可控压密灌浆加固地基材料的试验研究

闫双斌，隆 威，王祖平

（中南大学地球科学与信息物理学院，长沙 410083）

可控压密灌浆加固地基材料的试验研究

闫双斌，隆 威，王祖平

（中南大学地球科学与信息物理学院，长沙 410083）

通过对可控压密灌浆工艺的技术特点分析，开展灌浆材料的室内试验研究。首先，根据灌浆工艺对浆液的要求确定浆液类型，并在此基础上选取试验原材料；然后，分别探讨各影响因素对浆液的性能影响，进而得到各组分适宜的取值范围；最后，采用正交试验得到一种适用于可控压密灌浆工艺的最优配方：水灰比0.6，水泥用量为固体质量的88%，膨润土用量为固体质量的12%，减水剂用量为水泥质量的0.5%，水玻璃用量为水泥质量的4%。

可控压密灌浆；地基处理；灌浆材料

1 可控压密灌浆简介

可控压密灌浆是利用特殊的高压、低流量灌浆设备，在较大的泵压下，将高粘度、极浓稠、低流动性的砂浆或膏浆经灌浆管按设计要求压入加固区域的地基土中，随着灌浆压力的增大，浆泡逐渐向外扩散挤压周围土体，沿桩身周围形成一定径向厚度的压密土体，从而形成一新型桩基础或复合地基。

压密灌浆是用特制的高压泵将极稠的低流动性的浆液注入到预定土层的灌浆工艺［1］。一般灌浆技术所使用的浆液均是稀浆或流动性很好的浆液，而可控压密灌浆法所使用的浆液是一种具有高粘稠度、低流动性的浆液。由于压密灌浆所采用的浆液流动性差，只有在一定的压力下才会流动，一旦压力停止，浆液也就随之停止流动，在灌浆过程中，浆液的扩散范围也可以人为控制，浆液不会渗透、劈裂扩散进入周围土体中而造成材料的浪费。可准确地在建筑物下预定部位，靠浆液的置换形成固结体，同时压密周围土层，达到地基加固的目的。

本文根据压密灌浆工艺对浆材的性能要求，开展浆液的室内研究工作，通过大量的试验得出符合压密灌浆施工要求的新型浆材。

2 可控压密灌浆材料

通过对各种灌浆材料的分析可知，在普通水泥浆中掺入大量的黏土、膨润土、粉煤灰等掺合料及少量外加剂，即可得到具有高粘度、低流动性、较大剪切屈服强度等特性的膏状浆液［2］。但是，在水泥浆中加入掺合料过多时，浆液会过于粘稠，不利于泵送，且其固结体强度会大大下降；而加入的掺合料过少时，浆液的粘稠度又达不到施工的要求。另外，若仅仅通过在水泥浆内加入普通的掺合料，浆液的凝结时间太长，在有地下水的情况下极可能会被水冲散。

膨润土是以蒙脱石为主的含水黏土，具有膨胀性、粘结性、吸附性、催化性、触变性、悬浮性以及阳离子交换性等特殊的性质。它能吸附相当于自身体积8～20倍的水而膨胀至30倍，在水介质中能分散呈胶体悬浮液。膨润土加入水泥浆中后，二者可发生正负电荷反应，并由于膨润土的强大吸水性及悬浮性，大大提高了浆液的稳定性、粘稠度，甚至可使浆液成为膏状。但是，膨润土的加入也影响了水泥的水化反应，延长了浆液的凝结时间［3］。因此，需在普通的膏浆内加入促凝剂，可有效缩短浆液的初、终凝时间，使浆液在很短的时间即可凝结并具有一定的强度，防止被水冲散。

水玻璃是一种较常用、来源广的促凝剂，加入水泥粘土浆液中可与其中的氢氧化钙反应，生成水化硅酸钙胶凝体，由于水玻璃消耗了浆液中的氢氧化钙，使浆液中的氢氧化钙含量未达到饱和，从而加快了水泥中硅酸二钙和硅酸三钙的水化作用，宏观上表现出水泥浆液的凝结时间加快，结石体早期强度增长［4］。

3 试验设计

为了解组成浆液的各组分对浆液性能的影响规律，进而确定各组分的适宜掺量，在试验时，我们采用SC－145型砂浆稠度仪测定浆液的稠度。首先将各组分取常规掺量制浆，然后固定其他组分不变，调节单一变量，以了解该变量的影响规律。同理，可得出其他组分对浆液性能的影响规律，最后可根据浆液的性能要求得到各组分的适宜掺量范围。

