贵州喀斯特地貌普遍发育, 地质条件错综复杂, 压水试验所确定的注浆参数具有一定的局限性^[1], 注浆量设计参数选取往往凭借现场试验与经验^[2], 因此, 实际注浆量与设计注浆量可能会存在较大偏差, 若现场监理资料缺失, 当建设方、审计方对施工方所用实际注浆水泥量提出质疑时, 对其注浆加固后水泥用量的复核与评估就十分必要。本文借助贵州某跨河桥注浆加固工程, 设计一套方案进行试验, 根据注浆扩散原理及模型^[3,4], 结合现场钻孔抽样设计布置钻孔勘探孔位。利用钻孔揭露的地质分层数据探测注浆有效深度, 再由CT地震波^[5,6,7]勘探计算注浆区域的有效注浆率, 然后在实验室内对多孔完整芯样分段进行化学分析^[8], 测算出水泥含量百分比, 最后综合进行注浆水泥用量的评估计算。

地质条件的复杂多变及注浆参数的选取不同导致注浆理论的计算模型与适用范围不一, 当注浆压力较小、地质为中砂以上的砂性土时, 可利用球形扩散理论与柱形扩散理论计算浆液扩散半径^[9]。而水下冲洪积卵石土含泥量大, 厚薄分布不均, 渗透系数较小, 为取得良好的注浆效果, 所选取的注浆压力通常较大, 研究浆液扩散规律时需考虑注浆管压力与浆液黏度时变性的影响。浆液扩散模型如图1所示。

注浆量Q可按式 (1) 计算, 其中A为柱面面积, V为考虑浆体黏度时变性的渗流速度 (m·s^-1) , t为注浆时间。

做进一步推导, 找出注浆压力与浆液扩散半径的关系:

其中, -dp/dl远大于α, 上式简化为:

分离变量积分可得:

考虑边界条件, 令p=p₀, l=l₀, 则有:

将公式 (1) 代入式 (5) 得:

则半径l处的压力为:

对管产生压力为:

因此, 推导出注浆压力与注浆扩散半径的关系:

式中:p₀为初始注浆压力 (k Pa) ;l为在注浆时间t的扩散半径 (m) ;l₀为注浆管半径 (m) ;p_w为地下水压力 (k Pa) , 其中注浆压力与地下水压力用水头高度h₀, h_w表示;ρ为浆液密度 (g/cm³) ;v₀为浆液的运动黏滞系数 (m²/s) ;ρ_w为水的密度 (g/cm³) ;v_w为水的运动黏滞系数 (m²/s) ;n为注浆土体孔隙率 (%) ;k为渗透系数 (m/s) ;α为管中流体启动的压力梯度 (k Pa/m) ;β为浆液黏度与水黏度之比。

地震波CT勘察, 是在属性各异的地质环境中, 使用人工主动激发地震波穿透地质体, 探测其内部速度结构, 利用收集到的波动走时对地质体中各单元的弹性波速进行反馈, 最后绘制出所探测的地质对象的波速图 (见图2) , 有效准确地确定有异常的地质区所在空间位置^[10]。二维地震波的波动方程可用式 (12) 表示:

式中:P为地震波波场;z为空间分量;t为时间分量;v为介质速度。

而以弹性参数表示的波速公式为:

式中:E为弹性模量;μ为泊松比;V_p为纵波波速;V_s为横波波速;ρ为岩体密度。

与常规的剪切波速测试相比, 地震波CT技术的分辨率相对较高, 在岩溶岩体破碎带的勘测中更高效, 能够实现对岩体稳定性评价的全面化、细节化。

在工程中, EDTA滴定法可用于检测水泥的百分比含量^[7]。其原理是利用10%的NH₄Cl溶液溶解水泥材料试样中的Ca²⁺, 然后加入Ca²⁺指示剂与Ca²⁺显红色, 在p H=12~13用EDTA二钠标准溶液夺取溶液中的Ca²⁺, 滴定终点时, 水泥试样溶液呈自身的蓝色, 记录EDTA的消耗量, 其化学方程为:

