3 Relationship between grouting pressure and permeability at different sampling locations

由表3可知，不同位置所取試樣的滲透系數(shù)均隨注漿壓力的增大降低。試驗(yàn)測(cè)得未注漿土樣的滲透系數(shù)為4.7×10-4cm/s，根據(jù)水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[20]，其滲透性等級(jí)為中等透水。注漿壓力提升至0.5 MPa 與1.0 MPa 時(shí)，滲透系數(shù)數(shù)量級(jí)由10-4降為10-5，滲透性等級(jí)為弱透水。當(dāng)壓力提升至1.5 MPa時(shí)，取樣點(diǎn)A 處試樣滲透系數(shù)數(shù)量級(jí)達(dá)到了10-6，滲透性等級(jí)為微透水。

將取樣點(diǎn)A、B 注漿壓力與滲透系數(shù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)擬合為二次曲線，如圖8所示，方程分別為：

圖8 不同取樣點(diǎn)試樣注漿壓力與滲透系數(shù)關(guān)系Fig.8 Relationship between grouting pressure and permeability of the samples at different sampling points

取樣點(diǎn)A：y=0.75x2-2.131x+2.434 5，R2=0.982 4

取樣點(diǎn)B：y=0.53x2-1.661x+2.444 5，R2=0.987 3

在注漿壓力0～1.5 MPa 之間，取樣點(diǎn)A 擬合曲線方程斜率的絕對(duì)值總是大于取樣點(diǎn)B，對(duì)應(yīng)取樣點(diǎn)A 處試樣滲透系數(shù)隨注漿壓力增大降低幅度始終大于取樣點(diǎn)B 處試樣，A、B 擬合方程斜率逐漸趨向于0，對(duì)應(yīng)曲線趨于平緩，說(shuō)明注漿壓力在0～1.5 MPa 之間滲透系數(shù)變化幅度逐漸減小。

4 漿液作用機(jī)理分析

4.1 強(qiáng)度特性分析

根據(jù)尚彥軍等[21]、趙柳等[22]、李曉鄂[23]等關(guān)于全風(fēng)化花崗巖微觀特性的研究，全風(fēng)化花崗巖中孔隙以大孔隙和中小孔隙為主，范圍為30%～50%，礦物成分以石英居多，長(zhǎng)石含量小于50%，而正?；◢弾r礦物長(zhǎng)石含量占2/3 以上，長(zhǎng)期的不均勻風(fēng)化導(dǎo)致花崗巖結(jié)構(gòu)遭到破壞，膠結(jié)物和長(zhǎng)石等易風(fēng)化礦物破碎流失，在自重和外力作用下形成裂縫和孔隙，直接影響了全風(fēng)化花崗巖的密實(shí)程度、力學(xué)特征與滲透能力。該高固相離析漿液注漿可以有效改善這一情況。當(dāng)注漿壓力在0～0.5 MPa 時(shí)，由于壓濾效應(yīng)影響，漿液中的水分在壓力作用下濾過(guò)土體，漿液濃度升高，高濃度的漿液首先向注漿管口周邊的土體裂縫孔隙中滲透。如前文所述，高固相離析漿液以全風(fēng)化花崗巖顆粒為主體材料，而該地全風(fēng)化花崗巖顆粒中含有大量的高嶺石等黏土礦物，這些黏土礦物與膨潤(rùn)土一同發(fā)生水化膨脹，充填裂隙孔隙。隨著注入漿液的增多，空間填充完畢，開(kāi)始形成憋壓，在注漿管口附近聚集形成柱狀漿泡，高濃度的水泥漿液置換掉周圍松散土體。由于漿泡的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于全風(fēng)化花崗巖的強(qiáng)度，因此在取樣點(diǎn)A 處試樣單軸抗壓強(qiáng)度與直剪強(qiáng)度增幅明顯。對(duì)于取樣點(diǎn)B 處，由于漿液在此壓力范圍內(nèi)無(wú)法對(duì)地層形成劈裂，形成的漿泡也比較小，因此取樣點(diǎn)B 處地層除了滲入的少量漿液外，最主要是由于土體擠密壓縮，裂縫閉合，孔隙變小而引起的土體力學(xué)強(qiáng)度升高。當(dāng)注漿壓力在0.5～1.0 MPa 范圍時(shí)，管口處漿泡擴(kuò)張，繼續(xù)擠密地層。當(dāng)注漿壓力上升至大于地層啟劈壓力后，土體沿著最薄弱面產(chǎn)生裂隙，漿液進(jìn)入裂隙沿徑向擴(kuò)展，產(chǎn)生劈裂面。隨著壓力繼續(xù)增大，劈裂面的數(shù)目增多，部分劈裂面互相貫通，漿脈擴(kuò)展，提高了漿脈周圍土體密實(shí)度。這表現(xiàn)為取樣點(diǎn)A 處強(qiáng)度上升幅度減小，而取樣點(diǎn)B 處由于漿脈的形成增幅變大。

