巖土滲透破壞及其注漿防治研究綜述

秦鵬飛，朱利穎，王文菁

（1.重慶交通大學水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074；2.黃河科技學院工學部，河南 鄭州 451000）

0 引言

地下水廣袤賦存在各種地下結構和巖土介質中，土的破壞常常是由土中水及其滲流引起的。巖土項目建設中常見的工程事故，如基坑突涌、堤防流土流沙、隧道冒頂坍塌等，有很大部分是強水頭誘發的滲透破壞，進而導致的工程災害[1-4]。Darcy 與非Darcy 滲流條件下，巖土介質均可能發生滲透破壞，非Darcy 滲流狀態下破壞后果較嚴重，破壞形式常表現為管涌、流土、接觸沖刷和接觸流土等[5-6]。

通過注漿可有效封堵地下水的滲流通道，顯著提升巖土介質的整體物理力學性能，實踐表明注漿技術目前是滲透破壞防治的有效方法（圖1）。本文對管涌、流土等滲透破壞的發生機理進行了研究分析，然后結合工程對注漿防治理論、防治材料進行了系統剖析。

圖1 滲透破壞與注漿防治Fig.1 Seepage damage and grouting prevention

1 滲透破壞機理

地下水在裂隙巖體、砂礫石土中有壓流動時，巖塊或土顆粒承受地下水產生的浮力及滲流力作用，導致巖土介質的強度和應力狀態發生變化。巖土介質力學性質的改變會反作用于滲流場中的水體，改變其滲流方向和滲流速度。巖土結構中存在滲流場和應力場的復雜耦合作用，特定情況下地下水的滲流會導致巖土介質的變形、破壞。滲透破壞（Seepage failure）是指在強滲流場作用下，土工構筑物或地基的變形和破壞。滲透破壞的主要表現形式為流土和管涌，在工程分析中常被稱為滲透變形（Seepage deformation）或滲透失穩（Instability due to seepage）[7-9]。

滲透破壞的發生取決于巖土介質自身的幾何性狀，同時受外部水力因素的顯著影響。巖土自身幾何性狀包括顆粒級配、密實度、顆粒形態，外部水力因素則主要包括水力梯度的大小及作用方向等。級配良好、結構穩定的巖土體抗滲性能較強，通常不會發生滲透破壞，高水頭作用下只發生溢流出口的淺層流土破壞，而級配均勻、密實度小的土體抗滲能力差，高水頭作用下可能發生貫通深部的管涌破壞。

1.1 流土

流土是指在方向向上的滲透力作用下，土體中的顆粒群同時起動而流失的現象。流土是否發生與滲流力大小緊密相關，當滲流力大于土體顆粒的有效重力時，顆粒間有效應力喪失，局部土體或者顆粒群同時發生懸浮和移動，巖土結構遭到破壞。砂土中的流土破壞主要表現為砂沸、泉眼群等，而黏性土中的流土破壞主要表現為土塊隆起、膨脹、浮動等[10-12]。在2 種不同滲透性質的土層交界面，垂直水流將細顆粒沖進另一層土稱為接觸流土；而在土層與基礎結構的交界面，水流將土顆粒沿界面沖走的現象稱為接觸沖刷[13-14]。

雙層地基是土木、水利等項目建設中經常揭露的不良地質，雙層地基中薄弱的黏土區域發生流土破壞的潛在可能性較大。假定某一雙層地基承受水頭差作用，取半徑為a，厚度為l 的圓柱狀黏土層對其滲透破壞機理進行分析揭示（圖2）。該圓柱狀薄弱區域承受向上的滲透力J、向下的重力G 和剪應力τ，當向上的滲透力逐漸增加達到臨界值時，應力平衡狀態被打破，黏土層發生流土破壞[15-16]。臨界平衡狀態為：

