论文部分内容阅读
【摘 要】矿山防治水工程中常采用粘土浆液进行帷幕注浆。在浆液配制过程中应合理控制粘土与水掺量比以确保所配制出浆液的比重，因此粘土比重取值显得至关重要。本文通过试验室比重瓶法、绝对容积理论法、经验值法等方法提出了粘土比重的取值范围，从而给出了工程现场粘土比重采用值，并提出了实际配制工作中的注意事项。
【关键词】帷幕灌浆；粘土；比重
Research of clay proportion value in preparation of clay slurry
Li Xiao-zhen ,Xu Zhong ,Xiong Zu-tang
(Hubei Zhongnan Investigation Foundation Engineering Co., Ltd. Hubei Wuhan 430081)
【Abstract】are often used in mine water control works the clay slurry curtain grouting. In the slurry preparation process should be the reasonable control of clay and water content than the preparation of the slurry to ensure that the proportion of clay, so the proportion of value is crucial. In this paper, laboratory pycnometer method, the absolute volume of theory, experience the value of other methods proposed range of the proportion of clay, which gives the proportion of clay by the value of the project site and the actual preparation of the work presented in the notes.
【Key words】Curtain grouting; Clay; Proportion
1. 问题的提出
凡口铅锌矿为我国有名的岩溶大水矿山，水文地质条件复杂，矿坑涌水量在旱季一般为28000W3/d，雨季达38000W3/d。地下水防治方法为浅部截流疏干，经多年运行，保证了矿床的安全开采。但随着长期的疏干排水，也暴露出了一些问题，主要表现为以下三方面：
一是地面塌陷频繁发生，地表水下渗量增大；
二是防治水费用高昂，井下排水电费每年达800万元以上，塌陷治理费用每年达300万元；三是矿区地质环境被破坏，矿农矛盾日益突出。使矿山的经济效益受到影响，为了矿山的可持续发展，在前期防治水的基础上，经过深入研究，决定采用注浆帷幕的防治水新方案。凡口铅锌矿为大水矿山，多属于大规模充填的动水注浆为主的岩溶裂隙、构造裂隙注浆，具有材料消耗大的特点。因此，注浆材料选用以改性粘土浆浆液为主， 次为水泥尾矿砂浆和水泥-水玻璃双液浆。 在水泥粘土浆的配制过程中， 如配制1000升水固比为0.8:1， 水泥与粘土比为1:1的水泥粘土浆液， 首先应计算各种参与配制材料的用量 (重量). ××研究院根据绝对容积理论在施工现场测试了粘土比重，在设计计算配料重量时粘土比重采用的是1.95. 在施工过裎中发现，粘土比重采用1.95配出的浆液. 其浓度、浆液比重，理论计算值与采用比重仪实际观测值有较大差异， 如水固比为0.8:1， 水泥与粘土比为1:1的水泥粘土浆液理论计算浆液比重为1.472而用比重仪实测观测值为1.56左右。 保证配制浆液的质量也就是保证注浆帷幕的质量，正确选取粘土比重值参数，具有重要的现实意义。 因此， 我们对粘土的比重进行了一些室内和现场试验， 供商讨。
图1 广东凡口铅锌矿注浆施工现场
2. 粘土浆液配制时各材料用量值求算
2.1 基本概念。
配制一定体积V0、一定比重G0的粘土浆液，设加入水的体积为Vw，其质量Ww；加入干土的质量为Ws、土颗粒体积Vs，土的比重为Gs，则所配浆液的总体积和总质量分别表示为：
