CN1760466A - 海积软土地基固化剂及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地基软土的强化，特别是涉及利用水泥和氢氧化钠加强地基软土硬度的一种地基软土固化剂及其制备方法，可以应用于对软土地基处理。软土是软弱粘性土的简称，主要包括淤泥、淤泥质土、泥炭土等，含水量高、孔隙比大、强度及承载力低，覆盖层较薄，工程性质极差，很难直接作为工程建筑的天然地基，必须要加以处理。本发明的技术方案：这种地基软土固化剂，包括主剂水泥、付剂氢氧化钠和水。软土地基固化剂的制备方法，要经过计算水泥的用量、氢氧化钠用量等几个步骤。本发明的有益效果：通过现场试验证明，用水泥作为主剂，氢氧化钠为辅剂，加固海积软土，比用普通水泥加固强度可提高强度20％，降低费用10％，具有工程应用推广价值。

Description

海积软土地基固化剂及制备方法

技术领域

本发明涉及地基软土的强化，特别是涉及利用水泥和氢氧化钠加强地基软土强度的一种软土地基固化剂及其制备方法，可以应用于对软土地基的处理。

背景技术

按照天津滨海新区发展规划要求，滨海新区将建成面向21世纪的高度开放的现代化经济新区，将成为天津市及区域经济最大的增长点。加快滨海新区的开发，已成为环渤海区域发展乃至全国发展战略布局的重要组成部分。天津滨海新区属于典型的滨海相一海陆交互相沉积所形成的软土地基，随着新区发展建设的需要，工程建设类型越来越多，工程建设规模越来越大，对工程建筑地基的强度和变形要求越来越高。深入研究滨海新区软土的工程特性、强度理论及软土地基处理技术，已成为加快新区建设、改善投资环境、科学合理利用现有土地资源的重要研究课题。

软土是软弱粘性土的简称，主要包括淤泥、淤泥质土、泥炭土等，软土一般是静水或缓慢水流中以细颗粒为主的近代沉积物。软土具有含水量高、孔隙比大、强度及承载力低，一般很难直接作为工程建筑的天然地基。我国《岩土工程勘察规范》中规定：天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的细粒土判定为软土，其土压缩系数大于0.5MPa^-1、不排水抗剪强度小于30KPa。天津滨海新区主要分布为海积软土。

通过对滨海新区大港、塘沽、汉沽钻探取样分析及综合已有资料表明，天津滨海新区在地下20为以上范围，广泛分布着海积软土(第一海相层)—淤泥质粘土以及淤泥质粉质粘土，软土厚度一般5米～10米，塘沽地区最大厚度可达15米。由于该软土工程性质极差，软土覆盖层较薄，工程很难直接利用，必须要加以处理。

发明内容

凡是能改善和提高土壤技术性能的液体和粉状材料均称为土壤固化剂。20世纪初，一些发达国家由于新建道路、港口、机场等工程，需要采用石灰、水对土壤进行改良，取得了良好效果。但是，在长期工程实践中，人们逐渐认识到这些固化材料存在明显的不足。

在长期的工程实践中，本发明对软土进行了大量的深层次的研究和开发，做了大量的试验，得到了一些明显的结果：

纯水泥土的实验：

水泥土的强度比素土的强度明显提高。在最佳含水量情况下，当水泥含量增加，强度有增加的趋势，但在水泥含量超过18％以后，强度增加就不十分明显。在天然含水量情况下，模拟现场搅拌法做室内试验也发现水泥含量超过18％以后，强度增加不理想。

增量法与置换法掺石膏的实验：

石膏作为外加剂，在最佳含水量情况下，不管是增量法还是置换法，对水泥土强度的提高并无益处。与国内有些学者的试验结果(高含水量情况下水泥土掺适量的石膏能提高水泥土强度)不一致。

增量法掺石灰的实验：

石灰可作为水泥土(最佳含水量)的外加剂，在水泥含量一定的情况下，有一个最佳掺量。如当水泥含量为15％时，石灰最佳掺量为10％；在此掺量下，其强度比纯水泥土高20％～30％。

