注浆试验（共7篇）
注浆试验 篇1
前言
鹅岭隧道进口DK6+625-DK7+482处在隧道浅埋段, 覆盖层10-30m不等, 地质条件极差, 围岩为流-软塑性粘土, 地下水丰富, 湧水量17-25m3/h, 土层强度低, 灵敏度高, 开挖后自稳能力差。其中DK7+330-DK7+482段覆盖层仅10-15米, 地面上斜穿一段河道和公路, 极易造成穿水和塌方。虽然也采用了锚杆、小导管超前注浆、型钢钢架等预加固措施, 但效果均不够理想。究其原因, 采用单液水泥注浆也可能是围岩加固失败的原因之一。
本试验研究的目的旨在克服单液水泥注浆强度发展缓慢、易被地下水稀释失效的缺点, 寻求一种固化速度快, 早期强度高的注浆料, 水泥—水玻璃双液注浆料是首选品种之一。
1 水泥—水玻璃浆液性能试验
水泥—水玻璃浆液性能能主要表现为:①浓度 (可灌性) ;②凝胶时间 (指在水泥浆液中混入水玻璃浆液后, 混合浆液突然变稠的时间) ;③强度等三个指标, 试验对以上三个指标进行研究。
1.1 原材料的选择与配制
(1) 水泥采用齐峰P.O42.5;
按水泥:水=1∶1 (重量比) 搅拌均匀成水泥浆后备用。
(2) 水玻璃 (液体硅酸钠) 采用佛山市南海区大沥中发水玻璃厂生产的模数2.2～2.5, 50Be (密度1.53g/ml) 的水玻璃, 按以下两种比例加水稀释, 调成40Be和25Be两种水玻璃溶液。
①40Be:水玻璃原液:水 (体积比) =100∶40;
②25Be:水玻璃原液:水 (体积比) =100∶100;
1.2 试验配合比的选择 (体积比)
(1) 水泥浆液与40Be水玻璃浆液的体积比采用1∶1;1∶0.8;1∶0.6;1∶0.4;1∶0.2;1∶0.1;1∶0.05进行试验;
(2) 水泥浆液与25Be水玻璃浆液的体积比采用1∶0.6;1∶0.4进行试验。
1.3 凝胶时间与强度试验结果水泥—水玻璃浆液的试验结果
2 试验结果分析
从以上试验结果可以看出, 在水泥浆液水灰比为1的情况下, 凝胶时间随水玻璃的掺量减少而减少, 而强度随水玻璃掺量的减少而增加, 在水泥浆液:水玻璃浆液 (体积比) =1∶0.4时达到峰值, 随后随着水玻璃浆液掺量继续减少, 强度也随之下降, 25Be的水玻璃亦呈现同样的规律。
水泥的凝结和硬化, 主要是水泥水化析出的凝胶性的胶体物所引起的。水泥水化生成硅酸二钙、硅酸三钙和氢氧化钙等水化矿物, 当加入水玻璃以后, 水玻璃马上与新生成的氢氧化钙产生反应, 生成具有一定强度的凝胶体水化硅酸钙, 因此水玻璃的加入加快了水泥的水化速度, 也加快了水泥的凝结和硬化。随着水玻璃和氢氧化钙之间反应的进行, 生成的胶体物质越来越多, 结石体强度也越来越高, 所以水泥—水玻璃浆液结石体的初期强度是水玻璃与氢氧化钙的反应起主要作用。而后期强度则是水泥本身水化起主要作用, 因为水泥水化所产生的氢氧化钙量是固定的, 而与之起反应的水玻璃的量也是固定的, 如果水玻璃加入过量, 有一部分水玻璃不能与氢氧化钙产生反应而存留在结构体中, 造成强度下降, 如果掺量过少, 有一部分氢氧化钙不能与水玻璃产生反应生成水化硅酸钙, 早期强度同样不高。所以在双液灌浆中严格控制水泥、水玻璃浆液的比例是隧道围岩注浆成败的关键所在。
3 施工方案
3.1 经研究和论证, 开挖掘进决定采用正台阶法施工, 下台阶应滞后3-5m。
围岩土体加固采用两种方案
(1) DK6+625-DK7+330段对拱部施作Φ42超前小导管加强支护, 小导管长度3.5m, 顶部20cm切削成尖靴, 尾部预留止浆段为1m, 并对尾部焊接垫圈, 在起拱线以上沿拱边轮廓线安设, 尾部与型钢钢架焊接 (钢架纵向间距为0.8m) 使之连为一体, 其环向间距为0.4m, 纵向间距1.8m, 小导管安设后用塑料胶泥封堵孔口及周围裂隙, 开挖长度应小于导管长度, 预留部分作下一循环的止浆墙
(2) DK7+330-DK7+482段从起拱线开始环向等距增设28根Φ108钢管与钢架焊接成大管棚, 以提高围岩的稳定性, 其余同上。
3.2 双液劈裂注浆的目的
双液劈裂注浆的目的主要是通过对超前小导管进行劈裂注浆在隧道开挖轮廓线上25cm～30cm范围内形成一加固的环状土体, 并对隧道掌子面的地层进行劈裂注浆改良, 然后在加固围岩和管棚的保护下进行开挖支护与衬砌。根据鹅岭隧道进口土质性状采用劈裂注浆施工方法, 是实现以上目的的最佳途径。
3.3 劈裂注浆原理
劈裂注浆是近年来地下工程使用最广泛的加固软弱土层的施工方法, 它与普通注浆工艺不同之处在于采用了高压注浆工艺 (压力一般达到1～2MPa) 。它的加固原理是:通过高压注浆将流—软塑性土体劈裂成网状通道, 浆液通过网状通道填充到其中, 凝固后形成网脉骨架。另一方面在形成网脉骨架的同时又挤密了土体使流—软塑性土体得到压密和脱水形成硬塑性土体。这样使整个土体性状发生了根本的改变, 变形得到约束, 围岩强度提高, 稳定性抗渗性都得到极大的改善。
3.4 劈裂注浆参数
(1) 注浆压力:1.0MPa～1.5MPa 终注压力2.0MPa;
(2) 浆液扩散半径18cm～30cm;
(3) 注浆速度:不大于30L/min;
(4) 双液注浆机:水玻璃压注速度可调, 注浆安全压力应大于等于5.0MPa。可选用KBY双液注浆泵系列机械。
3.5 建议采用配合比
40Be的水玻璃;水泥浆液:水玻璃浆液 (体积比) =1∶0.4;该配合比凝胶时间适中, 早期强度高, 完全能满足围岩加固要求, 建议在地下水较少时采用。
25Be的水玻璃:水泥浆液:水玻璃浆液 (体积比) =1∶0.4;
该配合比凝胶时间较短, 早期强度适中, 能满足围岩加固要求, 建议在地下水丰富时采用。
4 现场施工成果
(1) 经采用上述方案, 隧道成功地穿过了浅埋段, 施工中未出现湧泥, 突水等地质灾害, 公路面在未封闭的情况下未出现下沉, 隧道衬砌断面误差控制在设计范围之内。
(2) 对湧水量小的地段采用40Be水玻璃配合比, 能明显提高土体强度, 对湧水量大的地段采用25Be水玻璃配合比堵水效果明显, 但应采取二次补压措施。
(3) 劈裂注浆时应先下后上, 先外后中间, 每环钻孔间隔依次进行, 以增强土体挤密效果。
