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水泥快凝砂浆渗透的灌浆加固机理及试验研究

王洪波、张青松、刘仁泰、李树才、张乐文、刘亚南、桂大庄

山东大学岩土工程研究中心，山东济南，中国

摘要：根据水泥的砂处理，单一液体渗透剂的补强效果差，并且存在快速凝固浆体劈裂灌浆以控制地面变形的问题。对于C-S灌浆加固的研究，应掌握因素与加固的物理力学性能之间的定量关系。选择水泥水玻璃快凝浆料。通过使用不同的注入介质有效直径和不同的注浆压力条件，进行砂浆注浆试验。灌浆加固石体单轴抗压强度与渗透系数变化规律研究。通过分析质粒大小，灌浆压力和扩散距离的影响。揭示了C-S灌浆灌浆的加固因素以及不同物理力学指标的加固机理，并通过回归分析得出了两者之间的定量关系，并利用PFC数值计算，探讨了灌浆加固的机理。提出了水泥基速凝注浆的有效扩散范围。给出了确定注浆加固参数的方法，并将结果成功应用于青岛地铁。研究结果对渗透灌浆加固机理的发展和改进具有一定的参考意义。

介绍

随着中国城市地下工程的快速发展，穿过第四纪砂层的隧道容易倒塌的问题严重阻碍了施工过程。由于客观条件的复杂性，这座城市对地表和管道的隆起有很高的要求。由于岩石介质的复杂性，其渗透或劈裂灌浆加固方式直接影响加固效果和地表抬升的控制状况。在保证灌浆效果的前提下，如何通过渗透灌浆控制泥浆的扩散范围并防止地面和管道的；隆起是灌浆工程领域的一项全球性技术难题。

国外研究人员较早进行了相关研究。前苏联学者在无水条件下选择化学浆液在多孔介质中进行大量渗透灌浆试验。通过将化学泥浆注入不同等级的砂中，他研究了灌浆参数，泥浆扩散与砂性能之间的相关性。Z.ssda，J.Canou忽略了地应力的影响，并根据土壤的框架作用和多孔介质的渗透作用对渗透灌浆模拟进行了研究。他们提出了一种考虑到多孔介质的渗流作用的渗透理论模型，提出了一种新的可预测的注入公式，并表达了灌浆压力，砂级和水灰比之间的关系。

一些中国学者通过模拟试验研究了渗透灌浆中泥浆的扩散规律，并获得了灌浆参数之间的相关性。东北大学通过开槽反椭圆圆柱试验台研究了多孔介质渗透注浆过程中压力的分布规律和扩散规律，并得出结论，随着扩散距离的增加，泥浆压力逐渐衰减。杨平开展了砂卵石地层注浆研究，提出了砂浆扩散半径，结石固结强度，注浆参数与岩土特性之间的关系。钱自伟研究了弱水泥孔隙介质化学浆液充填与渗透的基本规律。研究了灌浆前后不同有效粒径和细度模量的渗透系数，孔隙率和抗压强度的变化规律。以上研究促进了注浆加固理论和工程实践的发展，指出了注浆扩散和处理在多孔介质形成中的规律，但对注浆加固机理的探索主要是定性研究，较少涉及到注浆因素，反之亦然。机械性能。不涉及不同灌浆因素之间的固结强化规律。渗透性灌浆所用的灌浆材料主要由单一水泥浆或化学浆组成，与速凝灌浆的渗透灌浆加固无关。

本文以水泥-硅酸钠浆为研究对象，提出了一种速凝浆法。在注浆加固试验的基础上，分析了水泥-硅酸钠注浆前后注砂层的参数。将砂层的单轴抗压强度和渗透系数与其有效直径，灌浆压力和扩散距离进行了比较。通过研究这三个因素对砂层加固参数的影响，揭示了应力集中对不同力学指标的作用机理。通过使用离散元PFC数值模拟，可以深入揭示注浆加固机制。提出了水泥硅酸钠灌浆入渗灌浆加固的有效范围，并给出了水泥硅酸钠灌浆入渗灌浆加固参数的确定方法，为研究水泥硅酸钠灌浆入渗加固机理提供了基础。统一的理论框架，并提供创新的理论指导，以防止渗透灌浆引起地表和管道剧增。

测试方案

通过两个注浆控制因素（注入介质的有效直径和注浆压力）进行水泥-硅酸钠浆料渗透注浆的注浆试验。沿着从灌浆孔位置开始的扩散方向（称为扩散距离）分割岩心，分别测量了单轴抗压强度和渗透系数。进行了水泥硅酸钠泥浆渗透灌浆加固的机理和定量分析。

• 1. 测试材料

现场测试的基本材料如下：

• • 1. 水泥

使用青岛中联水泥有限公司生产的P.O.42.5水泥，符合“普通硅酸盐水泥（GB175-2007）标准。

• • 1. 硅酸钠

硅酸钠是可商购的模数M=3.0的硅酸钠，硅酸钠的波美度为38°Beacute;，密度为1.37g / cm3。

水泥浆初始凝固时间的确定：CS水泥浆是速凝水泥基灌浆材料，初始凝固时间通过滴针法确定，测量仪器是水泥水泥最终凝固时间测试仪和温度变化固化箱。试验水灰浆的比例为1：1，室温为20℃。确定初始凝固时间后，将水泥和硅酸钠按比例倒入圆形模具中，并进行均匀搅拌。混合过程模拟了双液混合器在灌浆项目中的效果。当C-S浆料不再流动时，认为达到了初始凝固时间。 C-S浆料初始凝固时间的测试结果如图1所示。

