水泥基注浆材料浆液扩散规律及相关试验分析

本文揭示了土压力衰减的时空效应，得到了土压力随位置的变化式。土压力随时间的变化呈非线性和阶段性的“衰减”现象，土压力变化随距注浆孔中心长度的增加而减小，呈幂函数关系，可通过“衰减参数”对其衰减程度进行表征。衰减过程包括增加段、缓降段、突降段和稳定段，前三个过程的临界点分别对应浆液难以注入和停止注浆。
1 绪 论

1.1 研究背景

注浆技术是指将符合工程要求的浆液材料通过压力设备直接或间接注入岩土体，以改变岩土体的力学分布和结构组成，待浆液凝固后形成复合体，提高其物理力学性能，达到防水、加固或纠偏的工程目的。它广泛的应用于边坡工程、地基工程、堤坝工程和地下工程等，在建筑结构补强、岩土文物保护、地质灾害治理、特殊地基改良、堤坝决溃预防、地下围岩加固、资能安全开采、固废高效处置、海洋环境修缮等工程领域有着特殊的作用，可为建筑、文物、交通、市政、管道、水利、矿业、能源、环境等工程建设运营安全提供重要保障。当前，有关注浆理论与技术方面的研究成果和工程实践较多，通过归纳总结可以发现，注浆技术属于典型的治水补强兼顾型“非开挖原位加固技术”，拥有防水、加固和纠偏三大主要工程功能，具体涵盖抗渗、堵漏、治突、补强、保久、移位、顶升、成型、驱流、减摩、阻腐、隔气、灭火等。由于注浆工程的模糊性、隐蔽性、随机性和复杂性等特征，使其存在“难选材、难评价、难预测、难控制”问题，同时也导致注浆理论滞后于工程实践。注浆形式主要包括托底注浆、充填注浆、渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆、冲剪注浆、喷射注浆、搅拌注浆和复合注浆（材料复合和形式复合）等。其中，渗透注浆、压密注浆和劈裂注浆三种注浆形式是较为常用但又较为复杂的技术，这种复杂性一方面源于它们各自的实现过程，另一方面在于三者之间存在着相互联系和影响。因此，这三种注浆形式是当前注浆理论与技术领域研究的热点。渗透注浆是指将符合工程要求的浆液材料通过压力设备直接注入岩土体中的孔隙，置换土体中空气和水分占有的体积，改变岩土体的组成和结构，待浆液凝固后形成胶结体，提高其物理力学性能特别是抗渗性和承载性，从而达到防水、加固的工程目的，适用于渗透性较好的土体。压密注浆是指将符合工程要求的浆液材料通过压力设备直接或间接注入岩土体，填充周围岩土体因挤密或结构纠偏而释放的孔隙，改变岩土体的组成、结构和力学分布，待浆液凝固后形成凝结体和复合体，提高其物理力学性能特别是抗渗性和承载性，从而达到防水、加固或纠偏的工程目的，适用于软弱土体。劈裂注浆是指将符合工程要求的浆液材料通过压力设备直接注入岩土体，填充周围岩土体因“压密-劈裂-再压密”而释放的孔隙，形成浆脉骨架，从而改变岩土体的组成、结构和力学分布，待浆液凝固后形成复合体，提高其物理力学性能特别是抗渗性和承载性，从而达到防水、加固或纠偏的工程目的，适用于较密实土体。因此，从三种注浆形式的内涵可以看出，不同注浆形式的本质原理各异。在前人研究的基础上对尚不明确或有待研究的方向或问题进行分析对于完善注浆理论与技术、指导注浆科学与工程是有益的。

