松散填土层中注浆效果检测方法试验研究
程盼，邹金锋，罗恒，罗伟，赵炼恒
(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075)
摘要：针对注浆加固质量准确判定较困难的问题，通过注浆模型试验，采用室内土工试验、动力触探原位测试以及地质雷达等测试方法对松散土体注浆后加固效果进行检测，将其土层物理力学参数、承载力增长情况以及土层完整性、连续性改善结果与全断面开挖后注浆体真实结果进行对比。研究结果表明：检测结果与全断面开挖后注浆体所反映的承载特性、浆液分布规律等情况基本一致，即注浆后土体物理力学性质显著改善，土体自稳性能增强，连续性、完整性均有提高，说明综合室内土工试验、动力触探原位测试以及地质雷达测试方法能够较好地反映松散土体注浆后加固效果，对注浆效果检测有一定的参考作用。
关键词：松散填土；注浆；地质雷达；模型试验
中图分类号：TU 472.6 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)09-3800-07
Experimental research on detection method of grouting effect in loose filled soil
CHENG Pan, ZOU Jinfeng, LUO Heng, LUO Wei, ZHAO Lianheng
(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)
Abstract: For the difficult problem of the quality testing of grouting, laboratory test, dynamic penetration test and geological radar test method were used to measure the reinforcement effect after grouting throughout grouting model test and it was found that mechanical parameters and bearing capacity were increased and the continuity and integrity were improved, which was compared with the real results reflected by the full section excavation. The results show that the bearing characteristics and the slurry distribution patterns are basically the same in both. The soil physical and mechanical properties are significantly improved, and soil stabilization enhances, continuity and integrity are improved. Integrated laboratory test, dynamic sounding test and geological radar test method can better reflect the grouting reinforcement effect in loose soil, and offer certain reference and guidance for the grouting effect detection in loose filled soil.
Key words: loose filled soil; grouting; ground penetrating radar; model test
注浆技术自1802年用于工程实践[1-2]以来距今已有200多年历史。在这200多年里，其应用领域不断扩展，广泛应用于堤坝防渗、岩土加固、地下工程防水等工程实践中。注浆理论也随着实践的不断深入而得到了长足发展，这也推动其更加有效地应用于工程实际[3-6]。然而，由于注浆工程是一项隐蔽工程，不能直观地观察到浆液注入岩土层后的具体情况，所以，存在着注浆质量无法控制以及注浆加固效果无法很好地反映的问题。目前，注浆效果评价方法主要由以下几种：施工质量检查及技术资料分析法、现场观测法、钻孔取芯室内试验法、钻孔取芯观察法、声波测试法、TSP法、地质雷达法、孔间地震波CT法、标准贯入法、静力触探法或旋转触探法(RPT)等[7]。这些方法各自有其缺点，如：有的不能定量地确定浆液充填情况，有的需要进行破坏性测试，有的只能对某些点的加固效果进行探查。对于工程实践，使用单一的检测手段无法准确地对注浆加固效果、注浆体的连续性、完整性以及浆液充填范围等情况进行探查。近年，国内一些学者[8-11]采用一种或多种检测方法对注浆效果的检测进行了探讨，但均未能与浆液注入土体后的真实情况进行比照。为此，本文作者进行了注浆模型试验，采用多种方法对注浆效果进行综合检测，通过对检测结果与注浆后土体全断面开挖情况的比照分析，以便准确了解注浆效果。
1 注浆模型试验设计
模型槽结构如图1所示。采用红砖垒砌而成，外包长×宽×高为3 000 mm×3 000 mm×1 600 mm，壁厚为250 mm。模型槽修筑完成后，填筑松散填土至模型槽顶部。
图1 模型槽结构