增量法掺粉煤灰的实验：

粉煤灰可作为水泥土(最佳含水量)的外加剂，用粉煤灰作为外加剂时，早期强度小，后期强度较好。在水泥含量一定的情况下，有一个最佳掺量。如当水泥含量为15％时，粉煤灰最佳掺量为3％；当水泥含量为12％时，粉煤灰最佳掺量为6％。在此掺量下，其强度比纯水泥土高20％～30％。在天然含水量情况下，粉煤灰作为外加剂对改善水泥土的强度有限，28天无侧限抗压强度比纯水泥土仅高出8％。

增量法掺石膏和粉煤灰的实验：

掺石膏和粉煤灰混合外加剂的水泥土，在相同的试验条件下，其强度比纯水泥土小。强度减小最高达50％以上，说明这两种混合外加剂对改良水泥土强度并无益处。

用硫酸钠(NA₂SO₄)置换法的实验：

用Na₂SO₄作为置换法外加剂时，浸水试验不能进行，试样遇水强烈崩解。

用氢氧化钠置换法的实验：

NaOH是所有外加剂中最佳的选择，掺量不超过1％，最佳在0.5％∽0.8％之间。加固土强度提高明显，28天无侧限抗压强度比纯水泥土高42％∽59％。在工程中很经济，值得推广应用。

在上述深层次的研究和开发的基础上，技术水平有了新的提高，在改良的材料上，由单一的水泥、石灰、粉煤灰和石膏发展到由主剂和辅剂两部分。在原有主剂的基础上，添加土壤激发素，根据固化土体不同及环境条件，研制成新的土壤固化剂，实现了人们久已想往的“土变石头”的梦想。

本发明对软土固化剂进行多组方案系统地室内研究，并以土体微结构研究成果为指导，对固化机理及作用本质进行深入探讨。并对加固土体所处的物理及化学环境，特别是pH值对固化效果的影响进行系统的实验研究。研究表明：pH值是影响水泥固化强度的重要因素之一。

通过大量地软土固化室内试验研究，优选出以水泥作为主剂，氢氧化钠NaOH为辅剂作用海积软土固化剂，是一种经济实用，强度显著提高的新的地基处理技术方案。

本发明的目的在于公开一种“海积软土地基固化剂及制备方法”的技术方案，其内容如下：

海积软土地基固化剂，其特点在于它包括下述成分及其重量百分比：

主剂                  水泥                10-15％

付剂                  氢氧化钠            0.5-1.0％

水                                        按水灰比0.55计算

以地基软土为％。

海积软土地基固化剂的制备方法，要经过下述步骤：

1)根据所要加固地基软土的重量，按10％、15％的重量比计算水泥的用量，

2)按0.5-1.0％的重量比计算所需的氢氧化钠NAOH重量，

3)再按0.55的水灰比计算出用水量，

4)制备0.5％-1.0％NAOH溶液

取3)中计算出的用水量的30-40％，将按2)计算出的NAOH加入水中，充分搅拌，

5)制备10-15％的水泥浆

将按1)计算出的水泥的用量，加入到3)中计算出的用水量的60-70％中，充分搅拌。

海积软土地基固化剂的使用方法，其特点在于：

1)软土地基固化剂的使用温度要在30度以下，温度太高影响水泥水化反应，

2)按比例先向地基软土中加入0.5-1.0％NAOH，控制地基软土的pH值在：12.5-13.0之间，即要求强碱环境，充分搅拌，

3)再按比例向地基软土加入10-15％的水泥浆，充分搅拌。

或

按比例将一定量的0.5-1.0％NaOH和10-15％的水泥混合，充分搅拌，再加入到软土地基中，再充分搅拌。

本发明的有益效果：通过现场试验证明，用水泥作为主剂，氢氧化钠NaOH为辅剂，加固滨海新区高含水量海积软土，在水环境(pH值)、温度、施工技术综合调控下，比用普通水泥加固强度可提高强度20％，降低费用10％，是目前天津滨海新区软土地基处理理想的固化剂，具有工程应用推广价值。

