单管单孔渗透注浆实验研究

孔鲁志 李小芳

摘要：注浆技术在水利水电工程建设中有巨大的应用价值，但是人们对注浆扩散机理认识水平的差异。这使得注浆设计和施工存在很大程度的盲目性和局限性。基于上述问题，设计一套小型单管单孔注浆模型装置，得到流量（Q）、水灰比（W/C）、注浆压力（P）、渗透系数（K）及扩散半径等参数之间的关系，并通过对实验数据回归分析得到5组扩散方程，本试验所得结果可以为注浆工程提供一定的技术支持。

Abstract： Grouting technology has great application value in the construction of water conservancy and hydropower projects， but people have different understanding level of grouting diffusion mechanism， which makes grouting design and construction have a large degree of blindness and limitations. Based on the above problems， a small single-tube single-hole grouting model device was designed to obtain the relationship among the parameters such as flow rate （Q）， water-cement ratio （W/C）， grouting pressure （P）， permeability coefficient （K） and diffusion radius and through the regression analysis of the experimental data， five sets of diffusion equations are obtained. The results obtained in this experiment can provide some technical support for the grouting project.

关键词：注浆；水泥浆液；多元回归分析；扩散方程

Key words： grouting； cement slurry； multiple regression analysis； diffusion equation

中圖分类号：TV543 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）27-0133-02

0 引言

注浆是将某些能固化的浆液注入岩土地基的裂缝或孔隙中，通过置换等方式以改善其物理力学性质的方法。但是，相比于注浆施工技术在工程建设各领域日新月异的发展，注浆扩散加固机理研究则相对滞后。一方面，人们在进行注浆工程实践时，依旧将其视为一门经验技术，忽视浆液渗透扩散规律对实际工程的科学指导意义；另一方面，现有的浆液扩散加固理论公式还远未成熟，部分经验公式又往往是针对某些特定浆液总结的，不具有代表性。本研究旨在设计一套室内注浆模型，深入研究浆液在被注介质中的流动扩散机理；以期研究成果对有关工程予以理论支撑，提高施工质量及工程经济效益。[1-6]

1 注浆模拟试验研究

为了观测到注浆时浆液的扩散规律，研究水泥浆液在被注介质中的扩散机理，设计了一套小型注浆试验装置。

1.1 试验材料

本试验中所采用的注浆材料为水灰比W/C=0.8的纯水泥浆液，浆液粘度为30·103·Pa·s，密度1.59g/cm3，初凝时间11h10min，被注介质为碎石（采用2cm～5cm，5cm～10cm，10cm～16cm三种单一连续级配）。如图1。

1.2 注浆试验装置

注浆试验压力由有压氮气提供，为方便观察，试验箱选用有机玻璃，试验箱和有压氮气之间由储浆容器连接，见图2。注浆系统由储浆容器、供压装置、试验箱三部分组成，试验原理构造图见图3。

1.3 注浆试验设计方案

为全面研究注浆压力P、注浆量Q、浆液扩散半径R、浆液水灰比W等参数之间定量的关系，开展正交实验，制定出单管单孔注浆试验方案，详见表1。

2 试验分析与讨论

2.1 注浆过程分析

在单管单孔注浆过程中，观察到浆液在被注介质中从注浆管口向四周均匀扩散，初始阶段主要表现为轴向扩散，随着注浆时间的延续，以径向扩散为主，结石体总体呈椭球形；本次注浆试验共得到9组试样，选取部分代表性注浆结石体及流型图，见图4。

2.2 结果及分析

通过对注浆结石体形状分析可知，结石体形状近似为一个椭球体[7]，可用几何图形图5表示。并对9组试验结束后的形态进行量测，统计结果见表2。

将表2试验结果进行回归分析，即可得到注浆量Q、半轴长a、半轴长b、半轴长c及理论扩散半径R与注浆压力P、砾石土渗透系数K、水灰比W间的数学模型：

由以上公式可知：影响注浆量最为显著因素是注浆压力，其次是水灰比，而被注介质的渗透系数对注浆量影响相对较小；影响半轴长a最为显著的因素是注浆压力，其次是水灰比，被注介质的渗透系数对半轴长a影响相对较小。影响半轴长b最为显著的因素是注浆压力，其次是水泥浆液的渗透系数水泥浆液水灰比；影响半轴长c最为显著的因素是注浆压力，其次是水泥浆液的水灰比，而被注介质的渗透系数对半轴长c影响相对较小；影响扩散半径最显著的因素为水泥浆液的水灰比，其次是注浆压力和渗透系数。

4 结论

本文重点研究了水泥浆在被注介质中的扩散规律，并通过数据分析得到流量、水灰比、注浆压力、渗透系数及扩散半径等参数之间的关系，具体如下结论：

①在单管单孔注浆过程中，浆液在被注介质中的扩散规律为：初始阶段主要表现为轴向扩散，随着注浆时间的延续，以径向扩散为主，结石体总体呈椭球形。

②通过结石体椭球形态数据分析可知，在影响浆液扩散的众多因数中，注浆压力对注浆量、扩散半径及半轴长的影响最为显著；而被注介质的渗透系数和浆液水灰比对注浆量、扩散半径及半轴长的影响相对较小。本文所得结果，可为注浆施工过程提供了一定的理论支持，减少注浆现场施工的隐蔽性和不确定性对工程安全带来的影响。

参考文献：

[1]王国际.注浆技术理论与实践[M].北京：中国矿业大学出版社，2000.

[2]《岩土注浆理论与工程实例》编写组.岩土注浆理论与工程实例[M].北京：科学出版社，2001.

[3]杨秀珠.宾汉姆浆液扩散半径的研究及应用[N].2004，6：75-79.

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[5]胡焕校.粘时变流体在砂砾层中的渗透扩散机理研究[J].2010，8：61-64.

[6]秦鹏飞.砂砾石土灌浆浆液扩散半径试验研究[J].2014，5：86-101.

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