浅议硅酸盐水泥与环境工程地质条件适用性

李文婷　王英　梁本亮　查珑珑

【摘 要】通过理论和试验分析硅酸盐水泥品种及其矿物组成和添加剂对环境工程地质的适  用性，确定典型软土水泥土加固中使用的硅酸盐水泥品种及其矿物组成和添加剂，以确保地铁隧道结构保护区地基加固质量，这不仅对水泥土加固软土地基的基本理论具有重要意义，而且还对地铁隧道结构的安全和地铁的正常运营具有重要现实意义。

【关键词】硅酸盐水泥;地基加固;地铁运营

中图分类号： TQ172.1文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）26-0158-002

【Abstract】Through theoretical and experimental analysis of the applicability of Portland cement varieties， mineral composition and additives to environmental engineering geology， to determine the types of Portland cement used in typical soft soil cement when reinforcing the soil and their mineral composition and additive. This can ensure the quality of foundation reinforcement in the protection zone of metro tunnel structure， which has great significance for the basic theory of reinforcing soft soil foundation with cement soil， but also has important practical significance for the safety of subway tunnel structure and the normal operation of subway.

【Key words】Portland cement; Foundation reinforcement; Subway operation

1 研究与实践概况

1.1 研究意义

随着经济的快速发展，不仅轨道交通建设规模愈来愈大，而且轨道交通建设速度也不斷加快，然而，地铁主要穿越的第④层土为软土，其具有孔隙比大、天然含水量高、渗透性弱、压缩性高、抗剪强度低和结构性强，这种软土地基在连续不断的行车荷载作用下，既是没有其他因素影响软土地基也容易产生较大的沉降，而实际上长期存在大量对地铁隧道结构产生加载（或卸载）的施工活动，这更加加速了地铁隧道地基土体的沉降速率，对地铁的安全运营产生严重影响，因此，控制地铁安全保护区施工活动对隧道影响具有重要现实意义。

1.2 实践概况

水泥土主要是指利用硅酸盐水泥通过特制的机械（例如深层搅拌机、高压喷射灌浆机等）在地基深处就地将原位土与水泥浆液或水泥粉体强制搅拌、破坏土体原有结构或置换而形成的固结体。一般情况下，轨道交通保护区范围内的任何基坑工程，在靠近地铁一侧和基坑底部一定区域的土体都要进行高压漩喷和三轴搅拌桩加固，增强土体的强度，以减少施工活动对地铁隧道结构的影响。而无论采用高压漩喷，还是采用三轴搅拌桩加固地基，其基本机理一样，都是通过给软土中混合加入硅酸盐水泥，硅酸盐水泥与土体混合后通过硅酸盐水泥的水解和水化反应、硅酸盐水泥水化物与土颗粒之间的离子交换和团粒化作用、凝硬作用、碳酸化作用等一系列化学反应而使土体成为具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土桩（墙）体，从而减小施工对隧道结构的影响。

影响水泥土最终强度的主要因素主要包括工程地质环境、硅酸盐水泥的品种及其矿物组成和施工工艺三方面。施工工艺方面，只要施工机械的各施工参数控制合理，如钻进速度、钻头转速、提升速度、硅酸盐水泥浆压力、硅酸盐水泥用量等参数控制合理，就基本能够保证硅酸盐水泥与土的均匀混合，而这些参数一般只要通过在不同的工程地质环境中的试验，就可以找到合适的施工参数。

然而，仅仅通过控制施工质量和硅酸盐水泥掺量，有时不能保证最终具有良好的软土加固效果，这主要因为工程地质环境、硅酸盐水泥的品种及硅酸盐水泥品种对工程地质环境的适用性对土体加固效果具有重要影响。

一般施工场地的环境工程地质条件是异常复杂和多变的，即使在很近的区域其土层的矿物组成也可能出现显著的变化。一般认为含有高岭石、多水高岭石、蒙脱石等粘土矿物的软土加固效果较好，而含有伊里石、氯化物和水铝英石等矿物的粘性土以及有机质含量高、酸碱度（PH值）较低的粘性土加固效果较差。其次，地下水的含量和化学成分也是引起加固效果差异的重要因素，如果土体含水量接近所加硅酸盐水泥水化反应所需的水量时，加固后的水泥土的强度就大，如果含水量超过硅酸盐水泥水化反应所需的水量或者含水量不满足硅酸盐水泥水化反应所需的水量时，水泥土的强度都要小于设计强度。另外，地下水的化学成分也是引起水泥土强度变化的主要因素。因此对施工场地的环境工程地质条件和地下水的详细调查、分析和试验是保证地基加固质量的前提条件。

加固软弱地基土的硅酸盐水泥的品种、水灰比、硅酸盐水泥掺入比、龄期以及外加剂的配比等都对水泥土的强度具有重要影响。首先，硅酸盐水泥的品种一般分为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥五种，主要根据硅酸盐水泥矿物组成和外加混合材料的种类确定的，若硅酸盐水泥熟料中只加石膏而制得的硅酸盐水泥称纯硅酸盐水泥，如在其中加入高炉矿渣、粉煤灰或火山灰等混合材料，则分别称为矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和火山灰硅酸盐水泥。如果上述混合材料的加入量不超过15%，则称为普通硅酸盐水泥（简称普通水泥）。由此可见硅酸盐水泥的矿物组成非常复杂，不仅不同地区生产的硅酸盐水泥熟料的矿物成分不同，而且各种硅酸盐水泥中所加的硅酸盐水泥熟料、石膏和外加混合材料（高炉矿渣、粉煤灰或火山灰）的比例不同，即使同一名称的硅酸盐水泥（硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥），其各种矿物组成也有很大差异，硅酸盐水泥矿物组成的复杂性决定了其加固地基的差异，因此通过试验确定适合上海典型环境地质条件的硅酸盐水泥及其矿物组成对软土加固质量具有重要意义。

由于与硅酸盐水泥水化反应相关的因素多而且复杂，因此，针对南方软土的环境工程地质条件试验测定适用软土地基加固的具体矿物组成的硅酸盐水泥品种对保证地基加固质量具有重要现实意义。

2 结论及意义

综上所述，影响水泥土最终强度的主要因素为工程地质环境、硅酸盐水泥的品种及其矿物组成和施工工艺三方面。因此针对上述内容进行全面研究，尤其是不同工程地质条件和不同硅酸盐水泥品种的适用性，对确定软土地基加固的硅酸盐水泥品种及其矿物组成、保证加固质量和确保轨道交通安全运营都具有重要意义。

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