專利名稱：一種膨脹性軟巖土的原位改性加固方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種軟巖土體的加固方法，尤其是一種應(yīng)用于巖土工程的災(zāi)害防治和 軟基處理的膨脹性軟巖土原位改性加固方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有膨脹性巖土的工程領(lǐng)域中，都有一個(gè)災(zāi)害防治和軟基處理問(wèn)題，包括地質(zhì) 災(zāi)害和工程災(zāi)害，尤其是軟巖巷道的支護(hù)與加固，其中重點(diǎn)處理和防治的對(duì)象是膨脹性軟 巖土體，這種巖土體往往含有大量黏土礦物，通常為蒙脫石族、伊利石族和高嶺石族等三大 類，在這三大類中又以蒙脫石族的性能最差，蒙脫石是一種物理化學(xué)性質(zhì)極端活潑的物質(zhì)， 極易吸水膨脹，產(chǎn)生膨脹應(yīng)力使處于這類巖土體中的工程建筑產(chǎn)生大變形；且吸水后巖土 體強(qiáng)度迅速降低甚至泥化，導(dǎo)致巖土體失穩(wěn)而坍塌，造成安全事故，危及人身安全。在工程中對(duì)膨脹性軟巖土體的加固支護(hù)處理方法基本上是被動(dòng)的支護(hù)與錨固、注 漿加固和夯實(shí)碾壓，這些方法均是通過(guò)改變軟巖的外在因素以控制軟巖工程的穩(wěn)定性，存 在著較大的局限性和時(shí)效性，因此，尋求提高軟巖土體自身的物理力學(xué)特性以控制軟巖土 體及其工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性的方法顯得十分迫切。發(fā)明專利CN101319612A公開了“一種軟巖的電化學(xué)加固方法”，其基本原理是采 用人工方法對(duì)軟巖施加直流電場(chǎng)，在電場(chǎng)作用下軟巖內(nèi)部帶電離子發(fā)生定向移動(dòng)，從而使 軟巖的物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，吸水膨脹性降低，強(qiáng)度提高，產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的固化。但由 于對(duì)軟巖電化學(xué)特性、水理特性、電化學(xué)加固效果缺少專業(yè)系統(tǒng)的研究，以及實(shí)際施工過(guò)程 中所需電流、電壓、電解液、加電時(shí)機(jī)、加電時(shí)間和加電方式等參數(shù)認(rèn)識(shí)不清，造成該方法缺 少實(shí)際操作性，進(jìn)而無(wú)法在工程實(shí)踐中推廣應(yīng)用。發(fā)明專利CN101462894公開了一種“軟巖表面憎水處理方法”，其基本原理是在 軟巖表面噴淋憎水高分子表面活性劑對(duì)軟巖表面進(jìn)行封護(hù)，防止大氣中的水蒸汽進(jìn)入軟巖 中，但這種方法只是阻止或延緩了軟巖土體的工程性質(zhì)的劣化速度，并沒(méi)有從根本上改變 軟巖本身的力學(xué)和物理化學(xué)特性，工程實(shí)踐證明使用該方法處理的軟巖土體僅能保持原有 特性數(shù)月，仍需不斷的返修，無(wú)法滿足軟巖土工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種膨脹性軟巖土的原位改性加固 方法，以改變膨脹性軟巖土體物質(zhì)成分和微結(jié)構(gòu)，從根本上改變軟巖土體的物理力學(xué)特性， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軟巖土的長(zhǎng)期穩(wěn)定?；谏鲜鰡?wèn)題和目的，本發(fā)明所采取的措施是一種膨脹性軟巖土原位改性加固方 法，該方法包括下列步驟(1)對(duì)軟巖土取樣，制成巖土芯試件；(2)對(duì)巖土芯試件進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度、膨脹、軟化、崩解和浸泡吸水試驗(yàn)，得到相應(yīng)參 數(shù)；
(3)對(duì)巖土芯試件進(jìn)行滲透注漿改性試驗(yàn)，得到注漿壓力、作用時(shí)間、溫度與改性 液滲透擴(kuò)散的速度和范圍的關(guān)系曲線；(4)對(duì)上述步驟(3)得到注漿后的巖土芯試件再次進(jìn)行上述步驟(2)所述的試 驗(yàn)；(5)對(duì)比上述步驟(2)和上述步驟(4)的試驗(yàn)結(jié)果，確定滲透注漿改性參數(shù)；(6)根據(jù)上述步驟(3)和步驟(5)的試驗(yàn)結(jié)果，確定軟巖土體中注漿孔的深度和間 排距，并進(jìn)行打孔、埋管和水泥砂漿封孔；(7)對(duì)軟巖土體中壓注改性硅烷偶聯(lián)劑；其注漿壓力是1 5MPa，注漿溫度是 20 100°C，注漿時(shí)間是1 5d ；(8)對(duì)軟巖土體表面噴淋改性硅烷偶聯(lián)劑，實(shí)現(xiàn)對(duì)膨脹性軟巖土原位改性加固。