(4) 劈裂注浆后, 对掌子面土体进行开挖, 目测土体自稳能力大大增强, 浆脉分布明显, 注浆孔周围土体明显被挤密。从对劈裂注浆前后近40个土样含水率和无侧限抗压强度分析, 含水量从62～82%降至25～28%, 强度从0～0.05MPa增至0.38～3.23MPa, 说明劈裂注浆改良流-软塑性粘土效果明显, 采用此方法能够满足隧道施工要求。
(5) 管棚超前支护极大地约束了拱部围岩变形, 实测拱部最大位移6.7mm, 拱顶最大下沉8.5m, 满足验标要求。
5 结语
本文对双液灌浆材料配比进行了对比试验研究, 提出了最优配合比的建议, 实践证明采用该配合比使用劈裂注浆施工工艺可极大地改善流—软塑性粘土的物理力学性能, 配合使用大导管, 小导管超前注浆, 管棚法施工等综合治理措施能有效解决该类地层隧道掘进的难题, 该综合治理措施简单易行, 社会效益、经济效益十分明显, 是一种值得推广的施工方法。
注浆试验 篇2
关键词：煤矸石,粉煤灰,复合注浆材料
1 概述
煤矸石经过长期堆放, 在一定的温度和压力下自燃, 形成自燃煤矸石, 它约占煤矸石总量的35%左右。自燃的煤矸石具有火山灰活性和水硬性能, 自燃煤矸石常温下单独与水的反应极慢, 仅有较弱的胶凝作用, 但在碱性环境下水化速度加快, 表现为较强的胶凝性能。因此, 以自燃煤矸石作为主要原料, 在碱性环境中, 可生成具有水硬性胶凝性能的化合物, 从而可制备出经济且益于生态环境的胶凝材料[1]。
2 试验
2.1 原材料。
煤矸石采自邯郸市峰峰矿区二矿自然煤矸石。选取自然级配≤31.5mm的自然煤矸石, 其化学组分为:Si O260.78%;Fe2O33.39%;Ca O 2.03%;Mg O 1.59%;Al2O326.74%;K2O 3.6%;Na2O 0.12%;SO30.21%;烧失量0.43%。选取邯郸热电厂湿排粉煤灰, 其矿物相组成为:玻璃体50.2%~79.0%;石英0.9%~18.5%;莫来石2.7%~34.1%;赤铁矿、磁铁矿0.4%~13.8%;残余碳0.3%~4.2%。其各自平均含量:玻璃体60.4%;石英8.1%;莫来石21.2%;赤铁矿、磁铁矿2.8%;残余碳1.3%。石灰选用生石灰水消解后所得到熟石灰, 主要成分是Ca (OH) 2。
2.2 试样制备与养护。
分别配置水泥浆、水泥粉煤灰浆 (水泥:粉煤灰=1:0.3) 、粉煤灰石灰浆 (水泥:粉煤灰:石灰=1:0.3:0.3) 三种浆液, 后与适量煤矸石制备10cm×10cm×10cm成型试块。初凝24h, 养护温度20±1℃, 相对湿度90%湿气养护。养护龄期分别为7d、14d、28d、90d。到规定龄期后将试样用于无侧限抗压试验、ESEM测试。
3 无侧限抗压试验与ES EM试验
3.1 无侧限抗压试验
表1为各组混合料各龄期无侧限抗压试验数据。在早期 (前28天) , 工况ABC混合料水化反应都比较缓慢。初期 (前14天) 处于物理激发过程, 强度为击实, 混合料水化反应缓慢, 胶结强度低, 强度相差不大。随着时间的延长, 混合料水化反应加速, 胶结强度上升, 强度出现明显增长。混合料中, 煤矸石本身具有一定的级配, 煤矸石颗粒形成骨架密实结构, 由于煤矸石本身强度高, 故粉煤灰骨架具有一定的强度。组成煤矸石的化学成分为多种氧化物, 因此在吸水条件下可表现出火山灰活性, 发生如下化学反应:
Ca O+H2O-Ca (OH) 2+热量
Ca (OH) 2+Si O2+H2O-Ca OSi O2H2O
Ca (OH) 2+Al2O3+H2O-Ca OAl2O3H2O
上述反应的产物如水化硅酸钙、水化铝酸钙均具有较高的强度, 但反应的进行有赖于Ca O的含量。粉煤灰的主要作用是提供火山灰反应所需要的活性Ca O和氧化铝, 在水泥和石灰作用下活性被激发, 促进火山灰反应的进行。同时, 粉煤灰处在这种碱性介质中, 其硅铝玻璃球体中的部分Si O、Al-O键在极性较强的OH-、Ca2+及水泥中的剩余石膏发生反应, 反应形成的生成水化硅酸钙、水化铝酸钙和钙矾石不断交织、连生聚合, 产生无序的网络结构, 而获得相对稳定的凝胶结构, 从而产生强度[2]。由表1及上述分析中可以得出, 在早期28d之前, 工况C水化反应比工况A、工况B慢, 强度较低, 随龄期的增长90d强度工况C强度接近工况A (水泥浆) 强度, 说明石灰 (Ca O) 在材料胶结过程中起到催化作用, 其参与并加速煤矸石与水泥水化产物产生二次反应。形成稳定的不溶于水的水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶。二次水化产物交叉、联生并相互充填, 使水化产物的孔隙率减少, 后期强度不断增加。
3.2 ESEM试验。
结合上述实验结论, 选取各组混合料第一配比试验材料, 做ESEM试验。由图1~图6可以看出, 试验分析得出结论与ESEM试验结果相互论证, 早期混合材料强度为物理激发过程, 水化反应较慢, 图2、图4、图6中材料出项胶结情况 (有少量针状、柱状结晶) 胶结现象不明显, 胶结强度不高。后期水化反应加速, 强度上升, 图3、图5、图7中胶结现象明显 (大量针状、柱状、放射状结晶) , 胶结强度上升。同时, 工况C胶结程度较工况B高, 接近工况A, 证实了石灰 (Ca O) 在混合料中起到了催化作用, 使混合料发生二次反应使其强度增大。
4 结论
4.1煤矸石在混合料中主要起骨架作用, 产生骨架结构密实强度, 同时与其它混合料产生一定的水化、水解反应, 产生少量的凝胶物质, 凝结、硬化后对混合料整体强度也有一定的贡献。
4.2水泥、粉煤灰和石灰在混合料中起胶结作用, 与煤矸石发生水化反应, 形成胶结强度, 使混合料强度提高, 达到桩体材料使用要求。
4.3开发一种新的煤矸石利用途径, 使煤矸石在桩体材料方面得到应用。
参考文献
[1]周梅, 吴英强, 张晓帆.自燃煤矸石复合活化的正交试验研究[J].硅酸盐通报.2009, 28 (6) :1312-1313.[1]周梅, 吴英强, 张晓帆.自燃煤矸石复合活化的正交试验研究[J].硅酸盐通报.2009, 28 (6) :1312-1313.
