土遺址裂隙加固樁-漿協同效果與機制研究

崔 凱，汪小海，諶文武，馮 飛，程富強

(1.蘭州理工大學西部土木工程防災減災教育部工程研究中心，甘肅蘭州730050；2.蘭州大學西部災害與環(huán)境力學教育部重點實驗室，甘肅蘭州730000)

裂隙作為對土遺址整體穩(wěn)定性影響最顯著的病害之一，是導致土遺址坍塌的主要原因[1-3]。目前，對土遺址裂隙主要的加固手段是裂隙注漿[4-5]。然而，由于注漿漿液膨脹性、黏結性不足和注漿工藝的局限性，導致漿-土界面出現干縮分異的現象。崔凱等[6]前期通過在室內對以生石灰為摻料的注漿漿液結石體的力學兼容性開展試驗研究，發(fā)現生石灰、粉煤灰和遺址土質量比為3∶2∶5的注漿漿液與遺址土兼容性良好；而后基于此種漿液進行現場裂隙注漿試驗，發(fā)現傳統注漿工藝和優(yōu)化后的注漿工藝（設置微型石灰樁）均消除了漿-土界面干縮分異的現象，且石灰樁和漿液協同加固效果優(yōu)于單獨漿液的效果[7]。但樁-漿協同加固裂隙最優(yōu)寬徑比和作用機制尚不明確，成為該類型漿液和石灰樁工藝在土遺址裂隙注漿領域應用的亟待解決的問題。

國內外學者在石灰樁加固地基土體方面開展了大量研究工作。Wang等[8]利用圓孔膨脹理論推導了石灰樁的彈塑性解，確定了石灰樁作用的有效半徑和樁間應力變化規(guī)律；米海珍等[9-10]通過試驗得到了石灰樁體積膨脹力與約束力的關系，并推導出了生石灰樁體積膨脹與土體圍壓耦合的理論公式。以上研究為石灰樁擠密土體提供了理論指導。Pei等[11]對距石灰樁和粉煤灰樁不同距離土體的理化指標進行對比研究，發(fā)現兩種樁周圍土顆粒均因發(fā)生水化反應和火山灰反應而出現不同程度的凝聚。Abiodun等[12]通過對不同養(yǎng)護齡期下、距石灰樁不同距離的黏土的基本物理試驗和導電性測試，發(fā)現由于離子遷移導致土體的導電性變化與抗剪強度變化間有內在的預測關系。Ashok等[13]通過測量不同養(yǎng)護齡期下石灰樁加固膨脹性黏土的物理性質，發(fā)現其物理性質的顯著變化是由于Ca2+的遷移導致內部土體顆粒發(fā)生絮凝和火山灰反應。Barker等[14]通過對距石灰樁不同距離處土的物理化學性質進行研究來概述離子遷移的機理，說明石灰樁不僅對周圍土體有物理擠密作用，還有內部的離子遷移作用。綜上所述，眾多學者對馬蘭黃土、普通黏土和膨脹性黏土等在石灰樁下的加固機理有較為深入的研究，這些理論和試驗能為石灰樁加固土遺址裂隙的效果和機制的研究提供有益指導。然而，樁和漿協同加固土遺址裂隙過程中的約束條件、漿液浸潤和樁漿傳遞機制等問題與石灰樁加固地基存在顯著差別的，而且針對遺址土在樁和漿協同加固方面的相關研究比較少見。

因此，作者依據土遺址裂隙加固實際工況，基于前人研究，開展不同裂隙寬度與石灰樁直徑的比值（寬徑比）的裂隙注漿加固試驗。首先，對完成注漿養(yǎng)護后不同寬徑比裂隙兩側等間距土體進行表面貫入阻力、密度、液塑限、顆粒分析試驗；然后，以掃描電鏡（SEM）圖像、比表面積、陽離子交換量及孔隙率的變化為基礎建立強化變量，對樁-漿協同加固土遺址裂隙的效果和機制進行定性和定量聯合分析，為以克服干縮分異為目標的注漿漿液和工藝在土遺址裂隙加固中的推廣與應用提供一定理論支撐和參考。

