一种原状Q4黄土或重塑Q4黄土的加固方法

摘要

本发明公开了一种原状Q4黄土或重塑Q4黄土的加固方法，由以下步骤组成：根据预定的水泥结石体的半径，计算得到注浆压力，根据注浆压力计算得到注浆时间和水泥浆液的注浆量，利用螺旋钻在原状Q4黄土或重塑Q4黄土上钻孔，保证孔洞的垂直度，将注浆系统的注浆管竖直地放入孔洞中心，并直达孔洞底部，在孔洞内绕着注浆管外壁放入盘根进行密封，使得盘根将孔洞分为上半部和下半部，将孔洞的上半部进行回填，打开注浆系统，按照计算得到的注浆压力、注浆时间和注浆量，向完成密封的孔洞下半部分进行注浆，完成加固；本发明加固后的黄土其抗压、抗剪强度显著提高，有效消除黄土的湿陷性，可防止因黄土湿陷导致的建、构筑物倾斜和开裂。

说明书

技术领域

本发明属于水泥浆液注浆加固Q

背景技术

在黄土工程沉陷病害治理、黄土地区路基加固等工程项目中，水泥浆注浆应用广泛，并且大量工程实例证明了其有效性。现有技术中采用水泥浆土体注浆加固研究工作主要集中于浆液的可注性及加固体的有效性两方面，在黄土地区水泥注浆工程中，浆液的扩散形式不仅影响注浆加固体各项力学参数的确定，而且也是后期注浆参数选取的重要依据，直接影响注浆工程量、注浆工期及注浆加固效果。但是由于注浆工程的隐蔽性和黄土场地地质条件的特殊性，黄土注浆工程的设计仍缺乏理论支持，工程实践基本上按照工程技术人员的经验进行，对黄土工程水泥注浆扩散模式、注浆量随时间的变化、注浆半径等缺乏评判方法，注浆工程设计存在一定的盲目性，给工程应用造成很大困扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种原状Q

本发明采用以下技术方案：一种原状Q

测量原状Q

通过原状Q

根据预定的水泥结石体的半径，计算得到注浆压力，

根据注浆压力计算得到注浆时间和水泥浆液的注浆量，

利用螺旋钻在原状Q

将注浆系统的注浆管竖直地放入孔洞中心，并直达钻孔洞底部，

在孔洞内绕着注浆管外壁放入盘根进行密封，使得盘根将孔洞分为上半部和下半部，

将孔洞的上半部进行回填，

打开注浆系统，按照计算得到的注浆压力、注浆时间和注浆量，向完成密封的孔洞下半部分进行注浆，完成加固。

进一步地，计算原状Q

进一步地，计算原状Q

进一步地，计算重塑Q

进一步地，计算原状Q

进一步地，孔洞的深度为3m，直径为10cm。

进一步地，孔洞内的盘根位于孔洞的中部。

进一步地，将孔洞的上半部进行回填时，先用土工纤维与树脂混合物回填，然后再用碎石混凝土填平孔洞，其中土工纤维与树脂混合物回填深度与碎石混凝土回填深度的比例为1:1-1:2。

进一步地，注浆系统包括：

注浆罐，其顶部安装有压力计和搅拌器，其内用于盛放水泥浆，搅拌器用于对位于注浆罐内的水泥浆进行搅拌，注浆罐还通过管道连接至空气压缩机，空气压缩机用于对注浆罐内的水泥浆进行加压，

注浆管，竖向放置在利用螺旋钻在原状Q

水泥管，一端与注浆罐的下部连通，另一端与注浆管的上端连通，水泥管用于注浆罐内的水泥浆通过水泥管进入注浆管，

其中，水泥浆用于通过注浆孔扩散至注浆管外形成结石体，使得水泥浆液结石体对黄土进行加固。

进一步地，制样装置包括：

支架，

千斤顶，位于支架的内腔底部上，

压样活塞，固定在支架的内腔顶部，并与千斤顶相对设置，

制样机构，位于支架内腔，

制样机构包括：

上支座，水平设置，

土样管，放置在上支座上，为上下开口的管状，其内用于盛放待压缩和剪切的土样，

下支座，水平设置，其下侧与千斤顶的活塞顶部固定连接，

至少两个支杆，竖向设置在上支座和下支座之间，并与上支座和下支座形成重塑土容纳区域，各支杆的上端和下端通过螺纹固定在对应的上支座和下支座上，

其中，上支座用于在制备重塑土的过程中对土样管进行支撑，使得压样活塞对土样管内的土样进行压缩。

本发明的有益效果是：经该法加固后的黄土其抗压、抗剪强度显著提高，有效消除黄土的湿陷性，可防止因黄土湿陷导致的建、构筑物倾斜和开裂；可对黄土地区深基坑支护、隧道掘进、地下管廊及洞室开挖进行超前预加固；在黄土地区高速公路、铁路等既有线路高路堤滑坡治理及路基加固采用该法以提高土的抗剪及抗压强度参数；利用加固设备小巧的优势，可对黄土地区既有复杂建筑的地基进行局部加固；该加固方法不受季节性气候影响，在室内外均可进行；该法采用设备简单，注浆材料价格低廉，可有提高加固工程施工效率并有效降低加固成本。

