单液硅化法在湿陷性黄土地区的应用

文 / 谭 琳

1 引言

湿陷性黄土在一般状态下，是一种非饱和的欠压密土，具有大孔和垂直节理，承载力较高、压缩性较低，但在水的浸润下，土体结构将迅速破坏、土体间分子的粘聚力将迅速消失。当在该中土体上建设建（构）筑物，会对该部分土体产生附加应力，一旦遇水在附加应力的作用下，该部分土体将出现沉降、上部结构将产生变形、裂缝，乃至失稳破坏。

在湿陷性黄土地区进行建设时，应根据该种土层湿陷性程度，采取合理的地基处理、防水措施和结构措施，防止浸水湿陷对建筑结构的危害。其中，地基处理措施有垫层法、强夯法、挤密法、化学法等。单液硅化法是地基处理中化学法的一种，适用于加固地下水位以上、渗透系数为0.5～2.0m/d的湿陷性黄土地基。

2 单液硅化法加固机理

单液硅化法的主要材料为液体水玻璃（即硅酸钠溶液），其颜色多为透明或稍许浑浊。在湿陷性黄土地区，因黄土中含有硫酸钙或碳酸钙，水玻璃与其产生化学反应，是土体中各分子相互作用、凝结，从而形成坚固的分子结构体系，提高地基土的强度、降低地基土的压缩性。

单液硅化法的灌注工艺主要有两种，即压力灌注和溶液自渗。压力灌注采用加压设备和金属灌注管，将水玻璃迅速灌入土体内，该工艺具有注浆速度快、扩散范围大等特点，但该法运用在自重湿陷性严重的场地下会产生达300mm以上的附加沉降，且成本相对较高。而溶液自渗法只需钻机或洛阳铲成孔，再将溶液引导入孔中即可，该法成本相对较低、施工简便、地基沉降量小，但该法速度慢、扩散范围小。

相关规范中对硅酸钠的浓度进行了控制，“单液硅化法应采用浓度为10%～15%的硅酸钠，并掺入2.5%氯化钠溶液”。该规定是因为湿陷性黄土中天然含水量较低，一般不存在自由水，采用低浓度的硅酸钠不会在注入土体的过程中被稀释，此外浓度低、粘滞度小，可灌性较好、渗透范围也较大，并有利于降低加固成本。与此同时，规范中规定了水玻璃的模数宜为2.50～3.30，杂质含量不宜大于2%。这是因为水玻璃模数值较大、二氧化硅含量较多，与土的胶结作用较快，但模数值超过3.3以上时，随着模数值的增大，加土体的强度反而降低。根据大量试验结果可知，采用压力灌注的孔间距宜为0.8～1.20m，而采用溶液自渗灌注的孔间距宜为0.4～0.6m。

3 工程实例概况、场地概况及检测

3.1 工程实例概况

白银综合管廊项目属于甘肃省白银市中心城区北部。本工程安全等级为一级，场地类别为Ⅱ类，结构设计使用年限为100年，抗震设防类别为重点设防，设防烈度为7度0.15g，建筑物耐火等级为一级。该工程结构体系为闭合框架结构，其地基承载力特征值要求为120kPa。

3.2 场地地层结构

根据钻探揭露岩性特征及工程地质条件将勘探深度范围内地层划分为4个工程地质层，各工程地质层自上而下分述如下：

①素填土（Q4ml）：杂色，稍湿，稍密。土质不均匀，以人工回填的粉土、砂土为主，含少量砾石，层厚0.60～4.00m，层顶高程1721.20～1807.11。

②粉质黏土（Q4al+pl）：黄褐色，稍湿，坚硬-可塑，土质较均匀，该层场区局部揭露。层厚0.80～9.20m，层顶埋深1.20～4.00m，层顶高程1721.22～1751.74m。

③中砂（Q4 al+pl）：红褐色，稍湿，稍密。成分以石英、长石为主，含少量云母及暗色矿物、黏粒，局部含有少量砾石。该层场区局部揭露。层厚0.60～11.00m，层顶埋深0.60～8.30m，层顶高程1719.80～1799.29m。

④砂岩（K）：棕红色，局部青灰色，稍湿，该岩层属半成岩地层，为极软岩。矿物成分主要为石英、长石，厚层状构造。填隙物主要为黏土泥基和砂级、粉砂级粗杂基。干燥时硬度较大，但遇水软化后强度迅速变低。脱水易开裂，未扰动时强度较高。该层场区局部揭露，本次勘察在钻探深度内未揭穿该层。揭露层厚1.10～10.80m，层顶埋深0.70～10.40m，层顶高程1717.10～1806.41m。

3.3 地基处理方案

该工程处于湿陷性黄土地区，黄土层为②粉质黏土，为Ⅱ级自重湿陷。因此，该工程地基处理方式为整片采用灰土挤密桩，处理深度为5m，处理后的复合地基承载力不小于120kPa。但根据相关规范要求，处理范围应超出建（构）筑物外墙基础外缘的宽度，每边不小于2m。根据现场条件可知，基坑向管廊外缘外扩两米会影响该市雨水管及污水管的正常使用，故采取溶液自渗单液硅化法进行管廊外缘地层的地基处理。

该工程的单液硅化法采用φ70单液硅化注浆孔，孔采用水平布孔的方式，孔中心距为0.5m。在管廊外边0.8m的范围内，按照一定角度进行注浆孔施工，保证其处理深度范围为一边2m。详见图1及图2。单液硅化法应由浓度为10%～15%的硅酸钠溶液掺入2.5%氯化钠组成，其相对密度宜为1.13～1.15，硅酸钠溶液的模数值宜为2.50～3.30，其杂质含量不应大于2%。

图2 单液硅化法平面布置图

3.4 检测试验

施工完成后7～10d内，对桩间土进行检测，检测试验结果表明湿陷系数＜0.015，湿陷性得到消除，注浆扩散半径大于250。注浆现场及注浆后土样，详见图3。

图3 现场土样

4 施工工艺

单液硅化法的施工流程如下：测量放点→对位→成孔→泵压填料灌注成桩→养护→清土→铺褥垫层。

（1）在基础侧向将设计布置的灌注孔分批或全部打（或钻）至设计深度。

（2）将配好的硅酸钠溶液注满各灌注孔，溶液面宜高出基础底面标高0.50m，使溶液自行渗入土中。

（3）在溶液自渗过程中每隔2～3h向孔内添加一次溶液防止孔内溶液渗干。计算溶液量全部注入土中后，所有灌注孔宜用2∶8灰土分层回填夯实。采用单液硅化法加固既有建（构）筑物或设备基础的地基时在灌注硅酸钠溶液过程中，应进行沉降观测，当发现建（构）筑物和设备基础的沉降突然增大或出现异常情况时，应立即停止灌注溶液，待查明原因并采取有效措施处理后，再继续灌注。