砂砾(卵)石层GIN法灌浆防渗试验研究

陈伟^{1, 2}，周湘凌¹，徐蒙³，雷勇¹

(1. 湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭，411201；

2. 长沙理工大学 道路灾变防治及交通安全教育部工程研究中心，湖南 长沙，410004；

3. 中南大学 地球科学与信息物理工程学院，湖南 长沙，410083)

摘要：通过室内GIN法灌浆模拟试验，研究浆液扩散半径与灌浆后结石体单轴饱和抗压强度受灌浆强度、地层渗透系数、孔隙度、浆液水灰比、灌浆时间等单因素和多因素耦合影响规律及其之间的数值关系。采用多元非线性回归分析试验数据，总结出它们之间的数学模型。研究结果表明：对浆液的扩散半径影响显著性的顺序依次为灌浆强度、地层渗透系数、水灰比与灌浆时间；对灌浆后结石体抗压强度影响显著性的顺序依次为水灰比、灌浆强度、孔隙度与灌浆时间，其中水灰比为负向影响。

关键词：GIN法灌浆；扩散半径；渗透系数

中图分类号：TU472.6          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)04-1269-05

Study of GIN grouting impervious test in sandy gravels

CHEN Wei^{1, 2}, ZHOU Xiangling¹, XU Meng³, LEI Yong¹

(1. College of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;

2. Engineering Research Center of Catastrophic Prophylaxis and Treatment of Road & Traffic Safety,

Ministry of Education, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China;

3. College of Geology and Info-Physics Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: Based on indoor GIN grouting simulation test, the influence of single and multiple factors of Grouting Intensity Number, permeability coefficient, porosity, water cement ratio, grouting time on diffusion radius, cement strength and their correlation were studied. Two numerical formulations were concluded by multiple non-linear regression analysis of the test data. The results show that on grout diffusion radius of influence is significant in the order of GIN value, permeability coefficient, water cement ratio and grouting time; while on cement strength of grouted gravels of influence is significant in the order of water cement ratio, GIN value, porosity and grouting time, wherein water cement ratio has negative influence.

Key words: GIN grouting; grout diffusion radius; permeability coefficient

瑞士隆巴迪(Lom bardi)提出GIN法灌浆之后，GIN法灌浆在国内外许多工程中得到成功应用^[1-3]。它是在整个灌浆过程中采用单一配比的具有宾汉流体特性的稳定性浆液，用灌浆强度来控制灌浆进程的一种新灌浆方法^[2-3]。砂砾(卵)石层是第四纪沉积物中的一种复杂松散粗碎屑堆积层^[4-5]。灌浆的目的是在砂砾(卵)石地层中形成连续、稳定的结石体，浆液的扩散半径决定注浆孔的距离。前苏联等国曾在细砂层中与单裂隙中进行浆液扩散参数的试验研究，国内中国水利水电科学研究院与东北大学曾分别建立平板型注浆试验台与槽形反扁圆柱状试验台研究注浆渗流过程的压力分布及其随扩散距离而衰减的规律^[6]，而鲜见GIN法灌浆的浆液扩散距离和结石体抗压强度影响因素及其规律方面的模拟试验研究。在目前的GIN法灌浆设计和施工中，主要是凭经验确定灌浆孔距和结石体抗压强度，这样便很可能会因孔距不当而造成工程质量问题或重复施工。为此，本文作者自行建立GIN法灌浆试验台，试图通过模拟试验，采用多元非线性回归分析总结出浆液的扩散半径、结石体抗压强度与其影响因素之间的函数关系，以便指导工程实践。

1  试验工作原理

本试验采用大循环GIN法渗透灌浆，其管路与监测系统布置见图1，浆桶中的浆液经灌浆泵进入模拟灌浆孔，除注入岩土体外，剩余浆液则返回浆桶，与新浆混合循环使用。检测部分采用2个EMF(电磁流量计)和1个压力传感器分别检测进、返浆流量与灌浆压力，信号数据输入GIN灌浆自动记录仪进行数据处理^[7-8]。

