超細水泥漿液滲透灌漿模式之研究

□倪至寬／台北科技大學　土木與防災研究所副教授
□林任峰／台北科技大學　土木與防災研究所研究生

一、前言

         重大公共工程建設常建築於不穩定的地盤，在無法選擇工址的情形，為求地盤基礎穩固，常以滲透灌漿方式降低地盤的滲透性。由於地盤狀況複雜，經常導致灌漿成效難以掌控，且滲透灌漿之相關設計，如漿材種類、 灌漿孔間距、灌漿壓力及灌漿流量等參數仍須依賴施工人員之經驗，欠缺實際原理作為依據。因此，本研究藉由室內灌漿模型設備，以進行滲透灌漿試驗，期望試驗之成果可提供將來在灌漿工程之規劃、設計及施工等各階段作業之參考，藉以提昇灌漿品質與降低因灌漿不當所產生的災害。

二、文獻回顧

(一) 灌漿工法說明
         灌漿工法早期是一種處理土壤崩塌及滲水之工法，到目前為止，灌漿工法普遍使用於隧道、捷運、高鐵及水庫等工程，用來處理地盤的裂隙、節理及破碎帶以及穩固地盤開挖面或是降低土壤液化指數等情形。
         一般而言，灌漿型式依漿液性質及灌入土壤方式不同，大致可區分為滲透灌漿（permeation grouting）、劈裂（脈狀）灌漿（fracturing grouting）、擠壓灌漿（compaction grouting）及噴射灌漿（jet grouting）等四種，如圖一所示。
(二) 滲透灌漿之原理
         灌漿液在土層中的滲透範圍受到許多因素影響，例如：漿材種類、漿液黏滯度、漿液膠凝時間、土層的種類、土層的滲透係數、土壤孔隙率、灌漿壓力、灌漿速度及灌漿孔直徑等。1938年由Maag所推導的灌漿原理關係式（島田俊介，1972∼1974），主要基於下列的假設條件所推導，其滲透灌漿理論之示意圖，如圖二所示。
         1. 漿液在土層中的流動為層流，並遵守達西定律。
         2. 土層為均質並且無限廣大。
         3. 注入範圍在地下水位下，且地下水為靜止狀態。
         4. 灌漿液的黏滯度維持固定，滲透時忽略重力的影響。
         依據這些條件，所推導出的關係式如公式（1）：
式中t：漿液滲透時間，單位為sec
 k：土壤的滲透係數，單位為cm/sec
 β： 
 n：土壤的孔隙率
 h1：灌漿壓力水頭，單位為cm
 r：灌漿有效半徑，單位為cm
 r0：灌漿孔半徑，單位為cm
(三) 可灌度比準則
         由於懸濁型漿液內充滿懸浮粒子，會影響漿液滲透地盤孔隙的能力，因此，該類材料對地盤或岩盤的滲透性能，可以藉由可灌度比（groutability ratio）來評估，這個數值代表著在灌漿時，漿液發生阻塞（blockage）或濾過（filtering）現象。目前用來判斷漿液是否可滲透灌入砂土內的可灌度（groutability ratio）準則，整理如表一所示，其中：D10與D15為土壤粒徑分佈曲線上，累積通過百分比為10％與15％所對應之粒徑，d85與d95為漿材粒徑分佈曲線上，累積通過百分比為85％與95％所對應之粒徑。
        
