专利名称：一种改性水玻璃固化湿陷性黄土地基的方法
技术领域：
本发明涉及岩土工程地基加固领域，尤其涉及一种改性水玻璃固化湿陷性黄土地基的方法。
背景技术：
我国黄土面积约6. 35X IO5 km2，其中的60%以上具有湿陷性。黄土的湿陷性对建筑工程的危害十分严重。为保证黄土区工程安全，需消除黄土湿陷性进行地基处理或加固，并且大厚度湿陷性黄土地基处理多年来一直是黄土工程研究的难点和热点。湿陷性黄土地基处理技术可分为物理方法和化学方法。物理方法有垫层法、强夯法、挤密法、冲击压实法以及预浸水法等；化学方法主要是硅化法。硅化法是利用注浆设备或自渗方式将以水玻璃为主剂的溶液灌注、渗透到湿陷性黄土中，达到消除黄土湿陷性、提高强度、改善水稳定性与增强抗震性的目的，目前硅化法是黄土地基处理或加固的主要化学注浆方法，其具有应用范围大、处理地基厚度大与使用灵活等特点。近年来在黄土区新建工程中受周边环境、基坑安全等多种因素的影响，需降低基坑开挖深度，需进行原位地基处理，而该法有时也是唯一的选择。水玻璃是硅化法的主要浆材。近年来纳米技术为研究水玻璃提供了良好的手段，揭开了水玻璃老化百年之谜。从纳米技术的观点来看，粒子越小表面存在的悬空键越多，吸附及化学反应能力越强。刚生产出来的水玻璃中无纳米粒子的，属于真溶液；在贮放过程中如15分钟后，胶粒不断生成。在最初的贮放中，水玻璃中纳米小粒子多，其相应的粘结性能最强；随着贮存时间的延长，纳米小粒子减少，水玻璃发生老化，粘结力随之下降。水玻璃的老化性质就是纳米粒子缩聚成高聚硅酸的团聚体，团聚体是不能再水解的。溶液愈稀，粒子团聚愈快；在外界给予能量的情况下如加热改性，团聚体被解散而重新产出纳米小粒子，粘结强度再度恢复。新的研究成果证明、解释了水玻璃的老化性质，实践中需对其进行改性、消除老化性质。传统的水玻璃固化黄土的单液硅化法，在加固湿陷性黄土地基中取得了良好效果，但还是忽视了作为主要浆材的水玻璃的老化性质，或者仅是在不自觉的状态下进行配方式的简单改性。本发明在甘肃省科技支撑计划项目No. 1011FKCA093 :改性水玻璃固化黄土的水稳性机理研究课题的资助下完成。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明目的是提供一种应用简单、易于操作、成本经济的改性水玻璃固化湿陷性黄土地基的方法。该方法能有效提高湿陷性黄土地基的工程力学性能。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种改性水玻璃固化湿陷性黄土地基的方法，包括施工前在拟加固场地试验区进行单孔及群孔灌注试验，然后正式施工灌注。其特征在于
a.灌注试验与正式施工灌注均采用改性水玻璃溶液进行灌注；
b.所灌注的改性水玻璃溶液的改性方法与灌注要求是采用杂质含量不大于2%、模数
2.5 3. 3的水玻璃原液，使用自来水进行稀释，稀释成密度为1. 10 1. 15g/cm3的水玻璃稀释液；对水玻璃稀释液进行加热改性，将水玻璃稀释液加热至沸腾状态，得到加热改性水玻璃；将加热改性水玻璃用 于化学灌浆施工，保证灌注时加热改性水玻璃稀释液的温度不低于60°C。本发明还包括按下式计算加热改性水玻璃稀释液的单孔灌注量V
V=Ji Xr2XhXnX α ;其中
V—加热改性水玻璃稀释液的单孔灌注量，单位m3 ； r一加热改性水玻璃的扩散半径，单位m ； h—自基础底面起算的固化土厚度，单位m;
