一种硅化加固湿陷性黄土地基的方法 本发明涉及一种采用水玻璃(Na2O*nSiO2)为主料，添加碳酸氢氨(NH4HCO3)作为促凝剂来加固湿陷性黄土地基的方法，属于土木工程领域地基加固技术。
化学灌浆法中的以水玻璃为主凝剂的硅化法是消除地基病害应用广泛而可行的办法。该法主料水玻璃价廉、无毒，采用的施工机械与施工工艺简单，特别是不要求停止建筑物的正常使用更具有实用性。
目前比较先进的硅化加固法是“水玻璃+CO2”硅化加固法，用其处理既有建筑物下湿陷性黄土地基，完全能起到消除被加固土的湿陷性，提高地基承载能力的作用，但有如下几个问题有待解决：
“水玻璃+CO2”硅化法的施工程序是先向地基土中注入CO2气体，然后注入水玻璃浆液，最后再注入CO2气体，这种交替注入的施工程序，不但使CO2和水玻璃混合不均匀，直接影响加固效果。且凡发生湿陷变形的地基，均会产生大量的缝隙或裂隙，当对其进行地基加固时，首先注入的CO2气体必将会沿着这些缝隙或裂隙跑掉一部分或大部分，后注入的水玻璃和CO2也会窜出一部分，同样影响或减弱地基加固效果。
另外，在开瓶注入CO2过程中，也往往因气瓶结冰，需采取各种措施来化冰，造成停工窝工现象，直接影响施工进度。
目前“水玻璃+CO2”硅化加固法所用主材料水玻璃的价格不断上涨，CO2的生产厂家也较少，一般又远离使用现场，且CO2又需用高压气瓶盛装，空瓶的重量为气体重量的4—5倍，使CO2材料的运输费用明显增大。这样，两种材料的费用加在一起，将使得工程造价较高。
本发明的目的是提供一种这样的硅化加固法：其在施工造价、施工进度、加固效果方面均优于CO2硅化加固法。
本发明地技术方案是：仍以水玻璃(下面简单NS)为主料，NH4HCO3(下面简称NHC)为促凝剂配制本发明用的注浆液。通过对NS和NHC用量比的调节，可以有效地控制其凝胶时间和胶凝体强度，保证优质、明显的加固效果。由于NHC比CO2贮运方便，易于购得，施工方便，故因CO2硅化加固法CO2造成的减弱地基加固效果，窝工影响施地进度以及工程造价增长的问题均能得到解决。
本发明的具体作法是：采用在灌注按设计要求配制好的水玻璃溶液的同时，注入NHC稀溶液，使两种浆液通过注浆泵混合，再经过分浆器、注浆管进入地基土中产生反应，快速胶凝，以起到强化地基的作用。加固原理如下：
NHC—水玻璃两种材料混合后的化学反应方程式为：
(1)
在水玻璃浆液与黄土的相互作用过程中，黄土胶态吸附综合体(ΠK)上的Ca和水玻璃浆液中的钠之间发生了瞬时交换反应，如2式所示。
在水玻璃浆液的强碱性介质中，从吸附综合体上析出的钙形成不溶解的固态Ca(OH)2具有极大的表面积，并吸附着硅酸聚合阴离子。黄土中析出的钙离子与水玻璃的相互作用如(2)式所示，结果：生成了具有微细层理的硬化石灰——硅石生成物。这种生成物使加固黄土具有足够的坚固性，可达到地基补强，稳定建筑物之目的。
从上述2个反应式中可以看出，在把水玻璃浆液注入黄土或残积土的固化过程中，其孔隙中末完全反应的水玻璃浆液，由于缩聚作用产生硅酸凝胶薄膜。这种凝胶虽然对于提高加固土强度的影响不大，但它仍可起到保护其生成物：凝胶薄膜不受水侵蚀的作用，起到防水，防渗作用。
本发明选用NH4HCO3——水玻璃混合浆液，主要是根据实际建筑物所发生地基病害的需求，人为地控制其凝胶时间和胶凝体强度，达到预期的目的。
影响浆液凝胶时间的因素是多方面的，如被加固土体中的高价离子浓度——矿物成分，原地基土的含水量以及周围环境和施工期当地的温度等。同时，需进行硅化加固工程的本身对各类浆材的凝胶时间要求也的不尽相同。比如对湿陷性黄土地区既有建筑物下的地基加固来说，必须严格控制其附加下沉量，对凝胶时间的要求是很严格的。而浆液各组分的合理配比和浆材的选择更是决定胶凝时间的控制因素。为了选出本发明即HNC硅化加固法的最佳注浆参数，发明人配制了10种不同配比NHC水玻璃浆液，性能结果如表一。
各组分浓度与浆液胶凝时间 表一从表一可以看出：所有各组配方的结石率均为100％，而胶凝时间参差不齐，个别差异很大。
