黃河沖積粉土堤防工程劈裂注漿防滲加固技術(shù)研究

丁秋菊

(運(yùn)城市水利工程建設(shè)局有限公司，山西 運(yùn)城 044000)

黃河堤防作為我國(guó)最大的堤防工程，其安全運(yùn)營(yíng)十分重要，由于黃河堤防一般由黃河沖積土填而成，但黃河沖積土的工程性質(zhì)又較差，在運(yùn)行多年后，時(shí)常發(fā)生滲漏、管涌、散浸等險(xiǎn)情，給兩岸生產(chǎn)生活帶來極大的安全隱患，因此對(duì)于黃河兩岸沖積土堤防的防滲加固是關(guān)鍵工作[1]。

對(duì)于堤防工程而言，一般采用垂直防滲、水平防滲、排水減壓等諸多方式，但最常用的防滲加固方式仍為垂直方向的水泥基注漿加固技術(shù)[2-3]。由于單水泥漿液凝固時(shí)間長(zhǎng)、易沉淀析水，易流失和浪費(fèi)，因此目前水泥-水玻璃為最常用的注漿材料，但是雙漿液也存在一些問題，如抗水蝕和抗?jié)B的能力較差等，故有必要根據(jù)注漿加固對(duì)象土層的性質(zhì)，利用一定的手段來對(duì)水泥-水玻璃漿液進(jìn)行改性[4-5]。

本文根據(jù)黃河堤防工程沖積土的特殊性質(zhì)[6]，利用外摻粉煤灰和膨潤(rùn)土的方式對(duì)水泥-水玻璃漿液進(jìn)行改良，并開展了現(xiàn)場(chǎng)劈裂注漿試驗(yàn)，對(duì)注漿效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，以期能為類似工程地質(zhì)的堤防工程防滲加固提供借鑒。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

(1)試驗(yàn)土樣：取自黃河運(yùn)城段某堤防工程附近，距離河道中心約為500m，顆粒以<0.075mm的粒徑為主(0.002～0.074mm粒徑占比高達(dá)80%以上)，不均勻系數(shù)Cu=3.5，曲率系數(shù)Cc=1.5，液限為24.9，塑限為15.5，塑限指數(shù)為9.4，粘聚力為10.8kPa，內(nèi)摩擦角為23.7。，平均滲透系數(shù)為5.4×10-5cm/s。根據(jù)GB/T 50145—2007《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》可知：試驗(yàn)土樣為級(jí)配不良的低液限低滲透性粉土。

(2)試驗(yàn)水泥：選用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，主要成分為CaO(62.5%)和SiO2(22.7%)，水玻璃的波美度為40。Be，模數(shù)為3.3，粉煤灰為Ⅱ級(jí)粉煤灰，主要成分為SiO2(54.7%)和Al2O3(28.1%)，膨潤(rùn)土吸水率420%(2h)、膨脹容為49ml/g、水分為9%、膠質(zhì)價(jià)630ml/15g、粒度(75μm干曬過篩率)為95%。

1.2 注漿材料配比方案設(shè)計(jì)

根據(jù)前人研究經(jīng)驗(yàn)[7-8]，在進(jìn)行注漿材料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，將水固比固定為1∶1，同時(shí)膨潤(rùn)土雖然可以改善漿液的穩(wěn)定性和流動(dòng)性，提高漿液的滲入能力，但摻量過高時(shí)會(huì)影響水泥漿液的水化反應(yīng)，降低結(jié)石體的強(qiáng)度和耐久性，因此將膨潤(rùn)土摻量固定為5%，水泥-水玻璃(C-S)體積比為1∶1、2∶1、3∶1和4∶1，粉煤灰摻量為20%、25%和30%，對(duì)應(yīng)的水泥摻量為75%、70%和65%。具體試驗(yàn)方案見表1。