η—注浆加固前湿陷性黄土的平均孔隙率，单位％，依据工程地质勘察资料确定； α 一水玻璃溶液充填黄土孔隙的系数，取值范围O. 75 O. 85。任何对水玻璃稀释溶液可加热的容器均满足要求；实施过程中需要采取必要的劳动保护措施，预防烫伤，保护眼睛，以免水玻璃溅入。本发明提供的方法是加热改性水玻璃硅化法。本发明适用加固地下水位以上、渗透系数大于O. 03X IO-Ws的湿陷性黄土地基。对酸性土或已渗入浙青、油脂及石油化合物的地基土，不宜采用硅化法。本发明适用于对下列建筑物或构筑物湿陷性黄土地基的处理及加固，正式施工前按照现有技术进行现场试验确定其可行性
1、新建的构筑物及设备基础；
2、存在不均匀沉降的既有建筑物、构筑物及设备基础；
3、浸水后黄土湿陷，地基尚未稳定的建筑物、构筑物及设备基础。本发明提供的方法其创新点在于将密度为1. 10 1. 15g/cm3的水玻璃稀释液进行加热改性，将水玻璃稀释液加热至沸腾状态后用于化学灌浆施工，保证灌注时加热改性水玻璃稀释液的温度不低于60°C。对主要的浆材水玻璃进行加热改性，消除老化性质。传统的单液硅化法使用的是老化水玻璃，与本发明相比固化效果较差，成本高。本发明提供的方法其创新点还在于加热改性水玻璃稀释液的单孔灌注量V的计算依据。本发明加热改性水玻璃硅化法的其余加固方法与传统的单液硅化法加固工艺技术相同，如正式施工前，依据拟加固场地工程地质勘察报告选择试验区，并应进行单孔及群孔灌注试验，确定灌注改性水玻璃溶液的速度、时间、体积或压力等参数。灌注试验结束后，待龄期10天后，在试验区注浆深度内量测加固半径、取固化样进行湿陷试验及压缩试验等物理力学性质，确定加固深度。必要时应进行沉降观测至沉降稳定，观测时间不少于半年。加热改性水玻璃硅化法灌注方法可采用现有成熟技术压力灌注或溶液自渗的方法。压力灌注工艺，应符合下列要求1、压力灌注应自基础底面算起，自上而下1.O 1. 5m分层进行，可分多层；
2、加固既有建筑物黄土地基时，在基础侧向先施工外排，后施工内排；每排应间隔2孔施工。3、向土中打入注浆管，封闭注浆管侧壁与土接触处，泵送灌注溶液，溶液温度不低于 60。。；
4、泵送灌注溶液的压力可由小变大，最大压力不宜大于O. 2MPa。溶液自渗工艺，应符合下列要求
1、在拟处理或加固的基础底面或侧向，将设计图纸所布置的部分或全部灌注孔成孔至 设计深度；成孔设备可使用洛阳铲或钻机；
2、将改性水玻璃溶液注满各孔，溶液面宜高出基础底面高程O.50m，溶液温度不低于60 0C ；
3、溶液自渗过程中，间隔2 3小时向孔内填注改性水玻璃溶液，直至全部灌注量完成为止。本发明加热改性水玻璃硅化法加固湿陷性黄土地基，注浆孔布置应符合下列要求
1、注浆孔孔距压力灌注时宜按1.O 1. 2m ;溶液自渗宜为O. 5 O. 7m ;
2、处理新建的设备基础和建筑物的地基，在基础底面下按照正三角形布置，超出基础底面外缘的宽度每边不应小于1. Om ；
3、加固设备基础和既有建筑物的地基，应按基础侧向布置，每侧不宜少于2排。采用本发明加热改性水玻璃硅化法加固既有建构筑物时，在注浆过程中，应进行沉降观测。当发现沉降出现异常或突然增大时，应立即停止注浆，待查明原因后，再行注浆。实践表明本发明提供的改性水玻璃加固或处理湿陷性黄土地基的方法，其工程力学性能与水稳定性比传统的单液硅化法更好。采用改性水玻璃溶液灌注，扩散快，能够迅速渗透到湿陷性黄土的微孔结构中，扩大了湿陷性黄土的加固范围，具有更好的改性加固效果，节约水玻璃主剂30%以上，工程造价降低20%以上。本发明将水玻璃原液稀释成密度为1. 10 1. 15g/cm3的水玻璃稀释液加热改性后灌注，能够实现在保证工程应用时对固化土强度要求的前提下，使灌注加固的工程成本最为经济。