粉质黏土注浆试验研究.docx

石家庄铁道大学学报 ( 自 然 科 学 版 )第 26 卷 增刊Vol26SuppJOUNAL OF SHIJIAZHUANG TIEDAO UNIVESITY ( NATUAL SCIENCE)2013 年 9 月Sep 2013粉质黏土注浆试验研究 徐恒国( 中铁工程设计咨询集团有限公司 城交院，北京100055)摘要: 结合具体工程，进行室内和现场注浆试验，通过试验研究粉质黏土地层条件下注浆加固机理，注浆加固可行性及相应的注浆工艺和参数。以便安全顺利施工，并为类似工程提供借 鉴。关键词: 粉质黏土; 注浆机理; 劈裂注浆; 现场试验; 注浆工艺1工程概况本工程为南水北调中线京石段应急供水工程 ( 北京段) 惠南庄大宁段 PCCP 管道工程穿京石高速浅埋暗挖工程，现采取两联单洞方式穿越高速公路，穿越桩号为 HDG48 + 295 714 HDG48 + 364 713，长为 69 m，与 PCCP 输水干线呈 79夹角，接近正交，两洞中心间距 10 85 m，结构顶覆土深 4 5 m 左右。在该项工程中，超前小导管注浆作为浅埋暗挖施工技术的主要辅助施工措施，其施工质量将直接影响到本工程的施工质量和安全。为保证本项工程施工过程中的注浆质量及施工安全，要求施工单位严格 按照本技术要求进行超前小导管注浆试验，通过试验分析研究粉质黏土地层条件下注浆加固机理，提出该特殊地层注浆加固可行性及相应的注浆工艺和参数，以便安全顺利施工。2室内试验通过地质勘测报告，该段地层为粉质黏土，上下分为两层，上层为褐黄色粉质黏土( 黄色土) ，下层为灰色粉质黏土( 黑色土) 。2 1室内原状土实验进行原状土室内实验，主要目的是确定其物理力学参数和可注性，进而结合经验为确定适合该地层 合理浆液配比方案。严格按照室内实验规范和要求，在室内测量了这两种土的干密度、孔隙率、含水率、渗透系数、压缩模 量、粘聚力和内摩擦角。其结果如下表 1 所示。表 1原状土基本物理力学特性指标土样 干密度 / ( gcm 3 )渗透系数 / ( 10 5 cms 1 )粘聚力 / kPa 内摩擦角 / ( )孔隙率含水率压缩模量 / MPa黄色土黑色土1 711 620 370 4123 2026 706 156 8310 467 0724 0223 8216202 2室内注浆材料配比试验根据原状土基本物理力学特性指标和注浆机理分析，确定注浆该地层注浆主要机理为渗透和劈裂挤 密共同作用加固土体降低渗透性。浆材配比主要目的是根据土性配比合适浆材，以其达到上述目的。( 1) 浆材配方设计。考虑对浆液凝胶时间、强度和耐久性等参数，研究超细水泥和普通水泥的不同水灰比以及改性水玻璃及两者构成的双液浆配比，优化现场试验方案。各种材料配合比试验如下: 水灰比(W / C ) ，普通水泥 1 51，1 1，0 6 1，超细水泥 2 1，1 5 1，1 25 1，1 1，0 8 1，0 6 1，TGM1，1 1，0 6 1，超 细 水 泥 + 水 玻 璃 1 5 1，1 0 1，0 6 1，改 性 水 玻 璃 30%H2 SO4 ，特种水泥 1 2Na2 SiO3 ，( 30Be) ; 双液体积比 ( c / s) ，超细水泥 + 水玻璃 1 1，改性水玻璃 11。( 2) 各种浆材综合性分析。通过室内对各种材料进行的物理力学性能测试，认为: TGM 特种水泥是收稿日期: 2013 08 15增刊徐恒国: 粉质黏土注浆试验研究269一种早强、耐久性好、凝结时间可调、可操作性强的注浆材料，可用于各种注浆工程; 超细水泥强度高、耐久性好、可操作性强，可用于对早期强度不高的注浆工程; 普通水泥的强度适中、耐久性达到要求，可用于 对早期强度不高、地层孔隙率大的注浆工程; 水泥-水玻璃注浆材料具有一定的早期强度，凝结时间可调， 但耐久性差，仅适合于临时封堵或临时加固注浆; 改性水玻璃的强度很低，浆液胶凝时间不易正确控制， 仅适用于对强度要求不高的地层渗透注浆，不适用于加固地层。3现场注浆试验3 1注浆孔的布置及深度注浆导管应按设计要求布置，导管长 3 0 m，环向间距 0 3 m，纵向间距 1 m，外插角 7 15，小导管 外露 20 cm 以利于安设注浆管路。有效注浆范围厚度不小于 1 m。