表一　可灌度比準則

三、試驗內容

(一) 試驗內容
         本研究採用Rheocem○R800之超細水泥進行研究，在進行任何試驗前，先將水泥以110℃的溫度烘乾24小時後，再測定超細水泥之比重。此外，將超細水泥分成三種不同的水灰比（0.8、1.2及3），各別添加三種不同濃度的Rheocem○R2000PF分散劑（1％、2％及3％），進一步測定漿液的初、終凝時間、泌水量及流變參數（黏滯度與降伏應力）。並且以不良級配砂（SP），製作相對密度為25%的疏鬆試體（直徑3.78cm，高度36.8cm），針對水灰比為0.8、1.2及3，分散劑為2％的超細水泥漿液，利用所建製之可灌度試驗儀器，評估漿液的滲透能力（penetrability）。最後，再藉由地盤灌漿模型試驗設備，以濕式霣降方式製作一直徑93cm及高度142cm的砂土試體，經施加3.587kg/cm2之反水壓飽和試體後再施加覆土壓力，先進行灌水試驗，再使用水灰比為3，分散劑為2％的超細水泥漿液進行灌漿試驗，並且配合監測資料與試體開挖的結果，探討灌漿壓力與灌漿流量之關係、漿液滲透的範圍及灌注型式。
(二) 試驗材料
         本研究之試驗土樣為砂土，基本物理性質如下所示：Gs=2.695（ASTM D854-83）、最大乾密度為1.649g/cm3（ASTM D4253-83）及最小乾密度為1.439g/cm3（ASTM D4254-83）、Cu=3.71及Cd=0.86（ASTM D452-85）。依據統一土壤分類法（USCS），該土樣屬不良級配砂土（SP），其粒徑分佈曲線，如圖三所示。
         本研究之灌漿材料是超細水泥，其外觀為灰色粉末狀，比重為2.8∼3.2，比表面積大於800m2/kg，pH值為12∼14，其粒徑分佈曲線如圖三所示。
(三) 試驗設備
         試驗之主要設備包括：（1）維克儀，如圖四所示。（2）1,000ml量筒，如圖五所示。（3）Brookfield RVDV-Ⅱ+黏滯度儀與RV系列轉子，如圖六所示。（4）漿液可灌度儀器：可灌度試驗是參考歐洲規範（European standard）NF P18-891所使用之試驗設備，修改設計後，建立新的室內漿液可灌度設備，如圖七所示，本系統之優點除了可改變試驗參數，如土壤種類、土樣孔隙、漿材種類、漿液配比及灌漿壓力，進行漿液可灌度評估外，本系統可以藉由資料擷取器，即時記錄灌注壓力與灌注流量隨時間的變化，其試驗數據可作為瞭解漿液滲透機制的依據。（5）地盤灌漿模型設備：包括：（a）漿液灌注系統，如圖八所示。（b）流量系統，如圖九所示。（c）監測系統：包括電子式水壓計、電子式差壓計、資料擷取器、電源供應器及電腦，如圖十所示。
(四) 試驗方法與步驟
         製作超細水泥漿液是依據設計水灰比（0.8、1.2及3）量秤經烘乾之超細水泥、分散劑（1％、2％及3％）及拌合水（蒸餾水）後，以高轉速攪拌機（1,500rpm以上）拌合4分鐘而成；於漿液拌合完成後，即進行下列試驗：
1. 漿液基本性質試驗
         漿液基本性質試驗包括：凝結時間試驗與泌水試驗，說明如下：
         (1) 凝結時間試驗（ASTM C191-99）：將拌合好的水泥漿液於2分鐘內置入圓錐環，並刮平表面，將碼錶歸零，於鬆開固定螺栓的同時，啟動碼錶，觀察維克針於30秒時之貫入深度。依據ASTM對初凝時間與終凝時間之定義，分別為：將每個試樣依等間距時間，進行數次貫入度測試，並且記錄整個貫入試驗結果，繪製於貫入深度對時間的曲線上，再利用內插法求出維克針貫入深度為25mm與無明顯貫入深度時，所對應之時間，即分別為初凝與終凝時間。
         (2) 泌水試驗（ASTM C940-98a）：將漿液倒入1,000ml量筒至刻度800ml處，靜置於平坦與不受震動之桌面，並於間隔時間內記錄漿液頂部之泌水量，參考圖五，經由式（2）與式（3）可計算不同時間的泌水百分比與最終泌水百分比。
        
