巖溶區(qū)地下孔洞多孔充填體的力學(xué)性能研究

覃開柱 程 峰 袁桂權(quán) 盧國銘

（桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

我國巖溶地貌分布十分廣泛，分布面積約為345萬km2，占國土面積的30%以上，類型也比較多樣化，以碳酸鹽巖等可溶性巖為主，碳酸鹽巖類巖石占我國巖溶總面積的1/4，分布遍及全國各地，其中以廣西、云南、貴州、四川等西南地區(qū)省份最為突出[1-2]。我國西南地區(qū)的巖溶地貌根據(jù)巖溶發(fā)育成因，主要分為溶蝕類型、溶蝕-侵蝕類型以及溶蝕-構(gòu)造類型這三種類型，其中以溶蝕為主要類型[3-4]。巖溶地貌因溶蝕作用導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形破壞，從而形成大量地下孔洞、裂隙和暗河等地下徑流通道，這些地下徑流通道是發(fā)生塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的重要原因[5]。地下孔洞的形成以及塌陷的原因是地下水的滲流作用，地下水的滲流作用會對地下孔洞周邊的巖土體產(chǎn)生沖刷和侵蝕，并將周邊巖土及泥沙沖走，從而導(dǎo)致地下孔洞的進一步擴大。久而久之，會造成地面塌陷、河流枯竭、建筑物傾斜甚至倒塌等災(zāi)害，不僅會造成大量的經(jīng)濟損失，而且還會危及公共安全。

對于巖溶塌陷的治理，目前最常用的方法為注漿填充技術(shù)，常用的充填材料有混凝土、水泥砂漿等無機材料。雖然混凝土、水泥砂漿等材料的強度很高，能滿足工程的需要，但由于其透水性能較差，無法解決地下水的滲流問題，使得地下水在流經(jīng)充填體時無法正常通過，從而對充填體周邊的巖土體產(chǎn)生沖刷、侵蝕和搬運作用，使得充填體的周圍形成新的孔洞，進而再次引發(fā)巖溶塌陷。當(dāng)遇到地下水流比較湍急的情況，直接注入溶洞內(nèi)的混凝土、水泥砂漿等充填材料極易被湍急的水流沖走，造成大量的工程浪費。

為有效治理巖溶區(qū)地下孔洞的塌陷，解決傳統(tǒng)充填體透水性能差、耗材量大等問題，設(shè)計一種用于治理孔洞塌陷的多孔充填體結(jié)構(gòu)，并對充填體進行軸心抗壓試驗，分析不同配合比下充填體的抗壓強度和透水性，驗證該充填體的工程適用性和可靠性，并確定充填材料的最優(yōu)配合比。

1 試驗材料及試樣制備

1.1 試驗材料

本試驗所用的巖溶充填材料是由水泥、添加劑和水混合制成，其中添加劑包括濃縮型高效水泥發(fā)泡劑、混凝土發(fā)泡劑、混凝土膨脹劑。水泥為市售普通硅酸鹽水泥（P·O32.5）；濃縮型高效水泥發(fā)泡劑由鄭州市鵬翼化工建材有限公司生產(chǎn)，外觀呈黏稠液體，固體含量為50%±2%，pH值為6～7；混凝土發(fā)泡劑由深圳市瑞遠建材化工有限公司生產(chǎn)，外觀呈粉末狀，發(fā)泡劑中含有聚氨酯、三氯氟甲烷、低含氫聚硅氧烷、端烯丙基聚醚、十二烷基硫酸鈉（SDS）和十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）等有機化合物，其中十二烷基硫酸鈉（SDS）和十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）為表面活性劑，在水溶液中能夠有效地降低液體的表面張力，使發(fā)泡劑具有良好的發(fā)泡性能和膨脹性能[6]；混凝土膨脹劑成分以硫鋁酸鹽為主，由萊陽市宏祥建筑外加劑廠生產(chǎn)，能提高充填材料的密實度，使其產(chǎn)生適度的膨脹，克服充填材料的干燥收縮，達到增加強度的效果；試驗用水采用普通自來水。