附图说明

图1为本发明注浆系统的结构示意图；

图2为本发明的重塑土场地成孔示意图；

图3为本发明的注浆管掩埋封孔示意图；

图4为本发明的原状土水泥浆脉示意图；

图5为本发明的重塑土水泥浆脉示意图；

图6为本发明的原状土水泥浆脉示意图；

图7为本发明的重塑土水泥浆脉示意图；

图8为本发明的原状黄土水泥浆注浆量与时间的关系图；

图9为本发明的重塑黄土水泥浆注浆量与时间的关系图；

图10为本发明的水泥浆扩散半径与注浆压力的关系图；

图11为本发明的同种浆液在不同土体中有效注浆时间与注浆压力的关系图；

图12为本发明的同种浆液在不同土体中注浆量与注浆压力的关系图；

图13为本发明制样装置的结构示意图。

其中：1.上支板；2.下支板；3.支柱；4.千斤顶；5.指针；6.土样管；7.压样活塞；8.上支座；9.下支座；10.支杆；11.容纳空间；12.重塑土容纳区域；13.挡板；14.凸起；15.标尺；16.指针；17.注浆罐；18.注浆管；19.压力计；20.搅拌器；21.孔洞；22.水泥管；23.注浆孔；24.盘根。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开了一种原状Q

测量原状Q

通过原状Q

根据预定的水泥结石体的半径，计算得到注浆压力，计算原状Q

根据注浆压力计算得到注浆时间和水泥浆液的注浆量，计算原状Q

利用螺旋钻在原状Q

将注浆系统的注浆管18竖直地放入孔洞21中心，并直达孔洞21底部，

在孔洞21内绕着注浆管18外壁放入盘根24进行密封，使得盘根24将孔洞21分为上半部和下半部，孔洞21内的盘根24位于孔洞(21)的中部，

将孔洞21的上半部进行回填，将孔洞21的上半部进行回填时，先用土工纤维与树脂混合物回填，然后再用碎石混凝土填平孔洞21，其中土工纤维与树脂混合物回填深度与碎石混凝土回填深度的比例为1:1-1:2。

打开注浆系统，按照计算得到的注浆压力、注浆时间和注浆量，向完成密封的孔洞21下半部分进行注浆，完成加固。

注浆系统包括：注浆罐17、注浆管18、水泥管22，注浆罐17的顶部安装有压力计19和搅拌器20，注浆罐17内用于盛放水泥浆，搅拌器20用于对位于注浆罐17内的水泥浆进行搅拌，注浆罐17还通过管道连接至空气压缩机，空气压缩机用于对注浆罐17内的水泥浆进行加压，注浆管18竖向放置在利用螺旋钻在原状Q

如图13所示，制样装置包括支架、千斤顶4、压样活塞7和制样机构，千斤顶4位于支架的内腔底部上，压样活塞7固定在支架的内腔顶部，压样活塞7与千斤顶4相对设置，制样机构位于支架内腔。

支架包括上支板1、下支板2和至少两个支柱3，上支板1水平设置，下支板2水平设置，下支板2位于上支板1下方，至少两个支柱3竖向设置在上支板1和下支板2之间、并与上支板1和下支板2形成容纳空间11，千斤顶4位于容纳空间11内的下支板2上，制样机构位于容纳空间11内，制样机构的下侧固定连接在千斤顶4的活塞顶部，压样活塞7固定在上支板1下侧、且位于土样管6内腔上部，压样活塞7用于千斤顶4向上运动时，通过制样机构托住土样管6向上运动，使得压样活塞7对土样管6内的土样进行压缩，得到预定要求的重塑土。

制样机构包括上支座8、土样管6、下支座9、至少两个支杆10，上支座8水平设置，土样管6放置在上支座8上，土样管6为上下开口的管状，土样管6内用于盛放待压缩和剪切的土样，下支座9水平设置，下支座9的下侧与千斤顶4的活塞顶部固定连接，至少两个支杆10竖向设置在上支座8和下支座9之间，并与上支座8和下支座9形成重塑土容纳区域12，各支杆10的上端和下端通过螺纹固定在对应的上支座8和下支座9上，上支座8用于在制备重塑土的过程中对土样管6进行支撑，使得压样活塞7对土样管6内的土样进行压缩。

