贵州玄武岩岩腐岩的不良影响

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第二部分 玄武岩纤维在水泥混凝土中的的应用-1109|玄​武​岩​纤​维
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&&首页 > 电子杂志 > 砼与外加剂 & 正文
影响预拌混凝土专用水泥性能的因素及改善途径
作者:谢培顺 诸葛文达 阮晗 单位:湖北世纪新峰水泥有限公司&
摘要影响预拌混凝土专用水泥性能的因素有:水泥矿物组成与化学成分;熟料的碱含量及煅烧气氛;水泥调凝剂;掺用混合材的种类及细度;水泥的细度、温度及存放时间等。改善途径包括:对水泥生产原料进行超前控制;优化熟料矿物组成、烧成温度、烧成速度及冷却速度;优化水泥颗粒级配;合理控制出厂水泥的强度值,确保水泥均匀性。&&&
关键词水泥性能预拌混凝土改善
日国家商务部、公安部、建设部、交通部联合发布了《关于限期禁止在城市城区现场搅拌混凝土的通知》,通知规定全国124个城市城区禁止现场搅拌混凝土,这为预拌混凝土企业的发展营造了一个更为有利的外部环境。但是随着混凝土工程的大型化、工程环境的超复杂化以及应用领域的不断扩大,人们对预拌混凝土配合比设计、大掺量粉煤灰混凝土、特种混凝土、高性能混凝土的配制生产提出了更高的要求。作为预拌混凝土第一组分材料――水泥的质量稳定性和高性能是预拌混凝土质量、高性能的关键性因素。笔者将用来制备预拌混凝土的水泥分类为专用水泥。可见专用水泥是与预拌混凝土互相匹配和适应的,从现阶段认识来看,专用水泥应具有以下特点:配制混凝土时需水量低,流动性好,与外加剂有较好的相容性,具有较高的胶砂强度;在配制混凝土时,能减少水泥用量,增大掺和料用量,实现混凝土的绿色化;水泥颗粒分布合理,水泥混合材匹配科学,水泥温度控制适当,使之有利于提高混凝土的工作性能与耐久性能。
1影响预拌混凝土专用水泥性能的因素
1.1水泥矿物组分与化学成分的影响&&&
在预拌混凝土中,外加剂已成为不可缺少的重要组分,水泥胶结料的矿物质组分和化学成分对外加剂吸附量的多少,对于流动性及强度增长有很大的影响。外加剂吸附量越少的水泥浆体的流动性越大。C3A、C4AF混水后,ζ电位量为正值,较多地吸附外加剂。C3S、C2S混水后毛电位量为负值,对外加剂吸附量较少。在水泥矿物中C3A需水量大,水化快,放热大,吸附外加剂量最大,适应性差,抗硫酸盐侵蚀能力较弱。尤其在低温条件下烧成的熟料析晶出来的C,A和]C4AF含量高,水泥标准稠度用水量大,与外加剂相容性差。有研究表明,水泥中C3A含量每增加1%,水泥标准稠度用水量也同步提高l%,而水泥标准稠度用水量每增加1%,混凝土用水量相应提高(6~8)kg/m3,另外,水泥净浆流动度随C3A+C4AF总量的减少而提高。如珠江水泥有限公司2000年前一直采用一中两高的配料方案,生产的P?Ⅱ水泥需水量大,水化热比较集中,使得大体积混凝土容易出现微裂纹。2001年后采用一高两低的配料方案,熟料率值和矿物组成见表l。&&
&改变配料方案后,生产出来的P?Ⅱ水泥配成的预拌混凝土,具有早期强度高、抗折性好、耐磨、耐腐蚀性强、水化热低、与外加剂相容性好等特性,产品被广泛地应用于国家重点建设工程和大型建设工程,如广州市新国际机场、大亚湾核电站扩建工程、广佛地铁等,使用商家一致给予好评。
1.2熟料碱及煅烧气氛的影响&&&
资料显示,由于熟料中存在的碱会使C3S、C,A等的水化速度加快,所以含碱的水泥早期强度高,但28 d及以后的强度则有所降低,熟料中可溶性碱的含量对熟料强度的影响,有时比熟料矿物组成的影响更大。例如,某干法窑生产的熟料,尽管其C3S含量较湿法窑生产的熟料低1l%,但由于可溶性碱含量‘高出约0.3%,预拌混凝土站使用该干法窑水泥时,减水剂饱和点使用量增加o.5%-o.6%。浙江某水泥有限公司有2条2 500t/d干法生产线,由于2条线所处地使用的原材料有差异,虽然甲、乙2台窑熟料的矿匿物组成基本相似,但甲窑熟料的可溶性碱含量仅高出乙窑o.34%,对比1.3 d强度,甲窑熟料比乙窑熟料高出3.0 MPa
4.3 MPa;但28 d强度相比,甲窑熟料匿却比乙窑熟料低2.5 MPa。甲窑熟料配制的水泥对萘l}系减水剂相容性较差,初凝时间缩短约30 min。}&&&
另外,熟料中含有适量的P2O5、Cr203(0.2%~o.3%)或者BaO、TiO2、Mn203(0.5%-2.o%)等氧化物,}并以固溶体的形式存在时,都能促进水泥的水化,提高早期强度。&&
熟料的煅烧气氛也影响强度。还原气氛会使C3S& 和C4AF的晶体严重变形甚至部分破坏,其活性比在氧化气氛中烧成的要低。2002年11月,南宁市某商品& 预拌混凝土企业使用该市某水泥厂1 000 t/d新型干法& 生产线提供的P?Ⅱ52.5水泥,并用大掺量矿粉和粉& 煤灰配制泵送混凝土。因发生混凝土28 d强度保证值& 不够,追溯留样水泥,发现其物理性能并没有明显& 变化,只是颜色稍黄。后经预拌混凝土企业与水泥& 企业双方工程师共同分析,确认该水泥企业在11月& 里,约有一个星期的时间三次风阀损坏,没有得到& 及时更换,致使窑内通风量减小,窑内还原气氛稍& 重,出窑熟料中致密黄心料较多,导致该批水泥配& 制的预拌混凝土28 d强度保证值不够。
