一种基于实时监测的土遗址裂隙注浆方法

技术领域

本发明涉及土遗址裂隙注浆加固的技术领域，尤其涉及一种基于实时监测的土遗址裂隙注浆方法，也可以应用于岩土工程等相关领域。

背景技术

我国干旱半干旱环境的西北地区，遗存有大量的古代土遗址，如甘肃秦安县的大地湾人类居住遗址、新疆吐鲁番地区的交河故城，银川西夏陵等。受建筑工艺和自然环境的影响，土遗址本体存在着不同形式和尺度的裂隙或裂缝。调查发现裂隙主要有风化裂隙、卸荷裂隙、建筑工艺裂隙等。裂隙由于发育严重程度不同，有些已经发育贯穿于遗址本体形成贯通裂隙，甚至部分失去约束外闪或倾斜，其中有一部分刚刚发育，并没有形成贯通裂隙。裂隙的发育破坏了遗址的结构，降低了遗址的物理力学性能，在外动力作用下可能会引发遗址坍塌，尤其卸荷裂隙的产生多由于墙基掏蚀而形成，影响土遗址的稳定。裂隙加固是土遗址得以保护的一个十分重要的工艺手段。

裂隙加固具有多种形式，往往依据裂隙类型和宽度的不同而采取不同技术手段。依据宽度可以将裂隙分为3类，小于5cm为I类裂隙，统计约占70%~85%；5cm~15cm之间的为Ⅱ类裂隙，统计约占10%~25%；大于15cm的为Ⅲ类裂隙，统计约占5%以下。现阶段行业内除了对Ⅲ类裂隙增加额外锚固措施外，I类、Ⅱ类裂隙均采用注浆手段。I类裂隙宽度较小，直接注浆通常可以达到较好的加固效果，但是Ⅱ类裂隙宽度较大，直接注浆经常不能保证浆液充满裂隙，进而影响浆-土界面的粘结力，降低加固效果。因此，需要对Ⅱ类裂隙进行辅助处理，同时施加手段保证浆液充满裂隙。

现阶段的工程实践中，对Ⅱ类裂隙进行辅助处理通常是增加界面处理，但该方法仍然处于探索阶段，对于界面处理的方式方法没有统一的规定和标准，这对于界面处理所能提供的增强加固效果评价是不足的。无论是直接注浆还是增加辅助手段，注浆都是整个加固过程的关键步骤，浆液能否充满裂隙和发挥作用是评判加固效果的重要因素。同时，由于传统浆液的干缩，浆液硬化后经常会导致浆-土界面分离，产生“两张皮”的现象，因此解决浆-土界面分离也是注浆加固的关键工作。

经过已有的浆液研究和注浆加固实践，使用微膨胀型浆液可以有效解决浆-土界面分离的问题，微膨胀型浆液一般要添加生石灰作为膨胀性的原料，而生石灰又具有水化放热的特征，在注浆工作中需要考虑温度对注浆过程以及裂隙两侧土体的影响。因此，相比于传统浆液需考虑是否完全充满裂隙外，微膨胀型浆液还需要考虑浆液产生的温度和膨胀力对裂隙两侧土体的作用。同时，传统浆液的注浆过程一般不进行监测，注浆效果液只能通过后期观察、取样测试和现场试验进行评价，这往往具有滞后性、片面性和破坏性，破坏性试验在文物保护中是不提倡的，滞后性和片面性则可以通过全面的监测进行解决。

发明内容

针对现有土遗址裂隙注浆加固中缺少界面处理和对注浆过程精准控制不足的技术问题，本发明提出一种基于实时监测的土遗址裂隙注浆方法，对裂隙界面进行开槽处理可有效提高加固效果，注浆过程监测实现精细化控制注浆，二者结合可以达到最好的裂隙注浆加固效果。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于实时监测的土遗址裂隙注浆方法，其步骤如下：

