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不良地质体注浆技术研究述评 秦鹏飞 （郑州铁路职业技术学院铁道工程学院， 河南 郑州 451000） 摘要注浆技术在工程建设中发挥着不可替代的重要作用， 已经取得了明显的经济效益和社会效益， 注浆技术 研究同时取得了巨大的发展进步。考虑水泥颗粒沉淀的渗滤效应和考虑浆液黏度时空变异特性的注浆新理论为注浆 技术工程应用提供了更加准确的指导， 高聚物注浆材料、 CW环氧树脂、 微生物菌液等新型注浆材料的涌现为注浆技 术发展提供了更加强大的动力， PFC颗粒流细观力学数值模拟等计算机新技术为注浆技术探索提供了新途径。注浆 技术领域所取得的宝贵研究成果， 必将推动注浆事业的蓬勃发展。 关键词渗滤效应黏度时空变异性高聚物注浆材料CW环氧树脂微生物菌液 中图分类号TD265.4U455.5文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -06-001-05 DOI10.19614/ki.jsks.201906001 New Development of Grouting Technique for Unfavorable Geological Conditions Qin Pengfei2 （School of Railway Engineering，Zhengzhou Railway Vocational Technical College， Zhengzhou 451000， China） Abstract Grouting technique plays an irreplaceable role in engineering construction， with obvious economic and social benefits achieved. Great progress on grouting technology has been obtained at the same time. The new theory of grouting which considers the seepage effect of cement particle precipitation and the spatial temporal variation of slurry viscosity pro- vides more accurate guidance for application of grouting technology in projects. Such new grouting materials as polymer grout- ing material， CW epoxy resin， and microbial fluid provide more power for the development of grouting technology. New com- puter techniques， including the micromechanical numerical simulation of PFC particle flow， provide a new way for the explo- ration of grouting technology. The valuable achievements on grouting technology will promote the vigorous development of grouting technique. KeywordsPercolation effect， Spatio-temporal variability of viscosity， Polymer grouting material， CW epoxy resin， Mi- crobial fluid 收稿日期2019-02-25 基金项目郑州铁路职业技术学院博士科研启动基金项目 （编号 201801002） 。 作者简介秦鹏飞 （1984） ， 男， 讲师， 博士。 “一带一路” 新时代背景下， 我国的高铁、 矿山、 水利等基础工程设施正在大规模兴建。由于地质条 件复杂， 工程建设中产生的一系列流砂、 突涌水等地 质灾害比较突出， 亟需加强防治， 而风化岩和破碎带 等软弱岩体也亟需补强加固 ［1-5］。多年的工程实践表 明注浆法具有优异的防渗和加固效果， 且具有投资 小、 见效快的显著优势， 因而在各项工程建设中得到 了广泛应用。伴随着注浆技术日益广阔的应用， 注 浆技术研究也取得了巨大的发展进步。考虑水泥颗 粒沉淀的渗滤效应和考虑浆液黏度时空变异特性的 注浆新理论为注浆技术工程应用提供了更加准确的 指导， 高聚物注浆材料、 CW环氧树脂、 微生物菌液等 新型注浆新材料的涌现为注浆技术发展提供了更加 强大的动力， PFC颗粒流数值模拟等计算机新技术为 注浆技术探索提供了新途径， 本文尝试对这些最新 成果进行系统阐释和述评。 