土遗址裂隙加固桩-浆协同效果与机制研究

2021-03-29汪小海谌文武程富强

工程科学与技术 2021年2期

崔凯，汪小海，谌文武，冯飞，程富强

(1.兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，甘肃兰州730050；2.兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃兰州730000)

裂隙作为对土遗址整体稳定性影响最显著的病害之一，是导致土遗址坍塌的主要原因[1-3]。目前，对土遗址裂隙主要的加固手段是裂隙注浆[4-5]。然而，由于注浆浆液膨胀性、黏结性不足和注浆工艺的局限性，导致浆-土界面出现干缩分异的现象。崔凯等[6]前期通过在室内对以生石灰为掺料的注浆浆液结石体的力学兼容性开展试验研究，发现生石灰、粉煤灰和遗址土质量比为3∶2∶5的注浆浆液与遗址土兼容性良好；而后基于此种浆液进行现场裂隙注浆试验，发现传统注浆工艺和优化后的注浆工艺（设置微型石灰桩）均消除了浆-土界面干缩分异的现象，且石灰桩和浆液协同加固效果优于单独浆液的效果[7]。但桩-浆协同加固裂隙最优宽径比和作用机制尚不明确，成为该类型浆液和石灰桩工艺在土遗址裂隙注浆领域应用的亟待解决的问题。

国内外学者在石灰桩加固地基土体方面开展了大量研究工作。Wang等[8]利用圆孔膨胀理论推导了石灰桩的弹塑性解，确定了石灰桩作用的有效半径和桩间应力变化规律；米海珍等[9-10]通过试验得到了石灰桩体积膨胀力与约束力的关系，并推导出了生石灰桩体积膨胀与土体围压耦合的理论公式。以上研究为石灰桩挤密土体提供了理论指导。Pei等[11]对距石灰桩和粉煤灰桩不同距离土体的理化指标进行对比研究，发现两种桩周围土颗粒均因发生水化反应和火山灰反应而出现不同程度的凝聚。Abiodun等[12]通过对不同养护龄期下、距石灰桩不同距离的黏土的基本物理试验和导电性测试，发现由于离子迁移导致土体的导电性变化与抗剪强度变化间有内在的预测关系。Ashok等[13]通过测量不同养护龄期下石灰桩加固膨胀性黏土的物理性质，发现其物理性质的显著变化是由于Ca2+的迁移导致内部土体颗粒发生絮凝和火山灰反应。Barker等[14]通过对距石灰桩不同距离处土的物理化学性质进行研究来概述离子迁移的机理，说明石灰桩不仅对周围土体有物理挤密作用，还有内部的离子迁移作用。综上所述，众多学者对马兰黄土、普通黏土和膨胀性黏土等在石灰桩下的加固机理有较为深入的研究，这些理论和试验能为石灰桩加固土遗址裂隙的效果和机制的研究提供有益指导。然而，桩和浆协同加固土遗址裂隙过程中的约束条件、浆液浸润和桩浆传递机制等问题与石灰桩加固地基存在显著差别的，而且针对遗址土在桩和浆协同加固方面的相关研究比较少见。

因此，作者依据土遗址裂隙加固实际工况，基于前人研究，开展不同裂隙宽度与石灰桩直径的比值（宽径比）的裂隙注浆加固试验。首先，对完成注浆养护后不同宽径比裂隙两侧等间距土体进行表面贯入阻力、密度、液塑限、颗粒分析试验；然后，以扫描电镜（SEM）图像、比表面积、阳离子交换量及孔隙率的变化为基础建立强化变量，对桩-浆协同加固土遗址裂隙的效果和机制进行定性和定量联合分析，为以克服干缩分异为目标的注浆浆液和工艺在土遗址裂隙加固中的推广与应用提供一定理论支撑和参考。

