榆林地區(qū)夯土遺址裂隙注漿材料試驗(yàn)研究

劉 建，韓可竹，侯龍君

（西北有色勘測工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710038）

1 引言

陜西省榆林地區(qū)保存有大量的夯土遺址，由于特有的氣候條件，部分被沙漠掩埋，很多遺址得以保留，具有較高的價值。榆林明長城是榆林夯土遺址中的重要組成部分，榆林明長城在榆林境內(nèi)的城墻自東接神木縣高家堡邊墻入境，經(jīng)由建安堡、雙山堡、常樂堡、保寧堡，西接橫山縣波羅堡出境，超過100 km，有烽火臺210多座。

由于自然及人為因素的影響，榆林明長城有多重病害，其中，裂隙的發(fā)育及發(fā)展對遺址的安全保存很不利。目前，裂隙注漿常常用的材料有PS、SH、CB等，部分材料在一些地方效果良好[1]，但由于土遺址加固材料具有很強(qiáng)的地域特點(diǎn)，很多遺址加固材料在榆林地區(qū)并不適用。

2 試驗(yàn)選址及現(xiàn)場裂隙調(diào)查

2.1 試驗(yàn)選址

選擇地質(zhì)條件具有代表性的區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)，且試驗(yàn)區(qū)完整、穩(wěn)定、有代表性裂隙均勻發(fā)育。首先，裂隙為大氣降水提供了良好的通道，由于雨水在裂隙內(nèi)的流動，降低了裂隙兩壁土體的力學(xué)強(qiáng)度，易引起裂隙兩壁土體沿裂隙發(fā)生錯動或是坍塌；其次，遺址上的各種裂縫降低了遺址的整體穩(wěn)定性，使遺址抵御地震，大風(fēng)等動荷載的能力降低；最后，遺址上各種裂隙的交錯組合發(fā)育，切割遺址形成危險塊體，加速了遺址破壞[2]。

經(jīng)分析對比，本次試驗(yàn)擬選擇榆林三十六堡之一的常樂堡西北角臺作為試驗(yàn)場地。常樂堡位于榆陽區(qū)牛家梁鎮(zhèn)常樂堡村，北距大邊長城0.5 km，東至雙山堡20 km，西至榆林城15 km。城堡平面呈長方形，城垣周長1680 m，總占地面積176 400 m2。城堡建制規(guī)整，四角都建有角樓，保護(hù)相對較好。堡設(shè)東西城門，均有甕城，東門保存基本完好，門洞寬2.8 m，高3.3 m，深10 m；洞額上鑲有石刻“惠威”字樣，乾隆三十六年（1771年）重修。西門被塵沙掩埋了近200年，現(xiàn)已挖掘出保存較好。堡垣砌磚全被拆除，殘?jiān)啾粔m沙掩埋斷續(xù)相連。

明成化年間巡撫盧祥在岔河兒置堡（今榆陽區(qū)麻黃梁鎮(zhèn)西南舊村）。弘治二年（1489年），巡撫劉忠因舊堡“地沙（石責(zé)）缺水，北徙二十里”，在今址建堡。堡垣周長“三里零五十步，樓鋪一十五座”。萬歷六年（1578年）重修。明代常樂堡屯駐軍丁及守瞭軍共648名，巡防大邊長城 “一十八里零一百七十六步，墩臺三十七座”。康熙年屯駐守兵110名，設(shè)守備1員統(tǒng)轄。

常樂堡遺址西北角樓保存狀況極差，夯土臺坍塌嚴(yán)重，底部堆積坍塌土，上部殘存少量夯土。臺底部突出西墻6 m，突出北墻7 m，東西邊長25 m，南北邊寬17 m，臺外高9 m。墻體平均寬度約為5 m，發(fā)育的病害主要有：①有一半寬度的墻體出現(xiàn)側(cè)向滑移，主要是由于底部掏蝕所致，墻體下陷約30 cm；②墻身出現(xiàn)多處貫通裂縫，規(guī)模較大；③墻體植被較發(fā)育，根系錯綜復(fù)雜，將頂部墻體切割較破碎；④墻體滑移部分屬于危險體，岌岌可危，甚至嚴(yán)重威脅到周邊居民的安全。

