單裂隙注漿填充電阻演化規律的試驗研究

王海龍，黨志琴，徐志強，劉 冬，齊文彬

（河北建筑工程學院土木工程學院，河北張家口 075000）

目前越來越多的隧道工程經過斷層破碎帶，破碎帶中裂隙分布的廣泛性，對隧道施工影響很大。近50年來，有關漿液在裂隙中的填充已經成為隧道工程的一個重要課題［1-3］。研究注漿填充理論的方法之一是室內模擬試驗。由于不可控制因素過多，試驗結果離散性較大，因此裂隙室內注漿試驗主要集中在單裂隙模擬試驗上。

比較成功的是奧地利學者進行的單裂隙模擬試驗，用混凝土澆筑成2 m×1 m×1 m的模型，經過特殊的劈裂形成裂隙，對其注漿，最終建立注漿流量、注漿壓力和擴散距離三者之間的關系［4］。該模型采用混凝土制作，其吸水率跟實際差別很大，且忽略了現實中大多數不規則的裂隙，具有隨機性，可以用分形維數近似表示裂隙的幾何形態［5］。劉人太等［6］考慮動水條件下，速凝漿液在單一裂隙中的擴散模擬試驗，分析了漿液擴散形態、漿液壓力場變化規律及留存率等規律。李術才等［7］考慮漿液時變性，通過平板模擬試驗，分析了定注漿流量條件下，水泥-水玻璃漿液的擴散規律。孫子正等［8］通過單裂隙模擬試驗，研究了靜水條件下，注漿壓力與擴散分布規律。羅平平等［9］針對傾斜單裂隙進行了研究。張改玲等［10］對化學漿液在單一裂隙中的擴散進行了研究，分析了堵水效果與動水流速成負相關關系。而這些研究模型大多數采用平直、光滑、不透水的邊界條件，但是現實中隧道破碎帶注漿裂隙的特點是不規則、含雜質、透水性很大。室內試驗模擬過于理想化，難以對隧道斷層破碎帶注漿提供合理的指導。

斷裂層破碎帶多為沉積巖，含砂質、填充物、吸水率大是其比較普遍的特點［11］。本文針對隧道斷層破碎帶粗糙、透水的邊界條件，采用黃砂巖制成單裂隙模擬材料與實際較為相符。以此研究注漿的填充規律，為隧道施工中破碎帶注漿提供一定的參考。

1 材料和方法

1.1 試驗原理

1）控制主要因素、忽略微小因素。沿長度方向對單裂隙注漿，壓力因能量轉換，沿長度方向必然下降。而單裂隙是由黃砂巖試塊通過PVC（Polyvinyl chloride，聚氯乙烯）圓管鏈接而成，因PVC 管的光滑程度要遠遠大于劈開黃砂巖表面的光滑程度，并且黃砂巖裂隙表面滲透系數很大，而PVC 管幾乎無滲透。所以忽略PVC 管的壓力損失，單裂隙長度僅與黃砂巖試塊有關。

2）相似性原理。黃砂巖是沉積巖的一種，強度低，吸水率高。黃砂巖由細顆粒的砂子結交而成，自然表面是粗糙的細顆粒狀。內部有許多孔洞，質地疏松、孔洞容易積水、抗凍融性能和耐候性都較差，容易斷裂、破碎。因網絡裂隙過于復雜，研究注漿往往從單裂隙入手，而從實際斷層破碎帶中取單裂隙模型研究顯然不可能。為此，需要選取一種相對具有代表斷層破碎帶巖體性質的巖石來進行模擬試驗。經過對比分析，選取黃砂巖作為單裂隙模擬材料。

1.2 試驗設計

1.2.1 單裂隙模型設計

單裂隙由12塊黃砂巖樣組成，每塊黃砂巖長度為12 cm，將黃砂巖用一定的方法制成相應開度的裂隙，黃砂巖與黃砂巖之間采用直徑6 cm 的PVC 管連接。忽略連接管中的能量損失，單裂隙總長度為144 cm。裂隙入口布置壓力表，檢測初始注漿壓力，每隔24 cm布置壓力表，檢測沿裂隙長度方向壓力的變化，壓力表量程0.6 MPa；萬用表從第2 塊試塊開始布置，每隔24 cm 布置1 塊，檢測沿裂隙長度方向電阻的變化，萬用表量程為200 Ω 到200 MΩ。單裂隙試驗設計模型如圖1所示。

