李萌萌，張 維，鄧洪亮，王守凡

(1.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124；2.北京市政路橋股份有限公司，北京 100045)

0 引言

注漿技術(shù)因其對(duì)改善巖土性質(zhì)的顯著作用，被廣泛應(yīng)用于地下工程止水加固等工程實(shí)踐中[1]。針對(duì)不同的土體結(jié)構(gòu)特征、漿液物理特性以及注漿目的，注漿技術(shù)根據(jù)其作用機(jī)理可以劃分為多種注漿方法。由于飽和砂層具有穩(wěn)定性差、滲透性差、覆蓋面廣的特點(diǎn)[2]，目前常用的注漿方法對(duì)其均存在一定的應(yīng)用限制。從穩(wěn)定性的角度考慮，劈裂注漿、高壓旋噴注漿和壓密注漿的注漿壓力較大，易導(dǎo)致飽和砂層土體失穩(wěn)；從滲透性的角度考慮，填充注漿和常規(guī)滲透注漿存在擴(kuò)散距離短、擴(kuò)散方向不可控、擴(kuò)散范圍不集中的問題；從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，化學(xué)注漿施工成本較高，不適含大規(guī)模應(yīng)用。

本研究在常規(guī)滲透注漿理論[3-4]的基礎(chǔ)上，考慮排水壓力對(duì)漿液擴(kuò)散的促進(jìn)作用和范圍約束作用，提出一種兼具注漿壓力和排水壓力的新型雙管注漿方法，建立了飽和砂層的定向誘導(dǎo)注漿理論，并通過理論推導(dǎo)和模型試驗(yàn)分析漿液在注漿正壓與排水負(fù)壓共同作用下的擴(kuò)散規(guī)律。

1 飽和砂層定向誘導(dǎo)注漿理論分析

定向誘導(dǎo)注漿區(qū)別于傳統(tǒng)的單孔注漿和多孔注漿方法，在注漿擴(kuò)散范圍內(nèi)沿預(yù)期注漿方向設(shè)置排水孔進(jìn)行排水，降低砂層中的孔隙水壓力，從而在注漿孔與排水孔之間的土體中形成更大的壓力差，增大了預(yù)期注漿方向上漿液擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，如圖1所示。土體內(nèi)的漿液受到注漿正壓和排水負(fù)壓的共同作用。

圖1 定向誘導(dǎo)注漿作用原理

1.1 理論模型建立

定向誘導(dǎo)注漿理論模型的理論假定如下[5-6]。

1)被注土層均質(zhì)且各向同性，注漿過程中土層結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變。

2)注漿端擴(kuò)散的漿液和排水端滲流的水均為牛頓流體，注漿過程中二者的流型和黏度均保持不變。

3)注漿端的漿液從注漿管的底部注入土層，排水端的水從土層中匯向排水管底部，二者擴(kuò)散方向相反，但均呈球形擴(kuò)散。

4)單位時(shí)間的注漿量和排水量均不變，液體只發(fā)生層流運(yùn)動(dòng)。

5)不考慮土體內(nèi)自由水對(duì)漿液的稀釋作用。

6)注漿正壓的影響范圍與排水負(fù)壓的影響范圍有一定的重疊，并足以驅(qū)動(dòng)水泥漿液產(chǎn)生滲流。

定向誘導(dǎo)注漿理論模型建立在有限范圍內(nèi)，注漿管與排水管埋深一致，兩管半徑均為r0；兩管圓心的連線距離為擴(kuò)散距離L，且L?r0；注漿正壓水頭高度、排水負(fù)壓水頭高度、地下水高度分別為hg，hd，h0；注漿正壓應(yīng)力、排水負(fù)壓應(yīng)力分別為Pg，Pd，有Pg=γghg，Pd=γwhd，其中γg，γw分別為漿液和水的重度；漿液和水在砂層內(nèi)的滲透系數(shù)分別為kg，kw，有kg=μgγw，kw=μwγw，其中μg，μw分別為漿液和水的黏度；單位時(shí)間的注漿量和排水量分別為Qg，Qd。定向誘導(dǎo)注漿理論模型如圖2所示。

