膨胀土裂缝灌浆效果可视化定量评价方法

周学友,张 敏,常兆广,翟晓平,丁浩桢,王新志

(1.中国南水北调集团中线有限公司渠首分公司,河南 南阳 473000; 2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室,武汉 430071; 3.中国科学院大学,北京 100049)

0 引 言

膨胀土具有吸水膨胀软化、失水收缩干裂的特性[1-4],其含水量的变化将引起土体力学性质持续弱化,形成裂缝后渗透性增大、土体强度降低,成为制约工程运行的“问题土”[5-10]。南水北调膨胀土填方边坡在长期服役过程中难免产生裂缝,成为威胁工程安全运行的潜在风险因素[11-14]。及时对膨胀土裂缝进行灌浆封闭处理是治理膨胀土裂缝危害的重要手段,也是众多学者研究的焦点[15-16]。唐咸远等[17]采用化学灌浆的方法对膨胀土路基裂缝进行灌浆加固处理。余梦等[18]引用微生物诱导碳酸钙沉淀技术(Microbially Induced Calcite Precipitation,MICP)对膨胀土土体进行灌浆处理,验证了MICP灌浆用于膨胀土的有效性和可行性。而对灌浆效果进行评价成为亟需解决的工程技术难题。封堵裂缝的灌浆技术是高效处理裂缝的重要方法之一,其充填密封效果直接决定裂缝处置的质量和工程长期安全。灌浆施工属于隐蔽工程[19-22],如何科学合理地选取浆液配比、准确地评价裂缝灌浆质量和防渗效果一直是行业关注的重要技术问题。

陈利强等[23]采用灌浆量分析法和检查孔法对岷江金马河堤坝灌浆后的效果进行检验。韩增强等[24]采用数字钻孔摄像法通过完整岩体块度所占的尺度指数来定量描述灌浆前后的岩体完整性变化;许凯等[25]利用超声波检测技术开展泥质页岩残积土的灌浆模型试验,揭示了循环灌浆后残积土加固规律。由此可见,目前常用的灌浆效果评价方法主要有灌浆量分析法、检查孔法、超声波检测法、开挖取样法和变位推测法等,以间接的定性评价为主,而缺乏定量和直接的评价手段。对于灌浆工程而言,上述方法大致可以满足灌浆效果评价需求,但考虑到复杂的裂缝发育情况以及浆液与土体的相互作用,有必要在灌浆效果定量表征评价方法上做进一步探索。CT扫描技术目前已广泛运用于油气勘探、污染物运移、煤炭开采和CO2地质储存等研究[26-30],将该技术应用于膨胀土试样的灌浆效果研究,评估不同配比浆液的可灌性、裂缝填充效果,并将研究结果应用于工程实际,以指导膨胀土裂缝的灌浆施工[31]。

鉴于此,本文采用CT 扫描技术对膨胀土裂缝灌浆效果进行了定量评价研究,配制了4种膨胀土超细水泥浆液,对灌浆前、后的膨胀土试样进行扫描并用图像处理技术重建试样的三维孔隙结构模型;通过定义整体孔隙率、逐层面孔隙率、孔隙等效直径和灌入指数等指标对孔隙结构模型数据进行定量分析,探讨了裂缝灌浆充填效果,对灌浆效果进行精细化定量分析,为定量评估各类浆液的充填效果以及在实际工程中的灌浆适用性评估提供参考。

1 试验材料

本试验土样取自南水北调中线工程南阳段填方区某土料场,其粒径分布曲线与基本物理性质指标如图1与表1所示。根据粒径分布曲线和塑性指数、自由膨胀率等指标,该土样可定名为弱膨胀黏性土。

图1 膨胀土的粒径分布曲线Fig.1 Particle size distribution of expansive soil

表1 膨胀土基本物理指标Table 1 Physical parameters of expansive soil

根据浆液配比试验结果,本文配制了4种流动性好、析水率低、性质稳定、经济环保和无毒害的超细水泥-弱膨胀土浆液,其材料构成为:过2 mm筛的弱膨胀土(制浆前浸泡24 h以上)、1 340目(筛孔孔径10 μm)超细硅酸盐水泥和自来水。超细硅酸盐水泥主要技术指标如表2所示,其中粒径<9.7 μm的质量占比>90%。