注浆试验 篇3
我国煤矿工程地质和水文地质条件复杂, 矿井水害是我国煤矿开采中普遍且经常发生的地质灾害, 也是影响矿山安全生产的重要不安全因素。注浆法是治理矿井水害及破碎围岩加固的重要技术方法。目前工程中最常用的注浆材料是水泥浆液, 很多机构也研制出了可注性较好的化学注浆材料, 但是水泥浆液和化学浆液都有其固定的缺点。针对水泥浆材和化学浆材的优缺点, 本文中把水泥浆液与脲醛树脂化学浆液结合起来, 形成具有新组分、新特点的多组分体系的“复合浆液”, 使其每种组分都不同程度地发挥作用, 并利用试验来初步分析其工程性质, 以期得到一定的工程利用价值。
1 水泥基复合浆液作用机理及配比试验
脲醛树脂与水泥共混后, 一部分脲醛树脂浆液中的羟甲基-CH2OH会和水泥的水化产物Ca (OH) 2发生下述反应[1]:
以及-NHCH2OH与水泥中含有的多价金属化合物及其盐类发生类似上述配位反应。这些多价金属主要是Fe3+、Fe2+、Mg2+、Al3+等。这些反应均使树脂与水泥在硬化过程中能形成无数张纵横交错的网, 结成一个强度很高的整体。
以水泥浆液作为主剂 (用425#普通硅酸盐水泥配制, 水灰比为1∶1) , 以脲醛树脂浆液作为减水剂和饱和剂, 二者以不同比例 (重量比) 混合后再添加不同比例 (重量比) 的碱性促凝剂进行配比试验, 其结果如表1、图1、图2所示。
根据试验结果可知:碱性促凝剂能够有效地缩短混合浆液的凝胶时间, 另一方面, 固结体强度随促凝剂用量加大而降低, 而加大脲醛树脂浆液比例则有利于提高固化强度。分析认为, 树脂浆液的加入可以有效地分散水泥颗粒, 影响水泥聚集, 从而延长了水泥浆液的凝胶时间。但树脂浆液与水泥在硬化反应过程中能形成网状结构, 有利于聚合体整体强度的提高。
2 三种注浆材料的模拟试验
2.1 注浆材料和被注介质
为研究水泥基复合浆液的工程性质, 本文选择粗粒砂、细粒砂和无烟煤粉三组介质建立试验模型, 对脲醛树脂化学浆液、水泥浆液和水泥基复合浆液三种注浆材料的充填扩散情况及其固结特点进行对比, 并分析其与被注介质的相互作用机理。其中水泥浆液为425#硅酸盐水泥浆液 (水灰比1∶1) 。脲醛树脂化学浆液为双液浆, 以脲醛树脂作为主剂;以8%的草酸水溶液作为固化剂。水泥基复合浆液以425#硅酸盐水泥、脲醛树脂浆液和水按质量比2∶1∶1配制成主剂, 以23.1%碱性促凝剂作为固化剂。
被注介质选用砂土和无烟煤粉。其中砂土分为粗粒组和细粒组两种。分别对三组被注介质随机抽取四组样品, 进行物理指标测试, 取其平均值, 三组被注介质的物理参数如表2所示。
2.2 模型箱
模型箱长×宽×高的尺寸为70 cm×70 cm×80 cm, 垂直两个面由7 mm厚的有机透明玻璃组成, 便于外部观察浆液的渗透情况。其注浆模型坐标图如图3所示。
2.3 试验步骤
(1) 在试验模型箱内, 装入筛分好的砂子或无烟煤粉, 加水调匀, 分层夯实, 填满模型箱, 在填砂或无烟煤过程中留设注浆管。
(2) 向模型箱内注水, 直至模型箱放水口处流出水量稳定, 且模型箱上部溢出为止, 使砂子或无烟煤粉充分饱和。
(3) 待模型箱内的砂土或无烟煤粉饱和固结2 d后进行注浆。
(4) 对模型箱进行注浆试验。
(5) 注浆结束后, 脲醛树脂浆液固结、析水3 d, 水泥浆液和水泥基复合浆液固结、析水7 d, 再对模型箱进行揭露, 观察浆液扩散区域、浆液渗透范围、浆液渗流通道和浆液结石体形状。
2.4 试验结果及其讨论
2.4.1 浆液在不同介质中扩散特点
(1) 粗粒组砂土。根据试验结果, 三种浆液在粗粒组砂土中都表现出较好的渗透扩散性, 所形成的固砂体形状近似球体。其中, 脲醛树脂化学浆液的最大扩散距离为26 cm;水泥浆的最大扩散距离为13 cm;水泥基复合浆液的最大扩散距离为15 cm。脲醛树脂化学浆液在注浆开始时, 浆液主要从注浆管的孔口位置, 在三维方向上呈放射状扩散。当注入到一定阶段时, 扩散到外层的浆液粘度增大开始凝胶, 随着注浆的继续, 刚凝胶很薄的壳体就被挤裂, 产生注浆劈裂通道, 随后注入的浆液通过劈裂通道向周围渗透扩散。水泥浆液在注浆孔口位置产生了纯浆液固结体, 浆液围绕中心孔口位置向周围挤密渗透扩散。水泥基复合浆液由于凝胶时间短, 注入砂土时浆液在短时间内即发生凝胶, 浆液主要围绕注浆管孔口位置向周围扩散充填, 以渗透扩散为主。
(2) 细粒组砂土。三种浆液在细粒组砂土的扩散情况主要反映为浆液渗透扩散不均匀, 形成的固砂体形状不规则。其中, 脲醛树脂化学浆液的最大扩散距离为30 cm;水泥浆的最大扩散距离为3 cm;水泥基复合浆液的最大扩散距离为5 cm。脲醛树脂化学浆液在灌注初期显现出良好的渗透扩散性, 但由于凝胶时间较短, 且细粒组砂土孔隙性相对较小, 渗透性相对较弱, 随着浆液的絮凝, 浆液主要通过劈裂作用产生扩散通道, 浆液形成的固砂体形状极不规则。水泥浆液在细粒组砂土中的渗透扩散性极低。由其形成的固砂体情况可以看出, 浆液只在注浆管孔口处向四周产生挤密作用, 形成了一个长条状的凝固体, 向外渗透扩散效果甚微。水泥基复合浆液的渗透扩散性能受到所掺加的水泥浆液影响, 再加上浆液的凝胶时间很短, 因此, 尽管注浆压力很大, 其在细粒组砂土中的渗透扩散性也很差, 浆液在注浆管孔口处凝胶, 向四周扩散距离很小。
(3) 无烟煤粉。浆液在无烟煤粉中的扩散与砂土有较大区别, 主要为浆液固结体呈薄片状扩散, 浆液分布很不均匀。其中, 脲醛树脂化学浆液的最大扩散距离为35 cm;水泥浆的最大扩散距离为15 cm;水泥基复合浆液的最大扩散距离为17.5 cm。脲醛树脂化学浆液在无烟煤粉中的渗透主要依赖于劈裂作用形成扩散通道。浆液在注浆孔口平面上沿水平方向向四周产生劈裂作用, 形成片状劈裂通道, 随后注入的浆液通过劈裂通道向周围渗透扩散。水泥浆液在煤粉中的扩散效果较差, 虽然浆液也产生劈裂作用, 但其劈裂扩散效果较化学浆液差的多, 浆液扩散距离很短。水泥基复合浆液因其掺加水泥颗粒的原因, 再加上浆液的凝胶时间很短, 浆液只向上呈片状劈裂扩散。分析其原因, 主要是因为煤粉颗粒细小, 颗粒级配较好, 孔隙性差, 渗透系数远小于砂土, 浆液在孔隙中基本无法形成有效的渗透。但由于煤粉重度较小, 拘束应力相对较低, 便于浆液劈裂扩散。另一方面, 从浆液对煤粉的固结情况看, 其固结特点与砂土有较大差异。浆液对砂土的固结主要是充填孔隙后对固体颗粒产生了粘着力所致, 而对煤粉的固结则主要是浆液对煤粉颗粒的吸附作用。
