郑大硕士学位论文高聚物注浆材料的膨胀力试验研究.doc

郑 州大学 硕士学位论文 论 文 题 目 高聚物注浆材料的膨胀力试验研究 作 者 姓 名 潘 艳 辉 学 科 门 类 工 学 专 业 方 向 岩 土 工 程 导师姓名 职称 石明生 副教授 二 八年五月二十日 原创性声明原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究 所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体 均 已在文中以明确方式标明 本声明的法律责任由本人承担 学位论文作者 日期 年 月 日 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品 知识产权归属郑州大学 根据郑州大学有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留或向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权郑州大学 可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印 或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文 本人离校后发表 使用学位论文 或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时 第一署名单位仍然为郑州大学 保密论文在解密后应遵守此规定 学位论文作者 日期 年 月 日 郑州大学硕士学位论文 摘要 I 摘 要 高聚物注浆材料及快速维修技术和传统的高聚物材料相比 不仅具有反应时间快 膨胀力高 而且对环境无污染等特点 在土木工程中的应用也越来越广泛 但是 在 高聚物注浆材料注浆的设计施工过程中有许多问题需要研究和探讨 尤其是其膨胀力 与时间之间的关系 膨胀力与密度之间的关系 抗压强度 模量与密度之间的关系 直接决定着注浆能否取得满意的效果 本文围绕高聚物注浆材料的膨胀力的大小展开 工作 对膨胀力与时间 密度之间的关系 进行了一系列理论和试验方面的研究和探 讨 本文的主要工作 1 在了解和分析国内外有关高聚物材料的发展历程和其对国民经济发展的重要性 的基础上 尤其是分析比较其和同类型的产品在土木工程中的应用差别的基础上 指 出了高聚物注浆材料在土木工程中的适用范围和优势 2 在分析研究材料的膨胀特性 各种测试元件的相关信息的基础上设计加工出了 测量高聚物材料膨胀力大小的试验装置 并加以改进 得到了符合试验要求的测试装 置 3 获得了高聚物注浆材料的膨胀力与时间关系曲线 膨胀力与密度之间的关系曲 线 抗压强度 模量与密度之间的关系进行了试验研究 获得了相关的膨胀力参数 为该材料的工程应用提供了一定的参考依据 4 通过对试验过程和相关资料的分析 初步建立起了基于膨胀力关系的注浆计算 参数 在此基础上通过室内模拟膨胀力作用下土体固结试验并结合相关的理论来预测 土体沉降 并通过高聚物注浆工程实例 来检验预测参数的可靠性 关键词 关键词 高聚物 注浆材料 膨胀力 郑州大学硕士学位论文 Abstract II Abstract Polymer injecting material and rapid maintenance technique are applied more and more widely to civil engineering as its features are not only rapid reacting and high expansibility but also environment friendly compared with traditional one However many problems in designing and constructing process of injecting with polymer material need to be studied and discussed especially the relations between expansive force and time expansive force and density compression strength modulus and density which directly affect injecting effect The work about the intensity of expansive force of polymer injecting material was carried out in this paper The relations between expansive force and time as well as expansive force and density were done a series of theoretical and experimental study and discussion Main job in this paper 1 Based on the knowledge and analysis about development course