其中, EDTA溶液的消耗量与溶液中的水泥剂量呈线性正比关系, 由此绘制出标准曲线计算水泥含量。

本文所选取的试验对象位于贵州省南部偏东部地区, 项目为旧桥拓宽改造工程。受到地质条件承载力限制, 需对桥梁基础进行加固施工 (见图3) 。经方案比选后, 最终采取固结灌浆方式, 并已完成施工。

本次试验抽取注浆加固完成后的5号桥墩为试验对象。本桥注浆区域地质条件主要为水下第四系冲洪积 (Q^al+pl) 卵石土, 厚度为5~7m, 透水率q<5.00Lu, 含泥量较大, 卵石层下伏为弱风化基岩层, 质地良好。注浆采用50cm小导管水泥、水玻璃1∶1双液注浆, 水泥强度为42.5级普通硅酸盐水泥, 水泥浆水灰比1∶1, 水泥浆与水玻璃体积比1∶0.5, 水玻璃浓度为35°Bé, 模数为2.4, 钻孔采用HZ-100Y地质钻机, 间距0.5m×0.5m, 梅花形布置, 注浆初压为0.2~0.3MPa, 终压为0.8MPa。

本次现场试验主要分为2个板块, 即注浆有效深度的钻孔勘探与注浆有效区域的CT勘探。钻孔勘探所提取的芯样能够直观地揭露地质层构造, 而钻留孔位作为CT勘测测试孔可对扫描区域进行地质层深度解析。因此, 钻孔孔位选择决定了芯样样本的好坏以及CT测试分析所划分的断面。孔位的布置需要根据注浆扩散原理进行设计, 遵循灌浆理论有效半径原则。在考虑成本情况下应尽可能多地涵盖设计的注浆区域范围。

此项目5号桥墩所设计的注浆区域为矩形, 通过计算与抽样钻孔。在距桥墩3.5m为最远浆液扩散距离, 因此, 粗略的注浆平面范围设定在离注浆矩形区域4个角3.5m处, 其平面注浆最大面积为1 029 600cm²。为保证CT测试断面的多样性, 孔位布置既要涵盖注浆最远扩散范围又要包括注浆有效区域。本桥的具体孔位布置如图4所示。

孔位布置完成后进行钻孔作业, 采用回旋钻孔方式全孔跟管护壁钻进, 在满足预计深度终孔要求时终孔。终孔后先用泥浆冲孔, 直至孔口返回物粒径<0.5mm为止, 然后用清水冲孔, 直至孔口反清水为止, 最后, 采用PVC套管填充成孔。钻孔深度应根据设计注浆深度与地质层分布确定, 作业过程中详细做好钻探班报表, 钻孔所提取的芯样按深度进行标号并用保鲜膜封存。

利用钻孔勘探所钻得孔位进行地震波CT勘探, 根据物探理论, 在均匀介质条件下, 跨孔CT法反演的岩土层波速等于岩土层真实波速。在不均匀介质条件下, 跨孔CT法反演的岩土层波速受平均效应的影响, 约等于岩土层真实波速, 软件通过一定的算法转换为二维平面。重建的波速影像能反映地质体内速度的相对高低, 利用图像处理软件结合现场提取芯样反复对比, 剔除混凝土封层、基岩、泥槽等注浆无效区域而只计算注浆有效区域, 计算出注浆有效区域占该测试面积的百分比, 由此推定注浆体内的注浆有效率。根据钻探成孔在5号桥墩两侧布置跨孔CT勘探断面13个, 如图4所示。

在钻取的10组芯样中随机抽取5组芯样做化学分析, 为保证测试芯样水泥剂量的精度采取分段制件方式测定。利用GB/T176—2008《水泥化学分析方法》^[8]中的EDTA基本法测定水泥含量百分比。利用常规方法测定出硬化试样的干密度, 最后测算出硬化试样中单位水泥含量进行统计分析, 分层计算水泥含量的推定值。