&1.3水泥调凝剂的影响&&&
水泥调凝剂石膏的形态、细度、用量、研磨温& 度等对预拌混凝土都有影响。在自然界中石膏以多& 种形式存在,有二水石膏(CaSO4.2H20)、半水石霄& [CaS04.(1/2)H20]和硬石膏(GAS04)等,根据有关标& 准,三种石膏都可作水泥调凝剂使用。二水石膏和& 硬石膏的最大区别在于溶解度与溶解速率不同。盛& 广宏等通过对旋窑生产的熟料中采用硬石膏完全代& 替二水石膏的实验表明,使用硬石膏代替二水石膏,& 对非预拌用硅酸盐水泥的强度性能影响较小,旋窑& 熟料中C3A&11%时,使用硬石膏代替二水石膏对非& 预拌用硅酸盐水泥凝结性能无不良影响;如果& C3A&13%,则引起快凝。但在预拌混凝土中,外加& 剂成为不可缺少的重要组分,掺硬石膏的水泥与糖& 钙、木钙等外加剂同用,会进一步降低硬石膏的溶& 解度和溶解速率,使水泥因缺少调凝成分而产生速& 凝等异常现象。在C,A偏高的水泥中,调凝剂仍按常& 规用量(3%~5%),无论选用何种石膏,凝结时间都会提前,这主要是水泥c2A水化快,C3A含量高,少量石膏不能满足它生成胶状钙矾石,从而影响石膏的调凝效果,尽管水泥和外加剂都合格,但影响水泥与外加剂的适应性,使混凝土工作性变差,坍落度损失加大。石膏研磨细度不够,会影响石膏的溶解特性,即使运用二水石膏也会产生速凝现象。
1.4掺用混合材种类及细度的影响&&
&实验表明,加入、7昆合材后改善了水泥与高效减水剂之间的相容性,这可能是因为加入、?昆合材后降低了C3A的相对含量,即降低了水化早期C3A对高效减水剂的吸附量,使得相对较多的减水剂发挥分散作用,但不同的混合材所表现出来的改善效果不一样。&&
&单组分净浆的研究表明:在减水剂作用下,矿渣粉和钢渣粉自身的需水量均少于硅酸盐水泥,作水泥混合材均有减水作用,且钢渣的减水和保水性能优于矿渣。如2004年6月投产的尖峰登城水泥有限公司5 ooot/D生产线,其水泥混合材为:石灰石、煤矸石、石煤渣和水渣,该公司7月下旬水泥出厂,8月份就有预搅拌站用户反映水泥用水量偏大,减水剂饱和点掺量偏高约0.25%,再加上8月份后水渣供应紧张,无法保证生产的连续进行,甚至出现水渣库空库现象。为此该公司不得不寻找新的混合材,经多方努力决定使用钢渣。钢渣代替部分价格昂贵的水渣,大大地降低了水泥成本,同时水泥的标准稠度用水量降低O.8%~1.4%,使用钢渣前后水泥强度没有明显变化,满足了市场的需求。&&&
水淬高炉矿渣是一种玻璃材料,无空洞,不吸收水分。资料报道:超细粉磨矿渣(平均粒径至5.93 u m)可显著改善水泥与外加剂之间的相容性,而普通细度的矿渣(O.08 rain方孔筛筛余6%,平均粒径20 um左右)由于平均粒径与水泥平均粒径相当,无法填充水泥颗粒之间的空隙,虽然在掺量为10%时,对水泥浆体流动度有所改善,但掺量从10%增至50%时,水泥浆体流动度变化不大。如果适当掺入优质粉煤灰,可提高混凝土可泵送性和流动性。&&&
优质粉煤灰含有大量表面光滑的玻璃微珠,特别是当实心球多时可减少混凝土的需水量;另外粉煤灰具有一定的缓凝作用,可避免过早地形成骨架结构,有利于浆体流动性改善。如湖北某大型水泥公司,同期使用相同熟料生产的不同品种水泥,碱含量、C3A等熟料矿物组成含量、石膏的种类相同,IL表面积、石膏掺人量相近;区别在于水泥1为P?Ⅱ42.5硅酸盐水泥,水泥2为P?042.5普通硅酸盐水泥,水泥l掺入的混合材为5%水渣,水泥2掺入的混合材为5%水渣加5%粉煤灰,水泥2与外加剂的相容性能好于水泥1,并且两种水泥28 d抗压强度仅相差0.5
&另外,孙庆合等研究报道,在没有激发剂的作用下,当混合材料掺量达50%,优质粉煤灰/矿渣在60/40~80/201t寸,复合水泥强度出现较大值。这表明:两种混合材料适当混磨,矿渣粗孔被粉煤灰微玻璃珠填充,充分发挥了微集料级配效应,提高了密实度,改善了微观结构,并且该复合水泥抗折强度提高显著,为提高混凝土抗裂性能有着极为重要的作用。&&&
用造气渣、黑色石灰石、煤矸石、玄武岩、沸石、石煤渣、磷渣等作水泥混合材时,尽管水泥的物理性能均能达到国家标准,但是在预拌混凝土中会出现一系列的问题。造气渣、石煤渣、煤矸石、玄武岩作混合材时,由于水泥标准稠度用水量过大(达30%~35%),胶砂成型水灰比增大,下料时间延长,与减水剂相容性差,而且初凝与终凝时间间隔太短,混凝土坍落度经时损失大,浇注的混凝工程表面干缩性增大,导致混凝土开裂。黑色石灰石作水泥主要混合材时,由于水泥终凝时间与初凝时间间隔太长,而且强度增进率低,使混凝土表面不凝结,或凝结后硬度不足,导致混凝土表面起砂。
1.5水泥细度的影响&&&