of polymer injecting material at home and abroad as well as the significance for National Economy Development especially the analysis and comparison about the differences between this and the same type products for civil engineering the applicability and advantages of polymer injecting material for civil engineering were pointed out 2 Based on the analysis of expansive features of materials and correlative information of various testing component test equipment for measuring the intensity of expansive force of polymer injecting material was deigned and made and be improved to get a test equipment conformed to the test required 3 Expansive force time and expansive force density relation curves of polymer injecting material were obtained The relation among compression strength modulus and density was studied correlative parameters for expansive force were got which supplied certain references to technical application of this material 4 According to analysis of test process and correlative data counting parameter of injecting was formed based on expansive force relation In this foundation according to soil consolidating test with indoor simulating expansive force and correlative theory soil settlement can be predicted And then checked the dependability of parameter predicted through the actual example for polymer injecting project Keywords Polymer injecting material expansive force 郑州大学硕士学位论文 目录 III 目录 摘摘 要要 I I ABSTRACTABSTRACT IIII 目录目录 IIIIII 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 1 聚氨酯高聚物材料简述 1 1 2 注浆技术简述 2 1 2 1 注浆技术的发展 2 1 2 2 注浆的分类 3 1 2 3 注浆技术的研究应用现状 4 1 3 岩土工程新技术简介 4 1 3 1 EPS 技术介绍 4 1 3 2 化学添加剂技术 5 1 3 3 气泡轻质混凝土技术 6 1 4 高聚物注浆材料的膨胀力研究的必要性 7 第二章第二章 试验装置的选择设计及操作试验装置的选择设计及操作 9 9 2 1 试验装置的选择设计 9 2 1 1 试验装置的设计加工 9 2 1 2 试验装置的改进设计加工 11 2 2 膨胀力测量设备介绍 13 2 2 1 测试元件介绍 13 2 2 2 数据采集元件介绍 14 2 3 测试仪表的操作方法 15 第三章第三章 膨胀力试验研究膨胀力试验研究 1717 3 1 膨胀力试验测试过程介绍 17 3 2 膨胀力与密度关系 17 3 2 1 试样密度的计算 17 3 2 2 最大膨胀力密度关系分析 20 3 2 3 同一时刻膨胀力密度关系 22 3 3 膨胀力时间关系 27 3 3 1 膨胀力时间过程记录 27 3 3 2 膨胀力时间关系曲线分析 28 3 4 基于膨胀力的注浆参数建立 29 3 4 1 膨胀力和抗压强度之间关系的初步分析 29 3 4 2 膨胀力时间模型的建立与注浆参数的选择 31 第四章第四章 膨胀力作用下的土体固结试验膨胀力作用下的土体固结试验 3535 4 1 膨胀力作用下土体压缩的室内试验研究 35 4 1 1 粉质粘土基本参数的确定 35 4 2 膨胀力作用下土体固结沉降预测理论 37 郑州大学硕士学位论文 目录 IV 第五章第五章 工程实例分析工程实例分析 4242 5 1 工程概况 42 5 2 试验施工过程简述 44 5 