步骤S1、获取宽度在5~15cm的裂隙的土遗址本体的遗址参数，根据遗址参数对土遗址进行分级；

步骤S2、清除裂隙两侧的浮土；

步骤S3、裂隙表面开槽：根据土遗址分级确定裂隙表面开槽的控制指标，根据控制指标清理开槽内整条裂隙浮土；

步骤S4、裂隙表面喷润：使用加固液自下而上对裂隙表面进行喷洒渗透；

步骤S5、监测传感器分层布置：在裂隙两侧0.5~2倍的裂隙平均宽度范围内的土体中分层布置监测传感器；

步骤S6、临空面分层支模：根据步骤S5中的分层高度自下而上对裂隙临空面进行分层支模并提供反压力；

步骤S7、分层注浆监测：从最底层开始注浆，按照15~30cm的高度自下而上进行分层注浆，并使用微型振捣棒进行振捣，利用步骤S5中布置的监测传感器监测裂隙两侧土体的数据，当监测数据满足预设阈值时，进行下一层注浆。

优选地，所述步骤S1中遗址参数为土遗址本体的单轴抗压强度，根据遗址参数对土遗址进行分级的方法为：单轴抗压强度小于1.5MPa的为软，单轴抗压强度在1.5~3MPa范围之间的为中，单轴抗压强度大于3MPa的为硬；所述步骤S2中使用地基承载力贯入仪测试裂隙两侧浮土的强度，清除贯入阻力在0~75N范围内的土体。

优选地，所述开槽的控制指标包括截面形状、高度间距和倾角，截面形状和高度间距均由土遗址分级确定，截面形状为等腰三角形、等腰梯形或弓形，截面形状的开口宽度和入土深度由土遗址分级确定，根据开口宽度的上边界点和下边界点以及入土深度的顶点确定截面形状；倾角是沿裂隙深度方向与水平面的夹角且倾角的范围为8~15°。

优选地，所述开口宽度依据土遗址分级的软、中、硬三级分别取裂隙宽度的0.3~0.5倍、0.2~0.3倍、0.1~0.2倍，入土深度依据土遗址分级的软、中、硬三级分别取裂隙宽度的0.3~0.5倍、0.2~0.3倍、0.1~0.2倍；高度间距依据土遗址分级的软、中、硬三级分别取裂隙宽度的1.2~1.5倍、0.8~1.2倍、0.5~0.8倍；所述等腰三角形为开口宽度的上边界点和下边界点以及入土深度的顶点直线相连组成的，弓形为开口宽度的上边界点和下边界点以及入土深度的顶点三点弧线相连组成的，等腰梯形的一个底边为开口宽度、另一底边长度为开口宽度的0.4~0.6倍。

优选地，所述步骤S4中包括3次喷洒渗透，当裂隙表面出现径流时结束第一次喷洒，间隔5~10min进行第二次喷洒，当裂隙表面出现径流时结束第二次喷洒，间隔15~25min进行第三次喷洒，当裂隙表面出现径流时结束第三次喷洒。

优选地，所述步骤S5中分层布置监测传感器的方法为：

S5.1 依据裂隙高度自下而上对裂隙进行分层段，层段高度的范围为15~30cm；确定注浆总层数，监测传感器的组数为注浆总层数的2倍，每层注浆高度范围内裂隙左右两侧各设置一组监测传感器且监测传感器均处于该层段高度的中心；

S5.2 裂隙一侧监测传感器布置方式为：最底部监测传感器位置距离裂隙壁为0.5倍的裂隙宽度，最顶部监测传感器位置距离裂隙壁为2倍的裂隙宽度；最底部监测传感器与最顶部监测传感器之间的监测传感器自下而上与裂隙壁的距离随层数增加而均匀等距增加；

裂隙另一侧传监测感器布置方式为：最底部监测传感器位置距离裂隙壁为2倍的裂隙宽度，最顶部监测传感器位置距离裂隙壁为0.5倍的裂隙宽度；最底部监测传感器与最顶部监测传感器之间的监测传感器自下而上与裂隙壁的距离随层数增加而均匀等距减小；

