CN116067969A - 一种土遗址裂隙灌浆加固效果无损检测评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于土遗址裂隙灌浆加固效果评价技术领域，主要应用于定量评价土遗址裂隙灌浆加固的灌浆饱满度、表面收缩开裂、封护兼容度，包括裂隙灌浆加固模型、灌浆加固效果无损检测评价指标与体系，具体涉及超声波速检测、热红外检测、色差检测；所述灌浆饱满度检测采用裂隙灌浆加固模型与无裂隙夯土试块的波速比指数法；所述检测表面收缩开裂采用表面收缩开裂与裂隙的宽度比率法；所述检测封护兼容度采用裂隙灌浆加固模型灌浆封护处与无裂隙夯土试块的色差值法。本发明是一种适用性强、可定量化、工况丰富、龄期广泛、扰动及风险较低的土遗址裂隙灌浆加固效果无损检测评价方法。
Description
技术领域
本发明属于土遗址裂隙灌浆加固效果评价技术领域，具体涉及一种土遗址裂隙灌浆加固效果无损检测评价方法，主要应用于定量评价土遗址裂隙灌浆加固的灌浆饱满度、表面收缩开裂、封护兼容度。
背景技术
土遗址是人类历史上进行生产、文化、宗教及军事防御等各种活动留下的土建筑遗迹，是古代土工营造工艺与历史文化的结合体。土遗址主要存在于我国西北干旱半干旱地区，然而受到建筑工艺及长期自然因素的影响，在土遗址体上形成各种形式的裂隙。裂隙的发育和发展不仅影响土遗址整体的稳定性，也是促进其他外力加速土遗址风化的通道。土遗址裂隙灌浆加固技术通过浆液的封闭充填，阻止雨水通过裂隙入渗，可以有效防止裂隙的进一步发展，提升了遗址体整体性和耐久性。
在土遗址灌浆加固过程中，裂隙发育形态不规则、浆液材料收缩率大、灌浆工艺不规范等导致的浆液有效粘结程度低、裂隙内部灌浆不饱满，以及浆液中水分快速渗透导致灌浆表面有较大的收缩开裂现象，造成土遗址加固后的风险不确定性和潜在的隐患。根据“不改变原状”的文物保护原则，灌浆加固后应做适当表面处理，使之与遗址体协调，这对土遗址裂隙灌浆加固的封护兼容度提出了更高的要求。鉴于土遗址自身强度低、价值高、不可破坏的特殊性，取芯试验、压水试验、载荷试验等岩土工程中具有一定破坏性的灌浆效果评价方法并不适用于具有文物属性的土遗址。虽然无损检测方法在土遗址裂隙灌浆加固领域已有一定的应用，但缺乏定量化的评价指标和全面的检测评价体系，加固效果主要是凭经验的定性判断。充分考虑土遗址土体和文物的双重属性，建立快速、高精度、可靠的裂隙灌浆加固效果无损检测评价方法是土遗址加固技术科学化和规范化的必然趋势。
为此，我们提出一种土遗址裂隙灌浆加固效果无损检测评价方法。
发明内容
本发明的目的在于提出一种土遗址裂隙灌浆加固效果无损检测评价方法，针对现有土遗址灌浆加固效果偏向于定性评价的现状，在充分考虑土遗址文物属性的基础上，建立以灌浆饱满度、表面收缩开裂、封护兼容度为关键指标的无损检测评价体系，以解决现有的灌浆加固效果评价方法在土遗址中的适用性和局限性的问题。
为实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种土遗址裂隙灌浆加固效果无损检测评价方法，包括裂隙灌浆加固模型制作、灌浆加固效果无损检测评价指标与体系的建立；
所述裂隙灌浆加固模型，用于模拟土遗址裂隙灌浆加固；
所述灌浆加固效果无损检测评价指标与体系，用于评价加固后的灌浆饱满度、表面收缩开裂、封护兼容度。
进一步地，所述裂隙灌浆加固模型包括夯土试块、灌浆浆液、透明亚克力板；所述透明亚克力板通过拼接或者粘接形成四周和底部封闭的模具；所述夯土试块置于透明亚克力板模具内两侧，并在夯土试块间预留裂隙；所述灌浆浆液灌注入夯土试块预制的裂隙之间；其中透明亚克力板在浆液硬化后拆除。
进一步地，所述灌浆加固效果无损检测评价指标与体系包括超声波速检测、热红外检测、色差检测；
其中，超声波速检测用于检测灌浆饱满度，热红外检测用于检测表面收缩开裂，色差检测用于检测封护兼容度；
所述灌浆饱满度检测采用裂隙灌浆加固模型与无裂隙夯土试块的波速比指数法；所述检测表面收缩开裂采用表面收缩开裂与裂隙的宽度比率法；所述检测封护兼容度采用裂隙灌浆加固模型灌浆封护处与无裂隙夯土试块的色差值法。
