1.5 水泥浆液充填理论

众所周知，在以水泥为代表的粒状灌浆材料中，其所使用的浆液有时候是很稀的，水与灰的重量比（w/c）在1～5之间。在所加入的总水量中，大约只有5%～25%的水（相当于水泥重量的25%左右）是为水泥水化所必须，而其余的75%～95%的水则属于多余的。这些多余水的加入，仅仅是为了对水泥浆进行稀释，方便输送。如果不加它，就很难把普通水泥颗粒输送到结构物的空隙里去。毫无疑问，一旦把水泥颗粒载运到所预定的地点以后，对于多余的水分就应当排除，否则，仅依靠很稀的水泥浆液是不可能将较大的裂隙或孔洞充填堵塞住的。多余的水分被排除的程度愈高，介质体空隙就被充填得愈加饱满，灌浆效果愈好。

过去的大量灌浆工程实践也已表明，多余水分中的绝大部分是可以排除的，而且排除的过程就发生在短短的灌浆施工中。过去有许多水泥灌浆采用水灰比w/c有时候达到10以上，灌浆依然能取得成功就是很好的例证。

那么，现在提出一个问题，这些多余的水分是以怎样的方式被排除掉的呢？弄清这个问题，对于如何正确选用灌浆水泥浆液水灰比、灌浆压力等工艺措施及确保并提高灌浆效果具有重要的指导意义。目前，对此问题基本上有两种认识，可把它们称作“压迫滤水”与“流动沉积”两种理论。

1.5.1 压迫滤水理论

德国的C·库茨纳尔（Cnristian Kutzner,1964）对这一理论阐述得最为详尽。他将水泥灌浆过程区分为“填满”与“饱和”两个阶段。在裂隙填满阶段，水泥浆液进入并充占了裂隙的绝大部分空间。在紧接着的饱和阶段中，浆液中的多余水分便在饱和压力（最高灌浆压力）下被压入到另外的微小裂隙或孔隙里。

上述排水的物理过程是：在达到饱和阶段以后，由于压力的作用，水泥颗粒彼此越来越靠近。在稀薄的水泥浆中，压力最初都为水所承担，自水泥颗粒彼此接触之时起，压力的一部分开始由水泥颗粒间的“粒间”压力来分担，它迫使其中多余的水被挤出。此时水穿过浆体向外流动，与水泥颗粒产生摩擦，因而将逐渐失去它的压力；与此同时，水泥颗粒之间的粒间应力将逐渐增长，在饱和阶段的后期，水泥颗粒的聚集势头已经变弱，但排水过程仍不停止，直至灌浆作业终止后的一段时期。为了使裂隙得到更密实的填塞，使用稀薄水泥浆液的灌浆工作不能马上结束，要在拒绝吃浆以后继续将压力维持一段时间，以便充分排水。

这种过程与在建筑物荷重作用下饱和土的排水固结情形十分相似。既然多余的水是被充浆裂隙以外的更小裂隙或孔隙所吸收，因此可以推论：只有当附近岩体具有此种吸水性时，才能把多余的水压滤出去。在一个完全被封闭的裂隙系统中，多余水是不可能被滤出的，要填好此种裂隙，就必须使用不包含多余水分的干硬性砂浆或稳定性水泥浆液。

由于在许多坚硬的岩石中，通常情况是块状岩体的透水性（吸水性）极小，要在数小时内将那么多的多余水量压滤出去几乎是不可能的。因此，近来国际上有许多著名的专家主张在水泥灌浆中应尽可能使用低水灰比的不包含多余水分的“稳定性浆液”。若必须使用稀浆，就应采用尽可能高的压力，将多余水分压出，否则便会形成松弱的结石或出现“空囊”，从而影响灌浆效果。

若要认真地推敲一下，便不难发现有不少疑问用此理论也不易解释。例如：

（1）对于一些通常与地面相连通的裂隙系统，在灌浆时能达到“填满”和“饱和”阶段吗？如果可以的话，为什么实际的灌浆结果往往只是填塞了靠近孔壁附近有限的范围呢？

（2）似乎是越靠近浆液充填体的外缘越密实，但是这与大多数实际灌浆结果并不吻合。

（3）当那些只能进水的裂隙口部已被水泥颗粒封堵住以后，还能照常过水吗？

由此可以看出，上述理论的局限性。

1.5.2 流动沉积理论

水泥浆的流动属于两相流体，在静止状态下，水泥浆具有析水沉淀特性。在不同流动状态下，其沉淀速度是不一样的。在静止状态和层流状态，水泥沉淀速度最快，过渡态次之，紊流最慢。一般在钻孔附近呈紊流，远离钻孔为层流。因此，水泥在层流段沉积。另外，影响水泥沉淀速度的因素还有水泥比重、颗粒大小、水泥浆的浓度和外加剂。一般说来，在相同浆流速和相同浓度下，水泥的比重和颗粒越大，越容易下沉；当颗粒直径DR＜0.001 mm时，水泥浆液为稳定浆液。在其他条件相同时，浆液愈稀，水泥颗粒的沉降速度愈快。浓度增加，颗粒之间相互碰撞、摩擦的机会增多，颗粒下沉阻力增大，速度减慢。在水泥浆液中掺入一定数量的分散剂，可以延缓水泥的析水沉淀速率。

