硅酸鹽水泥與環境工程地質條件適用性

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【摘要】通過理論和試驗分析硅酸鹽水泥品種及其礦物組成和添加劑對環境工程地質的適用性，確定典型軟土水泥土加固中使用的硅酸鹽水泥品種及其礦物組成和添加劑，以確保地鐵隧道結構保護區地基加固質量，這不僅對水泥土加固軟土地基的基本理論具有重要意義，而且還對地鐵隧道結構的安全和地鐵的正常運營具有重要現實意義。

【關鍵詞】硅酸鹽水泥；地基加固；地鐵運營

1研究與實踐概況

1.1研究意義

隨著經濟的快速發展，不僅軌道交通建設規模愈來愈大，而且軌道交通建設速度也不斷加快，然而，地鐵主要穿越的第④層土為軟土，其具有孔隙比大、天然含水量高、滲透性弱、壓縮性高、抗剪強度低和結構性強，這種軟土地基在連續不斷的行車荷載作用下，既是沒有其他因素影響軟土地基也容易產生較大的沉降，而實際上長期存在大量對地鐵隧道結構產生加載（或卸載）的施工活動，這更加加速了地鐵隧道地基土體的沉降速率，對地鐵的安全運營產生嚴重影響，因此，控制地鐵安全保護區施工活動對隧道影響具有重要現實意義。

1.2實踐概況

水泥土主要是指利用硅酸鹽水泥通過特制的機械(例如深層攪拌機、高壓噴射灌漿機等)在地基深處就地將原位土與水泥漿液或水泥粉體強制攪拌、破壞土體原有結構或置換而形成的固結體。一般情況下，軌道交通保護區范圍內的任何基坑工程，在靠近地鐵一側和基坑底部一定區域的土體都要進行高壓漩噴和三軸攪拌樁加固，增強土體的強度，以減少施工活動對地鐵隧道結構的影響。而無論采用高壓漩噴，還是采用三軸攪拌樁加固地基，其基本機理一樣，都是通過給軟土中混合加入硅酸鹽水泥，硅酸鹽水泥與土體混合后通過硅酸鹽水泥的水解和水化反應、硅酸鹽水泥水化物與土顆粒之間的離子交換和團粒化作用、凝硬作用、碳酸化作用等一系列化學反應而使土體成為具有整體性、水穩定性和一定強度的水泥土樁（墻）體，從而減小施工對隧道結構的影響。影響水泥土最終強度的主要因素主要包括工程地質環境、硅酸鹽水泥的品種及其礦物組成和施工工藝三方面。施工工藝方面，只要施工機械的各施工參數控制合理，如鉆進速度、鉆頭轉速、提升速度、硅酸鹽水泥漿壓力、硅酸鹽水泥用量等參數控制合理，就基本能夠保證硅酸鹽水泥與土的均勻混合，而這些參數一般只要通過在不同的工程地質環境中的試驗，就可以找到合適的施工參數。然而，僅僅通過控制施工質量和硅酸鹽水泥摻量，有時不能保證最終具有良好的軟土加固效果，這主要因為工程地質環境、硅酸鹽水泥的品種及硅酸鹽水泥品種對工程地質環境的適用性對土體加固效果具有重要影響。一般施工場地的環境工程地質條件是異常復雜和多變的，即使在很近的區域其土層的礦物組成也可能出現顯著的變化。一般認為含有高嶺石、多水高嶺石、蒙脫石等粘土礦物的軟土加固效果較好，而含有伊里石、氯化物和水鋁英石等礦物的粘性土以及有機質含量高、酸堿度（PH值）較低的粘性土加固效果較差。其次，地下水的含量和化學成分也是引起加固效果差異的重要因素，如果土體含水量接近所加硅酸鹽水泥水化反應所需的水量時，加固后的水泥土的強度就大，如果含水量超過硅酸鹽水泥水化反應所需的水量或者含水量不滿足硅酸鹽水泥水化反應所需的水量時，水泥土的強度都要小于設計強度。另外，地下水的化學成分也是引起水泥土強度變化的主要因素。因此對施工場地的環境工程地質條件和地下水的詳細調查、分析和試驗是保證地基加固質量的前提條件。加固軟弱地基土的硅酸鹽水泥的品種、水灰比、硅酸鹽水泥摻入比、齡期以及外加劑的配比等都對水泥土的強度具有重要影響。首先，硅酸鹽水泥的品種一般分為硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥五種，主要根據硅酸鹽水泥礦物組成和外加混合材料的種類確定的，若硅酸鹽水泥熟料中只加石膏而制得的硅酸鹽水泥稱純硅酸鹽水泥，如在其中加入高爐礦渣、粉煤灰或火山灰等混合材料，則分別稱為礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和火山灰硅酸鹽水泥。如果上述混合材料的加入量不超過15％，則稱為普通硅酸鹽水泥（簡稱普通水泥）。由此可見硅酸鹽水泥的礦物組成非常復雜，不僅不同地區生產的硅酸鹽水泥熟料的礦物成分不同，而且各種硅酸鹽水泥中所加的硅酸鹽水泥熟料、石膏和外加混合材料（高爐礦渣、粉煤灰或火山灰）的比例不同，即使同一名稱的硅酸鹽水泥（硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥），其各種礦物組成也有很大差異，硅酸鹽水泥礦物組成的復雜性決定了其加固地基的差異，因此通過試驗確定適合上海典型環境地質條件的硅酸鹽水泥及其礦物組成對軟土加固質量具有重要意義。由于與硅酸鹽水泥水化反應相關的因素多而且復雜，因此，針對南方軟土的環境工程地質條件試驗測定適用軟土地基加固的具體礦物組成的硅酸鹽水泥品種對保證地基加固質量具有重要現實意義。

2結論及意義

綜上所述，影響水泥土最終強度的主要因素為工程地質環境、硅酸鹽水泥的品種及其礦物組成和施工工藝三方面。因此針對上述內容進行全面研究，尤其是不同工程地質條件和不同硅酸鹽水泥品種的適用性，對確定軟土地基加固的硅酸鹽水泥品種及其礦物組成、保證加固質量和確保軌道交通安全運營都具有重要意義。

【參考文獻】

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作者：李文婷 王英 梁本亮 查瓏瓏 單位：上海師范大學建工學院