砂砾石层水泥灌浆浆液扩散过程监测研究
王春，符平，赵卫全，邢占清
(中国水利水电科学研究院)
1 引言
砂砾石层在我国分布广泛，是工程中常见的复杂地基［1-3］，灌浆作为常用的防渗加固手段，在工程中有着广泛的应用，但在砂砾石层地基中由于灌浆理论严重滞后、过程不能有效控制、效果不能得到可靠保证，限制了灌浆的应用。随着砂砾石层地基越来越受到重视，灌浆理论的需求也愈发迫切，目前已成为限制灌浆技术进一步发展的主要因素，这其中最重要的是对浆液扩散机理认识不足，而缺少有效的监测方法或测试手段是造成这一原因的主要因素，这导致了借助流体力学和固体力学推导而来的灌浆理论无法有效验证，如Magg公式、柱状扩散公式等。许多学者进行了砂砾石层灌浆的室内试验［4-8］，葛家良（1997）等通过设计注浆模拟实验，发现影响扩散半径最显著的因素是注浆介质的吸水率，浆液性能次之，而注浆压力对浆液扩散半径影响相对较小；杨坪（2006）等通过砂卵（砾）石层的注浆试验，研究了注浆压力、注浆时间、浆液水灰比、地层渗透系数、孔隙度等因素对浆液的扩散半径、结石体抗压强度的影响关系，结果表明对浆液扩散半径影响最显著的因素是注浆压力；侯克鹏（2008）等通过对松散体的室内灌浆加固试验，发现影响灌浆量和浆液扩散半径的主次因素依次为浆液水灰比、灌浆压力和介质的析水率等。与裂隙灌浆室内试验不同，砂砾石层灌浆不能以可视的方式对扩散行为进行研究，所以以上试验均是在灌浆完成后对成型的结石体的分析，得到的都是些经验公式，而对浆液扩散过程及扩散机理的认识仍然缺乏；而现场试验受条件限制，多数未进行浆液扩散的范围测试，部分开挖后也由于地质条件复杂，开挖时破坏等，使得结果较为离散。若对砂砾石地基水泥灌浆浆液的扩散机理有更全面的认识，就必须对灌浆的扩散过程进行监测，了解不同浆液在一定压力扩散的时程特性，并进行大量试验。本文通过提高浆液的温度，利用浆液与地层的温度差，采用预埋温度传感器的方式测量浆液扩散过程，进一步研究砂砾石层灌浆浆液的扩散机理及灌浆理论，以期建立有效的灌浆理论，推动砂砾石层灌浆的发展。
2 方法可行性研究
本文提出的砂砾石层灌浆水泥浆扩散过程监测仅适用于室内试验研究。采用高温浆液进行水泥浆液的扩散过程监测，是采用热水拌和水泥浆液，拌和后浆液的温度不高于60℃，在配置好的砂砾石地层中预埋小尺寸的温度传感器，并确定其空间位置，当浆液达到传感器所在位置时，传感器将探测到浆液与砂砾石的温差并进行记录，从而达到监测浆液扩散时程的目标。在其可行性分析时需要考虑温度的影响、砂砾石层毛细作用的影响、砂砾石热传导的影响等，下面分别展开研究。
2.1 温度的影响
灌浆是浆液在压力的作用下向地层中扩散的过程，其中浆液的性能和地层的具体情况决定了灌浆的工艺和技术及效果。水泥浆在地层中的扩散与其特性有着密切的联系：首先水泥浆是典型的宾汉姆流体，与水等牛顿流体有着显著差别；其次水泥浆又是固液两相流，具有颗粒性；再次水泥浆液具有时变性，在不同时刻浆液的黏度等参数发生变化，且在不同的温度下也有差别。这些特点说明了水泥灌浆的复杂性。在不考虑可灌性的条件下，主要考虑浆液的时变性和温感性能，在灌浆中浆液的主要参数为初始屈服强度和黏度两个参数。因本方法主要是监测水泥浆液的扩散过程，即在可确定的初始屈服强度和黏度的情况下，能测定浆液扩散的时程曲线即可，对于高温水拌和的水泥浆的凝结性能及灌后结石体的性能则非本试验的关注点，可利用常规试验进行测定。表1、表2和图1、图2分别为0.6∶1水泥浆的流变参数。
表1 初始屈服强度随温度和时间的变化 单位：Pa
表2 黏度随温度和时间的变化 单位：Pa·s