在上述一種膨脹性軟巖土原位改性加固方法中，所述的硅烷偶聯(lián)劑是KH550、 KH560、KH570、KH580和KH590中的一種；所述的注漿溫度進(jìn)一步選為75 85°C ；所述的滲 透注漿改性試驗(yàn)裝置是試驗(yàn)架中設(shè)置有試樣模具和巖土芯試樣；在試驗(yàn)架的底端設(shè)有瀉流 口 ；在試驗(yàn)架的頂端由高壓軟管連通盛有改性液硅烷偶聯(lián)劑的加熱容器，并在高壓軟管上 設(shè)置有手搖泵、單向閥和壓力表。本發(fā)明膨脹性軟巖土原位改性加固方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下突出的實(shí)質(zhì)性 特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步(1)本發(fā)明通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑與軟巖土的偶聯(lián)反應(yīng)，改變軟巖土的物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)， 排除軟巖土內(nèi)部結(jié)構(gòu)水，增強(qiáng)軟巖土的物理力學(xué)性能，降低其水敏性，從而從根本上解決了 軟巖土工程的加固問(wèn)題。(2)加固改性材料無(wú)色無(wú)味無(wú)毒性，不會(huì)形成對(duì)環(huán)境的二次污染。(3)本方法可使膨脹性軟巖土的浸泡吸水率降低63. 1 % 92. 7 %，強(qiáng)度提高 1. 4 2. 3 倍。


圖1是本發(fā)明膨脹性軟巖土原位改性加固方法實(shí)施路線圖；圖2是本發(fā)明滲透注漿改性試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明注漿壓力與改性液擴(kuò)散半徑的關(guān)系曲線圖；圖4是本發(fā)明注漿時(shí)間與改性液擴(kuò)散半徑的關(guān)系曲線5是本發(fā)明注漿改性前后巖樣浸泡吸水率隨時(shí)間的變化曲線圖；圖6是本發(fā)明注漿改性前后巖樣自由膨脹率隨時(shí)間的變化曲線圖；圖7是本發(fā)明試件注漿改性后強(qiáng)度提高倍數(shù)與改性溫度的關(guān)系曲線圖；圖8是本發(fā)明某膨脹性軟巖巷道原位改性加固前后頂?shù)装逡平壳€。圖中改性液硅烷偶聯(lián)劑1、加熱容器2、高壓軟管3、手搖泵4、單向閥5、壓力表6、 試驗(yàn)架7、試樣模具8、巖土芯試樣9、瀉流口 10。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所稱的膨脹性軟巖土是指含有大量粘土礦物，在自然災(zāi)害以及人類活動(dòng)中 易于發(fā)生失水_吸水并產(chǎn)生脹縮性和工程特性和穩(wěn)定性持續(xù)降低的軟弱巖土體。
本發(fā)明所稱的粘土礦物是指具有片狀或鏈狀結(jié)晶格架的鋁硅酸鹽，它是由原生礦 物長(zhǎng)石及云母等鋁硅酸鹽礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化而成。鋁硅酸鹽由兩個(gè)主要部分組成，即硅氧四 面體和鋁羥基八面體。本發(fā)明在軟巖土體中注入硅烷偶聯(lián)劑，注入的硅烷偶聯(lián)劑和軟巖土所含粘土礦物 發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)，形成憎水硅_氧_鋁鍵將片狀結(jié)晶格架連接起來(lái)，從而提高軟巖的物理力學(xué) 強(qiáng)度，使其失去吸水膨脹性能。其主要原理有下列兩個(gè)方面(1)偶聯(lián)作用。硅烷偶聯(lián)劑與鋁羥基八面體發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)，形成憎水硅-氧-鋁化 學(xué)鍵連接片狀結(jié)晶格架，從而提高軟巖土強(qiáng)度，消除或降低其吸水膨脹性。具體反應(yīng)如下R-Si (OH) 3+(HO-[Al)[minerals] — (R-Si-0-[Al)[minerals]+ηΗ20(2)排水作用。通過(guò)偶聯(lián)作用將軟巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)水主要為層間水和羥基排出，降低軟 巖土含水量，從而使軟巖土強(qiáng)度增加。