化学加固法在湿陷性黄土路基处治技术的研究

【摘要】湿陷性黄土在我国分布很广，针对于该类特殊路基处治技术，本文研究了化学加固法在湿陷性路基中的处治原理及应用技术，系统的研究了化学加固法在湿陷性黄土路基处治技术，对实际工程提供技术参考。

【关键字】湿陷性黄土；化学加固；施工技术

1. 引言

我国湿陷性黄土分布很广，各地区黄土的差别很大，地基处理时应区别对待，并结合以下特点：1）湿陷性黄土的地区差别，如湿陷性和湿陷敏感性的强弱，承载能力及压缩性的大小和不均匀性的程度等；2）建筑物的使用特点，如用水量大小，地基浸水的可能性；3）建筑物的重要性和其使用上对限制不均匀下沉的严格程度，结构对不均匀下沉的适应性；4）材料及施工条件，以及当地的施工经验。

2. 化学处治原理

在我国湿陷性黄土地区地基处理应用较多，并取得实践经验的化学加固方法包括硅化加固法和碱液加固法，其加固机理如下：

硅化加固湿陷性黄土的物理化学过程，一方面基于浓度不大的、粘滞度很小的硅酸钠溶液顺利地渗入黄土的孔隙中，另一方面溶液与土的互相凝结，土起着凝结剂的作用。

单液硅化系由浓度10%～15%的硅酸钠溶液加入2.5%的氯化钠组成。溶液进入土中后，由于溶液中的钠离子与土中水溶液盐类中的钙离子（主要为CaSO4）产生互换的化学反应，即在土颗粒表面形成硅酸凝胶薄膜，从而增强土粒间的连接，填塞粒间孔隙，使土具有抗水性、稳定性，减少土的渗水性，消除湿陷，同时提高地基的承载能力，其化学反应式如下：

Na2O.nSiO2+ CaSO4+mH2OnSiO2.（m-1） H2O+ Na2 SO4+Ca（OH）2

在反应初期，硅酸凝胶薄膜的厚度很小，只有几微米，因而它不妨碍以后压入溶液的渗透流动，但相隔几小时后，由于凝胶大量生成，土中孔隙被硅酸凝胶充填，毛细管通道被堵塞，使土的透水性降低。尽管硅酸凝胶薄膜的厚度很小，但是它有足够的强度，能使土在溶液饱和的初期，不会由于外荷作用而产生过大附加下沉。随着胶膜逐渐加厚和硬化，土的强度也随着时间而增长。在加固后前半个月，土的强度增长速度最大，而且在一年以后仍有所增长，当土样在水中浸泡时，仍可观察到黄土在继续硬化。硅化加固中，由于黄土中钙、镁离子参加反应，生成硅酸凝胶，但土体达到一定强度，为了提高加固土体的早期强度，以减少加固过程中附加下沉，可采用加气硅化法，加气硅化一般用CO2和氨气，一般使用CO2较多。即首先在地基中注入CO2气体，使土中空气部分被CO2占据，使土活化，然后灌入水玻璃溶液，再灌CO2，由于碱性水玻璃强烈吸收CO2，形成自真空作用，促进浆液均匀分布于土中，并渗透到土的微孔内，可使95%～97%的孔隙被浆液充填，加固土体的透水性大大降低，地基经过加固后，浸水后的附加下沉量极其微小，湿陷性已完全消除，其地基层缩变形量很小，与天然地基相比，其变形模量，以及地基承载力大大提高。

碱液加固：利用NaOH溶液加固湿陷性黄土地基在我国始于20世纪60年代，其加固原则为；NaOH溶液注入黄土后，首先与土中可溶性和交换性碱土金属阳离子发生置换反应，反应结果使土颗粒表面生成碱土金属氢氧化物，例如：