水泥标准中的细度指标对预拌混凝土配制用水泥并不具有重要意义。过高的细度对外加剂吸附量大,且在低水胶比条件下,易产生自收缩。以同种水泥、不同细度在一定水灰比和外加剂用量下,净浆流动度随水泥细度增大而下降。如我公司2 500T/D熟料规模的新型干法水泥生产线,于日点火投产,lO月份生产水泥,由于当时矿渣没有烘干,致使入磨物料综合水分达2.0%以上;物料在磨内停留时间长;出磨水泥比表面积达450~460 m2/kg,细颗粒含量多;水泥标准稠度用水量增大;水泥与外加剂相容性变差。后经采取控制入磨物料水分等办法,水泥标准稠度用水量下降,与外加剂相容性得到改善。&
此外,水泥颗粒中(4~30)u m的颗粒对强度贡献最大,大于60 um颗粒仅起填充作用,小于3 um的颗粒对减少泌水、早强有利;水泥颗粒分布窄,颗粒堆积的空隙率大,水泥标准用水量大,凝结时间& 长,早期强度低,与外加剂相容性差。配制预拌混凝土的水泥应具有连续的颗粒分布级配,使水泥粉体达到最佳堆积密度,用水量最低,与外加剂匹配性强。
1.6水泥存放时间与温度的影响&&&&&&&
陈国忠等通过试验认为:新鲜水泥在生产后12 d内对外加剂吸附量较大,大部分15 d后趋于正常。由于新鲜水泥干燥度高,而且温度相当高(达80~90℃),早期水化快,水化时发热量大,所以需水量大,而且对外加剂吸附量也大。同等掺量时,流动度变小,必然会产生对混凝土需水量大,坍落度损失快,凝结时间短等许多怪现象。这完全是因为水泥存放时间不同,温度高,导致混凝土的性能技术指标出现较大差异所致。如能注意到这些问题,有了这方面的认识和经验,出现此类现象也就不足为怪了。如湖北葛州坝股份公司水泥厂是三峡工程水泥主供厂,2003年以前由于水泥温度高达74~78℃,影响产品及时出厂和混凝土的施工性能。该厂月份对3台φ3 m×9.0 m水泥磨选粉机进行改造,将原离心式选粉机更换为高效转子式选粉机,并利用其工艺特点和结构特点,在6个收集成品的旋风筒锥部加装了冷却水箱对水泥成品进行降温,入库成品温度控制在58℃以下。水泥的需水量、水化热等满足了三峡工程的要求,确保了三峡大坝的工程质量,提高了产品的市场竞争力。&&&
另外,熟料在较高温度范围(1 450~1 200℃)内快速冷却,有利于A矿保持良好的晶形,减
,-c2s粉化,硅酸盐矿物活性较高;熔剂矿物多以玻璃体存在,大量减少C3A和IC4AF的析晶。熟料冷却效果差,熟料中β―C2S转变为Y―C2S,矿物活性降低,C,A、C。AF大量析晶,磨制的水泥与外加剂相容性差。如广东南华水泥有限公司¨引,2002年5月份该公司水泥在一搅拌站使用,出现混凝土经拌送至工地后(约1 h)不能泵送施工的情况。经查当时是新投产的湿磨干烧生产线(φ3.5 m×47 m)生产的水泥,原燃材料没有多大变化,熟料成分也正常。当时由于2台冷却风机有故障,导致出窑熟料温度达200~250℃,即使在熟料库存低的情况下人磨熟料还高达140℃,出磨水泥温度达150~160℃;当时熟料C,A含量为8.55%,并不很高,说明出窑熟料冷却差及出磨水泥温度高,也加剧了水泥与减水剂的适应性问题。后该公司通过采取改善熟料冷却效果,控制出窑熟料温度≤100℃,控制入磨熟料温度≤80℃,加强磨内通风等一系列措施后,从6月份起水泥与减水剂的适应性逐渐改善。8月份公司技术人员走访了使用该水泥的几家搅拌站,反映情况良好。
2改善预拌混凝土专用水泥性能的途径
2.1对水泥生产原材料超前控制&&&
目前,我国水泥工业用粘土质、石灰石质原料,其波动范围越来越大,尤其对于没有自己的矿山而外购原材料,没有预均化堆场的l 000T/D、2 500T/D新型干法水泥厂,由于生料质量主要依赖于外购原料的质量和均匀性,因此对所用原料在矿山开采时或进厂之前进行质量控制,从而达到进厂成分均齐,质量满足配方要求,实现成品原料进厂,即超前控制。具体来说,要进行以下三方面工作:&&&
(1)水泥中可溶性碱主要是粘土质材料带入,这些碱因溶在水泥熟料矿物中,提高了水泥熟料的碱含量,影响了水泥熟料矿物的结构组成和水泥水化的性质。因此对不同品位不同成岩时代的硅质矿山的各个开采面进行分层钻孔取样分析,取样次数为1次/h,对各个开采面进行质量控制,根据分析结果控制各开采区的搭配比例,对不同开采区进行合理搭配开采,以控制粘土质原料碱含量。R20≤4.O%。&
(2)石膏是水泥调凝剂,掺加量一般仅为水泥质量的3%~5%,它对预拌混凝土影响很大,应尽量使用天然二水石膏。另外,水泥石膏掺入量以水泥中SO,含量计算,对生产预拌混凝土也不容忽视,尤其是在生产大掺量矿渣(或粉煤灰)预拌混凝土时,由于水胶比低,往往在0.4甚至0.3以下,混凝土中水分少,SO2在水泥浆液中的溶出量少,水泥中SO,含量低,则水泥浆中s04离子浓度更低,混凝土坍落度损失加快。水泥熟料中含有少量由原燃料引入的硫,这部分固溶硫对于水泥流变性能的影响远低于外加的石膏。如果所用原燃料的硫含量发生变化,应根据水泥的流变性能变化来优化外加石膏量,避免单纯由S03,
一、量来调整石膏掺量,因此在符合水泥国标要求的前提下,预拌混凝土专用水泥应尽量增加石膏掺入量。&&
