基于黃土地區(qū)大壩基礎(chǔ)防滲處理的劈裂注漿技術(shù)研究

崔汝靜

（云南昭通市昭魯大型灌區(qū)管理局,云南 昭通 657000）

1 引言

西北地區(qū)分布這大面積的黃土,黃土的濕陷性是最大的特點(diǎn)之一,而引起黃土濕陷性的原因是黃土具有多孔性、垂直節(jié)理發(fā)育等特征,該結(jié)構(gòu)組成會(huì)造成黃土遇水后將其疏松的土粒聚集,而黃土的組成主要由粉粒和親水性較弱的礦物成分所構(gòu)成,由于黃土長(zhǎng)期處于半干旱和干旱的氣候中,使得黃土中水分蒸發(fā),致使黃土中含水量比較小；而黃土中具有粘粒的強(qiáng)結(jié)合水連接和鹽類(lèi)成分膠結(jié)連接,在比較干燥的環(huán)境中,黃土承擔(dān)一定的承載力之后變形不是很大。但是,當(dāng)黃土遇水遭到浸濕之后,土粒之間的連接明顯發(fā)生減弱以及黃土中的結(jié)合水膜加厚,由于結(jié)合水膜分布在顆粒間,導(dǎo)致結(jié)合水的連接作用減弱甚至?xí)?而可溶性的鹽類(lèi)成分也會(huì)溶于水中,以上原因會(huì)導(dǎo)致黃土的主體骨架結(jié)構(gòu)的承載能力減弱,在上層覆蓋土的自重壓力及外部附加壓力作用下,主體結(jié)構(gòu)遭到破壞,土顆粒向大孔隙滑動(dòng),黃土的承載力減小,從而黃土出現(xiàn)大面積濕陷[1-2]。

2 大壩加固技術(shù)

目前工程上常用的加固技術(shù)有很多,前人也進(jìn)行比較深入的研究。本世紀(jì)初,廉翔[3]基于七一水庫(kù)大壩工程實(shí)例,通過(guò)研究高噴注漿防滲墻的具體設(shè)計(jì)和施工要求,給高噴注漿技術(shù)的工程應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。楊亞新[4]結(jié)合具體工程案例,對(duì)大壩壩基滲漏的原因進(jìn)行了分析,并給出了具體的防滲加固方案,給工程實(shí)踐提供了參考范例。尚海濤[5]等在分析宮山嘴水庫(kù)大壩質(zhì)量問(wèn)題的基礎(chǔ)上,給出了高壓定噴灌漿方案,并通過(guò)注水試驗(yàn),驗(yàn)證了施工效果。李焱華等[6]研究了特殊地質(zhì)、氣候條件下高壓擺噴灌漿技術(shù)的工程應(yīng)用,通過(guò)工程設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化,以及具體的施工要求,得出高壓擺噴灌漿技術(shù)在高原地區(qū)應(yīng)用技術(shù)可行、效果顯著。王欣榮[7]分析了化學(xué)灌漿技術(shù)在大壩基礎(chǔ)處理中的應(yīng)用,研究了不同化學(xué)灌漿材料和新型化學(xué)灌漿技術(shù),得出化學(xué)灌漿技術(shù)在大壩基礎(chǔ)的防滲加固中是安全可靠的。黃觀幸對(duì)高壓噴射注漿在防止大壩滲流中的應(yīng)用進(jìn)行研究,通過(guò)高壓噴射注漿技術(shù)形成的防滲墻能夠有效防止大壩滲流。周文帥等[8]通過(guò)試驗(yàn)研究了土釘支護(hù)技術(shù)加固河道邊坡的應(yīng)用,通過(guò)設(shè)置不同的土釘間距以及不同的坡度條件展開(kāi)試驗(yàn),最后得出在下相同坡度條件下,隨著孔徑的減小,邊坡最大土壤流失量也在減小。

綜合以上可以發(fā)現(xiàn),前人對(duì)灌漿技術(shù)的研究大多集中在方案設(shè)計(jì)和施工技術(shù)等方面,對(duì)于具體的注漿機(jī)理,不同注漿參數(shù)對(duì)注漿加固效果的影響等方面的研究尚有欠缺。

3 注漿試驗(yàn)

3.1 場(chǎng)地概況

地質(zhì)勘查報(bào)告,試驗(yàn)場(chǎng)地地基土分層分別為：素填土（Q4ml）,平均厚度約2.56 m；黃土狀粉土（Q4al+pl）,平均厚度約6.37 m；馬蘭黃土（Q3eol）,平均厚度約24 m；圓礫（Q3al+pl）,平均厚度約4.5 m。經(jīng)評(píng)價(jià),該地基土為Ⅳ級(jí)嚴(yán)重自重濕陷性類(lèi)型[9-10]。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)場(chǎng)地分3 組打注漿孔,每組6 個(gè)注漿孔,孔距80 cm,孔位按等邊三角形布置,見(jiàn)圖1 。