S5.3 在已确定的位置安放多功能的监测传感器；

S5.4 调试监测传感器并记录监测传感器的初始值。

优选地，所述监测传感器包括温度水分传感器和压力传感器，温度水分传感器用于测量土遗址本体的温度和水分，压力传感器用于测量土遗址本体的压力。

优选地，所述步骤S6临空面分层支模的分层高度为步骤S5中每一层段的高度，使用内侧柔性膜和外侧模板共同封堵裂隙临空面，并使用反力架提供不小于20kPa的压力；所述内侧柔性膜和外侧模板粘结为整体，外侧模板的高度为层段高度的1/6~1/4，外侧模板之间的间距为1~3cm。

优选地，所述步骤S7中预设阈值通过监测传感器与裂隙水平距离的不同而设置。

优选地，所述预设阈值的设置方法为：与裂隙水平距离为0.5~0.7倍的裂隙宽度范围的监测传感器：温度上升1~2℃、体积含水率上升0.8~1.5%且压力上升2~3 kPa；与裂隙水平距离为0.7~1.0倍的裂隙宽度范围的监测传感器：温度上升0.5~1℃、体积含水率上升0.3~0.8%且压力上升1~2kPa；与裂隙水平距离为1.0~1.4倍的裂隙宽度范围的监测传感器：温度上升0.3~0.5℃、体积含水率上升0.1~0.3%且压力上升0.5~1kPa；与裂隙水平距离为1.4~2倍的裂隙宽度范围的监测传感器：温度上升0~0.3℃、体积含水率上升0~0.1%且压力上升0~0.5kPa。

与现有技术相比，本发明的有益效果：对宽度为5~15cm的裂隙界面使用了合理的开槽方式，可以有效改变浆-土变形时的力学行为，提供更高的加固效果；同时，实时监测注浆过程中裂隙两侧0.5~2倍的裂隙宽度范围内土体的温度、水分和压力的变化，保证注浆过程顺利进行且浆液充满裂隙，为后期浆-土的粘结力提供有效保证，为后续裂隙注浆加固效果评价提供数据支持。同时，多指标监测的实时连续性和多样性还避免了加固效果评估监测结果的滞后性与片面性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的流程示意图。

图2为本发明三角形开槽的结构示意图，其中，（a）为正视图，（b）为（a）中A的局部放大图，（c）为开槽在裂隙右侧壁的示意图。

图3为本发明弓形开槽的结构示意图，其中，（a）为正视图，（b）为（a）中B的局部放大图，（c）为开槽在裂隙右侧壁的示意图。

图4为本发明等腰梯形开槽的结构示意图，其中，（a）为正视图，（b）为（a）中C的局部放大图，（c）为开槽在裂隙右侧壁的示意图。

图5为本发明监测传感器布置的示意图。

图6为本发明分层支模的示意图，其中，（a）为正视图，（b）为侧视图。

图7为本发明监测结果的示意图，其中，（a）为温度监测曲线，（b）为水分监测曲线，（c）为压力监测曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种基于实时监测的土遗址裂隙注浆方法，包括以下步骤：

步骤S1，获取遗址参数：遗址参数包括裂隙的宽度和土遗址本体的单轴抗压强度；测试裂隙的宽度，对裂隙宽度在5~15cm的裂隙使用本发明的方法进行裂隙注浆加固；测试土遗址本体的单轴抗压强度并进行分级，依据单轴抗压强度小于1.5MPa、1.5~3MPa、大于3MPa分为软、中、硬三级。

步骤S2，浮土处理：使用地基承载力贯入仪测试裂隙两侧浮土强度，标出贯入阻力在0~75N范围内的土体，并将此部分土体清除。

裂隙两侧由于风化原因，土体强度明显降低，如果这部分浮土不清理，会导致浆液和本体之间形成软弱层，达不到最佳加固效果。清理掉虚土即浮土，可以使浆液直接与强度较高的本体相互粘结，达到更好的加固效果。