圖2 定向誘導(dǎo)注漿理論模型

1.2 公式推導(dǎo)

1.2.1二維注漿正壓空間分布方程

在兩管管底連線所在平面內(nèi)，因r0?L，故將l=r0處定義為初始注漿正壓Pg0的位置；單位時(shí)間內(nèi)通過每個(gè)擴(kuò)散面的注漿量均為Qg。

由達(dá)西定律得出滲流方程：

(1)

積分得：

(2)

代入邊界條件：l=r0時(shí)，Pg(l)=Pg0，得出二維注漿正壓空間分布方程如下：

(3)

1.2.2二維排水負(fù)壓空間分布方程

在兩管管底連線所在平面內(nèi)，因r0?L，故將l=L-r0處定義為初始排水負(fù)壓Pd0的位置；單位時(shí)間內(nèi)通過每個(gè)擴(kuò)散面的排水量均為Qd。

由達(dá)西定律得出滲流方程：

(4)

代入邊界條件：l=r0時(shí)，Pd(l)=-Pd0，得出二維排水負(fù)壓空間分布方程如下：

(5)

1.2.3一維漿液壓力空間分布方程

定向誘導(dǎo)注漿成功的關(guān)鍵在于兩管間的注漿路徑是否打通，因此本文僅選取兩管連線段上的擴(kuò)散漿液進(jìn)行壓應(yīng)力分析，且有r0≤l≤L-r0。

正負(fù)壓應(yīng)力求和，得出一維漿液壓力空間分布方程如下：

(6)

1.2.4判定條件

(7)

(8)

因此可推出以下規(guī)律。

1)當(dāng)P＇(l)max?0時(shí)，Qg遠(yuǎn)大于Qd，注漿正壓遠(yuǎn)大于排水負(fù)壓，漿液壓力由注漿管向排水管逐漸減小。

3)當(dāng)P＇(l)min≥0時(shí)，Qg遠(yuǎn)大于Qd，排水負(fù)壓遠(yuǎn)大于注漿正壓，漿液壓力由注漿管向排水管逐漸增大。

圖3 正負(fù)壓重疊效果

2 飽和砂層定向誘導(dǎo)注漿模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本研究依據(jù)定向誘導(dǎo)注漿原理及相似準(zhǔn)則建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚8]。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶囼?yàn)箱體系統(tǒng)、注漿控制系統(tǒng)、負(fù)壓誘導(dǎo)系統(tǒng)和智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中，試驗(yàn)箱體系統(tǒng)為高強(qiáng)玻璃試驗(yàn)箱體，用以容納模擬飽和砂層和直接觀察漿液擴(kuò)散情況；注漿控制系統(tǒng)包括注漿泵、加壓箱、注漿管、注漿管路、注漿壓力控制器及注漿控制閥；負(fù)壓誘導(dǎo)系統(tǒng)包括排水泵、排水壓力控制器、排水控制閥、排水管及排水管路；智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括傳感器、注漿壓力表、排水壓力表、智能檢測(cè)采集器及系統(tǒng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，是試驗(yàn)過程中監(jiān)測(cè)和收集數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)信息站。試驗(yàn)?zāi)Ｐ透飨到y(tǒng)連接順序及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況如圖4，5所示。

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)注漿材料

注漿材料選用普通硅酸鹽水泥；試驗(yàn)用土選用石英砂、河砂，分別用于模擬飽和中砂層、飽和細(xì)砂層，黏土和土工膜用于模擬土體中的止水層。

2)注漿參數(shù)

