改性水玻璃固化黄土水稳性机理研究进展

注浆技术是用液压、气压或电化学的方法，把浆液灌注到岩土体中，与岩土体胶结，增加其强度，提高抗渗透性，从而达到改善岩土体物理力学性质的目的。注浆技术有多种分类方式：按浆液的流动方式分为渗透注浆、劈裂注浆、压密注浆。按浆液材料可分为：黏土类、水泥类、水泥—黏土类和化学浆液类，而化学浆液又可分为无机类和有机高分子类；无机类浆液相对单一，主要是水玻璃类。在湿陷性黄土地区，有用水玻璃进行黄土地基的化学注浆加固技术［51-58］。

注浆技术是一项实用性很强、应用范围广泛的工程技术，在国内外广泛应用于大坝、隧道、地铁、地下建筑物、矿井、桥梁、房屋建筑等土木工程各个领域［48-50］。该技术的使用始于1802年［59，60］，法国土木工程师查理斯·贝里尼（Charles Bering）采用了灌注黏土和水硬石灰浆的方法，修复了一座受水冲刷的挡潮闸的含砾砂土地基，开辟了注浆工程的先河。1824年，英国约瑟夫·阿斯普丁（Joseph Aspdin）获得了“波特兰水泥”专利，并大量应用于土木工程中；1838年英国汤姆逊隧道开始用水泥作为灌浆材料。随后黏土灌浆、水泥灌浆一直占据着主导地位。美国于1845年由W．E．Worthen使用人工“压浆泵”在一个水库溢洪道陡槽基础下进行水泥注浆加固，以提高地基的承载能力，1854年又进行了闸墩砌体的注浆。1864年德国人在勤恩矿井内用手摇泵注水泥浆加固竖井井壁。1880～1905年期间在德国北部和比利时煤矿工作的Reumax、Porticr、Saelier、Francors等组成矿山技术小组，在涌水量大的竖井施工中进行水泥注浆试验，研制出高压注浆泵，改进了灌浆材料混合方式等灌浆工艺，将之用到隧道和大坝的建设中，成为现代注浆工艺的基础。

化学注浆最早的记载，是1884年英国的Hosagood在印度建桥时用化学药剂固砂。1887年德国的Jeziorsky创造了原始的硅化法而获得专利，即用一个钻孔灌注浓水玻璃，相邻钻孔注氯化钙。1909年比利时的Lemaire Dumont在水玻璃中加入稀酸，发现了改变水玻璃pH值的凝固机理，使用双液混合单系统的一次压注法而取得专利。1914年比利时的Albert Frandois用水玻璃和硫酸铝进行注浆。1920年荷兰采矿工程师E.J.Joosten首次论证了化学注浆的可靠性，并于1926年用水玻璃、氯化钙双液双系统二次压注法取得专利；1926年苏联的Г.约斯曾建议使用双液硅化技术固化砂土［61］。从此以后，欧美各国广泛应用水玻璃进行注浆。同时，德国的汉斯·耶德研制了水玻璃和水泥浆澄液的压注法。1929年德国的翁坚尔勃列茨巴赫钾矿使用双液单系统法修建防渗帷幕。1931年M.斯大马季乌和B.A.尔扎尼茨对双液硅化法加固砂土进行了大量的研究工作；1932年，苏联开始在建筑工程中使用这一方法，并于1941年获得成功。1935年Rzhanitsyn B.A.出版了《土体加固的化学方法》，当时被苏联认为是建设工程中一个新领域的开端［61］。1939年B.E索柯罗维奇提出应用单液硅化法加固白云石粉夹层和透镜体。1944年B.B.阿斯卡伦诺夫提出单液硅化法加固黄土类土，并于1948年在现场试验成功，且获得良好效果［62］。一直到20世纪40年代，水玻璃注浆几乎是化学注浆的代名词。