        
式中V1：開始試驗之試樣體積（ml）
 V2：於規定之記錄時間間隔內，量測水層表面之試樣體積（ml）
 Vg：於規定之記錄時間間隔內，量測漿液部分之試樣體積（ml）
 Vw：最終之總泌水量（ml）
2. 黏滯度試驗（ASTM D2196-86）
         準備500ml超細水泥漿液，配合Brookfield RVDV-Ⅱ+黏滯度儀與RV系列轉子，於四個轉速(1、10、50及100rpm)下量測漿液剪應力值，繪製出剪應力與剪應變速率之關係圖，以求得漿液之黏滯度（plastic viscosity）與降伏應力（yield stress）。
3. 漿液可灌度試驗
         各種灌漿工程中，由於所改良土壤試體皆為天然形成，其組成之成分及工程性質複雜，並且灌注處皆位於地表下，無法以肉眼研判灌注型式與成效，常導致選擇漿材種類以及設計漿液配比時無所依據。在國外，已針對漿液之灌注程度訂出明確試驗規範；然而，國內至今尚無相關試驗依據，故改良歐洲規範自行建立一套室內漿液可灌度設備，以快速篩選已知地盤所需漿材種類、漿液配比與灌漿壓力。
         漿液可灌度試驗流程，如圖十一所示，漿液可灌度試驗包括三大階段，包括灌水階段、灌漿階段及試體改良後工程性質評估階段。以不良級配砂土作為試驗土樣，並且經由其物理性質之試驗數據，計算試驗砂土試體於疏鬆（Dr=25%）狀態下所需砂土量，透過漏斗以乾式霣降方式將砂土傾倒入圓柱狀壓克力管內（直徑3.78公分，高度36.8公分），製作一圓柱狀砂土試體；首先在不擾動試體狀況下，採由下而上之注水方式使試體初步飽和後，再以4kg/cm2的反水壓力飽和土樣。其次，調升灌注壓力，在不擾動試體情況下進行灌水試驗，量測試體的累積流量與時間，再計算試體的滲透係數。最後，以分散劑2％之水泥重劑量，製作水灰比為0.8、1.2及3的超細水泥漿液，配合三種灌注壓力（0.5、1及2kg/cm2），進行漿液可灌度試驗，評估其滲透能力。將改良後試體分成五段（直徑與高度比為1：2），放置於溫度23±1.7℃之水槽中養護7天後，進行試體的三軸透水試驗與無圍壓縮試驗，以求得改良後試體之滲透係數與無圍壓縮強度。
4. 地盤灌漿模型試驗
         可灌度試驗決定漿液可以滲透灌漿後，必須再進行地盤灌漿模型試驗，建立灌漿壓力及灌注速率的極限值，避免劈裂灌漿的發生。試驗流程如圖十二所示，係透過濕式霣降法配合5cm落距製作砂土試體（直徑93cm，高度142cm），以3.587kg/cm2之反水壓力飽和試體後，並且模擬地下有效應力為0.13kg/cm2的狀態下，先進行灌水試驗以瞭解試體滲透性，再以水灰比為3，分散劑為2％之超細水泥漿液進行灌漿作業。灌漿完成後，待試體水中養護3天後進行試體挖除，確認改良範圍，同時瞭解其灌漿型式並進行取樣。