2 1 高聚物注浆试验的目的和试验工艺流程 44 5 2 2 基于膨胀力试验结果的注浆量计算 45 5 2 3 施工过程简述 46 5 3 注浆后 FWD 检测及沉降观测 47 5 4 注浆效果分析 49 第六章第六章 结论及展望结论及展望 5353 6 1 主要结论 53 6 2 研究展望 53 参考文献参考文献 5555 致谢致谢 5757 郑州大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 本章主要对聚氨酯高聚物材料和注浆技术的发展概况进行了概述 同时和土木工 程中兴起的几个地基处理新技术进行了简要的分析比较 指出了研究高聚物注浆材料 的膨胀力有关性质的必要性 并介绍了本文各章节的主要内容 1 1 聚氨酯高聚物材料简述 高聚物指由许多相同的 简单的结构单元通过共价键重复连接而成的高分子量化 合物 聚合度低的聚合物称为低聚物 当分子量高达 10000 1000000 才称为高分子聚 合物 1 如塑料 橡胶 纤维等 由一种单体聚合而成的聚合物称为均聚物 如聚氯 乙烯 聚乙烯等 由两种以上单体共聚而成的聚合物则称为共聚物 如氯乙烯 醋酸 乙烯共聚物等 人类利用天然聚合物的历史久远 直到 19 世纪中叶才跨入对天然聚合物的化学改 性工作 1839 年 C Goodyear 发现了橡胶的硫化反应 从而使天然橡胶变为实用的工 程材料的研究取得了关键性的进展 1870 年 J W Hyatt 用樟脑增塑硝化纤维素 使 硝化纤维塑料实现了工业化 1907 年 L Baekeland 报道了合成第一个热固性酚醛树脂 并在 20 世纪 20 年代实现了工业化 这是第一个合成塑料产品 1920 年 H Standinger 提出了聚合物是由结构单元通过普通的共价键彼此连接而成的长链分子 这一结论为 现代聚合物科学的建立奠定了基础 随后 Carothers 把合成聚合物分为两大类 即通 过缩聚反应得到的缩聚物和通过加聚反应得到的加聚物 20 世纪 50 年代 K Ziegler 和 G Natta 的研究小组发现了配位聚合催化剂 开创了合成立体规整结构聚合物的时 代 促进了聚烯烃工业的飞速发展 2 在大分子概念建立以后的几十年中 合成高聚 物取得了飞速的发展 许多重要的聚合物相继实现了工业化 1937 年德国化学家 Otto Bayer 发现了异氰酸酯与活泼氢化合物的聚合反应 从而 建立了聚氨酯化学的基础 3 40 年代德国制取了聚氨酯粘合剂 50 年代德国人亚当合 成出聚氨酯混炼胶 MPUR 和聚氨酯浇注橡胶 CPUR 60 年代以来聚氨酯浇注橡胶 热塑胶 泡沫塑料 涂料 粘合剂等相继形成了工业化生产 70 年代末 80 年代初 聚 氨酯合成材料的品种已经向系列化发展 并且开发出反应注射成型的聚氨酯 RIM 该 产品具有适应性强 成本低 易于增强等优点 4 我国自 1958 年试制成聚氨酯弹性体 以来 先后开发出浇注胶 混炼胶 热塑胶 软硬泡沫塑料和黏合剂等 70 年代开始 我国聚氨酯新材料有了较为迅速的发展 聚氨酯泡沫塑料按其性能划分 可分为 1 软质泡沫塑料 其特点为制品柔软 回弹性好 压缩永久变形小 主要用作衬垫材料 2 硬质泡沫塑料 其特点为制品质 轻 比强度高 导热系数低 隔热性能良好 广泛用作保温材料和夹芯层合板 特别 是阻燃型及现场喷涂发泡工艺的应用 更扩大了硬质泡沫塑料在建筑 冷库 冷藏车 辆及船舶中作为保温层的应用 3 半硬质泡沫塑料 其特点是制品性能介于硬质与软 郑州大学硕士学位论文 第一章 绪论 2 质之间 具有良好的抗冲击性和缓冲性 适合于做工程防震 缓冲和包装材料 4 特 殊泡沫塑料 适用于特殊需要 5 聚氨酯是一种新兴的有机高分子材料 被誉为 第五大塑料 因其卓越的性能而 被广泛应用于国民经济众多领域 目前我国聚氨酯材料品种牌号约 80 种 其中弹性体 60 余种 泡沫塑料 10 余种 产品应用领域涉及轻工 化工 电子 纺织 医疗 建筑 建材 汽车 国防 航天 航空 土木等众多领域 在汽车行业中 据有关测试 汽车的重量每下降 1kg 1L 汽油可多跑 1 1m 6 玻 璃钢聚氨酯保温管道用于地热水供热已较为普遍 用于凝结水回收以及小区内二级供 热管网等工程正在推广使用 其使用温度 30 90 使用年限为 15 年 初次投资 偏高 运行费用低 总体上相对造价低 7 上海杨浦区 采用了接口处 TZS 水溶性聚 氨酯堵漏和管内注浆加固周围土体的非开挖式修理技术 在社会和经济效益上均取得 了显著的效果 8 三峡工程从选址到建成的过程中 针对一些水泥浆不能解决的问题 采用化学灌浆中的聚氨酯灌浆技术成功解决了上述难题 前后进行了 15000m 的三峡 大坝化学灌浆帷幕和 3000m 化学灌浆加固地基工程等 9 建筑节能设计和施工过程 中 大量用到聚氨酯板或者直接喷涂聚氨酯材料 10 1 2 注浆技术简述 1 2 1 注浆技术的发展 注浆技术 Grouting 是岩土工程学的一个分支 属于地基处理的范畴 经过 200 多 年的发展 逐步由经验方法完善成为一门具有一定理论体系的技术 11 12 13 注浆技术大致经历了四个发展阶段 由原始粘土浆液注浆 初级水泥浆液注浆 中级化学注浆和现代注浆阶段 1802 年 法国人查理斯 贝里格尼 Charles Berigny 在修理河道的冲刷闸时 用一 种木质冲击筒装置 