CN107366276B - 一种防止软岩崩解的水玻璃修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防止软岩崩解的水玻璃修复方法。本发明采用对开挖后建基面进行水玻璃溶液喷洒，水玻璃溶液浓度不小于3%，循环连续喷洒多次，使开挖后建基面软岩的含水饱和度大于95%。该方法，不仅补充了水分，起到了抑制软岩崩解，保持原岩强度的作用，而且喷洒水玻璃溶液工艺成本微小，简单易行；同时喷洒的水玻璃溶液少量结晶后能与上层喷射混凝土发生反应，形成喷射混凝土与原岩间的胶结层，提高了喷射混凝土保护原岩的效果，这对提高边坡的长期强度值，确保膨胀性岩土体边坡稳定具有显著的作用，因此本发明具有显著的施工效益、管理效益，提高工程质量的特点，具有良好的未来成果转化前景。

Description

一种防止软岩崩解的水玻璃修复方法

技术领域

本发明属于土木工程领域，具体涉及一种防止软岩崩解的水玻璃修复方法。

背景技术

由于软岩中含有粘土矿物，特别是蒙脱石、伊利石等亲水矿物，暴露于大气环境中的软岩易发生失水收缩，遇水后即产生崩解、泥化。在湿度变化的干湿循环过程中，软岩因失水收缩产生不均匀变形，当不均匀变形引起的内应力大于软岩的抗拉强度时，岩土体就会产生开裂。开裂的软岩，强度降低，引发崩解加剧。在开挖工程中，受施工工艺及施工效率的影响，揭露的建基面软岩暴露于大气环境下失水收缩，如果处理不佳，软岩崩解无法避免。

目前，有实验数据表明，非处理的软岩风干6小时含水率损失5％，崩解度达到12％；风干12小时含水率损失9％，崩解度能达到19％，即使开挖揭露立即浸入水中，部分软岩仍在遇水时发生崩解、泥化。根据现有的设计施工技术，开挖至建基面后，要求及时喷护混凝土封闭，保护建基面岩石；但开挖工序与喷护混凝土工序的交接时间一般为6个小时以上，于是可以认为建基面开挖至少需要6小时，才能喷射混凝土；在开挖工程中，使揭露的软岩暴露在大气环境中，由于受到工序交接时间及其他因素的影响，开挖6小时或更长时间未能喷射混凝土，就会引发软岩失水产生开裂，强度降低，遇水后崩解、泥化，影响工程质量和安全；同时根据现场喷射混凝土与软岩结合情况，时常出现混凝土开裂、地下水渗出及混凝土层下空洞，泥质岩表面崩解、泥化等现象，其中的原因是在喷射混凝土前软岩收缩，喷射混凝土后软岩吸水膨胀、崩解。因此，为进一步提高工程质量，施工工效及施工便利性，迫切需要一种技术，在建基面开挖之后确保软岩不发生崩解，同时在软岩产生明显裂隙前补充软岩含水率，减弱干湿循环效应，防止软岩开裂，保持软岩原有强度，从而使边坡处于稳定状态。

发明内容

本发明提出了一种防止软岩崩解的水玻璃修复方法，本发明中对新揭露的软岩进行喷洒水玻璃溶液方法，不仅补充了水分，起到了抑制软岩崩解，保持原岩强度的作用，而且喷洒水玻璃溶液工艺成本微小，简单易行；同时喷洒的水玻璃溶液少量结晶后能与上层喷射混凝土发生反应，形成喷射混凝土与原岩间的胶结层，提高了喷射混凝土保护原岩的效果，这对提高边坡的长期强度值，确保膨胀性岩土体边坡稳定具有显著的作用，因此本发明具有显著的施工效益、管理效益，提高工程质量的特点，具有良好的未来成果转化前景。