Vw + Vs = V0 (1)
Ww + Ws = Gs V0 (2)
Ws = Gs Vs (3)
施工中，近似认为水的质量在数值上等于水的体积，即Vs≈ Ws
联立解上述方程组可以得到：
Vw= V0 (Gs-G0) Gs-1 Ws =V0 Gs(G0-1) Gs-1
根据给定的Gs、V0 和G0，即可计算水和干土的用量了Vw和 Ws了。
2.2 工程实际求算。
工程实际中，常用以下公式求算浆液原材料的用量：
Wi=ni×1000/(n1/P1+n2/P2+n3/P3+…+ni/Pi)
式中:ni——第i种原材料在配比中所占比率;
Pi——第i种原材料的比重。
从计算公式中可以看出：粘土的比重Gs取值显得十分重要，其关系到所配制浆液的精度。当该项取值不准时，浆液材料用量计算不准确，所配浆液达不到浆液浓度设计的要求，为保证帷幕工程质量，所配浆液需经重新加水或加土处理直至达到设计要求，则必然导致费时费力，致使工作效率降低。
3. 关于粘土比重值的取值
3.1 粘土比重的概念
土是由固体颗粒以及颗粒间孔隙中的水和气体组成的，是一个多相、分散、多孔的系统，一般为三相体系，即固态相、液态相与气态相。土的三相组成示意见下图2。
图2 三相组成示意图
土的颗粒比重G——土粒重量与同体积的4℃时水的重量之比，称为颗粒比重，土粒比重的大小决定于土粒的矿物成分，与孔隙大小和
含水多少无关。它在数值上为单位体积土粒的重量，即：
G=WsVs.1γw1
Ws——土粒重量；
Ww——土中水重量；
W——土的总重童；W＝Ws＋Ww
Vs——土粒体积；
Vw——土中水体积；
Va——土中气体积；
VV——土中孔隙体积；VV= Vw+ Va
V——土的总体积，V= Vs+ Vw+ Va
式中：——水在4℃时单位体积的重量，等于1g/ml。
粘土浆液配制时所采用的粘土颗粒比重通常称为粘土比重Gs。
3.2 试验室比重瓶法测粘土比重
目前试验室测定土的比重通常采用比重瓶法，执行标准为《土工试验方法标准》（GB50123-1999）。我凡口注浆项目部委托广东韶关某试验室完成了部分粘土的土工试验工作，试验结果见表1。
图4 土粒比重（颗粒密度）试验记录
3.3 根据绝对容积理论在施工现场测试粘土比重
3.3.1 试验原理：一定量的天然粘性土，在恒温105℃烘箱中烘干18-24小时， 再称量并计算出粘土的含水率（ω）。
图5 量筒瓶刻度的校正记录
①取一定质量的烘干粘土充分“溶解”于一定体积的水中，经充分搅拌制成一定体积的粘土浆液。粘土颗粒体积可认为为粘土浆液的总体积与所加水的体积之差。粘土颗粒的质量与体积之比在数值上即为土粒的比重。
②亦可以取一定重量的天然状态的粘性土， 充分“溶解”于一定体积的水中，经充分搅拌制成一定体积的粘土浆液。 从已知含水率（ω）可算出其中粘土颗粒质量和天然粘土中水的质量， 粘土颗粒体积可认为为粘土浆液的总体积与所加水的体积和天然粘土中水的体积（ml，在数值上近似为水的质量g）之差。粘土颗粒的质量与体积之比在数值上即为土粒的比重。
3.3.2 试验方案：分别取烘干土与天然湿度的土各两组进行试验。分别取烘干粘土250克溶入装有550ml水的9#和12﹟量筒中（量筒直径不大于7cm）；分别取天然湿度的土300g溶入装有550ml水的2﹟和5﹟量筒中（量筒直径不大于7cm）。经充分搅拌，静置过夜，测定浆液总体积及浆液比重。试验过程及结果见图3和表2。
本次试验在我公司中心试验室完成。试验记录如下（见表2）：
试验结果显示，粘性土的比重取值为2.68-2.76。
3.3.3 试验中导致比重偏离的影响因素。
1)容器体积的误差与校正。
本试验用量筒更不能例外。图5为试验室对量筒刻度的校正记录。从校正记录可看出，四个量筒中，其中5﹟，12﹟量筒质量较好，5﹟量筒的误差在0～＋3毫升之间，12﹟量筒的误差在0～-4毫升之间；其中2﹟，9﹟量筒质量较差，2﹟量筒的误差在-2～-9毫升之间，9﹟量筒的误差在-5～＋10毫升之间。因此，所测量数据必须经过校正使用。
2)土中杂质如砂砾的存在 。
砂砾是不可制浆的成分，将其视同土时将导致土的用量偏小、浆液比重
偏低。试验时应根据土的颗粒分析试验结果，从土中扣除其中砂砾质量后得到粘土质量。
3)粘土含水量的测量。