&(3)为满足预拌混凝土配制要求,一般来说,水泥混合材以选用矿渣、钢渣和优质粉煤灰复掺为主。
2.2优化熟料矿物组成、烧成温度、烧成速度及冷却速度&&
&国内新型干法窑实践优选出高硅率(SM=2.7±O.1)、高铝氧率(IM=1.6±O.1)、中饱和比(KH=0.88±0.2)的配料方案,主要是从保证窑的稳定性和提高熟料强度角度出发的,对预拌混凝土的工件性能与耐久性,以及与外加剂相容性角度考虑甚小。为提高预拌混凝土水泥的力学性能及其与外加剂的相容性,水泥熟料应有足够的硅酸盐矿物含量【(C3S+C2S)&75%】,它是硅酸盐水泥的基本组成,强度高,水化物稳定,结构致密、耐腐蚀。熟料中的A1203和Fe
03是煅烧温度大于1 400℃时构成液相的主要组分,也是形成C,S的必要条件,所以,C3A、C4AF矿物是不可少的。一般按(C3A+C4AF)≈20%为宜。&&&
由于熟料矿物吸附减水剂的能力还受矿物的固溶量、结晶状态等因素的影响,故不可单从率值的大小来判断水泥性能优劣。若物料预烧好,窑内氧化气氛适度,烧成温度高,烧成速度快,冷却速度快,形成的硅酸盐矿物晶体发育良好,大小适中,晶形较好,fCaO含量低,C3A、C4AF大部分溶于A矿及形成玻璃体。这种熟料磨制的水泥性能优良,用于预拌混凝土则可获得高强度、结构密实和耐久性好的效果。
2.3优化水泥颗粒级配&
众所周知,为保证混凝土早期强度,水泥颗粒中O~3 u m颗粒应达10%左右,而保证混凝土后期强度,4~30 um的水泥颗粒需70%以上。在同样的水胶比条件下,级配良好的水泥具有较好的工作性;而在保证同样的工作性条件下,则可以达到更低的水胶比。因此预拌混凝土专用水泥细度控制不应忽略颗粒级配的重要作用,要有意识地调整水泥颗粒分布RRB曲线中特征粒径D和均匀性系数n值,以控制水泥颗粒组成。为有利于水泥的凝结性能,以及降低所配制的混凝土的需水量,改善与外加剂的相容性,提高其密实性,专用水泥的馆宜在1.O~1.2之间。水泥的特征粒径De值需要根据特定的工程而定,例如用于修建混凝土路面,D。值不能太小;对于一般用途的水泥,D。值控制得小一点为好,这有利于提高硅酸盐水泥熟料颗粒的水化程度。
2.4合理控制出厂水泥的强度值,确保水泥均匀性&
原材料品质稳定对于预拌混凝土的生产至关重要,水泥不仅要品质指标合理,更重要是质量一定要均匀。目前,我国水泥产品的质量波动大得惊人,即使是国家大型水泥厂,不同批次的水泥的离散性也很大,这给预拌混凝土生产带来很大的困难。尽管水泥行业标准对水泥出厂强度有最低限制要求,但该限值为企业内控指标,对水泥用户验收而言,仍适应于国家标准,即使水泥实测强度为42.5 MPa,仍为合格的42.5等级水泥。
&另外,出厂水泥的强度富余系数过大,是对宝贵的自然资源的浪费。欧洲标准ENV(9)一1对于32.5级和42.5级水泥都规定了28 d抗压强度的最高值。这对节约资源、保护环境,以及提高产品质量稳定性,提高不同厂家生产的同一品种水泥的一致性,都是很有好处的。因此对预拌混凝土专用水泥要增加水泥强度上限值控制。&&&
参考文献&&&
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来源:新世纪水泥导报2005.6
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2014年造价师《计量土建》教材下载:1.3
  第三节 常见工程地质问题及其处理方法
  一、特殊地基
  地基对建筑物的影响很大,工程建设难免遇到一些特殊地基必须加以处理。 (一)松散、软弱土层
  松散、软弱土层强度、刚度低,承载力低,抗渗性差。对不满足承载力要求的松散土 层,如砂和砂砾石地层等,可挖除,也可采用固结灌浆、预制桩或灌注桩、地下连续墙或沉井等加固;对不满足抗渗要求的,可灌水泥浆或水泥黏土浆,或地下连续墙防渗;对于影响边坡稳定的,可喷混凝土护面和打土钉支护。
  对不满足承载力的软弱土层,如淤泥及淤泥质土,浅层的挖除,深层的可以采用振冲等方法用砂、砂砾、碎石或块石等置换。
  (二)风化、破碎岩层
  风化、破碎岩层,岩体松散,强度低,整体性差,抗渗性差,有的不能满足建筑物对地基的要求。风化一般在地基表层,可以挖除。破碎岩层有的较浅,也可以挖除;有的埋藏较深,如断层破碎带,可以用水泥浆灌浆加固或防渗。风化、破碎处于边坡影响稳定的,可根据情况采用喷混凝土或挂网喷混凝土护面,必要时配合灌浆和锚杆加固,甚至采用砌体、混凝土和钢筋混凝土等格构方式的结构护坡。
  对结构面不利交汇切割和岩体软弱破碎的地下工程围岩,地下工程开挖后,要及时采用支撑、支护和衬砌。支撑由柱体、钢管排架发展为钢筋或型钢拱架,拱架的结构和间距根据围岩破碎的程度决定。支护多采用喷混凝土、挂网喷混凝土、随机锚杆和系统锚杆。衬砌多用混凝土和钢筋混凝土,也有采用钢板衬砌的。
  对于裂隙发育影响地基承载能力和抗渗要求的,可以用水泥浆灌浆加固或防渗。 (三)断层、泥化软弱夹层