2.4.2 浆液与被注介质相互作用机理
本次注浆模拟试验反映出的浆液和被注介质之间的相互作用主要有渗透作用、挤密作用和劈裂作用[2~4]。本次试验发现:浆液在粗粒组砂土的大孔隙介质中注浆主要发生渗透作用。脲醛树脂化学浆液在细粒组灌注初期也显现出良好的渗透扩散性;水泥颗粒型浆液在细粒组砂土和无烟煤粉这些小孔隙介质中的注浆主要发生着挤密作用, 浆液扩散距离很小;在渗透性较低的细粒组和无烟煤粉组中的化学浆液注浆都出现了明显的劈裂作用, 浆脉发育。水泥颗粒型浆材在无烟煤粉中注浆也出现了片状劈裂作用。
3 结论
(1) 以水泥浆液为注浆主剂, 脲醛树脂浆液为辅剂配制的水泥基复合浆液具有物态稳定性较好、聚合速度可调节幅度大的技术性能。
(2) 碱性促凝剂对水泥基复合浆液固化强度影响较大, 随促凝剂用量的提高浆液固化强度明显降低。
(3) 水泥基复合浆液凝胶时间可以根据工程实际条件进行调节, 提高碱性促凝剂的浓度可以有效的提高浆液凝胶时间。
(4) 模拟对比试验结果表明水泥基复合浆液在粗粒组砂土中主要发生渗透作用, 在细粒组砂土和无烟煤粉这些小孔隙介质中主要发生挤密作用。其可注性介于脲醛树脂化学浆液和水泥浆液之间, 在试验中的速凝效果一定程度验证了其用作快速堵水注浆材料的可行性。
摘要：配制出水泥-脲醛树脂双液注浆材料, 通过试验进行了水泥基复合浆液的性能对比研究, 并对其工程性能指标进行了测试。为了解水泥基复合浆液在不同孔隙介质中的可注性, 论文采用粗粒组砂土、细粒组砂土和无烟煤粉进行了脲醛树脂化学浆液、水泥浆液和水泥基复合浆液的模拟注浆对比试验, 并分析三种注浆材料与被注介质相互作用机理。
关键词：注浆材料,水泥基复合浆液,模拟试验,作用机理
参考文献
[1]阮文军, 靖向党, 王彪.磷酸盐缓凝剂的优选与水泥复合浆液性能研究[J].地质与勘探, 2002, 38 (4) :83-86.
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[3]Burak Felekoglu.Optimization of self-compacting filling grout mixtures for repair purposes[J].Construction and Building Materials, 2006, (10) :1-8.
注浆试验 篇4
1 采空区治理工程注浆材料选择
基于采空区注浆工程的特征, 限于施工现场的实际情况, 所选择的注浆材料必须是经济合理、性能良好的材料。纯水泥浆其可灌性较好, 初、终凝时间短, 结石体抗压强度高, 主要以加固为目的;而水泥粉煤灰浆其可灌性较好, 初、终凝时间较长, 结石体抗压强度低, 主要以充填为目的。通常, 在构筑物下或沉降量较大的路段下采用纯水泥浆注浆;在沉降量较小的路段下采用水泥粉煤灰浆注浆。煤矿采空区注浆治理工程选择水泥、粉煤灰和水为注浆材料。
2 注浆浆液的性质
试验工程的注浆材料主要由水、水泥、粉煤灰、速凝剂等组成, 水为当地河水, 其SiO
采用不同的注浆浆液配合比, 对注浆浆液的配合比进行了详细的研究。不同配方的水泥 (42.5号普通硅酸盐水泥) 粉煤灰混合料浆液的实验成果见表1和表2。
当在注浆浆液中掺入水玻璃时, 不同配方的水泥 (42.5号普通硅酸盐水泥) 粉煤灰混合料浆液的试验成果见表3。
经对试验结果分析, 浆液结石体不同龄期的抗压强度随着浆液中水泥含量的增加而增大, 或者说随着水泥含量的减少而降低。当水泥占固相的比例逐渐减少时, 水泥粉煤灰浆液结石体的强度会迅速降低。
3注浆材料特性分析
1) 影响注浆浆液结石体强度的因素。a.由表1可见, 同一固相比的水泥 (水泥含量) 粉煤灰混合料浆液的结石体强度随着水固比的增加 (浓度减小) 而降低。b.由表1、表2、表3可见, 同一固相比的水泥 (水泥含量) 粉煤灰混合料浆液的结石体强度28 d的大于7 d的, 即随着龄期的增长而增加。c.由表1、表2可见, 相同水固比的水泥粉煤灰混合料浆液的结石体强度随着水泥比例的增加而增大。d.从表2和表3看出, 水固比和固相比都相同的水泥粉煤灰混合料浆液, 当掺入水玻璃时, 浆液结石体强度有所降低, 并且不同水固比和不同固相比的混合料浆液加入水玻璃后结石体抗压强度均有所降低。2) 影响水泥粉煤灰浆液凝结时间的因素。a.从表1、表2可以看出, 固相比相同的水泥 (水泥含量) 粉煤灰混合料浆液的初、终凝时间随水固比的减小 (浆液浓度的增加) 而缩短。b.从表2、表3可以看出, 水固比和固相比都相同的水泥粉煤灰混合料浆液, 当掺入水玻璃时, 初、终凝时间缩短, 通常可缩短时间1 h～2 h, 说明外加剂水玻璃有速凝作用。c.从表1、表2、表3可以看出, 注浆浆液配比1∶1.3, 当水泥粉煤灰浆液中水泥为固相的20%时, 初凝时间为43 h 5 min, 终凝时间为47 h 50 min;当水泥粉煤灰浆液中水泥为固相的40%时, 初凝时间为21 h 20 min, 终凝时间为24 h;当水泥粉煤灰浆液中水泥为固相的40%时, 在浆液中添加速凝剂, 则初凝时间为20 h 15 min, 终凝时间为23 h 10 min。3) 影响水泥粉煤灰浆液密度的因素。a.由表1、表2可见, 同一固相比的水泥 (水泥含量) 粉煤灰混合料浆液的密度随着水固比的增加 (或浓度减小) 而降低。b.水固比相同的水泥粉煤灰混合料浆液密度随着水泥含量的增加而增加c.由表2、表3可见, 对于相同配比的水泥粉煤灰混合料浆液, 当掺入水玻璃后, 密度增加。4) 影响水泥粉煤灰浆液结石率的因素。a.由表1、表2可见, 同一固相比的水泥 (水泥含量) 粉煤灰混合料浆液的结石率随着水固比的降低 (或浓度增加) 而增加。b.固相比相同的水泥粉煤灰混合料浆液的结石率随着水泥含量的增加而增加。c.由表2、表3可见, 同一固相比的水泥 (水泥含量) 粉煤灰混合料浆液, 当掺入水玻璃后, 结石率有所提高。
4注浆材料选取