表2 超细硅酸盐水泥技术指标Table 2 Technical indices of superfine portland cement

在弱膨胀土中,粒径<10 μm的较细颗粒占比35%,可知超细水泥的平均颗粒粒径显著小于试验所用的弱膨胀土样。4种浆液的配合比如表3所示,其中水固比为浆液中水的质量与固体集料(水泥和膨胀土)干质量之比。4种浆液的早期无侧限抗压强度(3 d、7 d)、凝结时间、黏度(以946 mL流体流过标准漏斗所需的秒数来表征)和结石率测试结果如表4所示。

表3 浆液配合比Table 3 Mix proportion of grouting materials

表4 浆液基本性能指标Table 4 Performance of grouting material

2 裂缝灌浆及CT扫描评价

2.1 裂缝灌浆

为了避免样品差异影响,本实验的膨胀土试样均为重塑样,使用多功能电动液压制样机,按照12%的含水率和95%的压实度制作尺寸为直径×高度(5 cm×5 cm)的圆柱体土样。在试样顶端沿直径切出一条细小裂缝,将试样沿轴向从中间掰开,再将其重新组合,以断口作为预制裂缝(图2)。图2中沿轴向向下的方向表示CT扫描切片序数增加的方向。

图2 膨胀土试样灌浆示意图Fig.2 Grouting of expansive soil sample

先将灌浆前的试样进行CT扫描,然后对试样裂缝进行灌浆处理。本次试验的灌浆方法属于无压灌浆,采用注射器注射的灌浆方法,遵循少量多次原则,至浆液无法灌入时停止灌浆,典型情况如图2所示。灌浆结束约1 h对试样重新进行CT扫描。在两次扫描间隔过程中均需轻拿轻放,尽可能确保预制裂缝开度和贴合程度相同。后文CT扫描图像数据分析结果表明试样处理方法可保障不同试样内部预制裂缝特征参数基本一致,灌浆前后的裂缝形态也几乎没有明显变化,证实制样方法的合理性。另外,本次CT扫描试验每组分别设置3组平行试验。

2.2 CT扫描及图像处理方法

本文采用X射线CT

系统Geoscan200(图3)。该设备通过X射线源和探测器的旋转运动实现对试样的螺旋CT扫描,样品平放在试样台上水平移动。CT扫描的空间分辨率(相邻切片之间的距离以及切片像素点代表的距离)为56 μm,工作电压170 kV,工作电流130 μA,每个试样扫描得到800余张切片数据。

图3 X射线CT系统Geoscan200Fig.3 X-ray CT system Geoscan200

CT扫描得到的原始二维切片图像需进行三维重建和进一步的后处理才能进行裂缝识别。先使用VG Studio Recon软件对CT原始切片数据进行三维预重建处理,再通过几何参数调整及硬化矫正处理获取膨胀土试样的CT扫描图像(图4)。图中SY1代表试样1,AG(after grouting)代表灌浆后,BG(before grouting)代表灌浆前,150、250、350、450 分别代表每个试样CT扫描切片的层序数(如图2所示,以坐标原点为起点,沿Z方向排序切片的序数)。

图4 膨胀土试样灌浆修复CT扫描切片Fig.4 CT slices of expansive soil specimen repaired by grouting

采用三维可视化软件Avizo对预重建后三维结构数据体进行阈值分割与进一步后处理。为避免试块周围伪影对实验结果造成影响,对试样周围进行切割,选择适当的区域(图5)进行分析。

图5 分析区域选取Fig.5 Analysis areas

将CT图像中不同类型的介质区分开,进行不同介质的识别分割。阈值分割法是最常用的图像分割方法之一,该方法利用某一固定阈值将CT图像的灰度直方图分割成两部分,阈值的选择直接决定分割的效果。土样中涉及到3种不同类介质区域(裂缝及孔洞、膨胀土和浆液),图像处理软件中的自动分割算法通常难以准确区分。

本文通过对大量CT扫描图片进行分析并考虑以裂缝作为主要分析对象,经反复比对分析,确定选取切片灰度最大值的50%作为阈值进行分割取得最佳效果。对阈值分割后的图像进行二值化处理并剔除非预制裂缝小孔洞噪点(土样压样制备过程中形成的尺度>56 μm的孔隙)之后,用2种不同颜色分别代表裂缝与非裂缝区域,提取出裂缝详细信息(图6)。

图6 CT扫描切片阈值分割Fig.6 Threshold segmentation of CT scanning slices

2.3 灌浆效果评价指标

为评价膨胀土裂缝灌浆修复效果,采用以下4种评价指标对膨胀土试样灌浆修复前后的裂缝形态、浆液充填分布特征进行定量表征:

