智能灌浆设备在素填土注浆加固中的应用研究.pdf

文章编号：1007-2993（2024）02-0181-06智能灌浆设备在素填土注浆加固中的应用研究智能灌浆设备在素填土注浆加固中的应用研究宋杰康增柱吴桃杨春雨李凯刘光磊（北京中岩大地科技股份有限公司，北京100043）【摘要】研发一种智能灌浆设备进行素填土注浆加固试验，研究了注浆深度对注浆施工参数的影响；分析了不同注浆方法的适用性和功效，探索了浆液的实际扩散情况。研究发现：注浆压力和注浆深度、注浆方法、注浆次序密切相关，可根据项目前期注浆试验结果确定注浆参数；浆液基本沿着土层内某些薄弱通道扩散，形成了多道浆脉；利用智能灌浆设备进行注浆加固试验，可快速地确定合适的注浆参数，为后续施工提供技术指导。【关键词】智能灌浆；素填土；注浆加固【中图分类号】TU472 【文献标识码】Adoi:10.3969/j.issn.1007-2993.2024.02.010Application of Intelligent Grouting Equipment in Grouting Reinforcement ofPlain Fill SoilSong JieKang ZengzhuWu TaoYang ChunyuLi KaiLiu Guanglei(Zhongyan Technology Co.,Ltd.,Beijing 100043,China)【Abstract】An intelligent grouting equipment was developed,and grouting reinforcement tests were conducted on plain fill soilusing the grouting equipment.The influence of grouting depth on grouting construction parameters was studied.The applicability andeffectiveness of different grouting methods were analyzed,and the actual diffusion of slurry was explored.The results showed that thegrouting pressure is closely related to the grouting depth,grouting method,and grouting sequence,and grouting parameters can be de-termined based on the results of pre-project grouting tests.The slurry diffuses along some weak channels within the soil layer,formingmultiple slurry veins.Using intelligent grouting equipment for grouting reinforcement testing can quickly determine suitable groutingparameters and provide technical guidance for subsequent construction.【Key words】intelligent grouting；plain fill soil；grouting reinforcement 0 引言未经处理的素填土作为建筑地基，具有压缩性强、孔隙大且渗透性不均匀、承载力低等特点。建筑物建成后，建筑物及地面极易发生不均匀沉降，应及时对素填土进行加固处理。而注浆加固作为常用的地基加固手段1，可使土层力学性质得到明显改善，达到提高其承载力，控制地基土不均匀沉降的目的2。注浆加固素填土施工中，注浆工艺参数往往复杂，在压力、流量、密度等方面的控制要求较高，但传统注浆设备自动化程度比较低，设备工作繁杂，工作效率低，注浆参数无法精确实施，施工数据无法精确记录3。