圖2 流土破壞機理分析Fig.2 Soil-flow failure and mechanism analysis

式中：γ′為黏土層的浮重度，kN/m3；γw為水的重度，kN/m3；c 為土的黏聚力，kPa；φ 為土體內摩擦角，（°）；icr為臨界水力坡降，可化簡為：

σ 為圓柱破壞面上的法向應力，可由朗肯土壓力理論計算求得：

式中：K0為靜止側壓力系數，K0=1-sin φ。

考慮式（3），則流土破壞的臨界水力坡降可表示為：

1.2 管涌

管涌是指在滲透力作用下，巖土介質中細小顆粒在骨架孔隙中運移流失的現象。管涌的發生機理為在一定滲透梯度和滲流速度的動水環境中，土體骨架間的可動細顆粒被水流帶走，逐漸形成穿越土體的細小滲流通道[17-18]。隨著滲流作用的加劇，土體貫通孔隙越來越大，最終掏空土體形成連續涌水通道（圖3）。管涌多發生在細砂、粉砂等無黏性土中，管涌方向與滲流方向一致。

圖3 管涌機理分析Fig.3 Piping mechanism analysis

管涌在巖土項目建設中具有頻發性、高危害性特征，其發生-發展機理復雜。研究表明，管涌是伴隨孔隙水滲流、細顆粒運移流失和多孔介質骨架形變的多場多相耦合過程，常需結合理論分析、模型試驗、數值計算等方法進行綜合探測。管涌發生初期，巖土介質的細小顆粒受孔隙水流沖刷侵蝕作用，發生自由跳動后跟隨水流運移流失，此時土體的粗、細顆粒發生位置移動、調整，致使土體的宏微觀結構產生響應和改變。地下水滲流場受巖土應力場動態影響，導致孔隙水壓力的分布呈現復雜且對巖土介質整體穩定性不利的特征[19-20]。伴隨著侵蝕的加劇和流失量的增加，土體的防滲、承載性能逐漸降低，而多孔介質的骨架結構、平衡狀態，在滲流場變化過程中受到波動和沖擊，也在不斷劣化、衰退。管涌機理的深刻揭示，可考慮從“滲流-侵蝕-應力”全耦合的角度建立數學物理模型，以研究其發生、發展、破壞機制。

2 注漿防治技術

通過注漿可以顯著改善土體的物理力學性質，有效提升巖土介質的防滲性能。注漿是指通過鉆孔并置入管路的方式，利用液壓、氣壓將水泥或化學漿材注入不良土層中，漿材經化學反應后形成力學性能良好的結石凝膠體，從而達到改良土質、防滲加固的地基處理方法[21-22]。常見注漿方式有滲透注漿、壓密注漿和劈裂注漿等（圖4），在水利、隧道、礦山和工民建方面都有廣泛應用。

圖4 注漿漿液擴散機理Fig.4 Diffusion mechanism of grout

2.1 注漿理論

球形擴散理論、柱形擴散理論、袖套管法理論及單平板裂隙理論，以其體系嚴謹、計算精準，在滲透注漿（Penetration grouting）理論研究中占有重要地位。Maag、Baker、Wallner、G.Lombad 及劉嘉才等人以這些理論研究為基礎，分別推導了注漿壓力衰減、漿液擴散分布的計算公式。其中Maag 公式[23]較具有代表性，工程應用最廣。Maag球形擴散計算式為，柱形擴散式為

式中：R1為漿液球形擴散半徑，cm；R2為漿液柱形擴散半徑（為隱函數），cm；k 為砂土滲透系數，cm/s；h0為球形擴散壓力水頭，cm；h1為柱形擴散壓力水頭，cm；r0為注漿孔半徑，cm；t 為注漿時間，s；β 為漿液黏度與水的黏度比；n 為砂土的孔隙率。

壓密注漿（Compaction grouting）是利用水灰比較小的黏稠漿液，強行擠壓土體，通過化學膠結、離子交換及擠壓膨脹等作用，實現土體加固的注漿方式。劈裂注漿（Splitting grouting）則是施加持續增大的注漿壓力，將土層啟劈并形成縱橫交錯的網狀漿脈，起到加筋和加固作用的注漿方式。漿液的擴散方式與注漿壓力大小緊密相關，低壓灌注時主要表現為滲透作用方式，高壓時則表現為劈裂和壓密作用方式。其中劈裂注漿是壓密-劈裂-滲透循環作用的過程，劈裂注漿發生時伴隨有壓密和滲透等其它作用方式[24]。