图1所示是模数3. 0，不同密度的水玻璃加热改性后，其固化黄土的无侧限抗压强度特征，如加热改性水玻璃固化黄土的抗压强度与温度关系图。图1表明模数3. 0，在温度分别为20°〇、401、601、801，密度分别为1. 09、1. 16、1. 26、1. 38 g/cm3的水玻璃所固化黄土，在同一温度下，无侧限抗压强度随水玻璃密度的增加而增加；同一密度水玻璃固化土的强度随温度的增加而增加，60°C后强度增幅变大。加热改性水玻璃硅化法固化湿陷性黄土的机理是对不同密度或浓度的水玻璃加热改性，加热过程提供能量将缩聚的高分子链状硅酸分子打散，消除水玻璃的老化性质，使水玻璃胶粒中包含的水溶液变少、再次增加硅酸分子间碰撞机会，有利于形成更多的细小胶粒。胶粒越小，表面存在的悬空键越多，吸附与化学反应能力越强。将加热改性过的水玻璃灌注入黄土中，与黄土中的胶结物如粘土矿物、碳酸盐岩、有机质、碱土金属易溶盐、骨架颗粒等组分进行复杂的化学作用、物理一化学作用，生成非晶态的、细化的各类凝胶，即水合硅酸钙与硅酸镁凝胶、水合硅酸凝胶和含钠水玻璃凝胶及有机质中的胡敏酸(HA)、富里酸(FA)的钙、镁盐沉淀。这些物质除少部分填充于黄土的部分孔隙中，固化土中大孔隙依然存在；大部分与骨架颗粒、原有胶结物以化学吸附、物理吸附作用包覆在其表面，形成粘结桥，并使固化黄土中孔隙表面积增大、最可几孔径减小、小孔隙增多，尤其小于ΙΟμπι的孔径急剧增加；包覆状态的这些物质使土颗粒表面较平滑，粘结较紧密，骨架颗粒连接由原来的点接触变成面胶结，将骨架颗粒粘结成为一个空间网状整体结构。具有很大表面能的凝胶质点因相互作用进一步靠近和长大，即质点表面的S1-OH基失水形成S1-O-Si键，缩合失水、质点缩小，增强了凝胶自身的强度。随着改性过程的热效应及龄期的增加，固化土中的孔隙水和缩合水进行物理脱水进入孔隙中，提高了固化土的后期强度。加热改性水玻璃固化黄土中生成的细化凝胶形成的空间网状整体结构、细化凝胶的缩合失水硬化、孔隙水及缩合水消散的物理硬化，联合抑制了黏土矿物和有机质的活性，强化了胶结物抗水性联结，保持架空孔隙基本不变，宏观上彻底改善了黄土的水稳性，提高 了黄土的工程力学性能。
图1是模数3. O不同密度加热改性水玻璃固化黄土的抗压强度与温度关系图。图中横坐标为温度，单位。C ;纵坐标为抗压强度，单位MPa。
具体实施例方式实施例1 一种改性水玻璃固化湿陷性黄土地基的方法，首先，施工前在拟加固场地试验区进行单孔及群孔灌注试验，采用加热改性水玻璃为主要浆材，确定使用本方法的加固土的湿陷试验及压缩试验等物理力学性质，从而确定加固深度、加固半径即注浆孔距、灌注量、灌注速度、时间、体积或压力等参数；其次，对加固场地进行注浆设计，包括注浆孔数、注浆深度、压力灌注、溶液自渗，以及注浆过程中存在的细节或注意事项，最后，按照既定的灌注工艺进行正式施工灌注；施工过程中采取必要的劳动保护措施，预防烫伤，保护眼睛，以免水玻璃溅入。在灌注试验与正式施工灌注均采用改性水玻璃溶液进行灌注；所灌注的改性水玻璃溶液的改性方法与灌注要求是采用杂质含量不大于2%、模数3. O的水玻璃原液，使用自来水进行稀释，稀释成密度为1. 15g/cm3的水玻璃稀释液；对水玻璃稀释液进行加热改性，将水玻璃稀释液加热至沸腾状态，得到加热改性水玻璃稀释液；将加热改性水玻璃稀释液用于化学灌浆施工，保证灌注时加热改性水玻璃稀释液的温度不低于
60。。。按下式计算加热改性水玻璃稀释液的单孔灌注量V :
V=Ji Xr2XhXnX α ;其中