根据钻探班报表所记录的地质分层数据可以确定注浆的有效深度, 各钻孔情况如表1所示。

现场有效注浆深度钻孔勘探共计10个钻孔, 总进尺为92.6m。上部为混凝土封层与桥墩基础, 底部基岩平均厚度为1.15m, 基岩之上为冲洪积卵石层, 平均厚度为6.13m。

根据现场所钻取的芯样可以判断, 观测到的水泥胶状物主要集中于基岩层以上。3.0~5.0m范围水泥胶结物含量较高, 注浆加固效果较好, 0.5~1.5m表层由于受到上覆压力的影响, 注浆加固效果一般, 75.0m范围的注浆加固效果逐步变差, 局部卵石较大的区域可见水泥胶结物较少。

根据钻孔揭露的注浆体芯样和钻孔原始记录分析, 在加固注浆区域边界外的ZK6和ZK10的卵石层中, 没有采集到含有水泥胶结物或胶凝物的芯样。在基岩层之下, 除了ZK10采集到泥样, 其余各孔均未采集到芯样, 也未收集到其他含有水泥胶结物的物质。在基岩芯样中, 同样观察不到水泥胶结物。因此可以判定, 各孔的注浆有效深度为初见基岩的深度。下伏岩层的平均深度即为注浆平均有效深度。

根据前述CT勘探成果和分区原则, 即可对各跨孔弹性波CT剖面的反演结果绘制地震CT勘探波速影像成果图 (见图5) 。结合钻取芯样反复比对, 无注浆卵石土纵波波速PV为900~1 200m/s, 固结灌浆满注后纵波波速PV一般为2 450~2 800m/s。在沿深度范围上, 反演波速影像色谱图在3~5m深度处波速高, 注浆效果良好。上部、底部以及边缘处波速较低, 注浆效果较差。

由表2可知, 注浆有效面积的百分比平均值为61%, 标准差为0.1, 数据变化比较稳定。因此, 可以将5号桥墩注浆体简化为一个均质注浆体模型, 在以注浆扩散边界所界定的注浆区域内, 注浆有效区域为61%。

由图5可直观地看到深度为3~5m处化学分析测得水泥含量最高, 注浆效果良好;上部与底部水泥含量较低, 注浆效果一般。

由芯样水泥含量的化学测定分析可知, 不同层位处的水泥含量不同, 因此需要按照积分的思想对水泥用量进行分层计算, 在CT测试中得到有效注浆率为61%, 用在钻孔勘探中测算出平面注浆面积乘以有效注浆率得出准确的平面有效注浆面积即1 029 600cm²×61%=628 056cm²=62.8m²。由此可计算5号桥墩水泥用量, 如表4所示。

根据施工单位固结灌浆施工记录表, 5号桥墩固结灌浆所用水泥量为248.05t, 测算所得结果占实际施工总用量的229.72/248.05=92.61%, 误差为7.39%。将此评估结果提供至该项目审计单位, 最终得到施工、建设、审计、监理的多方认可。

1) 试验样本分析结果表明, 水下冲洪积卵石土地质透水率较低, 渗透系数较小, 粒径、厚度分布不均, 固结灌浆有效率仅为61%。

2) 将钻探取得芯样与所对应的CT色谱图不断比对, 2种方法所测定的注浆效果在深度方向变化基本吻合。3~5m深度处为显著注浆层, 注浆效果良好, 水泥含量高。上部与底部的注浆效果较差, 水泥含量较低。注浆有效区域的CT波速范围可以界定为1 250~2 800m/s, 注浆良好部分界定为2 450~2 800m/s。

3) 结合钻孔勘探、CT勘探、化学分析的方式所评估的水泥用量与真实值相比误差相对较小, 表明此方法评估效果良好。