进一步地，所述裂隙灌浆加固模型与无裂隙夯土试块的波速比指数法：将灌浆饱满度的效果确定为“I(优)、II(良)、III(中)、IV(低)、V(差)”5个等级，波速比指数＞0.90为I级、波速比指数0.90-0.75为II级、波速比指数0.74-0.50为III级、波速比指数0.49-0.25为IV级、波速比指数＜0.25为V级。
进一步地，所述波速比指数可根据式(1)计算：
式(1)中：VRI为波速比指数；
v1为裂隙灌浆加固模型的波速值；
v2为无裂隙夯土试块的波速值。
进一步地，所述表面收缩开裂与裂隙的宽度比率法：将表面收缩开裂的效果确定为“I(小)、II(中)、III(大)”3个等级，对于小裂隙(＜5cm)，宽度比率＜15％为I级、宽度比率15-18％为II级、宽度比率＞18％为III级；对于大裂隙(≥5cm)，宽度比率＜10％为I级、宽度比率10-13％为II级、宽度比率＞13％为III级。
进一步地，所述宽度比率可根据式(2)计算：
式(2)中：r为宽度比率；
d为表面收缩开裂宽度；
D为裂隙宽度。
进一步地，所述表面收缩开裂宽度可根据裂隙灌浆加固模型测线上开裂处温度数据点数与测线温度数据总点数的比例计算：
式(3)中：d为表面收缩开裂宽度；
l为测线长度；
n1为表面收缩开裂处温度数据点数；
n2为测线上温度数据总点数。
进一步地，所述裂隙灌浆加固模型灌浆封护处与无裂隙夯土试块的色差值法：将封护兼容度的效果确定为“I(优)、II(良)、III(中)、IV(低)、V(差)”5个等级，色差值0-0.5为I级、色差值0.6-1.5为II级、色差值1.6-3为III级、色差值3.1-6为IV级、色差值＞6为V级。
进一步地，所述色差值可根据式(4)计算：
式中：ΔE为色差值；
L为灌浆封护处亮度值；
a为灌浆封护处红绿值；
b为灌浆封护处黄蓝值；
L*为夯土试块亮度值；
a*为夯土试块红绿值；
b*为夯土试块黄蓝值。
且综上所述，由于采用了上述技术方案，发明的有益技术效果是：
(1)本方法效果评价适用性强，真实反映了土遗址灌浆加固的技术特点，综合灌浆饱满度、表面收缩开裂、封护兼容度检测，使评价结果更为全面客观。
(2)本方法定量化评价指标并确定相应的阈值，构建了土遗址灌浆加固效果评价技术体系，根本上改变了现有定性评价的弊端。
(3)本方法的裂隙灌浆加固模型以开放式呈现，使用透明亚克力板模具可实现灌浆加固与养护过程的可视性。
(4)本方法的试验工况丰富，裂隙灌浆加固模型根据试验需求进行调整，可以夯筑不同层厚及密度的夯土试块，满足不同形制土遗址的试验需求；可以夯筑不同形状及表面形态的夯土试块，满足不同特征裂隙的试验需求；可以灌注不同材料、配比及水灰比的灌浆浆液，满足不同灌浆浆液比选的试验需求；可以选择重力灌浆、压力灌浆等多种灌浆方式，满足不同灌浆工艺比选的试验需求。
(5)本方法的试验龄期广泛，在浆液灌浆初期至长期养护过程中，超声波速检测、热红外检测、色差检测均可实现连续数据采集，实现灌浆加固过程的检测与评价。
(6)本方法的检测内容简便易行、适应性强，对应用场景和技术要求较低，可实现无损、快速、高精度、可靠的效果评价目标。
(7)本方法均采用加固效果评价的无损检测，对检测方法土遗址扰动及风险较低，方便移植到土遗址灌浆加固工程的现场检测之中，易于后期成果转化。
附图说明
图1土遗址裂隙灌浆加固效果无损检测评价方法流程图
图2裂隙灌浆加固模型示意图
图3超声波速检测示意图
图4热红外检测示意图
图5冲沟型裂隙灌浆加固模型示意图
具体实施方式
为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释发明，并不用于限定发明。