1#、4#、7#、8#、9#、10#配方的胶凝时间均在几分钟至十几分钟之间，相对来说胶凝太快，这对我们从事已变形的建筑地基加固而言是求之不得的。但是，在具体工程的现场使用时，其施工工艺问题难以解决。2#、3#配方的胶凝时间又太长，若用此配方加固地基土，特别是既有建筑物病害地基，势必要产生较大的附加下沉，使得已变形的建筑物，由于选用了此类配方进行处理后，变形更大。
5#、6#配方的胶凝时间均在半小时至45分钟之间，完全能满足我们拟加固工程的需求。但是，5#配方，其水玻璃—NHC两种材料的体积之比为2∶1，这对两种浆液同时输入并在泵内混合时，其进浆量难以控制。且水玻璃本身的材料价格偏高，如水玻璃用量增多，就会加大工程造价，所以5#配方同样也被废弃。选6#配方为本方法浆液的注浆参数。
为验证6#配方的可靠性，以6#配方的各项参数作为依据，进行了下述各种试验： 表二
土样压浆加固前后物理——力学生质变化表 表三 试 件 状 态 浆液组成及用量体积比 土样物理力学性质变化范围 水玻璃 NHC 水 玻 璃 / NHC 凝 胶 时 间 含水量(％)密度(g/cm3)干密度(g/cm3) 渗透系数 湿陷系数无侧限抗压强度 (KPa) 比 重 用量 (ml) 百分 含量 (g) 用量 (ml) 前 后 前 后 前 后 前 后 前 后 降 低 倍 数 前 后原状 1.14 200 3.13 200 1∶1 9′ 15.7 17.0 1.61 1.68 1.39 1.44 0.064 0.007 26 76原状 1.12 250 2.67 250 1∶1 31′ 11.2 18.2 1.60 1.82 1.44 1.54 0.070 0.006 27 59原状饱和 1.12 250 2.67 250 1∶1 ″ 12.3 31.5 1.55 1.77 1.38 1.35 0.074 0.014 31 52原状饱和水中 ″ ″ ″ ″ ″ ″ 8.6 29.5 1.62 1.77 1.49 1.37 0.0.70 0.010 30 55原状 1.12 250 2.67 250 1∶1 31′ 11.8 18.9 1.66 1.67 1.48 1.40 24 0.041 0.007 32 57原状饱和 ″ ″ ″ ″ ″ ″ 9.2 33.4 1.52 1.80 1.39 1.34 30 0.045 0.007 41 68原状饱和水中 ″ ″ ″ ″ ″ ″ 9.4 28.5 1.58 1.80 1.44 1.41 21.80 0.063 0.005 37 71原状 1.14 200 3.13 200 ″ 9′ 9.9 17.7 1.70 1.67 1.55 1.44 18.80 0.028 0.001 39 70原状饱和 ″ ″ ″ ″ ″ ″ 11.4 31.1 1.61 1.82 1.45 1.40 23.70原状饱和水中 ″ ″ ″ ″ ″ ″ 14.1 29.9 1.66 1.81 1.45 1.39 14.30原状饱和压浆 1.12 250 2.67 250 ″ 31 9.2 33.4 1.56 1.80 1.43 1.34 0.007 0.001 7 47 74原状饱和水下 ″ ″ ″ ″ ″ ″ 9.5 28.5 1.57 1.80 1.43 1.41 0.007 0.0003 23.3 48 71
从表二反复的配比试验中可以看出，结石率是令人满意的，但胶凝时间随着温度的变化、差异较大，温度越低胶凝时间越长。
·土样灌注试验结果如上表三：土样注浆前、后的物理力学性质指标变化一览表。
运用反复验证了的6#配方(表二所示)的一种配合比进行室内灌注土柱试验。用于试灌的土样，是从甘肃榆中县试验点取回的土样。
从表三结果证明了按照筛选后的配方进行土样灌注试验，土样压浆加固后土的含水量及密度都明显增大，特别是含水量变化比较大。以胶凝时间31分的配方为例，6组土样含水量平均增加181％，最大达263％，最小为60％，这一点对既有建筑物的地基加固处理是不利的因素，但强度明显地提高。综合起来分析，尽管因含水量变大，可能产生附加沉降，但由于控制了水玻璃的浓度和浆液的配合比，使浆液进入土中固结的速度大于黄土湿陷的速率，湿陷变形可以得到有效的控制，从而满足加固既有建筑物的安全要求：土样压入浆液后渗透系数变小，湿陷性消失，无侧限抗压强度也明显提高。
·现场注浆试验