1 室內裂隙注漿試驗

1.1 試驗設計

為探究樁-漿協同加固裂隙的效果與機制，設置5種不同寬徑比的室內裂隙模型注漿試驗。其中，預設單獨注漿工藝加固裂隙模型為空白組，預設注漿+微型石灰樁工藝加固裂隙模型為對照組。對照組依據前期現場注漿試驗所用石灰樁的直徑[7]，并綜合Wang[8]、朱彥鵬[15]等對石灰樁擠密土體有效作用范圍的研究，設置4種不同寬徑比（1.5、2.0、2.5、3.0）。將5種裂隙加固工況依次命名為WZ、YZ1.5、YZ2.0、YZ2.5、YZ3.0，其中：WZ代表注漿時無石灰樁；YZ代表優(yōu)化后布置微型石灰樁的注漿工藝，數字表示不同裂隙的寬徑比大小，試驗設計方案見表1。

表1 室內裂隙注漿試驗設計Tab.1 Experimental design of indoor fissure grouting

1.2 試驗方法與材料

1）依據設計進行裂隙模型的制作。首先，將取得的坍塌遺址土破碎后過2 mm的篩，通過室內擊實試驗，確定其最優(yōu)含水率（17.5%）。然后，將過篩的土顆粒分批在105℃下烘24 h，加蒸餾水攪拌使其含水量達到最優(yōu)含水率，并用塑料膜密封，燜置24 h。隨后，在5個尺寸均為60 cm×60 cm×20 cm的長方體鐵箱中進行濕法夯制；為使試驗箱中夯土體密度均勻一致，每個試驗箱土樣夯制時，都將土顆粒分10層裝入，以相同擊實功進行夯實；每層夯完后，先將層間土體刮毛，再夯下一層。待重塑遺址土樣夯好后，在室內養(yǎng)護到與現場遺址土相同的含水率（2%左右），并依次在夯實土體中心沿垂直夯層方向開鑿出裂隙（圖1（a）），用鼓風機進行樁孔和槽內浮灰的清理，至此裂隙模型制作完畢。

圖1 兩種工藝裂隙注漿示意圖Fig.1 Schematic diagrams of two fissure grouting processes

2）注漿加固。注漿漿液主要以1.5%的SH溶液為黏結劑，生石灰、粉煤灰（F）和遺址土（C）的混合物為主材，CaO、F、C質量配合比為3∶2∶5，水灰比選用0.52。石灰漿是由濃度為1.5%的SH溶液為黏結劑，生石灰（CaO）、遺址土（C）和聚丙烯纖維組成的混合漿液，其中：CaO與C的質量比為8∶2，聚丙烯纖維的質量為生石灰與遺址土質量和的0.5%，水灰比為0.75。注漿前，先對裂隙兩側土體用1.5%的SH溶液潤濕；當漿液攪拌均勻后，進行裂隙的充填（圖1（b）），邊注漿邊振搗密實。需要添加石灰樁（直徑4.5 cm、高度10 cm）的，注漿前將PVC管插入預留的孔洞中，待注漿漿液初凝時，邊緩慢向上旋拔PVC管，邊將配置好的石灰樁漿液灌注到PVC管中，分層注漿和振搗，直至石灰樁注漿完成（圖1（c）），然后，在室內自然養(yǎng)護至漿液最佳齡期63 d。

3）裂隙模型養(yǎng)護完成后，進行測試評價步驟。首先，在5組裂隙加固模型距裂隙兩側5、8、11 cm處分別進行表面貫入阻力測試；然后，取樣（圖2）進行密度、液縮限和顆粒組成、掃描電鏡圖像、比表面積和離子交換能力測試。以上同等距離均有兩個平行樣，測試結果取平均值。

圖2 兩種工藝注漿養(yǎng)護63 d后取樣Fig.2 Sampling after curing of two fissure grouting processes for 63 days

2 樁-漿協同作用效果

2.1 貫入阻力變化

對養(yǎng)護63 d后的5種室內模型裂隙兩側5、8、11 cm處的土體進行表面貫入阻力測試，采用WG-V型地基承載力貫入儀，得出裂隙兩側等距土體加固前后的貫入阻力變化，如圖3所示。

圖3 不同加固工況下裂隙兩側土體貫入阻力隨距離的變化曲線Fig.3 Penetration resistance curves of the soil on both sides of fissure with distance under different reinforcement conditions

