一种基于纳米级层状硅酸盐材料的砂土液化防治方法
【技术领域】
[0001]本发明是一种基于纳米级层状硅酸盐材料的砂土液化防治方法，属于领域工程地质学、纳米材料科学、环境地质学、灾害地质学等多学科交叉领域。
【背景技术】
[0002]我国地处环太平洋地震带与欧亚地震带之间，构造复杂，地震活动频繁，是世界上大陆地震最多的国家，同时我国不少大中城市都广泛分布着可液化土，一旦发生大规模破坏性地震，这些地区的工程构(建)筑物无疑将面临地震液化灾害可能带来的严峻挑。开展液化防治研宄，具有重大的国家需求背景，对我国广大可液化地区的地震液化防治具有重要的现实意义。由于水泥或硅酸钠等传统的化学材料具有较高粘性，无法渗透到整个场地进行加固，并且其施工过程具有较大扰动。因此，迫切需求一种易渗透、微扰动、无污染的新型液化防治方法，弥补当前使用传统化学材料的液化防治方法的不足，为我国的液化治理开辟新的道路，同时深入研宄利用纳米材料进行砂土液化防治的微观机理，验证与确认在地震荷载作用下该方法的抗液化效果，实现先进纳米科技与工程地质的交叉融合，具有重要的科学研宄价值。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是针对现有使用传统化学材料的液化防治方法具有的扰动大、渗透性差、不环保的问题，提供一种基于纳米级层状硅酸盐材料的砂土液化防治方法。
[0004]为了达到上述目的，本发明的技术方案如下:
本发明提出的一种基于纳米级层状硅酸盐材料的砂土液化防治方法，具体步骤如下:
(1)选用适用于液化防治的纳米级层状硅酸盐材料；
(2)制备纳米凝胶体系，确定凝胶时间T1'
(2.1)将步骤(I)选用的纳米级层状硅酸盐材料与水作用形成两相分散体，控制纳米级层状硅酸盐材料占水的质量为3%-5%，制备纳米分散剂；
(2.2)由于不同的纳米分散剂的流变特性和凝胶时间长短不等，因此需要通过流变试验，量测每一种纳米分散剂的粘度和模量随时间的变化，确定纳米凝胶体系形成时间T1'
(3)制备纳米复合砂土，确定养护时间T2'
(3.1)将步骤(2.1)所制备的纳米分散剂，注入到可液化砂土中，经过7；后，待纳米凝胶完成，形成纳米复合砂土；
(3.2)将形成的纳米复合砂土在常温条件下(25° C)养护，由于形成的纳米复合的抗液化强度会随着养护时间的增加而增加，以此利用动三轴试验，量测不同养护时间下的纳米复合砂土的抗液化强度，得到养护时间和纳米复合砂土抗液化强度的关系，确定达到所需抗液化对应的最短时间即为养护时间T2'
(4)采用纳米分散剂进行液化场地处理:
(4.1)纳米分散剂的制备:根据步骤(2)所得到的建立纳米凝胶体系所要求的纳米颗粒与水的配比，制备处理场地所需的纳米分散剂；
(4.2)水井的场地的布置:布置低水头注入井和抽水井，抽水井布置在待处理场地的中央位置，抽水井以注水井为圆心，呈辐射状对称分布；
(4.3)纳米分散剂的注入:利用注水井将制备好的纳米分散剂注入到土中，并配合抽水井抽水，形成由处理场地周围向处理场地中心方向运移的水力梯度，控制纳米分散剂在土体孔隙间的运移方向；同时根据砂土的孔隙比和水力传导特性，通过控制抽水井的速度来控制纳米分散剂在土体孔隙间的运移速度；
(4.4)经过(2)所确定的凝胶时间7；后，纳米分散剂胶化形成纳米凝胶体系，并使原有的砂土基体改性为纳米复合砂土；
(4.5)根据(3)所确定的养护时间&养护将(4.4)形成的纳米复合砂土，以达到所需抗液化强度，完成液化场地的处理。
[0005]本发明针对在地震荷载作用下的液化砂土，选择适用于液化防治的纳米级层状硅酸盐材料，开展基于流变学的纳米凝胶体系的流变试验研宄，分析凝胶体系的形成过程及其流变特性参数，确定配制一定质量浓度的纳米分散剂对应的凝胶时间；通过动三轴试验，研宄养护时间和纳米复合砂土抗液化强度的关系，确定达到所需抗液化对应的养护时间；最后根据上述研宄，将制备好的纳米分散剂，注入到待处理的潜在液化场地，形成稳定的纳米凝胶复合砂土，并养护以提高其抗液化强度，从而完成潜在液化场地的处理。