  对充填胶结差、影响承载力或抗渗要求的断层,浅埋的尽可能清除回填,深埋的灌水泥浆处理;泥化夹层影响承载能力,浅埋的尽可能清除回填,深埋的一般不影响承载能力。断层、泥化软弱夹层可能是基础或边坡的滑动控制面,对于不便清除回填的,根据埋深和厚度,可采用锚杆、抗滑桩、预应力锚索等进行抗滑处理。
  滑坡的发生往往与水有很大关系,渗水降低滑坡体尤其是滑动控制面的摩擦系数和黏聚力,要注重在滑坡体上方修筑截水设施,在滑坡体下方筑好排水设施;经过论证方可以在滑坡体的上部刷方减重以防止滑坡,未经论证不要轻易扰动滑坡体。不能在上部刷方减重的,可考虑在滑坡体坡脚采用挡土墙、抗滑桩等支挡措施,也可采用周结灌浆等措施改善滑动面和滑坡体的抗滑性能。
  当地下水发育影响到边坡或地下工程围岩稳定时,要及时采用洞、井、沟等措施导水、排水,降低地下水位。
  (四)岩溶与土洞
  当建筑工程遇到不可能避开的岩溶与土洞时,可挖除洞内软弱充填物后回填石料或混凝土。不方便挖填的,可采用长梁式、桁架式基础或大平板等方案跨越洞顶,也可对岩溶进行裂隙钻孔灌浆,对土洞进行顶板打孔灌砂、砂砾,或作桩基处理。
  二`地下水
  地下水最常见的问题主要是对岩体的软化、侵蚀和静水压力、动水压力作用及其渗透破坏等。
  (一)地下水对土体和岩体的软化
  地下水使土体尤其是非黏性土软化,降低强度、刚度和承载能力。有侵蚀性的地下水使岩石发生化学变化,也可能导致岩石的强度降低,尤其是地下水使结构面的粘结力C降低和摩擦角&减小,使结构面的抗剪强度降低,造成岩体的承载力和稳定性下降。
  (二)地下水位下降引起软土地基沉降
  一般在沿海软土层中进行基础施工时,需要人工降低地下水位。若降水措施不当,轻 者造成邻近建筑物或地下管线的不均匀沉降,重者使建筑物基础下的土体颗粒流失,甚至 掏空,导致建筑物开裂,进而危及安全使用。
  此外,还应注意抽水环节。如果抽水井滤网和砂滤层的设计不合理或施工质量差,那 么抽水时会将软土层中的黏粒、粉粒、细砂等细小土颗粒随同地下水一起带出地面,使周 围地面土层很快产生不均匀沉降,造成地面建筑物和地下管线不同程度的损坏。井管埋设 完成开始抽水时,井内水位下降,井外含水层中的地下水不断流向滤管,经过一段时间 后,在井周围形成漏斗状的弯曲水面一降水漏斗。在这一降水漏斗范围内的软土层会发生 渗透固结而造成地基土沉降。而且,由于土层的不均匀性和边界条件的复杂性,降水漏斗 往往是不对称的,因而使周围建筑物或地下管线产生不均匀沉降,甚至开裂。
  (三)动水压力产生流砂和潜蚀
  流砂是一种不良的工程地质现象。在建筑物深基础工程和地下建筑工程的施工中遇到 的流砂现象,按其严重程度可分下列三种:轻微流砂,当基坑围护桩排的间隙处隔水措施 不当或施工质量欠缺时,或当地下连续墙接头的施工质量不佳时,有些细小的土颗粒会随 着地下水渗漏一起穿过缝隙而流人基坑,增加坑底的泥泞程度;中等流砂,在基坑底部, 尤其是靠近围护桩墙的地方,常会出现一堆粉细砂缓缓冒起,仔细观察,可以看到粉细砂 堆中形成许多小小的排水沟,冒出的水夹带着细小土粒在慢慢地流动;严重流砂,基坑开 挖时如发生上述现象而仍然继续往下开挖,流砂的冒出速度会迅速增加,有时会像开水初 沸时的翻泡,此时基坑底部称为流动状态,给施工带来极大困难,甚至影响邻近建筑物的 安全。如果在沉井施工中产生严重流砂,那么沉井就突然下沉,无法用人力控制,以致沉 井发生倾斜,甚至发生重大事故。
  如果地下水渗流产生的动水压力小于土颗粒的有效重度,即渗流水力坡度小于临界水 力坡度,虽然不会发生流砂现象,但是土中细小颗粒仍有可能穿过粗颗粒之间的孔隙被渗 流携带而走。时间长了,将在土层中形成管状空洞,使土体结构破坏,强度降低,压缩性 增加,这种现象称之为机械潜蚀。
  (四)地下水的浮托作用
  当建筑物基础底面位于地下水位以下时,地下水对基础底面产生静水压力,即产生浮 托力。如果基础位于粉土、砂土、碎石土和节理裂隙发育的岩石地基上,则按地下水位 100%计算浮托力;如果基础位于节理裂隙不发育的岩石地基上,则按地下水位50%计算 浮托力;如果基础位于黏性土地基上,其浮托力较难确切地确定,应结合地区的实际经验 考虑。
  (五)承压水对基坑的作用
  当深基坑下部有承压含水层时,必须分析承压水头是否会冲毁基坑底部的黏性土层, 通常用压力平衡概念即1.3.1式进行验算:
  Ym=yh (1.3.1)
  式中y`yw&&分别为黏性土的重度和地下水的重度;
  H一相对于含水层顶板的承压水头值;
  M一基坑开挖后黏性土层的厚度。
  基坑底部黏性土层的厚度必须满足1.3.2式:
  M》yw/yh.K (1.3.2)
  式中 K&一安全系数,一般取1.5~2.O,主要视基坑底部黏性土层的裂隙发育程度及 坑底面积大小而定。
  (六)地下水对钢筋混凝土的腐蚀