1 室内裂隙注浆试验

1.1 试验设计

为探究桩-浆协同加固裂隙的效果与机制，设置5种不同宽径比的室内裂隙模型注浆试验。其中，预设单独注浆工艺加固裂隙模型为空白组，预设注浆+微型石灰桩工艺加固裂隙模型为对照组。对照组依据前期现场注浆试验所用石灰桩的直径[7]，并综合Wang[8]、朱彦鹏[15]等对石灰桩挤密土体有效作用范围的研究，设置4种不同宽径比（1.5、2.0、2.5、3.0）。将5种裂隙加固工况依次命名为WZ、YZ1.5、YZ2.0、YZ2.5、YZ3.0，其中：WZ代表注浆时无石灰桩；YZ代表优化后布置微型石灰桩的注浆工艺，数字表示不同裂隙的宽径比大小，试验设计方案见表1。

表1 室内裂隙注浆试验设计Tab.1 Experimental design of indoor fissure grouting

1.2 试验方法与材料

1）依据设计进行裂隙模型的制作。首先，将取得的坍塌遗址土破碎后过2 mm的筛，通过室内击实试验，确定其最优含水率（17.5%）。然后，将过筛的土颗粒分批在105℃下烘24 h，加蒸馏水搅拌使其含水量达到最优含水率，并用塑料膜密封，焖置24 h。随后，在5个尺寸均为60 cm×60 cm×20 cm的长方体铁箱中进行湿法夯制；为使试验箱中夯土体密度均匀一致，每个试验箱土样夯制时，都将土颗粒分10层装入，以相同击实功进行夯实；每层夯完后，先将层间土体刮毛，再夯下一层。待重塑遗址土样夯好后，在室内养护到与现场遗址土相同的含水率（2%左右），并依次在夯实土体中心沿垂直夯层方向开凿出裂隙（图1（a）），用鼓风机进行桩孔和槽内浮灰的清理，至此裂隙模型制作完毕。

图1 两种工艺裂隙注浆示意图Fig.1 Schematic diagrams of two fissure grouting processes

2）注浆加固。注浆浆液主要以1.5%的SH溶液为黏结剂，生石灰、粉煤灰（F）和遗址土（C）的混合物为主材，CaO、F、C质量配合比为3∶2∶5，水灰比选用0.52。石灰浆是由浓度为1.5%的SH溶液为黏结剂，生石灰（CaO）、遗址土（C）和聚丙烯纤维组成的混合浆液，其中：CaO与C的质量比为8∶2，聚丙烯纤维的质量为生石灰与遗址土质量和的0.5%，水灰比为0.75。注浆前，先对裂隙两侧土体用1.5%的SH溶液润湿；当浆液搅拌均匀后，进行裂隙的充填（图1（b）），边注浆边振捣密实。需要添加石灰桩（直径4.5 cm、高度10 cm）的，注浆前将PVC管插入预留的孔洞中，待注浆浆液初凝时，边缓慢向上旋拔PVC管，边将配置好的石灰桩浆液灌注到PVC管中，分层注浆和振捣，直至石灰桩注浆完成（图1（c）），然后，在室内自然养护至浆液最佳龄期63 d。

3）裂隙模型养护完成后，进行测试评价步骤。首先，在5组裂隙加固模型距裂隙两侧5、8、11 cm处分别进行表面贯入阻力测试；然后，取样（图2）进行密度、液缩限和颗粒组成、扫描电镜图像、比表面积和离子交换能力测试。以上同等距离均有两个平行样，测试结果取平均值。

图2 两种工艺注浆养护63 d后取样Fig.2 Sampling after curing of two fissure grouting processes for 63 days

2 桩-浆协同作用效果

2.1 贯入阻力变化

对养护63 d后的5种室内模型裂隙两侧5、8、11 cm处的土体进行表面贯入阻力测试，采用WG-V型地基承载力贯入仪，得出裂隙两侧等距土体加固前后的贯入阻力变化，如图3所示。