为了使浆液扩散后相互重叠，成为一 个整体，浆液扩散半径应不小于 0 3 m，注浆导管取直径 32( 外径) 进行试验。隧道成拱在黄色土层，所 处位置比较特殊，工程中安全性要求比较重要，所以在黄土层布设了 16 个试验孔，相邻两孔注入同类浆 液，进行所有 8 类浆液现场试验; 为了节省时间和经费，在黑土层、黄土和黑土交界处各布设了 10 个试验 孔，进行部分浆液的试验。注浆材料配比根据室内实验，结合地层条件，选取采用的注浆材料有: TGM( 超细水泥级) 浆、改性水玻璃浆液，超 细水泥-水玻璃浆液或超细水泥浆或其它浆液作为试验用注浆材料。黄土区域注浆材料为: 普通水泥、普 通水泥、TGM( 加固型) 、TGM、改性水玻璃、超细水泥 + 水玻璃、普通水泥 + 水玻璃共七种浆材，超细水 泥的水灰比为 1 1 和 1 25 1 两种配方，其余均为 1 1; 黑土区的浆液配方为: 超细水泥、TGM( 加固 型) 、TGM、普通水泥 + 水玻璃共四种浆材，水灰比均为 1 1; 过渡区浆材配方为: 超细水泥、TGM( 加固3 2型) 、TGM、普通水泥、普通水泥 + 水玻璃共五种浆材，水灰比均为 13 3注浆压力控制根据现场的施工情况和原状土的基本物理力学指标，将注浆压力控制在 0 1 0 5 MPa 之间。1。3 4注浆土样室内试验结果及分析根据试验目的和现场注浆情况共取了 17 组土样，进行室内力学性能试验，以检测本次试验的注浆效果。其详细试验结果如表 2 所示。表 2 试验结果表干密度 /( gcm 3 )渗透系数 10 6压缩模量Es1 2 / MPa粘聚力 /kPa内摩擦角 / ( )土样注浆材料孔隙率含水率黄色土原状土超细水泥普通水泥 + 水玻璃改性水玻璃普通水泥超细水泥 + 水玻璃TGM( 加固)1 711 751 771 711 761 781 790 370 330 330 280 350 310 3123 221 322 422 422 721 1220 361 521 3319 1510 2523 6518 795 8310 4618 6920 221 2316 2522 3222 4724 0233 2527 9027 2128 9833 7838 6316131718171619 TGM 1 74 0 33 20 5 10 35 21 05 34 80 18 黑色土原状土超细水泥普通水泥 + 水玻璃TGM( 加固)1 621 641 651 670 410 40 380 3826 725 825 521 668 326 8320 156 837 078 449 39 8123 8226 8232 3229 9020172016 TGM 1 64 0 39 23 5 12 15 9 05 26 98 20 过度土层超细水泥普通水泥 + 水玻璃TGM( 加固)TGM1 651 681 681 670 360 380 380 3723 522 622 822 723 8516 838 8110 2313 4513 8912 9013 7829 8532 8140 0535 2616191617通过试验结果分析表可以很清晰的看出，不同的注浆材料对于改善土体的指标效果不尽相同，但是各种注浆对地层改善都有一定的效果，说明在该土层注浆具有可注性，大体总结如下:( 1) 在注入不同材料的浆液以后，土体的内摩擦角变化差距较小，但粘聚力的差异较大。270石家庄铁道大学学报( 自然科学版)第 26 卷( 2) TGM( 加固) 水泥可以较好改善土体的密实程度，其加固效果和抗渗效果也很好。( 3) 普通水泥 + 水玻璃材料对于加固土层和增加土的压缩模量效果较 TGM 水泥性相比差距不大，但是对于改善土体的渗透性效果较 TGM 水泥要差，同时，超细水泥的改善效果好于普通水泥。( 4) 单纯注入改性水玻璃浆液，对于土体的抗渗能力有较大改善，但是对于加固土体来说效果不好，因此，其综合性较其它浆液差。4粉质黏土注浆特性分析从这次注浆试验结果看，在粉质黏土地层中注浆，浆液进入地层的方式以及改善地层的性能的机理，与砂质地层、松散颗粒结构地层是不同的，粉质黏土地层中土颗粒很小，渗透系数在 10 cm 4 / s 级以下，因此，浆液靠渗透机理是无法渗入地层的，浆液都是在压力的作用下，以劈裂挤密的形式进入地层，形成支条状的浆脉，在地层中硬化，这次试验也证实了这种现象。