單裂隙注漿填充電阻演化規(guī)律的試驗(yàn)研究

王海龍，黨志琴，徐志強(qiáng)，劉 冬，齊文彬

（河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河北張家口 075000）

目前越來越多的隧道工程經(jīng)過斷層破碎帶，破碎帶中裂隙分布的廣泛性，對(duì)隧道施工影響很大。近50年來，有關(guān)漿液在裂隙中的填充已經(jīng)成為隧道工程的一個(gè)重要課題［1-3］。研究注漿填充理論的方法之一是室內(nèi)模擬試驗(yàn)。由于不可控制因素過多，試驗(yàn)結(jié)果離散性較大，因此裂隙室內(nèi)注漿試驗(yàn)主要集中在單裂隙模擬試驗(yàn)上。

比較成功的是奧地利學(xué)者進(jìn)行的單裂隙模擬試驗(yàn)，用混凝土澆筑成2 m×1 m×1 m的模型，經(jīng)過特殊的劈裂形成裂隙，對(duì)其注漿，最終建立注漿流量、注漿壓力和擴(kuò)散距離三者之間的關(guān)系［4］。該模型采用混凝土制作，其吸水率跟實(shí)際差別很大，且忽略了現(xiàn)實(shí)中大多數(shù)不規(guī)則的裂隙，具有隨機(jī)性，可以用分形維數(shù)近似表示裂隙的幾何形態(tài)［5］。劉人太等［6］考慮動(dòng)水條件下，速凝漿液在單一裂隙中的擴(kuò)散模擬試驗(yàn)，分析了漿液擴(kuò)散形態(tài)、漿液壓力場變化規(guī)律及留存率等規(guī)律。李術(shù)才等［7］考慮漿液時(shí)變性，通過平板模擬試驗(yàn)，分析了定注漿流量條件下，水泥-水玻璃漿液的擴(kuò)散規(guī)律。孫子正等［8］通過單裂隙模擬試驗(yàn)，研究了靜水條件下，注漿壓力與擴(kuò)散分布規(guī)律。羅平平等［9］針對(duì)傾斜單裂隙進(jìn)行了研究。張改玲等［10］對(duì)化學(xué)漿液在單一裂隙中的擴(kuò)散進(jìn)行了研究，分析了堵水效果與動(dòng)水流速成負(fù)相關(guān)關(guān)系。而這些研究模型大多數(shù)采用平直、光滑、不透水的邊界條件，但是現(xiàn)實(shí)中隧道破碎帶注漿裂隙的特點(diǎn)是不規(guī)則、含雜質(zhì)、透水性很大。室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M過于理想化，難以對(duì)隧道斷層破碎帶注漿提供合理的指導(dǎo)。

斷裂層破碎帶多為沉積巖，含砂質(zhì)、填充物、吸水率大是其比較普遍的特點(diǎn)［11］。本文針對(duì)隧道斷層破碎帶粗糙、透水的邊界條件，采用黃砂巖制成單裂隙模擬材料與實(shí)際較為相符。以此研究注漿的填充規(guī)律，為隧道施工中破碎帶注漿提供一定的參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)原理

1）控制主要因素、忽略微小因素。沿長度方向?qū)瘟严蹲{，壓力因能量轉(zhuǎn)換，沿長度方向必然下降。而單裂隙是由黃砂巖試塊通過PVC（Polyvinyl chloride，聚氯乙烯）圓管鏈接而成，因PVC 管的光滑程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于劈開黃砂巖表面的光滑程度，并且黃砂巖裂隙表面滲透系數(shù)很大，而PVC 管幾乎無滲透。所以忽略PVC 管的壓力損失，單裂隙長度僅與黃砂巖試塊有關(guān)。