土充分拌匀、合理测得粘土含水量，以求得较为准确的干土质量及其中所含水分。当所测天然状态土的含水量并不能代表整批土的含水量时，配制结果将出现偏差。
4)粘土在水中的“溶解”程度。
配制前应将粘土料充分碾碎，碾碎程度决定了土在水中的“溶解”程度和“溶解”时间，土加入水后搅拌均匀、充分静置，使土水形成悬浊液而不应有沉在底部的土颗粒。
此外试验时采用水的体积（ml）在数值上等同于水的质量(g)，而实际上水在非4℃时质量g与体积ml在数值上是有差异的。
3.4 国内规程规范提供的粘性土比重经验值
1）《工程地质试验手册》（第二版）见表3。
2）《土力学》（方云 林彤 谭松林 编）
颗粒比重决定于土的矿物成分，它的数值一般为2.65-2.75。有机质为2.4-2.5；泥炭土为1.5～1.8；而含铁质较多的粘性土可达2.8～3.0。同一种类的士，其颗粒比重变化幅度很小。
颗粒比重可在试验室内用比重瓶法测定。一般土的颗粒比重值见下表4。由于颗粒变化的幅度不大，通常可按表中经验数值选用。
表中结果显示，粘性土的比重取值为2.72-2.76，部分粘土比重值可能更大。
4. 结语
通过理论求导和科学试验，结合专业书籍经验数据，粘土比重值范围应为2.67-2.76。在矿山防治水注浆浆液配制过程中，有试验条件时应取土样送试验室对粘土比重进行专门测试。一般情况下施工现场试验条件十分有限，如必须要在施工现场测试粘土比重，在测试过程中应注意排除各种影响因素，如电子台称的精度， 量筒容积校核，土中杂质砂砾石存在的影响、准确测量天然土的含水量，并确保粘土在水中充分“溶解” 等，如果测试成果与试验室及专业书籍经验数据相差太大， 应找出原因，重复试验。在矿山防治水注浆浆液配制过程中，在没有试验资料的情况下，建议粘土的比重取2.70。只有控制好这些环节才能优质高效地配制出符合要求的粘土浆液。
参考文献
［1］ 工程地质手册（第四版，中国建筑工业出版社）.
［2］ 土力学（方云 林彤 谭松林 编，武汉中国地质大学出版社，2003.3）.
［3］ 工程地质试验手册（俞志英、吴连荣等编著，中国铁道出版社，1995年1月第二版）.
［4］ 土工试验方法标准，GB50123-1999.
［文章编号］1006-7619（2010）11-15-028
［作者简介］ 李晓珍（1972年- ），女，1994年毕业于长春工业高等专科学校，2007年获中国地质大学学士学位。高级工程师，国家注册岩土工程师，主要从事岩土工程技术工作。
【关键词】帷幕灌浆；粘土；比重
Research of clay proportion value in preparation of clay slurry
Li Xiao-zhen ,Xu Zhong ,Xiong Zu-tang
(Hubei Zhongnan Investigation Foundation Engineering Co., Ltd. Hubei Wuhan 430081)
【Abstract】are often used in mine water control works the clay slurry curtain grouting. In the slurry preparation process should be the reasonable control of clay and water content than the preparation of the slurry to ensure that the proportion of clay, so the proportion of value is crucial. In this paper, laboratory pycnometer method, the absolute volume of theory, experience the value of other methods proposed range of the proportion of clay, which gives the proportion of clay by the value of the project site and the actual preparation of the work presented in the notes.
