土遗址加固试验——土遗址的锚固及裂隙灌浆

　　锚固和灌浆是“凝聚力”的象征。自100多年前水泥问世以来，“锚固”与“灌浆”就逐渐发展为岩土工程实践中行之有效、应用最广泛的加强凝聚力的两种好方法。这两种技术是既独立又关系密切、相辅相成的施工工艺和岩土加工技术，它们既独立使用，有时又联合使用。由于它们能在原位对岩土进行加工或改进，充分挖掘岩土的潜力，使一定范围内的岩土体成为工程结构不可分割的组成部分，因此，多年来一直受到岩土工程界的高度重视。
　　在我国，锚固和灌浆两种工程技术的迅猛发展和广泛应用是近20年的事，主要用于矿山、井巷、采场、交通隧道与城市地铁、边坡与坝基等工程。但是锚固灌浆技术用于文物保护加固工程始于20世纪80年代初。从70年开始，先后对龙门、云冈、大足等石窟进行过环氧树脂一类高分子材料的裂隙灌浆。首先用非预应力锚杆加固的石窟为麦积山石窟和克孜尔石窟。90年代又用锚索锚固和裂隙灌浆加固了榆林窟。以上都是将锚固与灌浆用于石窟加固工程，即加固的对象都是岩体。但对土建筑遗址的土体还没有进行系统的锚固与灌浆研究的实例。
　　古代土建筑遗址大都产生严重开裂，最终导致坍塌破坏。为了使那些因开裂而遭受破坏的土遗址比较完整地保存下来，我们一直寻求锚固并结合裂隙灌浆对其进行加固。
　　土遗址的土体不同于石窟的岩体，强度非常低、松散、孔隙率大。过去对石窟加固时，采用了金属锚杆或锚索，裂隙灌浆采用了PS-F浆液，都取得了较好的保护效果。但是，对土遗址的锚固和裂隙灌浆从未做过，因此，我们分别采用了薄壁轻型钢管和硬质木杆为锚杆，以PS-F、PS-C为浆液，先后在安西的破城子和敦煌的河仓城进行了锚固与灌浆试验。
　　(一)破城子锚固与灌浆试验
　　1.锚杆设计
　　锚杆分为五类组：
　　50cm 6根 60cm 6根 70cm 6根
　　100cm 6根200cm 6根
　　锚杆全部采用薄壁钢管，钢管壁四周成四排交错的直径为8mm的孔，孔距5cm。管头焊接10cm×10cm钢板，其上成孔与管径同大，除200cm锚杆采用1.5英寸钢管①外，其余规格均为1英寸管。管头焊接的钢板，一方面起锚头的作用，另一方面用于做拉拔试验(图13-27、图13-28)。
　　每类锚杆为6根是为了采用两种材料进行灌注试验，一种拟采用PS-F，另一种为PS-C。
　　试验位置选破城子北墙内侧进行，试验区分为A、B、C、D、E五区，A、B、C均为稳定性城墙脚，D、E两区位于一错落体上。
　　2.锚固
　　为了减小震动，人工钻孔，采用螺旋钻，在A、B、C三区分别钻50cm、60cm、70cm深，孔径为1.5英寸的孔各6个，共计18个。在D、E区成100cm、200cm钻孔各6个，孔径为2英寸，共计12个。
　　成孔后，先用PS溶液加固孔壁，待PS固化后将锚杆插入孔内，从管口分别进行PS-F、PS-C注浆。浆液将沿钢管四壁的圆孔内挤出，使锚杆与土体紧密结合。每种浆液灌注同类组锚杆中的3个，以便对比。
　　3.裂隙灌浆
　　完成锚固后，对锚杆穿过的、且平行于墙体的裂隙进行灌浆。其灌浆的程序和工艺与石窟加固工程中的程序和工艺基本相同。首先裂隙封闭，将裂隙周围喷洒适量的PS，待固化后，用5%PS调和的泥(遗址坍塌下的黏土)封闭裂隙，并选合适的位置插入注浆管。
　　待裂隙封闭的泥完全固化后(一般3～5d)，分别以PS-F和PS-C进行常压灌浆。以两种浆液注浆，是为了对比其注浆的效果。
　　浆液凝固后，(一般约24h)切取注浆管，并以5%PS-C调和的浆液喷洒做旧。
　　4.锚杆锚固力拉拔测试
　　锚固完成1个月后，进行各类组锚杆的锚固力拉拔测试。
　　特制一个钢支架，垂直支顶在墙体上，装上千斤顶。用0.3级标准测力计(天水红山试验机厂生产)测拉拔力。拉拔的测试结果见表13-27。
