硅化法加固濕陷性黃土地基的研究

賈 宏 錚

(陽(yáng)泉市建工集團(tuán)總公司，山西 陽(yáng)泉　045000)

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硅化法加固濕陷性黃土地基的研究

賈 宏 錚

(陽(yáng)泉市建工集團(tuán)總公司，山西 陽(yáng)泉045000)

摘要：通過(guò)試驗(yàn)，分析了雙液硅化法、單液硅化法、混合液硅化法、電動(dòng)硅化法及加氣硅化法的反應(yīng)原理，研究了漿液成分對(duì)固化后黃土抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，探討了硅化法加固黃土地基的機(jī)理和效果，以供參考。

關(guān)鍵詞：硅化法，黃土，地基，抗壓強(qiáng)度

在我國(guó)的濕陷性黃土地區(qū)，常用的處理地基的化學(xué)法主要有硅化法和堿液加固法兩種。硅化法由于其工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備價(jià)格便宜，使用性、機(jī)動(dòng)性靈活，技術(shù)方法簡(jiǎn)單，易于掌握和操作，加固后的效果明顯，加固后地基的強(qiáng)度、承載力都有極大的提高，從而從根本上消除黃土的濕陷性，極大地降低黃土的壓縮性，故被廣泛地運(yùn)用于濕陷性黃土地區(qū)，處理黃土地基。由于有多種注入漿液的方法，根據(jù)注入方式的不同，可以將硅化法細(xì)分為壓力硅化、電動(dòng)硅化和加氣硅化三大類(lèi)型，另外采用較多的壓力硅化法，可根據(jù)溶液中成分的不同，又可以分為雙液硅化、壓力單液硅化和壓力混合液硅化三種。近年來(lái)，隨著建筑工程行業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)地基處理提出越來(lái)越多、越來(lái)越高的要求，一些優(yōu)秀的專(zhuān)家和學(xué)者開(kāi)始針對(duì)硅化法進(jìn)行了系統(tǒng)詳細(xì)地研究，改進(jìn)了其原有的缺點(diǎn)和不足，提出了新的方案和技術(shù)，進(jìn)一步支持硅化法加固黃土地基。有學(xué)者提出了新的灌漿材料成分，從而進(jìn)行研究硅化法的加固效果，如殷素紅等通過(guò)添加白云質(zhì)石灰?guī)r粉末到水玻璃溶液中，從而改良出新的灌漿材料，提高了原有灌漿材料的性能，并且研究了新的灌漿材料的反應(yīng)機(jī)理；肖尊群等通過(guò)加入不同質(zhì)量的碳酸鈣到酸性水玻璃漿液中，改善酸性水玻璃漿液的性能，觀察其膠凝所需的時(shí)間、形成膠體本身的強(qiáng)度，以及不同質(zhì)量的碳酸鈣的酸性水玻璃漿液固化砂體后，形成固砂強(qiáng)度的變化規(guī)律，對(duì)酸性水玻璃漿液的應(yīng)用作了探索性的研究。還有學(xué)者研究通過(guò)鑄造技術(shù)來(lái)改進(jìn)漿液固化效果，如朱玉龍等進(jìn)行了溫度改性水玻璃固化砂的強(qiáng)度試驗(yàn)，并對(duì)其加固機(jī)制進(jìn)行了分析。呂擎峰等進(jìn)行了溫度改性水玻璃溶液固化黃土的試驗(yàn)研究，進(jìn)行了化學(xué)組成和礦物成分分析、微觀結(jié)構(gòu)的分析，從而對(duì)溫度改性水玻璃固化黃土的反應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了深入的探討。此外還有學(xué)者研究通過(guò)改進(jìn)施工工法或工藝來(lái)改良硅化法的加固效果，如陳悅?cè)A等在加固進(jìn)出洞口的地基時(shí)采用高壓噴射注漿技術(shù)，并且分析計(jì)算了此工程的進(jìn)出洞地基加固范圍,結(jié)果表明取得了不錯(cuò)的加固效果和加固范圍。化學(xué)注漿法不僅運(yùn)用于濕陷性黃土地基，在許多的土層都可以運(yùn)用到，如楊國(guó)正翻譯了John Hislam的著作，其將化學(xué)注漿法運(yùn)用于沖積土中，提高沖積土的穩(wěn)定性和降低其滲透性；龔文惠等采用電動(dòng)硅化法加固軟粘土地基，并且分析了其微觀和宏觀作用機(jī)理；陳暉將灌漿法運(yùn)用于城市某主干道的地基加固，并且從灌漿法的基本原理、設(shè)計(jì)方案、施工控制、效果評(píng)定等方面闡述灌漿法在具體實(shí)踐工程中的運(yùn)用；黃卜維介紹了將化學(xué)加固法運(yùn)用于公路軟土地基中。工程實(shí)踐中硅化法的運(yùn)用還是有很多不足之處，無(wú)論是單液法還是雙液法。例如采用單液法施工時(shí)，會(huì)有固化反應(yīng)可能不充分，調(diào)節(jié)凝膠時(shí)間不好確定，凝膠強(qiáng)度提升不是很明顯，形成的凝膠穩(wěn)定性較差等等不足，采用雙液法施工過(guò)程中，由于漿液的原因容易導(dǎo)致管路的堵塞，不利于施灌注漿，故注漿的操作技術(shù)會(huì)很大程度地影響其加固效果。本文分析了單液法和雙液法的反應(yīng)原理，并且分析了漿液成分對(duì)固化后的黃土的抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，和固化前后黃土的變形，分析注漿引起黃土的附加沉降。

