可控壓密灌漿加固地基材料的試驗研究

閆雙斌，隆 威，王祖平

（中南大學地球科學與信息物理學院，長沙 410083）

可控壓密灌漿加固地基材料的試驗研究

閆雙斌，隆 威，王祖平

（中南大學地球科學與信息物理學院，長沙 410083）

通過對可控壓密灌漿工藝的技術特點分析，開展灌漿材料的室內試驗研究。首先，根據灌漿工藝對漿液的要求確定漿液類型，并在此基礎上選取試驗原材料；然后，分別探討各影響因素對漿液的性能影響，進而得到各組分適宜的取值范圍；最后，采用正交試驗得到一種適用于可控壓密灌漿工藝的最優配方：水灰比0.6，水泥用量為固體質量的88%，膨潤土用量為固體質量的12%，減水劑用量為水泥質量的0.5%，水玻璃用量為水泥質量的4%。

可控壓密灌漿；地基處理；灌漿材料

1 可控壓密灌漿簡介

可控壓密灌漿是利用特殊的高壓、低流量灌漿設備，在較大的泵壓下，將高粘度、極濃稠、低流動性的砂漿或膏漿經灌漿管按設計要求壓入加固區域的地基土中，隨著灌漿壓力的增大，漿泡逐漸向外擴散擠壓周圍土體，沿樁身周圍形成一定徑向厚度的壓密土體，從而形成一新型樁基礎或復合地基。

壓密灌漿是用特制的高壓泵將極稠的低流動性的漿液注入到預定土層的灌漿工藝［1］。一般灌漿技術所使用的漿液均是稀漿或流動性很好的漿液，而可控壓密灌漿法所使用的漿液是一種具有高粘稠度、低流動性的漿液。由于壓密灌漿所采用的漿液流動性差，只有在一定的壓力下才會流動，一旦壓力停止，漿液也就隨之停止流動，在灌漿過程中，漿液的擴散范圍也可以人為控制，漿液不會滲透、劈裂擴散進入周圍土體中而造成材料的浪費。可準確地在建筑物下預定部位，靠漿液的置換形成固結體，同時壓密周圍土層，達到地基加固的目的。

本文根據壓密灌漿工藝對漿材的性能要求，開展漿液的室內研究工作，通過大量的試驗得出符合壓密灌漿施工要求的新型漿材。

2 可控壓密灌漿材料

通過對各種灌漿材料的分析可知，在普通水泥漿中摻入大量的黏土、膨潤土、粉煤灰等摻合料及少量外加劑，即可得到具有高粘度、低流動性、較大剪切屈服強度等特性的膏狀漿液［2］。但是，在水泥漿中加入摻合料過多時，漿液會過于粘稠，不利于泵送，且其固結體強度會大大下降；而加入的摻合料過少時，漿液的粘稠度又達不到施工的要求。另外，若僅僅通過在水泥漿內加入普通的摻合料，漿液的凝結時間太長，在有地下水的情況下極可能會被水沖散。

膨潤土是以蒙脫石為主的含水黏土，具有膨脹性、粘結性、吸附性、催化性、觸變性、懸浮性以及陽離子交換性等特殊的性質。它能吸附相當于自身體積8～20倍的水而膨脹至30倍，在水介質中能分散呈膠體懸浮液。膨潤土加入水泥漿中后，二者可發生正負電荷反應，并由于膨潤土的強大吸水性及懸浮性，大大提高了漿液的穩定性、粘稠度，甚至可使漿液成為膏狀。但是，膨潤土的加入也影響了水泥的水化反應，延長了漿液的凝結時間［3］。因此，需在普通的膏漿內加入促凝劑，可有效縮短漿液的初、終凝時間，使漿液在很短的時間即可凝結并具有一定的強度，防止被水沖散。

水玻璃是一種較常用、來源廣的促凝劑，加入水泥粘土漿液中可與其中的氫氧化鈣反應，生成水化硅酸鈣膠凝體，由于水玻璃消耗了漿液中的氫氧化鈣，使漿液中的氫氧化鈣含量未達到飽和，從而加快了水泥中硅酸二鈣和硅酸三鈣的水化作用，宏觀上表現出水泥漿液的凝結時間加快，結石體早期強度增長［4］。

3 試驗設計

為了解組成漿液的各組分對漿液性能的影響規律，進而確定各組分的適宜摻量，在試驗時，我們采用SC－145型砂漿稠度儀測定漿液的稠度。首先將各組分取常規摻量制漿，然后固定其他組分不變，調節單一變量，以了解該變量的影響規律。同理，可得出其他組分對漿液性能的影響規律，最后可根據漿液的性能要求得到各組分的適宜摻量范圍。

