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        濕陷性黃土地區(qū)土質(zhì)尾礦庫(kù)壩加固灌漿施工技術(shù)

        2012-10-08 05:22:54
        地質(zhì)裝備 2012年2期
        關(guān)鍵詞:硅酸鈉黃土漿液

        羅 偉

        (河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)探礦隊(duì),河南 鄭州450001)

        1 引言

        中原黃金冶煉廠尾礦庫(kù)位于河南省三門峽市北郊黃土塬陳宋坡沖溝內(nèi),加固場(chǎng)區(qū)位于黃河南岸Ⅲ級(jí)階地與青龍澗河Ⅲ級(jí)階地的復(fù)合部位,為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積及中更新統(tǒng)沖-洪積成因類型的黃土狀粉土和黃土狀粉質(zhì)粘土。地下水位埋深大于70m。依據(jù)勘察資料,加固場(chǎng)區(qū)地層為濕陷性黃土,地基土濕陷等級(jí)為自重Ⅱ-Ⅲ級(jí),通過壩基巖土工程勘察報(bào)告可知,地基土的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,見下表。

        該尾礦庫(kù)東西長(zhǎng)1100m,南北寬50~95m,溝深40~50m,設(shè)計(jì)總庫(kù)容約330萬立方米,運(yùn)行已12年。該庫(kù)通過三次增容,現(xiàn)已達(dá)240萬立方米,庫(kù)壩為碾壓式黃土均質(zhì)壩。第三期增容工程于2010年7月開始施工,10月施工結(jié)束,三期壩高10m,壩面寬10m,壩坡長(zhǎng)27m。于20011年元月初發(fā)現(xiàn)南北壩肩處出現(xiàn)5條縱向裂縫,裂縫貫通整個(gè)三期壩體,主縫寬5~23cm,沿主縫有數(shù)十條分支縫,縫寬0.5~3cm。根據(jù)裂縫現(xiàn)狀及施工設(shè)計(jì)圖判斷是由于壩基不均勻沉降引起的。通過與設(shè)計(jì)單位、甲方的共同協(xié)商,決定對(duì)尾礦庫(kù)壩裂縫采用灌漿法進(jìn)行處理。

        表1 巖土勘察報(bào)告提供場(chǎng)區(qū)地層結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)指標(biāo)及地基土承載力

        2 施工技術(shù)

        2.1 灌漿目的及加固范圍

        本次灌漿目的是堵塞壩體裂縫、防止?jié)B漏和消除兩側(cè)壩肩黃土的濕陷性,促進(jìn)壩體變形穩(wěn)定。灌漿范圍為幾條主縫和沿主縫擴(kuò)散的支裂縫縫體及壩肩。設(shè)計(jì)在裂縫縫體上不規(guī)則布設(shè)灌漿孔,南北壩肩裂縫和兩側(cè)壩肩原狀黃土共計(jì)布孔273個(gè),孔徑75mm,孔距2.0m,孔深8~25.0m,充填裂縫體積經(jīng)估算約427m3。

        2.2 成孔及灌漿設(shè)備

        成孔設(shè)備視加固深度、地層及場(chǎng)區(qū)條件情況決定采用鉆機(jī)或人工洛陽(yáng)鏟。采用GY-150型工程鉆機(jī)干鉆施工兩側(cè)壩肩原狀黃土及壩頂主裂縫,灌漿泵采用普通低壓、小流量泥漿泵或清水泵。推薦用BW-160型泥漿泵,灌注管采用1寸鍍鋅金屬花管。

        2.3 裂縫灌漿施工工藝

        2.3.1 成孔

        深孔超過三期壩高10~15.0m,壩坡面淺孔采用人力洛陽(yáng)鏟成孔。由于裂縫剖面不垂直,呈不規(guī)則擴(kuò)散。灌漿孔應(yīng)盡量布置在裂縫上。

        2.3.2 漿液配制

        考慮到漿液固結(jié)后與原壩土料變形的協(xié)調(diào)性,裂縫充填灌漿材料采用原筑壩用黃土狀粉質(zhì)粘土,經(jīng)采樣確定,土料各種粒徑含量為粘粒含量40%,粉質(zhì)含量55%,砂粒含量小于5%,符合制漿材料要求。

        漿液配制采用濕法制漿,制漿前先將土料過篩經(jīng)立式攪拌機(jī)攪拌均勻,并用5×5mm2網(wǎng)篩除渣后方可灌漿使用。漿液主要參數(shù)為:密度控制在1.3~1.65g/mm3之間,粘度在25~90之間。為提高泥漿的穩(wěn)定性,可邊攪拌邊灌注或摻入0.5%的硅酸鈉溶液。