2.2 注漿材料

注漿材料是注漿技術發展的關鍵環節，新注漿材料發明往往會推動注漿技術的蓬勃發展。水泥類漿材目前主要有復合水泥、超細水泥等，化學類漿材主要有水玻璃、丙烯酸鹽、環氧樹脂、聚氨醋等。

2.2.1 復合水泥與超細水泥

通過摻加激發劑或改性材料形成的復合水泥，可顯著提升注漿材料的膠凝、流動及力學性能。以硅酸鹽水泥、工業廢渣為原料，通過堿激發方式制備的新型水泥基材料EMCG（Efficient Material of Cement-based Grout），具有流動性好、水化礦物致密、漿-巖膠結力強等特性[25]；以鋼渣為礦物摻合料制備的復合水泥膠砂，可有效延緩水泥漿液凝結時間，水化反應形成的C-S-H、C-A-S-H凝膠，則可顯著提高結石體的抗侵蝕性能；以水溶性聚氨酯（PU）和其它微量組分研制的復合型硫鋁酸鹽水泥（SAC）[26]，具有泵送性能穩定、快硬早強微膨脹等優良特性。

超細水泥分散性好、比表面積大、活性高，超細水泥漿液具有與化學漿液相同的良好滲透性。超細水泥漿液穩定性極高，水灰比1.4∶1、1.6∶1 的超細水泥漿液，其析水率分別為4.6%和5.8%，水灰比大于2∶1 后漿液性能逐漸下降。超細水泥對致密砂層、礦山巖體[27]及原狀黃土等，均有優異的加固效果。礦山巖體經超細水泥-水玻璃雙液漿加固后，圍巖穩定性普遍提升Ⅰ～Ⅱ個等級；馬蘭黃土經超細水泥注漿加固后，宏微觀結構得到顯著改善，承載性能顯著增強。超細水泥主要性能特征見表1。

表1 超細水泥顆粒特征及力學性能Table 1 Characteristics and mechanical properties of ultra-fine cement particles

2.2.2 地聚物

地聚物（Geopolymer）是一種由硅鋁酸鹽礦物、工業廢棄物為原料，經強堿激發、高溫固化形成的無機膠凝材料。地聚物空間結構呈網狀，由AlO4和SiO4四面體單元組成，具有凝結快強度高、耐高溫耐腐蝕等優良特性。地聚物制備工藝簡單、原料來源豐富，具有極高的研究、開發價值。

固化溫度是影響地聚物力學性能的重要因素。適當提高固化溫度可以加速地聚反應速度，增加聚合物膠凝體產量，但固化溫度過高（＞80 ℃）會急劇加速縮聚而抑制溶解，降低加固效果。堿激發劑種類及濃度等，對地聚物的物相組成、微觀結構和抗壓、抗彎性能也會產生顯著影響。水玻璃模數超過1.4 后，地聚物凝膠溶液黏度增大，不利于后期強度的形成[28]。地聚物砂漿抗壓強度P隨水玻璃模數z 增加呈先增后減趨勢，二者關系符合拋物線模型：

堿激發礦渣微粉對軟黏土進行的加固測試發現，經聚合改良后軟土形成方解石、莫來石等次生礦物，無側限抗壓強度達5 MPa，堿激發劑摻量對固化軟黏土的早期強度提升影響顯著，但對14 d、28 d 強度影響較小[29]。水玻璃堿激發粉煤灰地聚物對黃土進行的加固研究，發現堿激發形成的硅鋁酸鈉凝膠產物充填于黃土顆粒間[30]，產物相互膠結形成空間網狀結構，有效改善了黃土孔徑分布，加固后黃土黏聚力c 達550 kPa，內摩擦角φ 達39°。