浆液在管道中输送和在大裂隙中流速较高，多表现为紊流，而在细裂隙中多表现为层流。灌浆时浆液自孔壁缝口进入地层裂隙后，越向外流，控制浆液的断面积愈来愈大，浆液的流速与距孔中心的距离成反比。由于流速的减小，水泥颗粒的动能减小，一方面是重力沉淀速度增加，另一方面是颗粒被接触到岩壁所吸附，水泥颗粒间的互相吸引，形成颗粒集团，促进水泥浆的吸水沉积过程。

张景秀在1977年提出流动沉积理论，并发表在1982年第二期《水利水电技术》刊物上。该理论认为，在水泥灌浆的排水过程中，水泥浆液进入裂隙以后的流动速度和压力随着离开灌浆孔的距离而迅速降低。当浆液流动速度降低到不再能继续携带所包含的全部水泥颗粒时，其中的部分颗粒在重力作用下便开始陆续向底部沉积。于是，浆液逐渐变稀，直至完全变成为清水流到其他间隙中。与此同时，已开始水化的水泥颗粒，已具有了“活性”（吸附力），促使它能被岩缝周壁和先于它沉积的其他颗粒所吸附，靠这两种作用力，在流动状态下沉积下来的水泥颗粒或其絮团之间所包含的水量大致是固定不变的；能对其产生影响的，大概只有水泥的矿物成分、细度及其在沉积下来之前的絮凝程度，而灌注用的浆液黏度和灌浆压力大小在此时只有很小的影响。这样沉积下来的水泥结石密度，要比在自然沉降状态下完全靠重力自由下沉形成的高得多，大量水泥浆材性能试验也证明了这一点。

目前公认的观点是在多孔隙的土砂层和破碎带中，使用超过临界压力（可使介质体产生劈裂的压力）的所谓高压灌浆，可在介质体中劈拉出一些新的裂隙来从而使浆液易于进入，导致浆液的可灌性大为增强。同时，高压灌浆将给介质体以强烈的挤密与压实作用，溶解有CaO的多余水和水泥水化时放出的CaO水溶液，对某些黏土可能还有化学“固化”效应（从乌江渡填泥溶洞中的取样看，此效应是明显存在的，但对其机理问题尚未弄清），结果将使被灌注介质体的密实性和强度都大为提高。这一点也在湿磨细水泥浆材试验中得到证明，在高压条件下，水泥浆液能够快速脱水，浆液凝结时间大幅缩短，水化反应发生的水灰比实际要低得多，水泥结石的强度成倍增加。

1.5.3 水泥灌浆的充填过程

灌浆时，水泥浆液自钻孔壁缝口进入地层空隙以后，由于自然原因，一般是越向外流，控制浆液的横断面积会越大。以片状空隙为例，假如钻孔方向与片状空隙正交，在孔壁上控制浆液的空隙断面积为2πrδ。流速与距钻孔中心的距离成反比，浆液速度为V r=Q/2πrδ，当这部分浆液流至距孔壁Δ r距离后，其控制浆液的断面积变成为2π（r+Δ r）δ。可以简单地算出，浆液流速的减小是十分快的，例如当岩缝宽δ=10mm、进浆率Q=5L/min，钻孔半径r=50mm时，它在入口处的计算流速应为15.9m/min，而它流至距钻孔中心500mm处，则为1.59m/min;5000mm处则为0.159m/min。看见浆液速度衰减得很快。于是，在灌浆中必然会出现这种情况：浆液从到达某一地点开始，由于流速的减小，就不再能携带所有的水泥颗粒了，它将陆续地从浆液中被分离出来，沉积在距离该点以远的流经路途上，水泥浆液逐渐变稀，直至变为清水流到更远的缝隙中。这就是在灌浆过程中，靠近孔壁的一部分地层空隙逐步地被水泥颗粒（包含着一定数量的水分）所充填，浆液中大部分多余水分被排除的基本原因和“压滤”方式。当然，促成这一过程的还有另一重要原因，即水泥颗粒的吸附作用。

水泥浆液进入地层空隙系统后，在前进道路上空隙断面积不断扩大的情况，我们可以将其理解成为浆液像是在通过一个由小到大的喇叭口，它的进口和各处的断面积与该断面到钻孔中心的距离及岩缝宽度成正比。在岩缝宽度为一定时，钻孔半径r愈大，浆液进口的断面积也就愈大，因而在同等压力下灌浆的浆液吸浆率（L/min）就愈大，距孔中心相同距离处的浆液流速也愈高。因此可以推出：灌浆孔孔径越大，灌浆充填的范围也越大，即孔径大小对灌浆效果是有一定影响的。

