贾 宏 铮

(阳泉市建工集团总公司，山西 阳泉　045000)



硅化法加固湿陷性黄土地基的研究

贾 宏 铮

(阳泉市建工集团总公司，山西 阳泉045000)

摘要：通过试验，分析了双液硅化法、单液硅化法、混合液硅化法、电动硅化法及加气硅化法的反应原理，研究了浆液成分对固化后黄土抗剪强度的影响规律，探讨了硅化法加固黄土地基的机理和效果，以供参考。

关键词：硅化法，黄土，地基，抗压强度

在我国的湿陷性黄土地区，常用的处理地基的化学法主要有硅化法和碱液加固法两种。硅化法由于其工艺简单、设备价格便宜，使用性、机动性灵活，技术方法简单，易于掌握和操作，加固后的效果明显，加固后地基的强度、承载力都有极大的提高，从而从根本上消除黄土的湿陷性，极大地降低黄土的压缩性，故被广泛地运用于湿陷性黄土地区，处理黄土地基。由于有多种注入浆液的方法，根据注入方式的不同，可以将硅化法细分为压力硅化、电动硅化和加气硅化三大类型，另外采用较多的压力硅化法，可根据溶液中成分的不同，又可以分为双液硅化、压力单液硅化和压力混合液硅化三种。近年来，随着建筑工程行业的迅速发展，对地基处理提出越来越多、越来越高的要求，一些优秀的专家和学者开始针对硅化法进行了系统详细地研究，改进了其原有的缺点和不足，提出了新的方案和技术，进一步支持硅化法加固黄土地基。有学者提出了新的灌浆材料成分，从而进行研究硅化法的加固效果，如殷素红等通过添加白云质石灰岩粉末到水玻璃溶液中，从而改良出新的灌浆材料，提高了原有灌浆材料的性能，并且研究了新的灌浆材料的反应机理；肖尊群等通过加入不同质量的碳酸钙到酸性水玻璃浆液中，改善酸性水玻璃浆液的性能，观察其胶凝所需的时间、形成胶体本身的强度，以及不同质量的碳酸钙的酸性水玻璃浆液固化砂体后，形成固砂强度的变化规律，对酸性水玻璃浆液的应用作了探索性的研究。还有学者研究通过铸造技术来改进浆液固化效果，如朱玉龙等进行了温度改性水玻璃固化砂的强度试验，并对其加固机制进行了分析。吕擎峰等进行了温度改性水玻璃溶液固化黄土的试验研究，进行了化学组成和矿物成分分析、微观结构的分析，从而对温度改性水玻璃固化黄土的反应机制进行了深入的探讨。此外还有学者研究通过改进施工工法或工艺来改良硅化法的加固效果，如陈悦华等在加固进出洞口的地基时采用高压喷射注浆技术，并且分析计算了此工程的进出洞地基加固范围,结果表明取得了不错的加固效果和加固范围。化学注浆法不仅运用于湿陷性黄土地基，在许多的土层都可以运用到，如杨国正翻译了John Hislam的著作，其将化学注浆法运用于冲积土中，提高冲积土的稳定性和降低其渗透性；龚文惠等采用电动硅化法加固软粘土地基，并且分析了其微观和宏观作用机理；陈晖将灌浆法运用于城市某主干道的地基加固，并且从灌浆法的基本原理、设计方案、施工控制、效果评定等方面阐述灌浆法在具体实践工程中的运用；黄卜维介绍了将化学加固法运用于公路软土地基中。工程实践中硅化法的运用还是有很多不足之处，无论是单液法还是双液法。例如采用单液法施工时，会有固化反应可能不充分，调节凝胶时间不好确定，凝胶强度提升不是很明显，形成的凝胶稳定性较差等等不足，采用双液法施工过程中，由于浆液的原因容易导致管路的堵塞，不利于施灌注浆，故注浆的操作技术会很大程度地影响其加固效果。本文分析了单液法和双液法的反应原理，并且分析了浆液成分对固化后的黄土的抗剪强度的影响规律，和固化前后黄土的变形，分析注浆引起黄土的附加沉降。

1试验材料

试验所用的黄土取自山西吕梁地区，取土的深度为3 m～4 m，黄土的基本物理指标见表1。

2试验原理

2.1压力双液硅化法

双液是由不同质量比水玻璃和氯化钙组成的混合溶液，通过泵或压缩空气由注浆管将混合溶液压入土体中，溶液混合后反应生成硅胶，同时溶解土中的可溶性物质，把土颗粒胶结在一起，使土体的强度和不透水性有显著的提高。在水玻璃溶液中添加氯化钙的主要作用是加快反应，加速硅胶的生成，其反应方程式为:

Na2O·nSiO2+CaCl2+mH2O→

nSiO2·(m-1)H2O+Ca(OH)2+2NaCl

2.2压力单液硅化法

单液即只含有水玻璃的浆液，用压力将水玻璃浆液压入土中，但是使用单液的土体必须是含有盐类的土体如黄土，这样水玻璃才能和土中的钙盐发生化学反应生成硅胶，胶结土颗粒形成强度，起到固化土体的作用，其反应式如下：

Na2O·nSiO2+CaSO4+mH2O→

nSiO2·(m-1)H2O+Na2SO4+Ca(OH)2

2.3压力混合液硅化法

混合液由不同剂量铝酸盐溶液和水玻璃溶液混合而成，通过压力直接将混合溶液一次性的压入土中，导致水玻璃与铝酸盐在土中发生化学反应，生成较多的硅胶和硅酸铝盐的凝胶物质，同时溶解土中可溶性物质，胶结土颗粒，使土体胶结在一起成为一个整体，从而得到加固和降低土体的渗透性，其反应式如下：

