一種基于納米級層狀硅酸鹽材料的砂土液化防治方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明是一種基于納米級層狀硅酸鹽材料的砂土液化防治方法，屬于領域工程地質學、納米材料科學、環(huán)境地質學、災害地質學等多學科交叉領域。
【背景技術】
[0002]我國地處環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，構造復雜，地震活動頻繁，是世界上大陸地震最多的國家，同時我國不少大中城市都廣泛分布著可液化土，一旦發(fā)生大規(guī)模破壞性地震，這些地區(qū)的工程構(建)筑物無疑將面臨地震液化災害可能帶來的嚴峻挑。開展液化防治研宄，具有重大的國家需求背景，對我國廣大可液化地區(qū)的地震液化防治具有重要的現(xiàn)實意義。由于水泥或硅酸鈉等傳統(tǒng)的化學材料具有較高粘性，無法滲透到整個場地進行加固，并且其施工過程具有較大擾動。因此，迫切需求一種易滲透、微擾動、無污染的新型液化防治方法，彌補當前使用傳統(tǒng)化學材料的液化防治方法的不足，為我國的液化治理開辟新的道路，同時深入研宄利用納米材料進行砂土液化防治的微觀機理，驗證與確認在地震荷載作用下該方法的抗液化效果，實現(xiàn)先進納米科技與工程地質的交叉融合，具有重要的科學研宄價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有使用傳統(tǒng)化學材料的液化防治方法具有的擾動大、滲透性差、不環(huán)保的問題，提供一種基于納米級層狀硅酸鹽材料的砂土液化防治方法。
[0004]為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案如下:
本發(fā)明提出的一種基于納米級層狀硅酸鹽材料的砂土液化防治方法，具體步驟如下:
(1)選用適用于液化防治的納米級層狀硅酸鹽材料；
(2)制備納米凝膠體系，確定凝膠時間T1'
(2.1)將步驟(I)選用的納米級層狀硅酸鹽材料與水作用形成兩相分散體，控制納米級層狀硅酸鹽材料占水的質量為3%-5%，制備納米分散劑；
(2.2)由于不同的納米分散劑的流變特性和凝膠時間長短不等，因此需要通過流變試驗，量測每一種納米分散劑的粘度和模量隨時間的變化，確定納米凝膠體系形成時間T1'
(3)制備納米復合砂土，確定養(yǎng)護時間T2'
(3.1)將步驟(2.1)所制備的納米分散劑，注入到可液化砂土中，經(jīng)過7；后，待納米凝膠完成，形成納米復合砂土；
(3.2)將形成的納米復合砂土在常溫條件下(25° C)養(yǎng)護，由于形成的納米復合的抗液化強度會隨著養(yǎng)護時間的增加而增加，以此利用動三軸試驗，量測不同養(yǎng)護時間下的納米復合砂土的抗液化強度，得到養(yǎng)護時間和納米復合砂土抗液化強度的關系，確定達到所需抗液化對應的最短時間即為養(yǎng)護時間T2'
(4)采用納米分散劑進行液化場地處理:
(4.1)納米分散劑的制備:根據(jù)步驟(2)所得到的建立納米凝膠體系所要求的納米顆粒與水的配比，制備處理場地所需的納米分散劑；
(4.2)水井的場地的布置:布置低水頭注入井和抽水井，抽水井布置在待處理場地的中央位置，抽水井以注水井為圓心，呈輻射狀對稱分布；
(4.3)納米分散劑的注入:利用注水井將制備好的納米分散劑注入到土中，并配合抽水井抽水，形成由處理場地周圍向處理場地中心方向運移的水力梯度，控制納米分散劑在土體孔隙間的運移方向；同時根據(jù)砂土的孔隙比和水力傳導特性，通過控制抽水井的速度來控制納米分散劑在土體孔隙間的運移速度；
(4.4)經(jīng)過(2)所確定的凝膠時間7；后，納米分散劑膠化形成納米凝膠體系，并使原有的砂土基體改性為納米復合砂土；
(4.5)根據(jù)(3)所確定的養(yǎng)護時間&養(yǎng)護將(4.4)形成的納米復合砂土，以達到所需抗液化強度，完成液化場地的處理。