注漿泵壓力的取值范圍為0.05～0.2MPa；排水泵壓力的取值范圍為0.04～0.08MPa；試驗(yàn)漿液的水灰比均選用2∶1；注漿管與排水管間的距離為擴(kuò)散距離，取值為0.5～1.5m。

3)試驗(yàn)分組

分別以擴(kuò)散距離L、注漿泵壓力P1、抽水泵壓力P2為變量進(jìn)行多組對(duì)照試驗(yàn)。

4)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

孔隙水壓力計(jì)與土壓力盒作為傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土體內(nèi)不同位置的孔隙水壓力與土壓力，試驗(yàn)共設(shè)有孔隙水壓力計(jì)8個(gè)，土壓力1個(gè)，平面布置如圖6所示。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置

5)試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)過程主要分為試驗(yàn)準(zhǔn)備工作、試驗(yàn)實(shí)施過程、試驗(yàn)信息匯總3部分，具體試驗(yàn)步驟如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)步驟流程

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要來源于埋入土體的孔隙水壓力傳感器和土壓力計(jì)，其中土壓力計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)為注漿壓力，以下選取兩組具有代表性的試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)果分析，兩組試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

3.1 第1組試驗(yàn)結(jié)果

注漿壓力和孔隙水壓力的升降趨勢(shì)可反映土體中漿液的擴(kuò)散狀態(tài)，變化曲線從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)到另一穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間為注漿時(shí)長(zhǎng)。由本組試驗(yàn)的應(yīng)力-時(shí)間曲線得，t=5min時(shí)開始注漿，t=110min時(shí)結(jié)束注漿，注漿時(shí)長(zhǎng)為T=Δt=105min，依次選取t=9,55,100min作為特征時(shí)刻進(jìn)行分析，具體如圖8所示。

圖8 第1組試驗(yàn)應(yīng)力-時(shí)間曲線

針對(duì)上述3個(gè)特征時(shí)刻，分別繪制漿液流勢(shì)圖、孔隙水壓力等值線圖、注漿管與排水管連線之間孔隙水壓力剖面圖O-A和注漿管與排水管連線之外孔隙水壓力剖面圖O-C，如圖9所示。

圖9 第1組試驗(yàn)效果分析

1)由各時(shí)刻的流勢(shì)圖可看出，漿液從注漿管經(jīng)過850mm處的勢(shì)能極小值點(diǎn)后繼續(xù)向排水管擴(kuò)散，且注漿4min誘導(dǎo)趨勢(shì)就已經(jīng)形成；由各時(shí)刻的等值線圖可看出，兩管連線上的孔隙水壓力變化梯度最大，漿液擴(kuò)散范圍主要集中在該區(qū)域。均驗(yàn)證了定向誘導(dǎo)注漿在飽和中砂層的可行性。

2)由各時(shí)刻的孔隙水壓力剖面圖O-A可看出，孔隙水壓力由注漿管向排水管非單調(diào)降低，存在極小值點(diǎn)，對(duì)應(yīng)理論模型中情況②的應(yīng)力最低點(diǎn)；同時(shí)，對(duì)比剖面圖O-C可看出，注漿前期漿液未向兩管中間以外區(qū)域擴(kuò)散，后期存在一定的無效擴(kuò)散，注漿區(qū)域整體較集中。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可得，在注漿開始28min時(shí)抽水管中的水開始渾濁，表明漿液已經(jīng)擴(kuò)散至抽水管附近，誘導(dǎo)路徑貫通，最終定向誘導(dǎo)注漿試驗(yàn)成功。

3.2 第2組試驗(yàn)結(jié)果

本組試驗(yàn)中孔-6、孔-7的數(shù)據(jù)規(guī)律異常，暫不分析，由應(yīng)力-時(shí)間曲線得，t=10min時(shí)開始注漿，t=90min時(shí)結(jié)束注漿，注漿時(shí)長(zhǎng)為T=Δt=80min，依次選取t=20，42，85min作為特征時(shí)刻進(jìn)行分析，具體如圖10所示。