四、試驗結果

(一) 漿液基本性質試驗
         1. 比重試驗：水泥比重是作為水泥漿液配比設計之參考，以計算水泥所需要的重量，針對烘乾的超細水泥進行試驗，超細水泥比重約3.025。
         2. 凝結時間試驗：水泥漿液的初、終凝時間，對施工有重要的影響。若漿液初、終凝過快，漿液有可能來不及灌注或無法流至所需的位置。終凝過慢，會造成施工時間的損失；但是地下水流動活躍的區域，漿液的終凝時間必須較快，否則會造成漿液的流失。
         超細水泥漿液凝結時間試驗結果如圖十三所示，可得知水灰比愈小，水泥含量愈多，水化反應快，漿液的初、終凝時間相對較短。另外，在相同水灰比時，分散劑添加量愈多，可使水泥漿液中的水泥顆粒分散，漿液的初、終凝時間相對較長。但是對於水灰比為3的漿液，由於水分過多，無法從維克儀測得初、終凝時間。
         3. 泌水試驗：水泥漿液中的水泥顆粒受重力作用往下沈澱，使比重較輕的水浮在上方形成析離的情形，造成未凝結的漿液表面出現多餘的游離水，此即為水泥漿液的泌水現象。灌漿時必須盡量避免泌水的情形，因為大量的泌水會使得漿液筒底部的漿液水灰比降低，黏滯度變大，造成漿液不容易注入地盤內，降低灌漿成效。
         超細水泥漿液泌水試驗結果如圖十四所示，可得知水灰比愈小，漿液中的水分愈少，漿液的泌水量愈小。另外，在相同水灰比時，分散劑添加量愈多，可使水泥漿液中的水泥顆粒分散，漿液的均勻性較好，泌水量相對減少。此外，泌水量隨分散劑添加量增加的效果呈遞減的趨勢。
(二) 黏滯度試驗
         利用Brookfield RVDV-Ⅱ+黏滯度儀進行超細水泥漿液黏滯度試驗後，配合Mitschka（1982）所提出之計算方式，求出不同轉速的剪應變速率與剪應力，可求得不同配比下漿液黏滯度與時間之關係，如圖十五所示，以及降伏應力與時間之關係，如圖十六所示。由試驗結果可知水灰比愈大及分散劑添加量愈多的情形下，超細水泥漿液的黏滯度與降伏應力愈小，但是當分散劑添加量大於2％時，對漿液黏滯度與降伏應力的影響很小，故建議添加2％分散劑的超細水泥漿液，即可減少漿液的黏滯度與降伏應力。
(三) 漿液可灌度試驗
         利用乾式霣降法澆注砂土試體後，在不擾動試體狀況下，將水由下往上注入之方式使試體初步飽和，再施加4kg/cm2的反水壓力使試體充分飽和後，才進行灌水與灌漿作業。這項試驗包含三種水灰比及三種灌漿壓力，因此，總計進行九組可灌度試驗。
         1. 灌水階段：在試體飽和完成後，維持試體上、下游端之反水壓力在4kg/cm2後，再將灌注壓力增加至4.1kg/cm2（即灌水壓力為0.1kg/cm2）進行10分鐘的灌水試驗，並且配合試體長度、試體斷面積、累積流量及灌注時間，可求得試體滲透係數，如表所示。
         2. 灌漿階段：灌水階段結束後隨即進行灌漿階段，並於灌漿階段的前2分鐘，對於不同的砂土試體，其灌漿壓力分別採用0.5、1及2kg/cm2，藉以探討不同漿液配比與不同灌漿壓力對砂土試體的滲透能力。
         在灌漿階段結束後，量測砂土試體內超細水泥漿液所灌注的高度，評估不同配比與不同灌漿壓力情形下，漿液在砂土中的灌注高度，如表及圖十七所示。水灰比0.8的漿液在三種灌漿壓力下，滲透高度皆約為8cm；但是水灰比1.2的漿液，在三種灌漿壓力下，滲透高度皆不同，壓力愈大，滲透高度愈大；當水灰比為3時，三種灌漿壓力皆可完全滲透。這說明了滲透灌漿的要素為土壤及漿材的粒徑分佈外，仍要考慮漿液的黏滯度及灌漿壓力，這些因素也影響了灌漿管在工地設置的間距。
         灌漿改良後的試體，在漿液凝結後，將試體等分成五段（直徑與高度比為1：2），經過水中養護7天，利用三軸試驗設備進行滲透試驗，測定試體改良後的滲透係數，試驗結果如圖十八。並且在滲透試驗後，測定試體的無圍壓縮強度，試驗結果如圖十九所示。漿液在砂柱試體滲流過程中，部份水泥顆粒會阻塞土壤孔隙，濾過的漿液水灰比會漸增，導致砂土改良後的效果遞減。亦即滲透的距離愈遠，改良土壤的滲透係數漸增，抗壓強度漸減。所以，可灌度試驗不但可以用來評估漿液是否可滲透土壤，而且還可了解滲透的距離，也能評估滲透範圍內土壤改良後透水性及抗壓性。
         另外，探討地盤土壤粒徑（D）與灌漿材料粒徑（d）之比值，稱為可灌度比（groutability ratio），可作為初步篩選懸濁型灌漿材料可否滲透地盤之依據。將不同學者提出的可灌度比公式運用在本研究所使用的砂土與超細水泥，其結果如表所示。對於本研究使用的砂土及漿材，Weaver（1991）的可灌度比為15，小於最低要求24，表示漿材不可滲透；但是，對於Kravetz (1958)與King & Bush（1961）的可灌度比分別為11.7與22.5，皆大於其要求，表示超細水泥顆粒小，可以滲透砂土。這種差異性的結果，是由於可灌度比未考慮水灰比（黏滯度）或灌漿壓力所致。所以，可灌度試驗相對於可灌度比這樣的經驗公式，更能準確評估漿液的可滲透性。