2）相似性原理。黃砂巖是沉積巖的一種，強(qiáng)度低，吸水率高。黃砂巖由細(xì)顆粒的砂子結(jié)交而成，自然表面是粗糙的細(xì)顆粒狀。內(nèi)部有許多孔洞，質(zhì)地疏松、孔洞容易積水、抗凍融性能和耐候性都較差，容易斷裂、破碎。因網(wǎng)絡(luò)裂隙過于復(fù)雜，研究注漿往往從單裂隙入手，而從實(shí)際斷層破碎帶中取單裂隙模型研究顯然不可能。為此，需要選取一種相對(duì)具有代表斷層破碎帶巖體性質(zhì)的巖石來進(jìn)行模擬試驗(yàn)。經(jīng)過對(duì)比分析，選取黃砂巖作為單裂隙模擬材料。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 單裂隙模型設(shè)計(jì)

單裂隙由12塊黃砂巖樣組成，每塊黃砂巖長度為12 cm，將黃砂巖用一定的方法制成相應(yīng)開度的裂隙，黃砂巖與黃砂巖之間采用直徑6 cm 的PVC 管連接。忽略連接管中的能量損失，單裂隙總長度為144 cm。裂隙入口布置壓力表，檢測初始注漿壓力，每隔24 cm布置壓力表，檢測沿裂隙長度方向壓力的變化，壓力表量程0.6 MPa；萬用表從第2 塊試塊開始布置，每隔24 cm 布置1 塊，檢測沿裂隙長度方向電阻的變化，萬用表量程為200 Ω 到200 MΩ。單裂隙試驗(yàn)設(shè)計(jì)模型如圖1所示。

圖1 單裂隙試驗(yàn)設(shè)計(jì)模型示意

試塊模型制作流程：①將黃砂巖用WHY-2000 壓力試驗(yàn)機(jī)劈開；②用AB 膠將墊片（100 mm×3 mm×3 mm）粘成試驗(yàn)裂隙要求的開度，放置30 min；③將2條同厚度的墊片用AB 膠粘在劈開的巖石上，墊片與墊片的距離為15 mm，放置30 min；④把另一塊巖石用AB 膠與其粘在一起，放置30 min；⑤注漿管及導(dǎo)線按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)安置在巖石裂隙端部，用封口膠對(duì)試塊進(jìn)行封邊，放置24 h。

組裝步驟：首先在亞格力板上均勻鋪設(shè)一定厚度的土；再將12 塊試塊鋪在土層上面，試塊與試塊之間需要安裝壓力表的用三通連接，不安裝壓力表的用二通連接；然后在試塊周圍覆一定厚度的土并壓實(shí)、壓平；最后用螺絲將模型上下兩側(cè)及四周進(jìn)行固定，組裝如圖2所示。

圖2 組裝示意

1.2.2 注漿試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

注漿試驗(yàn)裝置主要由注漿系統(tǒng)、擴(kuò)散檢測系統(tǒng)、裂隙系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)4部分構(gòu)成。注漿系統(tǒng)由注漿機(jī)和穩(wěn)壓管組成，注漿機(jī)最大注漿壓力為3.0 MPa；穩(wěn)壓管采用抗測壓20.0 MPa，直徑12 mm 的天然氣管。擴(kuò)散檢測系統(tǒng)主要由壓力表和萬用表組成。裂隙系統(tǒng)主要由12塊劈裂的黃砂巖構(gòu)成。排氣系統(tǒng)，主要是排氣閥部分，利于空氣的排放并防止?jié){液溢出。注漿試驗(yàn)裝置見圖3。

圖3 注漿試驗(yàn)裝置

1.2.3 注漿材料設(shè)計(jì)

試驗(yàn)注漿材料采用水灰比1∶1的水泥漿液。水泥為32.5R 的普通硅酸鹽水泥，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求，應(yīng)用范圍廣泛。根據(jù)文獻(xiàn)［12］水灰比1：1的水泥漿液為賓漢流體。