针对铁路软土地基注浆加固，杨新安等4提出了有控注浆的基本概念与原则；申凤君等5介绍了一种基于微机的智能锚杆数据采集、注浆控制仪表，可以在施工后为监理人员提供有关注浆数据；闫宏业6依托京沈高速铁路综合试验，建立了高速铁路信息化注浆加固控制技术；王瑞英等7针对乌东德水电站帷幕灌浆实践，分别从配浆与密度控制、压力控制、流量控制、抬动及温度测量 4 个方面介绍了智能灌浆设备的应用情况。利用智能灌浆设备，可显著提升注浆精确度，避免材料和资源浪费，还能保证良好的注浆加固效果。同时可以实时监测记录数据，查看施工进度，解决了各方及时检查施工质量和监督施工进度的需求。智能灌浆设备经过多年发展，在水利、道桥等领域得到了广泛应用，但在素填土地基注浆加固领域的应用还较少。本次试验利用北京中岩大地科技股份有限公司智能灌浆设备，针对素填土地层进行现场注浆试验，研究了注浆深度对注浆参数的影响；分析了不同注浆方法的适用性和功效，探索了浆液的实际扩散情况；作者简介：宋杰，男，1994 年生，汉族，山西晋城人，工程师，主要从事加固改造新技术研究工作。E-mail： 第 38 卷第 2 期岩土工程技术Vol.38 No.22024 年4 月Geotechnical Engineering TechniqueApr，2024记录了注浆施工过程中的施工数据，为智能灌浆设备的应用和发展提供数据支持。1 试验概况 1.1 地质情况本次试验场地位于长沙某未完工的科技产业园内。据相邻地块钻孔揭露，场地内分布的各岩土层特征自上而下分别描述如下：素填土（Q4ml），结构松散，主要由黏性土回填而成，局部混有砾石、板岩碎块及少量植物根等，机械推填系新近填土，拟建场地内钻孔均分布，层厚为 9.7018.60 m，平均厚度 12.48 m，层底标高为31.9539.10 m。粉质黏土（Q4al+pl），可塑状态为主，局部夹有硬塑状粉质黏土，底部含砾石，拟建场地内钻孔均分布，厚度 1.006.00 m，平均厚度3.93 m。全风化板岩（Pt），多风化呈土状，岩芯多呈土柱状碎块状，遇水易软化。厚度 0.603.30 m，平均1.39 m，层底标高 25.4433.70 m。地质参数见表 1。表 1 地质参数表地层天然重度/（kNm3）孔隙比e压缩模量Es/MPa内摩擦角标准值/（）黏聚力ck/kPa素填土19.00.8112.78.011.0粉质黏土19.00.7984.513.022.0全风化板岩19.69.019.045.0 本次试验前对现场进行了地质勘察，其中地质钻孔孔深 15 m，地下 08.4 m 为素填土，8.413.5 m为粉质黏土，13.514.5 m 为全风化或强风化板岩，14.515 m 为中等风化板岩，水位深度为 8.5 m。本次注浆深度为地面以下 310 m 位置。1.2 试验方案袖阀管注浆技术成熟，施工简单，且已经被广泛应用于注浆加固领域89。因此本试验采用传统的袖阀管注浆工艺，试验过程中分别使用了橡胶塞和水压塞两种止浆塞。注浆设计扩散半径10为 0.5 m，根据 注浆技术规程经验公式计算得此地层单米注灰量不超过 300 kg11。试验分为单孔注浆试验和群孔注浆试验，单孔注浆试验孔间距不小于 2 m；群孔注浆试验孔间距为 1 m。试验孔位置布置见图 1。21345678100030002000 图 1 注浆试验孔布置图（单位：mm）其中 1 号孔为注浆试验尝试孔，目的是确定本次注浆试验的基本注浆参数。此注浆孔共计完成了地下深 69 m 段的注浆试验，每段水泥用量控制在300 kg 以内。开灌水灰质量比为 11，注浆压力维持在 0.8 MPa 上下，误差小于 0.05 MPa。由于水灰质量比较大，浆液较稀，且注浆压力较大，除 9 m 注浆段外，其他注浆段平均注入率均在 50 L/min 左右。施工数据表明此地层孔隙较大且强度较低，浆液容易注入。具体施工数据由智能灌浆设备记录分析，图 2分别记录了注浆时间、注浆压力、注入率和浆液密度等信息。