[0005]本發(fā)明針對在地震荷載作用下的液化砂土，選擇適用于液化防治的納米級層狀硅酸鹽材料，開展基于流變學的納米凝膠體系的流變試驗研宄，分析凝膠體系的形成過程及其流變特性參數(shù)，確定配制一定質量濃度的納米分散劑對應的凝膠時間；通過動三軸試驗，研宄養(yǎng)護時間和納米復合砂土抗液化強度的關系，確定達到所需抗液化對應的養(yǎng)護時間；最后根據(jù)上述研宄，將制備好的納米分散劑，注入到待處理的潛在液化場地，形成穩(wěn)定的納米凝膠復合砂土，并養(yǎng)護以提高其抗液化強度，從而完成潛在液化場地的處理。
[0006]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于:
1)易滲透:納米粘土材料顆粒尺寸小，并且形成的納米水相分散體系在初期近似牛頓流體，易滲透，能夠均勻地分散至液化場地；
2)微擾動:由于其易滲透的特性，無需高壓作業(yè)便使其分散于土體中，故其施工過程擾動性較小；
3)無污染:傳統(tǒng)的防治液化的化學材料組分中常含有一些有害甚至有毒的化合物，因此液化場地環(huán)境會受到影響，而本發(fā)明所提出的納米粘土對土體及周邊環(huán)境的影響暫未發(fā)現(xiàn)。
【具體實施方式】
[0007]下面通過以適用于液化防治的典型納米級層狀硅酸鹽材料一一合成鋰藻土(Iaponite)以及娃溶膠(colloidal silica)為例進一步說明本發(fā)明。
[0008]實施例1:以典型納米級層狀娃酸鹽材料--合成鋰藻土(Iaponite)為例
(1)選用適用于液化防治的納米級層狀娃酸鹽材料--合成鋰藻土(Iaponite )，
Iaponite是片狀娃酸鹽納米顆粒，厚lnm，直徑25nm，表面帶負電荷；
(2)將納米顆粒Iaponite與水按質量濃度3%的比例配制納米分散劑，通過流變試驗確定3%的Iaponite分散劑的凝膠時間為24h ；
(3)將Iaponite分散劑，注入到可液化砂土中，經(jīng)過24h后，待納米凝膠完成，形成納米復合砂土，在通過動三軸試驗，確定納米復合砂土的養(yǎng)護時間為96h ；
(4)采用納米分散劑進行液化場地處理:
(4.1)制備3%的Iaponite分散劑；
(4.2)水井的場地的布置:布置低水頭注入井和抽水井，抽水井布置在待處理場地的中央位置，抽水井以注水井為圓心，呈輻射狀對稱分布；
(4.3) Iaponite分散劑的注入:利用注水井將制備好的Iaponite分散劑注入到土中，并配合抽水井抽水，形成由處理場地周圍向處理場地中心方向運移的水力梯度，控制納米分散劑在土體孔隙間的運移方向；同時根據(jù)砂土的孔隙比和水力傳導特性，通過控制抽水井的速度來控制納米分散劑在土體孔隙間的運移速度；
(4.4)經(jīng)過24h后，Iaponite分散劑膠化形成納米凝膠體系，并使原有的砂土基體改性為納米復合砂土；
(4.5)將納米復合砂土養(yǎng)護96h，完成液化場地的處理。
[0009]該液化防治方法的效果:利用動三軸儀，通過液化強度試驗測得利用Iaponite處理過后的復合砂土的液化強度，并對比未處理的砂土，證實其液化強度提高62.5%，說明該方法能夠有效地提高可液化砂土的抗液化強度。
[0010]實施例2:以典型納米級層狀娃酸鹽材料--娃溶膠(colloidal silica)為例
(1)選用適用于液化防治的納米級層狀娃酸鹽材料--娃溶膠(colloidal silica)，
colloidal silica是一種穩(wěn)定的二氧化娃顆粒的水相分散劑，其粒徑尺寸為2_100nm，表面帶負電荷；
(2)將colloidalsilica與水按質量濃度5%的比例配制納米分散劑，通過流變試驗確定5%的colloidal silica分散劑的凝膠時間為56h ；
(3)將colloidalsilica分散劑，注入到可液化砂土中，經(jīng)過56h后，待納米凝膠完成，形成納米復合砂土，在通過動三軸試驗，確定納米復合砂土的養(yǎng)護時間為240h ；
(4)采用納米分散劑進行液化場地處理:
(4.1)制備 5% 的 colloidal silica 分散劑；