  地下水对混凝土建筑物的腐蚀是一项复杂的物理化学过程,在一定的工程地质与水文 地质条件下,对建筑材料的耐久性影响很大。硅酸盐水泥遇水硬化,形成Ca(QH)2、水 化硅酸钙CaOSi02.12H20、水化铝酸钙CaOAl203.6H20等,这些物质往往会受到地 下水的腐蚀。
  三、边坡稳定
  (一)影响边坡稳定的因素
  影响边坡稳定性的因素有内在因素与外在因素两个方面。内在因素有组成边坡岩土体 的性质、地质构造、岩体结构、地应力等,它们常常起着主要的控制作用;外在因素有地 表水和地&F水的作用、地震、风化作用、人工挖掘、爆破以及工程荷载等。下面从地貌条 件、地层岩性、地质构造与岩体结构、地下水四个因素来介绍具体的影响作用。
  1.地貌条件
  深切峡谷地区,陡峭的岸坡是容易发生边坡变形和破坏的地形条件。例如,我国西南 山区,沿金沙江、岷江、雅砻江及其支流等河谷地区,边坡松动破裂、蠕动、崩塌、滑坡 等现象十分普遍。一般来说,坡度越陡,坡高越大,对稳定越不利。例如,崩塌现象均发 生在坡度大于600的斜坡上。
  2.地层岩性
  地层岩性对边坡稳定性的影响很大,软硬相间,并有软化、泥化或易风化的夹层,最 易造成边坡失稳。底层岩性的不同,所形成的边坡变形破坏类型及能保持稳定的坡度也 不同。
  (1)对于深成侵入岩、厚层坚硬的沉积岩以及片麻岩、石英岩等构成的边坡,一般稳 定程度是较高的。只有在节理发育、有软弱结构面穿插且边坡高陡时,才易发生崩塌或滑 坡现象。
  (2)对于喷出岩边坡,如玄武岩、凝灰岩、火山角砾岩、安山岩等,其原生的节理, 尤其是柱状节理发育时,易形成直立边坡并易发生崩塌。
  (3)对于含有黏土质页岩、泥岩、煤层、泥灰岩、石膏等夹层的沉积岩边坡,最易发 生顺层滑动,或因下部蠕滑而造成上部岩体的崩塌。
  (4)对于千枚岩、板岩及片岩,岩性较软弱且易风化,在产状陡立的地段,临近斜坡 表部容易出现蠕动变形现象。当受节理切割遭风化后,常出现顺层(或片理)滑坡。
  (5)对于黄土,当具有垂直节理、疏松透水时,浸水后易崩解湿陷。当受水浸泡或作 为水库岸边时,极易发生崩塌或塌滑现象。
  (6)对于崩塌堆积、坡积及残积层地区,其下伏基岩面常常是一个倾向河谷的斜坡 面。当有地下水在此受阻,并有黏土质成分沿其分布时,极易形成滑动面,从而使上部松
  散堆积物形成滑坡。
  3.地质构造与岩体结构
  地质构造因素包括褶皱、断裂、区域新构造运动及地应力等,这些对岩质边坡的稳定也是主要因素。褶皱、断裂发育地区,常是岩层倾角大,甚至陡立,断层、节理纵横切割,构成岩体中的切割面和滑动面,形成有利于崩塌、滑动的条件,并直接控制着边坡破,坏的形成和规模。例如宝鸡到略阳的铁路线基本是沿一个大断裂带修筑的,结果边坡破坏事故屡屡发生,接连不断。
  4.地下水
  地下水是影响边坡稳定最重要、最活跃的外在因素,绝大多数滑坡都与地下水的活动有关。许多滑坡、崩塌均发生在降雨之后,原因在于降水渗入岩土体后,产生不良影响所致。地下水的作用是很复杂的,主要表现在以下几个方面:
  (1)地下水会使岩石软化或溶蚀,导致上覆岩体塌陷,进而发生崩塌或滑坡。 (2)地下水产生静水压力或动水压力,促使岩体下滑或崩倒。
  (3)地下水增加了岩体重量,可使下滑力增大。
  (4)在寒冷地区,渗入裂隙中的水结冰,产生膨胀压力,促使岩体破坏倾倒。 (5)地下水产生浮托力,使岩体有效重量减轻,稳定性下降。
  (二)不稳定边坡的防治措施
  为了确保工程的安全,针对不稳定的边坡,必须采取一些有效的防治措施。目前国内外常用的方法有:防止地表水向岩体中渗透与排除不稳定岩体中的地下水,削缓斜坡、上部减重,修建支挡建筑,锚固等。
  1.防渗和排水
  防渗和排水,是整治滑坡的一种重要手段,只要布置得当、,。合理,一般均能取得较好效果。为了防止大气降水向岩体中渗透,一般是在滑坡体外围布置截水沟槽,以截断流至滑坡体上的水流。应在大的滑坡体上布置一些排水沟,同时要整平坡面,防止有积水的坑洼,以利于降水迅速排走。针对已渗入滑坡体的水,通常是采用地下排水廊道,截住渗透的水流或将滑坡体中的积水排出滑坡体以外。另外也可采用钻孔排水的方法,即利用若干个垂直钻孔,打穿滑坡体下部的不透水层,将滑坡体中的水流到其下伏的另一个透水性较强的岩层中去。
  2.削坡
  削坡,是将陡倾的边坡上部的岩体挖除,使边坡变缓,同时也可使滑体重量减轻,达到稳定的目的。削减下来的土石可填在坡脚,起反压作用,更有利于稳定。采用这种方法时,要注意滑动面的位置,否则不仅效果不显著,甚至更会促使岩体不稳。
  3.支挡建筑
  支挡建筑,主要是在不稳定岩体的下部修建挡墙或支撑墙(或墩),也是一种应用广泛而有效的方法。材料用混凝土、钢筋混凝土或砌石,支挡建筑物的基础要砌置在滑动面以下,若在挡墙后增加排水措施则效果更好。
  4.锚固