首先，采用不同粒径级配的碎石与砂石混合模拟砂砾(卵)石层，并测出砂砾(卵)石层特征参数，包括地层的天然密度、渗透系数、孔隙度、静水压力与粒组级配等。然后按照设计埋设灌浆管和探测头，正确连接灌浆管道及检测仪表，按设计的浆液配比搅拌好水泥浆，准备灌浆试验。

然后对模拟砂砾(卵)石层进行GIN法渗透灌浆，灌浆强度采用试验设计中的不同定值，可通过自动记录仪监测灌浆强度。灌浆时，先将回浆管路上的调节阀开到最大，浆液全部返回浆桶中，再缓慢调小调节阀， 灌浆强度升高，浆液开始注入模拟砂砾(卵)石层中，直到达到设计的灌浆强度，持续一段时间t后，即可关闭灌浆设备，停止灌浆。

图1  GIN法灌浆模拟试验台原理图

Fig. 1  Principle diagram of GIN grouting simulation test bench

2  试验装置说明

试验装置是结合实际情况自行研制的，由三部分组成：一是灌浆设备，二是钢结构正方体容器，三是GIN灌浆监测系统。灌浆设备包括灌浆泵、缓冲器、搅拌桶等；钢结构正方体容器由钢结构架、有机玻璃、钢底板组成，除底板用钢板外，其他面均用有机玻璃以便于观察；GIN灌浆监测系统采用压力传感器检测灌浆压力，EMF01与EMF02分别检测进、返浆流量，二者差值即为灌浆量V，主机将采集信号，分析与处理数据，控制打印机打印相关曲线与数据，采用大屏幕显示实时曲线。

3  试验材料及试验设计

灌浆材料为普通硅酸盐水泥，标号为525号，并掺入2 %膨润土, 0.75 %高效减水剂^[9-10]。

试验模型主要由不同粒径级配的碎石和砂砾石组成，并注入适量水形成7种不同渗透系数k的模拟砂砾(卵)石层。灌浆强度、浆液的水灰比也分别选取7个值。具体取值如表1所示。

表1  试验各因素取值

Table 1  Value of experimental factors

本试验选用3种因素7个取值的均匀设计表(见表2)和均匀设计使用表(见表3)进行试验设计^[11-14]。

由表3可知：3因素试验应采用表2中2，3和4行来安排试验，即将渗透系数(cm/s)、灌浆强度(MPa·L·m^-1)与水灰比分别放在表2后三行来安排试验。试验安排如表4所示。

表2  均匀设计表

Table 2  Table of uniform design

表3  均匀设计表的使用表

Table 3  Use table of uniform design

表4  试验安排

Table 4  Test schedule

4  试验结果分析

4.1  试验观察分析

灌浆时灌浆强度由低逐渐升高到设计灌浆强度值，在灌浆强度升高过程中，一般会出现3种情况，(1) 对于渗透系数相对较小的地层，灌入率很小，压力升高很快；(2) 对于中等渗透系数的地层，灌入率有所增加，随着灌入率的增加压力平稳上升；(3) 对于渗透系数较大的地层，灌入率很大，压力升高很慢，可采取限流，间歇，复灌等措施。浆液在各种情况下扩散都较均匀，充填密实。被浆液充填、胶结的结石体多呈圆柱体或圆台体。灌浆强度增大时，胶结范围明显较大。

4.2  试验数据处理

浆液扩散半径、结石体单轴饱和抗压强度的试验数据如表5所示。

根据表5中的试验数据，采用多元非线性回归分析研究灌浆强度、渗透系数、浆液水灰比、灌浆时间、孔隙度等因素对浆液扩散半径和灌浆后的结石体抗压强度影响规律^[12-14]，得到下面函数关系式：

浆液扩散半径与灌浆强度、渗透系数、浆液水灰比、灌浆时间之间的关系为

       (1)

，，，

，

式中：R为浆液的扩散半径(cm)；N为灌浆强度(MPa·L/m)；k为渗透系数(cm/s)；m为水灰比；t为灌浆时间(s)；b_N，b_k，b_m和b_t分别为浆液的扩散半径R对灌浆强度N、渗透系数k、水灰比m和灌浆时间t的标准回归系数，该系数值表征对应的因素对扩散半径R的影响显著性；r为复相关系数。