附图说明

图1：研究技术路线框图

具体实施方式

通过大量室内试验得出了如下结论：用水泥作为固化剂主剂的同时以粉煤灰、NaOH做为外加剂，可以实现降低造价、提升处理效果的目的，其中NaOH是所有外加剂中最为理想的选择。在室内试验提出的最佳掺量的情况下，以塘沽东北侧靠近胜利宾馆附近津塘公路旁一工程场地为基础，直接施打深层搅拌桩对天津滨海地区软土固化处理试验，验证其工程实用性，以便指导滨海新区软基处理的工程实践。

施工工艺：按水灰比0.50-0.60计算水的用量，将辅剂氢氧化钠溶解于30％的水中，待温度降到30℃左右时加入到软土地基中充分搅拌；将主剂水泥溶解于70％的水中，制成水泥浆，然后加入到软土地基中充分搅拌。或先将辅剂氢氧化钠溶解于水中，待温度降到30℃左右时，将主剂水泥也溶解于水中，形成混合液，然后加入到软土地基中充分搅拌。前一种方法能先让地基软土变成强碱环境，有利于水泥与土更好发生的一系列化学反应。

(一)现场试验内容

1、现场以水泥为单一固化剂，与室内试验采用相同的配比，并在7天、28天期龄进行钻探取芯作室内抗压强度试验，与室内无侧限抗压强度进行对比；

2、现场以水泥为固化剂主剂，掺入粉煤灰为辅剂，与室内试验采用相同的配比，并在7天、28天期龄进行钻探取芯作室内抗压强度试验，与仅掺入水泥的桩身强度、室内无侧限抗压强度进行对比；

3、现场以水泥为为固化剂主剂，掺入NaOH为辅剂，并在7天、28天期龄进行钻探取芯作室内抗压强度试验，与仅掺入水泥的桩身强度、室内无侧限抗压强度进行对比；

(二)现场试验成果分析

现场施工深层搅拌桩8根，有效桩长8.5米，分别于施工7天、28天现场取芯，每米各取一土样，共取32个芯样进行室内无侧限抗压强度试验。试验结果如下：

                           表5-3现场试验检测成果表

序号	检测深度	名称	7天(Mpa)	28天(Mpa)	名称	7天(Mpa)	28天(Mpa)
								1	1.0～2.0	15％水泥土	0.23	0.30	10％水泥土掺0.8％NaOH	0.25	0.48
2	2.0～3.0	0.17	0.32	0.25	0.48
						3	3.0～4.0	0.15	0.36		0.24	0.45
4	4.0～5.0	0.18	0.31	0.22	0.42
						5	5.0～6.0	0.20	0.38		0.21	0.39

6	6.0～7.0		0.19	0.31		0.20	0.44
								7	7.0～8.0	0.16	0.34	0.20	0.36
8	8.0～8.5		0.15	0.31		0.18	0.36
								9	1.0～2.0	15％水泥土掺3％粉煤灰	0.22	0.30	10％水泥土掺0.8％NaOH	0.25	0.47
10	2.0～3.0	0.17	0.35	0.24	0.45
						11	3.0～4.0	0.15	0.36		0.24	0.42
12	4.0～5.0	0.18	0.33	0.22	0.36
						13	5.0～6.0	0.20	0.38		0.22	0.36
14	6.0～7.0	0.19	0.31	0.21	0.45
						15	7.0～8.0	0.16	0.34		0.20	0.36
16	8.0～8.5	0.15	0.31	0.18	0.35

现场钻孔取芯抗压强度表明，NaOH作为外加剂能代替是其本身几倍的水泥量，对水泥土强度有很大的提高，10％水泥土掺0.8％NaOH的强度比15％水泥土还要高出20％。粉煤灰作为外加剂早期强度低，后期强度有所提高，但提高的不多，不到1％。有此可见NaOH是理想的外加剂，且经济效应明显，与室内试验的结果基本一致。