步骤S3，裂隙表面开槽：在裂隙表面开槽并清理整条裂隙浮尘。

裂隙表面开槽中所开槽的控制指标包括截面形状、高度间距和倾角三个指标，且截面形状和间距由土遗址本体的单轴抗压强度分级确定，即软、中、硬三级。截面形状是指裂隙正视图所看到的槽的形状，包括等腰三角形、等腰梯形和弓形，开槽设置在裂隙的两侧，如图2、图3和图4所示，三种形状的尺寸均由中轴线、开口宽度和入土深度决定。三种形状任选一种即可。在多种截面形状中，这三种是最好的，都可以达到最佳的加固效果。中轴线为开口宽度的中垂线，入土深度为开口宽度沿中轴线进入土体的距离，由此确定三个点分别为开口宽度上边界点和下边界点以及入土深度的顶点；等腰三角形即为三点直线相连组成的图形，如图2中（b）所示。弓形为三点弧线相连组成的图形，如图3中（b）所示；等腰梯形的一个底边为开口宽度，另一底边长度为开口宽度的0.4~0.6倍，如图4中（b）所示，等腰梯形的两个底中长边为开口在外侧、短边在内侧，有利于浆液进入槽内，并完全充填裂隙。短边长度为开口宽度的0.4~0.6倍，这样的形状可以承受最大破坏荷载。开口宽度依据抗压强度区分的软、中、硬三级分别取裂隙宽度的0.3~0.5倍、0.2~0.3倍、0.1~0.2倍，入土深度依据抗压强度区分的软、中、硬三级分别取裂隙宽度的0.3~0.5倍、0.2~0.3倍、0.1~0.2倍。高度间距是指相邻开槽在高度方向上的边界距离，高度间距的大小依据抗压强度区分的软、中、硬三级分别取裂隙宽度的1.2~1.5倍、0.8~1.2倍、0.5~0.8倍。倾角是沿裂隙深度方向与水平面的夹角，倾角为8~15°，如图2-4中的（c）所示。

传统的浆-土界面受力主要由粘结力和摩擦力提供，开槽后，由于槽内浆液嵌入土体，浆-土界面受力变为由粘结力、摩擦力和压力组成，能明显提高浆-土界面可承受的最大荷载。裂隙越宽，需要充填的浆液也就越多，浆-土界面承受的力也越大，截面所提供的压力也必须越大。所以开槽的尺寸应该依据裂隙宽度而定，裂隙宽度越大，开槽尺寸也越大。同时开槽截面形状中开口宽度和入土深度，不应该超过裂隙宽度的一半即0.5倍，否侧对裂隙两侧土损伤过大，开槽太小对加固效果提升不明显，因此选择0.1~0.5倍裂隙宽度。对于较软的土需要增加截面尺寸以扩大截面面积，提高承受的力，对于较硬的土，可以采用较小的尺寸，就可以承受较大的力。开槽的高度间距也应该与裂隙宽度成反比，也即是裂隙宽度越大，开槽应该越密集，但是如果太密集将会对遗址本体有较大损伤；如果太稀疏，提升加固效果不明显，因此选择0.5~1.5倍裂隙宽度。较软的土体承受相同的力更多的土体，也即是扩大高度间距，对于较硬的土，承受相同的力，可以采用较薄的土，也即是较小的高度间距。有倾角可以抵抗前后方向的变形，考虑到开槽宽度和高度间距的原因，8~15°可以有效避免相邻开槽之间的影响。

步骤S4，裂隙表面喷润：使用加固液自下而上对裂隙表面进行喷洒渗透。

裂隙表面喷润中包括3次喷洒渗透，当裂隙表面出现径流时结束第一次喷洒，间隔5~10min进行第二次喷洒，当裂隙表面出现径流时结束第二次喷洒，间隔15~25min进行第三次喷洒，当裂隙表面出现径流时结束第三次喷洒。

喷洒渗透有四个特点：自下而上，喷洒三次，喷洒结束的标志，间隔时间，其中，自上而下喷洒时，上部出现径流时会影响下部未喷洒区域；喷洒三次可以尽可能增大裂隙两侧土体的润湿范围；表面出现径流，说明水分入渗速度明显下降，继续喷洒的效果不明显，作为喷洒结束的标志；每次喷洒结束时，表明当次喷洒达到最大效果，但是随着时间的进行，表面水分会继续入渗。当表面含水率降低后，再次喷洒，水分入渗才会更加明显，喷洒次数越多，表面含水率降低的越慢，需要间隔的时间也就越长。同时考虑到时间过长会导致土体表面水分向空气中蒸发的量明显增大，因此间隔时间不宜超过25min。