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作出進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明實(shí)施方式1 實(shí)施本發(fā)明一種膨脹性軟巖土的原位改性加固方法，是通過(guò)下述步驟進(jìn)行的第一步、對(duì)擬進(jìn)行改性加固的軟巖土體取樣，所取巖土體樣應(yīng)當(dāng)有代表性，將采 集到的軟巖土樣制成Φ200Χ400ι πι、Φ50Χ20Ι ΠΙ和Φ50Χ100Ι ΠΙ的巖土芯試件，其中 Φ 50 X IOOmm試件6個(gè)，Φ 50 X 20mm和Φ 200 X 400mm試件各3 5個(gè)，試件兩端面不平整 度誤差不得大于0. 1mm，上下端直徑偏差不得大于0. 2mm。并對(duì)試件顏色、層理、節(jié)理、裂隙、 礦物成分、風(fēng)化程度以及加工過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行描述記錄。對(duì)制樣困難的巖土樣采用 重塑樣加工試件。第二步、對(duì)Φ50Χ IOOmm試件進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，獲得軟巖土的單軸抗壓強(qiáng)度、彈 性模量、泊松比和軟化系數(shù)等數(shù)據(jù)；對(duì)Φ50X 20mm試件進(jìn)行膨脹試驗(yàn)、失水一吸水循環(huán)崩 解試驗(yàn)和浸泡吸水試驗(yàn)，獲得軟巖土的自由膨脹率、崩解指數(shù)和浸泡吸水率。第三步、對(duì)Φ 200 X 400mm巖芯試件進(jìn)行滲透注漿改性試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖2所示， 該裝置是在試驗(yàn)架7中設(shè)置有試樣模具8和巖土芯試樣9 ；在試驗(yàn)架7的底端設(shè)有瀉流口 10 ；在試驗(yàn)架7的頂端由高壓軟管3連通盛有改性液硅烷偶聯(lián)劑1的加熱容器2，并在高壓 軟管3上設(shè)置有手搖泵4、單向閥5和壓力表6。其滲透注漿改性試驗(yàn)的基本原理為手搖泵4將改性液硅烷偶聯(lián)劑1加壓后通過(guò)單 向閥5和注漿口壓入巖樣中，同時(shí)通過(guò)控制瀉流口 10及試樣模具8與試驗(yàn)架7的連接方式 來(lái)模擬不同注漿條件。具體試驗(yàn)過(guò)程在巖土試件9中心鉆取Φ 20mmX IOOmm的注漿孔，將高壓軟管3插 入注漿孔底，孔口密封，置入試樣模具8中。再將儀器裝配成一個(gè)整體，并檢驗(yàn)其密閉性。然 后將改性液硅烷偶聯(lián)劑1通過(guò)手搖泵4加壓至設(shè)計(jì)壓力注入巖芯試樣9中，不同試驗(yàn)條件， 采用不同顏色，同時(shí)打開瀉流口 10進(jìn)行試驗(yàn)，記錄整理注漿壓力、時(shí)間、溫度與改性液滲透 擴(kuò)散的速度和范圍的關(guān)系曲線。第四步、對(duì)注漿改性后試樣取芯進(jìn)行上述第二步的所述試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與第二 步所得試驗(yàn)結(jié)果比較，對(duì)比分析得出注漿改性效果與改性液種類、溫度以及注漿壓力、時(shí) 間、漿液擴(kuò)散半徑等參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。第五步、根據(jù)第三步和第四步的結(jié)果，確定軟巖土體上注漿孔的深度和間排距，并進(jìn)行打孔、埋管和封孔。第六步、對(duì)軟巖土壓注硅烷偶聯(lián)劑。第七步、對(duì)軟巖土體表面噴淋硅烷偶聯(lián)劑，即實(shí)現(xiàn)對(duì)膨脹性軟巖土原位改性加固。實(shí)施例1一種膨脹性軟巖土的原位改性加固方法，某膨脹性軟巖巷道，軟巖中粘土礦物以 蒙脫石含量為主，層理發(fā)育，取樣測(cè)得單軸抗壓強(qiáng)度為7. 5MPa,彈性模量800MPa，泊松比 0. 26，泡水后巖樣迅速崩解，浸泡吸水率45%?？梢圆捎酶男怨柰榕悸?lián)劑液KH550、KH560、 KH570、KH580或者是KH590，改性溫度20 100°C，注漿壓力1 5MPa對(duì)其進(jìn)行滲透注漿 改性試驗(yàn)，并對(duì)注漿改性后試樣進(jìn)行力學(xué)、自由膨脹和浸泡吸水試驗(yàn)。針對(duì)本實(shí)施例試驗(yàn)結(jié)果顯示改性液KH570的改性效果要好于其它四種，圖3至圖 7為改性液為KH570的具體試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)測(cè)得注漿壓力與改性液擴(kuò)散半徑的關(guān)系曲線見(jiàn) 圖3，注漿時(shí)間與改性液擴(kuò)散半徑的關(guān)系曲線見(jiàn)圖4，注漿改性前后巖樣浸泡吸水率隨時(shí)間 的變化曲線見(jiàn)圖5，注漿改性前后巖樣自由膨脹率隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖6，試件注漿改性 后強(qiáng)度提高倍數(shù)與改性溫度的關(guān)系曲線見(jiàn)圖7。