2NaOH+Ca2+2Na++ Ca（OH）2

2NaOH+ Ca2+（ 土粒） 2Na+（ 土粒）+ Ca（OH）2

这种反应是在溶液渗入土中瞬间完成的，它所消耗的NaOH仅占加固土所用的一小部分。

土中呈游离状态的SiO2和Al2O3，以及土的微细颗粒（铝硅酸盐类）与NaOH作用后产生溶液状态的钠硅酸盐和钠铝酸盐，如：

2NaOH+nSiO2Na2O+nSiO2+H2O

2NaOH+m Al2O3Na2O. m Al2O3+ H2O

在氢氧化钠溶液作用下，土粒（铝硅酸盐）表面会逐渐发生膨胀和软化，相邻土粒在这一过程中更紧密地相互接触，并发生表面的相互溶合。但仅有NaOH的作用，土粒之间的这种溶合胶结（钠铝硅酸盐类胶结）是非水稳性的，只有在土颗粒周围存在Ca（OH）2的条件下，才能使这种胶结物转化为强度高且具有水硬性的钙铝硅酸盐的络合物。依靠这些混合物的生成，使土粒相互牢固地胶结在一起，强度大大提高，并且有充分的水稳性。

当土中可溶性和交换性钙、镁离子含量较高时，灌入NaOH溶液即可得到满意的加固效果，如土中的这类离子含量较少，为了取得有效的加固效果，可以采用双液法，即在灌完NaOH溶液后，再灌入NaCl溶液。这时，后者与土中部分NaOH发生作用，生成Ca（OH）2，部分CaCl2也直接与钠铝硅酸盐络合物生成水硬性的胶结物，其化学反应如下：

2NaOH+ CaCl22NaCl+ Ca（OH）2

Na2O.SiO2. m Al2O3.X H2O+ CaCl2CaO.nSiO2. m Al2O3.X H2O+2NaCl

碱液加固的适用范围，自重湿陷性黄土地基能否采用碱液加固，取决于其对湿陷的敏感性。自重湿陷敏感性强的地基不宜采用碱液加固。

3硅化加固法的施工工艺

硅化加固主要材料为水玻璃，主要设备为注浆管、打孔机（带脚架或其他机械成孔机）分配器、溶液罐、注浆泵、胶皮管（带压）压力表和滑轮等。注浆孔的布置原则，应能使被加固墙体在平面和深度范围内能造成一个整体。

硅化加固湿陷性黄土地基的施工，可分以下几个步骤：

（1）成孔打入注浆管。硅化施工一般从天然地面或基础底面以上1.0～1.5m 的覆盖层开始，按照设计的注浆孔放线定位。注浆管的打入可采取分批、分段流水作业，自外向里间隔进行。

（2）浆液配置当水玻璃（硅酸钠）溶液的浓度大于硅化加固要求的 浓度时，应加水稀释，稀释1L硅酸钠溶液的加水量x （ L） 可按下式计算：

式中：a1为稀释前的硅酸钠（水玻璃）溶液比重，一般为1.45～1.53；a2为加水稀释后硅酸钠溶液的比重，采用单液硅化时，一般为1.13～1.15。

浆液配料时，先将未稀释的水玻璃溶液盛入容器内，把2.5%的氯化钠溶液和按上式算出的用水量徐徐到入容器，搅拌均匀，用比重计检查其浓度，符合要求时即要将配好的溶液盛入注浆用的容器内，并立即使用，放置时间不宜超过4h，以免沉淀和形成凝胶。

每注浆管加固一层土所需的水玻璃溶液用量V（L）可按下式计算：

V=πR2LQ

式中：R为加固半径，m ；L为加固一层土的厚度；Q为加固

1m3土体的溶液用量，L/ m3。

（3）往地基内注浆。注浆与打注浆孔的程序相同，一般自上而下分层进行，注浆管打入设计标高以后，应及时连接注浆设备，向土中注入浆液。接管及注浆时，不得将注浆管摇动，以防管壁与周围土由于松动而产生缝隙，造成冒浆，注浆压力一般为1～2Mpa，注浆速度为2～5L/min。

4结论

本文通过研究化学加固法在湿陷性黄土中的应用，系统的分析了化学加固法的原理和施工工艺，对实际工程提供技术参考。

参考文献

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