(1)整体孔隙率n,表示试样中孔隙体积与总体积之比,可表示为

(1)

式中Vh和Vs分别为裂缝体积和固体(膨胀土-浆液)体积。对于CT扫描试验建立的三维数字模型,可通过相应的裂缝体素数据计算得到相应的整体孔隙率n。

(2)逐层面孔隙率ns,表示固体材料中任一切片的孔隙体积与总体积相比,可表示为

(2)

式中Vhs和Vss分别为裂缝体积和土样中固体体积。可通过切片体素数据计算得到相应的逐层面孔隙率ns。

(3)等效直径Req,指与外形不规则物体体积相同的球体直径,通常用球形颗粒的直径去等效代表该实际颗粒尺寸。可运用最大球算法建立相应的孔隙网络模型得到相应的等效直径Req。

(4)灌入指数Gr,表示浆液在裂缝中的充填效果,用于定量评价浆液对裂缝的充填效果,可表示为

(3)

式中Gvb和Gva分别为灌浆前、后裂缝的体素。

3 实验结果与讨论

3.1 整体孔隙率

在膨胀土灌浆工程实施前,通过对试样灌浆前、后的整体孔隙率进行分析,可对灌浆材料配比研究和选取起到指导作用。由前文可知,图像二值化分割后可将试样三维数据体划分为裂缝区和固体区两部分,利用式(1)计算出各个试样在灌入不同浆液后的整体孔隙率。试样灌浆前、后整体孔隙率结果如表5所示。

表5 试样灌浆前后的整体孔隙率Table 5 Porosity of samples before and after grouting

膨胀土裂缝灌入水固比1.2的浆液后,整体孔隙率均降低到0.05%以下,降低幅度达到99%以上,明显优于水固比为1.0的浆液填充效果;在水固比为1.0情况下,灌入超细水泥占固体含量50%的浆液后,试样总体孔隙率降低幅度高于超细水泥占30%的浆液,可见提高超细水泥比例可有效改善浆液的灌浆充填效果。

3.2 逐层面孔隙率

切片孔隙率的变化在一定程度上能够反映出浆液灌入试样裂缝内部的分布情况,对进一步评价浆液在裂缝中的流动和填充效果均有重要意义。利用式(2)对阈值分割后的切片体素数据进行计算,得到各试样的逐层面孔隙率变化结果(图7),其中横坐标原点的位置在试样上侧面圆心。

图7 切片孔隙率随切片位置的变化关系Fig.7 Relationship between porosity of slice and position of slice

在相同固体集料配比下,膨胀土裂缝试样经水固比1.2的浆液充填后,逐层面孔隙率明显低于经水固比为1.0的浆液充填后的逐层面孔隙率。结合表5 整体孔隙率的降低幅度结果分析,虽然水固比为1.2的浆液修复后整体孔隙率降低幅度明显,但对于试样底部的细小裂缝(切片序数550～600),超细水泥占固体含量50%的浆液修复后试样的孔隙率更低,修复效果更好,说明两种浆液在细小裂缝的灌入效果上有一定差异。对比表3 两种水固比为1.2的浆液黏度结果,二者基本一致,可见单一的黏度指标对反映浆液的流动性、可灌入效果存在一定局限性,不能完全准确评价浆液的修复效果。需要说明的是,经过浆液A灌浆修复后的试样,其试样底部裂缝出现增大的现象,这是由于受到浆液A黏度以及固体料粒径限制,浆液无法对试样底部裂缝进行有效修补,浆液集中在试样上部,使上部土体吸收了浆液中的部分水分,并且试样顶部的土体膨胀受到外侧包裹的约束,使下部土体受到拉伸挤压的作用,引起了试样下部裂缝变大。

为了评估灌浆修复后逐层面的孔隙率变化,分别计算4种浆液修复后的逐层面孔隙率标准差、众数、中位数(表6)。可以看出,经水固比为1.2的浆液修复后试样的孔隙率离散性更低,从图4可以观察到水固比为1.2的浆液修复后的试样内部裂缝填充效果更好,这主要是因为水对浆液的流动性(黏度)起到了改善的作用。对于本次试验所选用的膨胀土取自河南南阳,建议选择黏度<40 s的浆液作为优选灌浆材料。

3.3 孔隙大小及分布

由上文逐层面孔隙率结果可知,试样内部在经过灌浆处理后仍存在未被完全填充的细小裂隙(图4),因此为进一步评估浆液在试样内部裂缝的填充效果,建立了不同试样灌浆后的孔隙分布图(图8)。可以看出,试样在不同浆液修复后的孔隙形态、大小与位置分布的差异较为明显,孔隙之间多具有一定连通性。