通过上支板1、下支板2和至少两个支柱3构成容纳空间11，使得容纳空间11内容纳千斤顶4、制样机构、土样管6和压样活塞7，结构整齐、收纳方便、且容纳空间11内的千斤顶4、制样机构、土样管6和压样活塞7不易受到外界扰动，避免影响精确度。

通过千斤顶4将制样机构托住，使得位于制样机构上的土样管6随着千斤顶4上下运动，进而使得土样管6也随着千斤顶4上下运动，进而被固定在上支板1上的压样活塞7对土样管6内的试样土进行压缩，对于千斤顶4的行程可以根据试样土的密度要求进行设置，如果想要土样的密度大、即土样高度矮，则将千斤顶4的行程设置的较为长，如果想要土样的密度小、即土样的高度高，则将千斤顶4的行程设置的较为短，并且能保证土样管6内的试样土在千斤顶4上下运动的过程中被压样活塞7充分的接触并压缩到，以次保证重塑土制备过程的精度。

制样机构包括上支座8、下支座9、至少两个支杆10，上支座8水平设置，上支座8上用于放置土样管6，下支座9水平设置，下支座9的下侧与千斤顶4的活塞顶部固定连接，至少两个支杆10竖向设置在上支座8和下支座9之间，并与上支座8和下支座9形成重塑土容纳区域12，各支杆10的上端和下端通过螺纹固定在对应的上支座8和下支座9上，其中，上支座8用于在制备重塑土的过程中对土样管6进行支撑。

上支座8上还固定连接有挡板13，挡板13为中空的环状、且其轴线与土样管6的轴线重合，挡板13的内边沿向下凹陷形成一圈凹槽，凹槽用于撑住土样管6，在制备完成重塑土后，对上支座8进行拆卸，使得制备完成的重塑土在压样活塞7的推动下，从土样管6底部脱出，并落在重塑土容纳区域12内的下支座9上，通过设置挡板13可以使得土样管6在水平方向上得到固定，方便将制备完成的重塑土从土样管6中取出，如果不设置挡板13的话，制备完成的重塑土不容易从土样管6中取出，并且在取出的过程中，容易对土样造成扰动。

通过设置制样机构，保证了土样管6的水平位置，如果不设置制样机构的话，土样管6不容易固定在千斤顶4的活塞顶部，并且土样管6的水平位置容易随着千斤顶4的上下运动发生变化，这样就影响了重塑土制备过程中的精度，因此，制样机构非常重要。

通过上支座8、下支座9和至少两个支杆10构成重塑土容纳区域12，使得重塑土容纳区域12容纳重塑土，在制备完成后，卸掉上支座8，使得重塑土容纳区域12的上顶部镂空，并且在千斤顶4向上运动的时候，通过压样活塞7对试样土再一次施加向下的力，此时制备完成的重塑土顺势向下运动，从土样管6中被压出，由于上支座8的缺失，重塑土顺势落入下支座9上，就完成了重塑土的取出工作，在取出的过程中不存在对土样进行扰动的情况，避免影响土层分布。

下支座9的边沿向上延伸形成向上的凸起14，使得下支座9呈凹槽状，下支座9的凹槽用于接住从土样管6内脱出的制备完成的重塑土。通过将下支座9设置成凹槽状，使得下支座9安全的接住重塑土，避免重塑土掉落至其他位置，影响试验进度。

上支板1和下支板2之间还竖向安装有标尺15，下支座9的侧部安装有指针5，指针5和标尺15设置在同一侧，指针5用于通过读取标尺15上的终止值来判断土样是否达到预定的厚度。通过千斤顶4向上运动，且土样管6内装有土样时，当压样活塞7与试样土接触时，此时记录指针5对应的标尺15的读数为初始值，通过试验所需土样的尺寸计算出对应的标尺15的读数的终止值，然后千斤顶4继续向上运动，当记录指针5到达试验所需试样尺寸对应的标尺15的读数时，千斤顶向上运动停止，此时的试样高度即为试验所需，并人工决定是否继续压缩。

实施例1

现场试验

现场试验场地位于陕西省富平县王廖镇，为Q

重塑黄土含水量w＝15.0％,孔隙比为e＝1.1，直径为120cm，土柱长度为3m。重塑黄土柱共分15层，每层20cm，击实而成，制样时根据目标孔隙比及含水量计算每层黄土料的质量，每层击实到目标高度后均匀刮毛再击实下一层。现场注浆试验水泥浆液参数选取如表1所示。