现场选在兰州三毛厂生活区7#家属住宅楼北测(距建筑物10余米)的一个小花园内。该处位于黄河南岸二级阶地上，系II级湿陷性黄土质地层，地下水位在-7.0～-7.5米处。-6.0米以下为饱和状黄土。
灌浆参数：水玻璃比重 1.12
NHC浓度 2.67％
前述两种液体体积比1∶1
注浆分二层进行，自下而上。每一层注浆量700升，注浆后三个星期开挖检查，发现浆体分布比较均匀，室内物理力学性能指标如表四所示：
现场注浆前后土体的物理力学指标 表四编号深度(m) 天然状态压缩性湿陷性无侧限抗压强度(KPa)渗透系数cm/s备注含水量％密度g/cm3干密度g/cm3孔隙比压缩系数MPa-1压缩模量MPa湿陷系数自重湿陷系数1*坑2.4～2.523.21.801.460.8550.1018.30.00040.0004173.08.3*10-4加固土1*坑2.8～3.023.21.950.7120.1116.20.0010.00021183.7*10-6加固土2*坑1.4～1.522.21.891.480.9000.1117.60.00060.0003土样破碎3.1*10-4加固土2*坑1.0～1.313.91.551.360.9910.454.40.0440.00239.01.3*10-4原状土试验结果显示：自重湿陷系数为0.0003—0.0004，湿陷系数为0.0003—0.0004，湿陷性消失，无侧限抗压强度为173kPa，提高了约四倍，渗透系数由1.3×10-4减小到5.7×10-6cm/s(平均值)。
实施例：
1.兰州第三毛纺厂7#家属住宅楼西一单元地基NHC硅化加固处理工程：
兰州第三毛纺厂7#住宅楼位于现场注浆试验场地的旁边，地层自上而下为：混凝土地坪(0.00～-0.10m)；杂填土(-0.10～-1.0m)；黄土状轻亚粘土((-1.0～-9.5m)，具大孔隙及湿陷性，-9.5m以下为砂卵石层，地下水位在-7.0～-7.5m处，-6.0m以下为饱和状黄土，建筑物持力层为II级自重性湿陷黄土层。
该建筑物为四层砖混结构，各层都设有圈梁，地梁下为条形钢筋混凝土基础，宽度1.0—1.8m不等，埋深-1.80m。此家属楼1977年建成，由于住宅楼本身位于低凹地带，降雨排泄不畅，散水又受到人为破坏，个别住户私自在楼房附近开挖菜窑，均导致雨水和生活用水进入地基土层中，引起该楼西一单元下沉变形，墙体多处开裂，最大裂缝宽度为20—30mm，局部楼板也发生了错位现象。直到发明人接手该项工程时该楼仍处于缓慢地不均匀下沉之中。1993年，对此家属楼西一单元的地基采用了NHC硅化法进行加固处理，施工期间和施工结束后，通过动态观测，现场挖探取样，室内试验分析，以及动力触探测试证明加固效果良好，已达到了稳定建筑物之目的。
该工程的加固范围为：建筑物基础外缘线向外扩大0.6米，即距外墙面1.2m的平面范围内，从基础底面向下进行6.0米深的连片整体NHC硅化灌浆加固，并且在注浆孔的外缘做一排或二排冲击挤密灰土桩，形成一道密实的土墙，将其中的裂缝和孔穴堵死，以保证灌注的浆液不发生水平方向跑浆。注浆时，每注浆孔分三层注入混合液浆，每层厚度为2.0m，使6.0m厚的范围内全部硅化。
注浆参数：注浆压力 0.15—0.20km/cm2
水玻璃比重 1.12—1.13
NHC浓度 2.67—3.0％
水玻璃/NHC(体积比)：1∶1
工艺流程为：
将NS液和NHC液在泵内混合后顺次注入分浆器经注浆管、花管注入地基土层。
图1为本发明的工艺流程图。
加固效果：加固土体的显陷性消失δa＜0.015，均在0.0002—0.001之间，园柱体加固土试样的无侧限抗压强度由原来的39kPa提高到117.6kPa，从动态观测的结果来看，建筑物的沉降速率由进点初期的0.87mm/天，到工程完工时仅为0.04mm/天，后又经过近一年(元月至11月)的观测，最大累计下沉量仅为0.3mm。这表明该楼已基本超于稳定状态，同时CO2硅化法相比较，NHC硅化加固法具有施工工艺简单，施工进度快等优点外，最主要的优点是降低了工程造价，节约了主剂水玻璃的用量，该工点中使用此配方节约了40％左右的水玻璃，降低工程造价30％以上。
实施例2：
深圳人民银行大厦地下室防水堵漏工程
