李萌萌，张 维，邓洪亮，王守凡

(1.北京工业大学城市建设学部，北京 100124；2.北京市政路桥股份有限公司，北京 100045)

0 引言

注浆技术因其对改善岩土性质的显著作用，被广泛应用于地下工程止水加固等工程实践中[1]。针对不同的土体结构特征、浆液物理特性以及注浆目的，注浆技术根据其作用机理可以划分为多种注浆方法。由于饱和砂层具有稳定性差、渗透性差、覆盖面广的特点[2]，目前常用的注浆方法对其均存在一定的应用限制。从稳定性的角度考虑，劈裂注浆、高压旋喷注浆和压密注浆的注浆压力较大，易导致饱和砂层土体失稳；从渗透性的角度考虑，填充注浆和常规渗透注浆存在扩散距离短、扩散方向不可控、扩散范围不集中的问题；从经济性的角度考虑，化学注浆施工成本较高，不适含大规模应用。

本研究在常规渗透注浆理论[3-4]的基础上，考虑排水压力对浆液扩散的促进作用和范围约束作用，提出一种兼具注浆压力和排水压力的新型双管注浆方法，建立了饱和砂层的定向诱导注浆理论，并通过理论推导和模型试验分析浆液在注浆正压与排水负压共同作用下的扩散规律。

1 饱和砂层定向诱导注浆理论分析

定向诱导注浆区别于传统的单孔注浆和多孔注浆方法，在注浆扩散范围内沿预期注浆方向设置排水孔进行排水，降低砂层中的孔隙水压力，从而在注浆孔与排水孔之间的土体中形成更大的压力差，增大了预期注浆方向上浆液扩散运动的动能，如图1所示。土体内的浆液受到注浆正压和排水负压的共同作用。

图1 定向诱导注浆作用原理

1.1 理论模型建立

定向诱导注浆理论模型的理论假定如下[5-6]。

1)被注土层均质且各向同性，注浆过程中土层结构不发生改变。

2)注浆端扩散的浆液和排水端渗流的水均为牛顿流体，注浆过程中二者的流型和黏度均保持不变。

3)注浆端的浆液从注浆管的底部注入土层，排水端的水从土层中汇向排水管底部，二者扩散方向相反，但均呈球形扩散。

4)单位时间的注浆量和排水量均不变，液体只发生层流运动。

5)不考虑土体内自由水对浆液的稀释作用。

6)注浆正压的影响范围与排水负压的影响范围有一定的重叠，并足以驱动水泥浆液产生渗流。

定向诱导注浆理论模型建立在有限范围内，注浆管与排水管埋深一致，两管半径均为r0；两管圆心的连线距离为扩散距离L，且L≫r0；注浆正压水头高度、排水负压水头高度、地下水高度分别为hg，hd，h0；注浆正压应力、排水负压应力分别为Pg，Pd，有Pg=γghg，Pd=γwhd，其中γg，γw分别为浆液和水的重度；浆液和水在砂层内的渗透系数分别为kg，kw，有kg=μgγw，kw=μwγw，其中μg，μw分别为浆液和水的黏度；单位时间的注浆量和排水量分别为Qg，Qd。定向诱导注浆理论模型如图2所示。

图2 定向诱导注浆理论模型

1.2 公式推导

1.2.1二维注浆正压空间分布方程

在两管管底连线所在平面内，因r0≪L，故将l=r0处定义为初始注浆正压Pg0的位置；单位时间内通过每个扩散面的注浆量均为Qg。

由达西定律得出渗流方程：

(1)

积分得：

(2)

代入边界条件：l=r0时，Pg(l)=Pg0，得出二维注浆正压空间分布方程如下：

(3)

1.2.2二维排水负压空间分布方程

在两管管底连线所在平面内，因r0≪L，故将l=L-r0处定义为初始排水负压Pd0的位置；单位时间内通过每个扩散面的排水量均为Qd。

由达西定律得出渗流方程：

(4)

代入边界条件：l=r0时，Pd(l)=-Pd0，得出二维排水负压空间分布方程如下：

(5)

1.2.3一维浆液压力空间分布方程

定向诱导注浆成功的关键在于两管间的注浆路径是否打通，因此本文仅选取两管连线段上的扩散浆液进行压应力分析，且有r0≤l≤L-r0。

正负压应力求和，得出一维浆液压力空间分布方程如下：

(6)

1.2.4判定条件

(7)

(8)

因此可推出以下规律。

1)当P＇(l)max≪0时，Qg远大于Qd，注浆正压远大于排水负压，浆液压力由注浆管向排水管逐渐减小。

3)当P＇(l)min≥0时，Qg远大于Qd，排水负压远大于注浆正压，浆液压力由注浆管向排水管逐渐增大。

图3 正负压重叠效果

2 饱和砂层定向诱导注浆模型试验

2.1 试验模型

本研究依据定向诱导注浆原理及相似准则建立试验模型[8]。试验模型包含试验箱体系统、注浆控制系统、负压诱导系统和智能监测系统。其中，试验箱体系统为高强玻璃试验箱体，用以容纳模拟饱和砂层和直接观察浆液扩散情况；注浆控制系统包括注浆泵、加压箱、注浆管、注浆管路、注浆压力控制器及注浆控制阀；负压诱导系统包括排水泵、排水压力控制器、排水控制阀、排水管及排水管路；智能监测系统包括传感器、注浆压力表、排水压力表、智能检测采集器及系统监测平台，是试验过程中监测和收集数据的动态信息站。试验模型各系统连接顺序及现场实际状况如图4，5所示。