1注浆理论 注浆理论研究是注浆技术工程应用的重要指导 和保证， 也是注浆技术发展进步的重要先导条件。 注浆理论研究已经取得了丰硕的研究成果， 使得注 浆理论研究体系日益完善。 1. 1渗滤效应 水泥浆液是典型的颗粒型浆液， 当水泥颗粒在 多孔介质等不良地质体的孔隙通道中流动扩散时， 总第 516 期 2019 年第 6 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 516 June 2019 专题综述 1 ChaoXing 水泥颗粒受吸附力等外界因素的干扰和影响， 逐渐 与水溶液分离沉析。水泥颗粒被土体骨架 “滤出” 而 堵塞孔隙， 致使浆液流速减缓。水泥颗粒在孔隙通 道中的淤积量随时间迁延而逐渐增多， 最终把空隙 通道堵塞致使浆液扩散终止而形成闭浆， 这种现象 称为注浆过程中的 “渗滤效应” ［2， 6］。 “渗滤效应” 模型 见图1 （a） 所示。 李术才等 ［7］指出受深层 “渗滤效应” 的影响， 水泥 颗粒在注浆通道上产生了不均匀的淤堵沉积， 致使 被注介质渗透系数发生了不均匀的变化 （图1 （b） ） ， 由于水泥颗粒被滤出导致扩散路径末端水泥颗粒沉 积不密实， 因而扩散路径末端不能认定为有效注浆 区段； 冯啸等 ［8］将 “渗滤效应” 视为滤积的水泥颗粒与 被注介质的介质骨架质量交换的过程， 通过分析颗 粒型浆液的密度方程， 运用线性滤过定律计算了水 泥颗粒在砂土介质中的渗滤系数λ， 结果表明渗滤系 数λ随注浆时间延长不断增加而非定值， 加固体强度 受 “渗滤效应” 影响则沿程衰减， 基本与λ呈负相关关 系； 朱光轩等 ［9］研究发现 “渗滤效应” 致使水泥颗粒在 被注介质表面大范围留存滞积， 导致注浆过程中恒 定过流断面上的注浆量急剧减小， 注浆压力则快速 升高， 较严重地影响了注浆效果。 1. 2黏度时空变异性 浆液在注浆通道内的运移扩散是个复杂的物理 化学过程， 由于受注浆材料初始配置的不均匀性、 化 学反应进程的快慢不同及施工工艺和地质条件等诸 多因素的影响， 浆液的塑性黏度在被注介质体内存 在时空变异性。若忽略浆液黏度的时空变异特性， 采用浆液的初始塑性黏度并认为始终恒定不变， 这 样在注浆施工中存在明显的误导和缺陷， 很难保证 取得良好的注浆效果。 李术才等 ［10］指出水泥水玻璃等速凝类注浆材 料， 浆液黏度时变性对浆液的扩散范围和注浆压力 梯度的分布影响非常显著， 试验结果表明受黏度时 变性影响注浆压力与浆液扩散距离呈对数函数形式 衰减， 距离最大扩散1/5处的测点其注浆压力已衰减 至孔口注浆压力的50以下； 叶飞等 ［11］指出单液纯水 泥浆宾汉姆流体其动力黏度μ（t） 符合指数函数关系， 可表示为μtae t， 而C-S等双液浆宾汉姆流体动力 黏度μ（t） 则符合幂函数关系， 可表示为μtAt B， 受黏 度时变性影响盾构壁后注浆时浆液的扩散半径显著 减小， 浆液的扩散半径与黏度参数A基本呈负线性关 系。研究还表明浆液黏度不仅呈现时变性特征， 而 且还呈现出复杂的空间变异性特征。张连震等 ［12］通 过对黏度时变性流体流型和剪应力剪切速率本构 模型的分析， 引入毛管组模型建立了稳定层流运动 条件下浆液的渗透注浆扩散方程， 并推导得到考虑 时变性影响的注浆过程中各主要控制参数注浆压 力、 浆液扩散距离和注浆时间的关系为 pc∫0 lm[q Sk μ φSl q 2τ0 3 2φ k ]dlpw，（1） pc∫0 qtm φS[ q Sk μ φSl q 2τ0 3 2φ k ]dlpw，（2） 其后将式 （1） 、 式 （2） 所得的计算结果与试验值和未考 虑黏度时变性的理论计算值进行对比， 发现式 （1） 、 式 （2） 的计算结果与试验值误差较小， 而未考虑黏度时 变性的计算值误差达2～4倍以上。 2注浆新材料 注浆新材料是注浆技术发展的重要环节， 每一 次新的注浆材料的出现， 都会带动注浆技术获得突 破性的重大进展。高聚物注浆材料、 CW环氧树脂和 微生物菌液等新型注浆材料不断涌现， 并受到了日 益广泛的关注。 2. 1高聚物注浆材料 近几年来堤坝加固、 突涌水灾害治理中应用了 一种新型的高聚物注浆材料， 其成分主要是异氰酸 脂、 聚醚多元醇和聚酸多元醇等有机高分子化合 物。高聚物材料注射到不良地质体的空穴后， 有机 高分子材料间能迅速产生化学反应使得体积急剧膨 胀， 生成高强度和高韧性的固结体， 从而达到防渗堵 漏和补强加固的目的， 如图2所示。经高聚物材料加 固后的建筑具有结构致密、 协调变形好等优点， 因而 是优良的新型注浆材料 ［13-14］。 金属矿山2019年第6期总第516期 2 ChaoXing 秦鹏飞 不良地质体注浆技术研究述评 2. 