1.2 充填材料的作用機理

在巖溶區(qū)中，碳酸鹽膠結(jié)物、硅質(zhì)膠結(jié)物以及黏土礦物是比較常見的幾種膠結(jié)物。水泥的水化反應(yīng)會產(chǎn)生大量的熱量，促使膠結(jié)物電離出礦物離子，礦物離子與周圍水分子產(chǎn)生聚集效應(yīng)，具有一定的吸附作用[7-8]。再者巖溶充填材料中所含的有機化合物大部分都為高分子有機化合物，所含的能量較大，當(dāng)?shù)V物離子與有機化合物相遇時也會產(chǎn)生一定吸附作用[5,7,9]，同時巖體周圍的礦物電解質(zhì)的活度系數(shù)減小，介電常數(shù)降低，從而礦物顆粒與有機化合物會形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體，使巖溶充填材料能很好地吸附在巖壁上[5]。

1.3 充填材料的制備

水泥、添加劑的重量比為1∶0.01、1∶0.015和1∶0.02（即添加劑配合比分別為1%、1.5%和2%），水泥和水的重量比為1∶0.4，由此配制得到3種不同配合比的充填材料，分別將其稱為充填材料A、充填材料B和充填材料C，其中添加劑組成材料的重量比為：濃縮型高效水泥發(fā)泡劑∶混凝土發(fā)泡劑∶混凝土膨脹劑=1∶1∶1。為了對比添加劑的作用效果，還制備了不添加添加劑的水泥凈漿作為對比。

充填材料的制備過程為：將稱量好的自來水和混凝土發(fā)泡劑先后倒入水泥凈漿攪拌機中，先以低轉(zhuǎn)速攪拌1min，再以高轉(zhuǎn)速攪拌5min，打出大量輕質(zhì)泡沫后，再將稱量好的水泥、濃縮型高效水泥發(fā)泡劑和混凝土膨脹劑分別倒入水泥凈漿攪拌機中，高轉(zhuǎn)速攪拌5min以上至材料完全均勻，根據(jù)不同的設(shè)計配合比稱量不同質(zhì)量的原材料，即可得到試驗所需的充填材料。

1.4 試樣的制備

試驗所采用的模具尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm。為了制成可通過徑流的多孔充填體試樣，在試樣中放置了塑料吸管，其中，塑料吸管的長度為70mm，內(nèi)徑為6mm，外徑為7mm。為了防止制樣時塑料吸管發(fā)生移位，達不到試驗預(yù)想效果，試樣制備前對試驗?zāi)＞哌M行了一些改進。先使用打孔機在模具的兩側(cè)均勻打上直徑略小于吸管外徑的孔洞，孔洞在模具兩側(cè)中央呈3×3均勻排布，每個孔洞之間的距離約為15mm。

制備試樣時，用細木棒從模具外兩側(cè)的孔洞插入布設(shè)在模具內(nèi)橫放的塑料吸管內(nèi)，將其固定。為了防止制樣時塑料吸管堵塞和移位，同時防止模具內(nèi)的漿液從孔洞流失，細木棒的直徑與孔洞的直徑幾乎相同。將制好的充填材料倒入模具中，放在振動臺上振動，將模具內(nèi)的氣泡排出使試樣充分密實即可得到試樣，如圖1所示。將制備好的試樣貼上標(biāo)簽，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護48h后脫模。為了方便脫模，往模具倒入充填材料前在模具的內(nèi)壁涂上一層潤滑油。將完成脫模的試樣置于室內(nèi)陰涼的地方養(yǎng)護至規(guī)定齡期，養(yǎng)護期間每天多次澆水，確保試樣能達到正常的強度。將達到養(yǎng)護齡期的試樣進行單軸抗壓強度試驗，試驗破壞后的試樣如圖2所示，每組試驗以3個平行試樣的平均值作為試驗結(jié)果。

圖1 待脫模的試樣

圖2 受壓破壞后的試樣

2 試驗結(jié)果與分析

對不同添加劑配合比和不同養(yǎng)護齡期的試樣進行單軸抗壓強度試驗，試驗結(jié)果如表1所示。為了定性分析充填材料的抗壓強度與添加劑配合比和養(yǎng)護齡期的關(guān)系，繪制抗壓強度與添加劑配合比關(guān)系曲線和抗壓強度與養(yǎng)護齡期關(guān)系曲線，如圖3、圖4所示。

表1 各組試樣的抗壓強度試驗結(jié)果

圖3 抗壓強度與添加劑配合比關(guān)系

圖4 抗壓強度與養(yǎng)護齡期關(guān)系

由圖3可知，7d養(yǎng)護齡期時，隨著添加劑配合比的增大，試樣的抗壓強度呈現(xiàn)降低趨勢；28d養(yǎng)護齡期時，隨著添加劑的加入，試樣的抗壓強度大幅度降低，加入添加劑后，隨著配合比的增大，抗壓強度呈先增大后降低的趨勢；由于添加劑的加入，巖溶充填材料的體積膨脹，單位體積內(nèi)的質(zhì)量減小，從而使抗壓強度相應(yīng)的減小。