图3 不同加固工况下裂隙两侧土体贯入阻力随距离的变化曲线Fig.3 Penetration resistance curves of the soil on both sides of fissure with distance under different reinforcement conditions

由图3可知：1）相较于未加固土体，5种加固工况下裂隙两侧5、8、11 cm处土体贯入阻力均出现不同程度的提升，具体表现为距离裂隙越近贯入阻力提升程度越高；2）相较于无桩组，有桩组中除宽径比为3.0外，裂隙两侧等距土体的贯入阻力均大于无桩组；3）对于有桩组，随着宽径比增大，裂隙两侧等距土体的贯入阻力均先增大后减小，在宽径比为2.0时达到极大值，贯入阻力大小关系为YZ2.0＞YZ2.5＞YZ1.5＞YZ3.0。

2.2 密度变化

对养护63 d后的5种室内模型裂隙两侧5、8、11 cm处的土体采用蜡封法进行密度测试，得出两侧等距土体的密度变化曲线，如图4所示。

图4 不同加固工况下裂隙两侧土体密度随距离的变化曲线Fig.4 Density curves of the soil on both sides of fissure with distance under different reinforcement processes

由图4可知：1）相较于未加固土体，5种加固工况下裂隙两侧5、8、11 cm处土体的密度均出现不同程度的提高，具体表现为距离裂隙越近密度提升程度越大；2）相较于无桩组，有桩组中除宽径比为3.0外，裂隙两侧等距土体的密度均大于无桩组；3）对于有桩组，随着宽径比的增大，裂隙两侧等距土体的密度均先增大后减小，在宽径比为2.0时达到极大值，大小关系为YZ2.0＞YZ2.5＞YZ1.5＞YZ3.0。

2.3 液塑限变化

对养护63 d后的5种室内模型裂隙两侧5、8、11 cm处的土体采用SYS数显液塑限联合测定仪进行液塑限测试，得出两侧等距土体的液塑限变化曲线，如图5所示。由图5可知：1）相较于未加固土体，5种加固工况下裂隙两侧5、8、11 cm处土体液限均出现不同程度的降低，塑限出现不同程度的提高；具体表现为距离裂隙越近液限降低程度越大，而塑限提升程度越高。2）相较于无桩组，有桩组中除宽径比为3.0外，裂隙两侧等距土体的液限均小于无桩组，塑限普遍大于无桩组。3）对于有桩组，随宽径比的增大，裂隙两侧等距土体的液限均先减小后增大，塑限先增大后减小，宽径比为2.0时达到极值，液限大小关系为YZ2.0＜YZ2.5＜YZ1.5＜YZ3.0，塑限大小关系为YZ2.0＞YZ2.5＞YZ1.5＞YZ3.0。

图5 不同加固工况下裂隙两侧土体液塑限测试曲线Fig.5 Liquid and plastic limits curvesof the soil on both sidesof fissure with distance under different reinforcement conditions

2.4 颗粒组成变化

对养护63 d后5种室内模型裂隙两侧5、8、11 cm处的土体采用筛分法和密度计法进行颗粒分析试验，得到土体颗粒组成，如表2所示。

表2 颗粒分析试验结果Tab.2 Results of particle analysis

由表2可知，取样点的土体中砂砾含量无明显差别，粗粉粒、细粉粒、黏粒和胶粒含量存在微小的差异。虽然这种差异不明显，但将黏粒和胶粒含量相加，就会发现黏粒与胶粒的和（黏粒组颗粒含量）存在如下的规律：1）相较于未加固土体，5种加固工况下裂隙两侧5、8、11 cm处土体黏粒组颗粒含量均出现不同程度的降低，具体表现为距离裂隙越近降低程度越大；2）相较于无桩组，有桩组中除宽径比为3.0外，裂隙两侧等距土体的黏粒组颗粒含量均小于无桩组；3）对于有桩组，随着宽径比的增大，裂隙两侧等距土体的黏粒组颗粒含量均先减小后增大，在宽径比为2.0时达到极小值，其大小关系为YZ2.0＜YZ2.5＜YZ1.5＜YZ3.0。