【Key words】Curtain grouting; Clay; Proportion
1. 问题的提出
凡口铅锌矿为我国有名的岩溶大水矿山，水文地质条件复杂，矿坑涌水量在旱季一般为28000W3/d，雨季达38000W3/d。地下水防治方法为浅部截流疏干，经多年运行，保证了矿床的安全开采。但随着长期的疏干排水，也暴露出了一些问题，主要表现为以下三方面：
一是地面塌陷频繁发生，地表水下渗量增大；
二是防治水费用高昂，井下排水电费每年达800万元以上，塌陷治理费用每年达300万元；三是矿区地质环境被破坏，矿农矛盾日益突出。使矿山的经济效益受到影响，为了矿山的可持续发展，在前期防治水的基础上，经过深入研究，决定采用注浆帷幕的防治水新方案。凡口铅锌矿为大水矿山，多属于大规模充填的动水注浆为主的岩溶裂隙、构造裂隙注浆，具有材料消耗大的特点。因此，注浆材料选用以改性粘土浆浆液为主， 次为水泥尾矿砂浆和水泥-水玻璃双液浆。 在水泥粘土浆的配制过程中， 如配制1000升水固比为0.8:1， 水泥与粘土比为1:1的水泥粘土浆液， 首先应计算各种参与配制材料的用量 (重量). ××研究院根据绝对容积理论在施工现场测试了粘土比重，在设计计算配料重量时粘土比重采用的是1.95. 在施工过裎中发现，粘土比重采用1.95配出的浆液. 其浓度、浆液比重，理论计算值与采用比重仪实际观测值有较大差异， 如水固比为0.8:1， 水泥与粘土比为1:1的水泥粘土浆液理论计算浆液比重为1.472而用比重仪实测观测值为1.56左右。 保证配制浆液的质量也就是保证注浆帷幕的质量，正确选取粘土比重值参数，具有重要的现实意义。 因此， 我们对粘土的比重进行了一些室内和现场试验， 供商讨。
图1 广东凡口铅锌矿注浆施工现场
2. 粘土浆液配制时各材料用量值求算
2.1 基本概念。
配制一定体积V0、一定比重G0的粘土浆液，设加入水的体积为Vw，其质量Ww；加入干土的质量为Ws、土颗粒体积Vs，土的比重为Gs，则所配浆液的总体积和总质量分别表示为：
Vw + Vs = V0 (1)
Ww + Ws = Gs V0 (2)
Ws = Gs Vs (3)
施工中，近似认为水的质量在数值上等于水的体积，即Vs≈ Ws
联立解上述方程组可以得到：
Vw= V0 (Gs-G0) Gs-1 Ws =V0 Gs(G0-1) Gs-1
根据给定的Gs、V0 和G0，即可计算水和干土的用量了Vw和 Ws了。
2.2 工程实际求算。
工程实际中，常用以下公式求算浆液原材料的用量：
Wi=ni×1000/(n1/P1+n2/P2+n3/P3+…+ni/Pi)
式中:ni——第i种原材料在配比中所占比率;
Pi——第i种原材料的比重。
从计算公式中可以看出：粘土的比重Gs取值显得十分重要，其关系到所配制浆液的精度。当该项取值不准时，浆液材料用量计算不准确，所配浆液达不到浆液浓度设计的要求，为保证帷幕工程质量，所配浆液需经重新加水或加土处理直至达到设计要求，则必然导致费时费力，致使工作效率降低。
3. 关于粘土比重值的取值
3.1 粘土比重的概念
土是由固体颗粒以及颗粒间孔隙中的水和气体组成的，是一个多相、分散、多孔的系统，一般为三相体系，即固态相、液态相与气态相。土的三相组成示意见下图2。
图2 三相组成示意图
土的颗粒比重G——土粒重量与同体积的4℃时水的重量之比，称为颗粒比重，土粒比重的大小决定于土粒的矿物成分，与孔隙大小和
含水多少无关。它在数值上为单位体积土粒的重量，即：
G=WsVs.1γw1
Ws——土粒重量；
Ww——土中水重量；
W——土的总重童；W＝Ws＋Ww
Vs——土粒体积；
Vw——土中水体积；
Va——土中气体积；
VV——土中孔隙体积；VV= Vw+ Va
V——土的总体积，V= Vs+ Vw+ Va
式中：——水在4℃时单位体积的重量，等于1g/ml。
粘土浆液配制时所采用的粘土颗粒比重通常称为粘土比重Gs。
3.2 试验室比重瓶法测粘土比重
目前试验室测定土的比重通常采用比重瓶法，执行标准为《土工试验方法标准》（GB50123-1999）。我凡口注浆项目部委托广东韶关某试验室完成了部分粘土的土工试验工作，试验结果见表1。
图4 土粒比重（颗粒密度）试验记录
3.3 根据绝对容积理论在施工现场测试粘土比重
3.3.1 试验原理：一定量的天然粘性土，在恒温105℃烘箱中烘干18-24小时， 再称量并计算出粘土的含水率（ω）。
