硅酸盐类灌浆加固法在工程中的应用

摘 要：化学灌浆加固法由于造价较低，渗透性较好，对改善土体的强度、压缩性等指标有较强的提升作用，因此在我国受到较广泛的应用。对于硅酸盐类化学灌浆加固材料，在地基处理手册中给出众多的凝结剂。根据不同凝结剂的不同加固效果，本文针对包头东河区某一工程，预先进行了一些室内实验，对比分析了不同凝结剂的加固效果，并与压力灌注水泥浆液进行对比。总结出在包头东河区钙离子缺少的土体中，碳酸氢钠作为凝结剂能够有效的增加土体的强度与弹性模量，使加固效果达到最优化。

关键词：硅酸盐；灌浆法；碳酸氢钠

引 言

灌浆工程中所用的浆液主要由主剂、溶剂和各种附加剂混合而成，灌浆材料按其形态可分为颗粒型浆液、溶剂型浆液和混合型浆液三个系统。化学浆液材料可用于灌注细小裂缝或者孔隙，解决其他两种灌浆材料颗粒大，灌注度低的问题。硅酸盐灌浆由于具有价格低廉、渗入性高等特点，在实际工程中广泛应用。硅酸盐浆材主要由硅酸钠（水玻璃）为主剂，另加胶结剂以形成凝胶，胶结剂品种较多，与硅酸盐的反应速度、结合强度各不相同。本文主要针对中国内蒙古包头地区某工程采用化学灌浆法处理已建建筑物地基湿陷性粉土的工程实例，试验并分析了不同胶结剂对加固土体的效果。并对化学灌浆加固法的实际应用进行了探讨。

1 工程概况

该工程小区位于内蒙古包头市东河区政府东侧约500m处，其中18号楼为6层砖混结构，地基持力层为湿陷性粉细砂层。由于部分地基泡水，导致地基产生不均匀沉降，为了加固地基，提高地基承载力，降低地基变形量，恢复建筑物的整体性，本次工程采用单液硅化法来加固地基，增强地基强度，消除地基湿陷性。

2 试验方法与结果分析

2.1 室内试验

為了检验加固浆液对地基土的加固效果，施工前预先采用制作室内模块来对加固原料进行效果试验。其采用土体的含水率为5.5%，土体密度为1959kg/m3。

试验材料：本工程采用纯硅酸钠溶液、氯化钙溶液+硅酸钠溶液、磷酸溶液+硅酸钠溶液、氯化钠溶液+硅酸钠溶液、碳酸氢钠溶液+硅酸钠溶液为加固试验材料预先进行室内试验。

试验结果如下：纯硅酸钠溶液模块（100mm×100cm）的无侧限抗压强度为0.42MPa；氯化钙与硅酸钠溶液混合后迅速反应，无法灌注，不宜采用；磷酸溶液与硅酸钠溶液制作的模块（100mm×100mm）的无侧限抗压强度为0.1MPa；氯化钠与硅酸钠模块（100mm×100mm）的无侧限抗压强度为0.15MPa；碳酸氢钠溶液与硅酸钠溶液模块（100mm×100mm）的无侧限抗压强度为0.76MPa。

2.2 试验结果分析

氯化钙与硅酸钠溶液反应方程式为：Na2O·n3.2SiO2+CaCl2+mH2O=nSiO2·（m-1）H2O+Ca（OH）2+2NaCl，其反应迅速，无法充分与土进行有效结合便已凝固，不宜采用；磷酸作为胶凝剂在理论上与硅酸钠溶液能够共同反应加固土体，但由于磷酸酸性较强，具有腐蚀性，该地质土体中含有矿物质元素与其他一些有机元素共同存在，与磷酸发生反应使土体中产生气泡，孔隙率增大，从而降低加固后土体的强度。磷酸与土体反应后土体试块如图1，从图1中可以看出，加固后土体上部膨胀，土体松散，孔隙率增大，土体加固效果大大减少。

纯硅酸钠溶液适用于黄土和湿陷性黄土，其土中含有较多的钙离子和硅酸钠溶液反应凝结。但是在包头市东河区地址条件下，钙离子含量较少，硅酸钠在土体中凝结硬化速度较慢，初凝时间达到7d，土体长期处于饱和状态，初期土体承载力低，容易使地基土产生二次沉降。纯硅酸钠溶液与土体试块如图2所示。

硅酸钠溶液与氯化钠混合液作为灌注浆液同样适合与黄土和湿陷性黄土中，氯化钠作为催化剂能够加速硅酸钠溶液与土体中的钙离子反应速度。在该地质条件下钙离子含量较少，未能起到加速凝结的催化作用。相反，加固土体试块表面有氯化钠晶体析出，降低加固土体的加固效果。相应的加固土体试块见图3。

硅酸钠和碳酸氢钠溶液（配比为1：1，碳酸氢钠溶液浓度为3%），作为混合灌注加固溶液能够在较短的时间内反应凝固，在土体中其初凝时间为1h左右，能够较迅速的增强土体强度，到达加固的目的。

加固土体效果见图4。从土体压缩试验结果看，碳酸氢钠与硅酸钠溶液作为加固原料土体的加固强度最高，加固效果最好。

2.3 与水泥浆液加固效果对比分析

采用水泥浆液灌注时，由于土体间孔隙率较小，水泥浆液不能有效的扩散到基础底部地基部分，只是在灌注孔旁形成有效的柱体，违背了设计目的。本工程在室外进行水泥浆加固土体试验，与化学加固土体进行横向比较分析。室外成孔孔径200mm，3MPa压力注浆，浆液水灰比为1：0.5，3d以后现场人工挖除加固区域周围土体，可以看出加固土体直径为220mm，加固浆液在土体中的扩散能力有限，不能对整体的湿陷性土层进行加固处理。

综合比较与分析，在该地质条件下采用硅酸钠溶液和碳酸氢钠溶液作为加固液体，能够有效的加固地基，提高地基承载力，达到预期设计目的。故本工程采用了硅酸钠溶液和碳酸氢钠溶液作为加固液体进行灌注施工。其试验土体含水率为5.5%，密度为1959kg/m3，饱和密度为2400kg/m3，试验模块（100mm×100mm）的无侧限抗压强度为0.69MPa，弹性模量E=86.3MPa。

3 结 论

（1）硅酸盐类注浆法对土体有加固作用。

（2）在缺少钙离子的包头东河地区，碳酸氢钠作为胶结剂对土体的加固效果最好。

（3）水泥浆液灌浆能够增强地下土体的强度，但由于水泥浆液渗透性低，不能对整片湿陷性土体进行整体加固。

参考文献

[1]建筑抗震设计规范.北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]地基处理技术规范.北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3]阁明礼，张东刚，CFG桩复合地基技术及工程实践[M].北京，中国水利水电出版社，2006.

[4]叶书麟，叶观宝编著.地基处理（第三版）.北京，中国建筑工业出版社，2010.

作者简介：郭志平（1965-），男，汉族，内蒙古包头人，主要从事岩土工程管理工作。