专利名称：一种膨胀性软岩土的原位改性加固方法
技术领域：
本发明涉及一种软岩土体的加固方法，尤其是一种应用于岩土工程的灾害防治和 软基处理的膨胀性软岩土原位改性加固方法。
背景技术：
在现有膨胀性岩土的工程领域中，都有一个灾害防治和软基处理问题，包括地质 灾害和工程灾害，尤其是软岩巷道的支护与加固，其中重点处理和防治的对象是膨胀性软 岩土体，这种岩土体往往含有大量黏土矿物，通常为蒙脱石族、伊利石族和高岭石族等三大 类，在这三大类中又以蒙脱石族的性能最差，蒙脱石是一种物理化学性质极端活泼的物质， 极易吸水膨胀，产生膨胀应力使处于这类岩土体中的工程建筑产生大变形；且吸水后岩土 体强度迅速降低甚至泥化，导致岩土体失稳而坍塌，造成安全事故，危及人身安全。在工程中对膨胀性软岩土体的加固支护处理方法基本上是被动的支护与锚固、注 浆加固和夯实碾压，这些方法均是通过改变软岩的外在因素以控制软岩工程的稳定性，存 在着较大的局限性和时效性，因此，寻求提高软岩土体自身的物理力学特性以控制软岩土 体及其工程的长期稳定性的方法显得十分迫切。发明专利CN101319612A公开了“一种软岩的电化学加固方法”，其基本原理是采 用人工方法对软岩施加直流电场，在电场作用下软岩内部带电离子发生定向移动，从而使 软岩的物质成分和结构发生改变，吸水膨胀性降低，强度提高，产生不可逆转的固化。但由 于对软岩电化学特性、水理特性、电化学加固效果缺少专业系统的研究，以及实际施工过程 中所需电流、电压、电解液、加电时机、加电时间和加电方式等参数认识不清，造成该方法缺 少实际操作性，进而无法在工程实践中推广应用。发明专利CN101462894公开了一种“软岩表面憎水处理方法”，其基本原理是在 软岩表面喷淋憎水高分子表面活性剂对软岩表面进行封护，防止大气中的水蒸汽进入软岩 中，但这种方法只是阻止或延缓了软岩土体的工程性质的劣化速度，并没有从根本上改变 软岩本身的力学和物理化学特性，工程实践证明使用该方法处理的软岩土体仅能保持原有 特性数月，仍需不断的返修，无法满足软岩土工程的长期稳定性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种膨胀性软岩土的原位改性加固 方法，以改变膨胀性软岩土体物质成分和微结构，从根本上改变软岩土体的物理力学特性， 进而实现软岩土的长期稳定。基于上述问题和目的，本发明所采取的措施是一种膨胀性软岩土原位改性加固方 法，该方法包括下列步骤(1)对软岩土取样，制成岩土芯试件；(2)对岩土芯试件进行力学强度、膨胀、软化、崩解和浸泡吸水试验，得到相应参 数；
(3)对岩土芯试件进行渗透注浆改性试验，得到注浆压力、作用时间、温度与改性 液渗透扩散的速度和范围的关系曲线；(4)对上述步骤(3)得到注浆后的岩土芯试件再次进行上述步骤(2)所述的试 验；(5)对比上述步骤(2)和上述步骤(4)的试验结果，确定渗透注浆改性参数；(6)根据上述步骤(3)和步骤(5)的试验结果，确定软岩土体中注浆孔的深度和间 排距，并进行打孔、埋管和水泥砂浆封孔；(7)对软岩土体中压注改性硅烷偶联剂；其注浆压力是1 5MPa，注浆温度是 20 100°C，注浆时间是1 5d ；(8)对软岩土体表面喷淋改性硅烷偶联剂，实现对膨胀性软岩土原位改性加固。在上述一种膨胀性软岩土原位改性加固方法中，所述的硅烷偶联剂是KH550、 KH560、KH570、KH580和KH590中的一种；所述的注浆温度进一步选为75 85°C ；所述的渗 透注浆改性试验装置是试验架中设置有试样模具和岩土芯试样；在试验架的底端设有泻流 口 ；在试验架的顶端由高压软管连通盛有改性液硅烷偶联剂的加热容器，并在高压软管上 设置有手摇泵、单向阀和压力表。本发明膨胀性软岩土原位改性加固方法与现有技术相比，具有以下突出的实质性 特点和显著的进步(1)本发明通过硅烷偶联剂与软岩土的偶联反应，改变软岩土的物质成分和结构， 排除软岩土内部结构水，增强软岩土的物理力学性能，降低其水敏性，从而从根本上解决了 软岩土工程的加固问题。(2)加固改性材料无色无味无毒性，不会形成对环境的二次污染。(3)本方法可使膨胀性软岩土的浸泡吸水率降低63. 1 % 92. 7 %，强度提高 1. 4 2. 3 倍。