從圖3至圖7可以看出，注漿改性后其浸泡 吸水率和自由膨脹度顯著降低，分別為達(dá)到92. 9%和95. 2% ；強(qiáng)度明顯提高，其提高程度與 濕度有關(guān)，其中80°C最高，達(dá)到2. 3倍。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果取注漿孔深度2. 5m,間排距1. 2m，封孔方式采用水泥砂漿封孔，封 孔長(zhǎng)度0. 4m,注漿材料KH570，注漿壓力2MPa，注漿溫度75 85°C，采用復(fù)注漿的方式對(duì)巷 道圍巖進(jìn)行注漿改性，并選用噴霧器對(duì)巷道表面噴淋75 85°C的KH570。與此同時(shí)采用傳 統(tǒng)的支護(hù)加固方法加固，原位改性加固前后巷道圍巖頂?shù)装逡平壳€見(jiàn)圖7，加固前最大 移近量1143mm，加固后最大移近量291mm，僅為加固前的25. 4%，可見(jiàn)采用原位改性加固方 法后取得了良好的支護(hù)加固效果。
權(quán)利要求
1.一種膨脹性軟巖土原位改性加固方法，該方法包括下列步驟(1)對(duì)軟巖土取樣，制成巖土芯試件；(2)對(duì)巖土芯試件進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度、膨脹、軟化、崩解和浸泡吸水試驗(yàn)，得到相應(yīng)參數(shù)；(3)對(duì)巖土芯試件進(jìn)行滲透注漿改性試驗(yàn)，得到注漿壓力、作用時(shí)間、溫度與改性液滲 透擴(kuò)散的速度和范圍的關(guān)系曲線；(4)對(duì)上述步驟(3)得到注漿后的巖土芯試件再次進(jìn)行上述步驟(2)所述的試驗(yàn)；(5)對(duì)比上述步驟(2)和上述步驟(4)的試驗(yàn)結(jié)果，確定滲透注漿改性參數(shù)；(6)根據(jù)上述步驟(3)和步驟(5)的試驗(yàn)結(jié)果，確定軟巖土體中注漿孔的深度和間排 距，并進(jìn)行打孔、埋管和水泥砂漿封孔；(7)對(duì)軟巖土體中壓注改性硅烷偶聯(lián)劑；其注漿壓力是1 5MPa，注漿溫度是20 100°C，注漿時(shí)間是1 5d;(8)對(duì)軟巖土體表面噴淋改性硅烷偶聯(lián)劑，實(shí)現(xiàn)對(duì)膨脹性軟巖土原位改性加固。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其改性硅烷偶聯(lián)劑是KH550、KH560、KH570、KH580和 KH590中的一種。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其注漿溫度進(jìn)一步選為75 85°C。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其滲透注漿改性試驗(yàn)裝置是試驗(yàn)架(7)中設(shè)置有試樣模 具⑶和巖土芯試樣(9)；在試驗(yàn)架(7)的底端設(shè)有瀉流口(10)；在試驗(yàn)架(7)的頂端由高 壓軟管⑶連通盛有改性液硅烷偶聯(lián)劑⑴的加熱容器(2)，并在高壓軟管(3)上設(shè)置有手 搖泵(4)、單向閥(5)和壓力表(6)。
全文摘要
一種膨脹性軟巖土原位改性加固方法是向膨脹性軟巖土體中壓注硅烷偶聯(lián)劑改性液，硅烷偶聯(lián)劑改性液和膨脹性軟巖土中所含羥基發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)，改變膨脹性軟巖土的物質(zhì)成分和微結(jié)構(gòu)，排出內(nèi)部結(jié)構(gòu)水，從而提高膨脹性軟巖土的物理力學(xué)強(qiáng)度，使其失去吸水膨脹性能。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有合理性和可操作性，同時(shí)改性材料無(wú)色無(wú)味無(wú)毒性，無(wú)環(huán)境的二次污染。適應(yīng)于巖土工程的災(zāi)害防治和軟基處理。
文檔編號(hào)E21D11/00GK102002934SQ20101053404
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月3日
發(fā)明者康天合, 楊永康, 柴肇云, 武小玲, 郭維維, 陳維毅 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)