1.2研究现状

当前，有关注浆理论与技术方面的研究成果较多，但整体上仍然呈“理论滞后于实践”的特点。通过对相关研究成果的归纳总结，注浆工程设计和研究涵盖12 个方面的内容，包括注浆对象、注浆目的、注浆形式、注浆材料、注浆机制、注浆机理、注浆效果、注浆参数、注浆设备、注浆工艺、注浆预测和注浆控制，前 3 个方面属于前期方案选择，后 5 个方面属于后期设计施工和风险管控，中间 4个方面属于中期详细研究。其中，注浆材料和注浆机制两个方面的研究成果相对较多，注浆机理和注浆效果两个方面的研究成果相对较少，注浆预测和注浆控制两个方面的研究成果较为少见。本文主要针对渗透注浆、压密注浆和劈裂注浆三种注浆形式进行研究，现围绕注浆材料、注浆机制、注浆机理和注浆效果等内容进行研究现状综述和分析。

2 注浆材料的浆液特性和渗透系数等效计算方法

注浆材料是注浆技术研究的基础，渗透系数是注浆理论的关键参数，也是注浆效果评价的重要指标。本章首先以安全、环保和质量为控制指标，以“可注、可控、可固、可久”为基本原则，以防水、加固和纠偏为注浆目的，建立注浆材料浆液特性的指标体系，并对数十种浆材的物理力学特性进行统计。然后从影响因素和空间过程两个方面分析黏性土的渗透机制，按照结合水“固化”的渗透等效原则将黏性土等效成粗粒土，引入参数“等效孔隙比”建立黏性土渗透系数的等效计算方法，实现粗细粒土渗透系数计算的统一。

2.1 注浆材料浆液特性

2.1.1 注浆材料综合分类

为便于正确认识和合理选用注浆材料，有必要对其进行分类。从化学的角度，材料分为无机和有机，无机材料浆液包括颗粒型悬浊液和化学真溶液，而浆液的剪力-应变关系又表征了其流动性。因此，本文以注浆材料的化学属性、浆液状态、浆材名称和流动方程等为分类指标，对数十种注浆材料进行综合分类，如表 2-1所示。

2.2土体渗透系数等效计算方法

2.2.1 黏性土渗透机制

为研究黏性土渗透系数计算方法，有必要首先对其渗透机制进行深入认识。下面从黏性土渗透影响因素和空间过程两个方面理论分析其渗透机制，为后文研究提供基础性工作。

（1）黏性土渗透影响因素

土体孔隙由连通孔隙、半连通孔隙和封闭孔隙组成，土体一定的前提下，孔隙率越小则渗透系数越小。通常认为，黏性土渗透系数较小是因为其孔隙率小，实则不然，因为孔隙率和密实度成反比，而土体的密实度和颗粒级配、击实功等因素有关，和颗粒的绝对粒径无关。现假定土体颗粒为等直径圆球形，分别取黏粒、粉粒、砂粒、圆砾四种类型土的颗粒当量直径为 0.002mm、0.02mm、0.2mm、2.0mm，将其分别均匀装入长、宽、高均为 50mm 的立方体容器，然后分别计算各种颗粒空间排列时的孔隙率

3 渗透注浆浆液扩散规律和有效扩散距离计算......................................................... 41

3.1 试验方案........................................................................................................ 41

3.2 试验结果........................................................................................................ 52

3.3 渗滤效应形成机制分析................................................................................ 61

3.4渗滤效应理论模型探讨................................................................................ 63

3.5 本章小结........................................................................................................ 64

4 压密注浆土压力衰减规律和注浆效果评价............................................................. 67

4.1 试验方案........................................................................................................ 67

4.2 试验结果........................................................................................................ 73

4.3 土压力变化特征............................................................................................ 81

4.4土压力变化衰减规律.................................................................................... 83

5 劈裂注浆浆液扩散模式和浆脉形态....................................................................... 101

5.1 试验方案...................................................................................................... 101

5.2 浆脉形态和几何特征.................................................................................. 107

5.3 浆液扩散模式.............................................................................................. 115

5.4浆液扩散特征.............................................................................................. 119

6 劈裂注浆参数变化表征和浆液扩散预测控制....................................................... 127

6.1 注浆参数变化.............................................................................................. 127

6.2 参数变化特征.............................................................................................. 147

6.3 注浆现象表征.............................................................................................. 154

6.4浆液扩散预测.............................................................................................. 154