图1是本发明膨胀性软岩土原位改性加固方法实施路线图；图2是本发明渗透注浆改性试验装置结构示意图；图3是本发明注浆压力与改性液扩散半径的关系曲线图；图4是本发明注浆时间与改性液扩散半径的关系曲线5是本发明注浆改性前后岩样浸泡吸水率随时间的变化曲线图；图6是本发明注浆改性前后岩样自由膨胀率随时间的变化曲线图；图7是本发明试件注浆改性后强度提高倍数与改性温度的关系曲线图；图8是本发明某膨胀性软岩巷道原位改性加固前后顶底板移近量曲线。图中改性液硅烷偶联剂1、加热容器2、高压软管3、手摇泵4、单向阀5、压力表6、 试验架7、试样模具8、岩土芯试样9、泻流口 10。
具体实施例方式本发明所称的膨胀性软岩土是指含有大量粘土矿物，在自然灾害以及人类活动中 易于发生失水_吸水并产生胀缩性和工程特性和稳定性持续降低的软弱岩土体。
本发明所称的粘土矿物是指具有片状或链状结晶格架的铝硅酸盐，它是由原生矿 物长石及云母等铝硅酸盐矿物经化学风化而成。铝硅酸盐由两个主要部分组成，即硅氧四 面体和铝羟基八面体。本发明在软岩土体中注入硅烷偶联剂，注入的硅烷偶联剂和软岩土所含粘土矿物 发生偶联反应，形成憎水硅_氧_铝键将片状结晶格架连接起来，从而提高软岩的物理力学 强度，使其失去吸水膨胀性能。其主要原理有下列两个方面(1)偶联作用。硅烷偶联剂与铝羟基八面体发生偶联反应，形成憎水硅-氧-铝化 学键连接片状结晶格架，从而提高软岩土强度，消除或降低其吸水膨胀性。具体反应如下R-Si (OH) 3+(HO-[Al)[minerals] — (R-Si-0-[Al)[minerals]+ηΗ20(2)排水作用。通过偶联作用将软岩内部结构水主要为层间水和羟基排出，降低软 岩土含水量，从而使软岩土强度增加。下面结合附图对本发明的具体实施方式
作出进一步的详细说明实施方式1 实施本发明一种膨胀性软岩土的原位改性加固方法，是通过下述步骤进行的第一步、对拟进行改性加固的软岩土体取样，所取岩土体样应当有代表性，将采 集到的软岩土样制成Φ200Χ400ι πι、Φ50Χ20Ι ΠΙ和Φ50Χ100Ι ΠΙ的岩土芯试件，其中 Φ 50 X IOOmm试件6个，Φ 50 X 20mm和Φ 200 X 400mm试件各3 5个，试件两端面不平整 度误差不得大于0. 1mm，上下端直径偏差不得大于0. 2mm。并对试件颜色、层理、节理、裂隙、 矿物成分、风化程度以及加工过程中出现的问题进行描述记录。对制样困难的岩土样采用 重塑样加工试件。第二步、对Φ50Χ IOOmm试件进行单轴压缩实验，获得软岩土的单轴抗压强度、弹 性模量、泊松比和软化系数等数据；对Φ50X 20mm试件进行膨胀试验、失水一吸水循环崩 解试验和浸泡吸水试验，获得软岩土的自由膨胀率、崩解指数和浸泡吸水率。第三步、对Φ 200 X 400mm岩芯试件进行渗透注浆改性试验，试验装置如图2所示， 该装置是在试验架7中设置有试样模具8和岩土芯试样9 ；在试验架7的底端设有泻流口 10 ；在试验架7的顶端由高压软管3连通盛有改性液硅烷偶联剂1的加热容器2，并在高压 软管3上设置有手摇泵4、单向阀5和压力表6。其渗透注浆改性试验的基本原理为手摇泵4将改性液硅烷偶联剂1加压后通过单 向阀5和注浆口压入岩样中，同时通过控制泻流口 10及试样模具8与试验架7的连接方式 来模拟不同注浆条件。具体试验过程在岩土试件9中心钻取Φ 20mmX IOOmm的注浆孔，将高压软管3插 入注浆孔底，孔口密封，置入试样模具8中。再将仪器装配成一个整体，并检验其密闭性。然 后将改性液硅烷偶联剂1通过手摇泵4加压至设计压力注入岩芯试样9中，不同试验条件， 采用不同颜色，同时打开泻流口 10进行试验，记录整理注浆压力、时间、温度与改性液渗透 扩散的速度和范围的关系曲线。第四步、对注浆改性后试样取芯进行上述第二步的所述试验，将试验结果与第二 步所得试验结果比较，对比分析得出注浆改性效果与改性液种类、温度以及注浆压力、时 间、浆液扩散半径等参数之间的相关关系。