图1 C-S浆料初始凝固时间

• 1. 设计水平的测试因素

水泥-硅酸钠泥浆在砂层中的渗透性主要受浆液性质，有效砂粒尺寸和灌浆压力三个因素控制。

1. 泥浆性质是影响砂层注浆效果的重要因素。在该实验中使用水泥-硅酸钠浆液，该浆液对

注浆效果的影响主要由其可注入性和凝固时间控制。但是，该测试是在可以注入介质和水泥-硅酸钠浆料的初始凝固的条件下进行的。根据可行性和初始凝固时间，测试选择了C-S比为2：1的速凝浆料。

1. 注入介质的有效粒径直接影响C-S泥浆的可注入性，在控制注浆距离和强度方面起着重要

作用。在这项研究中，将河砂过筛以得到具有不同粒径的介质。颗粒的平均直径分别0.6-0.85mm， 0.85-1.18mm，1.18-1.7mm和1.7-2.36mm。

表1 砂层粒径不同的参数

1. 灌浆压力与泥浆扩散能力密切相关，直接决定灌浆效果的优缺点。由于CS浆液必须为两

液灌浆，因此很难实现恒压灌浆。该测试使用恒流灌浆来研究灌浆最终压力对CS泥浆渗透灌浆效果的规律性。在测试中，注浆的最终压力分别为P=0.5MPa，P2=1MPa和P3=1.5MPa。

综上，为了研究水泥-硅酸钠泥浆渗透灌浆加固机理，实验设计了12组灌浆试验，试验设计如下：

表2 速凝泥浆渗透注浆加固设计试验等级

在测试期间，灌浆速率设置为3 L / min的恒定灌浆速率。

一维渗透灌浆模拟试验中的3C-S泥浆

为了研究水泥浆-硅酸钠浆在不同灌浆压力和有效有效砂径下的灌浆加固机理，设计了一维可视化渗透灌浆模拟实验装置。如图2和图3所示，测试设备由渗透注浆管，试验台，手动注浆泵，注浆记录仪和其他零件组成。

图2 测试单元图

图3 一维渗透注浆模拟试验系统

1. 注浆模拟试验

为了实现浆液扩散过程的可视化，可渗透注浆管由透明的有机玻璃管制成，垂直排列。浆料从有机玻璃管的底部进入，其长度为2m，内径为10cm。 渗透灌浆管填充有设计有效直径的沙子。 为了确保介质颗粒的注入过程不会由于灌浆的扩散而整体上移动，在渗透灌浆管的上，下侧均设有固定装置，该固定装置允许浆液进入和流出，但不允许通过介质颗粒。从而固定注入的介质，同时使用注浆记录仪控制注浆速率和注浆压力。

根据实验设计表，进行了渗透注浆加固测试，浆液扩散形态的注浆过程如图5所示。在此过程中，浆液从渗透注浆管的底部向上移动。从最终采样结果与注入介质和有机玻璃管壁的泥浆滞留情况比较，我们发现有机玻璃管壁前部的扩散泥浆是可渗透的灌浆，表明该灌浆过程与一维灌浆是一致的模型。

1. 采样位置和方法

模拟注浆测试后，将介质注入有机玻璃管中，并在3天后测试物理和机械参数。 取芯方法的具体步骤如下：

1. 灌浆后，将有机玻璃管分段。 距灌浆出口的截面长度分别为20cm，50cm，80cm和110cm；
2. 取取芯机取各段的芯。 岩心的位置在距水泥浆出口5至15cm处，为圆柱状的注浆和实心采样形状，长度为10cm，直径为5cm；
3. 通过相同的步骤2），分别从灌浆出口35-45cm，65-75cm和95-105cm的距离取芯。
4. 分别使用济南海维尔仪器有限公司生产的YA-2000B电动数显压力测试仪和岩石渗透分析仪分别测量注浆钢筋的单轴抗压强度和渗透系数。

图4 一维渗透灌浆模拟试验岩心位置

灌浆加固

• 1. 渗透灌浆加固单轴抗压强度分析

根据试验数据，在注入介质有效直径的条件下，单轴抗压强度与灌浆压力和灌浆增强材料扩散半径之间的关系如图5所示。

砂层的注浆和固化强度由加载的砂的骨架，间隙填充和介质的体积压缩来支撑，其特征在于单轴抗压强度。基于单一注浆因子对注浆石材单轴抗压强度的影响，水泥-硅酸钠浆液渗透注浆加固的单轴抗压强度影响在图5中得到了明显改善，表明水泥-硅酸钠泥浆可以与注入介质的砂层很好地胶合。水泥-硅酸钠浆液的注浆效果对砂土加固很显着，但是随着注浆压力和扩散距离的不同，注浆加固的效果也大不相同。总的趋势是，随着有效直径的增加，灌浆加固材料的单轴抗压强度增加，灌浆介质的灌浆压力随扩散距离的增加而减小。

1. 注入介质的有效直径为 0.74 mm
2. 注入介质的有效直径为 1.02 mm
3. 注入介质的有效直径为1.44mm
4. 注入介质的有效直径为2.03mm

图5 不同有效直径下注浆因子与强度的关系

• 1. 控制灌浆加固强度的因素分析

不同因素对注浆固体单轴抗压强度的影响是不同的。注浆参数的重点是注浆石的物理力学指标，也就是说，在相同的物理力学参数下，不同的注浆因子的影响是不同的。从图6中，我们可以看到灌浆系数与注入介质不同直径的强度之间的关系。

• • 1. 泥硅酸钠泥浆渗透注浆能显着提高砂的单轴抗压强度，强度的最明显衰减是扩散距离；
    2. 水泥硅酸钠灌浆注浆的单轴抗压强度和扩散距离表现出线性衰减的幅度，注水介质的注水压力和砂层有效直径也服从幂律。功能增长，但敏感性

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