采用人工锤击方法向地层挤压粘土浆液 被认为是注浆技术的开 始 在随后的半个世纪 一方面这种方法被用来加固建筑物地基 另一方面该技术逐 步传入英国和埃及 尽管如此 注浆技术一直处于原始萌芽阶段 方法和原材料都很 简单 硅酸盐水泥的诞生给注浆技术的进一步发展带来了机遇 英国的基尼普尔在 1856 1858 年间用水泥进行了一系列注浆试验 并获得成功 这是第一次用水泥作为注 浆材料 之后注浆材料的配方 注浆工艺和注浆设备随着注浆技术广泛的应用于工业 民用建筑 地铁 矿山等领域而快速发展 1920 年荷兰工程师尤斯登首次用水玻璃 氯化钙双液双系统二次压注法 使得化 学注浆技术得到了快速发展 之后 大量的有机无机材料被开发应用到注浆技术中 取得了良好的效果 但同时也因为化学材料自身的缺陷 出现了几起中毒事故 但同 郑州大学硕士学位论文 第一章 绪论 3 时也推动了化学注浆材料向低毒无毒方向发展 也促进了注浆理论和工艺的发展 近 些年来 随着人们对环境的认识和环保意识的加强 对聚氨酯材料的无毒化 低游离 TDI 甲苯二异氰酸酯 研究取得很大进展 聚氨酯硬质泡沫塑料的性能得到了进 一步的发挥 重要的环境保护体现在 ODP 臭氧消耗潜值 上 ODP 值为零或接近于零 14 上个世纪 60 年代末出现的高压喷射注浆技术 标志着注浆技术进入到了一个新的 阶段 将渗透注浆 压密注浆 劈裂注浆和高压喷射注浆得到了高度的统一 至今 注浆技术己经发展成为针对治水防渗 地基加固 结构纠偏抬升等适用于不同条件下 的门类齐全的注浆大体系 1 2 2 注浆的分类 根据注浆施工时间 注浆材料 工艺流程等标准的不同注浆的分类方法也不相同 根据浆液在岩 土 层中的运动形式和浆液对注浆对象的作用方式可以分为以下几种类型 l 填充或裂隙注浆 本注浆方式是将某种浆液注入岩 土 体的空穴 裂隙内 通过浆液由液相转变为固 相 以达到填实加固和止水的目的 土层充填注浆一般注浆深度不大 静压注浆即可 岩层裂隙 采空区注浆一般注浆深度大 压力也相对较高 11 2 渗透注浆 渗透注浆是在不足以破坏土体构造的压力下 把浆液注入到粒状土的孔隙中 从 而改变原土体的三相结构 浆液扩散到土颗粒间的孔隙内 将土颗粒胶结成一个整体 具有强度大 防水性能高 稳定性良好等特点 11 15 3 压密注浆 压密注浆适用于加固粒径较小的砂土和能够充分排水的粘土 其特点是对土体软 弱的地区起到最大的压密作用 浆液在土体中运动时挤走周围松散的土体 起到置换 的作用 对土体产生挤压作用 只使周围一定范围内的土体发生塑性变形 较远处土 体发生弹性变形 压密注浆一般能够产生两种效果 一是加固了注浆区和注浆区附近 的土体 提高了土的承载力 二是能够产生向上的抬升力 11 16 4 劈裂注浆 劈裂注浆使用的浆液一般较压密注浆更稀 浆液在注浆压力作用下一般直接就对 土体产生了水力劈裂 劈裂的方向是以浆液出口为中心向四周扩展的 浆液流动终结 后 在土体中形成网状浆脉结石体或者条带状的胶结体 劈裂面发生在阻力最小主应 力面上 劈裂压力与地基中的小主应力及抗拉强度成正比 劈裂注浆在钻孔附近形成 网状浆脉 通过浆脉挤压土体和浆脉的骨架作用加固土体 11 17 5 高压喷射注浆 郑州大学硕士学位论文 第一章 绪论 4 高压喷射注浆的压力一般为 20MPa 70MPa 多适合于砂层和淤泥质粘土层 流 体在喷嘴外呈射流状 高压射流击破搅动土体 以浆液置换原有土体并使其以流动态 上返 从而达到加固目的 根据喷射管的类型一般分为单管法 双管法 三管法和多 管法等 1 2 3 注浆技术的研究应用现状 从已经研究出的关于注浆的理论看来 对于无机类注浆材料 研究工作主要集中 在 12 13 1 注浆浆液的性能测定 例如浆液的密度 浓度 粘度 粒度 PH 值 凝胶 时间和凝结时间及稳定性等 2 基于浆液的流体力学性质和浆液作用加固土体的注浆理论研究 包括渗透注 浆理论 土体压密注浆和劈裂注浆理论 裂隙岩体注浆理论 3 注浆工艺及注浆效果的检测分析 包括注浆方法 注浆次序 注浆控制技术 标贯法和触探法 电阻率法及弹性波法等 上述理论的建立推动了注浆理论的进步 但是依旧在理论建立的过程中使用了大 量的其它专业的经验公式 同时对注浆加固机理的研究也进展较小 只能对注浆后的 效果进行评价和综合效果进行比较分析 对有机类注浆材料的研究工作 主要集中在注浆新材料的研究和注浆设备工艺的 研究 在注浆理论方面所做的研究工作也相对较少 巴莱特等人在研究硅酸盐溶液渗 透机理中掺入不同的色素并控制注浆工艺的方法 推断并绘制出了浆液的扩散图像 值得在研究注浆材料的作用机理时使用 12 正是由于注浆技术的不断发展和创新 使得注浆技术的应用领域也越来越广泛 注浆技术已经是进入了岩土工程的各个应用领域 矿山 水利 交通 土木等 可以在 多种岩层 土层 粘土 粉土 沙砾层 卵石层等等 进行注浆 注浆的工作目的也不再 是单一的堵水 加固 而是向治水防渗 土体加固 地基处理等复合方向发展 实践 证明 注浆技术在进行倾斜建 构 筑物基础的加固 抬升 沉陷地面治理时可以取得很 好的效果 1 3 岩土工程新技术简介 随着社会经济的发展 工程中所遇到的地质条件和技术难度也越来越复杂 为了 满足工程建设的需要 克服工程中所遇到的各种难题 岩土工程新技术也不断的取得 具有重大意义的成功 1 3 1 EPS 技术介绍 EPS 是发泡聚苯乙烯 expanded