由圖3可知：1）相較于未加固土體，5種加固工況下裂隙兩側5、8、11 cm處土體貫入阻力均出現不同程度的提升，具體表現為距離裂隙越近貫入阻力提升程度越高；2）相較于無樁組，有樁組中除寬徑比為3.0外，裂隙兩側等距土體的貫入阻力均大于無樁組；3）對于有樁組，隨著寬徑比增大，裂隙兩側等距土體的貫入阻力均先增大后減小，在寬徑比為2.0時達到極大值，貫入阻力大小關系為YZ2.0＞YZ2.5＞YZ1.5＞YZ3.0。

2.2 密度變化

對養(yǎng)護63 d后的5種室內模型裂隙兩側5、8、11 cm處的土體采用蠟封法進行密度測試，得出兩側等距土體的密度變化曲線，如圖4所示。

圖4 不同加固工況下裂隙兩側土體密度隨距離的變化曲線Fig.4 Density curves of the soil on both sides of fissure with distance under different reinforcement processes

由圖4可知：1）相較于未加固土體，5種加固工況下裂隙兩側5、8、11 cm處土體的密度均出現不同程度的提高，具體表現為距離裂隙越近密度提升程度越大；2）相較于無樁組，有樁組中除寬徑比為3.0外，裂隙兩側等距土體的密度均大于無樁組；3）對于有樁組，隨著寬徑比的增大，裂隙兩側等距土體的密度均先增大后減小，在寬徑比為2.0時達到極大值，大小關系為YZ2.0＞YZ2.5＞YZ1.5＞YZ3.0。

2.3 液塑限變化

對養(yǎng)護63 d后的5種室內模型裂隙兩側5、8、11 cm處的土體采用SYS數顯液塑限聯合測定儀進行液塑限測試，得出兩側等距土體的液塑限變化曲線，如圖5所示。由圖5可知：1）相較于未加固土體，5種加固工況下裂隙兩側5、8、11 cm處土體液限均出現不同程度的降低，塑限出現不同程度的提高；具體表現為距離裂隙越近液限降低程度越大，而塑限提升程度越高。2）相較于無樁組，有樁組中除寬徑比為3.0外，裂隙兩側等距土體的液限均小于無樁組，塑限普遍大于無樁組。3）對于有樁組，隨寬徑比的增大，裂隙兩側等距土體的液限均先減小后增大，塑限先增大后減小，寬徑比為2.0時達到極值，液限大小關系為YZ2.0＜YZ2.5＜YZ1.5＜YZ3.0，塑限大小關系為YZ2.0＞YZ2.5＞YZ1.5＞YZ3.0。

圖5 不同加固工況下裂隙兩側土體液塑限測試曲線Fig.5 Liquid and plastic limits curvesof the soil on both sidesof fissure with distance under different reinforcement conditions

2.4 顆粒組成變化

對養(yǎng)護63 d后5種室內模型裂隙兩側5、8、11 cm處的土體采用篩分法和密度計法進行顆粒分析試驗，得到土體顆粒組成，如表2所示。

表2 顆粒分析試驗結果Tab.2 Results of particle analysis

由表2可知，取樣點的土體中砂礫含量無明顯差別，粗粉粒、細粉粒、黏粒和膠粒含量存在微小的差異。雖然這種差異不明顯，但將黏粒和膠粒含量相加，就會發(fā)現黏粒與膠粒的和（黏粒組顆粒含量）存在如下的規(guī)律：1）相較于未加固土體，5種加固工況下裂隙兩側5、8、11 cm處土體黏粒組顆粒含量均出現不同程度的降低，具體表現為距離裂隙越近降低程度越大；2）相較于無樁組，有樁組中除寬徑比為3.0外，裂隙兩側等距土體的黏粒組顆粒含量均小于無樁組；3）對于有樁組，隨著寬徑比的增大，裂隙兩側等距土體的黏粒組顆粒含量均先減小后增大，在寬徑比為2.0時達到極小值，其大小關系為YZ2.0＜YZ2.5＜YZ1.5＜YZ3.0。

2.5 孔隙率變化

利用裂隙兩側不同距離處土體實測的天然密度ρ、土的含水率w和土粒相對密度ρs，按式（1）計算得到土體加固后的孔隙率值，如圖6所示。

圖6 不同加固工況下裂隙兩側土體孔隙率變化曲線Fig.6 Porosity curves of the soil on both sides of fissure with distance under different reinforcement conditions