由圖4可知，隨著養(yǎng)護齡期從7d增加至28d，試樣的抗壓強度增大，對于水泥凈漿和配合比1.5%的試樣，強度增加的幅度較大，對于配合比1%和2%的試樣，強度增加的幅度較小。隨著養(yǎng)護齡期的增加，水泥的水化反應(yīng)得以充分的進行，水化產(chǎn)物增多，結(jié)構(gòu)的密實性增大，從而使試樣強度增大。

由表1可知，不論是7d養(yǎng)護齡期還是28d養(yǎng)護齡期，水泥凈漿試樣的抗壓強度均為最大，加入添加劑后，除了1%配合比7d齡期的試樣外，其余試樣的抗壓強度均比水泥凈漿試樣的抗壓強度降低50%以上。對于7d養(yǎng)護齡期的試樣，除水泥凈漿試樣外，當(dāng)添加劑配合比為1%時試樣的抗壓強度最大，其平均強度為4.81MPa。所以，對于7d養(yǎng)護齡期的試樣，其最優(yōu)配合比為1%。對于28d養(yǎng)護齡期的試樣，除水泥凈漿試樣外，當(dāng)添加劑配合比為1.5%時試樣的抗壓強度最大，平均強度達到了10.03MPa，相比于7d養(yǎng)護齡期試樣的抗壓強度增加較大；其他兩個比例試樣的抗壓強度相比于7d養(yǎng)護齡期試樣的抗壓強度增加較小。所以，對于28d養(yǎng)護齡期的試塊，其添加劑最優(yōu)配合比為1.5%。

針對本次試驗，對于7d養(yǎng)護齡期的試樣和28d養(yǎng)護齡期的試樣，考慮到實際工程應(yīng)用中的長久性以及巖溶充填材料的耐久性問題，應(yīng)以28d養(yǎng)護齡期的試樣為主要分析對象，考慮到本次試驗缺陷性、試驗誤差和比例間距較大等因素，建議該充填材料添加劑的最優(yōu)配合比應(yīng)在1.5%左右。

3 結(jié)束語

（1）對于7d養(yǎng)護齡期時，隨著添加劑配合比的增大，試樣的抗壓強度呈現(xiàn)降低趨勢；28d養(yǎng)護齡期時，隨著添加劑的加入，試樣的抗壓強度均有大幅度降低，加入添加劑后，隨著配合比的增大，抗壓強度呈先增大后降低的趨勢；由于添加劑的加入，巖溶充填材料的體積膨脹，單位體積內(nèi)的質(zhì)量減小，從而使抗壓強度相應(yīng)的減小。由此可見，添加劑對巖溶充填材料的抗壓強度影響較大。

（2）隨著養(yǎng)護齡期從7d增加至28d，試樣的抗壓強度增大，對于水泥凈漿試樣和配合比1.5%的試樣，強度增加的幅度較大，對于配合比1%和2%的試樣，強度增加的幅度較小。可見，養(yǎng)護齡期對水泥凈漿和配合比1.5%的充填材料的影響較為顯著，對配合比1%和2%的充填材料的影響不顯著。

（3）不論是7d養(yǎng)護齡期還是28d養(yǎng)護齡期，水泥凈漿試樣的抗壓強度均為最大，加入添加劑后，試樣的抗壓強度降低。對于7d養(yǎng)護齡期的試樣，當(dāng)配合比為1%時試樣的抗壓強度最大，平均強度為4.81MPa；對于28d養(yǎng)護齡期的試樣，當(dāng)配合比為1.5%時試樣的抗壓強度最大，平均強度達到了10.03MPa。考慮到實際工程應(yīng)用中的長久性以及巖溶充填材料的耐久性問題，應(yīng)以28d養(yǎng)護齡期的試樣為主要分析對象，該充填材料的最優(yōu)配合比應(yīng)在1.5%左右。

總之，本研究所設(shè)計的多孔充填體結(jié)構(gòu)能保證巖溶塌陷治理工程中的強度要求，還具有一定的透水性，能有效解決地下水的滲流問題，適用于徑流型巖溶區(qū)孔洞的治理。