2.5 孔隙率变化

利用裂隙两侧不同距离处土体实测的天然密度ρ、土的含水率w和土粒相对密度ρs，按式（1）计算得到土体加固后的孔隙率值，如图6所示。

图6 不同加固工况下裂隙两侧土体孔隙率变化曲线Fig.6 Porosity curves of the soil on both sides of fissure with distance under different reinforcement conditions

由图6可知：1）相较于未加固土体，5种加固工况下裂隙两侧5、8、11 cm处的土体孔隙率均出现不同程度的减低，具体表现为距离裂隙越近孔隙率越小；2）相较于无桩组，有桩组中除宽径比为3.0外，裂隙两侧等距土体的孔隙率均小于无桩组；3）对于有桩组，随着宽径比的增大，裂隙两侧等距土体的孔隙率均先减小后增大，在宽径比为2.0时达到极小值，大小关系为YZ2.0＜YZ2.5＜YZ1.5＜YZ3.0。

2.6 协同效果

根据上述5种室内模型裂隙两侧土体贯入阻力、密度、液塑限、黏粒组颗粒含量和孔隙率随距裂隙距离增加而表现出的变化规律，可以发现2种加固工艺均会使裂隙两侧土体的宏观性质指标产生规律性的变化。主要表现在：1）相较与未加固土体，两种加固工艺均会使裂隙两侧5、8、11 cm处土体的贯入阻力、密度、塑限增大，液限、黏粒组颗粒含量和孔隙率减小；2）对于有桩组，从贯入阻力、密度、液塑限和黏粒组颗粒含量的变化幅度来看，在宽径比为2.0时，裂隙两侧等距土体达到的强化效果最佳；3）有桩组中宽径比为3.0时，裂隙两侧等距土体的表面贯入阻力、密度和塑限均小于无桩组，液限、黏粒组颗粒含量和孔隙率均大于无桩组。以上结果充分说明在宽径比2.0时，协同作用的效果最为显著；当宽径比3.0时，协同作用的效果尚不及单独注浆的效果。相关研究[13,16]也表明，石灰桩周围不同距离处土体的宏观性质指标表现出的规律，必然是由土体的结构和物质变化引起的，因此需要进一步对桩-浆协同加固机制进行探讨。

3 协同作用机制

为揭示桩-浆协同作用加固土遗址裂隙的机制，首先，通过研究扫描电子显微镜（SEM）图像、比表面积与阳离子交换量，从微观层次揭示桩-浆协同作用下裂隙两侧土体强化的原因；基于此，引入孔隙相对变化率Pr来定量评价土体被强化程度；最后，从定性分析和定量分析相结合的角度，对桩-浆协同作用机制进行讨论。

3.1 定性分析

3.1.1微观结构变化

为研究桩-浆协同作用导致裂隙两侧土体结构的变化情况及其原因，选择无桩组、协同作用起始的宽径比1.5、最佳的宽径比2.0和最差宽径比3.0的裂隙两侧5、8、11 cm处土样进行1 000倍的扫描电镜测试，结果见图7。

