某级配砂砾石灌浆试验研究

秦鹏飞，符 平，王 春，彭忠红

（1.中国水利水电科学研究院，北京100038；2.北京中水科水电科技开发有限公司，北京100038）

某级配砂砾石灌浆试验研究

秦鹏飞1，2，符 平1，2，王 春1，2，彭忠红1，2

（1.中国水利水电科学研究院，北京100038；2.北京中水科水电科技开发有限公司，北京100038）

在工程兴建中对砂砾石层进行灌浆加固处理具有非常重要的意义。灌浆工程是隐蔽工程，砂砾石地层形态又复杂多变，在砂砾石层灌浆浆液的扩散半径及结石体强度等灌浆效果方面存在较大的不可预测性。对我国西北、西南地区广泛分布的砂砾石层进行了颗粒试配，并在实验室内开展了不同配比、不同组分的水泥灌浆试验研究。试验结果表明：水泥浆液的扩散半径基本上随水灰比的增加而增大，与浆液自身的物理力学性质密切相关；砂料结石体的抗压强度随水灰比的增加而减小，但是由于砂石料的内部结构极其复杂，使得试样的抗压强度离散性极大。试验所得结果可初步指导现场灌浆施工。

砂砾石层；灌浆；室内试验；研究

砂砾石层是第四纪沉积物中的一种具有鲜明特征的松散粗碎屑堆积层，在我国分布非常广泛。随着水利工程的兴建和地下建筑工程规模的不断扩大，大坝等建（构）筑物地基对砂砾石地层的利用要求越来越多，可以说砂砾石地层与工农业生产和国民经济的关系越来越密切［1］。通过灌浆可以显著改变砂砾地层的承载性能、变形性能和渗透性能，充分发挥和利用砂砾层的潜力，能够带来巨大的经济效益和社会效益［2］，因此开展砂砾石层灌浆方面的研究工作具有非常重要的实际意义和工程价值。

杨坪等［3］通过砂卵（砾）石层的注浆试验，研究分析了注浆压力p、注浆时间t、浆液水灰比m、地层渗透系数k、孔隙率n等因素对浆液的扩散半径R、结石体抗压强度P的影响关系。其试验结果表明R随p、t、k、m的增加而增大，显著影响因素是p；P随p、t、n的增加而增大，随m的增加而减小，显著影响因素是m；宁博等［4］对有渗流作用和无渗流作用下砂砾石层灌浆效果进行了对比试验研究，分析了水灰比、灌浆压力、渗透比降等因素对浆液扩散范围的影响。其结果表明无渗流作用时，浆液的扩散范围随浆液水灰比（变化范围为0.6∶1～0.9∶1）的增加而增大；有无渗流作用情况下灌浆压力与浆液扩散范围均呈现良好的线性关系，两者没有明显差异；有渗流作用时，不同灌浆压力条件下渗流强度与浆液扩散范围之间呈明显的非线性关系；杨秀竹等［5］推导出了宾汉体浆液在砂土中进行渗透注浆时有效扩散半径的计算公式，并提出了求解方法，与Maag公式相比，发现达到同样扩散半径所需的注浆压力，Maag公式的计算结果明显偏小。

前人所做研究工作各有特色，但分别存在不足。如未能同时考虑砂石料的颗粒级配、渗透系数、孔隙率及可灌比等因素对灌后浆液的扩散距离及结石体强度等参数的影响。本文针对我国西北、西南地区沉积较密实的某种砂砾石层灌浆开展了一些室内试验研究工作，同时考虑了上述各因素的影响，并得出了一些初步的结论。

1 试验砂料及其参数

由于砂砾石层属于第四纪沉积层，是对岩石进行物理、化学风化和水流侵蚀，并经冰川、流水和风力等搬运堆积而成的，其渗透系数变化较大。本文的室内灌浆试验研究工作是针对我国西北、西南某地区沉积较密实的某种砂砾石层开展的。现场抽水试验显示，沉积较密实段地层的渗透系数 k范围为0.05 cm／s～0.5 cm／s，地勘报告显示孔隙率 n约为0.4。由于该砂砾石地层在我国水能蕴藏量大的地区分布相当广泛，很具有代表性，因此很有必要开展该种地层的灌浆试验及机理分析研究工作。