在各组分掺量已知的情况下，最后采用正交试验设计，得到浆液的最优配比。

在地基处理工程中，原则上是浆液结石体的强度越高越好，这样地基的加固效果越好，结石体的强度太低达不到地基处理的承载力要求；然而，若结石体的强度太高，远远超过地基加固的强度要求，这样反而会造成材料的浪费。根据经验，在配制浆液的可变因素之中，水固比是浆液结石体强度的最大影响因素。

4 试验结果及分析

4.1 水灰比对浆液的性能影响

固定浆液中水泥掺量94%，膨润土掺量为6%，水玻璃掺量为2%，减水剂掺量为0.5%（水泥、膨润土掺量均为占固体总质量的百分比，其他组分掺量为占水泥质量百分比，水灰比是水与水泥和膨润土质量和之比，下同）。分别采用水灰比为0.4，0.5，0.6，0.7和0.8时测试浆液的各项性能，其结果见表1。

在其他组分一定的情况下，水灰比对浆液的各项性能影响均较大。水灰比与浆液的凝结时间、流动性、稠度值等性能成正比变化，而与浆液结石体强度成反比。施工要求浆液要具有高粘稠度、低流动性、凝结时间短和强度高。从浆液水灰比方面考虑，水灰比越小越好，但对于本试验，我们为了达到更好的可控效果，且浆液的抗压强度达到10 MPa即可满足施工要求，因此确定水灰比取0.6～0.8为宜。

4.2 膨润土掺量对浆液的性能影响

固定浆液中水灰比为0.5，水泥掺量100%～85%，水玻璃掺量为2%，减水剂掺量为0.5%。分别采用膨润土为0，3%，6%，9%，12%和15%时测试浆液的各项性能，其结果见表2。

从表2可以看出，膨润土掺量的变化对浆液的流动性及稠度影响较为明显，对浆液的其他性能影响不是很明显。膨润土掺量较少时，浆液的粘稠度达不到施工要求；若膨润土掺量过多，浆液过于粘稠，一者不利于搅拌，再者不利于泵送；此外，膨润土用量增加时，浆液的流动度经时损失较明显，不利于现场施工。故膨润土掺量取6%～12%为宜。

4.3 水玻璃掺量对浆液的性能影响

固定浆液中水灰比为0.5，水泥掺量94%，膨润土掺量为6%，减水剂掺量为0.5%。分别采用水玻璃为1%，2%，3%，4%，5%，6%，8%和10%时测试浆液的各项性能，其结果见表3。

表1 不同水灰比对浆液性能的影响Table1 Effect of water-cement ratios on the performance of slurry

表2 不同膨润土掺量对浆液性能的影响Table2 Effect of bentonite contents on the performance of slurry

表3 不同水玻璃掺量对浆液性能的影响Table3 Effect of water glass contents on the performance of slurry

水玻璃主要影响浆液的凝结时间、流动性和稠度。由于水玻璃是作为促凝剂使用的，因此我们只考虑其对浆液凝结时间的影响规律。由表3可以看出，在水玻璃用量为5%时其促凝效果最好，综合考虑促凝效果和经济因素，水玻璃用量取3%～5%为宜。

4.4 减水剂掺量对浆液的性能影响

固定浆液中水灰比为0.5，水泥掺量94%，膨润土掺量为6%，水玻璃掺量为2%。分别采用减水剂为0.3%，0.5%，0.7%，0.9%，1.2%，1.5%时测试浆液的各项性能，其结果见表4。

减水剂用于调节浆液的和易性和流动性，对浆液的其他性能并无明显影响。为此，减水剂用量不宜过大，以0.3%～0.7%为宜。

5 正交试验设计及浆液最优化配方

为了得到浆液的最优配比，在各变化因子已知的情况下进行正交试验，把所考察的每一因子任意地对应于正交表的一列（一个因子对应一列，不能让2个因子对应同一列），然后把每列的数字“翻译”成所对应因子的水平。这样，每一行的各水平组合就构成了一个试验条件（不考虑没安排因子的列）。

对于该试验，我们把浆液的水固比（A）、黏土用量（B）、水玻璃用量（C）、减水剂用量（D）视为可变因子，并将因子A，B，C，D都安排为3水平，因此试验次数要不少于3×（3－1）＋1＝7（次）。可考虑选用L9（34）正交试验表。因子A，B，C，D可任意地对应于L9（34）的某4列，例如A，B，C，D分别放在l，2，3，4列，然后试验按行进行，顺序不限，每一行中各因素的水平组合就是每一次的试验条件，从上到下就是这个正交试验的方案（见表5）。

