一種矽化加固溼陷性黃土地基的方法

2023-10-08 16:54:54

專利名稱：一種矽化加固溼陷性黃土地基的方法
技術領域：
本發明涉及一種採用水玻璃(Na2O*nSiO2)為主料，添加碳酸氫氨(NH4HCO3)作為促凝劑來加固溼陷性黃土地基的方法，屬於土木工程領域地基加固技術。
化學灌漿法中的以水玻璃為主凝劑的矽化法是消除地基病害應用廣泛而可行的辦法。該法主料水玻璃價廉、無毒，採用的施工機械與施工工藝簡單，特別是不要求停止建築物的正常使用更具有實用性。
目前比較先進的矽化加固法是「水玻璃+CO2」矽化加固法，用其處理既有建築物下溼陷性黃土地基，完全能起到消除被加固土的溼陷性，提高地基承載能力的作用，但有如下幾個問題有待解決「水玻璃+CO2」矽化法的施工程序是先向地基土中注入CO2氣體，然後注入水玻璃漿液，最後再注入CO2氣體，這種交替注入的施工程序，不但使CO2和水玻璃混合不均勻，直接影響加固效果。且凡發生溼陷變形的地基，均會產生大量的縫隙或裂隙，當對其進行地基加固時，首先注入的CO2氣體必將會沿著這些縫隙或裂隙跑掉一部分或大部分，後注入的水玻璃和CO2也會竄出一部分，同樣影響或減弱地基加固效果。
另外，在開瓶注入CO2過程中，也往往因氣瓶結冰，需採取各種措施來化冰，造成停工窩工現象，直接影響施工進度。
目前「水玻璃+CO2」矽化加固法所用主材料水玻璃的價格不斷上漲，CO2的生產廠家也較少，一般又遠離使用現場，且CO2又需用高壓氣瓶盛裝，空瓶的重量為氣體重量的4—5倍，使CO2材料的運輸費用明顯增大。這樣，兩種材料的費用加在一起，將使得工程造價較高。
本發明的目的是提供一種這樣的矽化加固法其在施工造價、施工進度、加固效果方面均優於CO2矽化加固法。
本發明的技術方案是仍以水玻璃(下面簡單NS)為主料，NH4HCO3(下面簡稱NHC)為促凝劑配製本發明用的注漿液。通過對NS和NHC用量比的調節，可以有效地控制其凝膠時間和膠凝體強度，保證優質、明顯的加固效果。由於NHC比CO2貯運方便，易於購得，施工方便，故因CO2矽化加固法CO2造成的減弱地基加固效果，窩工影響施地進度以及工程造價增長的問題均能得到解決。
本發明的具體作法是採用在灌注按設計要求配製好的水玻璃溶液的同時，注入NHC稀溶液，使兩種漿液通過注漿泵混合，再經過分漿器、注漿管進入地基土中產生反應，快速膠凝，以起到強化地基的作用。加固原理如下NHC—水玻璃兩種材料混合後的化學反應方程式為(1)在水玻璃漿液與黃土的相互作用過程中，黃土膠態吸附綜合體(ΠK)上的Ca和水玻璃漿液中的鈉之間發生了瞬時交換反應，如2式所示。 在水玻璃漿液的強鹼性介質中，從吸附綜合體上析出的鈣形成不溶解的固態Ca(OH)2具有極大的表面積，並吸附著矽酸聚合陰離子。黃土中析出的鈣離子與水玻璃的相互作用如(2)式所示，結果生成了具有微細層理的硬化石灰——矽石生成物。這種生成物使加固黃土具有足夠的堅固性，可達到地基補強，穩定建築物之目的。
從上述2個反應式中可以看出，在把水玻璃漿液注入黃土或殘積土的固化過程中，其孔隙中末完全反應的水玻璃漿液，由於縮聚作用產生矽酸凝膠薄膜。這種凝膠雖然對於提高加固土強度的影響不大，但它仍可起到保護其生成物凝膠薄膜不受水侵蝕的作用，起到防水，防滲作用。
本發明選用NH4HCO3——水玻璃混合漿液，主要是根據實際建築物所發生地基病害的需求，人為地控制其凝膠時間和膠凝體強度，達到預期的目的。
影響漿液凝膠時間的因素是多方面的，如被加固土體中的高價離子濃度——礦物成分，原地基土的含水量以及周圍環境和施工期當地的溫度等。同時，需進行矽化加固工程的本身對各類漿材的凝膠時間要求也的不盡相同。比如對溼陷性黃土地區既有建築物下的地基加固來說，必須嚴格控制其附加下沉量，對凝膠時間的要求是很嚴格的。而漿液各組分的合理配比和漿材的選擇更是決定膠凝時間的控制因素。為了選出本發明即HNC矽化加固法的最佳注漿參數，發明人配製了10種不同配比NHC水玻璃漿液，性能結果如表一。