圖1 注漿孔位布置圖

注漿所用漿液為P.O42.5純水泥凈漿,注漿量Q的計(jì)算方法如下所示：

式中：Q1為樁芯所需注漿量,m3；Q2為單個(gè)支脈所需注漿量,m3；c1為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),可取1.1～1.3,所需復(fù)合地基承載力高時(shí),取較大值,d為樁徑,m；l為樁長(zhǎng),m；n為支脈個(gè)數(shù),c2為漿液擴(kuò)散系數(shù)取1.5,V為單個(gè)支脈體積,m3。

計(jì)算注漿量時(shí),為了計(jì)算方便,將支脈簡(jiǎn)化為長(zhǎng)、寬、厚均勻的薄板狀形態(tài)。

1.在日常生活中引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)與感受。兒童的生活經(jīng)歷是“作文”的源泉，雖然學(xué)生并不缺少生活，但很多孩子不善于感受生活。因此教師應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生仔細(xì)觀察，用心感受的能力，讓他們感悟生活的豐富多彩、生活的色彩斑斕，明白作文來(lái)源于生活的道理，逐漸養(yǎng)成觀察生活、感悟生活的習(xí)慣。

每組注漿孔所用注漿漿液配比不同,分別為：第一組,注漿漿液水灰比1.2,第二組,注漿漿液水灰比為1.0,第三組,注漿漿液水灰比為0.7。注漿過(guò)程分為全段劈裂注漿和分層劈裂注漿兩步進(jìn)行,為了避免在注漿過(guò)程中相鄰兩注漿孔相互影響,需要進(jìn)行隔孔注漿。首先進(jìn)行注漿孔的鉆孔作業(yè),注漿孔孔徑11 cm,孔深10 m,鉆孔結(jié)束后,進(jìn)行注漿漿液的配制,然后開(kāi)始全段劈裂注漿,注漿管長(zhǎng)10 m,管壁開(kāi)噴漿孔。第1 組全段注漿完成后,鉆第二組注漿孔,配制第二組注漿漿液,進(jìn)行第二組全段注漿,依次進(jìn)行。

3.3 注漿參數(shù)分析

在注漿過(guò)程中,記錄好每次注漿的注漿壓力（P）、注漿量（Q）、隨注漿時(shí)間（t）的變化數(shù)據(jù),注漿結(jié)束后,每組挑選兩個(gè)最具代表性的注漿孔的注漿參數(shù)進(jìn)行分析。第一組1號(hào)孔和5號(hào)孔全段劈裂注漿的注漿壓力（P）、注漿量（Q）隨時(shí)間（t）額變化情況見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 1號(hào)孔P-Q-t變化曲線

圖3 5號(hào)孔P-Q-t變化曲線

由圖2、3可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)注漿漿液水灰比為1.2 時(shí),兩個(gè)注漿孔的注漿上壓時(shí)間分別為98 s和95 s,此后壓力不斷增大,分別在第275 s和270 s達(dá)到最大值,1號(hào)孔注漿壓力最大值為0.63 MPa,5 號(hào)孔注漿壓力最大值為0.65 MPa,可見(jiàn)對(duì)于同一水灰比的漿液,同一地點(diǎn)注漿時(shí),注漿上壓時(shí)間、壓力達(dá)到最大值的時(shí)間以及最大注漿壓力相差不大,具有參考價(jià)值。

第二組注漿漿液水灰比為1.0,注漿完成后,選擇最具代表性的2-2 和2-5 號(hào)孔的注漿參數(shù),繪制其P-Q-t變化曲線見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 2-2號(hào)孔P-Q-t變化曲線

圖5 2-5號(hào)孔P-Q-t變化曲線

由圖3、圖4可以看出,當(dāng)注漿漿液水灰比為1.0時(shí),兩個(gè)注漿孔的注漿上壓時(shí)間分別為82 s、79 s,此后壓力不斷增大,分別在第220 s和218 s達(dá)到最大值,注漿壓力最大值分別為0.53 MPa和0.49 MPa,可見(jiàn)兩個(gè)注漿孔的注漿參數(shù)差別不大,并且與水灰比為0.7 的注漿參數(shù)相比,注漿上壓時(shí)間和最大注漿壓力均有所減小,但是同一時(shí)間段內(nèi)的漿液用量有所增加。

第三組注漿漿液水灰比為1.2,注漿完成后,選擇最具代表性的3-3 和3-6 號(hào)孔的注漿參數(shù)繪制其P-Q-t變化曲線見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 3-3號(hào)孔P-Q-t變化曲線