依据煤矿采空区工程实践和已有的研究资料, 采用水灰比0.8～1.2配制的浆液较为合适。如果水灰比小于0.8, 注浆泵就不能有效的使用, 即采用现有的注浆泵无法将注浆浆液注入钻孔内;如果水灰比大于1.2, 注浆浆液太稀, 不能有效地进行充填帷幕孔注浆施工过程中, 可考虑在注浆浆液中增加水泥的含量, 以缩短注浆浆液在地下的凝结时间, 确保注浆工程的帷幕效果。
5结语
本文对高速公路下采空区充填注浆材料的选取进行分析, 对注浆材料浆液进行配比试验, 并对其影响因素进行分析, 浆液结石体不同龄期的结石率、浆液密度和抗压强度等随着浆液中水泥含量的增加而增大, 或者随着水泥含量的减少而降低。注浆浆液的初凝时间和终凝时间随着浆液中水泥含量的增加而减小。当掺入水玻璃时, 相对于相同配比的注浆浆液, 其密度增加, 结石率提高, 初凝时间和终凝时间明显缩短, 但结石体的抗压强度减小。
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注浆试验 篇5
随着沿海地区经济建设的快速发展,对电的需求量越来越大,在沿江及沿海地区相继新建或扩建了一批特大型超临界燃煤发电机组,该机组能效比非常高,但冷却用水量却很大。为了解决发电机组的冷却用水问题,采用大型输水隧道送水成为一种新的趋势,然而这一地区广泛分布着新近沉积的淤泥质软土及松散粉细砂,有的还含有浅层气。在输水隧道工程建设中常面临围岩松动引起隧道沉陷、管片开裂渗漏和气液喷溢等问题,使隧道损伤破坏甚至造成隧道报废等重大工程事故。解决这一施工技术问题的有效措施是注浆加固。因此,选择一种凝胶时间可控、抗压强度高、可注性好、节约成本等综合指标较高的注浆材料是工程有效实施的关键[1~4]。
自1858 年英国的W. R. Kinippe将硅酸盐水泥用于注浆加固,开启了普通硅酸盐水泥浆液的时代[5]; 1920 年德国的尤斯登首先使用水玻璃和氯化钙作为化学注浆材料[6]; 1988 年底山东三山岛金矿采用粘土水泥浆堵水试验成功[7]; 1995 年铁科院对水泥—水玻璃( C-S) 注浆材料进行室内与现场试验均取得了成功[8]; 2000 年郑守仁[9]提出了绿色注浆理念,将注浆材料引入新的绿色时代。
目前工程中应用最为广泛的注浆材料为水泥—水玻璃浆液,其具有凝胶时间短、早期结石体强度高等特点[10~13],但结构稳定性差、抗压强度低、凝胶时间不易控制,未对其组成、结构与性能关系方面进行系统研究[14]。因此需要配制符合实际工程情况的复合注浆材料,主要考虑凝胶时间、腐蚀性、可注性及抗压强度等指标。本文结合苏南某发电厂江底输水盾构隧道气液喷溢段修复工程需求,以堵漏和充填空洞为目的,重点考虑凝胶时间及抗压强度两个性能指标,采用常用的注浆材料进行试验研究,确定了最终注浆材料的配比。
1 复合注浆材料性能试验研究
1. 1 试验材料
以绿色环保为出发点,在传统注浆材料水泥—水玻璃混合液的基础上,掺入粉煤灰与矿渣作为原材料。水泥为普通硅酸盐水泥,密度为3. 12g /cm3,比表面积为350m2/ kg; 粉煤灰为某电厂提供,密度为2. 70g /cm3, 比表面积为400m2/ kg, 需水量105% ; 矿渣是冶炼后的固体块状残余物,由某电厂提供,密度为2. 96g /cm3,比表面积为450m2/kg,以上3 种原材料的化学组成见表1。水玻璃为市售工业水玻璃( 水溶性的硅酸盐) ; 钠基膨润土是以蒙脱石为主的含水粘土矿; 萘系减水剂为混凝土的外加剂,起到减少单位用水量或减少单位水泥用量,改善混凝土拌合物的流动性,节约水泥等作用。
(%)(%)
1. 2 试验方法
( 1) 浆液制备方法
本次试验中采用双液注浆模式制备注浆材料,将水泥、粉煤灰、矿渣按所需比例配制,按水灰比大小加入一定量的水,将粉料与水放入NRJ-411A型水泥胶砂搅拌机搅拌混合均匀,形成A液。配制所需不同体积掺量、不同波美度的水玻璃B液,AB混合得到复合注浆材料。为了对比分析水泥、粉煤灰及矿渣的不同配比对复合注浆材料凝胶时间及抗压强度的影响,A液配制出了A0、A1、A2、A3、A4 五种浆液,其中A0 为传统水泥浆,其余四种为混合浆液,A液具体配比如表2 所示。
( 2) 双液注浆材料凝胶时间测试
采用倒杯法: 在20 ~ 40℃ 恒温条件下,将A液和B液分别放入两个烧杯中,然后将A液倒入B液烧杯,立即将混合液再倒入A液烧杯,重复交替进行,直至混合液在烧杯中倾斜约45°时不再流动为止,从A液、B液混合后开始计时到浆液不再流动时所经过的时间即为凝胶时间。
( 3) 双液注浆材料的抗压强度测试
将搅拌好的浆液放入40mm × 40mm × 40mm试膜中制成试块,24h后脱模,在标准养护条件下养护3d、28d进行抗压强度测试。
1. 3 试验结果与数据分析
1. 3. 1 注浆材料的凝胶时间
凝胶时间决定了注浆后浆液的流动范围[14]。若凝胶时间较短,会影响浆液的流动范围; 当地下水流速较大时,凝胶时间较长,无法迅速形成凝胶结石体,堵水效果较差,因此需要根据实际情况控制凝胶时间。
( 1) 水玻璃掺量对注浆材料凝胶时间的影响
水玻璃模数为2. 6,波美度为35°Bé,水玻璃体积掺量分为10% 、20% 、30% 、40% 、50% 五个等级,五种浆液( A0 - A4) 掺入不同比例的水玻璃后形成复合注浆材料的凝胶时间见图1。
从图1 可以看出,浆液凝胶时间随着水玻璃掺量的增加而增大。当水玻璃掺量由10% 增加到50% 时,A0、A1、A2、A3、A4 五种浆液试样的凝胶时间分别增加了45s、46s、48s、50s、200s。
分析认为,由于A液的密度高于水玻璃的密度,因此随着水玻璃增加,对A液起到了稀释作用,即相当于增加了A液的水灰比,故浆液中颗粒与颗粒间的距离变大,需要更长的时间让水化产物生成的胶凝物质连接成整体,因此浆液的凝胶时间也逐渐延长。
( 2) 波美度对注浆材料凝胶时间的影响
水玻璃体积掺量为25% ,模数为2. 6,将波美度分为30、35、40、45°Bé 四个等级,五种浆液加入不同波美度的水玻璃后形成的复合注浆材料的凝胶时间见图2。
从图2 可以看出,随着波美度增大,浆液凝胶时间会增加,但是增加较为缓慢,当波美度由30°Bé 增加到45°Bé 时,注浆液A0 - A4 的凝胶时间分别由22s、40s、58s、55s、98s增加到31s、46s、67s、61s、120s。