注漿壓力在1.0～1.5 MPa 范圍時(shí)，漿泡繼續(xù)擴(kuò)張，漿脈沿徑向繼續(xù)延伸、加粗，形成的劈裂面數(shù)量增多，劈裂面之間相互貫通，表現(xiàn)為A、B 兩點(diǎn)處土體強(qiáng)度上升幅度減小。

4.2 滲透性分析

數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，原狀全風(fēng)化花崗巖的滲透率較大，平均滲透系數(shù)為4.7×10-4cm/s，屬于中等透水等級(jí)，注漿對(duì)于改善全風(fēng)化花崗巖的滲透率效果顯著。在不同注漿壓力下，A、B 取樣點(diǎn)所取試樣的滲透率均顯著下降，達(dá)到10-5甚至10-6數(shù)量級(jí)，透水等級(jí)也降低為弱透水、微透水。取樣點(diǎn)A 處試樣滲透系數(shù)在不同注漿壓力下均小于B 處試樣。運(yùn)用SEM 掃描電鏡手段進(jìn)行原因分析，掃描電鏡結(jié)果見(jiàn)圖9。

原狀全風(fēng)化花崗巖樣品在1 000 倍、3 000 倍鏡下可以看出，全風(fēng)化花崗巖存在團(tuán)粒狀、片狀、塊狀、細(xì)粒狀微觀結(jié)構(gòu)，顆粒表面不平整，侵蝕嚴(yán)重，礦物連接松散、礦物之間存在空隙、帶狀裂隙及亞微米級(jí)孔隙。礦物間隙為風(fēng)化長(zhǎng)石被沖刷帶走形成，留下黑云母、石英等礦物；巖體有強(qiáng)烈的風(fēng)化作用，空隙發(fā)育，影響巖體整體的結(jié)構(gòu)性，導(dǎo)致其滲透率較高，力學(xué)強(qiáng)度較低。。

注漿后樣品孔隙率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于注漿前。在注漿過(guò)程中，巖體顆粒之間由漿液充當(dāng)膠結(jié)物進(jìn)行連接，漿液中的膨潤(rùn)土與全風(fēng)化花崗巖顆粒所含的大量黏土礦物吸水膨脹，堵漏效果顯著。同時(shí)水泥發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化產(chǎn)物（纖維狀或花瓣?duì)畹乃杷徕}晶體（C-S-H）、針狀的鈣礬石晶體（AF_t）等）充填于孔隙中，不但對(duì)土顆粒有膠結(jié)作用，甚至相互膠結(jié)形成連續(xù)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使加固體強(qiáng)度得到提升，密實(shí)程度提高，孔隙率的降低使其滲透率也明顯下降。

取樣點(diǎn)A 所處位置比取樣點(diǎn)B 更靠近注漿管口，在一定注漿壓力下注入漿液量更多，由圖9（b）、（c）中明顯看出，取樣點(diǎn)A 處試樣孔隙較取樣點(diǎn)B 處試樣更少，裂隙填充及顆粒之間的膠結(jié)也更明顯，取樣點(diǎn)B 試樣漿液水化生成的纖維狀、針狀晶體只是部分膠結(jié)，并沒(méi)有完全填充裂隙，導(dǎo)致其強(qiáng)度和滲透率變化小于取樣點(diǎn)A 試樣。這說(shuō)明在注漿過(guò)程中，水化產(chǎn)物生成及漿液膠結(jié)巖體顆粒的過(guò)程隨著注入土體的漿液量增多而逐漸發(fā)生，這也是距離注漿管越近的土層防滲加固效果越好的影響因素。

圖9 全風(fēng)化花崗巖原樣和注漿后試樣SEM 掃描電鏡圖Fig.9 Scanning electron microscope (SEM) images of the original samples of the ompletely weathered granite and the samples after grouting

4.3 漿液擴(kuò)散模式及機(jī)理分析

對(duì)不同注漿壓力下注漿試驗(yàn)結(jié)束后的結(jié)石體取樣，試樣形態(tài)特征如圖10所示。

圖10 不同注漿壓力下結(jié)石體形態(tài)Fig.10 Stone body shape under different grouting pressures