水玻璃的生产始于17世纪中叶，其来源丰富、成本低、环境影响小，广泛用于化学化工、轻工业、冶金、机械铸造及土木工程等国民经济各领域。在我国的机械铸造业，水玻璃作为砂型黏结剂，约有30%用作铸造型砂黏结剂［47，63］；在开采石油的钻井工程中，水玻璃可用于泥页岩地层水基钻进液的防塌剂［64］；在岩土工程实践中，水玻璃可作为岩土灌浆材料或与其他材料联合使用［59，60，65-69］。(www.xing528.com)

20世纪40年代，日本的丸安隆和在水玻璃、铝酸钠注浆时使用了双液单系统的1.5次压注法，为凝胶时间短的浆液创造了条件。40年代以来，注浆技术的研究和应用得到了迅速的发展，各种化学浆材和水泥浆材相继问世。特别足60年代以来，世界各国大力发展新型注浆材料，注浆设备和工艺得到了空前的进步，应用范围越来越广。1970年以来苏联V.E.Sokolovich与V.A.Gubkin等［70］使用二氧化碳气体和水玻璃浆液的加气硅化法，加固既有建筑物黄土地基。1974年由于日本福冈发生了丙烯酰胺浆液引起的中毒事故，开始禁用有毒的化学浆液，自此开始研制、开发和使用无毒的水玻璃类浆液。1978年日本水玻璃类浆液用量猛增到7×105m3。现在日本工程界又对水玻璃类浆液重新进行了大量的研究工作，水玻璃类浆液品种多达50～60种，日本在该领域达到了世界先进水平。因此，水玻璃类浆材目前是世界上化学注浆应用项目最多、用量最大的注浆材料［48，59，60，65-69，71-102］。

在水玻璃注浆固化黄土的应用技术方面，苏联从20世纪40年代初至80年代末发展较快，由1941年的双液硅化法、1948年的单液硅化法发展到1970年加气硅化法，是当时全球硅化黄土研究成果最多、硅化黄土地基工程量最大的国家，每年平均要加固5×104m3以上的湿陷性黄土［57，58，70-92］。

我国对硅化注浆技术的研究和应用较晚，但发展较快。主要是在苏联经验的基础上［57，58］，结合我国具体工程情况，在诸多试验和研究基础上逐步发展起来的。1954年由柳大纲院士、戴安邦院士组织建工部、水利科学院、中国科学院以及生产部门的学者与专家，开始协作研究硅化注浆技术，并进行了大量的试验工作。先后在唐山林西煤矿风井流沙层加固工程和佳木斯糖厂厂房地基加固工程上得到应用，并为有关部门培养了技术力量。当时虽然取得了一些成绩，但由于工程造价高、材料缺乏、附加沉降大、工程质量不能保证等原因而未得到推广应用。70年代，我国铁路、建筑等部门科技人员再次对硅化法进行了深入研究，在水玻璃浆液的配方、施工工艺等方面取得了重大进展，受到西北地区工程界的广泛关注，在黄土地区既有建、构筑物地基下沉湿陷事故加固工程中应用。1980年我国著名岩土工程专家许善分先生开始在兰州和青铜峡等地区进行黄土加气硅化技术的试验研究，并在多项工程中成功应用该技术；同时也对单液自渗硅化法进行大量研究，先后在兰州及周边地区数项工程中应用，处理效果良好。1982年铁道科学研究院组织专家对加气硅化和CaCl2双液硅化进行鉴定后认为，对黄土地区既有建、构筑物产生湿陷事故后的地基加固，硅化技术能消除湿陷性、提高地基承载力、增加水稳性；与单液硅化法相比，造价大幅度降低，施工时附加沉降显著减少，加固效果好；施工工艺简单，易于掌握，利于推广应用。此后，铁路部门对单液硅化法又进行了深入的研究，1987年以后成功地开发了加硫酸铝、硫酸的单液硅化法和NHC单液硅化法，其中，NHC硅化法2000年已获得国家专利。目前，水玻璃注浆的硅化法已在黄河中下游黄土分布区的许多工程中得以广泛应用［51-56，93-102］。