图8 灌浆后试样内部孔隙分布Fig.8 Pore distribution in grouted samples

最大球算法是一种描述多孔介质孔隙网络的方法,通过最大球算法提取孔隙和喉道模型来表征裂缝空间,其中孔隙为较大并开放的裂缝空间,而孔喉为连接孔隙之间的狭长通道。通过该算法得到试样的孔隙网络模型(图9)。对提取的三维孔隙网络模型统计孔隙尺寸分布特征,按照平均孔隙半径Req值大小将所有独立孔隙由大到小分为6组,即Req>500 μm、500 μm≥Req>400 μm、400 μm≥Req>300 μm、300 μm≥Req>200 μm、200 μm≥Req>100 μm、Req≤100 μm。

图9 试样三维孔隙网络图(球棍模型)Fig.9 Three-dimensional pore network in soil samples (ball-stick model)

通过计算不同平均孔隙半径出现的概率得出经过不同浆液充填后试样内部平均孔隙分布柱状图(图10)。由图10可知,试样经过超细水泥含量占比相对较低的浆液充填后,其内孔隙主要以等效半径<100 μm的细小孔隙为主,其孔隙数量和孔隙体积均占到总孔隙的一半以上;而对于超细水泥含量相对较高的浆液,灌浆后试样中细小孔隙明显减少,这是由于超细水泥粒径比膨胀土更小,更易使浆液流入细小裂缝,填充效果更好。当裂隙宽度较小时,选取水固比1.2的浆液可取得更佳的灌浆效果。在超细水泥掺量较高的情况下,水固比的改变会导致孔隙半径分布规律发生变化,水的增加将导致半径更小的孔隙分布概率增大。

图10 不同浆液灌浆后试样内部孔隙大小分布Fig.10 Pore size distribution in samples after grouting with different slurry materials

3.4 灌入指数

为定量评价各类浆液对膨胀土裂缝的充填效果,根据灌浆前、后裂缝的体素变化,定义了灌入指数Gr作为评价指标,其计算方法如式(3)所述。由灌入指数Gr的定义可知,Gr越大表明浆液对裂缝的充填效果越好,反之则表明效果越差。图11为各类浆液的切片灌入指数,对于试样上部较大的裂裂缝(对应切片序数0～500),灌入指数Gr与浆液的水固比表现出明显的正相关关系;而对于试样底部较小裂缝(对应切片序数501～600),水固比的提升并没有明显提高浆液的灌入效果。

为定量描述浆液对细小裂缝的充填效果,定义Gr=0.7时对应切片中的平均裂缝尺寸为该浆液的可灌入最小裂缝尺寸,得到各类浆液的对应切片如图12所示。图13为各类浆液可灌入的最小裂隙尺寸统计数值,对比水固比高但超细水泥含量低的浆液(浆液B)和水固比低但水泥含量高的浆液(浆液C),超细水泥含量更高的浆液对细小裂缝的填充效果更好,即浆液中固体集料的粒径直接影响浆液可灌入的最小裂隙宽度。因此在有细小裂缝填充需求的实际灌浆工程中应考虑选用粒径更小的固体集料提高浆液的灌入效果。

图13 各类浆液可灌入的最小裂隙宽度Fig.13 Minimum crack width groutable by different slurries

4 结 论

本文基于CT扫描成像技术对膨胀土裂缝灌浆充填效果进行了定量分析评价,主要研究结论如下:

(1)基于CT扫描技术和图像处理方法,采用整体孔隙率、逐层面孔隙率、孔隙等效直径与灌入指数等指标对膨胀土裂缝灌浆充填效果进行了定量综合分析,该方法可以实现膨胀土裂缝在灌浆前、后孔隙结构特征变化的定量评价。

(2)浆液的灌入效果随水固比的提高而提高,增加超细水泥含量可提高浆液灌入细小裂缝的效果;水固比为1.2的两种浆液填充后试样的整体孔隙率降低幅度可达到99%以上,50%超细水泥含量的2种浆液可灌入的最小裂隙宽度为0.6 mm。

(3)本文提出的基于CT扫描技术的灌浆效果定量评价方法可作为传统评价方法的有益补充,为膨胀土灌浆施工中浆液参数选取以及定量评估各类浆液在实际工程中的灌浆效果提供参考。