硅化法加固黃土過程土體抗剪強(qiáng)度和濕陷變形研究

賈 宏 錚

(陽泉市建工集團(tuán)總公司，山西 陽泉 045000)

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硅化法加固黃土過程土體抗剪強(qiáng)度和濕陷變形研究

賈 宏 錚

(陽泉市建工集團(tuán)總公司，山西 陽泉 045000)

為了研究硅化法加固黃土地基的效果及其對黃土濕陷變形的影響，將不同濃度的水玻璃和氯化鈣漿液注入到黃土中，進(jìn)行了直剪試驗(yàn)和固結(jié)試驗(yàn)，通過試驗(yàn)，分析了黃土地基固化后的抗剪強(qiáng)度和濕陷變形情況，從而得到了硅化法加固黃土地基的實(shí)際效果。

硅化法，黃土，抗剪強(qiáng)度，濕陷變形

0 引言

硅化注漿法，簡稱為硅化法，是改變濕陷性黃土地基常用的化學(xué)方法，其原理是將水玻璃(硅酸鈉)和氯化鈣為主要成分的化學(xué)溶液和水泥漿混合，形成混合漿液，然后將混合漿液通過在黃土地基上預(yù)先設(shè)定的注漿孔，緩慢均勻地注入需要加固的濕陷性黃土地基中，混合漿液在注入黃土的過程中，會(huì)與土中的鈣鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成硅膠，填充黃土顆粒之間的空隙，并且固結(jié)周圍的土顆粒，趕走土粒之間空氣，并且發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，生成膠凝物，重新組合土體的結(jié)構(gòu)，將濕陷性黃土中原本松散的土體結(jié)構(gòu)重新膠結(jié)形成一個(gè)密實(shí)的整體，從而讓黃土的抗剪強(qiáng)度增大、滲透性減少、透水性能減少，故而使黃土地基的承載力得到大大地提高，所以能起到加固的作用，但是硅化法加固黃土的過程中會(huì)有水的加入，濕陷性黃土遇水會(huì)發(fā)生較大的變形，所以黃土地基會(huì)有較大的附加沉降，這是在運(yùn)用硅化法加固濕陷性黃土地基需要注意的問題。

程鑒基[1]收集工程實(shí)例數(shù)據(jù)，研究了巖溶發(fā)育區(qū)的地下溶洞病害，然后采用雙液化學(xué)硅化法進(jìn)行地基加固處理，系統(tǒng)的闡述了雙液化學(xué)硅化法的可行性，并且進(jìn)一步比較了雙液灌漿和單液灌漿的特點(diǎn)，說明雙液灌漿更有優(yōu)越性。

羅艷芳[2]通過研究灰?guī)r中巖溶發(fā)育區(qū)軟弱地基土洞，塌陷巖溶病害引起的局部地基沉降、墻體開裂、危房隱患等，分析了化學(xué)硅化法進(jìn)行地基加固處理的原理，采用化學(xué)硅化法進(jìn)行危害的處理，確定了主要設(shè)備、工藝、灌漿材料的選擇，配比，凝結(jié)時(shí)間的試驗(yàn)參數(shù)，通過試驗(yàn)結(jié)果去分析施工過程中出現(xiàn)的問題，同時(shí)找出處理的方法等，進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，通過工程實(shí)例的應(yīng)用分析，將化學(xué)硅化法在灰?guī)r中地基處理的可行性進(jìn)行普及。

周偉等[3]連續(xù)地測試雙液硅化加固過程中黃土的電阻率參數(shù)變化，通過計(jì)算土的平均結(jié)構(gòu)因子、平均形狀因子與各向異性系數(shù)的數(shù)值，得到了電阻率結(jié)構(gòu)特性參數(shù)，分析了其變化規(guī)律，同時(shí)闡述了加固過程土體結(jié)構(gòu)的變化機(jī)理。

呂擎峰等[4]通過對水玻璃溶液進(jìn)行改性來提高硅化法的固化效果，進(jìn)行了溫度改性水玻璃溶液固化黃土的試驗(yàn)研究，通過分析化學(xué)組成和礦物成分及微觀結(jié)構(gòu)，從而探討了溫度改性水玻璃固化黃土的作用機(jī)制。