表5 正交试验安排表Table5 Schedule of orthogonal tests

根据极差分析，流动度的最优组合是A1B3C1D2；28 d抗折强度的最优组合是A1B3C2D1；28 d抗压强度的最优组合是A1B3C2D1；稠度的最优组合为A1B3C2D3。综合考虑流动度、28 d抗折抗压强度、稠度，确定灌浆材料各组分的参考掺量推荐值是：水灰比为A1（0.6），膨润土用量为B3（12%），水玻璃用量为C2（4%），减水剂用量为D2（0.5%）。

最优化配方灌浆材料各项性能如表6所示。

表4 不同减水剂掺量对浆液性能的影响Table4 Effect of superp lasticizer contents on the performance of slurry

表6 优化配方灌浆材料各项性能Table6 Properties of optim ized groutingmaterial

6 结 论

（1）浆液的水灰比是影响浆液性能的最主要因素。试验中发现，当水灰比变化幅度为0.1时，浆液的流动性、凝结时间、稠度及结石体强度均大幅度变化。且水灰比太大时，浆液的性能相对难以满足可控压密灌浆的施工要求。

（2）膨润土作为增稠及稳定材料，在较少的掺量时，主要影响浆液的流动性能和稠度，而对浆液的凝结时间和结石体强度等没有较明显影响。且掺加膨润土后，浆液的稳定性大大提高，结石率也较高。

（3）水玻璃主要影响浆液的凝结时间，由于水玻璃与水泥发生作用生成凝胶体，从而也导致浆液的流动性变差，粘稠度增加。水玻璃掺量增加时，浆液结石体的强度会有所降低。

（4）适量掺高效减水剂，在相同流动度和水灰比下，可减小用水量，节约水泥，降低成本；适量掺加高效减水剂，在相同水泥用量下，可减小水灰比，可达到同样流动度，提高固结体强度，关键是工程目的和掺量适当。

（5）通过正交设计试验方法，以浆液的流动度、稠度、抗折和抗压强度作为评价指标，得出了浆液的优化配方。浆液配比为：水灰比为0.6；水泥用量为固体质量的88%；膨润土用量为固体质量的12%；减水剂用量为水泥质量的0.5%；水玻璃用量为水泥质量的4%。

（6）浆液配方及性能是在室内试验基础上得出的，在现场应用时，应根据不同环境和条件予以修正。

［1］ 林师美.压密注浆的应用［J］.科学之友，2009，（24）：22－23.（LIN Shi-mei.Application of Pours Thick Liquid［J］.Friends of Science Amateurs，2009，（24）：22－23.（in Chinese））

［2］ 赵卫全，符 平，张金接，等.新型水泥膏浆研究及应用［J］.中国水利水电科学研究院学报，2008，6（1）：19－22.（ZHAOWei-quan，FU Ping，ZHANG Jin-jie，et al.Study and Application of a New Type of Cement Paste［J］.Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research，2008，6（1）：19－22.（in Chinese））

［3］ 岩土注浆理论与工程实例协作组.岩土注浆理论与工程实例［M］.北京：科学出版社，2001：24－25.（The Research Team of Grouting Theories and Case Histories.The Grouting Theories and Case Histories［M］.Beijing：Science Press，2001：24－25.（in Chinese））

［4］ 王星华.粘土固化浆液在地下工程中的应用［M］.北京：中国铁道出版社，1997：80－81.（WANG Xinghua.Clay-Solidified Slurry in Underground Engineering［M］.Beijing：China Railway Publishing House，1997：80－81.（in Chinese） ）

（编辑：周晓雁）

Foundation Reinforcement by Controlled Com paction Grouting Technique

YAN Shuang-bin，LONGWei，WANG Zu-ping
（School of Geosciences and Info-Physics，Central South University，Changsha 410083，China）

Indoor tests on grouting materials were carried out through controlled compaction grouting technique.Type of the slurry was firstly determined in line with the requirements of grouting process，upon which the test raw materials were selected.Then，the influence of each factor on the performance of the slurrywere investigated before obtaining the appropriate range of each component of the slurry.Finally，through orthogonal test，an optimum formula for the controlled compaction groutingwas obtained as follows：water-cement ratio is0.6；cement accounts for 88%of the solid，and bentonite accounts for 12%of the solid；superplasticizer accounts for 0.5%of the cement，and water glass accounts for 4%of the cement.

controlled compaction grouting；foundation treatment；groutingmaterial

P642

A

1001－5485（2012）09－0082－04

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.09.019

2012－03－02；

2012－04－06

闫双斌（1987－），男，河北故城人，硕士研究生，主要从事地质工程专业岩土工程方面的研究，（电话）13875836325（电子信箱）yanysb＠126.com。