表1水泥浆主要技术参数

试验注浆设备工作时由空气压缩机提供注浆压力，高压空气进入储浆罐压缩浆液，经由高压注浆管18进入地层完成注浆，注浆系统示意如图1所示。

在原状黄土注浆试验点，利用螺旋钻在定点处钻孔，如图2所示，孔底距离地面3m，成孔直径10cm，保证孔的垂直度，清理干净孔底浮土，原状黄土注浆试验孔7个。在重塑黄土注浆试验点，先人工挖孔，然后将土回填压实，再以原状土成孔方式钻孔。挖孔半径为60cm，成孔深度3m。重塑黄土注浆试验孔5个。钻孔工作完成后，将注浆管18竖直地放入孔洞21中心，并直达钻孔底部。注浆管18在底端以上1.5m范围内保持为空腔，空腔以上部分全部封填，如图3所示。

水泥浆液注入前搅拌均匀，试验过程记录浆液注入量。注浆完成后，养护一周之后，进行人工开挖，挖掘深度为3m左右。在挖掘过程中要做好结石体的几何尺寸等数据的记录，对结石体进行编号，同时观察浆液在土体中的扩散形式。

试验结果分析

经水泥注浆加固后的黄土抗压强度(28d)范围：1.5～2.2MPa，具体数据如表2所示。

表2经水泥注浆加固后的黄土抗剪强度(28d)

浆液结实体特征

开挖结果表明，对于原状黄土和重塑黄土，水泥浆液注浆完成后，均形成明显的加固体，加固体自注浆孔向外延伸呈脉板状，如图4所示为原状土水泥浆脉，如图5所示为重塑土水泥浆脉，符合劈裂注浆特征，说明水泥浆液的扩散模式主要是劈裂注浆。黄土中，粒径为0.05～0.01mm的粉粒含量最大，占比达50％～60％。普通水泥颗粒粒径范围在0～0.1mm的占大多数，与黄土颗粒相差不大，因此水泥浆液不易在黄土中渗透扩散。在原状黄土和重塑黄土中的试验结果也表明，水泥浆液在黄土中以劈裂形式扩散，而非渗透扩散。加固体脉板与黄土的分界面非常明晰。开挖难易程度及现场观察表明，水泥浆液并未渗入脉板以外黄土。脉板断裂面如图6和图7所示，图6为原状土水泥浆脉，图7为重塑土水泥浆脉，图中显示出，加固体脉板是水泥浆凝固而成，不是水泥浆液与黄土混合的加固体，脉板内未见黄土混入。加固体呈现水泥浆的青灰色，与黄土颜色对比强烈。

水泥浆液在黄土中以劈裂的形式进行扩散，水泥浆劈裂黄土形成裂缝，浆液沿裂缝凝固形成水泥浆脉板，脉板与周围土体共同作用，起到加固黄土的作用。注浆孔劈裂之前被水泥浆液挤压发生扩张，注浆完成后，孔中滞留的水泥浆液凝固成水泥柱，如图4中央柱状体。经观测可知，水泥柱的直径略大于注浆孔直径。注浆孔在水泥浆液压力作用下扩张到一定程度发生劈裂扩散，以注浆孔为中心水泥浆脉有一条较大的浆脉和一条相对较小的浆脉。大浆脉扩散范围较大，为主裂缝。小浆脉扩散距离较小，为次裂缝。无论是原状黄土还是重塑黄土，在裂缝周围，浆-土界面明显，即两者未发生混溶，是明显的劈裂注浆。在原状黄土中，水泥浆脉板与黄土分界面接近于一个平面，界面较平整，如图6所示。在重塑黄土中，水泥浆脉板与黄土分界面有许多突进土体的小裂缝，小裂缝长度较小，分叉较多，如图7所示。

原状黄土中水泥注浆分析

对7个原状黄土注浆孔分别进行注浆试验，每孔施加的注浆压力不同(表3)。试验发现，在注浆压力保持不变情况下，随着时间的增加，注浆量逐渐增大。记录得到的注浆量随时间的变化如图8所示。图8显示出，在一定压力下，浆液注入量随时间大致呈线性增长，但当注浆时间t达到一定值t

表3原状黄土试验结果

图8给出了7级压力下的注浆试验结果，每级压力下的有效注浆时间及注浆量列于表3。注浆完成后，开挖并实测水泥浆脉板宽度，脉板宽度是自注浆孔中心向外的扩散半径，记录得到每级压力下加固体的扩散半径亦列于表2。图8各条曲线在t