polystyrene 的简称 它是在工厂制作 采用聚苯乙 郑州大学硕士学位论文 第一章 绪论 5 烯发泡树脂加入发泡剂 加热软化 产生气体而成的发泡树脂 属超轻质材料 最早 是在挪威道路工程中作为防冻材料使用 同时其轻量性也引起关注 18 19 随后 经过 一段时间的研究运用 EPS 在欧美 日本等国取得了大量成功应用的实例 将用来作 为填土材料来解决桥台 边坡工程的填土问题 地基处理 滑坡和公路路堤处理 建 筑外墙 屋面的保温系统 解决了路堤和桥头连接处的差异沉降问题 20 等 但是我国 对 EPS 材料在地基处理工程中的应用虽然还处于起步阶段 但也有不少成功的实例 广东惠澳大道淡澳大桥 1997 年 3 月修建过程中 桥台后出现两次大规模的路基滑移 采用 EPS 材料处理后 地基稳定性系数为 1 37 具有解决桥头跳车效果好 造价不高 的优点 21 22 23 目前国内道路工程中对 EPS 材料的使用还比较少 仅在东南沿海经 济发达 软基分布广泛的几个省市 如浙江 广东等省有一些应用 且多数用于应急 补救工程或地质条件特别差的地段 24 1 3 2 化学添加剂技术 高速公路路基传统材料主要有水泥稳定砂砾 二灰碎石 水泥稳定碎石等 正在 我国辽宁丹东进行试验的土壤固化剂 RBI 81 是一种浅灰色粉末状固体 适用于任何 类型土壤的固化 包括黏性极大的粘土和无任何粘性的砂子 可以显著的提高天然土 壤的质量 强度 防水性和耐用度等 并且可以避免对路基原址的开挖 运送及购买 其他替代材料等的巨额费用 从而大大的降低公路的造价 25 例如 传统方法 挖长 1000m 深 0 5m 宽 7m 的路基 最多需要 30000t 替换材 料 需要 30t 的大卡车运送 1000 次 如果使用 RBI 81 固化剂对原址土材料进行固化 仅需要 360t RBI 81 30t 的大卡车运送 12 次即可满足要求 它的施工工艺是 将 RBI 81 固化剂洒布 其添加比例由多项因素来决定 根据道 路的交通流量 荷载和设计年限 RBI 81 固化剂的添加比例从 3 到 5 不等 一般而 言 10cm 厚的路基每平方米所投入的 RBI 81 土壤固化剂用量在 6 12 拌和在试 验段的路基中 经养护后形成一个刚性 黏着的体系 并且具备防水 防尘等优点 此外 RBI 81 固化剂在利用天然土壤制造拥有建造房屋的砖块方面也有很大的优势 用 RBI 81 固化剂与原址土混合制成的砖坯 可以手工压制 养护和加固时间短 不需 烘焙 可以直接在道路现场制作 避免了长途运输的不便 武汉中财科贸公司在有关科研单位 大专院校的帮助下 经多次试验 开发研制 出一种 CMA 膨胀土生态改性剂和施工技术 应用膨胀土地基与边坡的治理能起到较好 的效果 其原理是利用改性剂和少量石灰掺配水溶液后 使水分子离解成 H OH 从 而与膨胀土表面附带的大量活跃的金属阳离子交换 使吸附在土粒上的水化学键破坏 形成自由水 使石灰土形成键状和网状结构加快反应和离子交换 水分通过重力 蒸 发 压实作用排出 减弱其膨胀势能 改变膨胀土颗粒结特性 从而提高土体的抗剪 强度 永久地改变膨胀土属性 能将膨胀土改为非膨胀土 且具有比石灰土更稳定 郑州大学硕士学位论文 第一章 绪论 6 更持久的效果 26 CMA 膨胀土生态改性剂为中性水溶液 其 PH 值在 6 7 之间 且无毒 无腐蚀性 不可燃 无污染 能解决石灰土的水稳定性问题 增加了土的强度 并大幅度降低工 程造价 简化了施工工序 只须将改性剂洒入膨胀土表面即可 施工性好 工期短 改性后土体能种植灌木和草皮 具有绿化与美化环境 还原生态的功能 CMA 膨胀土生态改性剂与施工技术 应用范围广 适用性强 又属于环保产品 它的研制成功 是工程界治理膨胀土技术上的重大突破 解决了工程建设中的一大技 术难题 推广该技术应用 对加快工程建设 确保工程质量 具有深远的意义 有较 好的经济效益和社会效益 1 3 3 气泡轻质混凝土技术 80 年代末期 日本 荷兰等国相继开始研制新型的填土材料 因为混合土采用泡 沫剂发泡拌制而成 所以称为气泡轻量混合土 气泡混合轻质土就是在原料土中按照 一定的比例添加固化剂 水和预先制作的气泡群 进行充分的混合 搅拌后所形成的 轻型土工材料 代表性气泡轻量混合土主要有 FLM Foam Light weight Material HGS High Grade Soil SGM Super Geo Material 等 图 1 1 简要说明了气泡混合轻质 土的制作流程 原料土解泥加入固化剂 发泡剂稀释发泡 混合浇筑 图 1 1 气泡混合轻质土的制作流程 日本不仅对聚苯乙烯轻质混合土进行了试验研究 而且还对气泡轻量混合土进行 了试验研究 日本道路工团研究所对采用标准砂土混合的气泡轻量混合土进行了试验 研究 结果认为气泡轻量混合土作为人工地基 满足最大限度的强度要求 瓦川善山 研究了在气泡轻质混合土中加入了少量粉煤灰之后的特性 1989 年日本的山内等对气 泡轻质混合土进行了频率 5Hz 循环次数 10 万次的反复单轴压缩试验 日本关于气泡轻量混合土进行了多方面的试验研究 日本最初关于气泡轻量混合 土的应用开始于 1986 年 东北公路八户县一户区作为处理滑坡的对策 用来减轻填土 荷重 之后采用气泡轻量混合土的施工实例才逐渐开始逐渐增多 1985 年 美国波斯 顿在世界贸易中心的建设中 