圖1 單裂隙試驗設計模型示意

試塊模型制作流程：①將黃砂巖用WHY-2000 壓力試驗機劈開；②用AB 膠將墊片（100 mm×3 mm×3 mm）粘成試驗裂隙要求的開度，放置30 min；③將2條同厚度的墊片用AB 膠粘在劈開的巖石上，墊片與墊片的距離為15 mm，放置30 min；④把另一塊巖石用AB 膠與其粘在一起，放置30 min；⑤注漿管及導線按照試驗設計安置在巖石裂隙端部，用封口膠對試塊進行封邊，放置24 h。

組裝步驟：首先在亞格力板上均勻鋪設一定厚度的土；再將12 塊試塊鋪在土層上面，試塊與試塊之間需要安裝壓力表的用三通連接，不安裝壓力表的用二通連接；然后在試塊周圍覆一定厚度的土并壓實、壓平；最后用螺絲將模型上下兩側及四周進行固定，組裝如圖2所示。

圖2 組裝示意

1.2.2 注漿試驗裝置設計

注漿試驗裝置主要由注漿系統、擴散檢測系統、裂隙系統和排氣系統4部分構成。注漿系統由注漿機和穩壓管組成，注漿機最大注漿壓力為3.0 MPa；穩壓管采用抗測壓20.0 MPa，直徑12 mm 的天然氣管。擴散檢測系統主要由壓力表和萬用表組成。裂隙系統主要由12塊劈裂的黃砂巖構成。排氣系統，主要是排氣閥部分，利于空氣的排放并防止漿液溢出。注漿試驗裝置見圖3。

圖3 注漿試驗裝置

1.2.3 注漿材料設計

試驗注漿材料采用水灰比1∶1的水泥漿液。水泥為32.5R 的普通硅酸鹽水泥，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求，應用范圍廣泛。根據文獻［12］水灰比1：1的水泥漿液為賓漢流體。

1.2.4 試驗內容

1）漿液電阻試驗。在距離、體積、溫度、時間等相同條件下，測定固定容器中不同水灰比漿液的電阻。

2）注漿試驗。調整注漿壓力，當壓力穩定到0.2 MPa時，打開注漿開關開始記錄不同時間的電阻和壓力。當排氣閥有漿液流出時，關閉閥門。注漿過程中控制初始壓力恒定。注漿3 min，數據監測10 min。

2 結果與討論

2.1 電阻與水灰比的關系

在同一組漿液電阻試驗中，電阻隨時間的推移而增大；前期數值變化較快，注漿3 min 時數值相對穩定。其原因是漿液中顆粒的吸附與凝聚作用由快到慢，水泥沉積，水灰比變小，漿液變稠，離子數目減少，相應的電阻變大。注漿3 min 后離子數目相對穩定，電阻變化緩慢，所以采用注漿3 min 的電阻作為注漿試驗的主要參考。

注漿3 min時不同水灰比水泥漿液電阻曲線見圖4。可知，隨著水灰比的增大，電阻逐漸變小。漿液的電阻與導線之間的距離、漿液體積、稠度等多個因素有關，盡管所測的電阻曲線不能說明某個水灰比漿液的具體電阻，但是同等條件下測量不同水灰比漿液的電阻曲線卻能說明電阻隨著水灰比的增大有減小的趨勢，即電阻與水灰比負相關，說明水灰比沿長度方向逐漸減小。同一組試驗中，電阻隨時間的增加而不斷變大也進一步證明了這個關系。

圖4 注漿3 min時不同水灰比水泥漿液電阻曲線

2.2 單裂隙填充電阻演化過程

通過萬用表檢測注漿60，180，300，420 s的電阻并繪制曲線，見圖5。

圖5 不同時間電阻隨位置的變化曲線

由圖5可知：注漿180 s 時電阻沿單裂隙長度方向先逐漸增大，由1 040 kΩ 增加到1 500 kΩ。在擴散距離60 cm 處出現電阻最大值，說明此處水灰比最小，漿液最稠。隨后電阻沿著長度方向急劇下降，在擴散距離70～90 cm 之間減幅很大，近似成直線型急劇減小，由1 500 kΩ 降低到80 kΩ，擴散距離95 cm的位置出現電阻最小值，說明此處相應的水灰比最大，漿液最稀。從擴散距離100 cm 開始，電阻再次沿長度方向增大，但第2次電阻上升的幅度遠遠小于第1次電阻上升的幅度，由80 kΩ 上升到720 kΩ，說明水灰比小幅度降低。注漿60，300，420 s時電阻曲線都有類似的規律。注漿過程中，水灰比的變化即漿液的稠度明顯與注漿位置有關。