由图7可知，不同工况和不同距离处的土体在孔隙数量、直剪、连通程度和絮凝物数量与团聚程度有所差异，见表3。由表3可知，这种差异是由桩和浆不同挤密机制导致的。土体孔隙方面，无桩情况下土体孔隙被挤密是由浆液的单独膨胀挤密机制导致的；YZ2.0土体挤密程度最大是由浆液和石灰桩双重膨胀挤密机制导致的；YZ1.5土体挤密程度较小是由于浆液体量过小导致双重膨胀挤密机制尚未完全发挥；YZ3.0土体中孔隙挤密程度最小是由浆液宽度过大对桩的膨胀力吸收作用导致的。因此，YZ2.0和YZ1.5裂隙两侧等距土体被挤密程度大于WZ组，WZ组的挤密程度大于YZ3.0，这与上述土体贯入阻力和密度变化规律一致。据Honghua等[17]对石灰固土过程中离子迁移的研究可知，絮凝物多为Ca2+的化合物，无桩组等距土体中絮凝物含量较少是由于仅有浆液中少量的Ca2+迁移到土体，YZ2.0等距土体絮凝物含量最多是由浆液和石灰桩双重的Ca2+迁移作用导致的，YZ1.5等距土体中絮凝物含量较多是由于浆液体量过小导致双重Ca2+迁移量尚未最大化，YZ3.0絮凝物含量最少是由浆液宽度过大对桩的离子迁移吸收作用导致的。因此，YZ2.0和YZ1.5裂隙两侧等距土颗粒表面絮凝物多于WZ组，WZ组的絮凝物多于YZ3.0。

图7 不同加固工况下距裂隙两侧不同距离处土体的SEM图Fig.7 SEM images of soil at different distances from fissures under different reinforcement conditions

表3 不同加固工况下距裂隙两侧不同距离处土体的SEM图特征Tab.3 SEM features of soil at different distancs from fissures under different reinforcement conditions

3.1.2比表面积与阳离子交换量变化

上述裂隙两侧土体的宏观性质指标和微观结构结果显示：离裂隙越近，裂隙两侧土体黏粒组颗粒含量越低，土颗粒表面絮凝物越多。因此，为了查明不同加固类型下等距土体絮凝物在数量、与土颗粒结合情况上表现出差异的原因，对上述4组工况下裂隙加固模型两侧5、8、11 cm处土体用亚甲基蓝滴定法[11,18]进行比表面积和阳离子交换量测定，得到土体加固前后的比表面积和阳离子交换量的变化曲线，见图8。

图8 不同加固工况下裂隙两侧土体比表面积和阳离子交换量测试曲线Fig.8 Specific surface area and cation exchange capacity curves of the soil on both sides of fissure with distance under different reinforcement conditions

由图8可知：1）相较于未加固土体，两种加固工艺下裂隙两侧5、8、11 cm处土体比表面积和阳离子交换量均出现不同程度的降低，具体表现为距离裂隙越近降低程度越大；2）相较于WZ组，YZ2.0和YZ1.5裂隙两侧等距土体的比表面积和阳离子交换量均小于WZ组，YZ3.0裂隙两侧等距土体比表面积和阳离子交换量均大于WZ组。

土粒的比表面积与颗粒大小有关，粒径越大，其比表面积越小，吸附在单位质量土粒表面用于交换低价阳离子越少，因此，阳离子交换量与比表面积具有很高的相关性[19]。上述比表面积和阳离子交换量测试表现出来的规律充分说明：在WZ、YZ1.5、YZ2.0和YZ3.0情况下，迁移到裂隙两侧土体Ca2+量的不同导致絮凝物差异，进而导致形成的胶团（一般为絮凝物包裹小颗粒而成）大小、数量的不同。这些被包裹的小颗粒多为黏粒和胶粒，是决定土体比表面积和阳离子交换量的关键土颗粒[19-20]，因此，土体被团聚后比表面积、阳离子交换量减小。这种结果也与研究中WZ、YZ2.0和YZ3.0裂隙两侧5、8、11 cm处土样黏粒组颗粒含量、SEM图像中絮凝物在数量及与土颗粒结合情况的变化规律形成了很好的印证。

3.2 定量分析

上述土样SEM微观结构、比表面积和阳离子交换量结果显示：挤密和离子迁移机制的差异致使土样中孔隙数量、直径和连通情况不同，这是裂隙两侧土体被不同程度强化的本质原因。因此，建立孔隙相对变化率Pr定量评价裂隙两侧土体在不同机制下被强化的程度。式中，nt0为土体初始孔隙率值，nti为距裂隙不同距离处孔隙率值。将式（1）结果代入式（2），结果如图9所示。

