松散填土層中注漿效果檢測方法試驗研究

程盼，鄒金鋒，羅恒，羅偉，趙煉恒

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙，410075)

注漿技術(shù)自1802年用于工程實踐[1?2]以來距今已有200多年歷史。在這200多年里，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展，廣泛應(yīng)用于堤壩防滲、巖土加固、地下工程防水等工程實踐中。注漿理論也隨著實踐的不斷深入而得到了長足發(fā)展，這也推動其更加有效地應(yīng)用于工程實際[3?6]。然而，由于注漿工程是一項隱蔽工程，不能直觀地觀察到漿液注入巖土層后的具體情況，所以，存在著注漿質(zhì)量無法控制以及注漿加固效果無法很好地反映的問題。目前，注漿效果評價方法主要由以下幾種：施工質(zhì)量檢查及技術(shù)資料分析法、現(xiàn)場觀測法、鉆孔取芯室內(nèi)試驗法、鉆孔取芯觀察法、聲波測試法、TSP法、地質(zhì)雷達法、孔間地震波CT法、標(biāo)準(zhǔn)貫入法、靜力觸探法或旋轉(zhuǎn)觸探法(RPT)等[7]。這些方法各自有其缺點，如：有的不能定量地確定漿液充填情況，有的需要進行破壞性測試，有的只能對某些點的加固效果進行探查。對于工程實踐，使用單一的檢測手段無法準(zhǔn)確地對注漿加固效果、注漿體的連續(xù)性、完整性以及漿液充填范圍等情況進行探查。近年，國內(nèi)一些學(xué)者[8?11]采用一種或多種檢測方法對注漿效果的檢測進行了探討，但均未能與漿液注入土體后的真實情況進行比照。為此，本文作者進行了注漿模型試驗，采用多種方法對注漿效果進行綜合檢測，通過對檢測結(jié)果與注漿后土體全斷面開挖情況的比照分析，以便準(zhǔn)確了解注漿效果。

1 注漿模型試驗設(shè)計

模型槽結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用紅磚壘砌而成，外包長×寬×高為3 000 mm×3 000 mm×1 600 mm，壁厚為 250 mm。模型槽修筑完成后，填筑松散填土至模型槽頂部。

圖1 模型槽結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of model tank

填料填筑完成后，分別采用室內(nèi)土工試驗、動力觸探以及地質(zhì)雷達等方法對注漿前土體的物理力學(xué)性質(zhì)以及土層狀態(tài)進行測試。測試完成后對填料進行注漿。注漿管選用直徑為25 mm的鋼花管，共布設(shè)3根，平行間距為0.8 m，管底距模型槽底部約0.4 m，注漿管布置圖如圖4所示。注漿泵選用XZ50/20型活塞式，最大注漿壓力為2.5 MPa，并自動記錄注漿壓力及注漿量。注漿材料選用純水泥漿液，漿液水灰比為0.6～0.7。

注漿完成后7 d同樣采取上述方法對注漿效果進行檢測。最后，對注漿體進行全斷面開挖以比照上述綜合檢測方法的有效性。

2 注漿壓力、注漿量結(jié)果及分析

本次試驗共進行4次注漿，每次灌注漿液量相同，通過自動記錄儀得出漿液灌注壓力隨時間變化曲線，如圖2所示。

圖2 注漿壓力與時間的關(guān)系Fig.2 Relationship between grouting pressure and time

整個注漿過程持續(xù)80 min，共灌注漿液1.5 t。由于在注漿過程中對注漿壓力及注漿量進行了控制，故僅有少量漿液從土層上表面冒出以及通過模型槽壁滲出，其中北面模型槽壁滲漿較嚴(yán)重。

在整個過程中，注漿壓力呈上升趨勢，說明漿液滲入土中并且不斷充填壓密土體中孔隙，使土體物理力學(xué)性質(zhì)得到改善。而土層中的應(yīng)力狀態(tài)也隨著漿液壓力的不斷增大而發(fā)生變化，促使?jié){液在土體中產(chǎn)生劈裂，通過劈裂形成的漿脈繼續(xù)壓密土體。第2次注漿壓力小于第1、第3及第4次的注漿壓力，說明在這一過程中開始產(chǎn)生漿體劈裂。而漿體本身的膠結(jié)作用也是改善土體性能的重要因素。

從注漿壓力不斷升高以及注漿量不斷增加也可以間接揭示注漿加固土體的有效性。

3 注漿效果檢測分析

通過室內(nèi)土工試驗、動力觸探、承載板試驗、聲測管以及地質(zhì)雷達等檢測方式對注漿效果進行檢測，最后通過全斷面開挖注漿體來驗證各檢測手段的有效性。

3.1 室內(nèi)土工試驗

通過對注漿前后土體取樣進行室內(nèi)土工試驗，測定其物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，如表1所示。從表1可以看出：注漿后土的各項指標(biāo)均有一定程度提高，其中：土的平均密度提高5.53%；含水量(體積分?jǐn)?shù))分別減小18.11%和 1.60%；天然土孔隙比分別減小 14.5%和7.9%；黏聚力分別增大35.7%和52.4%；而內(nèi)摩擦角基本上未變；壓縮系數(shù)在注漿后分別減小40%和35%，壓縮模量分別增加 64.8%和 54.6%。說明注漿有效地改善了松散填土的力學(xué)性能。