本发明技术方案如下：

一种防止软岩崩解的水玻璃修复方法，所述方法包括如下步骤：对开挖后建基面进行水玻璃溶液喷洒，水玻璃溶液浓度不小于3％，循环连续喷洒多次，使开挖后建基面软岩的含水饱和度大于95％。用以解决建基面软岩(基岩)在开挖前处于较高应力压缩状态，开挖揭露后卸荷回弹作用使基岩发生回弹变形，孔隙增大，导致基岩处于非饱和状态；同时因地质条件复杂，开挖前基岩含水率差异大，干湿不均的问题。

所述水玻璃溶液浓度不小于9％，尤其是对于二次循环耐崩解性指数I_d2<25％的软岩来说，采用浓度达到9％至饱和浓度的水玻璃溶液能有效地降低崩解性，效果更加显著。

所述循环连续喷洒至少3次，每次间隔的时间不少于2分钟。

在对建基面进行下一步施工(基岩面喷射混凝土层)前，应持续监控建基面干燥状态，当建基面软岩的含水饱和度低于95％后，对建基面进行水玻璃溶液喷洒，技术要求与基本步骤相同。原因是如果距离喷射混凝土层工序施工的时间可能较长，那么基岩面水分蒸发，形成干燥坡面层，在喷射混凝土层后基岩面吸收混凝土中水分，导致混凝土收缩开裂，及基岩面吸水膨胀、崩解泥化，使喷射混凝土层与基岩面联接不佳，存在松散泥层。

一种防止软岩崩解的水玻璃修复方法，所述方法包括如下步骤：

步骤a、将开挖后建基面设定为施工工作面，施工工作面的面积为A，建基面的软岩平均密度为ρ_s，在建基面上取试验块样，其质量为m₀；将密度为ρ_L的水玻璃溶液喷洒试验块样的上表面，直至浸润到表面，岩面瞬时有液体流动后方可停止，重复喷洒N次，每次间隔时间不少于2分钟，然后测试试验块样喷洒后的质量m₁和浸润深度h，通过下述公式计算出施工工作面达到饱和含水率所需要喷洒水玻璃溶液的体积量L，所述公式为：

步骤b、称取至少0.95L的水玻璃溶液，分成N次对施工工作面进行循环连续喷洒。

所述N为3、4、5或6。

所述试验块样体积不小于5cm×5cm×5cm。

对水玻璃溶液喷洒后的建基面进行建基面保护，防止建基面水分蒸发。

所述建基面保护为土工膜覆盖。

本发明是直接将水玻璃溶液喷洒在建基面原状软岩表面，依靠处于非饱和状态的建基面原状软岩吸水特性进行修复的技术方法，这与现有技术中采用水玻璃改良软岩和水泥改性岩土存在如下区别：

(1)机理不同。本发明采用水玻璃溶液，补充原状软岩水分，降低蒸发程度，减弱干湿循环效应，通过防止开裂及水玻璃溶液的渗透原理保持并增强原岩强度；而常规方法是将原状试样破坏，消除原状样的原有强度，通过搅拌、压实工艺重塑试样，通过压实固结、水玻璃化学反应形成结石体强度；

(2)工序不同。本发明是在喷射混凝土之前在建基面原岩表面喷洒水玻璃溶液，是新增一项工序，目的是防止建基面原岩崩解；而目前现有技术中采用将水玻璃与水泥混合，或水玻璃与其化学成分混合再与膨胀性岩土混合后，是对膨胀性岩土进行改性；

(3)材料性质不同。本发明用水玻璃溶液，作为工序中主剂，占比大，而现有技术中水玻璃均是作为外掺剂，占比小。

有益效果:

(1)施工效益：施工操作简单，可反复运用本发明技术，喷洒水玻璃溶液，不仅可以补充水分，抑制软岩崩解，保持原岩强度，而且喷洒水玻璃溶液简单易行，从而大大减弱了工序交接时间限制要求，为合理安排施工方案，提高施工效率，可显著的增大施工效益。