 (四) 地盤灌漿模型試驗
         砂土試體使用濕式霣降方式澆注完成後，以3.587kg/cm2之反水壓力飽和試體，並且模擬地下有效應力為0.13kg/cm2的狀態下，再進行灌水與灌漿階段。
         1. 灌水階段：使用0.25kg/cm2與0.45kg/cm2的灌水壓力進行灌水試驗，其結果如圖二十所示，由圖可得知灌水壓力為0.25kg/cm2時，單位時間流量為321.98cm3/min；灌水壓力為0.45kg/cm2時，單位時間流量為760.91 cm3/min。將灌水壓力、單位時間流量及灌漿管半徑（0.8cm）代入公式（1），即可得到砂土試體在灌水壓力為0.25kg/cm2與0.45kg/cm2的滲透係數分別為2.32×10-3cm/sec與2.8×10-3cm/sec。
         2. 灌漿階段：將灌漿過程分成四個灌漿階段，如圖二十一所示，灌漿壓力為0.2 kg/cm2時，灌漿初期之灌漿流量與時間呈線性關係，直到漿液灌注入砂土試體4分鐘左右，灌漿流量之斜率開始變小，表示超細水泥漿液中的水泥顆粒填塞一部分砂土試體的孔隙，使漿液灌注的阻力變大，待漿液灌注入砂土試體5分鐘，此時灌漿壓力已經很困難將漿液灌注入砂土試體內，此階段為滲透型灌漿，約灌注900ml的超細水泥漿液。
         增加灌漿壓力為0.3kg/cm2，灌漿流量歷時圖約為線性關係，於6分鐘左右直線斜率開始趨於平緩，於8分鐘時砂土試體已
停止吃漿，此階段為滲透型灌漿，約灌注900ml的超細水泥漿液。當灌漿壓力增為0.4kg/cm2時，灌漿流量斜率約於2.5分鐘左右開始趨於平緩，於8分鐘時砂土試體已停止吃漿，此階段也為滲透型灌漿，約灌注550ml的超細水泥漿液。圖二十說明灌水流量歷時曲線為直線時，代表地下水在砂土中的流動為滲流狀態。而圖二十一的灌漿流量歷時曲線在三種不同灌漿壓力時，皆為線性關係或者低於線性關係，這也說明漿液係在滲透灌漿狀態。所以，可以利用灌漿監測數據，在施工階段即可研判漿液是依據滲透型式灌注，而非劈裂型式灌注。
         由於超細水泥漿液在拌合過程中，水泥顆粒與水已經開始發生水化反應，漿液拌合至前面三個灌漿階段的過程大約過了60分鐘，此時超細水泥漿液已經快達到初凝，其黏滯度隨著放置時間增加而增大，使得超細水泥漿液在灌漿管中不容易流動，摩擦阻力變大。此外在前述三個灌漿階段當中，水泥顆粒已經阻塞大部分砂土試體孔隙，導致灌漿壓力由0.5kg/cm2至2.2 kg/cm2的灌漿過程中，只有灌注入300ml的超細水泥漿液至砂土試體內，如圖二十一所示。故四次灌漿階段總共灌注2650ml的超細水泥漿液。
         灌漿階段結束後，保持試體於水中養護3天後，再開挖灌漿改良試體，圖二十二顯示滲透灌漿的結果。開挖出的改良試體直徑約25∼35cm，改良試體頂端距灌漿管漿液出口處約5cm，底端距灌漿管漿液出口處約8cm，故改良試體厚度約13cm。量測改良試體的體積（V）約6875ml，乘以砂土試體的孔隙率（n=0.446），可求得砂土試體內漿液的體積Vg，即Vg=V×n= 6875×0.446=3066ml，與四次灌漿階段總共灌注的超細水泥漿液為2650ml相當接近。