殷素紅等[5]研究了白云質(zhì)石灰?guī)r—水玻璃灌漿材料的性能，分析了其影響因素,影響白云質(zhì)石灰?guī)r—水玻璃灌漿材料性能的主要因素是液固比或水玻璃濃度、養(yǎng)護(hù)溫度和濕度、石灰?guī)r顆粒細(xì)度、不同工藝路線，同時(shí)探討了白云質(zhì)石灰?guī)r—水玻璃灌漿材料的作用機(jī)理。

吳國棟[6]分析了目前漿材的性能要求、價(jià)格、污染、滲透性、可注性、固結(jié)強(qiáng)度、凝膠時(shí)間和施工方便等綜合性能指標(biāo)，闡述綠色新型注漿材料是材料界和工程界研究開發(fā)的共同課題。

肖尊群等[7]通過研究水玻璃—碳酸鈣注漿材料，分析隨著碳酸鈣加入量的變化，其膠凝時(shí)間的變化規(guī)律，然后選擇適宜膠凝時(shí)間的膠體，進(jìn)行其本身強(qiáng)度的測定和膠體對應(yīng)的固砂體強(qiáng)度，進(jìn)而選擇較優(yōu)配比漿液作為新型注漿材料，并根據(jù)漿液的性能,建議相應(yīng)的注漿工藝，為后續(xù)工程應(yīng)用作了較好的鋪墊。

本文通過加入不同濃度的水玻璃(硅酸鈉)及氯化鈣溶液，研究土體抗剪強(qiáng)度的變化和土體附加變形的變化，來研究土體抗剪強(qiáng)度最大和附加變形最小時(shí)水玻璃(硅酸鈉)及氯化鈣溶液加固的最佳濃度，從而分析土體固化的機(jī)理和效果。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的黃土取自山西臨汾地區(qū)的一個(gè)工地，取土的深度為2 m～4 m，通過試驗(yàn)分別檢測黃土的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，天然密度為1.55 g/cm3，干密度為1.39 g/cm3，孔隙比為0.93，最大干密度和最優(yōu)含水率分別為1.77和16.7，液限和塑限分別為23.3和15.1，濕陷系數(shù)為0.019。

1.2 試驗(yàn)溶液

試驗(yàn)所用漿液：漿液分十種，分別為不同濃度的水玻璃和氯化鈉溶液，其中NaCl與水玻璃的質(zhì)量比為2.5%，其濃度為0%，5%，7%，9%，11%，13%，15%，17%，19%。注入不同漿液的土樣編號(hào)見表1。水玻璃溶液的基本參數(shù)：模數(shù)為4.12，SiO2含量為28.56%，波美度為38.6。

表1 水玻璃的濃度和土樣編號(hào)

1.3 試驗(yàn)方法

首先用大環(huán)刀從工地現(xiàn)場取回土樣，放置在傳統(tǒng)的固結(jié)儀上，進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，觀察記錄黃土的沉降變形，每30 min記錄一次讀數(shù)，直至黃土的沉降變形結(jié)束，土樣保持穩(wěn)定；然后向土樣中注入配置好的不同濃度的漿液，觀察黃土注漿后的附加沉降變形，記錄讀數(shù)，直至黃土的附加沉降變形結(jié)束；最后取出注漿后的土樣，用塑料薄膜密封養(yǎng)護(hù)3 d，進(jìn)行抗剪試驗(yàn)，測定注入不同濃度漿液的土樣的抗剪強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 漿液濃度對附加變形的影響

圖1為注入不同漿液后，試樣發(fā)生的附加變形與漿液濃度的變化關(guān)系。

由圖1可以看出，隨著注入漿液濃度的增大，試樣發(fā)生的附加變形逐漸減小，并且在試樣S4之前，即濃度為9%時(shí)，試樣發(fā)生的附加變形的減小的速度是十分迅速的，尤其是試樣S1發(fā)生的附加變形是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他試樣的，在試樣S4之后，試樣發(fā)生的附加變形的減小的速度是減小的，保持相對的穩(wěn)定。通過對照試樣S1，說明注入漿液是可以加固黃土的，同時(shí)由于黃土的加固，土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的形成，減小了黃土的附加變形；通過曲線的走勢，說明漿液的濃度并不是越大越好，漿液對土體的固化效果并不是隨著漿液濃度的增加而增加，但是漿液濃度是一個(gè)影響固化效果十分重要的因素，當(dāng)漿液濃度達(dá)到10%～15%左右，土體的附加沉降變形基本不變，說明此時(shí)漿液的固化效果已經(jīng)飽和，土體中可以