Fig.1 Structure of model tank
填料填筑完成后，分别采用室内土工试验、动力触探以及地质雷达等方法对注浆前土体的物理力学性质以及土层状态进行测试。测试完成后对填料进行注浆。注浆管选用直径为25 mm的钢花管，共布设3根，平行间距为0.8 m，管底距模型槽底部约0.4 m，注浆管布置图如图4所示。注浆泵选用XZ50/20型活塞式，最大注浆压力为2.5 MPa，并自动记录注浆压力及注浆量。注浆材料选用纯水泥浆液，浆液水灰比为0.6~0.7。
注浆完成后7 d同样采取上述方法对注浆效果进行检测。最后，对注浆体进行全断面开挖以比照上述综合检测方法的有效性。
2 注浆压力、注浆量结果及分析
本次试验共进行4次注浆，每次灌注浆液量相同，通过自动记录仪得出浆液灌注压力随时间变化曲线，如图2所示。
图2 注浆压力与时间的关系
Fig.2 Relationship between grouting pressure and time
整个注浆过程持续80 min，共灌注浆液1.5 t。由于在注浆过程中对注浆压力及注浆量进行了控制，故仅有少量浆液从土层上表面冒出以及通过模型槽壁渗出，其中北面模型槽壁渗浆较严重。
在整个过程中，注浆压力呈上升趋势，说明浆液渗入土中并且不断充填压密土体中孔隙，使土体物理力学性质得到改善。而土层中的应力状态也随着浆液压力的不断增大而发生变化，促使浆液在土体中产生劈裂，通过劈裂形成的浆脉继续压密土体。第2次注浆压力小于第1、第3及第4次的注浆压力，说明在这一过程中开始产生浆体劈裂。而浆体本身的胶结作用也是改善土体性能的重要因素。
从注浆压力不断升高以及注浆量不断增加也可以间接揭示注浆加固土体的有效性。
3 注浆效果检测分析
通过室内土工试验、动力触探、承载板试验、声测管以及地质雷达等检测方式对注浆效果进行检测，最后通过全断面开挖注浆体来验证各检测手段的有效性。
3.1 室内土工试验
通过对注浆前后土体取样进行室内土工试验，测定其物理力学性质参数，如表1所示。从表1可以看出：注浆后土的各项指标均有一定程度提高，其中：土的平均密度提高5.53%；含水量(体积分数)分别减小18.11%和1.60%；天然土孔隙比分别减小14.5%和7.9%；黏聚力分别增大35.7%和52.4%；而内摩擦角基本上未变；压缩系数在注浆后分别减小40%和35%，压缩模量分别增加64.8%和54.6%。说明注浆有效地改善了松散填土的力学性能。
3.2 动力触探原位测试试验
原位测试能较好地反映土体在未受扰动状态下真实的应力应变状态，动力触探原位测试技术对评判地基加固与改良的质量效果是有效的[12]。本实验采用轻型动力触探试验来定量地了解注浆前后岩土体力学性质的变化。
在注浆前后分别选取6个点进行动力触探试验。触探点位布置如图3所示，所得结果见图4。
由图4可知：与注浆前相比，注浆后承载力均有不同程度提高，其中1号和2号点增长幅度较大，分别达到230 kPa和180 kPa。注浆前，模型槽内下部土体承载力普遍比上部土体的大；注浆后，上部土体承载力大于下部土体承载力，而且上部土体承载力增长幅度也比下部土体的大，这是上部土体中浆液凝结速率大于下部的凝胶速率所致。
3.3 地质雷达测试
3.3.1 地质雷达测试原理
地质雷达探测法[12-13](ground penetrating radar，简称GPR)是利用高频电磁波(1 MHz~1 GHz)，以电磁短脉冲的形式，由发射天线发送至地下介质体中。经过电磁性差异分界面时，由于电阻率、介电常数以及磁导率不同，电磁波在此界面上会产生反射与透射，被反射的电磁波返回地面，经接收器接收，然后通过对所接收信号的处理和图像解析，可获得测线下方隐蔽介质体的分布特征等信息。其工作原理如图5所示。
图3 注浆管及动力触探测点布置图
Fig.3 Layout of grouting pipe and dynamic penetration test points
由于地质雷达探测方法在其影响深度范围内具有分辨率高、工作效率高、抗干扰能力强等优点，目前该方法已广泛应用于工程勘察、地下管线探测、地基加固效果、工程质量监测、采矿工程以及环境岩土工程等领域[13-15]。
本模型试验采用地质雷达法以连续探测方式对注浆前后土体进行测试。在模型槽顶共布设7条测线，如图6所示。
3.3.2 测试结果分析
选取位于模型槽两侧的测线1、测线7以及位于中部的测线4的结果进行分析。
(1) 测线1注浆前后获取的雷达图像如图7和图8所示。
分析图7和图8可知：注浆前，靠右侧0.50~1.00 m深度范围内土体较松散，其中波形在深度0.85 m处位置出现强反射，说明有明显分界面，这可能是分层压实及该层含水量较大的缘故；注浆后右侧0.50~1.00 m处土体变得较密实，0.85 m处强烈反射也未见，可见注浆后土体密实度有所增大，均一性显著提高；注浆后图像中深度1.00 m以下类似信号干扰的图像，是介质均一性提高、信号反射强度显著下降、可探深度减少造成的。
表1 填土物理力学性质参数表
Table 1 Physical mechanical parameters of fillers
图4 轻型动力触探原位测试
Fig.4 Results of light dynamic penetration test
图5 地质雷达工作原理示意图
Fig.5 Schematic diagram of principle of ground penetrating radar
图6 现场测线布置图
Fig.6 Arrangement diagram of measuring line on site