3.2 動力觸探原位測試試驗

原位測試能較好地反映土體在未受擾動狀態(tài)下真實的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，動力觸探原位測試技術(shù)對評判地基加固與改良的質(zhì)量效果是有效的[12]。本實驗采用輕型動力觸探試驗來定量地了解注漿前后巖土體力學(xué)性質(zhì)的變化。

在注漿前后分別選取6個點進行動力觸探試驗。觸探點位布置如圖3所示，所得結(jié)果見圖4。

由圖4可知：與注漿前相比，注漿后承載力均有不同程度提高，其中1號和2號點增長幅度較大，分別達到230 kPa和180 kPa。注漿前，模型槽內(nèi)下部土體承載力普遍比上部土體的大；注漿后，上部土體承載力大于下部土體承載力，而且上部土體承載力增長幅度也比下部土體的大，這是上部土體中漿液凝結(jié)速率大于下部的凝膠速率所致。

3.3 地質(zhì)雷達測試

3.3.1 地質(zhì)雷達測試原理

地質(zhì)雷達探測法[12?13](ground penetrating radar，簡稱GPR)是利用高頻電磁波(1 MHz～1 GHz)，以電磁短脈沖的形式，由發(fā)射天線發(fā)送至地下介質(zhì)體中。經(jīng)過電磁性差異分界面時，由于電阻率、介電常數(shù)以及磁導(dǎo)率不同，電磁波在此界面上會產(chǎn)生反射與透射，被反射的電磁波返回地面，經(jīng)接收器接收，然后通過對所接收信號的處理和圖像解析，可獲得測線下方隱蔽介質(zhì)體的分布特征等信息。其工作原理如圖5所示。

圖3 注漿管及動力觸探測點布置圖Fig.3 Layout of grouting pipe and dynamic penetration test points

由于地質(zhì)雷達探測方法在其影響深度范圍內(nèi)具有分辨率高、工作效率高、抗干擾能力強等優(yōu)點，目前該方法已廣泛應(yīng)用于工程勘察、地下管線探測、地基加固效果、工程質(zhì)量監(jiān)測、采礦工程以及環(huán)境巖土工程等領(lǐng)域[13?15]。

本模型試驗采用地質(zhì)雷達法以連續(xù)探測方式對注漿前后土體進行測試。在模型槽頂共布設(shè)7條測線，如圖6所示。

3.3.2 測試結(jié)果分析

選取位于模型槽兩側(cè)的測線1、測線7以及位于中部的測線4的結(jié)果進行分析。

(1) 測線1注漿前后獲取的雷達圖像如圖7和圖8所示。

表1 填土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表Table 1 Physical mechanical parameters of fillers

分析圖7和圖8可知：注漿前，靠右側(cè)0.50～1.00 m深度范圍內(nèi)土體較松散，其中波形在深度0.85 m處位置出現(xiàn)強反射，說明有明顯分界面，這可能是分層壓實及該層含水量較大的緣故；注漿后右側(cè)0.50～1.00 m處土體變得較密實，0.85 m處強烈反射也未見，可見注漿后土體密實度有所增大，均一性顯著提高；注漿后圖像中深度1.00 m以下類似信號干擾的圖像，是介質(zhì)均一性提高、信號反射強度顯著下降、可探深度減少造成的。

圖4 輕型動力觸探原位測試Fig.4 Results of light dynamic penetration test

圖5 地質(zhì)雷達工作原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of principle of ground penetrating radar

圖6 現(xiàn)場測線布置圖Fig.6 Arrangement diagram of measuring line on site

圖7 測線1注漿前雷達圖像Fig.7 Radar image of measuring line No.1 before grouting

圖8 測線1注漿后雷達圖像Fig.8 Radar image of measuring line No.1 after grouting

(2) 測線4注漿前后雷達圖像如圖9和圖10所示。

從圖9和圖10可見：在深度0.50～1.00 m范圍內(nèi)，注漿前后圖像的連續(xù)性、離散性相差不大，說明該范圍內(nèi)土體注漿加固效果不明顯；而在深度1.00 m以下，注漿后的雷達探測信號反射強度顯著下降，可探深度減少，表明注漿效果較好。

圖9 測線4注漿前雷達圖像Fig.9 Radar image of measuring line No.4 before grouting

圖10 測線4注漿后雷達圖像Fig.10 Radar image of measuring line No.4 after grouting

(3) 測線7注漿前后的雷達圖像如圖 11和圖12所示。

由圖11和圖12可直觀地看出注漿前0.5～0.9 m雷達圖像信號強反射，信號同相軸呈繞射弧形，且不連續(xù)，表明該處土層不密實；注漿后反射信號明顯變?nèi)?，土層密實性顯著改善，注漿加固效果明顯。