(1)裂隙灌浆加固模型。现场详细调查预灌浆加固土遗址形制及裂隙特征，以此作为制作夯土试块1的依据。按照土遗址原建筑工艺将配制至最优含水率的坍塌遗址土分层夯筑，夯层厚度、干密度应保证与土遗址一致；夯土试块1表面形态特征应保证与土遗址裂隙一致。制作完成后的夯土试块1在实验室内自然风干，至质量稳定。透明亚克力板3通过拼接/粘接形成四周和底部封闭的模具，模具应略高于夯土试块1，防止灌浆浆液2外流。注浆前将制备好的夯土试块1放入注浆模具两侧，夯土试块1紧贴模具内壁，中间预留裂隙，预制裂隙宽度应保证与土遗址裂隙一致。根据灌浆材料的要求，配置与灌浆加固工程相同的材料、配比及水灰比的灌浆浆液2。根据灌浆工艺的要求，选择与灌浆加固工程一致的有压注浆或重力灌浆，通过导管由下至上灌入夯土试块1预制的裂隙中，至浆液顶部与夯土试块1齐平。浆液初步硬化后拆除模具，放置环境箱养护，养护温湿度设置应与土遗址现场环境一致。裂隙灌浆加固模型在灌浆初期至长期养护过程中，可完成不同龄期的超声波速检测、热红外检测、色差检测，实现灌浆加固过程的检测与评价。
(2)超声波速检测。超声波的传播速度因介质中裂隙、孔洞及缺陷的比例增加而减小，依据此原理可以定量评价灌浆饱满度。超声波速检测的发射与接收探头4置于夯土试块1外表面两侧，超声波的传播路径应穿过模型的灌浆裂隙，计算裂隙灌浆加固模型与无裂隙夯土试块的波速比指数。将灌浆饱满度的效果确定为“I(优)、II(良)、III(中)、IV(低)、V(差)”5个等级，波速比指数＞0.90为I级、波速比指数0.90-0.75为II级、波速比指数0.74-0.50为III级、波速比指数0.49-0.25为IV级、波速比指数＜0.25为V级。波速比指数可根据下式计算：
式中：
VRI——波速比指数；
v1——裂隙灌浆加固模型的波速值；
v2——无裂隙夯土试块的波速值。
(3)热红外检测。结构表面出现缺陷时会改变局部导热性，表面收缩开裂5处与周围土体有较为明显的温差，依据此原理可以定量评价表面收缩开裂。在裂隙灌浆加固模型的红外照片中垂直灌浆裂隙方向布置测线6，通过数学软件提取测线6上温度数据，确定裂隙灌浆加固模型测线6上表面收缩开裂5处温度数据点数与测线6上温度数据总点数比例，进一步计算表面收缩开裂5与裂隙的宽度比率。将表面收缩开裂的效果确定为“I(小)、II(中)、III(大)”3个等级，对于小裂隙(＜5cm)，宽度比率＜15％为I级、宽度比率15-18％为II级、宽度比率＞18％为III级；对于大裂隙(≥5cm)，宽度比率＜10％为I级、宽度比率10-13％为II级、宽度比率＞13％为III级。表面收缩开裂宽度、宽度比率可根据下式计算：
式中：
r——宽度比率；
d——表面收缩开裂宽度；
D——裂隙宽度；
l——测线长度；
n1——表面收缩开裂处温度数据点数；
n2——测线温度数据总点数。
(4)色差检测。色差检测得到量化的颜色数据，明确灌浆加固裂隙与周围土体的协调程度，依据此原理可以定量评价封护兼容度。在裂隙灌浆加固模型灌浆封护处与无裂隙夯土试块上分别检测多点位亮度、红绿、黄蓝的平均值，计算裂隙灌浆加固模型灌浆封护处与无裂隙夯土试块的色差值。将封护兼容度的效果确定为“I(优)、II(良)、III(中)、IV(低)、V(差)”5个等级，色差值0-0.5为I级、色差值0.6-1.5为II级、色差值1.6-3为III级、色差值3.1-6为IV级、色差值＞6为V级。色差值可根据下式计算：
式中：
ΔE——色差值；
L——灌浆封护处亮度值；
a——灌浆封护处红绿值；
b——灌浆封护处黄蓝值；
L*——夯土试块亮度值；
a*——夯土试块红绿值；
b*——夯土试块黄蓝值。
具体的，本实施例以某土遗址裂隙灌浆加固效果的检测实验进行综合分析。
(1)裂隙灌浆加固模型。现场取某遗址的坍塌土，经风干、研磨、过筛后，以最优含水率配置湿土，采用夯实法制备夯土试块。制备完成的夯土试块自然风干至质量稳定，并放置于透明亚克力板模具中。使用注浆器将浆液灌入2块夯土试块预制的裂隙中，浆液初步硬化后拆除模具，放置环境箱养护，养护温湿度设置依据土遗址现场温湿度监测结果。养护一定龄期后，分别进行超声波速检测、热红外检测、色差检测。为了探究土体密度、浆液配比、裂隙宽度、裂隙形态对灌浆加固效果的影响，设置夯土试块干密度为1.70g/cm3、1.75g/cm3；夯土试块的规格为正方体和棱台体(正方体削边)，2个正方体夯土试块预制竖直型裂隙，2个棱台体夯土试块预制冲沟(“V”字)型裂隙；透明亚克力板模具中预留裂隙宽度为3cm、5cm；浆液采用水硬石灰拌合遗址土，配比为1：10、1：25。裂隙灌浆加固模型编号及参数如表1所示。