图4 试验模型

图5 现场试验模型

2.2 试验设计

1)注浆材料

注浆材料选用普通硅酸盐水泥；试验用土选用石英砂、河砂，分别用于模拟饱和中砂层、饱和细砂层，黏土和土工膜用于模拟土体中的止水层。

2)注浆参数

注浆泵压力的取值范围为0.05～0.2MPa；排水泵压力的取值范围为0.04～0.08MPa；试验浆液的水灰比均选用2∶1；注浆管与排水管间的距离为扩散距离，取值为0.5～1.5m。

3)试验分组

分别以扩散距离L、注浆泵压力P1、抽水泵压力P2为变量进行多组对照试验。

4)监测点布置

孔隙水压力计与土压力盒作为传感器实时监测土体内不同位置的孔隙水压力与土压力，试验共设有孔隙水压力计8个，土压力1个，平面布置如图6所示。

图6 监测点平面布置

5)试验步骤

试验过程主要分为试验准备工作、试验实施过程、试验信息汇总3部分，具体试验步骤如图7所示。

图7 试验步骤流程

3 试验结果分析

试验监测数据主要来源于埋入土体的孔隙水压力传感器和土压力计，其中土压力计所测数据为注浆压力，以下选取两组具有代表性的试验进行结果分析，两组试验参数如表1所示。

表1 试验参数

3.1 第1组试验结果

注浆压力和孔隙水压力的升降趋势可反映土体中浆液的扩散状态，变化曲线从一个稳定状态到另一稳定状态所需的时间为注浆时长。由本组试验的应力-时间曲线得，t=5min时开始注浆，t=110min时结束注浆，注浆时长为T=Δt=105min，依次选取t=9,55,100min作为特征时刻进行分析，具体如图8所示。

图8 第1组试验应力-时间曲线

针对上述3个特征时刻，分别绘制浆液流势图、孔隙水压力等值线图、注浆管与排水管连线之间孔隙水压力剖面图O-A和注浆管与排水管连线之外孔隙水压力剖面图O-C，如图9所示。

图9 第1组试验效果分析

1)由各时刻的流势图可看出，浆液从注浆管经过850mm处的势能极小值点后继续向排水管扩散，且注浆4min诱导趋势就已经形成；由各时刻的等值线图可看出，两管连线上的孔隙水压力变化梯度最大，浆液扩散范围主要集中在该区域。均验证了定向诱导注浆在饱和中砂层的可行性。

2)由各时刻的孔隙水压力剖面图O-A可看出，孔隙水压力由注浆管向排水管非单调降低，存在极小值点，对应理论模型中情况②的应力最低点；同时，对比剖面图O-C可看出，注浆前期浆液未向两管中间以外区域扩散，后期存在一定的无效扩散，注浆区域整体较集中。

根据现场观测可得，在注浆开始28min时抽水管中的水开始浑浊，表明浆液已经扩散至抽水管附近，诱导路径贯通，最终定向诱导注浆试验成功。

3.2 第2组试验结果

本组试验中孔-6、孔-7的数据规律异常，暂不分析，由应力-时间曲线得，t=10min时开始注浆，t=90min时结束注浆，注浆时长为T=Δt=80min，依次选取t=20，42，85min作为特征时刻进行分析，具体如图10所示。

图10 第2组试验应力-时间曲线

上述3个特征时刻的对比分析，如图11所示。

图11 第2组试验效果分析

1)由各时刻的流势图可看出，浆液沿稳定的压力梯度从注浆管向排水管扩散，注浆10min诱导趋势就已经形成；由各时刻的等值线图可看出，两管连线上的孔隙水压力变化梯度最大，浆液扩散范围主要集中在该区域。均验证了定向诱导注浆在饱和细砂层的可行性。

2)由各时刻的孔隙水压力剖面图O-A可看出，孔隙水压力由注浆管向排水管逐渐减小，未出现的应力最低点，对应理论模型中的情况①；同时，对比剖面图O-B可看出，注浆后期浆液向两管中间以外区域有少量扩散，整体注浆范围集中。

3)对比第1组试验,本组试验的土体可注性较差，扩散距离较远，但本组所需的注浆时长反而更短，说明增大正负压差可显著缩短注浆时长。

根据现场观测可得，在注浆开始31min时排水管中的水开始浑浊，表明浆液已经扩散至排水管附近，诱导路径贯通，最终定向诱导注浆试验成功；注浆后期注浆管附近的饱和细砂出现了较明显的沉降，导致两管间700mm处现孔隙水压力最高点。

4 结语

本文提出一种适用于饱和砂层的定向诱导注浆技术，以在预期注浆方向设置排水管的方式增大浆液渗透扩散的动能，解决了由饱和砂层稳定性差、渗透性差导致的注浆难题。本研究分别通过建立理论模型、完成模型试验，双向证明了定向诱导注浆理在饱和砂层中的可行性。同时还得出了以下结论。

1)理论推导得出定向诱导注浆过程中应力分布规律，并通过模型试验得到了充分验证：当注浆正压远大于排水负压时，两管间形成稳定的压力差，应力分布与常规单孔注浆相似，但注浆时长明显缩短；当注浆正压与排水负压相差不大时，两管间存在应力最低点，仅当该点浆液压力大于其流动阻力时诱导路径才可形成。

2)模型试验结果分析还得出，定向诱导注浆趋势可在几分钟内形成；定向诱导注浆可有效控制浆液的扩散方向，缩小无效注浆范围。

由此说明，饱和砂层的定向诱导注浆能够提高注浆的效率和质量。针对第四系饱和砂层在我国各地广泛存在的现实情况，定向诱导注浆技术不仅具有较高的理论意义，而且具有很高的工程推广意义和经济利用价值。