(2)管理效益：结合当地气候条件，观察、检测建基面原岩表面水分损失情况，及时运用本发明技术保持建基面原软岩的含水率，防止裂隙继续开展，管理目标明确，检测手段简单易行。

(3)工程质量：本发明技术不仅可保持建基面原软岩的含水率，防止裂隙继续开展，保持建基面原软岩的强度，提高工程质量，还可在后续喷射混凝土施工后水玻璃(硅酸钠)溶液与喷射混凝土发生反应，增加上层喷射混凝土的强度，提高边坡的长期强度值，确保膨胀性岩土体边坡稳定，进一步提高喷射混凝土的效果。

(4)水玻璃是水溶性硅酸盐，与空气中的二氧化碳反应生成硅胶，硅胶不溶于水，对地下水质和周围环境没有影响，而且对于原岩裂隙、孔隙水为硬水时，水玻璃还可以与水中的Ca²⁺反应，提高岩中Ca²⁺的功效，并使硬水得到软化。

附图说明

图1、风干12小时后失水泥岩试样崩解试验对比图。(a)直接浸水初期开始崩解；(b)直接浸水试样崩解稳定状态(24h后)；(c)滴润水玻璃溶液后浸水初期；(d)滴润水玻璃溶液后浸水1h后状态；(e)滴润水玻璃溶液后浸水2h后状态；(f)滴润水玻璃溶液后浸水稳定状态(24h后)。

图2、干燥泥岩在纯水及水玻璃饱和液中崩解现象对比图。(a)浸入水玻璃饱和溶液2min；(b)浸入纯水2min；(c)浸入水玻璃饱和溶液10min；(d)浸入纯水10min。

具体实施方式

实施例1

室内水玻璃饱和溶液滴润失水泥岩防崩解实例：

(1)制样。将现场取泥岩原状样，用切土刀、角磨机等制作40～50g的试样15个；将试样放在温度40℃，湿度RH＝75％条件下风干12小时，制样完成；

(2)直接崩解试验。取试样10个为第一组，放在2mm标准筛上，浸入水中，如图1(a)所示，试样开始崩解，试样周围水体因泥岩崩解产生细颗粒，漂浮水中而使水混浊；1小时后崩解稳定，以颗粒粒径2mm以下为完成崩解物，耐崩解重量比52..669％。

(3)水玻璃饱和溶液滴润后崩解试验。取试样5个为第二组，用浓度为12％的水玻璃溶液滴润干燥泥岩试样，滴润试样潮湿后，等待2分钟后再滴润，如此共滴润3次，然后取2个试样放在2mm标准筛上，浸入水中，如图1(c)所示，试样开始无明显崩解，图1(d)中原有裂隙张开，图1(e)中试样碎化，但颗粒较大，极少细颗粒体，试样周边水仍清澈，将另外3个试样也放入，24小时后，如图1(f)三个完整，2个碎裂化。以颗粒粒径2mm以下为完全崩解物，耐崩解重量比99.21％。

试验结论：风干12小时后的泥岩因失水作用，具有中等崩解能力，耐崩解质量比52.69％；利用本发明技术，采用水玻璃饱和溶液滴润后，能显著减弱泥岩的崩解力，耐崩解重量比99.21％。因此本发明技术方案具有广泛的应用前景。

实施例2

现场喷洒补充水分方法实例：

(1)配置水玻璃溶液。配置的水玻璃溶液的浓度不小于3％，若对于二次循环耐崩解性指数I_d2<25％的软岩，选用的水玻璃溶液浓度不小于9％，水玻璃溶液的浓度越高，其效果越好。本实施例中选用配置浓度为12％的水玻璃溶液，备用。