2.2 現(xiàn)場裂隙調(diào)查

通過對現(xiàn)場調(diào)查，選取了9條具有代表性的裂隙，裂隙詳細(xì)描述見表1。

表1 常樂堡西北角臺裂隙發(fā)育特征統(tǒng)計(jì)表

3 注漿材料配置及試驗(yàn)方案

3.1 注漿材料配置

3.1.1 注漿材料配置步驟

（1）將原生土40目過篩，去除原生土大顆粒雜質(zhì)，將過篩后的原生土、偏高嶺土在烘箱中烘干12 h取出備用。

（2）按質(zhì)量比，稱取20%～25%的水、50%～60%的原生土、8%～13.5%的偏高嶺土、9%～12%的氫氧化鈣、0.21%～0.48%的減水劑、0.58%～0.68%的膨脹劑。

（3）將稱量好的混合物放入攪拌機(jī)內(nèi)進(jìn)行攪拌，攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為90～120 r/min，攪拌10～20 min，待攪拌均勻即制成漿料。

上述減水劑采用木質(zhì)素磺酸鹽，膨脹劑采用三氧化二鋁。

3.1.2 減水劑作用

（1）分散作用：在攪拌過程中，土體顆粒分子之間具有引力作用，使水包裹在泥土顆粒之間，不能參與自由流動和潤滑作用，從而影響了拌合物的流動性。當(dāng)加入減水劑后，由于減水劑分子能定向吸附于土體顆粒表面，使顆粒表面帶有同一種電荷（通常為負(fù)電荷），形成靜電排斥作用，促使顆粒相互分散，釋放出被包裹部分水，參與流動，從而有效地增加拌合物的流動性。

（2）潤滑作用：減水劑中的親水基極性很強(qiáng)，因此泥土顆粒表面的減水劑吸附膜能與水分子形成一層穩(wěn)定的溶劑化水膜，這層水膜具有很好的潤滑作用，能有效降低土體顆粒間的滑動阻力，從而提高流動性。

（3）接枝共聚支鏈的緩釋作用：新型的減水劑如聚羧酸減水劑在制備的過程中，在減水劑的分子上接枝上一些支鏈，該支鏈不僅可提供空間位阻效應(yīng)，而且在水泥水化的高堿度環(huán)境中，該支鏈還可慢慢被切斷，從而釋放出具有分散作用的多羧酸，這樣就可提高粒子的分散效果，并控制坍落度損失[3]。

偏高嶺土作用是偏高嶺土中的活性成分有水硅酸鋁與氫氧化鈣反應(yīng)生成具有凝膠性質(zhì)的水化鈣鋁黃長石和二次C-S-H凝膠，這些水化產(chǎn)物不僅使灌漿材料的抗壓、抗彎和劈裂抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)，而且增加韌性。這些由偏高嶺土水化生成的產(chǎn)物后期強(qiáng)度仍不斷增長，甚至和硅灰的增強(qiáng)作用相當(dāng)。

本試驗(yàn)所采用的注漿材料在測試時具有較高的強(qiáng)度，而且與土遺址本體具有良好的兼容性，在注漿材料中加入的膨脹劑有效地解決了注漿材料凝固后的收縮問題，促使注漿材料與土遺址本體緊密結(jié)合。具有無毒、耐老化、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 試驗(yàn)方案

為研究不同寬度情況下注漿材料的適用性，本次試驗(yàn)選取不同寬度的裂隙9條，將裂隙按照寬度分為3類：I類裂隙（寬度≤2 cm）；II類裂隙（2 cm＜寬度≤5 cm）；III類裂隙（寬度＞5 cm）。針對I類裂隙，采用注射器直接注射注漿；針對II類裂隙，首先進(jìn)行裂隙封堵，預(yù)埋注漿管，隨后調(diào)整注漿材料水灰比，采用手動注漿泵進(jìn)行灌漿；針對III類裂隙，首先對裂隙采用碎土塊進(jìn)行充填，隨后裂隙開口處進(jìn)行封堵，預(yù)埋注漿管，最后采用注漿泵進(jìn)行注漿。