1.0压力/MPa搅浆段注浆段时间时间时间密度2022-10-17 15:51:142022-10-17 16:08:142022-10-17 16:25:142022-10-17 16:42:142022-10-17 16:59:142022-10-17 17:16:142022-10-17 17:32:182022-10-17 15:51:142022-10-17 16:08:142022-10-17 16:25:142022-10-17 16:42:142022-10-17 16:59:142022-10-17 17:16:142022-10-17 17:32:182022-10-17 15:51:142022-10-17 16:08:142022-10-17 16:25:142022-10-17 16:42:142022-10-17 16:59:142022-10-17 17:16:142022-10-17 17:32:180.80.60.40.20706050403020101.81.51.20.90.60.30注入率/(gcm3)/(Lmin1)图 2 1 号注浆孔施工记录 基于 1 号试验孔的施工数据，为防止浆液浪费，后续注浆试验中水灰质量比小于等于 0.8，使用智能灌浆设备控制注浆压力使注入率始终保持 40 L/min以下，且最大注浆压力不超过 2 MPa，分两次注浆，第一次水泥用量 200 kg，第二次 100 kg。具体试验方案如表 2 所示。182岩土工程技术2024 年第 2 期 表 2 试验方案设计说明孔号性质注浆深/m注浆设计止浆塞1试验尝试孔69水灰质量比11，注入率50 L/min，单米水泥用量小于300 kg橡胶塞2单孔注浆310水灰质量比0.81，注入率不大于40 L/min，分两次注浆橡胶塞3单孔注浆310水灰质量比0.81，注入率不大于40 L/min，分两次注浆橡胶塞4单孔注浆310水灰质量比0.8：1，注入率不大于40 L/min，分两次注浆橡胶塞58群孔注浆310水灰质量比0.81，注入率不大于30 L/min，分两次注浆，注浆顺序为5、8、7、6水压塞 1.3 实验设备和材料本次试验注浆孔通过普通地质钻机打设，袖阀管选用普通 PVC 袖阀管，止浆塞为两套橡胶塞和一套水压塞，水泥选用普通 PO 42.5（见图 3）。注浆设备选用本公司自主研发的智能灌浆设备。地质钻机智能灌浆设备PO42.5 水泥袖阀管橡胶塞水压塞 图 3 试验设备和材料 1.4 试验步骤（1）测量放线；钻机就位。（2）钻机成孔：成孔深度 10 m，成孔直径 100 mm。（3）注套壳料：本次试验所用套壳料的质量比为水泥膨润土水=112，以 10 m 深孔为例，每孔需要 100 kg 水泥、120 kg 膨润土和 200 kg 水，为增加套壳料的稠度，搅拌时加入 3 kg 的纯碱。（4）下方袖阀管：下放过程中向管内注水增加质量，克服袖阀管在套壳料中受到的上浮力。（5）水泥浆搅拌，注浆施工：待套壳料硬化后进行自下而上注浆施工，其中 1、2、3、4 号孔用橡胶塞作为止浆塞，2 m 一段分段注浆，5、6、7、8 号孔用水压塞分 1 m 一段进行注浆，智能灌浆控制设备控制注浆参数。（6）施工数据处理：利用智能灌浆设备，记录并分析施工过程中的注浆参数。2 试验结果分析 2.1 注浆深度的影响在注入率一定时，分别总结了不同注浆孔各个注浆段首次灌浆时的平均注浆压力。图 4（a）为 2、3、4 号注浆孔首次灌浆时各注浆段的平均注浆压力随深度的变化，发现当以 40 L/min 左右的注入率为控制量，在 910 m 注浆段，注浆压力基本维持在0.5 MPa，随着注浆深度的减小，平均注浆压力会逐渐降低。其中 3 号孔为中间孔，且在 2、4 号孔注浆完成后进行的注浆试验，可以发现 3 号孔平均注浆压力的衰减速度要明显小于 4 号孔和 2 号孔，2 号孔在 34 m 段注浆时，地面较早的出现了冒浆现象，未获取其平均注浆压力。9-102 号孔3 号孔4 号孔8 号孔7 号孔6 号孔5 号孔7-8注浆段/m(a)24 号孔(b)58 号孔平均注浆压力/MPa平均注浆压力/MPa注浆段/m5-63-4300.20.40.60.81.01.200.10.20.30.40.50.645678910 图 4 平均注浆压力随深度的变化 图 4（b）为 58 号孔首次注浆时各注浆段的平均注浆压力随深度的变化。