1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的黃土取自山西呂梁地區(qū)，取土的深度為3 m～4 m，黃土的基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1。

2試驗(yàn)原理

2.1壓力雙液硅化法

雙液是由不同質(zhì)量比水玻璃和氯化鈣組成的混合溶液，通過(guò)泵或壓縮空氣由注漿管將混合溶液壓入土體中，溶液混合后反應(yīng)生成硅膠，同時(shí)溶解土中的可溶性物質(zhì)，把土顆粒膠結(jié)在一起，使土體的強(qiáng)度和不透水性有顯著的提高。在水玻璃溶液中添加氯化鈣的主要作用是加快反應(yīng)，加速硅膠的生成，其反應(yīng)方程式為:

Na2O·nSiO2+CaCl2+mH2O→

nSiO2·(m-1)H2O+Ca(OH)2+2NaCl

2.2壓力單液硅化法

單液即只含有水玻璃的漿液，用壓力將水玻璃漿液壓入土中，但是使用單液的土體必須是含有鹽類(lèi)的土體如黃土，這樣水玻璃才能和土中的鈣鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硅膠，膠結(jié)土顆粒形成強(qiáng)度，起到固化土體的作用，其反應(yīng)式如下：

Na2O·nSiO2+CaSO4+mH2O→

nSiO2·(m-1)H2O+Na2SO4+Ca(OH)2

2.3壓力混合液硅化法

混合液由不同劑量鋁酸鹽溶液和水玻璃溶液混合而成，通過(guò)壓力直接將混合溶液一次性的壓入土中，導(dǎo)致水玻璃與鋁酸鹽在土中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成較多的硅膠和硅酸鋁鹽的凝膠物質(zhì)，同時(shí)溶解土中可溶性物質(zhì)，膠結(jié)土顆粒，使土體膠結(jié)在一起成為一個(gè)整體，從而得到加固和降低土體的滲透性，其反應(yīng)式如下：

3(Na2O·nSiO2)+Na2OAl2O3→

Al(SiO3)3+3(n-1)SiO2+4Na2O

2.4電動(dòng)硅化法

電化學(xué)加固法或電動(dòng)雙液硅化法簡(jiǎn)稱(chēng)為電動(dòng)硅化法，是基于壓力雙液硅化法的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)置陰陽(yáng)電極后通入直流電，利用電滲作用可以將溶液的分布半徑擴(kuò)大，這樣就擴(kuò)大了硅化法的加固半徑，提高了硅化法的加固效果。在施工工程中，可以把帶孔注漿液管作為陽(yáng)極，鐵棒作為陰極，然后把水玻璃和氯化鈣溶液先后通過(guò)作為陽(yáng)極的注漿管壓入土中，接通電流后，就會(huì)導(dǎo)致孔隙水由陽(yáng)極流向陰極，故而化學(xué)溶液也隨水流滲流，分布在土的孔隙中，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)后生成硅膠和硅酸鋁鹽的凝膠物質(zhì)，而且在電滲作用下還可以導(dǎo)致硅膠部分脫水，這樣就加速了硅膠膠結(jié)土體的加固過(guò)程，使土體的強(qiáng)度迅速增加。

水玻璃溶液的基本參數(shù)見(jiàn)表2和表3。

2.5加氣硅化法

加氣硅化法是預(yù)先將少量的二氧化碳(CO2)氣體注入到需要加固的地基中，使土體孔隙中的空氣有一部分被CO2氣體取代，從而就導(dǎo)致土體活化，接著注入水玻璃到含有CO2氣體土體中，然后再次將CO2氣體壓入到土體中，這樣就導(dǎo)致呈堿性的水玻璃溶液極大地吸收了CO2，從而導(dǎo)致形成了自真空作用，反應(yīng)生成的硅膠可以將土中95%～97%的孔隙填充，使得硅膠在土中的膠結(jié)作用達(dá)到最大化，從而使地基得到了充分的加固。其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