圖10 第2組試驗(yàn)應(yīng)力-時(shí)間曲線

上述3個(gè)特征時(shí)刻的對(duì)比分析，如圖11所示。

圖11 第2組試驗(yàn)效果分析

1)由各時(shí)刻的流勢(shì)圖可看出，漿液沿穩(wěn)定的壓力梯度從注漿管向排水管擴(kuò)散，注漿10min誘導(dǎo)趨勢(shì)就已經(jīng)形成；由各時(shí)刻的等值線圖可看出，兩管連線上的孔隙水壓力變化梯度最大，漿液擴(kuò)散范圍主要集中在該區(qū)域。均驗(yàn)證了定向誘導(dǎo)注漿在飽和細(xì)砂層的可行性。

2)由各時(shí)刻的孔隙水壓力剖面圖O-A可看出，孔隙水壓力由注漿管向排水管逐漸減小，未出現(xiàn)的應(yīng)力最低點(diǎn)，對(duì)應(yīng)理論模型中的情況①；同時(shí)，對(duì)比剖面圖O-B可看出，注漿后期漿液向兩管中間以外區(qū)域有少量擴(kuò)散，整體注漿范圍集中。

3)對(duì)比第1組試驗(yàn),本組試驗(yàn)的土體可注性較差，擴(kuò)散距離較遠(yuǎn)，但本組所需的注漿時(shí)長(zhǎng)反而更短，說明增大正負(fù)壓差可顯著縮短注漿時(shí)長(zhǎng)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可得，在注漿開始31min時(shí)排水管中的水開始渾濁，表明漿液已經(jīng)擴(kuò)散至排水管附近，誘導(dǎo)路徑貫通，最終定向誘導(dǎo)注漿試驗(yàn)成功；注漿后期注漿管附近的飽和細(xì)砂出現(xiàn)了較明顯的沉降，導(dǎo)致兩管間700mm處現(xiàn)孔隙水壓力最高點(diǎn)。

4 結(jié)語

本文提出一種適用于飽和砂層的定向誘導(dǎo)注漿技術(shù)，以在預(yù)期注漿方向設(shè)置排水管的方式增大漿液滲透擴(kuò)散的動(dòng)能，解決了由飽和砂層穩(wěn)定性差、滲透性差導(dǎo)致的注漿難題。本研究分別通過建立理論模型、完成模型試驗(yàn)，雙向證明了定向誘導(dǎo)注漿理在飽和砂層中的可行性。同時(shí)還得出了以下結(jié)論。

1)理論推導(dǎo)得出定向誘導(dǎo)注漿過程中應(yīng)力分布規(guī)律，并通過模型試驗(yàn)得到了充分驗(yàn)證：當(dāng)注漿正壓遠(yuǎn)大于排水負(fù)壓時(shí)，兩管間形成穩(wěn)定的壓力差，應(yīng)力分布與常規(guī)單孔注漿相似，但注漿時(shí)長(zhǎng)明顯縮短；當(dāng)注漿正壓與排水負(fù)壓相差不大時(shí)，兩管間存在應(yīng)力最低點(diǎn)，僅當(dāng)該點(diǎn)漿液壓力大于其流動(dòng)阻力時(shí)誘導(dǎo)路徑才可形成。

2)模型試驗(yàn)結(jié)果分析還得出，定向誘導(dǎo)注漿趨勢(shì)可在幾分鐘內(nèi)形成；定向誘導(dǎo)注漿可有效控制漿液的擴(kuò)散方向，縮小無效注漿范圍。

由此說明，飽和砂層的定向誘導(dǎo)注漿能夠提高注漿的效率和質(zhì)量。針對(duì)第四系飽和砂層在我國(guó)各地廣泛存在的現(xiàn)實(shí)情況，定向誘導(dǎo)注漿技術(shù)不僅具有較高的理論意義，而且具有很高的工程推廣意義和經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值。