发现注浆压力基本维持在 0.71 MPa，且几乎不随注浆深度的变化而变化。分析其原因，主要是水压塞所匹配的注浆管直径较小，管内壁直径小于 1 cm，当注入率较大时，浆液通过注浆管，需要较大的注浆压力来克服浆液与管壁的摩阻力，其真实注浆压力要远小于监测值。4 号孔首次注浆完成后，在间隔 24 h 后进行了第二次注浆，浆液经过 24 h 的凝结，土体得到了有效的加固，此时浆液注入土体的难度显著提高，平均注浆压力接近 2 MPa，在 10 m 注浆段到 5 m 注浆段之宋杰等：智能灌浆设备在素填土注浆加固中的应用研究183间，注浆压力基本保持不变，而注入率随着注浆深度的变浅逐渐增加（见图 5），其平均注入率从 15.2L/min 增加至 26.63 L/min。34 m 段平均注浆压力为 0.41 MPa，平均注入率为 31.57 L/min，孔口出现了跑浆现象后，遂停止灌浆。4 号孔二次注浆施工数据记录见表 3。时间2022-10-19 14:57:482022-10-19 15:05:482022-10-19 15:12:042022-10-19 15:18:562022-10-19 15:42:102022-10-19 15:50:102022-10-19 15:58:10时间2022-10-19 14:57:482022-10-19 15:05:482022-10-19 15:12:042022-10-19 15:18:562022-10-19 15:42:102022-10-19 15:50:102022-10-19 15:58:10时间2022-10-19 14:57:482022-10-19 15:05:482022-10-19 15:12:042022-10-19 15:18:562022-10-19 15:42:102022-10-19 15:50:102022-10-19 15:58:102.5910 m78 m56 m34 m压力/MPa注入率密度2.01.51.00.5025201510501.81.51.20.90.60.303035/(gcm3)/(Lmin-1)图 5 4 号孔二次注浆施工记录 表 3 4 号孔二次注浆施工记录注浆段/m注浆次序压力平稳段平均圧力/MPa压力平稳段最大圧力/MPa压力平稳段平均进浆流量/（Lmin-1）单段耗浆量/L累计耗浆量/L累计耗灰量/kg浆液水灰质量比910二次1.952.2915.2191191175.30.76781.982.2322.68126.5317.5291.20.76561.962.2526.6394.9412.4374.10.78340.410.5131.57190.66035500.78 2.2 浆液扩散情况各试验孔无论是首次注浆还是第二次注浆，在34 m 注浆段，注浆量达到设计值的 1/2 以内，地面或孔口均出现了开裂冒浆现象（见图 6），冒浆的位置距离孔口处 03 m 不等。说明在较浅的素填土内注浆，由于覆重较小，孔隙较大，一定注浆压力下，浆液会向上扩散，此现象也表明，素填土地层裂隙分布极不均匀，要根据现场施工情况及时调整注浆参数。在均匀地层，习惯于将点源渗透注浆的扩散形态大都理想化为圆球形，柱面渗透注浆时扩散形态大都理想化为圆柱形10。为检查注浆效果，注浆完成 7天后，对 2、3 号孔距孔口 50 cm 的位置进行取芯，但取芯结果较差，只在部分深度范围内发现了水泥加固体。同时对 58 号孔进行了开挖检验，开挖深度为4 m，发现浆液并未均匀扩散成圆柱状，而是沿着某一薄弱通道扩散，形成了多道浆脉（见图 7）。3 试验结果对注浆加固施工的指导通过对试验现场素填土进行单孔、群孔注浆加固试验，分析了注浆深度对施工参数的影响，记录了施工过程，对试验现象进行了总结分析，基本可以确定适用于类似地层的施工工艺、方法和注浆参数。图 6 地面、孔口开裂冒浆（1）在此类孔隙较大且孔隙分布不均匀的地层，开灌水灰质量比要小于等于 0.81，并根据施工情184岩土工程技术2024 年第 2 期况及时调整水灰质量比。（2）可利用袖阀管注浆工艺进行多次注浆，最大注入率不超过 40 L/min，注浆压力根据现场试验确定。