表1裂隙灌浆加固模型参数
(2)超声波速检测。检测使用某型号超声波参数测试仪，发射与接收探头置于夯土试块外表面两侧，超声波传播路径穿过模型的灌浆裂隙，经多次检测求取波速平均值。1.70g/cm3干密度的无裂隙夯土试块的平均波速值为1225.8m/s，1.75g/cm3干密度的无裂隙夯土试块的平均波速值为1282.5m/s。裂隙灌浆加固模型L1-L5的波速比指数(VRI)＞0.90，灌浆饱满度的效果评价为I(优)级。
表2裂隙灌浆加固模型灌浆饱满度评价
| 参数 | L1 | L2 | L3 | L4 | L5 |
| <![CDATA[v<sub>1</sub>(m/s)]]> | 1440.8 | 1322.3 | 1278.1 | 1315.1 | 1331.2 |
| VRI | 1.06 | 1.04 | 1.00 | 1.01 | 1.02 |
(3)热红外检测。检测使用某型号红外热像仪，对裂隙灌浆加固模型的灌浆面进行热红外拍摄。在热红外照片中布置测线，提取该测线上温度数据，其中表面收缩开裂处与夯土、浆体热传导不连续，具有明显温度值差异。模型L1、L2、L5宽度比率＜15％，表面收缩开裂的效果评价为I(小)级；模型L3(≥5cm)宽度比率＞13％，表面收缩开裂的效果评价为III(大)级；模型L4宽度比率15-18％，表面收缩开裂的效果评价为II(中)级。
表3裂隙灌浆加固模型表面收缩开裂评价
| 参数 | L1 | L2 | L3 | L4 | L5 |
| L(cm) | 14.65 | 16.22 | 17.07 | 15.36 | 9.06 |
| <![CDATA[n<sub>1</sub>]]> | 15 | 14 | 23 | 15 | 22 |
| <![CDATA[n<sub>2</sub>]]> | 511 | 516 | 595 | 512 | 511 |
| d(cm) | 0.43 | 0.44 | 0.66 | 0.45 | 0.39 |
| r(％) | 14.42 | 14.58 | 13.14 | 15.15 | 13.10 |
(4)色差检测。检测使用某型号色差仪，分别采集灌浆加固裂隙封护处与夯土试块多点位的亮度值、红绿值、黄蓝值，并计算各参数的平均值。模型L1、L2色差值1.6-3，封护兼容度的效果评价为III(中)级；模型L3、L4色差值＞6，封护兼容度的效果评价为V(差)级；模型L6色差值3.1-6，封护兼容度的效果评价为IV(低)级。
表4裂隙灌浆加固模型封护兼容度评价
| 参数 | L1 | L2 | L3 | L4 | L5 |
| L－L* | 2.11 | 2.62 | 6.00 | 5.54 | 3.56 |
| a－a* | 0.77 | 0.37 | 0.13 | 1.80 | 0.56 |
| b－b* | 0.89 | 0.09 | 1.05 | 3.71 | 0.46 |
| ΔE | 2.42 | 2.65 | 6.09 | 6.91 | 3.63 |
(5)加固效果评价。本实施例中，灌浆饱满度的效果均较好；对于大裂隙(≥5cm)和浆液配比为1：25的设置，表面收缩开裂的效果一般；封护兼容度的效果整体较差。因此，本实施例的裂隙灌浆加固应采用浆液配比为1：10，并适用于小裂隙(＜5cm)灌浆，如应用于土遗址现场加固工程应进一步减小色差值。
表5裂隙灌浆加固效果评价
| 评价指标 | L1 | L2 | L3 | L4 | L5 |
| 灌浆饱满度 | I | I | I | I | I |
| 表面收缩开裂 | I | I | III | II | I |
| 封护兼容度 | III | III | V | V | IV |