1.2.4 試驗(yàn)內(nèi)容

1）漿液電阻試驗(yàn)。在距離、體積、溫度、時(shí)間等相同條件下，測定固定容器中不同水灰比漿液的電阻。

2）注漿試驗(yàn)。調(diào)整注漿壓力，當(dāng)壓力穩(wěn)定到0.2 MPa時(shí)，打開注漿開關(guān)開始記錄不同時(shí)間的電阻和壓力。當(dāng)排氣閥有漿液流出時(shí)，關(guān)閉閥門。注漿過程中控制初始?jí)毫愣?。注漿3 min，數(shù)據(jù)監(jiān)測10 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 電阻與水灰比的關(guān)系

在同一組漿液電阻試驗(yàn)中，電阻隨時(shí)間的推移而增大；前期數(shù)值變化較快，注漿3 min 時(shí)數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定。其原因是漿液中顆粒的吸附與凝聚作用由快到慢，水泥沉積，水灰比變小，漿液變稠，離子數(shù)目減少，相應(yīng)的電阻變大。注漿3 min 后離子數(shù)目相對(duì)穩(wěn)定，電阻變化緩慢，所以采用注漿3 min 的電阻作為注漿試驗(yàn)的主要參考。

注漿3 min時(shí)不同水灰比水泥漿液電阻曲線見圖4?？芍?，隨著水灰比的增大，電阻逐漸變小。漿液的電阻與導(dǎo)線之間的距離、漿液體積、稠度等多個(gè)因素有關(guān)，盡管所測的電阻曲線不能說明某個(gè)水灰比漿液的具體電阻，但是同等條件下測量不同水灰比漿液的電阻曲線卻能說明電阻隨著水灰比的增大有減小的趨勢，即電阻與水灰比負(fù)相關(guān)，說明水灰比沿長度方向逐漸減小。同一組試驗(yàn)中，電阻隨時(shí)間的增加而不斷變大也進(jìn)一步證明了這個(gè)關(guān)系。

圖4 注漿3 min時(shí)不同水灰比水泥漿液電阻曲線

2.2 單裂隙填充電阻演化過程

通過萬用表檢測注漿60，180，300，420 s的電阻并繪制曲線，見圖5。

圖5 不同時(shí)間電阻隨位置的變化曲線

由圖5可知：注漿180 s 時(shí)電阻沿單裂隙長度方向先逐漸增大，由1 040 kΩ 增加到1 500 kΩ。在擴(kuò)散距離60 cm 處出現(xiàn)電阻最大值，說明此處水灰比最小，漿液最稠。隨后電阻沿著長度方向急劇下降，在擴(kuò)散距離70～90 cm 之間減幅很大，近似成直線型急劇減小，由1 500 kΩ 降低到80 kΩ，擴(kuò)散距離95 cm的位置出現(xiàn)電阻最小值，說明此處相應(yīng)的水灰比最大，漿液最稀。從擴(kuò)散距離100 cm 開始，電阻再次沿長度方向增大，但第2次電阻上升的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于第1次電阻上升的幅度，由80 kΩ 上升到720 kΩ，說明水灰比小幅度降低。注漿60，300，420 s時(shí)電阻曲線都有類似的規(guī)律。注漿過程中，水灰比的變化即漿液的稠度明顯與注漿位置有關(guān)。

綜上所述，從注漿起始位置到100 cm，電阻的大小關(guān)系為注漿60 s<注漿180 s<注漿300 s<注漿420 s。末端的電阻，大小關(guān)系不明確。原因是：測量電阻的導(dǎo)線布置在試塊底面；隨著時(shí)間的增加，水泥漿液持續(xù)沉積，底部的水灰比越來越小，所以檢測到的電阻隨著時(shí)間的增加越來越大。末端水灰比較大，水灰比變化的主要原因是黃砂巖的吸水作用，當(dāng)吸水飽和時(shí)，電阻變化相對(duì)較小?？傮w來說裂隙中漿液水灰比的變化與時(shí)間負(fù)相關(guān)。

