專利名稱：一種硅化加固濕陷性黃土地基的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用水玻璃(Na2O*nSiO2)為主料，添加碳酸氫氨(NH4HCO3)作為促凝劑來加固濕陷性黃土地基的方法，屬于土木工程領(lǐng)域地基加固技術(shù)。
化學(xué)灌漿法中的以水玻璃為主凝劑的硅化法是消除地基病害應(yīng)用廣泛而可行的辦法。該法主料水玻璃價廉、無毒，采用的施工機(jī)械與施工工藝簡單，特別是不要求停止建筑物的正常使用更具有實用性。
目前比較先進(jìn)的硅化加固法是“水玻璃+CO2”硅化加固法，用其處理既有建筑物下濕陷性黃土地基，完全能起到消除被加固土的濕陷性，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”硅化法的施工程序是先向地基土中注入CO2氣體，然后注入水玻璃漿液，最后再注入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(fā)生濕陷變形的地基，均會產(chǎn)生大量的縫隙或裂隙，當(dāng)對其進(jìn)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，后注入的水玻璃和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(jié)冰，需采取各種措施來化冰，造成停工窩工現(xiàn)象，直接影響施工進(jìn)度。
目前“水玻璃+CO2”硅化加固法所用主材料水玻璃的價格不斷上漲，CO2的生產(chǎn)廠家也較少，一般又遠(yuǎn)離使用現(xiàn)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(fā)明的目的是提供一種這樣的硅化加固法其在施工造價、施工進(jìn)度、加固效果方面均優(yōu)于CO2硅化加固法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是仍以水玻璃(下面簡單NS)為主料，NH4HCO3(下面簡稱NHC)為促凝劑配制本發(fā)明用的注漿液。通過對NS和NHC用量比的調(diào)節(jié)，可以有效地控制其凝膠時間和膠凝體強(qiáng)度，保證優(yōu)質(zhì)、明顯的加固效果。由于NHC比CO2貯運方便，易于購得，施工方便，故因CO2硅化加固法CO2造成的減弱地基加固效果，窩工影響施地進(jìn)度以及工程造價增長的問題均能得到解決。
本發(fā)明的具體作法是采用在灌注按設(shè)計要求配制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(jīng)過分漿器、注漿管進(jìn)入地基土中產(chǎn)生反應(yīng)，快速膠凝，以起到強(qiáng)化地基的作用。加固原理如下NHC—水玻璃兩種材料混合后的化學(xué)反應(yīng)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(tài)吸附綜合體(ΠK)上的Ca和水玻璃漿液中的鈉之間發(fā)生了瞬時交換反應(yīng)，如2式所示。 在水玻璃漿液的強(qiáng)堿性介質(zhì)中，從吸附綜合體上析出的鈣形成不溶解的固態(tài)Ca(OH)2具有極大的表面積，并吸附著硅酸聚合陰離子。黃土中析出的鈣離子與水玻璃的相互作用如(2)式所示，結(jié)果生成了具有微細(xì)層理的硬化石灰——硅石生成物。這種生成物使加固黃土具有足夠的堅固性，可達(dá)到地基補(bǔ)強(qiáng)，穩(wěn)定建筑物之目的。
從上述2個反應(yīng)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(yīng)的水玻璃漿液，由于縮聚作用產(chǎn)生硅酸凝膠薄膜。這種凝膠雖然對于提高加固土強(qiáng)度的影響不大，但它仍可起到保護(hù)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(fā)明選用NH4HCO3——水玻璃混合漿液，主要是根據(jù)實際建筑物所發(fā)生地基病害的需求，人為地控制其凝膠時間和膠凝體強(qiáng)度，達(dá)到預(yù)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(huán)境和施工期當(dāng)?shù)氐臏囟鹊?。同時，需進(jìn)行硅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。比如對濕陷性黃土地區(qū)既有建筑物下的地基加固來說，必須嚴(yán)格控制其附加下沉量，對凝膠時間的要求是很嚴(yán)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(fā)明即HNC硅化加固法的最佳注漿參數(shù)，發(fā)明人配制了10種不同配比NHC水玻璃漿液，性能結(jié)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(jié)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筑地基加固而言是求之不得的。但是，在具體工程的現(xiàn)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，特別是既有建筑物病害地基，勢必要產(chǎn)生較大的附加下沉，使得已變形的建筑物，由于選用了此類配方進(jìn)行處理后，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并在泵內(nèi)混合時，其進(jìn)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(shù)。
為驗證6#配方的可靠性，以6#配方的各項參數(shù)作為依據(jù)，進(jìn)行了下述各種試驗表二
土樣壓漿加固前后物理——力學(xué)生質(zhì)變化表表三