表1 注漿材料配合比方案設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

(1)凝膠時(shí)間：利用倒杯試驗(yàn)法測(cè)試不同配合比方案下漿液的凝膠時(shí)間，得到C-S體積比和粉煤灰摻量對(duì)漿液凝膠時(shí)間的影響程度。

(2)強(qiáng)度特征：制作尺寸4cm×4cm×16cm的棱柱體和10cm×10cm×10cm的正方體試件，并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28d，然后利用萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 凝膠時(shí)間

不同配合比方案下漿液的凝膠時(shí)間變化規(guī)律如圖1所示。從圖1中可知：當(dāng)粉煤灰和膨潤(rùn)土摻量一定時(shí)，隨著水泥-水玻璃(C-S)體積比的增大，凝膠時(shí)間逐漸縮短，相同C-S體積比下，粉煤灰摻量越高，凝膠時(shí)間越長(zhǎng)，這是因?yàn)闈{液的凝膠時(shí)間與水泥的產(chǎn)量有關(guān)，從而影響水灰比的大小，當(dāng)C-S體積減小或者粉煤灰摻量增大后，相當(dāng)于水灰比增大，同時(shí)摻入的膨潤(rùn)土也會(huì)影響水泥的水化反應(yīng)，從而使?jié){液的凝膠時(shí)間延長(zhǎng)。

圖1 不同配合比方案下凝膠時(shí)間曲線

2.2 抗折強(qiáng)度

不同配合比方案下漿液的抗折強(qiáng)度變化規(guī)律如圖2所示。從圖2中可知：當(dāng)粉煤灰和膨潤(rùn)土摻量一定時(shí)，隨著C-S體積比增大，結(jié)石體的抗折強(qiáng)度呈先增大后減小的變化特征，當(dāng)C-S體積比為2時(shí)，結(jié)石體試件的抗折強(qiáng)度最大，這是因?yàn)樗鄵搅吭黾雍?，水化反?yīng)越充分，生成的C-S-H膠凝物質(zhì)更能起到填充和膠結(jié)作用，但是，當(dāng)摻量超過一定值后，由于水泥摻量過剩，反而導(dǎo)致部分未水化的水泥顆粒在試件中形成薄弱面，影響力學(xué)性能；相同C-S體積比時(shí)，隨著粉煤灰摻量增加，試件的抗折強(qiáng)度也是呈先增大后減小的變化特征，當(dāng)粉煤灰摻量為25%時(shí)，抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值。

圖2 不同配合比方案下抗折強(qiáng)度曲線

2.3 抗壓強(qiáng)度

不同配合比方案下漿液的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律如圖3所示。從圖3中可知：相同粉煤灰和膨潤(rùn)土摻量下，隨著C-S體積比的增大，結(jié)石體試件的抗壓強(qiáng)度也是呈先增大后減小的變化特征，當(dāng)C-S體積比為3時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，但是C-S體積比為2～4時(shí)，抗壓強(qiáng)度相差并不大；相同C-S體積比下，粉煤灰摻量越高，抗壓強(qiáng)度越小；C-S體積比增大，意味著水玻璃含量減小，當(dāng)C-S體積比超過一定值后，會(huì)導(dǎo)致Ca(OH)2無法進(jìn)行充分反應(yīng)，因而強(qiáng)度降低，當(dāng)粉煤灰摻加時(shí)，意味著水泥含量降低，水化反應(yīng)不充分，因而強(qiáng)度也會(huì)降低。

圖3 不同配合比方案下抗壓強(qiáng)度曲線

2.4 討論

綜合結(jié)石體凝膠時(shí)間、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度等試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為當(dāng)水泥摻量為70%，粉煤灰摻量為25%以及膨潤(rùn)土摻量為5%，C-S體積比為2∶1時(shí)，固結(jié)體的綜合性能最佳，決定在現(xiàn)場(chǎng)以此配合比作為施工配合比。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 注漿參數(shù)