在各組分摻量已知的情況下，最后采用正交試驗設計，得到漿液的最優配比。

在地基處理工程中，原則上是漿液結石體的強度越高越好，這樣地基的加固效果越好，結石體的強度太低達不到地基處理的承載力要求；然而，若結石體的強度太高，遠遠超過地基加固的強度要求，這樣反而會造成材料的浪費。根據經驗，在配制漿液的可變因素之中，水固比是漿液結石體強度的最大影響因素。

4 試驗結果及分析

4.1 水灰比對漿液的性能影響

固定漿液中水泥摻量94%，膨潤土摻量為6%，水玻璃摻量為2%，減水劑摻量為0.5%（水泥、膨潤土摻量均為占固體總質量的百分比，其他組分摻量為占水泥質量百分比，水灰比是水與水泥和膨潤土質量和之比，下同）。分別采用水灰比為0.4，0.5，0.6，0.7和0.8時測試漿液的各項性能，其結果見表1。

在其他組分一定的情況下，水灰比對漿液的各項性能影響均較大。水灰比與漿液的凝結時間、流動性、稠度值等性能成正比變化，而與漿液結石體強度成反比。施工要求漿液要具有高粘稠度、低流動性、凝結時間短和強度高。從漿液水灰比方面考慮，水灰比越小越好，但對于本試驗，我們為了達到更好的可控效果，且漿液的抗壓強度達到10 MPa即可滿足施工要求，因此確定水灰比取0.6～0.8為宜。

4.2 膨潤土摻量對漿液的性能影響

固定漿液中水灰比為0.5，水泥摻量100%～85%，水玻璃摻量為2%，減水劑摻量為0.5%。分別采用膨潤土為0，3%，6%，9%，12%和15%時測試漿液的各項性能，其結果見表2。

從表2可以看出，膨潤土摻量的變化對漿液的流動性及稠度影響較為明顯，對漿液的其他性能影響不是很明顯。膨潤土摻量較少時，漿液的粘稠度達不到施工要求；若膨潤土摻量過多，漿液過于粘稠，一者不利于攪拌，再者不利于泵送；此外，膨潤土用量增加時，漿液的流動度經時損失較明顯，不利于現場施工。故膨潤土摻量取6%～12%為宜。

4.3 水玻璃摻量對漿液的性能影響

固定漿液中水灰比為0.5，水泥摻量94%，膨潤土摻量為6%，減水劑摻量為0.5%。分別采用水玻璃為1%，2%，3%，4%，5%，6%，8%和10%時測試漿液的各項性能，其結果見表3。

表1 不同水灰比對漿液性能的影響Table1 Effect of water-cement ratios on the performance of slurry

表2 不同膨潤土摻量對漿液性能的影響Table2 Effect of bentonite contents on the performance of slurry

表3 不同水玻璃摻量對漿液性能的影響Table3 Effect of water glass contents on the performance of slurry

水玻璃主要影響漿液的凝結時間、流動性和稠度。由于水玻璃是作為促凝劑使用的，因此我們只考慮其對漿液凝結時間的影響規律。由表3可以看出，在水玻璃用量為5%時其促凝效果最好，綜合考慮促凝效果和經濟因素，水玻璃用量取3%～5%為宜。

4.4 減水劑摻量對漿液的性能影響

固定漿液中水灰比為0.5，水泥摻量94%，膨潤土摻量為6%，水玻璃摻量為2%。分別采用減水劑為0.3%，0.5%，0.7%，0.9%，1.2%，1.5%時測試漿液的各項性能，其結果見表4。

減水劑用于調節漿液的和易性和流動性，對漿液的其他性能并無明顯影響。為此，減水劑用量不宜過大，以0.3%～0.7%為宜。

5 正交試驗設計及漿液最優化配方

為了得到漿液的最優配比，在各變化因子已知的情況下進行正交試驗，把所考察的每一因子任意地對應于正交表的一列（一個因子對應一列，不能讓2個因子對應同一列），然后把每列的數字“翻譯”成所對應因子的水平。這樣，每一行的各水平組合就構成了一個試驗條件（不考慮沒安排因子的列）。

對于該試驗，我們把漿液的水固比（A）、黏土用量（B）、水玻璃用量（C）、減水劑用量（D）視為可變因子，并將因子A，B，C，D都安排為3水平，因此試驗次數要不少于3×（3－1）＋1＝7（次）。可考慮選用L9（34）正交試驗表。因子A，B，C，D可任意地對應于L9（34）的某4列，例如A，B，C，D分別放在l，2，3，4列，然后試驗按行進行，順序不限，每一行中各因素的水平組合就是每一次的試驗條件，從上到下就是這個正交試驗的方案（見表5）。