由圖6可知：1）相較于未加固土體，5種加固工況下裂隙兩側5、8、11 cm處的土體孔隙率均出現不同程度的減低，具體表現為距離裂隙越近孔隙率越??；2）相較于無樁組，有樁組中除寬徑比為3.0外，裂隙兩側等距土體的孔隙率均小于無樁組；3）對于有樁組，隨著寬徑比的增大，裂隙兩側等距土體的孔隙率均先減小后增大，在寬徑比為2.0時達到極小值，大小關系為YZ2.0＜YZ2.5＜YZ1.5＜YZ3.0。

2.6 協同效果

根據上述5種室內模型裂隙兩側土體貫入阻力、密度、液塑限、黏粒組顆粒含量和孔隙率隨距裂隙距離增加而表現出的變化規(guī)律，可以發(fā)現2種加固工藝均會使裂隙兩側土體的宏觀性質指標產生規(guī)律性的變化。主要表現在：1）相較與未加固土體，兩種加固工藝均會使裂隙兩側5、8、11 cm處土體的貫入阻力、密度、塑限增大，液限、黏粒組顆粒含量和孔隙率減??；2）對于有樁組，從貫入阻力、密度、液塑限和黏粒組顆粒含量的變化幅度來看，在寬徑比為2.0時，裂隙兩側等距土體達到的強化效果最佳；3）有樁組中寬徑比為3.0時，裂隙兩側等距土體的表面貫入阻力、密度和塑限均小于無樁組，液限、黏粒組顆粒含量和孔隙率均大于無樁組。以上結果充分說明在寬徑比2.0時，協同作用的效果最為顯著；當寬徑比3.0時，協同作用的效果尚不及單獨注漿的效果。相關研究[13,16]也表明，石灰樁周圍不同距離處土體的宏觀性質指標表現出的規(guī)律，必然是由土體的結構和物質變化引起的，因此需要進一步對樁-漿協同加固機制進行探討。

3 協同作用機制

為揭示樁-漿協同作用加固土遺址裂隙的機制，首先，通過研究掃描電子顯微鏡（SEM）圖像、比表面積與陽離子交換量，從微觀層次揭示樁-漿協同作用下裂隙兩側土體強化的原因；基于此，引入孔隙相對變化率Pr來定量評價土體被強化程度；最后，從定性分析和定量分析相結合的角度，對樁-漿協同作用機制進行討論。

3.1 定性分析

3.1.1微觀結構變化

為研究樁-漿協同作用導致裂隙兩側土體結構的變化情況及其原因，選擇無樁組、協同作用起始的寬徑比1.5、最佳的寬徑比2.0和最差寬徑比3.0的裂隙兩側5、8、11 cm處土樣進行1 000倍的掃描電鏡測試，結果見圖7。

由圖7可知，不同工況和不同距離處的土體在孔隙數量、直剪、連通程度和絮凝物數量與團聚程度有所差異，見表3。由表3可知，這種差異是由樁和漿不同擠密機制導致的。土體孔隙方面，無樁情況下土體孔隙被擠密是由漿液的單獨膨脹擠密機制導致的；YZ2.0土體擠密程度最大是由漿液和石灰樁雙重膨脹擠密機制導致的；YZ1.5土體擠密程度較小是由于漿液體量過小導致雙重膨脹擠密機制尚未完全發(fā)揮；YZ3.0土體中孔隙擠密程度最小是由漿液寬度過大對樁的膨脹力吸收作用導致的。因此，YZ2.0和YZ1.5裂隙兩側等距土體被擠密程度大于WZ組，WZ組的擠密程度大于YZ3.0，這與上述土體貫入阻力和密度變化規(guī)律一致。據Honghua等[17]對石灰固土過程中離子遷移的研究可知，絮凝物多為Ca2+的化合物，無樁組等距土體中絮凝物含量較少是由于僅有漿液中少量的Ca2+遷移到土體，YZ2.0等距土體絮凝物含量最多是由漿液和石灰樁雙重的Ca2+遷移作用導致的，YZ1.5等距土體中絮凝物含量較多是由于漿液體量過小導致雙重Ca2+遷移量尚未最大化，YZ3.0絮凝物含量最少是由漿液寬度過大對樁的離子遷移吸收作用導致的。因此，YZ2.0和YZ1.5裂隙兩側等距土顆粒表面絮凝物多于WZ組，WZ組的絮凝物多于YZ3.0。