使用 78000 立方米的气泡轻量混合土处理地基 减轻上 部的荷重 同时在高速公路桥墩部位也使用了气泡轻量混合土 处理结果都不错 在 美国华盛顿州西雅图市 1988 年对城市下水管道进行改造 将 1895 年修筑的下水管道 扩建为两层管道 在管道的周围采用气泡轻量混合土进行充填 这项管道扩建工程获 得了 1988 年华盛顿顾问工程师委员会发起的最高工程设计奖 1988 年 伦敦 Dokland 郑州大学硕士学位论文 第一章 绪论 7 地区开始修建一个现代化的港口商业中心 工程总费用 40 亿英镑 其中部分地区采用 气泡轻量混合土进行地基处理 取得了较好的工程效益 为了适应我国大规模公路建设的需要 广东冠粤路桥有限公司率先在国内引进开 发了气泡混合轻质土技术 并将其用于实践 在广东已应用于道路加宽和桥台背后填 土工程 并取得了满意的效果 18 27 1 4 高聚物注浆材料的膨胀力研究的必要性 本试验用高聚物注浆材料的特点为 1 反应时间快 注浆后 15 分钟之内能够 达到其抗压强度的 90 对基础设施运营的影响较小 2 物理力学性能优良 抗压 强度高 最新一代的高聚物深层注浆材料的抗压强度能达到 10MPa 抗拉强度及弯曲 强度也均随密度的增加而显著增大 3 自身的稳定性比较好 对周围的土体和地下 水体均无污染 4 渗透系数很小 为 10 8m s 和粘土的渗透系数相当 5 对原 址处的土体的扰动很小 最主要是由于材料的容重比较小 是土体质量的 1 6 1 12 是水的质量的 1 3 1 6 不会引起周围土体应力的较为明显的重新分布 和目前我国广泛采用的聚氨脂泡沫材料相比 除了具有其它聚氨脂泡沫材料的优 良性能以外 本材料的最大优点就在于它的两种组分发生反应时能产生巨大的膨胀力 该力一方面可以在高聚物注浆时将基础底下大部分的孔隙水挤出地表 加快地基土体 的固结 同时并没有给地基增加多大的附加应力 避免了基础状态的进一步恶化 另 一方面在向上的膨胀力作用下 可以抬升基础上面结构物的差异沉降 如道路路面或 机场面层 建筑墙体的差异沉降 并且填充绝大部分的裂缝 在一定程度上可以减轻 或者消除基础再次面临水害的影响 延长基础设施的使用寿命 28 29 30 31 和 EPS 材料相比 二者同属于轻质高聚物材料 即使都用来处理桥头跳车 EPS 也必要和传统的开挖维修技术相结合才能达到预期的效果 工期长而造价高 对交通 的影响大 而高聚物注浆技术的非开挖 快速 对交通的影响小的优势就显露出来了 和两种化学添加剂技术相比 研究的侧重点不同 添加剂技术偏向于公路建设阶段 就地取材 节省工程造价和节约工期 高聚物注浆技术则重于建成后道路基层以下病 害的治理 和气泡轻质混凝土技术相比 这类技术主要解决的是填土问题 也可用于 高速公路的加宽处理 解决填土产生的压力对既有结构物的影响 从力学的角度看来 高聚物注浆技术对地基产生的附加应力比较小 只是二者应用范围有所差别 根据交通部最新公布的 国家高速公路网规划 从 2005 年起到 2030 年 国家将 斥资两万亿元 新建 5 1 万公里高速公路 使我国高速公路里程达到 8 5 万公里 公路建成交付使用后 在行车作用和自然因素的影响下 特别是交通量和轴载的 不断增加 加上在设计施工中遗留的某些缺陷 公路的使用性能将逐渐下降 产生各 种破损 公路破坏的类型很多 主要有基层和地基的不稳定以及面层的破坏 如裂缝 沉降 脱空 地基软弱等 32 33 郑州大学硕士学位论文 第一章 绪论 8 建筑 工业厂房的沉降 大部分情况下是由于填土夯实不密实 地下水位下降所 导致的 34 尤其是长江三角洲冲击平原 软土比较厚 传统的水泥注浆加固方法在一 定程度上可以缓解沉降 但是效果不理想 本论文工程实例中的厂房所在区域内的不 少厂房均出现了类似的沉降 因此如何解决这些问题 就成了公路管理部门所关心的问题 针对路基的破坏以 及面层的破坏 国内外已经展开了许多研究 提出了不少的维修加固新工艺 35 36 对泡沫塑料力学性能的研究 国外始于 20 世纪 50 年代末 至今已有很大的发展 而国内的研究起步较晚 且研究内容大多集中在低密度泡沫塑料的静态力学性能和低 速冲击加载的情况 近年来才有少量研究涉及高密度泡沫塑料在准静态和较高应变率 下的动态力学性能 37 欧美等国家在高聚物注浆过程中用激光对准仪控制板或者墙体的提升效果 为了 加快注浆技术在工程中的推广 也提供了高聚物注浆材料的一些基本力学性质指标 但是对与注浆效果紧密相关的膨胀力则以工业专利内容予以保留 从注浆工程实例的 过程中 发现注浆量较少 注浆效果不明显 注浆量太大 容易导致路面结构的隆起 破坏 为了更加准确的控制好抬升效果 获取高聚物材料膨胀力与时间 密度之间关 系有助于合理选择和改进施工工艺 1 5 本文的主要内容与技术研究路线 本文尝试首先设计加工出测量高聚物材料膨胀力的试验装置 接着进行试验测量 膨胀力与时间 密度之间的关系 随后利用膨胀力试验的试样二次试验 获取抗压强 度 弹性模量与密度关系曲线 初步建立起基于膨胀力的注浆参数选择的依据 在此 基础上 初步探讨了膨胀力加固地基的机理 对膨胀力作用下地基土固结状态进行了 室内试验 对高聚物注浆后的地基进行沉降预测 最后结合具体的工程实例来分析评 价所获得的试验结果的可靠性 论文遵循的研究思路和技术路线如下图所示 资料分析试验装置加工 试验支持 工程实例 结果分析 