通過上述分析可知：地質(zhì)雷達在評判注漿后土體的連續(xù)性、完整性方面是有效的，輔之以原位測試等定量測試指標(biāo)，能夠較好地反映出注漿效果。

3.4 其他檢測方法

在地質(zhì)雷達掃描探測后，通過注漿前在模型槽 4個角點預(yù)埋的聲測管，對注漿后土體進行超聲波檢測，但檢測效果不理想，未能檢測到有效的聲脈沖。其原因是：(1) 聲測管布置不當(dāng)，距離偏大(2.0 m)；(2) 由于土層本身連續(xù)性差，致使聲波在傳播過程中能量衰減過快，接收器無法接收到脈沖信號，無法反映出土體情況。

另外還通過承壓板載荷試驗對注漿后承載力進行了測試，在實驗過程中由于沉降量過大，同樣未能檢測到有效數(shù)據(jù)。其原因是漿體靜置時間較短，還未能完全加固土體。

圖11 測線7注漿前雷達圖像Fig.11 Radar image of measuring line No.7 before grouting

圖12 測線7注漿后雷達圖像Fig.12 Radar image of measuring line No.7 after grouting

4 全斷面開挖試驗及對比分析

在現(xiàn)場各測試完成后，對整個模型槽進行全斷面開挖，以便直觀地了解注漿后土體中漿脈分布情況以及加固效果，并且與之前進行的測試結(jié)果進行對照，驗證綜合測試結(jié)果的可靠性。

4.1 加固效果對比分析

松散填土層中由于含卵石、砂量大，天然土體的自穩(wěn)性能差，而通過注漿加固后，較大程度地改善了土體的自穩(wěn)性能。在鑿除模型槽四面磚墻后，南面土體迅速坍塌，而另外三面土體能夠自穩(wěn)。

在能自穩(wěn)的壁面上分布有諸多漿脈，在漿脈膠結(jié)、壓密、劈裂以及“加筋”的作用下，土體的力學(xué)性能得到改善。而在坍塌的壁面上右側(cè)見少量漿脈，土體亦能自穩(wěn)，左側(cè)土體中未發(fā)現(xiàn)漿脈，開挖后失穩(wěn)坍塌。

從漿脈分布及自穩(wěn)能力的分析中可以看出注漿對土體的加固效果明顯，這與室內(nèi)土工試驗結(jié)果中各項物理力學(xué)性質(zhì)的改善是相對應(yīng)的。北面土體漿脈豐富，自穩(wěn)能力提高，南面土體未見漿脈、失穩(wěn)坍塌，與動力觸探原位測試中反映出來的1號和2號測點承載力分別達到230 kPa和180 kPa相對應(yīng)。在地質(zhì)雷達中，測線1右側(cè)的圖形也反映出土體松散。所以，通過室內(nèi)土工試驗、動力觸探試驗以及地質(zhì)雷達測試能夠較好地反映出注漿后土體加固效果。

4.2 漿脈分布情況對比分析

巨大的注漿壓力以漿液為載體傳遞于土層中，一部分用于滲透、壓密土體以及漿液劈裂土體前行，一部分用于擴張劈裂縫從而繼續(xù)壓密土體，最后通過土體中呈網(wǎng)狀分布漿脈的膠結(jié)、“加筋”作用完成對土體的加固，所以，在土體中應(yīng)該分布縱橫交錯的漿脈。從開挖后的注漿效果看：土體中分布有網(wǎng)狀漿脈，漿脈以水平方向分布為主，寬度一般為0.3～2.0 cm，而豎向漿脈較少。在注漿過程中，漿液首先從模型槽側(cè)壁滲出，而后隨著壓力的增大才出現(xiàn)從頂部冒漿的現(xiàn)象，也說明漿液在土層中以水平向劈裂為主。

漿液的壓密作用使土體連續(xù)性增強，而縱橫交錯的漿脈使土體聯(lián)接成一個整體。從地質(zhì)雷達圖像的分析中可以清晰地反映出填料連續(xù)性和完整性增強，注漿后土體雷達圖像中水平向反射波增多正好驗證土體中漿脈的充填情況。

5 結(jié)論

(1) 綜合采用室內(nèi)土工試驗、動力觸探試驗、地質(zhì)雷達等探測方法定量和定性地分析了松散填土層中注漿加固效果：注漿有效地改善了填土的物理力學(xué)性質(zhì)，各參數(shù)均有不同程度提高，增強了土體的完整性、連續(xù)性和自穩(wěn)性。

(2) 將上述測試結(jié)果與注漿后松散填土層全斷面開挖直觀觀測情況進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者所反映情況較吻合，說明于松散填土層中采用上述定量和定性的方法對其注漿加固效果進行檢測是可靠的，這為以后松散填土層中的注漿檢測具有一定參考作用。

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