(4.2)水井的場地的布置:布置低水頭注入井和抽水井，抽水井布置在待處理場地的中央位置，抽水井以注水井為圓心，呈輻射狀對稱分布；
(4.3)colloidal silica分散劑的注入:利用注水井將制備好的colloidal silica分散劑注入到土中，并配合抽水井抽水，形成由處理場地周圍向處理場地中心方向運移的水力梯度，控制納米分散劑在土體孔隙間的運移方向；同時根據(jù)砂土的孔隙比和水力傳導特性，通過控制抽水井的速度來控制納米分散劑在土體孔隙間的運移速度；
(4.4)經(jīng)過56h后，colloidalsilica分散劑膠化形成納米凝膠體系，并使原有的砂土基體改性為納米復合砂土；
(4.5)將納米復合砂土養(yǎng)護240h，完成液化場地的處理。
【主權項】
1.一種基于納米級層狀硅酸鹽材料的砂土液化防治方法，其特征在于具體步驟如下: (1)選用適用于液化防治的納米級層狀硅酸鹽材料； (2)制備納米凝膠體系，確定凝膠時間T1' (2.1)將步驟(I)選用的納米級層狀硅酸鹽材料與水作用形成兩相分散體，控制納米級層狀硅酸鹽材料占水的質量為3%-5%，制備納米分散劑； (2.2)由于不同的納米分散劑的流變特性和凝膠時間長短不等，因此需要通過流變試驗，量測每一種納米分散劑的粘度和模量隨時間的變化，確定納米凝膠體系形成時間T1' (3)制備納米復合砂土，確定養(yǎng)護時間T2' (3.1)將步驟(2.1)所制備的納米分散劑，注入到可液化砂土中，經(jīng)過7；后，待納米凝膠完成，形成納米復合砂土； (3.2)將形成的納米復合砂土在常溫條件下(25° C)養(yǎng)護，由于形成的納米復合的抗液化強度會隨著養(yǎng)護時間的增加而增加，以此利用動三軸試驗，量測不同養(yǎng)護時間下的納米復合砂土的抗液化強度，得到養(yǎng)護時間和納米復合砂土抗液化強度的關系，確定達到所需抗液化對應的最短時間即為養(yǎng)護時間T2' (4)采用納米分散劑進行液化場地處理: (4.1)納米分散劑的制備:根據(jù)步驟(2)所得到的建立納米凝膠體系所要求的納米顆粒與水的配比，制備處理場地所需的納米分散劑； (4.2)水井的場地的布置:布置低水頭注入井和抽水井，抽水井布置在待處理場地的中央位置，抽水井以注水井為圓心，呈輻射狀對稱分布； (4.3)納米分散劑的注入:利用注水井將制備好的納米分散劑注入到土中，并配合抽水井抽水，形成由處理場地周圍向處理場地中心方向運移的水力梯度，控制納米分散劑在土體孔隙間的運移方向；同時根據(jù)砂土的孔隙比和水力傳導特性，通過控制抽水井的速度來控制納米分散劑在土體孔隙間的運移速度； (4.4)經(jīng)過(2)所確定的凝膠時間7；后，納米分散劑膠化形成納米凝膠體系，并使原有的砂土基體改性為納米復合砂土； (4.5)根據(jù)(3)所確定的養(yǎng)護時間&養(yǎng)護將(4.4)形成的納米復合砂土，以達到所需抗液化強度，完成液化場地的處理。
【專利摘要】本方法是一種基于納米級層狀硅酸鹽材料的砂土液化防治方法，本發(fā)明公開提出了一種基于納米級層狀硅酸鹽材料的微擾動化學灌漿法。該方法利用了納米材料特有的尺寸效應和特殊的物理化學特性，將其分散于水中形成納米分散劑?；诩{米顆粒分散劑的流變特性，將其分散于待進行液化防治處理的工程場地中，待一定時間的膠化后形成納米凝膠體系，將原有的砂土基體改性為納米復合砂土，從而提高原有可液化場地的抗液化性能。本發(fā)明是一種易滲透、微擾動、無污染的新型液化防治方法，彌補了當前液化防治方法的不足，同時實現(xiàn)了納米科學與工程地質學的交叉融合，有力推動納米材料在地質災害防治領域，尤其是地震液化防災減災中的應用與創(chuàng)新，具有重要的科學理論價值及工程應用前景。
【IPC分類】E02D3-12
【公開號】CN104846806
【申請?zhí)枴緾N201510148695
【發(fā)明人】黃雨, 王琳
【申請人】同濟大學
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年4月1日