( 3) 粉料比例对注浆材料凝胶时间的影响
从图1 和图2 可以看出,不同的水玻璃掺量、波美度及注浆粉料掺量,凝胶时间也不同。对比分析浆液A2、A3 的试验结果可知,加入矿渣后浆液凝胶时间略有减少。
水泥与水发生水化反应生成Ca ( OH)2和水化硅酸钙,Ca2 +进入溶液中与水玻璃水解产生的Hn Si O4x -发生反应,生成胶凝性物质水化硅酸钙,注浆液中水泥含量越多,反应速度越快,凝胶时间越短。粉煤灰中Ca O的含量为2. 86% ,反应速度慢,粉煤灰所占比例越大,复合注浆液中水泥比例就越小,水溶液中Ca2 +的含量就越少,浆液凝胶时间就越长。矿渣中Ca O的含量为38. 52% ,比粉煤灰中Ca O多,所以掺入矿渣后凝胶时间较短。因此用矿渣代替部分粉煤灰,浆液中Ca2 +增多,与水玻璃水解产生的硅酸根离子反应的速度加快,水化产物增多,反应速度变快,因而凝胶时间就缩短。
1. 3. 2 注浆材料的抗压强度
抗压强度是注浆材料最基本的性能指标,论文从水玻璃掺量、波美度、粉料配比对复合注浆材料( A2、A3) 影响的角度进行了抗压强度试验。
( 1) 水玻璃掺量对抗压强度的影响
不同水玻璃掺量对A2 和A3 浆液抗压强度性能的研究中,水玻璃波美度为35° Bé,模数为2. 6,掺量分为10% 、20% 、30% 、40% 、50% 五个等级。A2、A3 浆液制成的试块在标准养护条件下进行28d抗压强度测试,结果见图3。
从图3 可以看出,随着水玻璃掺量的增大,注浆材料抗压强度先增大后减小。水玻璃掺量为50%时与20% 时相比,A2、A3 试样的抗压强度分别减少了58% 、25% ,因此水玻璃掺量不能太多,最佳比例约为22% 。
分析认为,当水玻璃掺量较少时,不能满足用于激发粉煤灰、矿渣所需要的量,反应不充分,水化产物生成量较少,生成的结石体抗压强度低; 当水玻璃掺量过大时,水玻璃水解出大量Hn Si O4x -,生成强度较低的硅溶胶,同时水玻璃中的水分起到稀释作用,导致结石体强度降低。因此,水玻璃掺量应适中,结石体的抗压强度才能达到最大。
( 2) 波美度对抗压强度的影响
为了分析波美度对A2 和A3 浆液抗压强度的影响,将波美度分为30、35、40、45°Bé 四个等级,水玻璃模数为2. 6,体积掺量为25% ,对A2、A3浆液在标准养护条件下测试28d的抗压强度,结果见图4。
由图4 可以看出,随着波美度的增加,抗压强度逐渐增大,波美度从30°Bé 增加到45°Bé,A2、A3 试样的抗压强度由12. 1MPa、15. 5MPa增加为14. 9MPa、19. 1MPa。
这是因为波美度越大,水玻璃产生的Hn Si O4x -越多,在Ca2 +等碱性离子的作用下,生成的硅酸盐水化产物越多,因而抗压强度越大。
( 3) 粉料比例对抗压强度的影响
为研究粉料比例对复合注浆材料抗压强度的影响,本文对A0、A1、A2、A3、A4 浆液在标准养护条件下测试了3d、28d的抗压强度,结果见图5。其中水玻璃掺量为25%,模数为2. 6,波美度为35°Bé。
由图5 可知,A0、A1、A2、A4 浆液,随着粉煤灰掺量不断增加,结石体3d的抗压强度逐渐减小,28d强度则基本不变。
分析可知,粉煤灰活性较低,水化早期几乎未参加反应,随着粉煤灰掺量增加,早期水泥与水玻璃反应生成的C-S-H减少,结石体强度降低,因此复合水泥中粉煤灰掺量不能太多,否则影响早期注浆效果。分析对比A2、A3 试验结果可知,矿渣、粉煤灰、水泥混掺后,结石体早期抗压强度明显增加,A3 浆液3d抗压强度为8 MPa,而A2 为4. 8MPa,28d抗压强度甚至接近于A0 浆液的纯水泥—水玻璃试块的抗压强度。这是因为矿渣活性较高,早期水化反应生成大量C-S-H凝胶体所致,因此复合注浆材料设计时,矿渣也是可选的原材料。
1. 3. 3 试验结论分析
从凝胶时间、抗压强度、资源利用等角度对五种注浆材料分析可知,采用A3 的配比方式,即水泥( 35% ) 、粉煤灰( 45% ) 、矿渣( 20% ) 的混掺配比,水玻璃掺量为22% ,模数为2. 6,波美度为35°Bé 时,为最佳配比。该配比下的复合注浆材料,不仅凝胶时间短,抗压强度高,而且使用矿渣和粉煤灰等废弃物,使得水泥的用量大大减少,降低了注浆成本,节能环保。
2 工程应用试验
2. 1 工程概况
苏南某发电厂扩建工程中其取水方案采用2 条大直径的江底隧道从长江深水区取水( 见图6) 。取水隧道工程位于长江入海口,江面宽阔,受长江特大流量江水和潮流两股强劲动力相互作用。该地区分布有厚层淤泥质软土、多层粉土和粉细砂层,地下水丰富,具有承压性。江底盾构取水隧道分东线和西线两条,隧道内径4. 2m,外径4. 8m,隧道总长度943. 2m。盾构推进初始阶段穿越③2土层,后续穿越④、⑤土层。④、⑤土层为淤泥质粉质粘土、粉质粘土夹薄层粉土粉砂,土性不均匀,夹粉土及粉砂大多以透镜体形式出现。东线隧道在进行最后一环( 1048 环) 推进施工时,突然之间在完成的1030 环与1031 环的落底环间发生沼气喷溢并引发承压水携带流砂的突涌事故,进而造成隧道外附近土体出现空洞,隧道管片变形,为了修复东线隧道,需进行注浆封堵。
2. 2 现场试验方法与步骤
( 1) 原材料的准备: 注浆施工前首先要准备好水泥、粉煤灰、矿渣与水玻璃;
( 2) 注浆孔布置: 沿隧道轴线方向进行注浆孔布置,孔间距2m,实际中可以适当增大或者减小孔间距;
( 3) 浆液制备: ①粉料由水泥、粉煤灰、矿渣三者按照室内试验所得到的A3 浆液的质量配比( 35∶ 45∶ 20) 进行混合,搅拌2 ~ 4min左右,使三者充分混合均匀; ②在粉料混合均匀后,按水灰比0. 7 加入水,再搅拌2 ~ 4min左右,混合均匀后形成A浆液; ③配制所需不同体积掺量、不同波美度的水玻璃B液;
( 4) 浆液灌注: 采用地泵为灌入砂浆加压,先填充两侧孔位,再填充中间孔位,确保填充的密实性,注浆压力控制在0. 5 ~ 2. 0MPa,浆液注入率为20% ,注浆施工区域为隧道外围180° 以下3m半环形区域,局部特殊地段适当增加;