图 7 开挖后的浆脉 （3）浆液的实际可注入量要小于设计值，尤其是群孔注浆，在本次实验中，5 号孔和 8 号孔率先完成首次注浆，12 小时后对 7 号孔进行了首次灌浆，此时地面便出现了开裂、抬升，停止注浆后，袖阀管内出现了浆液倒流的现象，其原因为注浆停止后，压力消散，抬升的地面开始回落，刚注进去的浆液受到挤压力，倒流回袖阀管内；根据群孔试验过程中出现的冒浆、地面抬升、浆液倒流等现象，结合智能灌浆设备的施工记录，表明在此处素填土加固工程中，1 m注浆间距下，单米可注入注灰量大约为设计值的 2/3。（4）此类地层渗透性强，在注浆压力一定的情况下，单次注浆注入率基本不会降低，因此应以注浆量为注浆终止条件，且要分多次注浆，避免浆液浪费。（5）本次试验对比了水压塞和橡胶塞对注浆功效的影响。水压塞注浆过程中压力损失较大，会增加注浆泵的磨损及耗电量，同时增加了堵管的概率，清洗成本随之增加；而橡胶塞下端与袖阀管间存在缝隙，难以确保浆液全部注入某注浆段；在注浆管不堵管的情况下，水压塞注浆比用橡胶塞功效更快，人工成本更低，施工连续性更强。（6）研究表明，注浆压力与注浆深度有着很直观的正比关系。在实际注浆项目中，可根据前期试验确定不同注浆深度的注浆压力，通过智能灌浆控制设备，实现注浆压力的智能控制，增加注浆施工的连续性。4 智能灌浆设备的应用 4.1 关于设备智能灌浆设备由智能灌浆控制设备和智能灌浆管理平台两部分组成，控制设备实现对施工过程的控制，通过输入注浆施工参数，即可实现自动化配浆和注浆，同时监测记录施工数据，并同步上传至管理平台；管理平台对接收到的施工数据进行汇总和分析（见图 2），可以实时反映注浆压力、注入率、密度等随注浆时间的变化。控制设备又包括注浆泵、搅浆桶、注浆管、控制平台。注浆过程通过控制平台改变注浆压力，从而控制注浆速率，电脑智能控制端实时显示注浆压力、注入率、浆液密度、总注灰量、单米注灰量等（见图 8）。图 8 控制平台电脑智能控制端 4.2 应用过程总结（1）智能灌浆设备可以实现自动化施工，减少人为干预，施工过程较顺利，现场干净整洁，实现安全文明施工。（2）智能灌浆设备可帮助判断注浆过程中的工作状态。此次注浆试验所用注浆泵为柱塞式注浆泵。注浆过程中发生了多次注浆泵堵塞现象，注浆过程中当发现注入率和注入率明显小于注浆泵的正常排量时，即可判断注浆管堵塞，此时应在进浆口加过滤塞并勤清洗，防止浆液沉积；当发现所测浆液密度明显降低时，说明注浆管路进入了空气，需及时进行处理。（3）在长时间的注浆过程中，由于设备的磨损和水泥颗粒的沉淀，会影响密度计和流量计监测的准确性，因此应定期检查实际水泥用量与监测水泥用量的误差，如发现注灰量大于实际值时，应立即清理密度计和流量计并校准。（4）智能灌浆设备能够自动生成施工报表，注浆数据真实，注浆质量可靠。（5）智能灌浆管理平台所记录的时间和施工信息，既可以帮助计算注浆功效，又可以帮助反推注浆过程中遇到的问题，为项目的总结复盘、经验积累提供了良好的数据支持。5 总结与展望（1）在素填土注浆加固时，要根据注浆试验结果宋杰等：智能灌浆设备在素填土注浆加固中的应用研究185确定注浆参数；群孔实际可注入量要远小于规范设计量，可对设计量进行优化；浆液的扩散并不均匀，而是沿着地层内的薄弱通道扩散，形成了多道浆脉；在袖阀管注浆工艺中，使用水压塞可以提高施工效率，增加注浆施工连续性，降低人工成本。（2）智能灌浆设备可帮助快速确定适合的注浆参数，可实现自动化施工，施工环境安全文明，施工质量安全可靠。（3）智能灌浆设备监测的数据可帮助判断注浆过程中的异常情况，提高处理问题的及时性；注浆过程中要定期检查施工数据的准确性，及时对压力、流量、密度等传感器进行校准，保证准确的施工数据。（4）在注浆施工过程中，要保证注浆施工顺利，提高工效，必须降低浆液堵管和堵泵的概率，在注浆泵与搅浆桶之间应设置可灵活拆卸的过滤网，注浆前及时检查，注浆后及时清洗注浆管。参考文献 王岩,薛炜,付春青,等.北京地铁某工程素填土地层地面注浆加固技术及应用 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