各組分濃度與漿液膠凝時間表一 從表一可以看出所有各組配方的結石率均為100％，而膠凝時間參差不齊，個別差異很大。
1#、4#、7#、8#、9#、10#配方的膠凝時間均在幾分鐘至十幾分鐘之間，相對來說膠凝太快，這對我們從事已變形的建築地基加固而言是求之不得的。但是，在具體工程的現場使用時，其施工工藝問題難以解決。2#、3#配方的膠凝時間又太長，若用此配方加固地基土，特別是既有建築物病害地基，勢必要產生較大的附加下沉，使得已變形的建築物，由於選用了此類配方進行處理後，變形更大。
5#、6#配方的膠凝時間均在半小時至45分鐘之間，完全能滿足我們擬加固工程的需求。但是，5#配方，其水玻璃—NHC兩種材料的體積之比為2∶1，這對兩種漿液同時輸入並在泵內混合時，其進漿量難以控制。且水玻璃本身的材料價格偏高，如水玻璃用量增多，就會加大工程造價，所以5#配方同樣也被廢棄。選6#配方為本方法漿液的注漿參數。
為驗證6#配方的可靠性，以6#配方的各項參數作為依據，進行了下述各種試驗表二
土樣壓漿加固前後物理——力學生質變化表表三
從表二反覆的配比試驗中可以看出，結石率是令人滿意的，但膠凝時間隨著溫度的變化、差異較大，溫度越低膠凝時間越長。
·土樣灌注試驗結果如上表三土樣注漿前、後的物理力學性質指標變化一覽表。
運用反覆驗證了的6#配方(表二所示)的一種配合比進行室內灌注土柱試驗。用於試灌的土樣，是從甘肅榆中縣試驗點取回的土樣。
從表三結果證明了按照篩選後的配方進行土樣灌注試驗，土樣壓漿加固后土的含水量及密度都明顯增大，特別是含水量變化比較大。以膠凝時間31分的配方為例，6組土樣含水量平均增加181％，最大達263％，最小為60％，這一點對既有建築物的地基加固處理是不利的因素，但強度明顯地提高。綜合起來分析，儘管因含水量變大，可能產生附加沉降，但由於控制了水玻璃的濃度和漿液的配合比，使漿液進入土中固結的速度大於黃土溼陷的速率，溼陷變形可以得到有效的控制，從而滿足加固既有建築物的安全要求土樣壓入漿液後滲透係數變小，溼陷性消失，無側限抗壓強度也明顯提高。
·現場注漿試驗現場選在蘭州三毛廠生活區7#家屬住宅樓北測(距建築物10餘米)的一個小花園內。該處位於黃河南岸二級階地上，系II級溼陷性黃土質地層，地下水位在-7.0～-7.5米處。-6.0米以下為飽和狀黃土。
灌漿參數水玻璃比重1.12NHC濃度 2.67％前述兩種液體體積比1∶1注漿分二層進行，自下而上。每一層注漿量700升，注漿後三個星期開挖檢查，發現漿體分布比較均勻，室內物理力學性能指標如表四所示現場注漿前后土體的物理力學指標 表四
試驗結果顯示自重溼陷係數為0.0003—0.0004，溼陷係數為0.0003—0.0004，溼陷性消失，無側限抗壓強度為173kPa，提高了約四倍，滲透係數由1.3×10-4減小到5.7×10-6cm/s(平均值)。
實施例1.蘭州第三毛紡廠7#家屬住宅樓西一單元地基NHC矽化加固處理工程蘭州第三毛紡廠7#住宅樓位於現場注漿試驗場地的旁邊，地層自上而下為混凝土地坪(0.00～-0.10m)；雜填土(-0.10～-1.0m)；黃土狀輕亞粘土((-1.0～-9.5m)，具大孔隙及溼陷性，-9.5m以下為砂卵石層，地下水位在-7.0～-7.5m處，-6.0m以下為飽和狀黃土，建築物持力層為II級自重性溼陷黃土層。