對于注漿材料，本次試驗(yàn)根據(jù)裂隙寬度不同，選取不同的注漿材料配比及水灰比，本次針對9條裂隙的注漿材料配比見表2。

表2 現(xiàn)場試驗(yàn)裂隙配比表

4 注漿后效果檢測

裂隙注漿后，在自然環(huán)境下養(yǎng)護(hù)1個月，隨后采用無損檢測手段對裂隙注漿效果進(jìn)行檢測分析，評判漿液的適用性。

4.1 聲波檢測結(jié)果

本試驗(yàn)采用聲波儀對裂隙注漿填充效果進(jìn)行測試，測試方式采用最小干預(yù)的平測手段，通過附加雨蝕試驗(yàn)，檢測裂隙灌漿后在極端天氣條件下的適用性[4]，測試結(jié)果見表3。

表3 聲波測速試驗(yàn)結(jié)果分析

通過測試自然養(yǎng)護(hù)1個月后固結(jié)漿體與周圍土體的波速發(fā)現(xiàn)，漿體的平測波速略高于周圍土體，表明裂隙注漿后，填充了裂隙之間的空隙，且漿體與周邊土體有了很好的融合，提高了裂隙兩側(cè)土遺址的整體性。經(jīng)過5次的雨蝕試驗(yàn)，波速均無明顯降低，波速仍略高于周圍夯土，表明該漿體可以抵抗一定的雨強(qiáng)，在填充裂隙及與兩側(cè)遺址粘結(jié)方面具備一定的適用性。

4.2 地基承載力貫入儀檢測結(jié)果

本試驗(yàn)通過借用地基承載力貫入儀的方式，對漿體表面強(qiáng)度予以分析[5]，具體測試數(shù)據(jù)見表4。

表4 地基承載力貫入儀試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，漿體表面的貫入阻力整體略高于周圍土體，在雨蝕試驗(yàn)后，表面強(qiáng)度降低程度基本與周圍土體相協(xié)調(diào)，未出現(xiàn)強(qiáng)度明顯高于或低于周圍土體現(xiàn)象，這表明，該漿體在自然環(huán)境下，受雨蝕后，在灌漿充填區(qū)域不會形成新的裂隙，在強(qiáng)度方面，該漿體具備一定的適用性。

4.3 色差檢測結(jié)果

本試驗(yàn)對于試樣顏色改變的評判標(biāo)準(zhǔn)借鑒CIE1976色差公式以及表色系統(tǒng)CIELAB測量物體顏色的色空間的色坐標(biāo)體系ΔE=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]1/2，式中：ΔL*為明亮度差；Δa*為紅綠色度變色；Δb*為黃藍(lán)色度差，3個數(shù)值共同計(jì)算得出色差值ΔE[6]，ΔE具體評價標(biāo)準(zhǔn)見表5。

表5 色差等級

加固后3類裂隙在自然風(fēng)化下的色差值變化較小，對比色差等級可知，其色度變化值屬于無色變，與周邊土體色度保持一致，加固效果良好，色度變化值見表6。

表6 色度變化值

5 結(jié)論

（1）對于不同寬度裂隙，本研究給出了漿體不同的配比，具體配置方式為：I類裂隙注漿配比：遺址原生土：偏高嶺土：氫氧化鈣：木質(zhì)素磺酸鹽：三氧化二鋁：水=52∶13∶9.6∶0.34∶0.3∶34；II類裂隙注漿配比∶遺址原生土∶偏高嶺土∶氫氧化鈣∶木質(zhì)素磺酸鹽∶三氧化二鋁∶水=51∶13∶9.2∶0.27∶0.38∶32.8；III類裂隙注漿配比∶遺址原生土∶偏高嶺土∶氫氧化鈣∶木質(zhì)素磺酸鹽∶三氧化二鋁∶水=59.2∶8.5∶11.8∶0.46∶0.7∶31。

（2）本試驗(yàn)所研究土遺址灌漿材料在榆林地區(qū)具備一定的適用性，在填充密實(shí)性、強(qiáng)度、抗雨蝕沖刷方面性能較好，在顏色方面，經(jīng)色差分析比較，夯土遺址本體較為協(xié)調(diào)，對于其耐久性，本研究將持續(xù)進(jìn)行檢測分析。