以上所述为发明的较佳实施例，并不用以限制发明，凡在发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种土遗址裂隙灌浆加固效果无损检测评价方法，其特征在于，包括裂隙灌浆加固模型制作、灌浆加固效果无损检测评价指标与体系的建立；
所述裂隙灌浆加固模型，用于模拟土遗址裂隙灌浆加固；
所述灌浆加固效果无损检测评价指标与体系，用于评价加固后的灌浆饱满度、表面收缩开裂、封护兼容度。
2.根据权利要求1所述的一种土遗址裂隙灌浆加固效果无损检测评价方法，其特征在于，所述裂隙灌浆加固模型包括夯土试块、灌浆浆液、透明亚克力板；所述透明亚克力板通过拼接或者粘接形成四周和底部封闭的模具；所述夯土试块置于透明亚克力板模具内两侧，并在夯土试块间预留裂隙；所述灌浆浆液灌注入夯土试块预制的裂隙之间；其中透明亚克力板在浆液硬化后拆除。
3.根据权利要求1所述的一种土遗址裂隙灌浆加固效果无损检测评价方法，其特征在于，所述灌浆加固效果无损检测评价指标与体系包括超声波速检测、热红外检测、色差检测；
其中，超声波速检测用于检测灌浆饱满度，热红外检测用于检测表面收缩开裂，色差检测用于检测封护兼容度；
所述灌浆饱满度检测采用裂隙灌浆加固模型与无裂隙夯土试块的波速比指数法；所述检测表面收缩开裂采用表面收缩开裂与裂隙的宽度比率法；所述检测封护兼容度采用裂隙灌浆加固模型灌浆封护处与无裂隙夯土试块的色差值法。
4.根据权利要求3所述的一种土遗址裂隙灌浆加固效果无损检测评价方法，其特征在于，所述裂隙灌浆加固模型与无裂隙夯土试块的波速比指数法：将灌浆饱满度的效果确定为“I(优)、II(良)、III(中)、IV(低)、V(差)”5个等级，波速比指数＞0.90为I级、波速比指数0.90-0.75为II级、波速比指数0.74-0.50为III级、波速比指数0.49-0.25为IV级、波速比指数＜0.25为V级。
5.根据权利要求4所述的一种土遗址裂隙灌浆加固效果无损检测评价方法，其特征在于，所述波速比指数可根据式(1)计算：
式(1)中：VRI为波速比指数；
v1为裂隙灌浆加固模型的波速值；
v2为无裂隙夯土试块的波速值。
6.根据权利要求3所述的一种土遗址裂隙灌浆加固效果无损检测评价方法，其特征在于，所述表面收缩开裂与裂隙的宽度比率法：将表面收缩开裂的效果确定为“I(小)、II(中)、III(大)”3个等级，对于小裂隙(＜5cm)，宽度比率＜15％为I级、宽度比率15-18％为II级、宽度比率＞18％为III级；对于大裂隙(≥5cm)，宽度比率＜10％为I级、宽度比率10-13％为II级、宽度比率＞13％为III级。
7.根据权利要求3所述的一种土遗址裂隙灌浆加固效果无损检测评价方法，其特征在于，所述宽度比率可根据式(2)计算：
式(2)中：r为宽度比率；
d为表面收缩开裂宽度；
D为裂隙宽度。
8.根据权利要求7所述的一种土遗址裂隙灌浆加固效果无损检测评价方法，其特征在于，所述表面收缩开裂宽度可根据裂隙灌浆加固模型测线上开裂处温度数据点数与测线温度数据总点数的比例计算：
式(3)中：d为表面收缩开裂宽度；
l为测线长度；
n1为表面收缩开裂处温度数据点数；
n2为测线上温度数据总点数。
9.根据权利要求3所述的一种土遗址裂隙灌浆加固效果无损检测评价方法，其特征在于，所述裂隙灌浆加固模型灌浆封护处与无裂隙夯土试块的色差值法：将封护兼容度的效果确定为“I(优)、II(良)、III(中)、IV(低)、V(差)”5个等级，色差值0-0.5为I级、色差值0.6-1.5为II级、色差值1.6-3为III级、色差值3.1-6为IV级、色差值＞6为V级。
10.根据权利要求9所述的一种土遗址裂隙灌浆加固效果无损检测评价方法，其特征在于，所述色差值可根据式(4)计算：
ΔE＝√(L-L*)2+(a-a*)2+(b-b*)2 (4)
式中：ΔE为色差值；
L为灌浆封护处亮度值；
a为灌浆封护处红绿值；
b为灌浆封护处黄蓝值；
L*为夯土试块亮度值；
a*为夯土试块红绿值；
b*为夯土试块黄蓝值。
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