主要工作

1、野外现场调查220km²；

2、钻探120m、静探97m；

3、钻孔取样150个；

4、室内试验

(1)颗分108个

(2)渗透试验9组，18个

(3)比重试验6组，12个

(4)无侧限抗压试验，876个

(5)固结试验，115个

(6)剪切试验，109个

(7)三轴不固结不排水剪切试验9组，27个

(8)界限含水率试验，98个

(9)击实试验40组，200个击实点

(10)全矿物分析6个

(11)粘土矿物分析6个

(12)土壤化学分析6个

(13)微结构试验，108个，拍摄照片348张

(14)能谱，76个

5、现场实验

(1)现场成桩8根(4组)

(2)抽芯力学实验(无侧限抗压)

实验方法及设备配置

1、采用薄壁取土器

2、微观样品采用液氮冷干法

3、颗分采用自动粒度分析仪

4、微结构采用扫描电子显微镜

5、图像采集及数字化处理采用leicalQwin5000图像处理系统

本发明的主要研究结果：

1.综合滨海新区地质资料，以海积软土为主要对象，建立了三维岩土结构模型，并采用自行开发的虚拟三维地学空间信息系统，实现了天津滨海新区三维地层信息浏览查询系统。

2.通过对滨海新区海积软土微结构特征研究，制定了软土微结构因素指标及定量化参数。研究表明，滨海新区海积软土均属结构性土，大港区结构性较强，塘沽区结构性较弱，而汉沽区在二者之间。

3.通过对滨海新区海积软土在不同应力作用下表现的微结构特征的定量分析，建立了宏观力学性质与微观结构的关系及相关图系，并开展了对大港、塘沽、汉沽三区软土的对比性研究。

4.基于分形理论对滨海新区软土微结构进行了系统的研究，建立了孔隙平面分维值与压力的变化关系；并首次提出用孔隙结构因子(PSF)来判定土的结构性强度及破坏趋势量化指标。

$\mathrm{PSF}=\frac{1}{R}\·\frac{D_p\·D}{F\·I_n}$

式中：PSF(Pore Structure Factor)-孔隙结构因子；

R-所用显微镜的分辨率(Resolution)；

D-平均等效直径(Equiv Diam)；

F-充填比(FullRatio)；

In-各向异性率；

Dp-平面分维数。

5.以滨海新区软土微结构与宏观力学性质的关系为指导，开展了土壤固化剂在海积软土地基处理中的应用研究，通过系统室内试验，并对固化机理进行了探讨。在综合考虑软土的工程环境、经济合理、安全适用的原则下，提出以水泥为主剂，氢氧化钠为辅剂的应用固化剂加固海积软土地基的技术方法。

本发明采取理论分析与试验成果相结合；定性分析与定量统计分析相结合；室内试验成果与现场工程试验相结合；使土的结构性分析与土的强度及变形内在的本质研究贯穿于整个研究的过程及始终。本研究在汇总前人大量基础地质研究的基础上，实施代表地段钻探及系统的取样工作，采用了三维可视化技术用自行研制的地层信息系统，建立滨海新区三维地层信息浏览查询系统，实现地下岩土结构的实时可视化。本研究采用了液氮冷冻真空脱水制样技术、LEO场发射扫描电子显微镜成像及Leica Qwin5000图像处理等先进技术及设备，对软土固化剂开展了大量系统地室内试验并进行工程实验，取得了一批很有科学意义和工程应用价值的成果。本本发明取得的主要结论：

1、滨海新区在工程岩土范围内(40米深以上)广泛分布有海积软土，特别地下20米深的范围内，第一海相层新近沉积的淤泥质粘土，含量高、孔隙比大、强度及承载力低，软土工程环境差，一般工程建筑必须进行人工处理，是滨海新区主要的工程病害层。

2、通过室内力学试验表明，滨海新区海积软土均为结构性土，其中大港区软土结构性相对明显，并属于高灵敏度土，汉沽区次之，塘沽区软弱。三区取样深度均为10m的软土的结构屈服压力分别为195Kpa、187Kpa和176Kpa。