图9 不同加固工况下裂隙两侧土体的P r随距离变化曲线Fig.9 Pore relative change rate curves of the soil on both sides of fissure with distance under different reinforcement conditions

由图9可知：1）两种工艺下裂隙两侧土体的Pr均大于0，且离裂隙两侧距离越远，土体的Pr越小；2）有桩组除了YZ3.0外，土体的Pr均大于无桩组；3）有桩组中，随着宽径比的增大，土体的Pr先增大后减小，宽径比为2.0时达到极大值，Pr大小关系为YZ2.0＞YZ2.5＞YZ1.5＞YZ3.0。通过这些变化规律可以看出，土体Pr变化规律与宏观性质指标较为一致。

3.3 讨论

综合上述裂隙注浆模型两侧不同距离处土体的宏观性质和微观结构变化的定性特征和定量规律，不同裂隙模型两侧土体宏观性质受到不同程度强化，且这种差异性强化是因为土体在不同桩浆组合形式下受到不同程度的挤密和发生不同程度的离子迁移造成土体孔隙数目、孔径、连通情况及絮凝物数量、与土颗粒结合情况产生了不同而导致的。

单独注浆浆液加固条件下裂隙模型两侧土体仅受到浆液的单独膨胀作用和有限的Ca2+迁移作用。崔凯等[6]研究表明所用浆液28 d后体积膨胀率稳定为5.55%，在这种微膨胀和浆液中掺入质量分数为30%的CaO，其所产生的Ca2+发生的迁移对裂隙两侧土体的挤密和团聚作用的范围和程度是非常有限的。研究中，单独注浆模型5、8和11 cm处土体主要出现圆形孔隙，且此种孔隙随着距离的递增，数量、扩展和联通的程度增加；不同距离处土体SSA和CEC值较未加固土体有不同程度的减少，与上述观点构成很好的印证。

桩-浆协同加固条件下裂隙模型两侧土体不仅会受到浆液的单独膨胀作用和有限的Ca2+迁移作用，石灰桩的加入还会使土体受到桩的膨胀作用和桩中大量Ca2+迁移作用。朱彦鹏等[21]研究表明石灰桩的体积膨胀量为原桩体积的1.2～1.5倍，石灰桩产生较大膨胀和质量分数为80%的CaO产生足量Ca2+与浆液共同对裂隙两侧土体进行强化。但是这两种由桩和浆液分别产生的膨胀和Ca2+迁移作用对裂隙两侧土体的挤密和团聚作用的范围和程度不是简单的线性叠加。研究中，当宽径比为1.5、2.0和2.5时，桩-浆协同对挤密和团聚作用的增益得到了充分的体现，表现在YZ1.5、2.0和2.5模型5、8和11 cm处土体密度、贯入阻力大于WZ组，液限、黏粒组颗粒含量小于WZ组。当宽径比为3.0时，YZ3.0模型5、8和11 cm处土体密度、贯入阻力小于WZ组，液限、黏粒组颗粒含量大于WZ组，这说明位于桩土之间的浆液对石灰桩的膨胀力和Ca2+迁移也有吸收作用。桩-浆联合加固时，吸收作用就存在，不同宽径比下吸收作用程度不同；随着宽径比增大，虽然浆液自身产生的膨胀和离子迁移是增加的，但浆液对石灰桩吸收作用在宽径比超过2.0后逐渐占据主导地位。研究中，桩-浆协同YZ2.0模型两侧土体线状孔隙随距离增大数量、扩展和联通程度均慢于WZ组和YZ3.0，快于WZ组的现象，YZ2.0模型两侧等距土体SSA、CEC值最小，以及YZ3.0模型两侧等距土体SSA、CEC值最大，也与上述观点构成较好的对应。