1.1 砂料试配

为了准确模拟该砂砾石地层的灌浆效果，对其颗粒级配情况进行了反复试配，最终确定的某组砂料颗粒级配情况及其级配曲线见表1和图1。

表1 某砂砾石地层颗粒级配情况

图1 某砂砾石地层颗粒级配曲线

根据可灌比（Groutability ratio）的定义 GR＝D15／D85，经计算该砂砾石层的可灌比约为24，属于可灌性较好的地层。

1.2 渗透系数及孔隙率的控制及实现

为了准确测出该种砂砾石地层的渗透系数等相关参数指标，课题组参考了《土工试验方法标准》［6］（GB／T50123－1999）的相关内容。该标准给出的常水头渗透试验装置请见图2（a），依据该图在实验室内自制加工了一套渗透装置，如图2（b）所示。

试验结果表明，该砂石料的渗透系数随其相对密实度改变很大。砂料呈松散状态装入时其渗透系数可达2 cm／s以上。为了使砂石料的渗透系数更接近工程实际要求，在分层装入干料时采取了击实措施，即每装入一层干料用击实锤锤击20～30次，这样测得的渗透系数 k约为0.24 cm／s。渗透试验结束后将砂样烘干，由含水率等参数计算出该渗透系数对应的孔隙率约为0.40，基本接近该地区沉积较密实的某种砂砾石层。

2 浆液性能基本参数

本次试验对水泥浆的物理力学性能等参数进行了测试，主要包括浆液的比重、流变参数和凝结时间等。所选用的水泥为早强型普通硅酸盐水泥，强度等级为P.O32.5R；所配置的水泥浆液水灰比分别为0.6∶1、0.8∶1和1∶1，分为加膨润土和未加膨润土两种。浆液的流变参数采用NDJ－4旋转黏度计进行测定计算，凝结时间则依照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》［7］（GB1346－2011）采用ISO标准法维卡仪进行测定。水泥浆液的基本物理力学性能指标见表2。

图2 渗透装置图示

表2 室内试验水泥浆液基本性能

由表2可以看出：所配制的水泥浆液中，水灰比越大浆液的流动性能越好；与未加膨润土的水泥浆液相比，加膨润土的水泥浆液几乎无水分析出，流动性变差，即加入膨润土后水泥浆液形成了稳定浆液。

不同配比和组分的浆液其性能差别较大，浆液的这些性能将直接影响到其在砂砾石层中的灌入能力。

3 室内灌浆试验研究

3.1 主要试验设备

本次室内试验采用的主要试验设备为：手摇泵（最大量程3.2 MPa）；搅拌机；台秤；标准电动震动筛及烘箱等。

3.2 试验步骤及方法

将筛分称量好的砂石料分层装入自制的灌浆模型中，并振捣密实。灌浆模型为建筑用给排水管（PVC管）。为了保证所装砂料的孔隙率、渗透系数等参数指标满足1.2节要求，装料前对PVC管的长度、体积进行了严格测算，并依这些参数推求出所装干砂料的质量。经测量PVC管的长度为50 cm，直径75 mm，实际装入干料约3.52 kg。

分别将拌制好的水泥浆液用手摇泵压入到砂料模型中，灌浆试验如图3所示，灌浆后的结石体如图4所示。试验过程中发现开灌起始阶段砂层吃浆量较大，压力表示数显示几乎为零，但约60 s后即出现压浆困难情况，压力表示数开始迅速上升，吃浆量则明显下降。最终在0.1 MPa压力下维持10 min，结束灌浆。

图3 室内灌浆试验图示

图4 结石体

3.3 试验结果分析

3.3.1 扩散半径

为了便于分析对比，本次试验所制备的砂料模型孔隙率完全一致，均为0.40；而最大控制灌浆压力也完全一致，均为0.1 MPa。不同配比和组分的水泥浆液在模型中的扩散距离（扩散半径）见表3。

从表3可以看出，水泥浆液的扩散半径基本上随水灰比的增加而增大，这一规律在掺加与未掺加膨润土的水泥浆液中都有体现。而同一水灰比的水泥浆液，未掺加膨润土的则比掺加膨润土的扩散半径大。这一现象的产生是与浆液自身的基本性能紧密相关的，浆液自身的流动性越好，扩散距离就越远，扩散半径就越大。