  锚固措施,有锚杆(或锚索)和混凝土锚固桩两种类型,其原理都是提高岩体抗滑(或抗倾倒)能力。预应力锚索或锚杆锚固不稳定岩体的方法,适用于加固岩体边坡和不稳定岩块,其作用是先在不稳定岩体上布置若干钻孔,钻至滑动面以下的坚固稳定的岩层中,然后在孑L中放入锚索或锚杆,将下端固定,上端拉紧,上端一般用混凝土墩、混凝土梁或配合以挡墙将其固定。锚固桩(或称抗滑桩)适用于浅层或中厚层的滑坡体,在滑坡体的中、下部开挖竖井或大口径钻孔,然后浇灌钢筋混凝土而成。一般垂直于滑动方向布置一排或两排,桩径通常1~3m,深度一般要求滑动面以下桩长占全桩长的1/4~1/30 除上述几项较多采用的防治措施外,还可采用混凝土护面、灌浆及改善滑动带土石的 力学性质等措施。一般而言,在进行边坡防治处理时,几种措施同时采用效果更为显著。 (三)地下工程围岩的稳定性
  地下工程是指建筑在地面以下及山体内部的各类建(构)筑物。如隧道、竖井、地 铁,以及地下厂房、储库、车库、车站、商场和军事设施等。因地下工程埋于岩体中,首 先要考虑的就是地下工程围岩的稳定性问题,如围岩塌方、地下水渗漏等。
  1.地下工程位置选择的影响因素
  地下工程位置的选择,除取决于工程目的要求外,还需要考虑区域稳定、山体稳定及 地形、岩性、地质构造、地下水、地应力等因素的影响。
  (1)地形条件。在地形上要求山体完整,地下工程周围包括洞顶及傍山侧应有足够的 山体厚度。如选择隧洞位置时,隧洞进出口地段的边坡应下陡上缓,无滑坡、崩塌等现象 存在。洞口岩石应直接出露或坡积层薄,岩层最好倾向山里以保证洞口坡的安全。在地形 陡的高边坡开挖洞口时,应不削坡或少削坡即进洞,必要时可做人工洞口先行进洞,以保 证边坡的稳定性。隧洞进出口不应选在排水困难的低洼处,也不应选在冲沟、傍河山嘴及 谷口等易受水流冲刷的地段。
  (2)岩性条件。坚硬完整的岩体,围岩一般是稳定的,能适应各种断面形状的地下工 程。而软弱岩体,如黏土岩类、破碎及风化岩体、吸水易膨胀的岩体等,通常力学强度 低,遇水易软化、崩解及膨胀等,不利于围岩的稳定。因此,地下工程位置应尽量选在坚 硬完整岩石中。一般在坚硬完整岩层中开挖,围岩稳定、进度快、造价低。在软弱、破 碎、松散岩层中开挖,顶板易坍塌,边墙及底板易产生鼓胀挤出变形等事故,且需边开挖 边支护或超前支护,进而影响工程造价和工期。一般而言,岩浆岩、厚层坚硬的沉积岩及 变质岩,围岩的稳定性好,适于修建大型的地下工程。凝灰岩、黏土岩、页岩、胶结不好 的砂砾岩、千枚岩及某些片岩,稳定性差,不宜建大型地下工程。松散及破碎的岩石稳定 性极差,选址时应尽量避开。
  (3)地质构造条件。地质构造是控制岩体完整性及渗透性的重要因素。选址时应尽量 避开地质构造复杂的地段,否则会给施工带来困难。如意大利的辛普郎隧道,长二十多公 里,由于地层严重褶皱、倒装并伴有大型的逆断层,岩石破碎,施工中多次产生塌方,经 多次停工处理才打通。下面从具体的地质构造对围岩稳定性的影响进行分析:
  ①褶皱的影响。褶皱剧烈地区,一般断裂也很发育,特别是褶皱核部岩层完整性最 差。在背斜核部,岩层呈上拱形,岩层虽破碎,但像石砌的拱形结构,能将上覆岩层的荷 重传递至两侧岩体中,有利于洞顶的稳定。向斜核部岩层呈倒拱形,顶部被张裂隙切割的 岩块上窄下宽,易于塌落。另外,向斜核部往往是承压水储存的场所,地下工程开挖时地 下水会突然涌人洞室,因此,向斜核部不宜修建地下工程。从理论而言,背斜核部较向斜 核部优越,但实际上由于背斜核部外缘受拉伸处于张力带,内缘受挤压,加上风化作用,岩层往往很破碎。因此,在布置地下工程时,原则上应避开褶皱核部,若必须在褶皱岩层。地段修建地下工程,可以将地下工程放在褶皱的两侧。
  ②断裂的影响。断层破碎带及断层交汇区稳定性极差,地下工程开挖如遇较大规模的断层,基本上都会产生塌方甚至冒顶(洞顶大规模突然坍塌破坏)o一般而言,应避免地下工程轴线沿断层带布置。而地下工程轴线垂直或近于垂直断裂带,所需穿越的不稳定地段较短,但也可能产生塌方。因此,在选址时应尽量避开大断层。
  ③岩层产状的影响。对于地下工程轴线与岩层走向垂直的情况,围岩的稳定性较好,特别是对边墙稳定有利。岩层较陡时稳定性最好。当岩层倾角较平缓且节理发育时,在洞顶易发生局部岩块塌落现象,地下工程顶部常出现阶梯形超挖;对于地下工程走向与岩层走向平行的情况,若岩层薄,彼此之间联结性差,在开挖地下工程(特别是大跨度的洞室)时常常发生顶板的坍塌。因此,在水平岩层中布置地下工程时,应尽量使地下工程位于均质厚层的坚硬岩层中。若地下工程必须切穿软硬不同的岩层组合时,应将坚硬岩层作为顶板,避免将软弱岩层或软弱夹层置于顶部,后者易于造成顶板悬垂或坍塌。软弱岩层位于地下工程两侧或底部也不利,容易引起边墙或底板鼓胀变形或被挤出。在倾斜岩层中,一般也是不利的。当洞身穿过软硬相间或破碎的倾斜岩层时,顺倾向一侧的围岩易于变形或滑动,造成很大的偏压,逆倾向一侧围岩侧压力小,有利于稳定。因此,在倾斜岩层中最好将地下工程选在均一完整坚硬的岩石中。
  (4)地下水。地下工程施工中的塌方或冒顶事故,常常和地下水的活动有关。因此,在选址时最好选在地下水位以上的干燥岩体内,或地下水量不大、无高压含水层的岩体内。
  (5)地应力。在地下工程的设计和施工过程中,必须了解工程所在部位初始应力场的分布和变化规律,获得地下工程开挖后围岩应力重分布的特征,以便选用相应的措施来维护围岩的稳定。初始应力状态是决定围岩应力重分布的主要因素。