表5  试验数据

Table 5  Results of test data

灌浆后结石体的抗压强度与灌浆强度、浆液水灰比、地层孔隙度、灌浆时间之间的关系：

     (2)

，，，

，

式中：P为灌浆后地层的单轴饱和抗压强度(MPa)；n为地层的孔隙度(%)；b_n为灌浆后结石体抗压强度P对地层孔隙度n的标准回归系数。

4.3  试验结果

图2所示为灌浆强度与浆液扩散半径关系。由图2可见：浆液的扩散半径随着灌浆强度、渗透系数、水灰比和灌浆时间的增加而随之增大。从式(1)可见：影响扩散半径最为显著的因素是灌浆强度，其次是地层的渗透系数，浆液的水灰比与注浆时间对浆液的扩散半径影响相对较小。

图2  灌浆强度与浆液扩散半径关系

Fig. 2  Curve of GIN and diffusion radius

图3所示为水灰比与结石体抗压强度关系。由图3可见：灌浆后结石体单轴饱和抗压强度随着灌浆强度、地层孔隙度的增加而增大，随着水灰比的增加而减少，从式(2)可见：影响结石体抗压强度最为显著的因素是水灰比，其次是灌浆强度，地层孔隙度与灌浆时间对结石体抗压强度影响非常小，其中水灰比为负向影响。

综上所述，灌浆介质结构(孔隙度、渗透系数)、灌浆强度、水灰比、灌浆时间对浆液扩散半径、结石体抗压强度均有不同程度的影响，其中灌浆强度对浆液扩散半径影响较大，但对结石抗压强度影响较小；水灰比对结石体抗压强度影响较大，但对浆液扩散半径影响较小；渗透系数对浆液扩散半径影响较大，孔隙度对结石体抗压强度影响很小。

图3  水灰比与结石体抗压强度关系

Fig. 3  Curve of water cement ratio and cement strength

4.4  最大灌浆强度

GIN法渗透灌浆是指在压力作用下浆液填充砂砾(卵)石层的孔隙，排挤出孔隙中存在的气体和自由水，基本上不改变原状砂砾(卵)石层的结构，最大压力为地层的起劈压力p_e。

 (3)

单位注浆量与最大灌浆强度分别为：

               (4)

N=                (5)

式中：p_e为起劈压力(kPa)；γ为砂砾(卵)石的重度(kN/m³)；γ_w为水的重度(kN/m³)；h为灌浆段深度(m)；h_w为灌浆点地下水位深度(m)；φ′为有效内摩擦角；C′为有效黏聚力(kPa)；λ为主应力比；ψ为经验系数，对于砂砾(卵)石层：ψ=0.7~1.0。

5  结论

(1) 浆液的扩散半径随着灌浆强度、渗透系数、水灰比与灌浆时间的增加而随之增大。影响扩散半径最为显著的因素是灌浆强度，其次是渗透系数，水灰比与灌浆时间的影响相对较小。

(2) 灌浆后结石体抗压强度随着灌浆强度、地层孔隙度的增加而增大，随着浆液水灰比的增大而减小。影响灌浆后结石体抗压强度最为显著的因素是水灰比，其次是灌浆强度，地层孔隙度与灌浆时间的影响很小。

(3) 评价灌浆防渗与加固效果的两个重要指标是浆液扩散半径与结石体抗压强度，二者均受到灌浆强度、灌浆介质结构(孔隙度、渗透系数)、水灰比、灌浆时间等不同程度的影响。

(4) 采用式(1)和(2)可分别对砂砾(卵)石层GIN法灌浆的浆液扩散半径与结石体抗压强度进行预测，也为其他地层的灌浆效果提供参考。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2013-05-26；修回日期：2013-08-09

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51208195，51208514)；长沙理工大学道路灾变防治及交通安全教育部工程研究中心开放基金资助项目(kfj120303)

通信作者：徐蒙(1981-)，男，湖南长沙人，讲师，从事灌浆工程模拟实验与检测设备方面研究；电话：13975809372；E-mail：xumengherry@163.com