下面对本次注浆试验作详细分析。4 1粉质黏土地层注浆机理现场注浆试验过程中记录了注浆压力和注浆时间，各种浆液配方的其 P-t 图线基本一致如图 1 所示。根据图 1 分析粉质黏土地层 注浆机理为劈裂挤密 注浆，其机理大致可以分为以下 3 个阶段:( 1) 鼓泡压密阶段。浆液进入土体形成浆泡并向外扩张，使浆 泡 在 土体中引起复杂的径向和切向应力变 化，紧靠浆泡处的土体受到严重的破坏和剪切，形 成 塑性变形区，使 土 体 挤 密。刚 开 始 注 浆，浆液所具备的能 图 1 P-t 曲线量不大，不能劈裂地层，浆液聚集在注浆管孔附近，形成椭球形泡体挤压土体，其压力曲线正如上图所示，曲线的初始部分吃浆量少，而压力增长快，说明土体尚未裂开，曲线中的第一个峰值压力即为启裂压力。启裂压力前的曲线段称为鼓泡压密阶段( 与压密注浆相似) 。( 2) 劈裂阶段。浆液在注浆压力作用下，先后克服地层的初始应力和抗拉强度，使其沿垂直于小主应 力的平面上发生劈裂，浆液由此进入，挤密土体，并与土体发生物理和化学作用，形成复合土体的浆脉。( 3) 被动土压力阶段。通过前两阶段的作用，土体得到初步加固，土中的软弱面，孔隙及裂隙都被填 充满，此时浆液在较高压力作用下，克服土的被动土压力，挤密土体使其固结，同时浆脉周围的土体也被 压密，最终形成了以浆脉网络为骨架的复合土体。注入地层的浆液最初是聚集在注浆口附近，沿注浆管 形成直径粗细相间的不规则柱体。当注浆压力达到一定程度，浆液就沿地层的结构面产生劈裂流动。浆液劈裂流动方向总是发生在阻力最小的应力面上，由于正常固结土和欠固结土地基的小主应力是水平向 的，因此初始劈裂主要是沿水平方向发展; 随着灌浆压力增大，则水平应力逐渐转化为被动土压力状态， 这时最大主应力基本呈水平向的，劈裂开始向竖直方向发展。浆液凝固后从整体上加强了土体，增加了 土体的抗剪强度。裂缝发展到一定程度，注浆压力又重新上升，地层中大小主应力方向发生变化，水平向主应力转化为 被动土压力状态( 即水平主应力为最大主应力) ，这时需要有更大的注浆压力才能使土中裂缝加宽或产生 新的裂缝，出现第二个压力峰值。被动土压力阶段是劈裂注浆加固土地基的关键阶段，垂直劈裂后大量注浆，使小主应力有所增加，缩 小了大小主应力间的差别，提高了土体稳定性。4 2粉质黏土地层注浆可行性分析根据所进行的室内试验和现场试验认为，在此类地层注浆能够注入，对地层条件有所改善，通过注浆 这种手段来配合隧道的掘进是可 行 的，但注浆加固效果有限，浆液注入仍有一定难度，难以达到预期效 果，因此注浆不能作为单一的措施使用，在掘进中应采用多种综合措施，及时封闭、支护锚杆、格栅、钢拱、 及时衬砌等方能确保工程的顺利进行。通过试验研究，得出如下主要结论:( 1) 粉质黏土地层通过注浆方法加固地层是可行的，加固机理以劈裂、挤压地层为主。增刊徐恒国: 粉质黏土注浆试验研究271( 2) 虽然注浆对地层能有一定的加固效果，但土体稳定性提高的幅度不大，注浆后土层的持久性不是很好; 所以，注浆加固手段可以使用，但必须结合其它手段综合使用。( 3) 注浆材料的选择不一定过细，但要强调早强，因此材料首推 TGM 特种灌浆材料，其次是普通水 泥，再其次是超细水泥，而水玻璃不适宜。( 4) 注浆工艺上压力应适中，不宜过高，施工时一定要短进尺。4 3粉质黏土地层注浆材料、工艺、参数建议综上所述，在粉质黏土地层的注浆，有一定难度，其工艺和材料都具特殊性。首先，工艺上宜采用中压、短进尺、孔间距不宜过大注浆较为有利，其原因是此类地层自稳能力较差，需在短时间内及时支护，故不宜进行长臂注浆，而应以短管注浆，开挖时预留止浆段，此外，中压注入也是考虑到地层的适应能力而 提出的，从现场试验也证实了这一点，压力过大时，容易形成跑浆、串浆、劈裂纹脉细长且不均匀。只要材 料选择得适当，压力无须过高，同样可以注入; 而注浆压力过高则有可能造成对土体的扰动，使地层结构 破坏，形成新的渗水通道。当采用中压注浆时对地层的推动力不大，不会严重跑浆，当注浆量达到预计范 围后即可停止注浆，从堵水加固来讲，采用上述方法应该更加有利。其次是关于材料的选择，材料不仅可 注性要好，还要有一定的早期强度。通过现场试验和室内试验后认为: 所选择的几种注浆材料中以 TGM 特种灌浆材料为首选，其次是普通水泥，最后可选超细水泥。由于此类地层的特殊性，