图7 测线1注浆前雷达图像
Fig.7 Radar image of measuring line No.1 before grouting
图8 测线1注浆后雷达图像
Fig.8 Radar image of measuring line No.1 after grouting
(2) 测线4注浆前后雷达图像如图9和图10所示。
从图9和图10可见：在深度0.50~1.00 m范围内，注浆前后图像的连续性、离散性相差不大，说明该范围内土体注浆加固效果不明显；而在深度1.00 m以下，注浆后的雷达探测信号反射强度显著下降，可探深度减少，表明注浆效果较好。
图9 测线4注浆前雷达图像
Fig.9 Radar image of measuring line No.4 before grouting
图10 测线4注浆后雷达图像
Fig.10 Radar image of measuring line No.4 after grouting
(3) 测线7注浆前后的雷达图像如图11和图12所示。
由图11和图12可直观地看出注浆前0.5~0.9 m雷达图像信号强反射，信号同相轴呈绕射弧形，且不连续，表明该处土层不密实；注浆后反射信号明显变弱，土层密实性显著改善，注浆加固效果明显。
通过上述分析可知：地质雷达在评判注浆后土体的连续性、完整性方面是有效的，辅之以原位测试等定量测试指标，能够较好地反映出注浆效果。
3.4 其他检测方法
在地质雷达扫描探测后，通过注浆前在模型槽4个角点预埋的声测管，对注浆后土体进行超声波检测，但检测效果不理想，未能检测到有效的声脉冲。其原因是：(1) 声测管布置不当，距离偏大(2.0 m)；(2) 由于土层本身连续性差，致使声波在传播过程中能量衰减过快，接收器无法接收到脉冲信号，无法反映出土体情况。
另外还通过承压板载荷试验对注浆后承载力进行了测试，在实验过程中由于沉降量过大，同样未能检测到有效数据。其原因是浆体静置时间较短，还未能完全加固土体。
图11 测线7注浆前雷达图像
Fig.11 Radar image of measuring line No.7 before grouting
图12 测线7注浆后雷达图像
Fig.12 Radar image of measuring line No.7 after grouting
4 全断面开挖试验及对比分析
在现场各测试完成后，对整个模型槽进行全断面开挖，以便直观地了解注浆后土体中浆脉分布情况以及加固效果，并且与之前进行的测试结果进行对照，验证综合测试结果的可靠性。
4.1 加固效果对比分析
松散填土层中由于含卵石、砂量大，天然土体的自稳性能差，而通过注浆加固后，较大程度地改善了土体的自稳性能。在凿除模型槽四面砖墙后，南面土体迅速坍塌，而另外三面土体能够自稳。
在能自稳的壁面上分布有诸多浆脉，在浆脉胶结、压密、劈裂以及“加筋”的作用下，土体的力学性能得到改善。而在坍塌的壁面上右侧见少量浆脉，土体亦能自稳，左侧土体中未发现浆脉，开挖后失稳坍塌。
从浆脉分布及自稳能力的分析中可以看出注浆对土体的加固效果明显，这与室内土工试验结果中各项物理力学性质的改善是相对应的。北面土体浆脉丰富，自稳能力提高，南面土体未见浆脉、失稳坍塌，与动力触探原位测试中反映出来的1号和2号测点承载力分别达到230 kPa和180 kPa相对应。在地质雷达中，测线1右侧的图形也反映出土体松散。所以，通过室内土工试验、动力触探试验以及地质雷达测试能够较好地反映出注浆后土体加固效果。
4.2 浆脉分布情况对比分析
巨大的注浆压力以浆液为载体传递于土层中，一部分用于渗透、压密土体以及浆液劈裂土体前行，一部分用于扩张劈裂缝从而继续压密土体，最后通过土体中呈网状分布浆脉的胶结、“加筋”作用完成对土体的加固，所以，在土体中应该分布纵横交错的浆脉。从开挖后的注浆效果看：土体中分布有网状浆脉，浆脉以水平方向分布为主，宽度一般为0.3~2.0 cm，而竖向浆脉较少。在注浆过程中，浆液首先从模型槽侧壁渗出，而后随着压力的增大才出现从顶部冒浆的现象，也说明浆液在土层中以水平向劈裂为主。
浆液的压密作用使土体连续性增强，而纵横交错的浆脉使土体联接成一个整体。从地质雷达图像的分析中可以清晰地反映出填料连续性和完整性增强，注浆后土体雷达图像中水平向反射波增多正好验证土体中浆脉的充填情况。
5 结论
(1) 综合采用室内土工试验、动力触探试验、地质雷达等探测方法定量和定性地分析了松散填土层中注浆加固效果：注浆有效地改善了填土的物理力学性质，各参数均有不同程度提高，增强了土体的完整性、连续性和自稳性。
(2) 将上述测试结果与注浆后松散填土层全断面开挖直观观测情况进行对比，发现两者所反映情况较吻合，说明于松散填土层中采用上述定量和定性的方法对其注浆加固效果进行检测是可靠的，这为以后松散填土层中的注浆检测具有一定参考作用。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2012-09-12；修回日期：2012-11-25
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51078359，51208523)；湖南省交通科技项目(201018)；贵州省交通运输厅科技项目(2010-122-009)；湖南省研究生科研创新项目(CX2011B098)
通信作者：邹金锋(1978-)，男，河南新县人，博士，副教授，从事岩土与地下工程的教学与应用研究；电话：0731-82656248；E-mail: zoujinfeng_0@163.com