2CW环氧树脂 CW环氧树脂材料是以低黏度环氧树脂为主剂， 无毒、 高韧性且适宜于水下固化的固化体系及反应 性表面活性剂为助剂而组成的新型注浆材料。工程 实践表明CW环氧树脂具有黏度低、 强度高、 渗透性 优异和长期稳定性高等诸多优势 ［15-16］。其中双酚A 型环氧树脂因具有挥发性低、 耐腐蚀性强等优点， 近 年来常被选作CW环氧树脂的主剂。 在我国三峡、 溪洛渡等重点水利工程软弱岩层 和破碎带的治理中均采用过CW环氧树脂材料， 已经 取得了显著的注浆效果和较高的经济社会效益， 隧 道、 土建等其他工程建设领域也可推广采用。CW环 氧树脂的主要性能指标见表1所示。 2. 3微生物菌液 自然界中存在可以产生脲酶和对尿素进行分解 的细菌， 如球式芽孢杆菌、 反硝化细菌等， 它们在新 陈代谢过程中分解产生的碳酸根离子能与土壤中 游离的阳离子结合生成胶凝晶体。科研人员受此 启发在实验室培育这些具有自胶结功能的细菌， 并 开展相关科学研究， 将这一新型地基加固和处理技 术称为 MICP （Microbial Induced Carbonate Precipita- tion） 技术 ［17-19］。MICP技术生产的无机化合物能显著 改善岩土材料的强度和防渗性能， 其作用机理与水 泥的胶结机理相似， 有时也被称为生物水泥 （bioce- ment） ， 如图3所示。 Dejong等 ［20］研究发现微生物固化土的无侧限抗 压强度和抗液化性能均优于传统水泥固化土， 且施 工扰动较小， 在建筑物加固改造、 边坡治理、 隧道及 地下管线建设等工程应用方面具有较大优势； 彭劼 等 ［21］指出微生物加固土是一个复杂的生物、 物理和 化学过程， 环境温度对微生物的生命活动、 营养物质 的迁移扩散及化学反应的进展均有重要的影响； 缪 林昌等 ［22］研究发现低温条件对细菌的脲酶活性和生 长繁殖有明显抑制作用， 在地表以下10～15 ℃低温环 境中微生物的固化沉淀产率大幅降低， 为此他通过 在巨大芽孢杆菌营养液中添加尿素并对其进行低温 驯化以提高沉淀产率； 刘汉龙等 ［23］指出微生物胶结 产生的方解石填充了砂土的孔隙， 有效提高了砂土 的各项动、 静性能力学指标。微生物注浆技术是目 前岩土工程学科全新的研究领域， 随着该技术领域 研究难题的不断攻克， 可以预见MICP技术必将获得 广泛的工程应用并产生巨大的经济社会效益。 3PFC数值模拟 注浆过程中浆液的流动隐藏于地下， 无法直接 观测， 致使注浆作业带有较大盲目性。基于细观力 学理论的数值仿真试验技术， 可以从细观角度研究 注浆过程中土颗粒的位移、 变形运动及与浆液的耦 2019年第6期 3 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ 合作用过程， 为注浆机理研究开辟了一条新的途 径。近些年来随着高性能计算机技术的发展， 数值 仿真试验技术在注浆等岩土工程领域中得到了越来 越广泛的应用， 如图4所示。通过编制程序对注浆过 程中浆液的扩散形态、 扩散范围及注浆作用后坝体 或地基土应力状态的模拟计算， 还可以有效评价注 浆效果， 对于指导注浆施工具有重要的参考价值。 孙锋等 ［24］利用PFC2D计算软件内置的Fish语言 和FISHTANK函数库建立浆液的流动方程和压力方 程， 对致密土体的劈裂注浆过程进行了细观模拟研 究。结果表明劈裂注浆中注浆压力的确定应以浆脉 网络的形成为宜， 过高压力易引起地层结构的破 坏。土颗粒的最大最小粒径比、 摩擦系数及黏结强 度等细观参数对劈裂注浆效果有一定影响。吴顺川 等 ［25］发现随注浆压力的提高在钻孔附近土体出现显 著的压密效应， 而在钻孔外围产生劈裂注浆效应。 随后模拟了多注浆孔情况下浆液的扩散及劈裂效应 规律， 发现随注浆压力提高注浆孔互相贯通交叉形 成网状浆脉。秦鹏飞等 ［26］指出注浆孔外围环向拉应 力的增加致使土体产生劈裂缝， 从而改变了土体结 构， 拓展了土体内部空间， 应变率相应增加。周子龙 等 ［27］基于PFC2D的颗粒流方法对土体压密注浆机理 进行了分析， 发现注浆压力越大则浆泡越大， 土体被 压密的范围越广。土粒黏结力对注浆效果影响也较 明显， 但颗粒摩擦系数对注浆效果影响不大。 4结语 注浆技术近些年来在工程建设中获得了巨大的 发展进步， 取得了明显的社会和经济效益。考虑水 泥颗粒沉淀的渗虑效应和考虑浆液黏度时空变异特 性的注浆新理论为注浆技术工程应用提供了更加准 确的指导， 高聚物注浆材料、 CW环氧树脂、 微生物菌 液等新型注浆新材料的涌现为注浆技术发展提供了 更加强大的动力， PFC颗粒流细观力学数值模拟等计 算机新技术为注浆技术探索提供了新途径。本文对 注浆技术最新成果进行系统阐释和述评， 希望能为 科研人员和工程技术人员提供有益启示和新见解。 参 考 文 献 Yang Z Q， Hou K P， Guo T T. 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