假如，被钻孔穿透的一个断面积始终保持一致的，类似输浆管一样的“管道状”空隙，那么，在灌浆过程中是很难将它淤塞死的。因为在这样的空隙系统里，浆液速度不会自然减小，因而不会发生水泥浆的析水沉积。要填塞好此种空隙，需使用不析水的稠浆液，并且要将送浆率逐渐减小，或者采取间歇灌浆。在实际水泥灌浆工作中，常常遇到这样的“跑浆”现象：灌浆孔的吸浆率在长时间里不见减小，耗浆量极大。这里多数情况并非是因为所灌洞穴太大，裂隙太多难以被灌满，而最多的情况是沿着直通裂隙从或远或暗的地方流失了。

对于一个可灌水泥浆的岩缝来说，水泥颗粒在岩缝中开始沉积的地点离孔壁距离的大小，将随着所用的灌浆压力和浆液稠度、岩缝的宽度不同而有所不同。压力越大，浆液越稀，岩缝越宽，开始沉积的地点距钻孔越远。以沉积点开始，水泥颗粒将陆续地从浆液中被分离出来，在岩缝中形成一个不断加厚的“脊背”，逐步缩小岩缝的宽度。当岩缝宽度缩小到一定程度以后，不是出现吃浆率的减小，就是出现压力自动升高；若保持压力不变，进浆率就减小。进浆率的减小，使得浆液在每一点上的流动速率也跟着减小，从而在靠近钻孔的方向又形成新的“脊背”，直到岩缝基本被填满为止。

对于不同宽度的岩缝，当采用统一浓度时，充填的范围和时间是不同的，宽裂隙充填的距离较远，时间较长。而窄裂隙充填的范围很小，时间很短。因此，在实际灌浆过程中，遇到吃浆量很大，长时间不见减小的情况时，采取逐级变浓浆液的措施进行灌浆。浆液变浓，意味着黏度和流动阻力的增大，将导致相同压力下的进浆率和流速降低，结果使得水泥提前沉积。每变浓一级浆液，就要出现一个更靠近孔壁的沉积点和一个新的“脊背”形成。过快变浓浆液，都可能造成岩缝得不到充分的充填。

上面说的只是始终采用同一级高水灰比水泥浆液的充填情形。工程实践也证明了，对于宽度大于0.1mm的片状裂隙灌浆，只要没有强烈的浆液在流动，采用水灰比大于1∶1的湿磨细水泥浆液，可以把它完全充填住的，只是宽裂隙与窄裂隙被充填的范围和所需时间有差别而已。

当在同一个灌注段中，若同时包含有很宽的裂隙时，若始终采用高水灰比的水泥浆液灌浆，将会使充填范围大大扩展以至超过设计需要，而且灌注时间将拖得很长，造成不必要的浪费，从而降低功效。因此，在实际水泥灌浆中，凡是遇到吃浆量很大、裂隙长时间不见减小的情况时，都应采取逐步变浓浆液的措施进行灌注。变浓浆液，意味着浆液黏度和流动阻力的增大，因而将导致相同压力下的进浆率和流速的降低，还意味着单位体积浆液内固体含量的增多，结果将引起水泥提前沉积，因此，每变浓一级浆液，就要出现一个更靠近孔壁的沉积点和一个新“脊背”的形成。这个新的“脊背”有可能与先前形成的“脊背”搭接起来并使其进一步增大，也可能互不衔接，这要依变浓的时机和幅度而定。过快过大的变浓浆液，都可能造成岩缝被突然堵塞，前后“脊背”互不衔接，使岩缝得不到充分地充填。

对于何时变浓，变多大等问题，是一个需要慎重掌握的问题，由于地层情况的千差万别，每一种空隙适用的灌浆材料颇不一样，因此，要想制定一个统一办法是不可能的，要解决好此类问题，只有依靠富有经验的工程技术人员的正确判断才有可能做到。在一个灌浆段，包含不同宽度的裂隙，为了使所有裂隙都能充满浆液，首先使用黏度小、流动性较好的稀浆，充填较小的裂隙，再用较稠的浆液灌较大的裂隙。浆液由稀变浓的原则是逐级改变。灌浆过程中变浆时机是根据压力与吸浆率的变化情况决定。

由上述可知，处在同一灌注段中的宽裂隙与窄裂隙其被充填的范围是不同的，总是宽裂隙大于窄裂隙。还可进一步推知，在一个灌浆区域内，宽窄裂隙中充填体达到“连续”的时间也是有先有后的。对于较大的裂隙，在第一序孔（孔距最大），灌浆可能就达到了“连续”；中等裂隙，可能在二序孔中才达到；对于更小的裂隙，可能在第三、第四序孔中也不能达到。这时就需要考虑改变灌浆材料，选用较细颗粒尺寸的水泥灌浆材料来灌浆，这就是开发湿磨细水泥灌浆材料的原因所在。