6 劈裂注浆参数变化表征和浆液扩散预测控制

第 5 章基于劈裂注浆模型试验结果，对最终浆脉形态和几何特征、浆液扩散过程和模式、浆液扩散特征和浆脉形态生成机制等进行了宏观层面分析。本章在此基础上，继续对注浆过程中的参数变化和现象表征进行研究，并建立浆液扩散的预测控制方法。首先分析劈裂注浆过程中的参数变化，包括注浆压力、浆液流量和地表位移，总结其变化特征和现象表征。然后分别从扩散形式、扩散方向和扩散位置三个方面说明浆液扩散预测的原理和计算方法，建立浆液扩散预测的“位移增量法”和其计算流程，结合试验结果对其进行验证。最后结合控制目标、控制原则、控制指标和控制措施等建立“浆液压密-劈裂扩散预测控制体系”。

6.1 注浆参数变化

通过试验得到了注浆过程中注浆压力和浆液流量随时间的变化，以及地表位移随时间和位置的变化，分别如图 6-1~6-17 所示。受注浆过程控制和数据采集时差的影响，注浆压力和浆液流量的记录是同步的，而地表位移的记录和它们不是同步的，因此，文中无法实现三者之间的同步分析。注浆压力和浆液流量的变化过程是根据曲线斜率相对大小给出的定性描述，它们相互之间的临界判据是变化速率，但尚不能给出临界值的定量解答。由于试验之前未能预测地表的变化情况，所以测微计的设置以“地表顶升”为主，而对于地表产生沉降的工况，测微计量测的负值只有在持续变化的时间段内才是真实值。由图 6-1（a）可以看出，（1）注浆压力和浆液流量随时间整体上均呈稳步增加趋势，出现了多次的“注浆压力突降、浆液流量突增”现象，但降幅和增幅均较小，说明松散土注浆过程中会产生局部不明显的类似“劈裂”现象，且具有波动性和不均匀性。（2）注浆压力的变化过程包括稳增、突降，浆液流量的变化过程包括稳增、稳定、突增。

7 结论与创新点

本文基于对注浆材料浆液特性和土体渗透系数计算的分析，进行试验方案和试验装置设计，然后分别开展了水泥基浆液渗透注浆、压密注浆和劈裂注浆模型试验，对浆液扩散规律和预测控制方法进行了研究，获得了一些结论并在试验、方法、理论和技术等方面存在创新之处。

7.1 结论

（1）初步建立了注浆材料浆液特性判定的四级指标体系。该指标体系共包含21 个指标，可为注浆材料的选取和研发提供参考。建立了粗细粒土渗透系数的统一等效计算方法。该方法实现了粗细粒土渗透系数计算的统一，相比黏性土渗透系数 Mesri 方程，太沙基、柯森-卡门渗透系数的等效计算方法可用于粗细粒土渗透系数的计算，为土体的渗透性评价和浆液材料的渗透系数计算提供了依据。

（2）发现了浆液渗滤扩散的时空规律。浆液扩散距离随时间不断增加，呈对数关系；浆液渗流量和密度随时间不断减小，均呈线性关系；土体中浆液的实际水灰比随扩散距离不断增大，呈线性关系，距离注浆口较近处和较远处的浆液的实际水灰比分别小于和大于初始水灰比；考虑浆液渗滤效应的渗透系数是注浆时间和扩散距离的函数。

（3）建立了有效扩散距离的计算式。有效扩散距离与孔隙率、水灰比、注浆压力和注浆时间四个影响因素的关系符合幂函数型，相比理论模型提高了计算精度，可为注浆孔间排距的设计提供依据。

（4）揭示了土压力衰减的时空效应，得到了土压力随位置的变化式。土压力随时间的变化呈非线性和阶段性的“衰减”现象，土压力变化随距注浆孔中心长度的增加而减小，呈幂函数关系，可通过“衰减参数”对其衰减程度进行表征。衰减过程包括增加段、缓降段、突降段和稳定段，前三个过程的临界点分别对应浆液难以注入和停止注浆。