重塑黄土中水泥注浆分析

对5个重塑黄土注浆孔分别进行注浆试验，每孔施加的注浆压力不同(表4)。试验发现，在注浆压力保持不变情况下，随着时间的增加，注浆量逐渐增大。记录得到的注浆量随时间的变化如图9所示。图9显示出，重塑土注浆试验规律与原状土相同，在一定压力下，浆液注入量随时间大致呈线性增长，但当注浆时间达到有效注浆时间后，注浆量趋于稳定。有效注浆时间随注浆压力的增大而增大。

表4重塑黄土试验结果

图9给出了5级压力下的注浆试验结果，每级压力下的有效注浆时间及注浆量列于表4。注浆完成后，开挖并实测加固体的扩散半径，得到每级压力下水泥浆扩散半径亦列于表3。图10各条曲线在t

加固体半径与注浆压力的关系

根据表2、表3扩散半径的实测结果，图10给出了水泥浆加固体半径与注浆压力的关系。可以看出，加固体半径随着注浆压力的提高而增加。在注浆压力相同条件下，水泥浆在原状黄土中的扩散半径大于重塑黄土，这是因为水泥浆液主要为劈裂扩散，原状黄土中存在的大孔隙及节理薄弱面有利于劈裂及浆液的扩散，而重塑黄土土粒混合均匀，不存在此类薄弱面。但经过比较可以发现，原状黄土和重塑黄土中的水泥浆液扩散半径总体相差不大，为便于应用，将原状黄土和重塑黄土水泥浆液扩散半径数据进行归一化处理。图10扩散半径与注浆压力近似于线性关系，经线性回归，得到水泥浆液扩散半径r与注浆压力p的关系式：

p＝(r-0.042)/0.75 (1)

采用水泥浆液加固黄土时，可采用式(1)确定扩散半径，其与现场试验数据的相关系数R

有效注浆时间分析

基于表3、表4有效注浆时间数值，图11给出了原状黄土与重塑黄土中水泥浆液有效注浆时间与注浆压力的关系。可以看出，有效注浆时间随着注浆压力的提高而增加。比较原状黄土和重塑黄土的水泥浆液有效注浆时间数据，可以发现，原状土体中水泥有效注浆时间在各个注浆压力下均高于重塑土。原状黄土中存在的天然薄弱层，浆液通道多于重塑黄土，因此在相同压力之下，虽然注浆扩散半径和注浆量差异不大，但注浆速率差异较大，导致水泥浆液在原状黄土的有效注浆时间大于重塑黄土。二者数值互有大小，为了便于应用，可以将原状黄土和重塑黄土水玻璃有效注浆时间数据进行归一化处理。图11有效注浆时间与注浆压力近似于线性关系，经线性回归，得到水玻璃有效注浆时间数据t

原状黄土：t

重塑黄土：t

采用水玻璃加固黄土时，可采用式(2)、(3)确定有效注浆时间，其与现场试验数据的相关系数R

注浆量分析

试验过程发现，每个注浆孔注浆量随注浆时间的变化而变化，在时间达到有效注浆时间后，注浆量达到稳定值，此时的注浆量即为表2、表3记录的注浆量数值，可以发现，注浆量受注浆压力控制。

图12给出了原状黄土与重塑黄土水泥浆液注浆量与注浆压力的关系，随着注浆压力的提高，在两种土体中的注浆量都在增加。比较原状黄土和重塑黄土的水泥浆液注浆量数据，可以发现，二者数值互有大小，为了便于应用，可以将原状黄土和重塑黄土水泥浆液注浆量数据进行归一化处理。图12注浆量与注浆压力近似于线性关系，经线性回归，得到水泥浆液注浆量m

m

采用水泥浆液加固黄土时，可采用式(4)确定注浆量，以便于注浆前准备浆液。式(4)与现场试验数据的相关系数R

结论

针对原状黄土和重塑黄土进行了水泥浆液注浆现场试验研究，得到了原状黄土和重塑黄土在不同注浆压力下水泥浆液注浆量与时间的关系曲线。通过现场试验数据分析及结石体观察，分析了水泥浆液在原状黄土和重塑黄土的扩散规律，揭示出加固体自注浆孔向外延伸呈脉板状，表明水泥浆液在黄土中以劈裂的形式进行扩散，加固体脉板是水泥浆凝固而成，脉板内未见黄土混入。基于试验现象，定义了有效注浆时间概念。进一步基于试验数据的分析，得到水泥浆扩散半径与注浆压力的关系式，得到水泥浆有效注浆时间与注浆压力的关系式，得到水泥浆注浆量与注浆压力的关系式。