圖7 不同加固工況下距裂隙兩側不同距離處土體的SEM圖Fig.7 SEM images of soil at different distances from fissures under different reinforcement conditions

表3 不同加固工況下距裂隙兩側不同距離處土體的SEM圖特征Tab.3 SEM features of soil at different distancs from fissures under different reinforcement conditions

3.1.2比表面積與陽離子交換量變化

上述裂隙兩側土體的宏觀性質指標和微觀結構結果顯示：離裂隙越近，裂隙兩側土體黏粒組顆粒含量越低，土顆粒表面絮凝物越多。因此，為了查明不同加固類型下等距土體絮凝物在數量、與土顆粒結合情況上表現出差異的原因，對上述4組工況下裂隙加固模型兩側5、8、11 cm處土體用亞甲基藍滴定法[11,18]進行比表面積和陽離子交換量測定，得到土體加固前后的比表面積和陽離子交換量的變化曲線，見圖8。

圖8 不同加固工況下裂隙兩側土體比表面積和陽離子交換量測試曲線Fig.8 Specific surface area and cation exchange capacity curves of the soil on both sides of fissure with distance under different reinforcement conditions

由圖8可知：1）相較于未加固土體，兩種加固工藝下裂隙兩側5、8、11 cm處土體比表面積和陽離子交換量均出現不同程度的降低，具體表現為距離裂隙越近降低程度越大；2）相較于WZ組，YZ2.0和YZ1.5裂隙兩側等距土體的比表面積和陽離子交換量均小于WZ組，YZ3.0裂隙兩側等距土體比表面積和陽離子交換量均大于WZ組。

土粒的比表面積與顆粒大小有關，粒徑越大，其比表面積越小，吸附在單位質量土粒表面用于交換低價陽離子越少，因此，陽離子交換量與比表面積具有很高的相關性[19]。上述比表面積和陽離子交換量測試表現出來的規(guī)律充分說明：在WZ、YZ1.5、YZ2.0和YZ3.0情況下，遷移到裂隙兩側土體Ca2+量的不同導致絮凝物差異，進而導致形成的膠團（一般為絮凝物包裹小顆粒而成）大小、數量的不同。這些被包裹的小顆粒多為黏粒和膠粒，是決定土體比表面積和陽離子交換量的關鍵土顆粒[19-20]，因此，土體被團聚后比表面積、陽離子交換量減小。這種結果也與研究中WZ、YZ2.0和YZ3.0裂隙兩側5、8、11 cm處土樣黏粒組顆粒含量、SEM圖像中絮凝物在數量及與土顆粒結合情況的變化規(guī)律形成了很好的印證。

3.2 定量分析

上述土樣SEM微觀結構、比表面積和陽離子交換量結果顯示：擠密和離子遷移機制的差異致使土樣中孔隙數量、直徑和連通情況不同，這是裂隙兩側土體被不同程度強化的本質原因。因此，建立孔隙相對變化率Pr定量評價裂隙兩側土體在不同機制下被強化的程度。式中，nt0為土體初始孔隙率值，nti為距裂隙不同距離處孔隙率值。將式（1）結果代入式（2），結果如圖9所示。

圖9 不同加固工況下裂隙兩側土體的P r隨距離變化曲線Fig.9 Pore relative change rate curves of the soil on both sides of fissure with distance under different reinforcement conditions

由圖9可知：1）兩種工藝下裂隙兩側土體的Pr均大于0，且離裂隙兩側距離越遠，土體的Pr越??；2）有樁組除了YZ3.0外，土體的Pr均大于無樁組；3）有樁組中，隨著寬徑比的增大，土體的Pr先增大后減小，寬徑比為2.0時達到極大值，Pr大小關系為YZ2.0＞YZ2.5＞YZ1.5＞YZ3.0。通過這些變化規(guī)律可以看出，土體Pr變化規(guī)律與宏觀性質指標較為一致。