[0006]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
1)易渗透:纳米粘土材料颗粒尺寸小，并且形成的纳米水相分散体系在初期近似牛顿流体，易渗透，能够均匀地分散至液化场地；
2)微扰动:由于其易渗透的特性，无需高压作业便使其分散于土体中，故其施工过程扰动性较小；
3)无污染:传统的防治液化的化学材料组分中常含有一些有害甚至有毒的化合物，因此液化场地环境会受到影响，而本发明所提出的纳米粘土对土体及周边环境的影响暂未发现。
【具体实施方式】
[0007]下面通过以适用于液化防治的典型纳米级层状硅酸盐材料一一合成锂藻土(Iaponite)以及娃溶胶(colloidal silica)为例进一步说明本发明。
[0008]实施例1:以典型纳米级层状娃酸盐材料--合成锂藻土(Iaponite)为例
(1)选用适用于液化防治的纳米级层状娃酸盐材料--合成锂藻土(Iaponite )，
Iaponite是片状娃酸盐纳米颗粒，厚lnm，直径25nm，表面带负电荷；
(2)将纳米颗粒Iaponite与水按质量浓度3%的比例配制纳米分散剂，通过流变试验确定3%的Iaponite分散剂的凝胶时间为24h ；
(3)将Iaponite分散剂，注入到可液化砂土中，经过24h后，待纳米凝胶完成，形成纳米复合砂土，在通过动三轴试验，确定纳米复合砂土的养护时间为96h ；
(4)采用纳米分散剂进行液化场地处理:
(4.1)制备3%的Iaponite分散剂；
(4.2)水井的场地的布置:布置低水头注入井和抽水井，抽水井布置在待处理场地的中央位置，抽水井以注水井为圆心，呈辐射状对称分布；
(4.3) Iaponite分散剂的注入:利用注水井将制备好的Iaponite分散剂注入到土中，并配合抽水井抽水，形成由处理场地周围向处理场地中心方向运移的水力梯度，控制纳米分散剂在土体孔隙间的运移方向；同时根据砂土的孔隙比和水力传导特性，通过控制抽水井的速度来控制纳米分散剂在土体孔隙间的运移速度；
(4.4)经过24h后，Iaponite分散剂胶化形成纳米凝胶体系，并使原有的砂土基体改性为纳米复合砂土；
(4.5)将纳米复合砂土养护96h，完成液化场地的处理。
[0009]该液化防治方法的效果:利用动三轴仪，通过液化强度试验测得利用Iaponite处理过后的复合砂土的液化强度，并对比未处理的砂土，证实其液化强度提高62.5%，说明该方法能够有效地提高可液化砂土的抗液化强度。
[0010]实施例2:以典型纳米级层状娃酸盐材料--娃溶胶(colloidal silica)为例
(1)选用适用于液化防治的纳米级层状娃酸盐材料--娃溶胶(colloidal silica)，
colloidal silica是一种稳定的二氧化娃颗粒的水相分散剂，其粒径尺寸为2_100nm，表面带负电荷；
(2)将colloidalsilica与水按质量浓度5%的比例配制纳米分散剂，通过流变试验确定5%的colloidal silica分散剂的凝胶时间为56h ；
(3)将colloidalsilica分散剂，注入到可液化砂土中，经过56h后，待纳米凝胶完成，形成纳米复合砂土，在通过动三轴试验，确定纳米复合砂土的养护时间为240h ；
(4)采用纳米分散剂进行液化场地处理:
(4.1)制备 5% 的 colloidal silica 分散剂；
(4.2)水井的场地的布置:布置低水头注入井和抽水井，抽水井布置在待处理场地的中央位置，抽水井以注水井为圆心，呈辐射状对称分布；