從表二反復(fù)的配比試驗中可以看出，結(jié)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(jié)果如上表三土樣注漿前、后的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)變化一覽表。
運用反復(fù)驗證了的6#配方(表二所示)的一種配合比進(jìn)行室內(nèi)灌注土柱試驗。用于試灌的土樣，是從甘肅榆中縣試驗點取回的土樣。
從表三結(jié)果證明了按照篩選后的配方進(jìn)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(dá)263％，最小為60％，這一點對既有建筑物的地基加固處理是不利的因素，但強(qiáng)度明顯地提高。綜合起來分析，盡管因含水量變大，可能產(chǎn)生附加沉降，但由于控制了水玻璃的濃度和漿液的配合比，使?jié){液進(jìn)入土中固結(jié)的速度大于黃土濕陷的速率，濕陷變形可以得到有效的控制，從而滿足加固既有建筑物的安全要求土樣壓入漿液后滲透系數(shù)變小，濕陷性消失，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也明顯提高。
·現(xiàn)場注漿試驗現(xiàn)場選在蘭州三毛廠生活區(qū)7#家屬住宅樓北測(距建筑物10余米)的一個小花園內(nèi)。該處位于黃河南岸二級階地上，系II級濕陷性黃土質(zhì)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(shù)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(jìn)行，自下而上。每一層注漿量700升，注漿后三個星期開挖檢查，發(fā)現(xiàn)漿體分布比較均勻，室內(nèi)物理力學(xué)性能指標(biāo)如表四所示現(xiàn)場注漿前后土體的物理力學(xué)指標(biāo) 表四
試驗結(jié)果顯示自重濕陷系數(shù)為0.0003—0.0004，濕陷系數(shù)為0.0003—0.0004，濕陷性消失，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為173kPa，提高了約四倍，滲透系數(shù)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硅化加固處理工程蘭州第三毛紡廠7#住宅樓位于現(xiàn)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)，具大孔隙及濕陷性，-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，建筑物持力層為II級自重性濕陷黃土層。
該建筑物為四層磚混結(jié)構(gòu)，各層都設(shè)有圈梁，地梁下為條形鋼筋混凝土基礎(chǔ)，寬度1.0—1.8m不等，埋深-1.80m。此家屬樓1977年建成，由于住宅樓本身位于低凹地帶，降雨排泄不暢，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(dǎo)致雨水和生活用水進(jìn)入地基土層中，引起該樓西一單元下沉變形，墻體多處開裂，最大裂縫寬度為20—30mm，局部樓板也發(fā)生了錯位現(xiàn)象。直到發(fā)明人接手該項工程時該樓仍處于緩慢地不均勻下沉之中。1993年，對此家屬樓西一單元的地基采用了NHC硅化法進(jìn)行加固處理，施工期間和施工結(jié)束后，通過動態(tài)觀測，現(xiàn)場挖探取樣，室內(nèi)試驗分析，以及動力觸探測試證明加固效果良好，已達(dá)到了穩(wěn)定建筑物之目的。
該工程的加固范圍為建筑物基礎(chǔ)外緣線向外擴(kuò)大0.6米，即距外墻面1.2m的平面范圍內(nèi)，從基礎(chǔ)底面向下進(jìn)行6.0米深的連片整體NHC硅化灌漿加固，并且在注漿孔的外緣做一排或二排沖擊擠密灰土樁，形成一道密實的土墻，將其中的裂縫和孔穴堵死，以保證灌注的漿液不發(fā)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厚的范圍內(nèi)全部硅化。
注漿參數(shù)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(nèi)混合后順次注入分漿器經(jīng)注漿管、花管注入地基土層。


圖1為本發(fā)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(cè)限抗壓強(qiáng)度由原來的39kPa提高到117.6kPa，從動態(tài)觀測的結(jié)果來看，建筑物的沉降速率由進(jìn)點初期的0.87mm/天，到工程完工時僅為0.04mm/天，后又經(jīng)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于穩(wěn)定狀態(tài)，同時CO2硅化法相比較，NHC硅化加固法具有施工工藝簡單，施工進(jìn)度快等優(yōu)點外，最主要的優(yōu)點是降低了工程造價，節(jié)約了主劑水玻璃的用量，該工點中使用此配方節(jié)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于1989年7月建于蔡屋圍老圍村內(nèi)，位于蔡層圍大酒店西測。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(zhì)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(zhì)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，滲透系數(shù)為0.63米/晝夜。建筑物原東面和北面自地表到金庫頂板以上末采取防水措施，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筑物地下室漏水的主要原因。采用本發(fā)明NHC硅化加固法處理整個工程共設(shè)計注漿孔320個，使用水玻璃原漿96T，NHC添加劑8T，工程完工后通過現(xiàn)場挖探檢查，發(fā)現(xiàn)漿液分布均勻，大部分肉眼可見。在此后的幾個月里(5—8月)深圳連降暴雨的情況下，經(jīng)受了實踐的考驗，這表明NHC硅化法其防水性能完全可以達(dá)到防水堵漏的要求，從而保證了建筑物的正常使用，該項防水堵漏工程被評為“優(yōu)質(zhì)工程”。