2.3 裂隙填充截面飽和度分析

注漿結(jié)束后放置7 d，等水泥漿液硬化產(chǎn)生一定強(qiáng)度后，對(duì)模型中檢測電阻的黃砂巖試塊從中間切割，觀察裂隙截面填充效果。裂隙在長度18，42，66 cm 截面處填充效果較好，90，114，138 cm 截面處能明顯看到孔隙，其中90 cm 截面處空隙最大。沿?cái)U(kuò)散方向電阻檢測位置的裂隙斷面見圖6。

圖6 沿?cái)U(kuò)散方向電阻檢測位置的裂隙斷面圖

不同位置截面及孔隙面積見表1。截面飽和度=1-孔隙面積/截面面積。可知：截面飽和度的變化與距離有關(guān)，從起始位置到延長70 cm，截面飽和度逐漸升高，孔隙率較小，平均飽和度93.26%；從延長70 cm 到90 cm，截面飽和度急劇降低，飽和度降到63.78%，相對(duì)前段降低29.48%。從延長95 cm 到144 cm，飽和度緩慢增大，平均飽和度78.13%，相對(duì)首段降低15.13%。

表1 不同位置截面及孔隙面積

截面飽和度與檢測到的電阻數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致，電阻較大的位置裂隙注漿基本飽和，電阻較小的位置注漿飽和度較差，見圖7。

圖7 電阻與飽和度對(duì)比

2.4 注漿過程中水泥沉積規(guī)律的討論

根據(jù)流體力學(xué)理論，在注漿壓力、裂隙開度及漿液水灰比一定時(shí)，漿液在裂隙中流動(dòng)的速度與擴(kuò)散距離成反比。隨著漿液擴(kuò)散距離的增大，水泥漿液流速減小，水泥顆粒的動(dòng)能降低，導(dǎo)致水泥顆粒在某一位置必然發(fā)生沉積。在重力作用下，沉積速度增加，這是沉積發(fā)生的力學(xué)原因。水泥顆粒之間由于吸附、凝聚作用形成小團(tuán)體，加快了沉積過程，這是沉積發(fā)生的化學(xué)原因。裂隙模型由黃砂巖制成，黃砂巖吸水率很大，這是沉積發(fā)生的物理原因。注漿過程中，水泥顆粒不斷沉積，形成“脊背”［13］。裂隙的有效高度不斷被縮小，試驗(yàn)過程中，因注漿壓力保持不變，有效高度縮小后進(jìn)漿率減小，漿液的流動(dòng)速度隨之變小，導(dǎo)致在擴(kuò)散距離更近的位置形成“脊背”，隨著注漿的進(jìn)行，裂隙被逐漸填滿?！凹贡场贝蟠罂s小了裂隙的有效高度，但稀漿液會(huì)從脊背上部未被填充的空隙中流過，致使“脊背”后方漿液的水灰比很大，出現(xiàn)密實(shí)度急劇降低的填充段。稀漿液會(huì)繼續(xù)沿長度方向擴(kuò)散，稀漿液中的水部分被黃砂巖吸收，漿液水灰比再次變小，濃度逐漸變大，填充也逐漸密實(shí)，形成后一段的填充。此階段的填充密實(shí)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于第1階段的密實(shí)度，注漿充填過程示意見圖8。

圖8 注漿充填過程示意

3 結(jié)論

1）相同條件下，電阻隨水灰比的增大而減小，電阻與漿液水灰比反相關(guān)。

2）單裂隙注漿填充沿長度方向分填充密實(shí)階段、電阻急劇下降階段和電阻緩慢上升階段3個(gè)階段。實(shí)際工程中，填充密實(shí)階段是注漿擴(kuò)散加固范圍確定的依據(jù)。后2個(gè)階段，因密實(shí)度偏小，實(shí)際工程中可以將此忽略。

3）室內(nèi)注漿模擬試驗(yàn)中，用電阻檢測水灰比的變化是可行的，為注漿工程提供一種參考檢測手段。