2.2.3 微生物菌液

MICP 技術利用微生物菌液的新陳代謝活動，實現土建、水電等工程中的裂隙封堵、地基加固（圖5）。菌液可水解尿素產生碳酸根離子，碳酸根離子則與鈣溶液作用形成CaCO3凝膠體，以提高地基土的密實度和抗剪強度。微生物加固土的礦化過程與水泥相同，因而稱菌液和膠結液為生物水泥（Biocement）。MICP 技術具有施工擾動小、反應可控、加固強度高、環境污染小等優點，具有重要的研究價值和廣闊的發展前景。

圖5 微生物加固Fig.5 Microbial reinforcement

微生物固化土的成礦作用改變了土的原狀結構，經MICP 固化處理后土的靜、動力學性能和耐久性均得到了顯著提升[31]。飽和粉細砂經微生物加固后，壓縮系數由10-1下降到10-2MPa-1，滲透系數由10-2cm/s 下降到10-4cm/s，UCS 強度達到14 MPa 左右。微生物改良后土的峰值強度、殘余強度明顯提升，提升幅度受碳酸鈣生成量、試驗圍壓等因素影響[32]。微生物活動、礦化作用需要適宜的環境條件，良好的培育環境會激發菌液的固化潛能。溫度是影響微生物固化土處理效果的重要因素，MICP 加固的適宜溫度為20～40 ℃，適當提高膠結液中尿素-鈣離子的濃度比可提升脲酶活性，增加礦化物產量。菌液濃度、膠結液濃度和礦化反應時間對Ca2+利用率有顯著影響，膠結液濃度高于750 mmol/L 時，CaCO3晶體在砂土內部呈簇狀發展，有利于提升微生物固化土的長期力學性能。振動臺試驗[33]對MICP 加固中粗砂的測試表明，經固化處理后鈣質砂具有較高的循環剪切阻力，液化特征由“流滑”轉變為“循環活動性”，動力性能顯著改善。

2.2.4 高聚物

雙組份發泡聚氨酯作為一種新興的有機高分子材料，具有良好的膨脹性和可控性、反應速度快且可調節、輕質環保耐久等特點，21 世紀以來逐漸成為重要的修復加固材料，受到科研人員和工程師的廣泛關注（圖6）。

圖6 高聚物材料與工程應用Fig.6 Polymer materials and engineering applications

高聚物注漿技術的基本原理是按照預先設定的配比，通過一定壓力向隧道、路基病害區注射雙組分原料和催化劑，原料經過化學反應后體積迅速膨脹，形成拉壓、剪切強度極高的球狀固體，從而實現填充塌陷、防滲堵漏及加固地基的目的[34]。雙組分原料加聚反應后形成靜止不動的有機聚合體，主要依靠其體積膨脹實現填充裂隙的目的，漿液具有良好的可控性；高聚物漿材密度為水泥漿的12%～18%，膨脹固化后基本不產生附加荷載，能有效保證巖土結構的防滲加固效果；材料服役壽命長達50 a，惡劣環境下不變形、不收縮。高聚物漿材主要特性見表2。

表2 高聚物注漿材料主要性能Table 2 Main properties of polymer grouting materials

3 結語

地下水廣袤賦存在廣闊的土體介質中，地下水的滲流及滲透破壞是目前工程建設中常見的現象。滲透破壞發生在基坑工程中可導致基坑坍塌，嚴重時可致人員傷亡并產生重大經濟損失；滲透破壞發生在壩工工程中可毀壞壩基基礎，嚴重時可導致潰壩。滲透防治常采取的技術措施是注漿，通過注漿可以顯著改良土質，提升巖土介質的整體力學性能。本文在對流土、管涌等滲透破壞機理進行深刻剖析的基礎上，對滲透、壓密、劈裂注漿理論，復合與超細水泥、地聚物、高聚物、微生物菌液注漿材料進行了系統闡釋，旨在為提升巖土項目建設的精細化水平和推動其高質量發展做貢獻。