圖7 3-6號(hào)孔P-Q-t變化曲線

由圖5、圖6可以得出,當(dāng)注漿漿液水灰比為0.7 時(shí),兩個(gè)注漿孔的注漿上壓時(shí)間分別為58 s和61 s,此后壓力不斷增大,分別在第150 s和152 s達(dá)到最大值,注漿壓力的最大值分別為0.47 MPa和0.45 MPa,兩個(gè)注漿孔的注漿參數(shù)差別不大,并且與水灰比為1.0 的注漿參數(shù)相比,注漿上壓時(shí)間和最大注漿壓力也均有所減小,而相同時(shí)間段內(nèi)的漿液用量在3種水灰比中為最大。

3.4 漿液擴(kuò)散規(guī)律分析

試驗(yàn)所用注漿漿液為P.O42.5水泥凈漿,水泥漿為賓漢流體,屬非牛頓流體的一種,以漿液微圓柱體為研究對(duì)象,設(shè)土體劈裂裂縫寬度為,微圓柱體梁端的壓力分別為f和f+ df,則此段微圓柱體的壓力差為 df,微圓柱體表面所受剪應(yīng)力為,則有[11]：

式中：b為漿液粘度；τs為漿液的剪切屈服強(qiáng)度；v為漿液的剪切速率,

設(shè)漿液微圓柱體高度為h0,對(duì)h0≤h≤0.5l或-0.5l≤h≤-h0區(qū)域內(nèi),認(rèn)為漿液流速分布為拋物線形狀,見(jiàn)圖8。

圖8 注漿漿液流速分布

對(duì)（6）式沿按邊界條件z=0.5l、v=0的邊界條件沿方向積分,則有：

由于在-h0≤h≤h0區(qū)域內(nèi),注漿漿液不受剪應(yīng)力作用,于是：

對(duì)劈裂面進(jìn)行積分,則可得漿液的平均流速方程為：

土體劈裂所形成的的劈裂通道假定為橢圓形,其方程為：

其中,a為橢圓的長(zhǎng)軸,即為漿液所擴(kuò)散的最大長(zhǎng)度,則a=a（t）,t為注漿時(shí)間,b為橢圓的短軸,,則土體劈裂時(shí)所形成的的劈裂通道的寬度為：

其中,E為黃土的彈性模量,K為裂縫斷開(kāi)時(shí)的韌度,由于土體劈裂裂縫通道的體積和流入漿液的體積相等,則有：

其中, q為漿液流速, t為時(shí)間,聯(lián)立式（11）、（12）可得漿液擴(kuò)散距離為：

劈裂裂縫末端的擴(kuò)散速率則為：

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)不同漿液水灰比下的三組注漿試驗(yàn),分別得到了漿液水灰比在1.2、1.0、0.7時(shí)的注漿壓力、注漿量和注漿時(shí)間之間的變化關(guān)系,通過(guò)繪制P-Q-t變化曲線圖并進(jìn)行分析,最終得出以下結(jié)論：

（1）隨著注漿漿液水灰比不斷減小,注漿上壓時(shí)間、最大注漿壓力和達(dá)到最大注漿壓力所用的時(shí)間均隨之減小,可見(jiàn)在漿液水灰比越小,漿液越稀的情況下,注漿壓力增加的越快,所需的最大注漿壓力也越小,即漿液水灰比越小,越容易將土體劈裂。

（2）隨著注漿漿液水灰比的不斷減小,同一時(shí)段內(nèi)的注漿量越大,說(shuō)明在漿液越稀的情況下,漿液在土體中的滲透作用越強(qiáng)。此時(shí),漿液不僅會(huì)對(duì)土體進(jìn)行劈裂,而且會(huì)隨著劈裂裂縫不斷滲透、擴(kuò)散,因此,在這種情況下,注漿擴(kuò)散半徑也會(huì)越大。

（3）在實(shí)際工程中,注漿壓力與注漿漿液水灰比息息相關(guān)。當(dāng)漿液水灰比較大時(shí),注漿壓力較小,漿液無(wú)法對(duì)土體進(jìn)行劈裂,不能填充擠壓土體,起到防滲加固的作用；當(dāng)漿液水灰比較小時(shí),注漿壓力較大,漿液對(duì)土體形成劈裂,但會(huì)隨著劈裂和滲透作用,擴(kuò)散半徑不斷增大,會(huì)造成大量的漿液消耗,同時(shí)所形成的結(jié)石體強(qiáng)度不高,加固效果不好。因此,選擇合適的漿液配比至關(guān)重要,從試驗(yàn)結(jié)果可知,漿液水灰比應(yīng)選擇1.0為宜。

（4）通過(guò)理論推導(dǎo),得出劈裂注漿漿液的擴(kuò)散距離和擴(kuò)散速率的表達(dá)式,明確了漿液擴(kuò)散距離和擴(kuò)散速率隨時(shí)間的變化規(guī)律,為工程實(shí)踐提供理論指導(dǎo)。