五、結論

         目前，在台灣的工程界皆瞭解灌漿施工計畫書內容比較簡略，多參照工程經驗，而且灌漿工程的成效可靠性不穩定，這些都是由於灌漿工程的技術性很高，加以地盤種類性質變化多端，才導致這種結果。故本研究由以上的試驗流程與試驗結果，嘗試設立一套試驗程序，可以作為撰寫滲透灌漿施工計畫書的依據，提高現地灌漿作業的可行性。建議的試驗程序如下：
         (一) 地盤的物理試驗、土壤分類及漿材粒徑大小：利用可灌度比初步決定何種漿材在地盤中可以滲透灌漿。
         (二) 漿材的物理與流變性質試驗：可以瞭解漿材在不同配比的單位重、凝結時間、泌水量、黏滯度及降伏應力，作為灌漿時之參考。
         (三) 漿液可灌度試驗：可以評估不同配比的漿液，使用不同的灌漿壓力時，漿液在地盤中的滲透距離。同時評估改良土壤的滲透性及抗壓性。
         (四) 地盤灌漿模型試驗：可以建立滲透灌漿的臨界灌漿速率、最大灌漿壓力及灌漿範圍。灌漿累積流量歷時曲線的斜率（灌注速率）為定值或者漸減時，可以研判灌漿的型式為滲透灌漿，而非劈裂灌漿。￭

參考文獻

1.林任峰（2005），超細水泥漿液滲透灌漿模式之研究，碩士論文，台北科技大學土木與防災研究所，台北。 2.島田俊介(1972~1974)，現場技術者藥液注入工法，，Vol.10，No.1~Vol.12，No.10。 3.King, J. and Bush, E. (1961). “Symposium on grouting: Grouting granular material, 2”, Proc. ASCE Jour. of SMFE, 87 (SM-2). 4.Kravetz, G.(1958). “Cement and clay grouting of foundation: The use of clay in pressure grouting”, Proc. ASCE Jour. of SMFE, 84 (SM-1), paper. 1546. 5.Mitschka P. （1982）. “Simple Conversion of Brookfield R.V.T. readings into viscosity functions”, Rheo. Acta, 21:207-209. 6.Perret, S., Ballivy, G., Khayat, K. and Mack, D. (1997). “Injectability of Fine Sand with Cement-Based Grout,” Grouting GEO special publication NO.66, ASCE, Logan, Utah. 7.Weaver, K.D. (1991). Dam foundation grouting. American society of Civil Engineers, New York, N. Y.