當(dāng)注漿壓力為0.5 MPa 時(shí)，漿液首先沿著孔隙與裂縫滲透，在注漿管管口處形成直徑12.5 cm、厚度5.5 cm 的球狀漿泡，漿泡周圍土體被擠密。當(dāng)注漿壓力達(dá)到1.0 MPa 時(shí)，注漿口管口處形成厚度為7.4 cm漿泡的同時(shí)，土體擠密現(xiàn)象更明顯，又產(chǎn)生了主劈裂面及次生劈裂面1 和2。沿徑向首先在漿泡周圍較薄弱面形成主劈裂面，隨著壓力逐漸增大，又在主劈裂面的基礎(chǔ)上形成次生劈裂面1，并在另一薄弱面方向形成次生劈裂面面2。當(dāng)壓力損耗之后的殘余壓力剛好下降至與地層啟劈壓力相等時(shí)，漿液無(wú)法繼續(xù)往前劈裂擴(kuò)展。當(dāng)注漿壓力達(dá)到1.5 MPa 時(shí)，注漿口管口處形成11.3 cm 的漿泡，沿徑向形成4 個(gè)較為明顯的劈裂面，形成的所有劈裂面之間彼此貫通，形成了1 個(gè)中間凸、四周凹的圓餅狀結(jié)石體，此現(xiàn)象與鄒建等研究結(jié)果相吻合[24]。

綜合上述分析可知，該高固相離析漿液在全風(fēng)化花崗巖注漿的過(guò)程中存在3 個(gè)階段：滲透擴(kuò)散、擠密壓縮、劈裂擴(kuò)展。

注漿剛開(kāi)始時(shí)漿液首先滲透充填至土體的孔隙和空隙中，表現(xiàn)為滲透注漿機(jī)理；待空間被漿液填充完畢后開(kāi)始起壓，周圍土體被擠密，裂縫閉合，孔隙減少，表現(xiàn)為壓密注漿機(jī)理；實(shí)際上壓密灌漿和劈裂灌漿兩個(gè)階段之間并沒(méi)有嚴(yán)格的區(qū)分。隨著壓力上升，漿泡逐漸增大，導(dǎo)致漿泡周圍的土體強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等增大。當(dāng)壓力超過(guò)土體的啟劈壓力時(shí)，漿液沿著土體的薄弱面擴(kuò)散，產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)劈裂面。壓力增長(zhǎng)至一定程度后，劈裂面之間相互貫通，表現(xiàn)為劈裂注漿機(jī)理。綜合上述分析，該離析漿液對(duì)于全風(fēng)化花崗巖地層防滲加固注漿效果顯著，注漿時(shí)上部的黏土水泥顆粒可以深入到全風(fēng)化花崗巖的裂縫中，下部的大顆粒水泥砂漿可以對(duì)全風(fēng)化花崗巖地層進(jìn)行擠密，有效提高地層強(qiáng)度，降低滲透率。

5 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了一種適用于全風(fēng)化花崗巖地層注漿的室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了漿液在整個(gè)注漿過(guò)程中的擴(kuò)散情況模擬，且方便注漿后完整結(jié)石體取樣。

（2）以全風(fēng)化花崗巖顆粒為主體的高固相離析漿液在全風(fēng)化花崗巖地層注漿中效果顯著。該離析漿液上部的黏土水泥顆?？梢陨钊氲饺L(fēng)化花崗巖的裂縫中，下部的大顆粒水泥砂漿可以對(duì)全風(fēng)化花崗巖地層進(jìn)行擠密。隨著注漿壓力提高，灌后土體單軸抗壓強(qiáng)度提高3.25～13.67 倍，抗剪強(qiáng)度提高1.63～2.69 倍，滲透率下降至10-5cm/s 甚至10-6cm/s。

（3）土體強(qiáng)度與滲透率增幅最大總是發(fā)生于漿液最先接觸地層階段，擠密地層使強(qiáng)度與滲透率上升較小，漿液中固體成分充填孔隙裂縫是改變土體強(qiáng)度與滲透率的最重要因素。

（4）以全風(fēng)化花崗巖顆粒為主體的高固相離析漿液在全風(fēng)化花崗巖地層注漿時(shí)存在滲透擴(kuò)散、擠密壓縮、劈裂擴(kuò)展3 個(gè)階段，是一種復(fù)合注漿形式。