第五步、根据第三步和第四步的结果，确定软岩土体上注浆孔的深度和间排距，并进行打孔、埋管和封孔。第六步、对软岩土压注硅烷偶联剂。第七步、对软岩土体表面喷淋硅烷偶联剂，即实现对膨胀性软岩土原位改性加固。实施例1一种膨胀性软岩土的原位改性加固方法，某膨胀性软岩巷道，软岩中粘土矿物以 蒙脱石含量为主，层理发育，取样测得单轴抗压强度为7. 5MPa,弹性模量800MPa，泊松比 0. 26，泡水后岩样迅速崩解，浸泡吸水率45%。可以采用改性硅烷偶联剂液KH550、KH560、 KH570、KH580或者是KH590，改性温度20 100°C，注浆压力1 5MPa对其进行渗透注浆 改性试验，并对注浆改性后试样进行力学、自由膨胀和浸泡吸水试验。针对本实施例试验结果显示改性液KH570的改性效果要好于其它四种，图3至图 7为改性液为KH570的具体试验结果。试验测得注浆压力与改性液扩散半径的关系曲线见 图3，注浆时间与改性液扩散半径的关系曲线见图4，注浆改性前后岩样浸泡吸水率随时间 的变化曲线见图5，注浆改性前后岩样自由膨胀率随时间的变化曲线见图6，试件注浆改性 后强度提高倍数与改性温度的关系曲线见图7。从图3至图7可以看出，注浆改性后其浸泡 吸水率和自由膨胀度显著降低，分别为达到92. 9%和95. 2% ；强度明显提高，其提高程度与 湿度有关，其中80°C最高，达到2. 3倍。根据试验结果取注浆孔深度2. 5m,间排距1. 2m，封孔方式采用水泥砂浆封孔，封 孔长度0. 4m,注浆材料KH570，注浆压力2MPa，注浆温度75 85°C，采用复注浆的方式对巷 道围岩进行注浆改性，并选用喷雾器对巷道表面喷淋75 85°C的KH570。与此同时采用传 统的支护加固方法加固，原位改性加固前后巷道围岩顶底板移近量曲线见图7，加固前最大 移近量1143mm，加固后最大移近量291mm，仅为加固前的25. 4%，可见采用原位改性加固方 法后取得了良好的支护加固效果。
权利要求
1.一种膨胀性软岩土原位改性加固方法，该方法包括下列步骤(1)对软岩土取样，制成岩土芯试件；(2)对岩土芯试件进行力学强度、膨胀、软化、崩解和浸泡吸水试验，得到相应参数；(3)对岩土芯试件进行渗透注浆改性试验，得到注浆压力、作用时间、温度与改性液渗 透扩散的速度和范围的关系曲线；(4)对上述步骤(3)得到注浆后的岩土芯试件再次进行上述步骤(2)所述的试验；(5)对比上述步骤(2)和上述步骤(4)的试验结果，确定渗透注浆改性参数；(6)根据上述步骤(3)和步骤(5)的试验结果，确定软岩土体中注浆孔的深度和间排 距，并进行打孔、埋管和水泥砂浆封孔；(7)对软岩土体中压注改性硅烷偶联剂；其注浆压力是1 5MPa，注浆温度是20 100°C，注浆时间是1 5d;(8)对软岩土体表面喷淋改性硅烷偶联剂，实现对膨胀性软岩土原位改性加固。
2.如权利要求1所述的方法，其改性硅烷偶联剂是KH550、KH560、KH570、KH580和 KH590中的一种。
3.如权利要求1所述的方法，其注浆温度进一步选为75 85°C。
4.如权利要求1所述的方法，其渗透注浆改性试验装置是试验架(7)中设置有试样模 具⑶和岩土芯试样(9)；在试验架(7)的底端设有泻流口(10)；在试验架(7)的顶端由高 压软管⑶连通盛有改性液硅烷偶联剂⑴的加热容器(2)，并在高压软管(3)上设置有手 摇泵(4)、单向阀(5)和压力表(6)。
全文摘要
一种膨胀性软岩土原位改性加固方法是向膨胀性软岩土体中压注硅烷偶联剂改性液，硅烷偶联剂改性液和膨胀性软岩土中所含羟基发生偶联反应，改变膨胀性软岩土的物质成分和微结构，排出内部结构水，从而提高膨胀性软岩土的物理力学强度，使其失去吸水膨胀性能。本发明与现有技术相比，具有合理性和可操作性，同时改性材料无色无味无毒性，无环境的二次污染。适应于岩土工程的灾害防治和软基处理。
文档编号E21D11/00GK102002934SQ20101053404
公开日2011年4月6日 申请日期2010年11月3日 优先权日2010年11月3日
发明者康天合, 杨永康, 柴肇云, 武小玲, 郭维维, 陈维毅 申请人:太原理工大学