续表
图1 水泥浆 （0.6∶1）初始屈服强度随温度和时间的变化曲线
图2 水泥浆 （0.6∶1）黏度随温度和时间的变化曲线
从上述结果可以看出，随着温度的升高，水泥浆的初始屈服强度和黏度均有增加，但在前45min内变化幅度不大，超过45min后明显增大；而室内试验从制浆到灌浆结束时间较短，一般不超过15min，因此，可采用高温浆液对砂砾石层灌浆浆液扩散过程进行监测。
2.2 毛细作用的影响
砂砾石层是多孔介质，当空隙达到一定程度时，或砂砾石层处于干燥的情况下，毛细作用就会显现出来。室内试验可能遇到上述情况，例如干燥的细砂地层。在高温的条件下，毛细作用会将浆液的温度传递到砂砾石层中，从而可能对监测结果产生影响。为考察毛细作用的影响，进行了高温水的毛细作用试验。试验中采用60℃的热水，在PVC管中装细砂，并在0cm、5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm处安装温度传感器。
试验表明：在温差45℃时，5cm处的干沙因毛细作用温度升高约80s，温度最高升高了15℃左右，其他点处的因毛细作用升高更慢，如10cm处温度开始升高在230s后，15cm处为410s。而灌浆浆液在压力的作用下，扩散速度远大于此速度，因此，从毛细作用的传播速度上看，毛细作用对高温浆液扩散时程的监测影响不大，毛细作用将被浆液的扩散作用掩盖。
2.3 砂砾石热传导的影响
对浆液扩散监测结果另一个可能产生影响的是砂砾石自身的热传导作用。浆液在扩散过程中与砂砾石不断交换热量，浆液的温度不断下降，而砂砾石的温度不断上升，两者温差越来越小，对监测不利，且由于热传导的特性，其作用范围为无穷远，即当存在温差时，砂砾石所有区域都存在热传导。因此，需要进行热传导的影响分析。根据热传导理论，本文采用差分法进行数值模拟，设在0cm处存在一稳定热源，温差为45℃。
试验表明，由于砂砾石的导热系数较小，20s左右时5cm处的砂砾石才有明显的升温，100s最大温升约14℃，其他点处的温升较小。因此，从砂砾石层由于热传导导致的温度变化较小，不影响浆液扩散的监测。
综上所述，利用高温浆液结合温度传感器的方法可以进行砂砾石灌浆浆液扩散过程的监测。
3 实例
采用均质细砂，粒径约1～2mm，浆液为0.8∶1，浆液温度为60℃，细砂装于φ32的PVC管中，每隔5cm安置一温度传感器，灌浆压力选用0.1MPa，数据采集频率为0.25s一次，试验装置见图3，数据结果见图4，图5是扩散距离与时间的拟合曲线。
图3 试验装置
图4 试验采集数据
从图4可以看出，浆液的扩散距离可以通过温度传感器的时程变化反应处理，由于采用均质细砂，高水灰比及静压灌注，所以表现为渗透注浆，从图7结果上看，浆液的扩散距离与时间的关系表现出明显的三次方关系，与Magg公式推导的结论一致，也反应了均质地层渗透注浆的情况，证明了该方法的有效性，可以为室内砂砾石层灌浆的试验及理论研究提供有益的帮助。
图5 扩散距离与时间的拟合曲线
4 结论
利用高温水泥浆液和预埋传感器的方法，可以实现对室内砂砾石层水泥灌浆浆液扩散的过程进行监测，从浆液的温度和时间的变化、砂砾石毛细作用的影响及砂砾石热传导分别进行了试验和数值模拟，分析得出了该方法的可行性。并通过均质、渗透、静压注浆的试验拟合出扩散距离与时间的关系，与理论推导的结论一致，证明了该方法的有效性，可以为砂砾石层灌浆理论的发展提供参考。
参考文献
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