在注漿施工過程中，漿液的擴(kuò)散半徑與漿液性質(zhì)、注漿壓力、注漿時(shí)長(zhǎng)等因素有關(guān)，為了在最經(jīng)濟(jì)的前提下達(dá)到最好的注漿效果，需要對(duì)注漿參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此在現(xiàn)場(chǎng)開展了注漿試驗(yàn)。注漿孔距：在砂性土層中，劈裂注漿的孔距一般取0.8～1.2m，在粘性土層中，劈裂注漿的注漿孔距一般取1～2m，采用“一字型”變孔距方式來進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，孔間距分別為0.8、1、1.2、1.4m，如圖4所示。注漿壓力：起劈壓力為60kPa，最大劈裂注漿壓力≤150kPa，單孔注漿量控制在0.3～0.4m3。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)注漿孔布置示意

3.2 機(jī)械設(shè)備

鉆孔采用汽車鉆，注漿設(shè)備為高壓注漿泵，注漿花管的長(zhǎng)度為3m，直徑為48mm，注漿花管一端的孔間距為40cm，另外一端孔間距為20cm。

3.3 注漿試驗(yàn)過程

注漿試驗(yàn)過程示意如圖5所示。①注漿場(chǎng)地準(zhǔn)備：在試驗(yàn)場(chǎng)地周圍挖長(zhǎng)度為8.4m、寬度為5m、深度為0.1m的正方體注漿槽，并往槽中澆筑C25混凝土，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7d；②放線定孔位以及鉆孔：利用汽車鉆進(jìn)行鉆孔施工，開孔、終孔直徑分別為15、11cm，鉆孔深度為3m；③按照試驗(yàn)5組的配合比方案配制漿液，漿液配制完成后進(jìn)行過濾，以防止粗顆粒堵塞注漿導(dǎo)管；④安設(shè)孔口管，并用常規(guī)C-S漿液填充膜袋的以上部分；⑤注漿：采用跳注法進(jìn)行注漿施工，向1、5號(hào)孔注漿，然后2、4號(hào)孔注漿，最后3號(hào)孔注漿。

圖5 注漿試驗(yàn)過程

3.4 效果評(píng)價(jià)

在注漿過程中，1號(hào)孔的注漿量?jī)H為160L，其余孔均在300～360L，單孔注漿量不滿足設(shè)計(jì)要求，故對(duì)2～5號(hào)孔進(jìn)行了開挖勘探，主要對(duì)漿脈厚度進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，3號(hào)孔的漿脈平均深度最大(注漿間距為1.2m時(shí)注漿效果最好)，達(dá)到5.8cm，平局滲透系數(shù)僅為4.4×10-6cm/s，小于1×10-5cm/s，表明利用粉煤灰和膨潤(rùn)土改性水泥-水玻璃雙漿液形成的結(jié)石體滿足堤防工程的防滲加固要求。3號(hào)孔注漿脈檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 3號(hào)孔注漿脈檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語

黃河沖積粉土屬于級(jí)配不良的低液限低滲透性粉土，利用水泥-水玻璃雙漿液防滲加固時(shí)，存在抗水蝕和抗?jié)B能力差的問題，故對(duì)其進(jìn)行正交改性試驗(yàn)。結(jié)果表明：當(dāng)水泥:粉煤灰:膨潤(rùn)土=14∶5∶1、C-S體積比為2∶1時(shí)，改良漿液和固結(jié)體的綜合性能最好；在現(xiàn)場(chǎng)注漿過程中，應(yīng)根據(jù)地層情況設(shè)計(jì)好注漿壓力、注漿量等參數(shù)，同時(shí)注漿孔距不宜過小或者過大，否則單孔注漿量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，亦或是漿液不能完全擴(kuò)散至周圍土體，當(dāng)注漿孔間距為1.2m時(shí)防滲加固效果最好。限于研究精力，本文僅對(duì)復(fù)合水泥-水玻璃漿液的注漿效果進(jìn)行了研究，關(guān)于其它漿材的注漿效果還需在今后做進(jìn)一步補(bǔ)充。