柳 山, 羅光洪,張家泉,蔡云富

(1.湖北理工學(xué)院 a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，b.礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復(fù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 黃石 435003；2.黃石市振興勘察設(shè)計(jì)有限公司，湖北 黃石435003；3.黃石市水利和湖泊局，湖北 黃石 435000)

在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)建設(shè)迅猛發(fā)展的背景之下，我國的基礎(chǔ)建設(shè)有了長足的發(fā)展，特別是在交通設(shè)施、水利工程、隧道挖掘等方面[1]。但是，這些基礎(chǔ)工程在建設(shè)和運(yùn)營過程中，因水文地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)瑕疵、材料老化等因素，不可避免地存在重大安全隱患，如水庫滲漏、隧道涌水、邊坡坍塌等[2]。為防患于未然，我國從上世紀(jì)50年代便開始發(fā)展灌漿技術(shù)[3]。通過長時間的工程實(shí)踐應(yīng)用，化學(xué)灌漿材料因其良好的滲透性、力學(xué)性能、流動性以及可控的固化時間等優(yōu)勢得到了廣泛的應(yīng)用[4-5]。

最常見的化學(xué)灌漿材料——聚氨酯類材料，是一種由異氰酸酯和多元醇發(fā)生聚合反應(yīng)形成的軟段和硬段交替排列的線狀嵌段共聚物[6-7]。除具有化學(xué)灌漿材料的共性外，聚氨酯材料的黏度適中、耐磨耐腐蝕較強(qiáng)、粘結(jié)性能優(yōu)異[8]，在破碎巖體加固、邊坡加固、壩基加固、大壩防漏、混凝土缺陷、道路裂縫、地基防滲等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[9-10]。Wu 等[11]公布了一項(xiàng)美國專利，提出了利用單組份的聚氨酯灌漿和DBE、增塑劑、發(fā)泡劑等組合藥劑在高壓環(huán)境下快速對滲水壩體進(jìn)行封堵的方法。Specialty Construction Brands公司[12]設(shè)計(jì)出了一種含硅烷化聚合物的單組份聚合材料，具有比一般單組份聚合材料更強(qiáng)的抗壓縮及抗裂性。Zhang等[13]所合成的聚氨酯/赤泥復(fù)合材料在50%的壓縮狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度為29.2 MPa，且具有較好的延展和阻燃效果。韓江凌[14]以甲苯二異氰酸酯與聚醚多元醇合成的聚氨酯材料可以在幾十秒到幾分鐘內(nèi)對壩體裂縫實(shí)現(xiàn)快速封堵。

但是，在大多數(shù)研究中，所加固大壩一般以混凝土壩為主，較少針對砂土壩進(jìn)行聚氨酯注漿加固研究。楊明坤等[15]以含羧甲基纖維素鈉為主的丙烯酰胺配置新型環(huán)保砂土加固材料。王藝霏等[16]利用丙烯酸甲酯/醋酸乙烯酯配制了新型砂土固結(jié)乳液。在這些采用無機(jī)材料對砂土固結(jié)的研究中，存在的最主要問題就是容易對壩體周圍水體造成污染[17]，且其在砂土壩中的適用性差，綜合性能(如滲透性、保水性)往往達(dá)不到要求[18]，制備和施工工藝得不到大規(guī)模推廣[19]。

為此，本研究以HA Soil AF型聚氨酯材料為研究對象，探討砂土柱在注入1%的HA Soil AF型聚氨酯材料后的抗壓能力；模擬地下深部環(huán)境，分析HA Soil AF型聚氨酯材料對深部原狀土的強(qiáng)化效果；分析HA Soil AF型聚氨酯材料對水質(zhì)的毒理性，旨在為利用HA Soil AF型聚氨酯材料為砂土壩注漿工程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐。

1 試驗(yàn)方法及材料

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用新型聚氨酯材料為購買的憎水型HA Soil AF型聚氨酯材料。其不含鄰苯二甲酸鹽，粘度低，遇水反應(yīng)。

試驗(yàn)土壤1為砂土，滲透率為3.65×10-5m/s，堆積密度為1.6 kg/dm3。試驗(yàn)土壤2為粉砂土，滲透系數(shù)為1.0×10-6m/s，堆積密度為2.7 kg/dm3。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

1.2.1抗壓試驗(yàn)

試驗(yàn)開始時，向內(nèi)徑為53 mm的耐壓管中逐步添加濕潤砂土(含水率約為5%)，再注入1%的HA Soil AF型聚氨酯材料(約200 mL)，并施加750 kPa的恒定壓頭壓力。反應(yīng)1 d后，移除恒定壓力；反應(yīng)7 d后，取出固化后的砂土，進(jìn)行抗壓測試。為保證試驗(yàn)準(zhǔn)確，每組試驗(yàn)均對3個平行試樣進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果取最大抗壓強(qiáng)度，為單位面積上所能承受的壓力。

1.2.2對深層砂土的強(qiáng)化試驗(yàn)

選用30 m深處的試驗(yàn)土壤1原狀樣品為研究對象。將試驗(yàn)土壤填充壓實(shí)，處于飽水狀態(tài)，施加約480 kPa的壓力，模擬地下壓力環(huán)境。待1%的HA Soil AF型聚氨酯材料完全注射進(jìn)入深部砂土層后，養(yǎng)護(hù)24 h，取長約40 mm的試驗(yàn)柱進(jìn)行抗壓測試，取長約100 mm的試驗(yàn)柱進(jìn)行抗剪測試。