深圳人行大楼于1989年7月建于蔡屋围老围村内，位于蔡层围大酒店西测。该大楼座落在人工回填土的积水涝池上。地层自上而下为杂填土——亚粘土——砾质粘性土——燕山期侵入花岗岩，首层地面海拔高度6.50米，-2层底面海拔高程为-1.86米，地下水水位在-6.0米左右，属砾质粘土中的潜伏水。大楼室外地坪较周围场地低，由地表水下渗汇积造成的土壤上层滞水在地表下0.8米—1.9米处，渗透系数为0.63米/昼夜。建筑物原东面和北面自地表到金库顶板以上末采取防水措施，且在金库顶板以上为1.3米厚的杂填土层，所以上层滞水是造成建筑物地下室漏水的主要原因。采用本发明NHC硅化加固法处理整个工程共设计注浆孔320个，使用水玻璃原浆96T，NHC添加剂8T，工程完工后通过现场挖探检查，发现浆液分布均匀，大部分肉眼可见。在此后的几个月里(5—8月)深圳连降暴雨的情况下，经受了实践的考验，这表明NHC硅化法其防水性能完全可以达到防水堵漏的要求，从而保证了建筑物的正常使用，该项防水堵漏工程被评为“优质工程”。
本法采用动力触探检查NHC硅化加固地基土的效果
NHC硅化加固地基土属地下隐蔽工程，加固后的质量不能直观，需用间接地现场取样送试验室进行室内试验的方法来检查。目前常用的检查地基加固效果的方法有：建筑物沉降、倾斜观测法(间接)，物理探测法；现场勘探、取样法；现场透水试验，载荷试验等，测得加固土层的物理——力学指标。但这些方法对于大面积的整体连片的硅化处理的地基来说，由于其测点少，人为因素多，速度慢，又费力费时，而又不能全面的评估加固体的质量。为了弥补上述缺陷，发明人使用动力触探技术对我们承担的硅化加固地基土工程的质量进行检测。
(一)试验用动力触探仪及各参数
试验用动力触探仪及各参数 类型及代号 能量参数 探头规格探杆外径(mm)能量指数(J/cm2) 类型 简称 代号重锤质量 (kg)落距(cm)直径(mm)锤角 (°)截面积(cm2) 重型 DPHN63.5 63.5 76 74 60 43 42～50 10.9
(二)试验场地
1、先在NHC硅化法的现场试验场地内进行；
2、后在兰州第三毛纺厂7#住宅楼实际应用NHC硅化加固工程中进行。
用动力触探法检查加固前后地基的试验；在现场(试验场地内进行了16组，实际工程场地内进行了8组)共进行了24组，其中末加固土4组，加固土20组试验结果：末加固土的平均锤击次数仅为1.0左右，最少仅有0.5击，最大也不过为1.5击左右；而用NHC硅化法加固以后的土，平均锤击次数为6.5击左右，最少也有4击，最大达到近20击左右。从对应取样测得的物理力学指标来看，末加固土的无测限抗压强度仅有37kPa左右，注浆后，实际工程中的加固土的无侧限抗压强度平均为120kPa左右，强度提高了三倍以上，完全满足加固工程的需求。说明用NHC硅化法加固既有建筑物下湿陷性黄土地基是可行的。
通过试验证明：动力触探测试技术用于湿陷性黄土地区，是一种直接在现场定量估算地基土加固前后无测限抗压强度指标变化情况的较好方法，可以近似地推算出加固前后的地基承载能力，可不必再进行现场取样，送实验室进行实内测定土的力学指标的试验程序。是一种现场测试较直观监测加固效果，简捷快速有效的方法。施工中能迅速查明加固上层在水平方向、垂直方向上的均匀性，利于保证加固质量和对地基处理效果的全面评价。
本发明加固显陷性黄土地基具有如下优点：
1、湿陷性消失δs＝0.0002～0.001，均＜0.015；
2、无侧限抗压强度明显提高，由39kPa上升到117.6kPa；渗透系数降低，还可用于防水堵漏工程中。
3、随着加固工程的结束，建筑物下沉终止；
4、简化了施工工艺，加快了施工进度；(施工期仅为水玻璃＋CO2的1/3)；
5、材料少，造价低，与现行CO2＋水玻璃方法相比可节省费用30％以上。
综上所述：本发明NHC硅化法处理湿陷性黄土地基，不仅可以消除地基土层中的湿陷性，改善力学性质，提高地基土的承载力，而且简化了施工工艺，提高了工程进度。与CO2＋水玻璃硅化加固法相比可节约水玻璃40％左右，降低工程造价30％以上，社会和经济效益十分明显。
同时，NHC硅化加固法不但可以应用于加固既有建筑物地基土，而且可以用在新建建筑物的地基处理上，完全可以满足工程多方面的需求，如防水、防渗、地基补强、加固等。