步骤S5，监测仪器的分层布置：在裂隙两侧0.5~2倍的裂隙平均宽度范围内的土遗址本体中分层布置监测传感器。

具体步骤如下：

S5.1如图5所示，依据裂隙高度自下而上对裂隙进行分层段，层段高度15~30cm，确定注浆总层数，监测传感器1组数为注浆总层数的2倍，每层注浆高度范围内，裂隙左右两侧各一组传感器且均处于该层段高度中心。

左右均布置传感器，可以更加全面的监测数据，同时避免单个传感器出现异常后无法判断。位于层段高度中心，此处数据更加稳定。层段高度15~30cm：低于15cm时，注浆太频繁且需要更多的传感器，大于30cm，注浆太多，难以保证注浆饱满。

S5.2 裂隙一侧传感器布置方式为：最底部传感器位置距离裂隙壁最近，为0.5倍的裂隙宽度，最顶部传感器位置距离裂隙壁最远，为2倍的裂隙宽度；最底部传感器与最顶部传感器之间的传感器自下而上与裂隙壁的距离随层数增加而均匀等距增加。裂隙另一侧传感器布置方式为：最底部传感器位置距离裂隙壁最远，为2倍的裂隙宽度，最顶部传感器位置距离裂隙壁最近，为0.5倍的裂隙宽度；最底部传感器与最顶部传感器之间的传感器自下而上与裂隙壁的距离随层数增加而均匀等距减小。

根据经验判断，浆液影响范围最大到裂隙宽度的2倍，超过2倍影响一般较小；同时传感器距离裂隙太近，没有测试的必要，因为浆液肯定可以加固到0.5倍裂隙宽度的土体。左右非对称布置可以尽可能保证0.5倍~2倍之间数据的连贯性和完整性，同时避免分层注浆管对测试数据的影响。

S5.3 在已确定的位置安放温度水分传感器和压力传感器，可测试遗址土体中的温度、水分和压力。

S5.4 调试监测传感器并记录温度水分传感器的初始值，并将压力传感器的初始值归零。测试数据方便后续分层注浆监测实用。

步骤S6：临空面分层支模：自下而上对裂隙临空面进行分层支模并提供反压力。

如图6所示，临空面分层支模的分层高度为前述步骤S5.1的每一层段高度，步骤S6临空面分层支模使用内侧柔性膜2和外侧模板3共同封堵裂隙临空面，并使用反力架4提供不小于20kPa的压力，提供初始压力的目的是防止注浆后，临空面模板受到浆液压力产生变形，一般而言，20kPa即可抵抗15~30cm高度的浆液压力。内侧柔性膜和外侧模板二者粘结为整体，柔性膜在层内连续完整，单块外侧模板的高度为层段高度的1/6~1/4，外侧模板间距为1~3cm。如图6中（a）和（b）所示，内侧柔性膜2设置在裂隙每一层段的底部，内侧柔性膜2上设有多个外侧模板3，外侧模板3与反力架4相铰接，从而向外侧模板3施加作用力。内侧柔性膜对土体临空面的贴合更加紧密，对裂隙的密封性更好，并且柔性膜与浆液不粘结，后期拆模更方面；外侧模板的刚性较大，是封堵裂隙、承受浆液压力的主要受力构件；模板承受的力传递给反力架。

步骤S7：分层注浆监测：按照15~30cm的高度自下而上进行分层注浆，并使用微型振捣棒进行振捣，监测裂隙两侧土体的温度、水分和压力数据。分层支模后，注该层浆液，然后对上一层支模，再注浆。循环步骤S6和S7。

具体步骤如下：

S7.1 从最底层开始注浆，注浆时使用微型振捣棒将注浆浆液振捣密实，振捣棒长度15~20cm，振捣棒直径8~15mm。振捣棒的长度基本满足一个分层高度，直径适中，振捣的范围更广，更全面。