结论 郑州大学硕士学位论文 第一章 绪论 9 图 1 2 论文研究思路和技术路线 郑州大学硕士学位论文 第二章 试验装置的选择设计及操作 10 第二章 试验装置的选择设计及操作 2 1 试验装置的选择设计 2 1 1 试验装置的设计加工 在国内很多关于聚氨酯高聚物材料试验的文献资料中 就土木工程中的应用而言 很少有涉及到高聚物材料的膨胀力性能的研究成果 仅查阅到某些老树脂胶凝体发泡 膨胀 膨胀率可达 5 10 倍 材料的膨胀力为 0 5MPa 38 28 这就使得我们在开展这 个试验的时候 必须自己设计出一整套试验设备来完成自己的研究工作 在对试验用高聚物材料的力学性能和具体的工程应用有一个感性的认识的基础上 发现在试验设备的设计和加工过程中 首先要解决的三个问题是 1 材料如何的密封 问题 2 如何材料的化学反应放出的热量对测试元件正常工作的影响 3 试样尺寸大 小如何确定的问题 如何设计出一个密封性能好的装置 既不让材料从试验装置的接口处挤出 又避 免测得的膨胀力出现较大的偏差 是首要考虑的问题 在参观和较详细的了解刘志远 所做的关于本材料工程特性的试验研究所用的成型模具后 发现他采用类似于钢管插 入凹槽的连接方式较好的解决了材料的密封问题 但是他所加工出来的试验装置主要 是用来试样成型 对成型后的试样进行相关的力学试验是试验的重点 没有考虑在试 样成型过程对膨胀力大小进行测试工作 该试验装置也无法承受较高的膨胀力 18 如 图 2 1 所示 即是在试样成型过程中出现的喷浆现象 可以借鉴的是他对材料密封处理的一些措施 在此基础上 做出一定程度上的改 进措施 以便获得更大密度范围内的膨胀力数据 有压水力管道采用法兰盘和垫圈连接能够承受较大的动水压力并保持较好的密封 性能 也就意味着我们采用法兰盘加垫圈连接的方式可以满足材料在反应过程中出现 的 10MPa 的膨胀力 根据钢铁材料强度基本常数 经过初步计算确定 选用钢质注浆 筒的壁厚 6mm 法兰盘厚 18mm 8 孔 与之对应的螺栓直径 18mm 材料的化学反应会放出大量的热 这也是一个十分棘手的问题 土木工程中所用 到的测试元件很少有耐高温的 以土压力盒为例 大部分的工作温度都是 30 80 之间 如下表 2 1 所示 是对不同厂家几个不同型号土压力盒工作温度 范围的调查统计结果 还有一部分热敏仪器对工作温度的要求更高 这就决定了或者 选择一个测试元件 将化学反应时的温度控制在自己的量程之内 确保测量数据的准 确和仪器的安全 或者选择一种绝热材料 来隔绝高温并大大的延缓化学反应时的高 温混合体和测试元件之间的热传递过程 使得测试过程顺利进行 通过对耐高温测试 元件量程和价格的筛选和询价 一是价格比较高 一个传感器的价格在 2000 3000 元 之间 并且需要配备专业的数据采集设备 且不提供租赁 使得试验成本偏高 二是 郑州大学硕士学位论文 第二章 试验装置的选择设计及操作 11 它们的工作温度范围还不能很 图 2 1 工程特性试验所用试样成型装置 好的满足试验的要求 并且怎样将其加入到试验设备这个体系上来也是一个很大 的问题 出于以上考虑 选择了尽量控制材料的反应温度的基础上 先在量程上满足 试验的要求 再采取有效隔热的方式来测量膨胀力的这一思路 虽然这种方式对设备 加工会带来一定的麻烦 但是综合成本比较低 也能够达到试验目的 表 2 1 几种土压力盒的工作温度表 土压力盒型号工作温度 GYH 型 30 70 DYB 型 30 80 TJ 22 型 25 60 TGH 型 20 80 对力的测量基本上可以分为两大类 一类是直接测量 另一类是间接测量 直接 测量力的大小确实有很多方便之处 但是这一类测量方法在一定程度上都要求被测物 体发生一定的变形或者位移 正是这些位移或者变形对液态材料的密封带来了一些不 利的影响 因此 设计构想初期 首先考虑的是间接测量方式 即在尽可能隔热的基 础上 采用传统的贴应变片的方式来测量材料化学反应膨胀过程中设备外壁的应变量 然后通过计算获取膨胀力值 这种方式的测量精度还是可以接受的 但是在试验过程 中 反复的温度变化 会对应变片的零点值产生漂移 39 在多次测量使用之后 会对 后续测量的精度产生不利影响 或者换掉应变片 重新粘贴新的应变片 这样会加大 工作量 而且贴在试验装置外壁上的应变片 在做试验过程中也可能出现损伤 郑州大学硕士学位论文 第二章 试验装置的选择设计及操作 12 材料反应过程中产生的膨胀力和周围介质受到的压力是一对作用力与反作用力 量程为 10MPa 的压力传感器 在工程上用得并不多 国内常用的几种型号土压力盒的 量程统计结果如下表 2 2 所示 量程优先满足的情况下 选择了山东科技大学洛赛尔 传感技术有限公司生产的量程为 10MPa 的 TGH 型振弦式土压力盒作为我们的测试元 件 如图 2 2 所示 其最高工作温度可达 80 对我们选择隔热材料有较大的帮助 可以适当降低隔热材料的等级 或者说选用同等规格的隔热材料可以达到更好的测量 效果 图 2 2 TGH 型振弦式土压力 表 2 2 几种土压力盒的最大量程表 土压力盒型号最大量程 MPa GYH 1 型 10 DYB 型 1 5 TJ 22 型 6 TGH 型 10 在考虑了上述几个因素的前提下 设计加工出了一个试验仪器 如下图 2 3 所示 在首次试验中 也如期获得了想要的膨胀力值 但是温度的影响超过了我们最初的判 断 