Na2SiO3+2CO2+nH2O→SiO2·nH2O+2Na2HCO3

3試驗(yàn)方法

3.1固結(jié)試驗(yàn)

將取回的原狀黃土，經(jīng)過(guò)碾碎、烘干、過(guò)2 mm篩，作為本次試驗(yàn)需要加固的黃土，然后稱(chēng)取一定質(zhì)量的黃土，按照20%的含水量配水拌和均勻，為了平衡土樣中的水氣分布，將拌和后的土體放置于密封塑料袋內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h。隨后土體按照干密度為1.2 g/cm3制備試樣，采用靜壓壓實(shí)法將黃土壓入大環(huán)刀內(nèi)。之后將大環(huán)刀放置于固結(jié)儀上，進(jìn)行排水固結(jié)，記錄土體的變形。

3.2加固試驗(yàn)

待固結(jié)穩(wěn)定后，將預(yù)先準(zhǔn)備的混合漿液，通過(guò)壓力注入到黃土土體中，觀察土體的附加變形及時(shí)間，記錄不同時(shí)間段的變形值。

3.3剪切試驗(yàn)

待加固穩(wěn)定后，分別將加固后的土體和未加固的土體壓入直剪儀，嚴(yán)格按照GB/T 50123—1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，上部壓力為50 kPa，以0.8 mm/min的剪切速度施加剪力，直至剪壞。直剪儀測(cè)力環(huán)系數(shù)C=248 kPa/mm，最后計(jì)算土體的抗剪強(qiáng)度。

3.4抗壓試驗(yàn)

待加固穩(wěn)定后，將土樣做抗壓試驗(yàn)，計(jì)算土體的抗壓強(qiáng)度值。

4試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用雙液硅化法加固的黃土的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到1.0 MPa～5.0 MPa；采用單液硅化法加固的黃土的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到 0.6 MPa～1.0 MPa；采用壓力混合液硅化法加固的黃土的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到1.0 MPa～1.5 MPa；比較加氣硅化法和壓力單液硅化法，加氣硅化法加固的黃土要比壓力單液硅化法加固的黃土的強(qiáng)度高出50%～100%，同時(shí)附加下沉也可以有效地降低，加固后的土體體積要比原來(lái)的黃土增大近1倍，其水穩(wěn)性也可以提高近1倍～2倍，其滲透系數(shù)極大減小，為了達(dá)到同樣的加固效果，采用加氣硅化法可以減少水玻璃的用量約 20%～40%，這樣就可以降低成本約30%。

注漿后的土體的強(qiáng)度極大的提高，其中主要的原因是:1)由于水玻璃與水及土之間的化學(xué)反應(yīng)生成硅膠顆粒和氫氧化鈣，填塞土顆粒間的孔隙，提高了土體強(qiáng)度；2)生成的硅酸凝膠脫水縮聚，使土體由單分子結(jié)構(gòu)變成線性結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)甚至空間結(jié)構(gòu)，從而改善了土的工程性質(zhì)；3)水玻璃在土顆粒之間產(chǎn)生化學(xué)膠結(jié)作用，增強(qiáng)了土粒之間的聯(lián)結(jié)力，從而提高土體強(qiáng)度。由于這些影響，改變了土的結(jié)構(gòu)、土顆粒的位置、膠結(jié)強(qiáng)度，從而改善了土體的力學(xué)特性。

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[9]黃卜維.化學(xué)加固法在公路軟土地基處理中的應(yīng)用.黑龍江交通科技,2011(7):114.

Research on silicification method reinforcement of collapsible loess foundation

Jia Hongzheng

(YangquanConstructionEngineeringGroupCorporation,Yangquan045000,China)

Key words:silicification method, loess, foundation, compression strength

Abstract:Through the experiment, this paper analyzed the reaction principle of double fluid silicification method, single fluid silicification method, mixture fluid silicification method, electric silicification and aerated silicification method, researched the influence law of slurry composition to loess shear strength after reinforcement, discussed the mechanism and effect of silicification method reinforcement of loess foundation, for reference.

文章編號(hào)：1009-6825(2016)14-0074-02

收稿日期：2016-03-05

作者簡(jiǎn)介：賈宏錚(1977- )，男，工程師

中圖分類(lèi)號(hào)：TU475.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A