　　锚杆锚固力拉拔实验表明，锚杆都是从锚孔四壁PS加固夯土和原夯土接触面破坏。因为破城子夯土属中密度粉质黏土，抗压强度为0.3～1.0MPa，经10%的PS加固后，提高到1.5～2.5MPa，这远大于原夯土的抗压强度。另外，PS-F浆液结石体的强度也远大于高密度夯土的强度，同时所有拉拔出的锚杆表明，浆液结石体和锚杆牢固粘连，而锚孔四壁加固的夯土又和浆液结石体牢固黏接。
　　锚杆锚固后的一个月的时间里，由于野外条件所限，无专人看管，部分锚杆被人试图偷走而松动过，测得的拉拔力数据较分散。但正常的锚杆以70cm长锚杆为例，采用PS-F浆液锚固，其最大拉拔力为11.99kN，最低也有4.02kN，对夯土来讲，这样大的锚固力已足够高了。
　　5.结论
　　破城子夯土的锚固和锚杆锚固力拉拔实验表明：
　　1)薄壁大孔径钢管，在孔壁上开孔后是夯土较理想的锚杆。在西北地区干燥的环境中，锚固的钢管基本不产生锈蚀。
　　2)PS-C和PS-F是夯土理想的灌浆锚固材料，比较之下，PS-F有更好的灌浆锚固效果。
　　3)锚杆从原夯土和浆液结石体接触面拔出，证明这种锚固对夯土是安全的。其工艺简便，成本低廉，适合现场推广使用。
　　4)土建筑遗址的裂隙可用PS浓度为7%～10%的PS-F(或粉煤灰加适量黏土)的浆液进行灌浆。其工艺与砂砾岩石窟岩体裂隙灌浆工艺相同。
　　概括总结以上结论：薄壁钢管锚杆、PS-F浆材以及上述的施工工艺适于干燥地区土建筑遗址的锚固和灌浆。但要注意，小电厂出产的粉煤灰呈灰黑色，施工时要注意漏浆污染遗址。在有条件时，尽量采用大电厂出产的灰白色粉煤灰，这样可达到和遗址外观基本一致的效果。也可以在粉煤灰中掺加适量遗址黏土，在不影响锚固和灌浆效果的情况下，这样加固的土遗址外观会更协调。
　　(二)河仓城锚固试验
　　1.锚杆设计
　　锚杆采用市场上购买的白蜡杆(表13-28)，直径在25～45mm之间。白蜡杆质硬，表面光滑而较直，比较适合于作锚杆。为了增大摩擦力，即增大锚固力，杆体上均匀削成单向似鳞形刀口，锚固时，鳞形刀口向锚孔内(图13-29)。
　　锚杆分为三组，每组3根锚杆
　　30cm 3组 9根
　　80cm 3组 9根
　　120cm 3组 9根
　　每种长度的锚杆分三组，是为了试验三种灌浆材料，即PS-F、PS-C及PS-(F+C)浆液的灌浆性能及锚固力。
　　试验位置选在河仓城北面的土体。为了减小震动，采用螺旋钻人工成孔，孔径在50～60mm之间。
　　2.锚固
　　人工钻孔，钻杆为螺旋钻杆，螺杆转动时土可自动旋出，钻到预定深度后，将孔内浮土清理干净，将钻孔封闭，用5%的PS对孔壁进行渗透加固。待渗透的PS稍干后，对钻孔灌浆。浆液的稠度以能流动为限，水灰比见表13-29，采用胶管注入和人工捣入孔内填充相结合的注浆方法，将孔内填满后，将锚杆加压，压入孔内，然后将孔口周围的缝隙用浆液填满捣实。各锚杆均进行编号，便于拉拔时确认。
　　3.拉拔力测试
　　锚固40d后，进行锚固力拉拔测试。荷载由0.3级标准测力计确定，千斤顶加荷在专用加荷装置上进行，由于木质锚杆端头局部承荷能力较小，除为数不多的锚杆拉动并拉出外，大部分木质锚杆的破坏形式，均为端头拉坏，见表13-30、图13-30。
　　4.试验结果分析
　　根据试验结果得出如下结论，锚杆的拉拔力在1.97～5.63kN之间，破坏形式均为锚杆端头拉坏。因此受力集中部位的破坏将是锚杆失效的主要方式。
　　对直径在30～40cm之间的木质锚杆，其承受的最大拉力宜以2kN为限，顺纹抗拉强度设计值不宜超过2.0MPa。锚固长度应大于500mm。注浆材料与土体及木质锚杆均有较好的固结性。作为一种非予应力和具有安全储备作用的构件，对剥离土体具有很好的加固作用。
　　相同锚固长度的锚杆的拉拔力存在较大的差异，这主要与锚固质量有关，而锚固质量主要取决于浆液的密实程度，浆液密实则锚固力大，反之则小，因此锚固质量是锚杆承荷大小的关键。
　　经过薄壁轻型钢管锚杆和硬质木锚杆对土遗址锚固试验证明：硬质木锚杆和PS-F浆液适宜对土遗址进行锚固。对体量大的土体锚固时，经过荷载计算，以木锚杆为主，适当设置一定数量的大口径薄壁钢管锚杆。
　　①1英寸(in)=2.54cm。