3.3 討論

綜合上述裂隙注漿模型兩側不同距離處土體的宏觀性質和微觀結構變化的定性特征和定量規(guī)律，不同裂隙模型兩側土體宏觀性質受到不同程度強化，且這種差異性強化是因為土體在不同樁漿組合形式下受到不同程度的擠密和發(fā)生不同程度的離子遷移造成土體孔隙數目、孔徑、連通情況及絮凝物數量、與土顆粒結合情況產生了不同而導致的。

單獨注漿漿液加固條件下裂隙模型兩側土體僅受到漿液的單獨膨脹作用和有限的Ca2+遷移作用。崔凱等[6]研究表明所用漿液28 d后體積膨脹率穩(wěn)定為5.55%，在這種微膨脹和漿液中摻入質量分數為30%的CaO，其所產生的Ca2+發(fā)生的遷移對裂隙兩側土體的擠密和團聚作用的范圍和程度是非常有限的。研究中，單獨注漿模型5、8和11 cm處土體主要出現圓形孔隙，且此種孔隙隨著距離的遞增，數量、擴展和聯通的程度增加；不同距離處土體SSA和CEC值較未加固土體有不同程度的減少，與上述觀點構成很好的印證。

樁-漿協同加固條件下裂隙模型兩側土體不僅會受到漿液的單獨膨脹作用和有限的Ca2+遷移作用，石灰樁的加入還會使土體受到樁的膨脹作用和樁中大量Ca2+遷移作用。朱彥鵬等[21]研究表明石灰樁的體積膨脹量為原樁體積的1.2～1.5倍，石灰樁產生較大膨脹和質量分數為80%的CaO產生足量Ca2+與漿液共同對裂隙兩側土體進行強化。但是這兩種由樁和漿液分別產生的膨脹和Ca2+遷移作用對裂隙兩側土體的擠密和團聚作用的范圍和程度不是簡單的線性疊加。研究中，當寬徑比為1.5、2.0和2.5時，樁-漿協同對擠密和團聚作用的增益得到了充分的體現，表現在YZ1.5、2.0和2.5模型5、8和11 cm處土體密度、貫入阻力大于WZ組，液限、黏粒組顆粒含量小于WZ組。當寬徑比為3.0時，YZ3.0模型5、8和11 cm處土體密度、貫入阻力小于WZ組，液限、黏粒組顆粒含量大于WZ組，這說明位于樁土之間的漿液對石灰樁的膨脹力和Ca2+遷移也有吸收作用。樁-漿聯合加固時，吸收作用就存在，不同寬徑比下吸收作用程度不同；隨著寬徑比增大，雖然漿液自身產生的膨脹和離子遷移是增加的，但漿液對石灰樁吸收作用在寬徑比超過2.0后逐漸占據主導地位。研究中，樁-漿協同YZ2.0模型兩側土體線狀孔隙隨距離增大數量、擴展和聯通程度均慢于WZ組和YZ3.0，快于WZ組的現象，YZ2.0模型兩側等距土體SSA、CEC值最小，以及YZ3.0模型兩側等距土體SSA、CEC值最大，也與上述觀點構成較好的對應。

4 結 論

1）不同加固工況下裂隙模型兩側土體的貫入阻力、密度、液塑限和黏粒組顆粒含量等宏觀性質指標測試結果表明：樁-漿協同加固除寬徑比為3.0外，裂隙兩側土體的加固效果均優(yōu)于單獨注漿組，并且效果以寬徑比為2.0為最佳。

2）不同加固工況下裂隙模型兩側土體的微觀結構測試結果表明：樁-漿協同加固除寬徑比為3.0外，裂隙兩側土體的孔隙數量和孔徑均小于單獨注漿組，且絮凝物數量及與土顆粒結合程度均優(yōu)于單獨注漿組，其中以寬徑比為2.0為最佳。

3）孔隙相對變化率Pr隨著土體與裂隙距離的增大而減??；且樁-漿協同工藝下隨著寬徑比的增大，裂隙兩側等距土體的Pr均先增大后減小，在寬徑比為2.0時達到極大值，與宏觀指標變化趨勢基本一致。

4）單獨注漿工藝加固裂隙模型土體得到強化是由漿液自身膨脹擠密和離子遷移機制導致的；樁-漿協同加固條件下，隨著寬徑比增加，土體被強化程度先增后減是由樁-漿雙重膨脹擠密和離子遷移機制互相影響導致的；寬徑比大于2.0時，樁-漿雙重膨脹擠密和離子遷移機制被抑制。