綜上所述，從注漿起始位置到100 cm，電阻的大小關系為注漿60 s<注漿180 s<注漿300 s<注漿420 s。末端的電阻，大小關系不明確。原因是：測量電阻的導線布置在試塊底面；隨著時間的增加，水泥漿液持續沉積，底部的水灰比越來越小，所以檢測到的電阻隨著時間的增加越來越大。末端水灰比較大，水灰比變化的主要原因是黃砂巖的吸水作用，當吸水飽和時，電阻變化相對較小。總體來說裂隙中漿液水灰比的變化與時間負相關。

2.3 裂隙填充截面飽和度分析

注漿結束后放置7 d，等水泥漿液硬化產生一定強度后，對模型中檢測電阻的黃砂巖試塊從中間切割，觀察裂隙截面填充效果。裂隙在長度18，42，66 cm 截面處填充效果較好，90，114，138 cm 截面處能明顯看到孔隙，其中90 cm 截面處空隙最大。沿擴散方向電阻檢測位置的裂隙斷面見圖6。

圖6 沿擴散方向電阻檢測位置的裂隙斷面圖

不同位置截面及孔隙面積見表1。截面飽和度=1-孔隙面積/截面面積。可知：截面飽和度的變化與距離有關，從起始位置到延長70 cm，截面飽和度逐漸升高，孔隙率較小，平均飽和度93.26%；從延長70 cm 到90 cm，截面飽和度急劇降低，飽和度降到63.78%，相對前段降低29.48%。從延長95 cm 到144 cm，飽和度緩慢增大，平均飽和度78.13%，相對首段降低15.13%。

表1 不同位置截面及孔隙面積

截面飽和度與檢測到的電阻數據變化趨勢基本一致，電阻較大的位置裂隙注漿基本飽和，電阻較小的位置注漿飽和度較差，見圖7。

圖7 電阻與飽和度對比

2.4 注漿過程中水泥沉積規律的討論

根據流體力學理論，在注漿壓力、裂隙開度及漿液水灰比一定時，漿液在裂隙中流動的速度與擴散距離成反比。隨著漿液擴散距離的增大，水泥漿液流速減小，水泥顆粒的動能降低，導致水泥顆粒在某一位置必然發生沉積。在重力作用下，沉積速度增加，這是沉積發生的力學原因。水泥顆粒之間由于吸附、凝聚作用形成小團體，加快了沉積過程，這是沉積發生的化學原因。裂隙模型由黃砂巖制成，黃砂巖吸水率很大，這是沉積發生的物理原因。注漿過程中，水泥顆粒不斷沉積，形成“脊背”［13］。裂隙的有效高度不斷被縮小，試驗過程中，因注漿壓力保持不變，有效高度縮小后進漿率減小，漿液的流動速度隨之變小，導致在擴散距離更近的位置形成“脊背”，隨著注漿的進行，裂隙被逐漸填滿。“脊背”大大縮小了裂隙的有效高度，但稀漿液會從脊背上部未被填充的空隙中流過，致使“脊背”后方漿液的水灰比很大，出現密實度急劇降低的填充段。稀漿液會繼續沿長度方向擴散，稀漿液中的水部分被黃砂巖吸收，漿液水灰比再次變小，濃度逐漸變大，填充也逐漸密實，形成后一段的填充。此階段的填充密實度要遠遠小于第1階段的密實度，注漿充填過程示意見圖8。

圖8 注漿充填過程示意

3 結論

1）相同條件下，電阻隨水灰比的增大而減小，電阻與漿液水灰比反相關。

2）單裂隙注漿填充沿長度方向分填充密實階段、電阻急劇下降階段和電阻緩慢上升階段3個階段。實際工程中，填充密實階段是注漿擴散加固范圍確定的依據。后2個階段，因密實度偏小，實際工程中可以將此忽略。

3）室內注漿模擬試驗中，用電阻檢測水灰比的變化是可行的，為注漿工程提供一種參考檢測手段。