該建築物為四層磚混結構，各層都設有圈梁，地梁下為條形鋼筋混凝土基礎，寬度1.0—1.8m不等，埋深-1.80m。此家屬樓1977年建成，由於住宅樓本身位於低凹地帶，降雨排洩不暢，散水又受到人為破壞，個別住戶私自在樓房附近開挖菜窯，均導致雨水和生活用水進入地基土層中，引起該樓西一單元下沉變形，牆體多處開裂，最大裂縫寬度為20—30mm，局部樓板也發生了錯位現象。直到發明人接手該項工程時該樓仍處於緩慢地不均勻下沉之中。1993年，對此家屬樓西一單元的地基採用了NHC矽化法進行加固處理，施工期間和施工結束後，通過動態觀測，現場挖探取樣，室內試驗分析，以及動力觸探測試證明加固效果良好，已達到了穩定建築物之目的。
該工程的加固範圍為建築物基礎外緣線向外擴大0.6米，即距外牆面1.2m的平面範圍內，從基礎底面向下進行6.0米深的連片整體NHC矽化灌漿加固，並且在注漿孔的外緣做一排或二排衝擊擠密灰土樁，形成一道密實的土牆，將其中的裂縫和孔穴堵死，以保證灌注的漿液不發生水平方向跑漿。注漿時，每注漿孔分三層注入混合液漿，每層厚度為2.0m，使6.0m厚的範圍內全部矽化。
注漿參數注漿壓力0.15—0.20km/cm2水玻璃比重 1.12—1.13NHC濃度 2.67—3.0％水玻璃/NHC(體積比)1∶1工藝流程為將NS液和NHC液在泵內混合後順次注入分漿器經注漿管、花管注入地基土層。


圖1為本發明的工藝流程圖。
加固效果加固土體的顯陷性消失δa＜0.015，均在0.0002—0.001之間，園柱體加固土試樣的無側限抗壓強度由原來的39kPa提高到117.6kPa，從動態觀測的結果來看，建築物的沉降速率由進點初期的0.87mm/天，到工程完工時僅為0.04mm/天，後又經過近一年(元月至11月)的觀測，最大累計下沉量僅為0.3mm。這表明該樓已基本超於穩定狀態，同時CO2矽化法相比較，NHC矽化加固法具有施工工藝簡單，施工進度快等優點外，最主要的優點是降低了工程造價，節約了主劑水玻璃的用量，該工點中使用此配方節約了40％左右的水玻璃，降低工程造價30％以上。
實施例2深圳人民銀行大廈地下室防水堵漏工程深圳人行大樓於1989年7月建於蔡屋圍老圍村內，位於蔡層圍大酒店西測。該大樓座落在人工回填土的積水澇池上。地層自上而下為雜填土——亞粘土——礫質粘性土——燕山期侵入花崗巖，首層地面海拔高度6.50米，-2層底面海拔高程為-1.86米，地下水水位在-6.0米左右，屬礫質粘土中的潛伏水。大樓室外地坪較周圍場地低，由地表水下滲匯積造成的土壤上層滯水在地表下0.8米—1.9米處，滲透係數為0.63米/晝夜。建築物原東面和北面自地表到金庫頂板以上末採取防水措施，且在金庫頂板以上為1.3米厚的雜填土層，所以上層滯水是造成建築物地下室漏水的主要原因。採用本發明NHC矽化加固法處理整個工程共設計注漿孔320個，使用水玻璃原漿96T，NHC添加劑8T，工程完工後通過現場挖探檢查，發現漿液分布均勻，大部分肉眼可見。在此後的幾個月裡(5—8月)深圳連降暴雨的情況下，經受了實踐的考驗，這表明NHC矽化法其防水性能完全可以達到防水堵漏的要求，從而保證了建築物的正常使用，該項防水堵漏工程被評為「優質工程」。
本法採用動力觸探檢查NHC矽化加固地基土的效果NHC矽化加固地基土屬地下隱蔽工程，加固後的質量不能直觀，需用間接地現場取樣送試驗室進行室內試驗的方法來檢查。目前常用的檢查地基加固效果的方法有建築物沉降、傾斜觀測法(間接)，物理探測法；現場勘探、取樣法；現場透水試驗，載荷試驗等，測得加固土層的物理——力學指標。但這些方法對於大面積的整體連片的矽化處理的地基來說，由於其測點少，人為因素多，速度慢，又費力費時，而又不能全面的評估加固體的質量。為了彌補上述缺陷，發明人使用動力觸探技術對我們承擔的矽化加固地基土工程的質量進行檢測。
(一)試驗用動力觸探儀及各參數試驗用動力觸探儀及各參數
二)試驗場地1、先在NHC矽化法的現場試驗場地內進行；2、後在蘭州第三毛紡廠7#住宅樓實際應用NHC矽化加固工程中進行。