图5 量筒瓶刻度的校正记录
①取一定质量的烘干粘土充分“溶解”于一定体积的水中，经充分搅拌制成一定体积的粘土浆液。粘土颗粒体积可认为为粘土浆液的总体积与所加水的体积之差。粘土颗粒的质量与体积之比在数值上即为土粒的比重。
②亦可以取一定重量的天然状态的粘性土， 充分“溶解”于一定体积的水中，经充分搅拌制成一定体积的粘土浆液。 从已知含水率（ω）可算出其中粘土颗粒质量和天然粘土中水的质量， 粘土颗粒体积可认为为粘土浆液的总体积与所加水的体积和天然粘土中水的体积（ml，在数值上近似为水的质量g）之差。粘土颗粒的质量与体积之比在数值上即为土粒的比重。
3.3.2 试验方案：分别取烘干土与天然湿度的土各两组进行试验。分别取烘干粘土250克溶入装有550ml水的9#和12﹟量筒中（量筒直径不大于7cm）；分别取天然湿度的土300g溶入装有550ml水的2﹟和5﹟量筒中（量筒直径不大于7cm）。经充分搅拌，静置过夜，测定浆液总体积及浆液比重。试验过程及结果见图3和表2。
本次试验在我公司中心试验室完成。试验记录如下（见表2）：
试验结果显示，粘性土的比重取值为2.68-2.76。
3.3.3 试验中导致比重偏离的影响因素。
1)容器体积的误差与校正。
本试验用量筒更不能例外。图5为试验室对量筒刻度的校正记录。从校正记录可看出，四个量筒中，其中5﹟，12﹟量筒质量较好，5﹟量筒的误差在0～＋3毫升之间，12﹟量筒的误差在0～-4毫升之间；其中2﹟，9﹟量筒质量较差，2﹟量筒的误差在-2～-9毫升之间，9﹟量筒的误差在-5～＋10毫升之间。因此，所测量数据必须经过校正使用。
2)土中杂质如砂砾的存在 。
砂砾是不可制浆的成分，将其视同土时将导致土的用量偏小、浆液比重
偏低。试验时应根据土的颗粒分析试验结果，从土中扣除其中砂砾质量后得到粘土质量。
3)粘土含水量的测量。
土充分拌匀、合理测得粘土含水量，以求得较为准确的干土质量及其中所含水分。当所测天然状态土的含水量并不能代表整批土的含水量时，配制结果将出现偏差。
4)粘土在水中的“溶解”程度。
配制前应将粘土料充分碾碎，碾碎程度决定了土在水中的“溶解”程度和“溶解”时间，土加入水后搅拌均匀、充分静置，使土水形成悬浊液而不应有沉在底部的土颗粒。
此外试验时采用水的体积（ml）在数值上等同于水的质量(g)，而实际上水在非4℃时质量g与体积ml在数值上是有差异的。
3.4 国内规程规范提供的粘性土比重经验值
1）《工程地质试验手册》（第二版）见表3。
2）《土力学》（方云 林彤 谭松林 编）
颗粒比重决定于土的矿物成分，它的数值一般为2.65-2.75。有机质为2.4-2.5；泥炭土为1.5～1.8；而含铁质较多的粘性土可达2.8～3.0。同一种类的士，其颗粒比重变化幅度很小。
颗粒比重可在试验室内用比重瓶法测定。一般土的颗粒比重值见下表4。由于颗粒变化的幅度不大，通常可按表中经验数值选用。
表中结果显示，粘性土的比重取值为2.72-2.76，部分粘土比重值可能更大。
4. 结语
通过理论求导和科学试验，结合专业书籍经验数据，粘土比重值范围应为2.67-2.76。在矿山防治水注浆浆液配制过程中，有试验条件时应取土样送试验室对粘土比重进行专门测试。一般情况下施工现场试验条件十分有限，如必须要在施工现场测试粘土比重，在测试过程中应注意排除各种影响因素，如电子台称的精度， 量筒容积校核，土中杂质砂砾石存在的影响、准确测量天然土的含水量，并确保粘土在水中充分“溶解” 等，如果测试成果与试验室及专业书籍经验数据相差太大， 应找出原因，重复试验。在矿山防治水注浆浆液配制过程中，在没有试验资料的情况下，建议粘土的比重取2.70。只有控制好这些环节才能优质高效地配制出符合要求的粘土浆液。
参考文献
［1］ 工程地质手册（第四版，中国建筑工业出版社）.
［2］ 土力学（方云 林彤 谭松林 编，武汉中国地质大学出版社，2003.3）.
［3］ 工程地质试验手册（俞志英、吴连荣等编著，中国铁道出版社，1995年1月第二版）.
［4］ 土工试验方法标准，GB50123-1999.
［文章编号］1006-7619（2010）11-15-028
［作者简介］ 李晓珍（1972年- ），女，1994年毕业于长春工业高等专科学校，2007年获中国地质大学学士学位。高级工程师，国家注册岩土工程师，主要从事岩土工程技术工作。