并且在试验后脱模的过程中 连接土压力盒的数据线也被拉断了 使得脱模又成 了一个难题 在较全面的分析了这个试验过程的基础上 对试验设备进行了两点改进 一是必须找到一种符合要求的隔热材料 来保证土压力盒的安全工作 二是将土压力 盒不放在注浆筒内 而是放在注浆筒外 改固定放置为活动放置 这样一来 隔热 脱模 处理起来都容易了很多 效果也很明显 2 1 2 试验装置的改进设计加工 郑州大学硕士学位论文 第二章 试验装置的选择设计及操作 13 针对第一次试验过程中发现的问题 选择了一种耐高温绝热材料来保证土压力盒 的正常工作 同时土压力盒灵活放置 又精确加工了两个钻孔法兰盲板 并将法兰盘 之间的塑料垫圈改用耐高温硅胶板 11 8 9 7 6 5 4 3 2 1 10 图 2 3 第一次设计加工出的试样装置 1 螺丝 2 螺栓 3 法兰盲板 4 塑料垫圈 5 测试数据线 6 注浆筒法兰盘 7 环形木块 8 注 浆头 9 土压力盒 10 测试仪表 11 注浆筒 绝热材料如图 2 4 所示 采用的是三门峡一家高温材料公司的产品 该材料具有导 热系小 导热系数为 0 02w m k 抗风蚀性强 收缩比例小 抗热震性能好 热均匀性 好 热稳定性强 可调整性大 施工速度快 利于环保等特点 使用温度为 400 1450 经计算测试表明 10mm 厚的高温绝热毡可满足试验要求 在试验 的过程中 将该材料裁剪为圆饼形 略大于土压力盒直径 并用纸片包住该材料 胶 带粘好 可以节省该材料的使用 并不影响试验结果 图 2 4 试验选用的高温绝热材料 钻孔法兰盲板 是在法兰盲板的基础上根据土压力盒直径经车床精密加工出来的 钻孔直径为 109mm 仅比土压力盒直径大 1mm 成功的避免在化学反应过程中材料挤 破硅胶板 进入土压力盒内 影响试验的正常进行 硅胶板具有优良的耐热空气老化性能 耐臭氧性能 绝缘性能好 化学稳定性好 郑州大学硕士学位论文 第二章 试验装置的选择设计及操作 14 无毒 无味并耐燃料油和润滑油 可在温度 60 250 的条件下的空气或油类介质中 工作 试验表明所采用硅胶板 很好的保证了密封效果 并且和高聚物材料没有发生 化学反应 使得脱模工作得到了一定程度的简化 再次加工出来的试验仪器如下图 2 5 所示 其主要构造为一个内径 150mm 的圆管 两头焊有法兰盘 精细加工的法兰盲板调整到和土压力盒的表面平齐 由一个 300mm 长通丝将提供反力的法兰盲板 固定土压力盒的法兰盲板及圆管通过螺丝固定起来 形成了一整套的试验成型测试设备 试样大小的确定 塑料聚氨酯试验规范中并没有规定 在接触具体的工程实践中 发现材料在反应膨胀的过程中 并不是很均匀发生化学反应 出现部分地方密度较周 围地区大的可能 为了使得膨胀力的测量更具有代表性 试样应该选择相对较大的尺 寸 同时兼顾膨胀力试验后 对试样进行后续力学试验 合理利用试验资源 我们参 照美国 AST 规范中对混凝土抗压强度试样大小的规定 最终确定试验尺寸为 150 300mm 的圆柱型试样 40 在做完膨胀力试验之后 对材料及材料和粗骨料的 混合体进行相关力学试验 2 2 膨胀力测量设备介绍 2 2 1 测试元件介绍 振弦式传感器 具有灵敏度高 精度高 稳定性好的特点 检测仪器操作相对简 单的特点 既可直接显示频率 也可直接显示压力值 通过比较之后 我们选择了山东科技大学洛赛尔传感器技术有限公司生产的 TGH 型量程为 10MPa 的土压力盒 其主要技术指标如下表 2 3 所示 表 2 3 TGH 型土压力盒主要技术参数 量程10MPa 准确度0 5 FS 1 0 FS 重复性0 2 FS 0 4 FS 分辨率0 01 FS 在试验使用的过程中 需要在仪器安装好后 注浆开始前 再一次测量土压力盒 的读数 记为初始频率或初始力值 其力值和频率之间的换算关系见下式 2 1 22 00 pA ffB ff 式中 p 土压力盒顶面所受的压力 MPa A 土压力盒常数 B 土压力盒常数 f0 注浆开始前的初频 Hz 郑州大学硕士学位论文 第二章 试验装置的选择设计及操作 15 15 11 12 13 14 16 1 10 9 8 7 6 5 4 3 2 图 2 5 第二次设计加工出的试验装置 1 法兰盲板 2 注浆头 3 排气孔及密封螺栓 4 螺栓 5 硅胶板 6 注浆筒法兰盘 7 注浆筒 8 测试仪表 9 测试数据线 10 注浆筒法兰盲板 11 土压力盒 12 法兰盲板 13 精密钻孔后的法 兰盲板 14 硅胶板 15 螺丝 16 螺栓通丝 2 2 2 数据采集元件介绍 土压力盒经导线和数据采集仪器连接 本次数据采集选用 GSJ 型多功能电脑检 测仪 该仪器是山东科技大学仪器仪表研究所研制的一种多功能便携式仪器 该仪器 体积小 重量轻 耗电省及携带方便 既能测量频率 也能再事先输入传感器常数 A B 和 G 即初频 f0 单片机根据上述公式 2 1 直接显示力 压力值 并可存储和 郑州大学硕士学位论文 第二章 试验装置的选择设计及操作 16 查看 操作面板主要包括传感器插座 电源启动按钮 电源关断按钮 充电插座 LCD 显示器 键盘和标牌等构成 如下图 2 6 所示 其中键盘包括 0 9 为数字键 A B C D E 和 F 等几个功能键 图 2 6 GSJ 型多功能电脑检测仪 操作菜单为两级菜单 根据提示做出相应的选择后即可进行相应的频率或压力测 量 只是在仪