(4.3)colloidal silica分散剂的注入:利用注水井将制备好的colloidal silica分散剂注入到土中，并配合抽水井抽水，形成由处理场地周围向处理场地中心方向运移的水力梯度，控制纳米分散剂在土体孔隙间的运移方向；同时根据砂土的孔隙比和水力传导特性，通过控制抽水井的速度来控制纳米分散剂在土体孔隙间的运移速度；
(4.4)经过56h后，colloidalsilica分散剂胶化形成纳米凝胶体系，并使原有的砂土基体改性为纳米复合砂土；
(4.5)将纳米复合砂土养护240h，完成液化场地的处理。
【主权项】
1.一种基于纳米级层状硅酸盐材料的砂土液化防治方法，其特征在于具体步骤如下: (1)选用适用于液化防治的纳米级层状硅酸盐材料； (2)制备纳米凝胶体系，确定凝胶时间T1' (2.1)将步骤(I)选用的纳米级层状硅酸盐材料与水作用形成两相分散体，控制纳米级层状硅酸盐材料占水的质量为3%-5%，制备纳米分散剂； (2.2)由于不同的纳米分散剂的流变特性和凝胶时间长短不等，因此需要通过流变试验，量测每一种纳米分散剂的粘度和模量随时间的变化，确定纳米凝胶体系形成时间T1' (3)制备纳米复合砂土，确定养护时间T2' (3.1)将步骤(2.1)所制备的纳米分散剂，注入到可液化砂土中，经过7；后，待纳米凝胶完成，形成纳米复合砂土； (3.2)将形成的纳米复合砂土在常温条件下(25° C)养护，由于形成的纳米复合的抗液化强度会随着养护时间的增加而增加，以此利用动三轴试验，量测不同养护时间下的纳米复合砂土的抗液化强度，得到养护时间和纳米复合砂土抗液化强度的关系，确定达到所需抗液化对应的最短时间即为养护时间T2' (4)采用纳米分散剂进行液化场地处理: (4.1)纳米分散剂的制备:根据步骤(2)所得到的建立纳米凝胶体系所要求的纳米颗粒与水的配比，制备处理场地所需的纳米分散剂； (4.2)水井的场地的布置:布置低水头注入井和抽水井，抽水井布置在待处理场地的中央位置，抽水井以注水井为圆心，呈辐射状对称分布； (4.3)纳米分散剂的注入:利用注水井将制备好的纳米分散剂注入到土中，并配合抽水井抽水，形成由处理场地周围向处理场地中心方向运移的水力梯度，控制纳米分散剂在土体孔隙间的运移方向；同时根据砂土的孔隙比和水力传导特性，通过控制抽水井的速度来控制纳米分散剂在土体孔隙间的运移速度； (4.4)经过(2)所确定的凝胶时间7；后，纳米分散剂胶化形成纳米凝胶体系，并使原有的砂土基体改性为纳米复合砂土； (4.5)根据(3)所确定的养护时间&养护将(4.4)形成的纳米复合砂土，以达到所需抗液化强度，完成液化场地的处理。
【专利摘要】本方法是一种基于纳米级层状硅酸盐材料的砂土液化防治方法，本发明公开提出了一种基于纳米级层状硅酸盐材料的微扰动化学灌浆法。该方法利用了纳米材料特有的尺寸效应和特殊的物理化学特性，将其分散于水中形成纳米分散剂。基于纳米颗粒分散剂的流变特性，将其分散于待进行液化防治处理的工程场地中，待一定时间的胶化后形成纳米凝胶体系，将原有的砂土基体改性为纳米复合砂土，从而提高原有可液化场地的抗液化性能。本发明是一种易渗透、微扰动、无污染的新型液化防治方法，弥补了当前液化防治方法的不足，同时实现了纳米科学与工程地质学的交叉融合，有力推动纳米材料在地质灾害防治领域，尤其是地震液化防灾减灾中的应用与创新，具有重要的科学理论价值及工程应用前景。
【IPC分类】E02D3-12
【公开号】CN104846806
【申请号】CN201510148695
【发明人】黄雨, 王琳
【申请人】同济大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年4月1日