單液硅化法在濕陷性黃土地區(qū)的應(yīng)用

文 / 譚 琳

1 引言

濕陷性黃土在一般狀態(tài)下，是一種非飽和的欠壓密土，具有大孔和垂直節(jié)理，承載力較高、壓縮性較低，但在水的浸潤下，土體結(jié)構(gòu)將迅速破壞、土體間分子的粘聚力將迅速消失。當(dāng)在該中土體上建設(shè)建（構(gòu)）筑物，會對該部分土體產(chǎn)生附加應(yīng)力，一旦遇水在附加應(yīng)力的作用下，該部分土體將出現(xiàn)沉降、上部結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生變形、裂縫，乃至失穩(wěn)破壞。

在濕陷性黃土地區(qū)進(jìn)行建設(shè)時，應(yīng)根據(jù)該種土層濕陷性程度，采取合理的地基處理、防水措施和結(jié)構(gòu)措施，防止浸水濕陷對建筑結(jié)構(gòu)的危害。其中，地基處理措施有墊層法、強(qiáng)夯法、擠密法、化學(xué)法等。單液硅化法是地基處理中化學(xué)法的一種，適用于加固地下水位以上、滲透系數(shù)為0.5～2.0m/d的濕陷性黃土地基。

2 單液硅化法加固機(jī)理

單液硅化法的主要材料為液體水玻璃（即硅酸鈉溶液），其顏色多為透明或稍許渾濁。在濕陷性黃土地區(qū)，因黃土中含有硫酸鈣或碳酸鈣，水玻璃與其產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，是土體中各分子相互作用、凝結(jié)，從而形成堅(jiān)固的分子結(jié)構(gòu)體系，提高地基土的強(qiáng)度、降低地基土的壓縮性。

單液硅化法的灌注工藝主要有兩種，即壓力灌注和溶液自滲。壓力灌注采用加壓設(shè)備和金屬灌注管，將水玻璃迅速灌入土體內(nèi)，該工藝具有注漿速度快、擴(kuò)散范圍大等特點(diǎn)，但該法運(yùn)用在自重濕陷性嚴(yán)重的場地下會產(chǎn)生達(dá)300mm以上的附加沉降，且成本相對較高。而溶液自滲法只需鉆機(jī)或洛陽鏟成孔，再將溶液引導(dǎo)入孔中即可，該法成本相對較低、施工簡便、地基沉降量小，但該法速度慢、擴(kuò)散范圍小。

相關(guān)規(guī)范中對硅酸鈉的濃度進(jìn)行了控制，“單液硅化法應(yīng)采用濃度為10%～15%的硅酸鈉，并摻入2.5%氯化鈉溶液”。該規(guī)定是因?yàn)闈裣菪渣S土中天然含水量較低，一般不存在自由水，采用低濃度的硅酸鈉不會在注入土體的過程中被稀釋，此外濃度低、粘滯度小，可灌性較好、滲透范圍也較大，并有利于降低加固成本。與此同時，規(guī)范中規(guī)定了水玻璃的模數(shù)宜為2.50～3.30，雜質(zhì)含量不宜大于2%。這是因?yàn)樗Ａ?shù)值較大、二氧化硅含量較多，與土的膠結(jié)作用較快，但模數(shù)值超過3.3以上時，隨著模數(shù)值的增大，加土體的強(qiáng)度反而降低。根據(jù)大量試驗(yàn)結(jié)果可知，采用壓力灌注的孔間距宜為0.8～1.20m，而采用溶液自滲灌注的孔間距宜為0.4～0.6m。

3 工程實(shí)例概況、場地概況及檢測

3.1 工程實(shí)例概況

白銀綜合管廊項(xiàng)目屬于甘肅省白銀市中心城區(qū)北部。本工程安全等級為一級，場地類別為Ⅱ類，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為100年，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防，設(shè)防烈度為7度0.15g，建筑物耐火等級為一級。該工程結(jié)構(gòu)體系為閉合框架結(jié)構(gòu)，其地基承載力特征值要求為120kPa。

3.2 場地地層結(jié)構(gòu)

根據(jù)鉆探揭露巖性特征及工程地質(zhì)條件將勘探深度范圍內(nèi)地層劃分為4個工程地質(zhì)層，各工程地質(zhì)層自上而下分述如下：

①素填土（Q4ml）：雜色，稍濕，稍密。土質(zhì)不均勻，以人工回填的粉土、砂土為主，含少量礫石，層厚0.60～4.00m，層頂高程1721.20～1807.11。

②粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）：黃褐色，稍濕，堅(jiān)硬-可塑，土質(zhì)較均勻，該層場區(qū)局部揭露。層厚0.80～9.20m，層頂埋深1.20～4.00m，層頂高程1721.22～1751.74m。

③中砂（Q4 al+pl）：紅褐色，稍濕，稍密。成分以石英、長石為主，含少量云母及暗色礦物、黏粒，局部含有少量礫石。該層場區(qū)局部揭露。層厚0.60～11.00m，層頂埋深0.60～8.30m，層頂高程1719.80～1799.29m。

④砂巖（K）：棕紅色，局部青灰色，稍濕，該巖層屬半成巖地層，為極軟巖。礦物成分主要為石英、長石，厚層狀構(gòu)造。填隙物主要為黏土泥基和砂級、粉砂級粗雜基。干燥時硬度較大，但遇水軟化后強(qiáng)度迅速變低。脫水易開裂，未擾動時強(qiáng)度較高。該層場區(qū)局部揭露，本次勘察在鉆探深度內(nèi)未揭穿該層。揭露層厚1.10～10.80m，層頂埋深0.70～10.40m，層頂高程1717.10～1806.41m。

3.3 地基處理方案

該工程處于濕陷性黃土地區(qū)，黃土層為②粉質(zhì)黏土，為Ⅱ級自重濕陷。因此，該工程地基處理方式為整片采用灰土擠密樁，處理深度為5m，處理后的復(fù)合地基承載力不小于120kPa。但根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，處理范圍應(yīng)超出建（構(gòu)）筑物外墻基礎(chǔ)外緣的寬度，每邊不小于2m。根據(jù)現(xiàn)場條件可知，基坑向管廊外緣外擴(kuò)兩米會影響該市雨水管及污水管的正常使用，故采取溶液自滲單液硅化法進(jìn)行管廊外緣地層的地基處理。

該工程的單液硅化法采用φ70單液硅化注漿孔，孔采用水平布孔的方式，孔中心距為0.5m。在管廊外邊0.8m的范圍內(nèi)，按照一定角度進(jìn)行注漿孔施工，保證其處理深度范圍為一邊2m。詳見圖1及圖2。單液硅化法應(yīng)由濃度為10%～15%的硅酸鈉溶液摻入2.5%氯化鈉組成，其相對密度宜為1.13～1.15，硅酸鈉溶液的模數(shù)值宜為2.50～3.30，其雜質(zhì)含量不應(yīng)大于2%。

圖2 單液硅化法平面布置圖

3.4 檢測試驗(yàn)

施工完成后7～10d內(nèi)，對樁間土進(jìn)行檢測，檢測試驗(yàn)結(jié)果表明濕陷系數(shù)＜0.015，濕陷性得到消除，注漿擴(kuò)散半徑大于250。注漿現(xiàn)場及注漿后土樣，詳見圖3。

圖3 現(xiàn)場土樣

4 施工工藝

單液硅化法的施工流程如下：測量放點(diǎn)→對位→成孔→泵壓填料灌注成樁→養(yǎng)護(hù)→清土→鋪褥墊層。

（1）在基礎(chǔ)側(cè)向?qū)⒃O(shè)計(jì)布置的灌注孔分批或全部打（或鉆）至設(shè)計(jì)深度。

（2）將配好的硅酸鈉溶液注滿各灌注孔，溶液面宜高出基礎(chǔ)底面標(biāo)高0.50m，使溶液自行滲入土中。

（3）在溶液自滲過程中每隔2～3h向孔內(nèi)添加一次溶液防止孔內(nèi)溶液滲干。計(jì)算溶液量全部注入土中后，所有灌注孔宜用2∶8灰土分層回填夯實(shí)。采用單液硅化法加固既有建（構(gòu)）筑物或設(shè)備基礎(chǔ)的地基時在灌注硅酸鈉溶液過程中，應(yīng)進(jìn)行沉降觀測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)建（構(gòu)）筑物和設(shè)備基礎(chǔ)的沉降突然增大或出現(xiàn)異常情況時，應(yīng)立即停止灌注溶液，待查明原因并采取有效措施處理后，再繼續(xù)灌注。