本法采用動力觸探檢查NHC硅化加固地基土的效果NHC硅化加固地基土屬地下隱蔽工程，加固后的質(zhì)量不能直觀，需用間接地現(xiàn)場取樣送試驗室進(jìn)行室內(nèi)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筑物沉降、傾斜觀測法(間接)，物理探測法；現(xiàn)場勘探、取樣法；現(xiàn)場透水試驗，載荷試驗等，測得加固土層的物理——力學(xué)指標(biāo)。但這些方法對于大面積的整體連片的硅化處理的地基來說，由于其測點少，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(zhì)量。為了彌補(bǔ)上述缺陷，發(fā)明人使用動力觸探技術(shù)對我們承擔(dān)的硅化加固地基土工程的質(zhì)量進(jìn)行檢測。
(一)試驗用動力觸探儀及各參數(shù)試驗用動力觸探儀及各參數(shù)
二)試驗場地1、先在NHC硅化法的現(xiàn)場試驗場地內(nèi)進(jìn)行；2、后在蘭州第三毛紡廠7#住宅樓實際應(yīng)用NHC硅化加固工程中進(jìn)行。
用動力觸探法檢查加固前后地基的試驗；在現(xiàn)場(試驗場地內(nèi)進(jìn)行了16組，實際工程場地內(nèi)進(jìn)行了8組)共進(jìn)行了24組，其中末加固土4組，加固土20組試驗結(jié)果末加固土的平均錘擊次數(shù)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硅化法加固以后的土，平均錘擊次數(shù)為6.5擊左右，最少也有4擊，最大達(dá)到近20擊左右。從對應(yīng)取樣測得的物理力學(xué)指標(biāo)來看，末加固土的無測限抗壓強(qiáng)度僅有37kPa左右，注漿后，實際工程中的加固土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均為120kPa左右，強(qiáng)度提高了三倍以上，完全滿足加固工程的需求。說明用NHC硅化法加固既有建筑物下濕陷性黃土地基是可行的。
通過試驗證明動力觸探測試技術(shù)用于濕陷性黃土地區(qū)，是一種直接在現(xiàn)場定量估算地基土加固前后無測限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)變化情況的較好方法，可以近似地推算出加固前后的地基承載能力，可不必再進(jìn)行現(xiàn)場取樣，送實驗室進(jìn)行實內(nèi)測定土的力學(xué)指標(biāo)的試驗程序。是一種現(xiàn)場測試較直觀監(jiān)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，利于保證加固質(zhì)量和對地基處理效果的全面評價。
本發(fā)明加固顯陷性黃土地基具有如下優(yōu)點1、濕陷性消失δs＝0.0002～0.001，均＜0.015；2、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯提高，由39kPa上升到117.6kPa；滲透系數(shù)降低，還可用于防水堵漏工程中。
3、隨著加固工程的結(jié)束，建筑物下沉終止；4、簡化了施工工藝，加快了施工進(jìn)度；(施工期僅為水玻璃＋CO2的1/3)；5、材料少，造價低，與現(xiàn)行CO2＋水玻璃方法相比可節(jié)省費用30％以上。
綜上所述本發(fā)明NHC硅化法處理濕陷性黃土地基，不僅可以消除地基土層中的濕陷性，改善力學(xué)性質(zhì)，提高地基土的承載力，而且簡化了施工工藝，提高了工程進(jìn)度。與CO2＋水玻璃硅化加固法相比可節(jié)約水玻璃40％左右，降低工程造價30％以上，社會和經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。
同時，NHC硅化加固法不但可以應(yīng)用于加固既有建筑物地基土，而且可以用在新建建筑物的地基處理上，完全可以滿足工程多方面的需求，如防水、防滲、地基補(bǔ)強(qiáng)、加固等。
權(quán)利要求
1.一種硅化加固濕陷性黃土地基的方法，其特征在于采用水玻璃為主料，碳酸氫氨為促凝劑配制注漿液；按工程設(shè)計要求，將按注漿參數(shù)配好的水玻璃溶液和碳酸氫氨溶液同時注入注漿泵，通過注漿泵混合后依次通過分離器、注漿管、花管進(jìn)入待加固的地基土中，快速膠凝補(bǔ)強(qiáng)、加固地基。
2.如權(quán)利要求1所述的硅化加固地基法，其特征在于其最佳注漿參數(shù)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
3.一種檢查硅化加固濕陷性黃土地基加固效果的方法，其特征在于采用動力觸探測試技術(shù)通過直接在現(xiàn)場選取有代表性的點，測出這些點能經(jīng)受專用錘擊的次數(shù)后定量估算地基土加固前后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)的變化情況來檢查地基加固效果。
4.如權(quán)利要求3所述的檢查地基加固效果的方法，其特征在于試驗選用的動力觸探儀為重型，其·能量參數(shù)重錘質(zhì)量為63.5kg，落距為76cm；·探頭規(guī)格直徑為74mm，錘角為60°，截面積為43cm2；·探桿外徑42—50mm，能量指數(shù)為10.9J/cm全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用水玻璃為主料，添加碳酸氫氨為促凝劑來加固濕陷性黃土地基的方法。該法最佳注漿參數(shù)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(yōu)先權(quán)日1995年7月28日
發(fā)明者尚繼紅, 裴章勤, 馬周全, 梁錦龍 申請人:鐵道部科學(xué)研究院西北分院