3、通过对滨海新区海积软土全矿物成分及颗粒分析表明，大港区颗粒级配很好，汉沽区次之，塘沽区级配最差；三区矿物成分主要以石英、长石为主，除塘沽区占45％以外，其他二区均占50％以上。三区粘土矿物均以蒙脱石、伊利石为主。其中塘沽区海积软土粘土矿物90％以上为蒙脱石、伊利石。对软土工程性质及结构性有重要影响。

4、在压力作用下，海积软土微结构指标孔隙含量、孔隙平均等效直径、平面孔隙率、孔隙平面分维数，岁着压力的增加逐渐边小，孔隙定向性逐渐增强。说明孔隙发育程度降低，土的密实度增加。

5、通过对海积软土多种分形特征研究表明，孔隙多重分形谱特征参数f(a)_max可作为土质松散与密实的指标。f(a)_max值越高，土质越松散。滨海新区研究的结果是：塘沽区最高为1.980、大港区最低为1.953、汉沽区为二者之间为1.972。

6、本研究首次建立了反映土体破损趋势与结构性参数之间关系的评价指标——孔隙结构因子(PSF)，孔隙结构因子越大，土体破坏趋势越大，土的结构强度越小，并建立了滨海新区不同地区的PSF与荷载P的相关方程。

大港区：PSF＝3×10^-5P²-0.026P+10.03    R²＝0.94

塘沽区：PSF＝4×10^-5P²-0.038P+13.15    R²＝0.97

汉沽区：PSF＝3×10^-5P²-0.030P+11.45    R²＝0.95

主剂、辅剂计算实例(以1吨软土为例)

定义：

0.55的水灰比     水/干水泥     55/100

0.5％-0.8％NAOH  NAOH/湿土(算出NAOH后，用水溶解)  0.005-0.008克NAOH/100克湿土

10-15％水泥      10-15水泥/100湿土

1.10％干水泥的用量

1000kg×0.1＝100kg

2.0.5％NAOH的用量

1000kg×0.005＝5kg

3.以水灰比为0.55计算1吨软土的用水总量

100kg×0.55＝55kg

4.制备5kg NAOH溶液用水是用水总量55kg的30％-40％：

55×(30％--40％)＝16.5kg-22.0kg

5.制备10％的水泥浆用水量是用水总量55kg的60％-70％：

55kg×(60％--70％)＝33kg--38.5kg

6.将5kg NAOH加入16.5kg-22.0kg水中，充分搅拌，制成NAOH溶液备用

7.将10kg干水泥加入33kg-38.5kg水中，充分搅拌，制成水泥浆备用

8.将NAOH溶液加入软土地基中，充分搅拌

9.再将水泥浆加入软土地基中

或

将NAOH溶液和水泥浆混合，充分搅拌

再加入到软土地基中，充分搅拌。

Claims (3)

1.一种海积软土地基固化剂，其特征在于它包括下述成分及其重量百分比：

主剂  水泥              10-15％

付剂  氢氧化钠          0.5-1.0％

水                      按水灰比0.55计算

以地基软土为％。

2.根据权利要求1所述的海积软土地基固化剂的制备方法，其特征在于它要经过下述步骤：

1)根据所要加固地基软土的重量，按10％、15％的重量比计算水泥的用量，

2)按0.5-1.0％的重量比计算所需的氢氧化钠NAOH重量，

3)再按0.55的水灰比计算出用水量，

4)制备0.5％-1.0％NAOH溶液

取3)中计算出的用水量的30-40％，将按2)计算出的NAOH加入水中，充分搅拌，

5)制备10-15％的水泥浆

将按1)计算出的水泥的用量，加入到3)中计算出的用水量的60-70％中，充分搅拌。

3.根据权利要求1所述的海积软土地基固化剂的使用方法，其特征在于：

1)软土地基固化剂的使用温度要在30度以下，温度太高影响水泥水化反应，

2)按比例先向地基软土中加入0.5-1.0％NAOH，控制地基软土的pH值在：12.5-13.0之间，即要求强碱环境，充分搅拌，

3)再按比例向地基软土加入10-15％的水泥浆，充分搅拌。

或

按比例将一定量的0.5-1.0％NAOH和10-15％的水泥混合，充分搅拌，再加入到软土地基中，再充分搅拌。

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