(2)试验准备。根据现场机械与工程场地情况，设定施工工作面，工作面面积为A(m²)＝13m×20m。

(3)初估工作面喷洒液体体积量。开挖至建基面时，对软岩取试验块样，试验块不小于5cm×5cm×5cm，质量m₀，将水玻璃饱和溶液喷洒试验块表面，然后重复喷洒3-6次，间隔时间不少于2分钟；然后测试试验块喷洒后质量m₁，设定水玻璃饱和溶液体积密度ρ_L，建基面的软岩平均密度为ρ_s，浸润深度h＝5cm，估算工作面达到饱和含水率所需要喷洒液体体积量：

(4)开挖后建基面补水施工。称取至少0.95*L用量的水玻璃溶液，采用人工喷洒方法，对工作面内建基面进行喷洒，直至浸润到表面，岩面瞬时有液体流动；循环喷洒4次，使基岩含水饱和度大于95％。喷洒后按原设计方案的要求进行建基面保护，如采取土工膜覆盖，防止建基面水分蒸发；本条建基面补水的目的是建基面软岩(基岩)在开挖前处于较高应力压缩状态，开挖揭露后卸荷回弹使基岩发生回弹变形，处于非饱和状态，同时因地质条件复杂，开挖前基岩含水率差异大，干湿不均，因此开挖后补水可以使基岩含水率接近饱和含水率。

(5)工序交接时间段建基面补水施工。对于建基面软岩(基岩)开挖(上道工序)至喷射混凝土层(下道工序)的时间很长的工况，持续监测建基面干燥状态，当建基面软岩的含水饱和度低于95％后，重复步骤(3)(4)，对建基面软岩补水，补水要求也是要求进行多次循环喷洒，每次喷洒至浸润到表面，岩坡表面瞬时有液体流动，循环喷洒4次；本条建基面补水的目的是考虑从建基面软岩(基岩)开挖(上道工序)至喷射混凝土层(下道工序)的时间过长，因水分蒸发使基岩面处于较为干燥状态，防止基岩面因干燥收缩而开裂，加大基岩的含水率损失的深度，进而导致表层深部基岩的崩解。

(6)下道工序施工前建基面补水施工。重复步骤(3)(4)，对建基面软岩补水，补水要求也是要求喷洒直至浸润到表面，岩坡表面瞬时有液体流动，循环喷洒4次；本条建基面补水的目的是考虑从建基面软岩(基岩)开挖(上道工序)至喷射混凝土层(下道工序)的时间可能较长，因水分蒸发使基岩面处于较为干燥状态，防止喷射混凝土层后基岩面吸收混凝土中水分，导致混凝土收缩开裂，而基岩面吸水膨胀崩解泥化，进而使喷射混凝土层与基岩面联接不佳，存在松散泥层；因此必需再喷洒水玻璃饱和溶液，补充水分，提高喷射混凝土层施工质量。

本发明水玻璃修复方法通过喷洒水玻璃溶液可以补充建基面软岩水分，增大含水率，防止崩解。软岩的崩解程度与含水率状态的相关。软岩裸露在空气中风干失水会引起软岩收缩开裂，此时如遇水浸泡则易产生软岩崩解；但本发明采用水玻璃溶液湿润失水软岩，使软岩含水率增大，水分恢复，此时即使遇水浸泡，也不发生崩解。因此建基面开挖后可用水玻璃溶液喷湿软岩表面，软岩因失水必然会吸收水玻璃溶液中的水分，起到补充水分的作用，降低软岩的水分蒸发程度，并且软岩不发生崩解，同时减弱了软岩因水分蒸发引起裂隙继续开展的可能性，从而保持了软岩的强度，使边坡处于长期稳定的状态。