        2.3.3 安放灌漿管

        灌漿管采1寸鍍鋅管,長(zhǎng)度略小于孔深。將管直接放入孔底。在安放同時(shí),沿裂縫開挖寬約20cm,深約20cm梯形槽(小裂縫可挖得小些),槽內(nèi)用水泥(加適量水玻璃)封閉。灌漿管與孔壁環(huán)間隙使用麻絮往下?lián)v實(shí)后,灌入水泥漿(摻少量膨脹劑和速凝劑)進(jìn)行封閉,待水泥凝固后即可灌漿。

        2.3.4 灌漿

        采用全孔間隔灌漿法,用BW-160型泥漿泵,將攪拌好的粘土漿泵至注漿管。由孔底翻向全孔。

        (1)初灌時(shí),壓力應(yīng)大,控制在1.5~2.0MPa,漿液密度宜為1.35g/cm3,當(dāng)漿液從相鄰注漿管或其它地方冒出時(shí)應(yīng)立即停灌,然后跳打間隔灌注。按同樣方法將所有孔灌注一遍。

        (2)二次灌注,應(yīng)將漿液密度調(diào)整為1.4~1.50g/cm3之間,壓力控制在1.2MPa,重復(fù)初灌步驟進(jìn)行灌注2~3遍。

        (3)根據(jù)估算填充體積對(duì)比已用土料量,加上其它影響因素,初步判定填充率。當(dāng)填充率達(dá)60%時(shí),可進(jìn)行三次灌注,將漿液密度調(diào)整為1.65g/cm3,壓力在1.0MPa左右下灌注數(shù)遍。初灌、二、三次灌注間隔時(shí)間至少30min。以使泥漿充分失水固結(jié),快速凝固,減少冒漿機(jī)會(huì)。

        2.3.5 復(fù)灌

        由于粘土漿有失水固結(jié)的過程,孔內(nèi)泥漿會(huì)發(fā)生體縮。按上述操作步驟,三次灌注填充率會(huì)達(dá)到90%以上,由于泥漿發(fā)生體縮,失水后填充率會(huì)降低。且泥漿固結(jié)時(shí)間較長(zhǎng),至少15天或更長(zhǎng)時(shí)間,因此要在初次施工完成后,將注漿管拔出重新安放至二分之一孔深處。待20天左右進(jìn)行復(fù)灌,復(fù)灌漿液密度應(yīng)在1.6g/cm3以上,壓力1.0MPa。

        2.4 壩肩兩側(cè)原狀黃土單液硅化灌漿施工工藝

        2.4.1 灌注孔的布置

        灌注孔徑為50~70mm,單孔的加固半徑為0.25~0.40m,灌注孔宜按正三角形或梅花型布置,灌注孔之間距離為1.73r(r為土的加固半徑),排距為1.5r,局部地層可根據(jù)地基土的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行微調(diào)。

        2.4.2 溶液用量的計(jì)算

        單液硅化加固每1m3黃土,需要的溶液用量可按下式計(jì)算:

        Q=vnd1a

        式中:v——欲加固土的體積(m3);

        n——加固前土的平均孔隙率(%);

        a——溶液填充孔隙的系數(shù),一般為0.6~0.8;

        d1——硅酸鈉溶液稀釋后的比重,一般為1.13~1.15。

        當(dāng)硅酸鈉溶液的濃度大于擬加固地基土要求的濃度時(shí),應(yīng)將其加水稀釋,每1升硅酸鈉的加水量可按下式計(jì)算:

        式中:d——硅酸鈉溶液稀釋前的比重,一般為1.45~1.53;

        d1——硅酸鈉溶液稀釋后的比重;

        N——硅酸鈉溶液稀釋前的數(shù)量(L)。

        2.4.3 漿液配制

        灌漿材料采用液體水玻璃(即硅酸鈉),其顏色多為透明或稍許混濁,不溶于水的雜質(zhì)含量不宜超2%,硅酸鈉的模數(shù)M值可按下式計(jì)算:

        M值愈大,說明硅酸鈉中含SiO2的成分愈多,因?yàn)楣杌庸讨饕怯蒘iO2對(duì)土的膠結(jié)作用,所以硅酸鈉的模數(shù)值直接影響加固土的強(qiáng)度,試驗(yàn)研究證明,M值為1的純偏硅酸鈉加固土的強(qiáng)度很小,不宜用于加固地基;M值在2.6~3.3范圍內(nèi),加固土的強(qiáng)度可達(dá)300~1000kPa,滿足工程要求;M 值大于3.3以上時(shí),隨著M值增大,加固土的強(qiáng)度反而降低,說明SiO2含量過多對(duì)土的強(qiáng)度有不良影響。因此,采用硅化法加固地基,硅酸鈉的模數(shù)值宜為2.5~3.3。