( 5) 注浆效果检验: 复合注浆材料注浆结束后,经钻孔取样、芯样完整性及均匀性观察,并进行抗压强度试验,试验结果显示结石体的3d抗压强度达7. 4MPa;
( 6) 通过隧道内水下潜水观察,经注浆形成了完整封堵墙,在基础上采用钢筋混凝土进行永久封堵。
2. 3 试验结果与讨论
本项工程中使用了以水泥、粉煤灰、矿渣、水玻璃为主要材料的复合注浆材料[14]。充分利用了粉煤灰、矿渣等工业废渣,不仅减少了粉煤灰、矿渣对环境的污染,而且减少了水泥的使用量,降低了注浆成本。该复合注浆材料具有凝胶时间短、抗压强度高、成本低和环境友好等优点。
本工程综合考虑各因素后,通过室内试验研究,确定了注浆材料A3 浆液的配比,将这一复合注浆材料应用于东线事故段进行注浆,结合冻结法施工,成功实现了隧道临时封堵,为隧道修复奠定了基础。
3 结论
( 1) 复合注浆材料利用废弃材料,以水泥、粉煤灰、矿渣及水玻璃为主要原料,采用钠基膨润土和萘系减水剂等作为添加剂。该注浆材料具有凝胶时间短、抗压强度高的优点。
( 2) 水玻璃B液掺量、波美度和粉料比例对注浆材料的凝胶时间都有较大影响。随着B液掺量及波美度的增大,凝胶时间增加; 随粉煤灰掺量的增大,其浆液凝胶时间增长; 当水泥掺量相同时,用矿渣代替部分粉煤灰,浆液凝胶时间略有缩短。
( 3) 水玻璃B液掺量、波美度及粉料比例对浆液抗压强度的影响较大。当水玻璃B液掺量为22%时,其结石体抗压强度最大; 抗压强度随波美度增大而增大; 而随粉煤灰掺量的增加,其抗压强度减小。但随着矿渣的加入,浆液的抗压强度明显提高,显然矿渣是一种良好的粉粒掺料。
注浆试验 篇6
注浆技术能够达到改善岩土体的物理力学性质的目的[1]。虽然注浆已经经历了飞速的发展, 但是注浆理论仍远远落后于工程上的实践, 理论的完善与进展是相当缓慢的[2], 其中动水及静水条件下的裂隙突涌水注浆理论虽然取得了初步发展, 但同样滞后。注浆数值模拟研究同样落后于工程实践。
本文采用室内试验与FLUENT数值模拟相结合的研究方法[3], 用山东大学研制的准三维裂隙注浆模型系统得到在动水条件下注浆过程中浆液产生的注浆压力随浆液扩散的分布规律, 同时验证FLUENT裂隙注浆堵水模型的浆液扩散形态及静压分布.
1 岩体裂隙注浆堵水模型
1.1 建立岩体裂隙注浆堵水模型
数值模拟的目的是建立一个模拟在动水条件下裂隙注浆的模型。通过Fluent前处理软件Gambit建立三维注浆几何模型及网格划分, 其中长方体是模拟裂隙, 宽度为2m, 长度为4m, 厚度为0.02m。圆柱体是模拟注浆管, 长度为1m, 半径为0.025m。
1.2 不同注浆速度的数值模拟
岩体裂隙注浆堵水模型取动水和浆液的两相流, 动水速度取0.6m/s, 浆液速度分别取0.6m/s和1.6m/s, 分别取注浆35s和注浆100s时的相液扩散形态表明:注浆速度为1.6m/s时与注浆速度为0.6m/s时扩散形态及变化完全一致, 先在动水条件下呈近似椭圆型扩散, 稳定后呈现U型扩散;注浆速度为1.6m/s时比注浆速度为0.6m/s时扩散范围更广, 开度更大。
从压力曲线可以得到以下规律: (1) 入水口处到注浆管处水的静压基本保持不变; (2) 注浆管处的浆液静压变化很大, 到注浆孔处, 浆液的静压与水的静压基本相同。 (3) 从注浆管到出口, 静压呈衰减变化, 到达出口处静压变为零。
2 裂隙注浆模型试验
2.1 试验装置
研制的室内注浆模型考虑到模型试验的条件与原型的相似性, 模型试验的结果与原型的相似性, 所以要求研制的装置必须满足模型试验的一般理论, 即相似理论, 试验系统选用室内注浆模型试验装置, 注浆模型试验装置共分为以下几个部分:模型架, 注浆动力系统, 进水出水系统, 录像监测系统。其中注浆试验模型架模拟的裂隙上层面是由一整块高强度的钢化玻璃组成, 模型的框架是使用不锈钢框架;裂隙下层面主要包括三个面, 由上到下为找平层、填充层和承力层。表面找平层是预先埋设压力、流速和温度三种传感器的环氧树脂层。通过该系统采集的数据能够实时记录下流速和地下水压力, 并且记录浆液扩散迹线形态。
2.2 试验初始条件
本动水试验采用水灰比 (W/C) 为1:1.5的水泥浆液, 用搅拌机搅拌15min后通过注浆系统注入, 采用动水初始流速为0.6m/s, 注浆孔的半径为0.025m, 持续注浆2min, 浆液法向流速取0.6m/s、1.6m/s两种工况。
2.3 数据记录
本次试验记录数据分别为浆液扩散形态和静压分布。其中浆液扩散直接采用录像记录方式进行记录。本实验通过压力传感器对注浆过程中压力分布进行记录, 从而能够得到注浆过程的静压分布情况, 本实验得到的静压分布曲线不是完全平滑的, 主要是由于传感器分布密度小所导致的。
3 模拟结果与试验结果对比及分析
3.1 扩散形态结果对比及分析
室内试验注浆扩散形态:浆液进入稳定扩散状态后, 其扩散区域是稳定不变的, 即浆液的稳定扩散形态都呈现标准的U形。
由裂隙注浆模型试验可得到以下规律: (1) 在试验注浆刚开始进行的时候, 注浆孔周围浆液的流动的状态是紊流的, 而且浆液流速较快。随着注浆量的增加, 浆液的扩散范围是逐渐变大, 但是扩散范围也是有一定极限的, 即其扩散范围到一定程度便不再增加了。 (2) 在充填扩散范围与动水接触面上, 有一个过渡扩散区, 该区域呈现紊流状态, 并且该区域的浆液是不断的从紊流状态向层流状态转化的, 随着注浆量的增加, 这种转换是不断加快的。在过渡扩散区内, 会出现浆液析水分层的现象。 (3) 最稳定的是最外层流场, 水和浆液都属于层流状态。而且在试验中, 可以明显的看到稳定的流线, 浆液分层明显, 但是水和浆液不相互干扰, 水的流场相对较稳定, 浆液的流场也是相对稳定的。 (4) 浆液的扩散始终没有将整个裂隙充满。由比较可知, Fluent模型相液也分层, 由里到外依次为充填扩散区, 过渡扩散区和分层扩散区, 且未完全充填整个裂隙。模型模拟结果与试验结果基本一致。
3.2 静压分布结果对比及分析
由裂隙注浆模型试验可得到静压规律: (1) 注浆孔处静压最大, 随着扩散距离的增大静压一直衰减, 直到衰减为零。 (2) 静压衰减在注浆孔处最显著, 随着扩散距离的增大, 衰减速率在减缓。 (3) 注浆速度增大, 静压分布也明显增大。