其次，本发明还可以阻止软岩裂隙继续发展，增强软岩强度。现有研究表明，软岩因含有粘土矿物，强度较低，抗拉强度小，在湿度变化时，软岩因粘土矿物蒸发失水，产生的收缩应力很容易大于抗拉强度而引发开裂，从而降低软岩强度。经研究发现“水玻璃溶液与软岩混合重塑样的膨胀力、无荷膨胀率明显小于软岩重塑样”，本发明利用该试验成果在水玻璃饱和溶液湿润失水软岩时，控制水玻璃饱和溶液喷洒时间间隔，即控制了软岩的失水率，相应控制收缩应力，确保收缩应力小于抗拉强度，就能避免产生裂隙；同时现有研究成果表明，水玻璃溶液与软岩粘土成分发生离子交换反应，可增大强度，这就进一步说明本发明可阻止建基面原软岩裂隙继续发展，增强建基面原软岩强度。

对比例1

将干燥泥岩分别浸入浓度为12％的水玻璃溶液和纯水中崩解现象对比，如图2所示。干燥泥岩浸入水玻璃饱和溶液2min后，无气泡，液体仍保持清澈，无明显的崩解现象产生，如图2(a)所示；浸入10min后仅有开裂现象，但液体仍保持清澈，无明显的泥化现象，如图2(c)所示；而干燥泥岩浸入纯水2min后，大量气泡产生，具有明显的崩解现象，细颗粒的产生使液体混浊，如图2(b)所示，而浸入10min后完成崩解，如图2(d)所示。

该试验现象对比表明，干燥泥岩具有强崩解性，遇水后快速崩解、泥化；同时说明水玻璃溶液具有防止泥岩崩解的功能，由此，通过水玻璃溶液可以对泥岩补水，达到防止泥岩崩解，维持泥岩强度的功效。本试验中试样开裂是试样烘干后裂隙已经产生，但浸入水玻璃饱和溶液后，初期试样无明显膨胀现象，裂隙表现不明显，10min后膨胀明显，裂隙显著，但无明显细颗粒产生。

该试验现象对比表明本发明功效明显。

Claims (8)

1.一种防止软岩崩解的水玻璃修复方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤a、将开挖后建基面设定为施工工作面，施工工作面的面积为A，建基面的软岩平均密度为ρ_s，在建基面上取试验块样，其质量为m₀；将密度为ρ_L的水玻璃溶液喷洒试验块样的上表面，直至浸润到表面，岩面瞬时有液体流动后方可停止，重复喷洒N次，每次间隔时间不少于2分钟，然后测试试验块样喷洒后的质量m₁和浸润深度h，通过下述公式计算出施工工作面达到饱和含水率所需要喷洒水玻璃溶液的体积量L，所述公式为：

步骤b、称取至少0.95*L用量的水玻璃溶液，分成N次对施工工作面进行循环连续喷洒，使开挖后建基面软岩的含水饱和度大于95％，上述所用的水玻璃溶液浓度不小于3％。

2.根据权利要求1所述的一种防止软岩崩解的水玻璃修复方法，其特征在于：所述水玻璃溶液浓度不小于9％。

3.根据权利要求1或2所述的一种防止软岩崩解的水玻璃修复方法，其特征在于：所述循环连续喷洒至少3次，每次间隔的时间不少于2分钟。

4.根据权利要求1或2所述的一种防止软岩崩解的水玻璃修复方法，其特征在于：在对建基面进行下一步施工前，持续监控建基面干燥状态，当建基面软岩的含水饱和度低于95％后，对建基面进行水玻璃溶液喷洒。

5.根据权利要求1或2所述的一种防止软岩崩解的水玻璃修复方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：所述N为3、4、5或6。

6.根据权利要求1或2所述的一种防止软岩崩解的水玻璃修复方法，其特征在于：所述试验块样体积不小于5cm×5cm×5cm。

7.根据权利要求1或2所述的一种防止软岩崩解的水玻璃修复方法，其特征在于：对水玻璃溶液喷洒后的建基面进行建基面保护，防止建基面水分蒸发。

8.根据权利要求7所述的一种防止软岩崩解的水玻璃修复方法，其特征在于：所述建基面保护为土工膜覆盖。

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