表3 不同浆液的扩散距离（扩散半径）

3.3.2 强度分析

结石体的外观形态如图5所示。从图5中明显看出，结石体的某些表面非常粗糙，存在较多孔隙或孔洞，而某些表面则相对平整和光滑，孔隙和空洞较少。经调查发现这一现象是砂料模型的放置方式造成的。灌浆结束后，将砂料模型平躺养护过程中，水泥浆液在自身重力作用下逐渐沉淀，试样下半面充填水泥浆液较多，所以表面平整光滑，而上半面水泥浆液流失较多，则留下了较多的孔隙和空洞。这也直接造成了试样强度的极不均匀性。试样强度测试结果见表4。

图5 结石体外观形态

表4 试样抗压强度 单位：MPa

从表4可以看出，砂料结石体的抗压强度随水灰比的增加而减小，但这一规律并不特别明显。这是因为砂石料的内部结构极其复杂，孔隙通道也极不均匀，造成水泥浆液的充填分布也极不均匀（如图6所示）。再加上水泥浆液的沉淀流失，使得试样的抗压强度离散性极大。这也充分反映出砂砾石灌浆工作的极其复杂性。

图6 结石体破坏形态

4 结 语

对我国西北、西南地区广泛分布的砂砾石层进行了颗粒试配，同时考虑砂石料的级配情况、渗透系数、孔隙率及可灌比等因素，开展了不同配比、不同组分的砂砾石水泥灌浆试验研究。试验结果表明，水泥浆液的扩散半径基本上随水灰比的增加而增大，未掺加膨润土的普通水泥浆液的可灌性明显优于掺加膨润土的稳定性浆液，水泥浆液扩散半径的大小与浆液自身的物理力学性质密切相关；而抗压强度的测试结果则显示，砂料结石体的抗压强度随水灰比的增加而减小，但是由于砂石料的内部结构极其复杂，使得试样的抗压强度离散性极大。普通水泥浆液与稳定性浆液所形成的结石体的强度没有明显差别。

囿于试验设备的限制，试验只反映了水泥浆液在单根PVC管中的流动扩散及结石情况，试验没有考虑地下水流动、地层架空等现场实际工程地质条件的影响，这些方面尚需开展进一步研究。

［1］ 张顺金.砂砾地层渗透注浆的可注性及应用研究［D］.长沙：中南大学，2007.

［2］ 李振钢.砂砾层渗透注浆机理研究与工程应用［D］.长沙：中南大学，2009.

［3］ 杨 坪，唐益群，彭振斌，等.砂卵（砾）石层中注浆模拟试验研究［J］.岩土工程学报，2006，28（12）：2134-2138.

［4］ 宁 博，吴时强，谢兴华，等.渗流作用对砂砾石层灌浆的影响试验研究［J］.岩土力学，2011，32（S1）：285-289.

［5］ 杨秀竹，王星华，雷金山.宾汉体浆液扩散半径的研究及应用［J］.水利学报，2004，（6）：75-79.

［6］ 中华人民共和国水利部.GB／T50123－1999.土工试验方法标准［S］.北京：中国计划出版社，1999.

［7］ 中国建筑材料科学研究院.GB1346－2011.水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法［S］.北京：中国标准出版社，2011.

Test Research on Grouting in Sand and Gravel Layer

QIN Peng-fei1，2，FU Ping1，2，WANG Chun1，2，PENG Zhong-hong1，2
（1.China Institute ofWater Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.Beijing Zhongshuike Hydropower Science and Technology Development Co.，Ltd.，Beijing 100038，China）

In the water conservancy project and other constructions，the grouting in sand and gravel layer is of great importance and value.The grouting is invisible，the sand and gravel layer is complex and uncertainty，and the diffusion radius of cement slurry and the concretion strength are unpredictable.The particle gradation attempted for the sand and gravel layerwidely distributed in the northwest and southwest in China，and the cement grouting testswith different proportion and different componentwere carried out in laboratory.The results indicate that the diffusion radius of the cement slurry is increased with thewater cement ratio increased，which is closely related with its physical-mechanical properties；the concretion strength is decreased with thewater cement ratio increased.The concretion strength is dispersed widely due to the complexity of the inner structure in the sand and gravel layer.The test results could be used as a reference in site grouting construction.

sand and gravel layer；grouting；laboratory test；research

TV543

A

1672—1144（2014）01—0130—05

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.027

2013-07-18

2013-08-19

秦鹏飞（1984—），男，河南平顶山人，博士研究生，主要从事水利岩土工程方面的研究工作。