膠結(jié)固化的顆粒已經(jīng)差不多都發(fā)生反應(yīng)。

2.2 漿液濃度對抗剪強(qiáng)度的影響

圖2為注入不同漿液后，試樣的抗剪強(qiáng)度與漿液濃度的變化關(guān)系。

由圖2可以看出，隨著注入漿液濃度的增大，試樣的抗剪強(qiáng)度先增大后保持穩(wěn)定，同樣在試樣S4之前，即濃度為9%時(shí)，試樣形成的抗剪強(qiáng)度的增加速度是十分明顯的，尤其是試樣S1形成的抗剪強(qiáng)度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他試樣的，在試樣S4之后，試樣形成的抗剪強(qiáng)度的增加速度是相對較小的，最后逐漸保持相對的穩(wěn)定。通過對照試樣S1，可以說明土樣在注漿后，土體的抗剪強(qiáng)度大大地提升，注漿可以改善黃土土體的性能，加強(qiáng)土體的承載力，達(dá)到加固的效果；通過觀察柱形圖的高點(diǎn)，可以看出漿液濃度為13%左右時(shí)，加固效果最好，土體抗剪強(qiáng)度最大；另外隨著漿液濃度的增加，土體抗剪強(qiáng)度并不能增加，反而漿液濃度過大，不利于土體的固化，漿液在滲入土體的過程，變得比較緩慢，滲入土體的范圍相對就較小，對固化效果反而不利。

3 結(jié)語

通過對黃土地基的注漿加固試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

1)黃土地基的注漿加固會(huì)引起地基較大附加沉降變形，在實(shí)踐工程中，應(yīng)考慮附加沉降對施工及建筑物的影響。

2)硅化法加固黃土地基時(shí)，注入的漿液濃度是一個(gè)十分重要的影響因素，漿液濃度會(huì)直接影響注漿加固的效果，試樣研究表明，漿液的濃度在10%～15%之間為適宜濃度，加固效果最好，抗剪強(qiáng)度最大。

[1] 程鑒基.雙液化學(xué)硅化法在埋藏型地下溶洞加固工程中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1997,22(1):78-84.

[2] 羅艷芳.采用化學(xué)硅化法在灰?guī)r地區(qū)進(jìn)行地基加固的應(yīng)用[J].西部探礦工程,2007,19(12):29-31.

[3] 周 偉,劉彥忠,董曉強(qiáng).電阻率法研究雙液硅化加固過程中黃土的結(jié)構(gòu)變化[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2014,14(35):270-275.

[4] 呂擎峰,吳朱敏,王生新,等.溫度改性水玻璃固化黃土機(jī)制研究[J].巖土力學(xué),2013(5):1293-1298.

[5] 殷素紅,文梓蕓.白云質(zhì)石灰?guī)r—水玻璃灌漿材料的性能及其反應(yīng)機(jī)理[J].巖土工程學(xué)報(bào),2002,24(1):76-80.

[6] 吳國棟.酸性水玻璃化學(xué)注漿材料的實(shí)驗(yàn)研究及注漿工藝設(shè)計(jì)[D].長沙：中南大學(xué),2008.

[7] 肖尊群,劉寶琛,喬世范,等.新型酸性水玻璃—碳酸鈣注漿材料試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2010,31(9):2829-2834.

On soil shearing strength and collapsible deformation of loess consolidation process with silicification method

Jia Hongzheng

(YangquanConstructionEngineeringGroupCorporation,Yangquan045000,China)

In order to research the effect of the loess foundation consolidation with the silicification method and the its influence on the loess collapse and deformation, undertakes the direct shearing test and consolidation test by injecting the sodium silicate and calcium chloride solution with different densities, and analyzes the shearing strength and collapsible deformation after the consolidation of the loess foundation by the tests, so as to conclude the effect of the loess foundation with the silicification method.

silicification method, loess, shearing strength, collapsible deformation

1009-6825(2016)28-0082-02

2016-07-27

賈宏錚(1977- )，男，工程師

TU431

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