1.2.3滲透性試驗(yàn)

選用試驗(yàn)土壤(粉砂土)為研究對象，以500 kPa壓力注入HA Soil AF型聚氨酯材料，連續(xù)觀測并記錄聚氨酯材料在柱內(nèi)的垂向遷移距離和過程。

2 結(jié)果與討論

2.1 砂土注漿后的抗壓測試

試驗(yàn)土壤1為天然砂土，結(jié)構(gòu)為非均質(zhì)，故聚氨酯材料在試驗(yàn)土壤1中的擴(kuò)散也為非均勻的。砂土注漿抗壓測試結(jié)果見表1。由表1可知，試樣的最大質(zhì)量為158.80 g，最小質(zhì)量為136.26 g，平均值為148.88 g，變異系數(shù)為6%；試樣的最大體積為85.75 cm3，最小體積為75.11 cm3，平均值為81.67 cm3，變異系數(shù)為6%；試樣的最大密度為1.89 g/cm3，最小密度為1.77 g/cm3，平均值為1.82 g/cm3，變異系數(shù)為3%。這說明在帶壓注漿過程中，同一砂土柱內(nèi)不同層位相同高度試塊的質(zhì)量、體積及密度差異不大[20-22]，即聚氨酯注漿材料在柱內(nèi)不同層位分布較均勻。但是，3個試塊所能承受的最大壓力和壓強(qiáng)卻存在較大差異，即能承受的最大壓力為63.08 kN，最小壓力為33.48 kN，平均值為50.42 kN，變異系數(shù)為25%；能承受的最大壓強(qiáng)為28.59 MPa，最小壓強(qiáng)為15.18 MPa，平均值為22.86 MPa，變異系數(shù)為25%。

表1 砂土注漿抗壓測試結(jié)果

2.2 聚氨酯材料對深層砂土的強(qiáng)化效果

向試驗(yàn)柱中注入含1%HA Soil AF型聚氨酯的注漿材料，壓力為700～750 kPa，其中有效注入壓力為220～270 kPa。注漿過程中發(fā)現(xiàn)，需要使用約220 L的1%HA Soil AF型聚氨酯材料才能注滿滲透率為3.65×10-5m/s、堆積密度為1.6×10-3kg/m3的30 m深處砂土柱。注漿結(jié)束后，試塊的溫度從24℃提升至32℃，說明漿液在加固土柱過程中存在發(fā)熱效應(yīng)。在養(yǎng)護(hù)24 h后，40 mm高的試驗(yàn)柱的最大抗壓強(qiáng)度為13.37 MPa，100 mm高的試驗(yàn)柱的最大抗剪強(qiáng)度為0.97 MPa。與表層加固砂土對比可知，深層加固砂土的最大抗壓強(qiáng)度(13.37 MPa)要低于表層加固砂土的最大抗壓強(qiáng)度(28.59 MPa)。這是因?yàn)樯顚釉瓲钔寥赖娘査再|(zhì)及密實(shí)度更高，不利于聚氨酯材料進(jìn)入砂土顆粒以形成穩(wěn)固的加固結(jié)構(gòu)[23-24]。

2.3 低滲透性粉砂土注漿滲透性能檢驗(yàn)

聚氨酯材料在低滲透率粉砂土中的垂向滲透行為如圖1所示。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，整個滲透過程基本可以分成4個階段。第1階段為注漿開始1 min內(nèi)的滲透初始階段，聚氨酯材料幾乎無法滲入粉砂土層；第2階段為2～10 min的入滲適應(yīng)階段，聚氨酯材料入滲率較為緩慢，平均入滲速率為11 mm/min；第3階段為10～15 min內(nèi)入滲的調(diào)整階段，聚氨酯材料的入滲速率變化明顯，平均入滲速率約為10 mm/min；第4階段為15 min以后的穩(wěn)定入滲階段，入滲速率為12 mm/min。在試驗(yàn)開始30 min后即可進(jìn)入粉砂土層350 mm處，可知1%的HA Soil AF型聚氨酯材料在低滲透性粉砂土中仍具有較強(qiáng)的滲透能力，即使在低滲透能力的砂土壩壩基中，仍可以垂向進(jìn)入壩基深部，對壩基深部進(jìn)行加固[25-27]。

圖1 聚氨酯材料在低滲透率粉砂土中的垂向滲透

3 結(jié)論

HA Soil AF型聚氨酯材料對砂土和粉砂土層具有較好的加固強(qiáng)化效果。以750 kPa恒定壓頭壓力向填充滲透率為3.65×10-5m/s，堆積密度為1.6 kg/dm3的表層砂土中，注入1%的HA Soil AF型聚氨酯材料，試塊的最大能承受壓力為63.08 kN，最大承受壓強(qiáng)為28.59 MPa。對30 m深原狀砂土柱的加固效果要明顯低于對表層砂土柱的效果，最大承受壓強(qiáng)僅為13.37 MPa，且試樣的抗剪能力要明顯低于其抗壓能力，僅為0.97 MPa，更容易遭到剪切破壞。HA Soil AF型聚氨酯材料在滲透率為1.0×10-6m/s的粉砂土中，30 min內(nèi)可以垂向入滲350 mm，穩(wěn)定入滲率為12 mm/min，依然可以發(fā)揮其加固效果。