用動力觸探法檢查加固前後地基的試驗；在現場(試驗場地內進行了16組，實際工程場地內進行了8組)共進行了24組，其中末加固土4組，加固土20組試驗結果末加固土的平均錘擊次數僅為1.0左右，最少僅有0.5擊，最大也不過為1.5擊左右；而用NHC矽化法加固以後的土，平均錘擊次數為6.5擊左右，最少也有4擊，最大達到近20擊左右。從對應取樣測得的物理力學指標來看，末加固土的無測限抗壓強度僅有37kPa左右，注漿後，實際工程中的加固土的無側限抗壓強度平均為120kPa左右，強度提高了三倍以上，完全滿足加固工程的需求。說明用NHC矽化法加固既有建築物下溼陷性黃土地基是可行的。
通過試驗證明動力觸探測試技術用於溼陷性黃土地區，是一種直接在現場定量估算地基土加固前後無測限抗壓強度指標變化情況的較好方法，可以近似地推算出加固前後的地基承載能力，可不必再進行現場取樣，送實驗室進行實內測定土的力學指標的試驗程序。是一種現場測試較直觀監測加固效果，簡捷快速有效的方法。施工中能迅速查明加固上層在水平方向、垂直方向上的均勻性，利於保證加固質量和對地基處理效果的全面評價。
本發明加固顯陷性黃土地基具有如下優點1、溼陷性消失δs＝0.0002～0.001，均＜0.015；2、無側限抗壓強度明顯提高，由39kPa上升到117.6kPa；滲透係數降低，還可用於防水堵漏工程中。
3、隨著加固工程的結束，建築物下沉終止；4、簡化了施工工藝，加快了施工進度；(施工期僅為水玻璃＋CO2的1/3)；5、材料少，造價低，與現行CO2＋水玻璃方法相比可節省費用30％以上。
綜上所述本發明NHC矽化法處理溼陷性黃土地基，不僅可以消除地基土層中的溼陷性，改善力學性質，提高地基土的承載力，而且簡化了施工工藝，提高了工程進度。與CO2＋水玻璃矽化加固法相比可節約水玻璃40％左右，降低工程造價30％以上，社會和經濟效益十分明顯。
同時，NHC矽化加固法不但可以應用於加固既有建築物地基土，而且可以用在新建建築物的地基處理上，完全可以滿足工程多方面的需求，如防水、防滲、地基補強、加固等。
權利要求
1.一種矽化加固溼陷性黃土地基的方法，其特徵在於採用水玻璃為主料，碳酸氫氨為促凝劑配製注漿液；按工程設計要求，將按注漿參數配好的水玻璃溶液和碳酸氫氨溶液同時注入注漿泵，通過注漿泵混合後依次通過分離器、注漿管、花管進入待加固的地基土中，快速膠凝補強、加固地基。
2.如權利要求1所述的矽化加固地基法，其特徵在於其最佳注漿參數如下注漿壓力0.15—0.20kg/cm2水玻璃比重1.12—1.13碳酸氫氨濃度2.67—3.0％水玻璃體積用量∶碳酸氫氨體積用量＝1∶1
3.一種檢查矽化加固溼陷性黃土地基加固效果的方法，其特徵在於採用動力觸探測試技術通過直接在現場選取有代表性的點，測出這些點能經受專用錘擊的次數後定量估算地基土加固前後無側限抗壓強度指標的變化情況來檢查地基加固效果。
4.如權利要求3所述的檢查地基加固效果的方法，其特徵在於試驗選用的動力觸探儀為重型，其·能量參數重錘質量為63.5kg，落距為76cm；·探頭規格直徑為74mm，錘角為60°，截面積為43cm2；·探杆外徑42—50mm，能量指數為10.9J/cm全文摘要
本發明公開了一種採用水玻璃為主料，添加碳酸氫氨為促凝劑來加固溼陷性黃土地基的方法。該法最佳注漿參數注漿壓力0.15-0.20kg/cm水玻璃比重1.12-1.13碳酸氫氨濃度2.67-3.0％水玻璃體積用量碳酸氫氨體積用量＝1∶1本法同CO
文檔編號C04B28/26GK1120574SQ9510779
公開日1996年4月17日 申請日期1995年7月28日 優先權日1995年7月28日
發明者尚繼紅, 裴章勤, 馬周全, 梁錦龍 申請人:鐵道部科學研究院西北分院