表5 正交試驗安排表Table5 Schedule of orthogonal tests

根據極差分析，流動度的最優組合是A1B3C1D2；28 d抗折強度的最優組合是A1B3C2D1；28 d抗壓強度的最優組合是A1B3C2D1；稠度的最優組合為A1B3C2D3。綜合考慮流動度、28 d抗折抗壓強度、稠度，確定灌漿材料各組分的參考摻量推薦值是：水灰比為A1（0.6），膨潤土用量為B3（12%），水玻璃用量為C2（4%），減水劑用量為D2（0.5%）。

最優化配方灌漿材料各項性能如表6所示。

表4 不同減水劑摻量對漿液性能的影響Table4 Effect of superp lasticizer contents on the performance of slurry

表6 優化配方灌漿材料各項性能Table6 Properties of optim ized groutingmaterial

6 結 論

（1）漿液的水灰比是影響漿液性能的最主要因素。試驗中發現，當水灰比變化幅度為0.1時，漿液的流動性、凝結時間、稠度及結石體強度均大幅度變化。且水灰比太大時，漿液的性能相對難以滿足可控壓密灌漿的施工要求。

（2）膨潤土作為增稠及穩定材料，在較少的摻量時，主要影響漿液的流動性能和稠度，而對漿液的凝結時間和結石體強度等沒有較明顯影響。且摻加膨潤土后，漿液的穩定性大大提高，結石率也較高。

（3）水玻璃主要影響漿液的凝結時間，由于水玻璃與水泥發生作用生成凝膠體，從而也導致漿液的流動性變差，粘稠度增加。水玻璃摻量增加時，漿液結石體的強度會有所降低。

（4）適量摻高效減水劑，在相同流動度和水灰比下，可減小用水量，節約水泥，降低成本；適量摻加高效減水劑，在相同水泥用量下，可減小水灰比，可達到同樣流動度，提高固結體強度，關鍵是工程目的和摻量適當。

（5）通過正交設計試驗方法，以漿液的流動度、稠度、抗折和抗壓強度作為評價指標，得出了漿液的優化配方。漿液配比為：水灰比為0.6；水泥用量為固體質量的88%；膨潤土用量為固體質量的12%；減水劑用量為水泥質量的0.5%；水玻璃用量為水泥質量的4%。

（6）漿液配方及性能是在室內試驗基礎上得出的，在現場應用時，應根據不同環境和條件予以修正。

［1］ 林師美.壓密注漿的應用［J］.科學之友，2009，（24）：22－23.（LIN Shi-mei.Application of Pours Thick Liquid［J］.Friends of Science Amateurs，2009，（24）：22－23.（in Chinese））

［2］ 趙衛全，符 平，張金接，等.新型水泥膏漿研究及應用［J］.中國水利水電科學研究院學報，2008，6（1）：19－22.（ZHAOWei-quan，FU Ping，ZHANG Jin-jie，et al.Study and Application of a New Type of Cement Paste［J］.Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research，2008，6（1）：19－22.（in Chinese））

［3］ 巖土注漿理論與工程實例協作組.巖土注漿理論與工程實例［M］.北京：科學出版社，2001：24－25.（The Research Team of Grouting Theories and Case Histories.The Grouting Theories and Case Histories［M］.Beijing：Science Press，2001：24－25.（in Chinese））

［4］ 王星華.粘土固化漿液在地下工程中的應用［M］.北京：中國鐵道出版社，1997：80－81.（WANG Xinghua.Clay-Solidified Slurry in Underground Engineering［M］.Beijing：China Railway Publishing House，1997：80－81.（in Chinese） ）

（編輯：周曉雁）

Foundation Reinforcement by Controlled Com paction Grouting Technique

YAN Shuang-bin，LONGWei，WANG Zu-ping
（School of Geosciences and Info-Physics，Central South University，Changsha 410083，China）

Indoor tests on grouting materials were carried out through controlled compaction grouting technique.Type of the slurry was firstly determined in line with the requirements of grouting process，upon which the test raw materials were selected.Then，the influence of each factor on the performance of the slurrywere investigated before obtaining the appropriate range of each component of the slurry.Finally，through orthogonal test，an optimum formula for the controlled compaction groutingwas obtained as follows：water-cement ratio is0.6；cement accounts for 88%of the solid，and bentonite accounts for 12%of the solid；superplasticizer accounts for 0.5%of the cement，and water glass accounts for 4%of the cement.

controlled compaction grouting；foundation treatment；groutingmaterial

P642

A

1001－5485（2012）09－0082－04

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.09.019

2012－03－02；

2012－04－06

閆雙斌（1987－），男，河北故城人，碩士研究生，主要從事地質工程專業巖土工程方面的研究，（電話）13875836325（電子信箱）yanysb＠126.com。