模拟与试验静压分布对比可知, 试验结果普遍比模拟结果偏大, 推断原因为:在实际的扩散过程中由于水泥颗粒的沉积作用, 颗粒会不断沉积, 以致堵塞裂隙, 阻止浆液的扩散;但是在数值模拟中在计算两相流体运动时, 水泥颗粒的沉积作用是没有考虑进去的, 沉积作用对浆液扩散的阻力是不存在的, 所以试验结果比计算结果偏大。模拟静压分布所得基本规律与试验静压分布基本一致。
4 结论
本文利用Fluent建立岩体裂隙注浆堵水模型, 并通过山东大学研制的准三维裂隙注浆模型系统验证裂隙注浆堵水模型的浆液扩散形态及静压分布。通过室内试验得到了裂隙注浆过程中的一系列基本规律, 如浆液扩散形态规律和浆液静压分布规律, 对裂隙注浆技术做了一些有意义的探索。
摘要：介绍运用fluent成功的建立岩体裂隙注浆堵水模型, 并通过山东大学研制的准三维裂隙注浆模型系统验证裂隙注浆堵水模型的浆液扩散形态及静压分布。通过室内试验得到在动水条件下注浆过程中浆液产生的注浆压力随浆液扩散的分布规律。
关键词：Fluent,水泥浆液,注浆扩散形态,压力分布规律,模型试验,数值模拟
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注浆试验 篇7
1 注浆试验现场的工程地质及水文概况
K129段岩石边坡为顺向坡, 从岩性上看基本由灰岩和部分砂岩组成, 岩层呈单斜构造, 岩层产状为:走向为40°～60°, 倾向为310°～330°, 倾角在38°～46°之间, 其走向与路线方向, 倾向与坡向基本一致。岩层厚度为0.5 m～1.5 m, 层间隙面光滑, 有少量黏土质或岩屑充填, 隙宽1 mm～2 mm。边坡表层发育着的节理主要有两组, 其产状分别为:走向75°, 倾向SE, 倾角60°～70°;走向350°、倾向SW, 倾角70°～75°, 呈X形组合, 前者隙面粗糙, 隙宽1 mm～2 mm, 无充填物, 具微张特征;后者隙面光滑, 隙宽2 mm～4 mm, 黏土充填, 延伸距离大于前者, 延伸长在几米到几十米之间, 但经坡面开挖揭露发现, 局部由于爆破或削坡作用出现大裂隙。
2 锚管注浆试验研究
2.1 主要的仪器设备
主要的设备有:YT-24型钻机1台;BWT-8Y液压注浆泵1台, 其最大输出压力为8 MPa;压力表两个, 其最大量程为0 MPa～4 MPa;立式水泥搅拌机1台, 其搅浆能力为167 L/min～250 L/min;水泥浆输送和回浆管各一根;自制钢接头一个;JMDL-2110A智能数码位移计一个。
2.2 注浆试验工艺
首先搭好施工平台, 然后采用YT-24凿岩机进行钻进, 开孔直径为40 mm, 孔深为4 m～6 m, 水平角为20°, 孔隙偏差按规定不超过1%, 其孔位布置图如图1所示。
2.3 试验流程
试验流程见图2。
2.4 注浆中注浆压力的控制方法
在进浆管、回浆管及注浆锚管之间有一自制钢接头连接, 上面附有压力表和两个流量控制开关, 一个控制进浆管的流量, 一个控制回浆管的流量。通过控制开关来调节流量的大小达到调节压力的目的。
2.5 注浆中地表位移监测及注入率的确定方法
事先将观察孔打入地层8 m深 (比注浆孔要深) , 在孔中插入长铁管 (10 m) , 将铁管下半部固紧以作为不动点, 然后在铁管露出坡面部分安一根横向钢管, 横向钢管升到注浆孔位置附近, 再安装JMDL2110智能数码位移计进行监测, 防止岩层发生过大的抬动。注入率的确定方法:每1 min测量浆液搅拌机 (双层:上层搅浆, 下层可以储浆) 中液面下降的高度1次, 再由液面下降的高度乘以圆形搅拌机截面积得到每分钟的注入量即注入率。
2.6 注浆实验结果分析
图3～图5是注浆中得出的一系列关系:
1) 从图3和图4可以看到, 图5中由于其裂隙和其中存在黏土质或其他充填物形成了封闭空间, 随着注入量的不断增加, 其浆液在有限空间中的填满, 其注入难度会不断增大, 而其可提供的最大注入压力不能超越临界扩散压力, 所以造成注入率同注浆压力呈下降趋势, 而图中看出恰好有明显的反比关系;同样在图4中可以看到同一注浆压力下, 其注入率随时间呈明显的线性减小。在图5中可以看到在注浆压力达到1.7 MPa时, 注入率和压力突然发生变化 (智能位移计没有大的变化) , 注入率增大, 而注浆压力减小, 这主要是由于较高的注浆压力劈开裂隙形成新的渗流通道所致[3]。
2) 注浆扩散范围具有不规则性:由于岩石层理间裂隙中存在不同的充填情况, 而造成水泥浆在扩散过程中各个方向遇到不同阻力从而出现扩散的不规则性。在实验一区I4孔注浆中, 中间检查孔没有出现冒浆, 而在与I4孔相隔4 m的地方一表面裂隙中出现大的冒浆。从表面裂隙渗出的水泥浆进行封堵情况中发现, 水泥浆并没有沿着其孔周围的所有裂隙进行渗透, 还有部分裂隙中没有水泥浆进入, 因此在没有考虑岩体裂隙充填情况下, 根据孔周围的裂隙分布采用蒙特卡洛法而获得岩体裂隙注浆过程模拟还是具有较大的不准确性。
I5, I6, I7由于其孔周围可能遇上大的裂隙带而出现开始时注浆压力为0, 水泥浆液直往注浆锚管中进浆, 回浆管中没有流出, 其注入率一直保持在40 L/min左右, 经采取减小水灰比的办法没有获得效果, 最后采取让其间歇一段时间再用水泥灌注水泥砂浆的办法获得解决。
3 结语
1) 在注浆中, 虽然注浆压力的增大其注入率在不断下降, 但其注入量一直在不断增加;同时注浆压力的提高, 可以为消除扩散空间的封闭性进一步增大扩散范围和相应的提高注入量, 从而达到更好的注浆效果作准备。2) 介质充填物的存在对浆液在岩体中的渗流规律有很大的影响, 因此在模拟岩体裂隙注浆时, 不仅要调查岩体中的节理裂隙规律, 还要对其中的充填情况作进一步的调查。3) 由于注浆中, 水泥浆从表面裂隙中渗出, 影响注浆压力的进一步提高, 因此需要在注浆前, 在表面上喷射一层混凝土进行处理, 以获得更好的扩散效果。
参考文献
[1]廖树钟, 郑志钟.注浆技术在隧道围岩中的应用[J].重庆交通学院学报, 2001, 20 (2) :103-105.
[2]中国岩石力学与工程学会岩石锚固与注浆技术专业编委会.锚固与注浆技术手册[M].北京:中国电力出版社, 1999.