        配溶液時(shí),先將擬稀釋的硅酸鈉溶液送入金屬或木制的容器內(nèi),然后加入計(jì)算加水量及1.5~2.5%氯化鈉,攪拌均勻,漿液的攪拌時(shí)間,高速攪拌不少于30s,普通攪拌不少于5min,并用比重計(jì)測(cè)其濃度,稀釋后的硅酸鈉溶液比重一般為1.13~1.15,如果地基土含水量平均值大于22%,可適當(dāng)提高比重至1.18~1.25。符合要求后即可使用。

        2.4.4 工藝流程

        成孔及灌注溶液自上向下分層進(jìn)行,即先施工第一加固層,將帶孔的金屬灌注管送入第1加固層,隨即利用灌注設(shè)備將配好的溶液壓入該土層中。第二加固層待第一加固層施工完畢后重復(fù)上述步驟。

        灌漿工藝流程為:設(shè)備安裝→灌漿孔定位→成孔→驗(yàn)孔→安裝灌漿管→安裝灌漿堵塞→漿液配制→灌漿→封孔

        2.4.5 灌漿參數(shù)

        施工中采用“信息法”:及時(shí)收集施工過程中的反饋信息,根據(jù)變化情況,及時(shí)調(diào)整灌漿壓力、速度、時(shí)間參數(shù),以達(dá)到最優(yōu)效果。

        由于濕陷性黃土滲透系數(shù)較小,一般為0.50~2.0m/天,漿液滲透較困難,如果壓力過大,加固土體易形成劈裂通道,不但造成漿液大量流失浪費(fèi),而且漿液不能均勻滲透入被加固土體,不符合本法加固機(jī)理,更達(dá)不到單液硅化加固目的;壓力過小,漿液滲透緩慢且影響加固效果。因此灌漿壓力、速度等參數(shù)的調(diào)控是灌漿成敗的決定性因素。具體操作步驟方法如下:

        初始灌注時(shí)采用30~50L/min泵量,泵壓調(diào)整到100kPa左右,當(dāng)孔壓瞬時(shí)達(dá)到250kPa以上時(shí),立即停止灌注并關(guān)閉止回閥,通過孔內(nèi)壓力使?jié){液均勻滲透,當(dāng)壓力表顯示孔內(nèi)壓力降到20kPa以下時(shí),開泵繼續(xù)灌注,如此循環(huán)當(dāng)達(dá)到理論計(jì)算吃漿量即可停止。局部出現(xiàn)竄漿和冒漿時(shí)應(yīng)立即停灌封堵,然后跳打間隔灌注。

        2.5 冒漿及封孔處理

        (1)在冒漿處填一定體積的砂或含砂量不小于40%的砂礫石作為反濾蓋重,有利于排水,阻止冒漿,提高灌漿質(zhì)量。

        (2)在冒漿處開挖且回填一定厚度的粘性土,并夯實(shí),作為阻漿蓋重。

        (3)調(diào)整漿液參數(shù)和壓力,采用灌、停循環(huán)間歇性灌漿方法。

        (4)復(fù)灌數(shù)遍后,當(dāng)啟動(dòng)灌漿泵,單孔即冒漿,則表明裂縫已充盈,待孔出漿面基本不再下降即可經(jīng)灌,灌漿管拔出后,用密度1.8g/cm3的稠漿注入孔內(nèi)封孔,直至液面不再下降為止,最后用粘性土搗實(shí)至孔口。

        2.6 質(zhì)量檢查

        灌漿結(jié)束10天后,在加固范圍內(nèi)采用動(dòng)力觸探和探井取樣方法,對(duì)加固效果進(jìn)行檢測(cè),加固土承載力提高到220~280kPa,加固深度內(nèi)的黃土自重濕陷性全部消除。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        (1)雖本次加固灌漿工程量不大,但針對(duì)性的選用了合適的加固工藝,簡(jiǎn)單實(shí)用,節(jié)約了大量材料和專用器具,降低工程造價(jià)約40%,受到甲方好評(píng)。

        (2)本次灌漿工藝為如何提高裂縫充填效果,使裂縫最大限度地充盈提供了施工經(jīng)驗(yàn)。

        (3)本次灌漿裂縫充填密實(shí),防水效果好,壩肩兩側(cè)加固深度內(nèi)的黃土自重濕陷性全部消除,對(duì)阻止壩體不均勻沉降起到明顯作用。

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