3(Na2O·nSiO2)+Na2OAl2O3→

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

2.4电动硅化法

电化学加固法或电动双液硅化法简称为电动硅化法，是基于压力双液硅化法的基础上，通过设置阴阳电极后通入直流电，利用电渗作用可以将溶液的分布半径扩大，这样就扩大了硅化法的加固半径，提高了硅化法的加固效果。在施工工程中，可以把带孔注浆液管作为阳极，铁棒作为阴极，然后把水玻璃和氯化钙溶液先后通过作为阳极的注浆管压入土中，接通电流后，就会导致孔隙水由阳极流向阴极，故而化学溶液也随水流渗流，分布在土的孔隙中，通过化学反应后生成硅胶和硅酸铝盐的凝胶物质，而且在电渗作用下还可以导致硅胶部分脱水，这样就加速了硅胶胶结土体的加固过程，使土体的强度迅速增加。

水玻璃溶液的基本参数见表2和表3。

2.5加气硅化法

加气硅化法是预先将少量的二氧化碳(CO2)气体注入到需要加固的地基中，使土体孔隙中的空气有一部分被CO2气体取代，从而就导致土体活化，接着注入水玻璃到含有CO2气体土体中，然后再次将CO2气体压入到土体中，这样就导致呈碱性的水玻璃溶液极大地吸收了CO2，从而导致形成了自真空作用，反应生成的硅胶可以将土中95%～97%的孔隙填充，使得硅胶在土中的胶结作用达到最大化，从而使地基得到了充分的加固。其化学反应方程式如下：

Na2SiO3+2CO2+nH2O→SiO2·nH2O+2Na2HCO3

3试验方法

3.1固结试验

将取回的原状黄土，经过碾碎、烘干、过2 mm筛，作为本次试验需要加固的黄土，然后称取一定质量的黄土，按照20%的含水量配水拌和均匀，为了平衡土样中的水气分布，将拌和后的土体放置于密封塑料袋内养护24 h。随后土体按照干密度为1.2 g/cm3制备试样，采用静压压实法将黄土压入大环刀内。之后将大环刀放置于固结仪上，进行排水固结，记录土体的变形。

3.2加固试验

待固结稳定后，将预先准备的混合浆液，通过压力注入到黄土土体中，观察土体的附加变形及时间，记录不同时间段的变形值。

3.3剪切试验

待加固稳定后，分别将加固后的土体和未加固的土体压入直剪仪，严格按照GB/T 50123—1999土工试验方法标准进行，上部压力为50 kPa，以0.8 mm/min的剪切速度施加剪力，直至剪坏。直剪仪测力环系数C=248 kPa/mm，最后计算土体的抗剪强度。

3.4抗压试验

待加固稳定后，将土样做抗压试验，计算土体的抗压强度值。

4试验结果分析

试验结果表明，采用双液硅化法加固的黄土的抗压强度可达到1.0 MPa～5.0 MPa；采用单液硅化法加固的黄土的抗压强度可达到 0.6 MPa～1.0 MPa；采用压力混合液硅化法加固的黄土的抗压强度可达到1.0 MPa～1.5 MPa；比较加气硅化法和压力单液硅化法，加气硅化法加固的黄土要比压力单液硅化法加固的黄土的强度高出50%～100%，同时附加下沉也可以有效地降低，加固后的土体体积要比原来的黄土增大近1倍，其水稳性也可以提高近1倍～2倍，其渗透系数极大减小，为了达到同样的加固效果，采用加气硅化法可以减少水玻璃的用量约 20%～40%，这样就可以降低成本约30%。

注浆后的土体的强度极大的提高，其中主要的原因是:1)由于水玻璃与水及土之间的化学反应生成硅胶颗粒和氢氧化钙，填塞土颗粒间的孔隙，提高了土体强度；2)生成的硅酸凝胶脱水缩聚，使土体由单分子结构变成线性结构、网状结构甚至空间结构，从而改善了土的工程性质；3)水玻璃在土颗粒之间产生化学胶结作用，增强了土粒之间的联结力，从而提高土体强度。由于这些影响，改变了土的结构、土颗粒的位置、胶结强度，从而改善了土体的力学特性。

参考文献:

[1]殷素红,文梓芸.白云质石灰岩—水玻璃灌浆材料的性能及其反应机理.岩土工程学报,2002(1):76-80.

[2]肖尊群,刘宝琛,乔世范,等.新型酸性水玻璃—碳酸钙注浆材料试验研究.岩土力学,2010,31(9):2829-2839.

[3]朱玉龙,蔡震升,胡汉起.硅砂表面高温改性提高水玻璃砂强度的机理.北京科技大学学报,1998,20(2):174-177.

[4]吕擎峰,吴朱敏,王生新,等.温度改性水玻璃固化黄土机制研究.岩土力学,2013,34(5):1293-1298.

[5]陈悦华,肖劲松,赵锋.穿黄输水隧洞盾构施工进出洞地基加固技术研究.武汉大学学报(工学版),2007(4):81-84.

[6]杨国正.地基注浆加固处理.四川建材,2011,37(161):89-91.

[7]龚文惠,孙燕.电动硅化法加固软粘土地基的机理研究.工程兵工程学院学报,1999,1(14):51-55.

[8]陈晖.灌浆法在城市道路地基加固中的运用.桩基研究与地基基础,2006(1):59-61.

[9]黄卜维.化学加固法在公路软土地基处理中的应用.黑龙江交通科技,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.

文章编号：1009-6825(2016)14-0074-02

收稿日期：2016-03-05

作者简介：贾宏铮(1977- )，男，工程师

中图分类号：TU475.3

文献标识码：A