V—加热改性水玻璃稀释液的单孔灌注量，单位m3 ； r一加热改性水玻璃的扩散半径，单位m ； h—自基础底面起算的固化土厚度，单位m;
η—注浆加固前湿陷性黄土的平均孔隙率，单位％，依据工程地质勘察资料确定；α 一水玻璃溶液充填黄土孔隙的系数，取值O. 78。实施例2 所灌注的改性水玻璃溶液的改性方法与灌注要求是采用杂质含量不大于2%、模数3. 3的水玻璃原液，使用自来水稀释成密度为1. 12g/cm3的水玻璃稀释液；水玻璃溶液充填黄土孔隙的系数α取值范围O. 8。其余与实施例1相同。实施例3 所灌注的改性水玻璃溶液的改性方法与灌注要求是采用杂质含量不大于2%、模数3. O的水玻璃原液，使用自来水稀释成密度为1. 13g/cm3的水玻璃稀释液；水玻璃溶液充填黄土孔隙的系数α取值范围O. 75。其余与实施例1相同。实施例4 所灌注的改性水玻璃溶液的改性方法与灌注要求是采用杂质含量 不大于2%、模数2. 5的水玻璃原液，使用自来水稀释成密度为1. 15g/cm3的水玻璃稀释液；水玻璃溶液充填黄土孔隙的系数α取值范围O. 85。其余与实施例1相同。
权利要求
1.一种改性水玻璃固化湿陷性黄土地基的方法，包括施工前在拟加固场地试验区进行单孔及群孔灌注试验，然后正式施工灌注；其特征在于 a.灌注试验与正式施工灌注均采用改性水玻璃溶液进行灌注； b.所灌注的改性水玻璃溶液的改性方法与灌注要求是采用杂质含量不大于2%、模数2.5 3. 3的水玻璃原液，使用自来水进行稀释，稀释成密度为1. 10 1. 15g/cm3的水玻璃稀释液；对水玻璃稀释液进行加热改性，将水玻璃稀释液加热至沸腾状态，得到加热改性水玻璃稀释液；将加热改性水玻璃稀释液用于化学灌浆施工，保证灌注时加热改性水玻璃稀释液的温度不低于60°C。
2.如权利要求1所述的一种改性水玻璃固化湿陷性黄土地基的方法，其特征在于所述方法还包括按下式计算加热改性水玻璃稀释液的单孔灌注量V V=Ji Xr2XhXnX α ;其中 V—加热改性水玻璃稀释液的单孔灌注量，单位m3 ； r一加热改性水玻璃的扩散半径，单位m ； h—自基础底面起算的固化土厚度，单位m; η—注浆加固前湿陷性黄土的平均孔隙率，单位％，依据工程地质勘察资料确定； α 一水玻璃溶液充填黄土孔隙的系数，取值范围O. 75 O. 85。
全文摘要
一种改性水玻璃固化湿陷性黄土地基的方法，包括施工前在拟加固场地试验区进行单孔及群孔灌注试验，然后正式施工灌注。其特征在于a.灌注试验与正式施工灌注均采用改性水玻璃溶液进行灌注；b.所灌注的改性水玻璃溶液的改性方法与灌注要求是采用杂质含量不大于2%、模数2.5～3.3的水玻璃原液，使用自来水进行稀释，稀释成密度为1.10～1.15g/cm3的水玻璃稀释液；对水玻璃稀释液进行加热改性，将水玻璃稀释液加热至沸腾状态，得到加热改性水玻璃稀释液；将加热改性水玻璃稀释液用于化学灌浆施工，保证灌注时加热改性水玻璃稀释液的温度不低于60℃。与传统的单液硅化法相比，工艺简单、可操作性强，节约水玻璃主剂30%以上，工程造价可降低20％以上，具更好的改性加固效果。
文档编号E02D3/12GK103015403SQ20121057760
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月27日 优先权日2012年12月27日
发明者王生新, 吕擎峰, 王得楷, 许宏, 孙志忠, 张满银, 刘兴荣 申请人:甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所