S7.2 观测本层监测数据，当发现监测传感器数据满足以下条件时，进行下一层注浆：与裂隙水平距离为0.5~0.7倍的裂隙宽度范围的监测传感器：温度上升1~2℃，体积含水率上升0.8~1.5%，压力上升2~3 kPa；与裂隙水平距离为0.7~1.0倍的裂隙宽度范围的监测传感器：温度上升0.5~1℃，体积含水率上升0.3~0.8%，压力上升1~2kPa；与裂隙水平距离为1.0~1.4倍的裂隙宽度范围的监测传感器：温度上升0.3~0.5℃，体积含水率上升0.1~0.3%，压力上升0.5~1kPa；与裂隙水平距离为1.4~2倍的裂隙宽度范围的监测传感器：温度上升0~0.3℃，体积含水率上升0~0.1%，压力上升0~0.5kPa。

本层注浆完成，监测数据满足步骤S7.2，返回步骤S6，自下而上逐层支模和注浆，直到顶层注浆完成。

依次完成上述步骤。

实施例2

一种基于实时监测的土遗址裂隙注浆方法，本实施例选取某处土遗址的一条裂隙进行注浆加固，具体步骤如下：

步骤S1：测试裂隙的宽度为10cm，土体的单轴抗压强度为3.5MPa，分级属于硬。

步骤S2：使用地基承载力贯入仪测试裂隙两侧土体的贯入阻力，并清除小于75N的土体。

步骤S3：开槽的截面形状为等腰三角形，开口宽度为2cm，入土深度为1cm，高度间距为6cm，倾角为10°。

步骤S4：使用质量浓度1.5%的SH溶液从下往上分三次喷洒裂隙表面，当裂隙表面出现径流时结束第一次喷洒，间隔5~10min进行第二次喷洒，当裂隙表面出现径流时结束第三次喷洒，间隔15~25min进行第二次喷洒，当裂隙表面出现径流时结束第三次喷洒。

步骤S5：布置监测传感器：选取30cm作为分层注浆高度，则整条裂隙需要分3次完成注浆，每层注浆的左右两侧土体均布置监测传感器，一共需要6组；按照裂隙平均宽度的0.5~2倍确定传感器位置分别为距离裂隙5cm、8cm、11cm，间隔均为3cm。从下往上，左侧依次增大，右侧依次减小；每一测点均布置温度水分传感器和压力传感器，完成后进行校准和初始值测量；经测试裂隙两侧土体初始温度为5℃，初始体积含水率为2.5%，调整初始压力为0kPa。

步骤S6：临空面分层支模：使用内侧柔性膜和外侧模板共同封堵裂隙临空面，并使用反力架提供不小于20kPa的压力，内侧柔性膜和外侧模板，粘结为整体，柔性膜在层内连续完整，单块外侧模板的高度为6cm，外侧模板间距为2cm。

步骤S7：分层注浆监测：从最底层开始注浆，注浆时使用直径10mm长度15cm的微型振捣棒将注浆浆液振捣密实；5min内监测数据显示：左侧5cm监测点的温度升高了1.4℃、体积含水率升高了0.7%、侧压力升高了2.32kPa，右侧11cm监测点的温度升高了0.15℃、体积含水率无变化、侧压力升高了0.66kPa；然后进行中间层注浆，5min内监测数据表明：左侧8cm监测点的温度升高了0.8℃、体积含水率无变化、侧压力升高了1.13kPa，右侧8cm监测点的温度升高了0.9℃、体积含水率无变化、侧压力升高了1.07kPa；最后进行顶层注浆，5min监测数据表明：左侧11cm监测点的温度升高了0.5℃、体积含水率无变化、侧压力升高了0.78kPa，右侧5cm监测点的温度升高了4℃、体积含水率升高了0.5%、侧压力升高了2.83kPa。整个过程的监测结果如图7所示，其中，（a）为温度监测曲线，图（b）为水分监测曲线，图（c）为压力监测曲线，由图7可以看出每个时段每个监测点的的温度、水分和压力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。