  2.围岩的工程地质分析
  (1)围岩稳定性分析。围岩稳定,是指在一定时间内,在一定的地质力和工程力作用下,岩体不产生破坏和失稳。围岩在压应力、拉应力作用下能否破坏,一般可采用如下判据:一是围岩的抗压强度和抗拉强度是否适应围岩应力;二是围岩的抗剪强度是否适应围岩的剪应力。
  由于岩体在强度和结构方面的差异,隧道、竖井和地下车站、仓库、厂房等地下工程的围岩,变形与破坏的形式多种多样,主要有五种:
  ①脆性破裂,经常产生于高地应力地区,其形成的机理是复杂的,是储存有很大弹性应变能的岩体,在开挖卸荷后,、能量突然释放形成的,与岩石性质、地应力积聚水平及地下工程断面形状等因素有关。
  ②块体滑移,是块状结构围岩常见的破坏形式,常以结构面交汇切割组合成不同形状的块体滑移、塌落等形式出现。
  ③岩层的弯曲折断,是层状围岩变形失稳的主要形式,当岩层很薄或软硬相间时,顶板容易下沉弯曲折断。在倾斜层状围岩中,当层间结合不良时,顺倾向一侧拱脚以上部分岩层易弯曲折断,逆倾向一侧边墙或顶拱易滑落掉块。在陡倾或直立岩层中,因洞周的切向应力与边墙岩层近于平行,所以边墙容易凸邦弯曲。
  ④碎裂结构岩体在张力和振动力作用下容易松动、解脱,在洞顶则产生崩落,在边墙上则表现为滑塌或碎块的坍塌。当结构面间夹泥时,往往会产生大规模的塌方,如不及时支护,将愈演愈烈,直至冒顶。
  ⑤一般强烈风化、强烈构造破碎或新近堆积的土体,在重力、围岩应力和地下水作用下常产生冒落及塑性变形。常见的塑性变形和破坏形式有边墙挤入、底鼓及洞径收缩等。 (2)围岩的分类。主要是鉴于围岩的稳定性对围岩进行分类,不同建设行业对围岩的分类尚不尽相同。例如,水利建设行业将围岩分为五类,交通建设行业将围岩分为六类。 3.提高围岩稳定性的措施
  为了保证地下工程施工的安全和正常运行,应该针对岩体的不同条件,采取相应的施工方法和一定的工程技术措施,提高围岩的稳定性。目前,用以提高围岩稳定性的工程措施主要有传统的支护或衬砌和喷锚支护两大类。
  (1)支护与衬砌。支护是在地下工程开挖过程中用以稳定围岩用的临时性措施。按照选用材料的不同,有木支撑、钢支撑及混凝土支撑等。在不太稳定的岩体中开挖,需及时支撑以防止围岩早期松动。衬砌是加固围岩的永久性结构,其作用主要是承受围岩压力及内水压力,有混凝土及钢筋混凝土衬砌,也可以用浆砌条石衬砌。
  (2)喷锚支护。喷锚支护是在地下工程开挖后,及时地向围岩表面喷一薄层混凝土(一般厚度为5~20cm),有时再增加一些锚杆,从而部分地阻止围岩向洞内变形,以达到支护的目的。
  喷锚支护能使混凝土喷层与围岩紧密结合,并且喷层本身具有一定的柔性和变形特性,因而能及时有效地控制和调整围岩应力的重分布,最大限度地保护岩体的结构和力学性质,防止围岩的松动和坍塌。如果喷混凝土再配合锚杆加固围岩,则会更有效地提高围岩自身的承载力和稳定性。
  喷混凝土具备以下几方面的作用:首先,能紧跟工作面,速度快,因而缩短了开挖与支护的间隔时间,及时地填补了围岩表面的裂缝和缺损,阻止裂隙切割的碎块脱落松动,使围岩的应力状态得到改善;其次,由于有较高的喷射速度和压力,浆液能充填张开的裂隙,起着加固岩体的作用,提高了岩体的强度和整体性。此外,喷层与围岩紧密结合,有较高的粘结力和抗剪强度,能在结合面上传递各种应力,可以起到承载拱的作用。
  锚杆有楔缝式金属锚杆、钢丝绳砂浆锚杆、普通砂浆金属锚杆、预应力锚杆及木锚杆等,目前在大中型工程中,常用的是楔缝式金属锚杆和砂浆金属锚杆两种。为了防止锚杆之间的碎块塌落,可采用喷层和钢丝网来配合。
  (3)各类围岩的具体处理方法。对于坚硬的整体围岩,岩块强度高,整体性好,在地下工程开挖后自身稳定性好,基本上不存在支护问题。这种情况下喷混凝土的作用主要是防止围岩表面风化,消除开挖后表面的凹凸不平及防止个别岩块掉落,其喷层厚度一般为3~5cm o当地下工程围岩中出现拉应力区时,应采用锚杆稳定围岩。
  对于块状围岩,这类围岩的坍塌总是从个别石块&&&危石&&掉落开始,再逐渐发展扩大,只要及时有效地防止个别&危石&&掉落,就能保证围岩整体的稳定性。一般而言,对于此类围岩,喷混凝土支护即可,但对于边墙部分岩块可能沿某一结构面出现滑动时,应该用锚杆加固。
  对于层状围岩,在开挖地下工程时,往往不易打成拱形(或圆形),爆破后顶面经常成平板状,如不加支护,围岩常常先发生弯曲张开,然后逐渐坍塌。因此,对于此类围岩,应以锚杆为主要的支护手段。通过锚杆将各层联结在一起,提高岩层的抗弯刚度,有效阻止各层之间的层间错动。
  对于软弱围岩,相当于围岩分类中的Ⅳ类和V类围岩,一般强度低、成岩不牢固的软岩,破碎及强烈风化的岩石。该类围岩在地下工程开挖后一般都不能自稳,所以必须立即喷射混凝土,有时还要加锚杆和钢筋网才能稳定围岩。
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