（地质工程专业论文）工程地球化学的基本理论及方法初步研究.pdf

摘要 自然界中广泛存在着水一岩化学作用，长期的地球化学作用，会改变地质体的 工程特性，并在一定条件下可能使其趋于失稳状态。如何利用天然或者人工改良的 地球化学方法对不良地质体进行加固改造，是工程地球化学研究的主要内容，其成 果具有重要的现实意义。 工程地球化学的基本理论包括化学热力学理论、胶体与表面化学理论、多相及 多场耦合作用理论等。其研究重点应侧重于有利于地质体稳定的机理方面。 基于工程地球化学的基本理论，采用室内试验方法对土体强度的改良进行了研 究。将石灰、粉煤灰、土体以及含水量加以不同的配比，从而形成复合地质体。试 验结果表明：对于天然地质体，粘聚力c 随含水量国增大出现先增大后减小并逐渐 平缓的趋势；对于复合地质体，当含水量一定时，粘聚力c 随配比变化出现先缓慢 变大后缓慢减小的趋势，且粘聚力c 和内摩擦角矽都比天然地基有所增长，当石灰 粉煤灰间( 二灰) 配比发生变化时，粘聚力c 随含水量国增大出现先缓慢增长后缓慢 下降的趋势，内摩擦角矽随含水量彩增大出现逐渐降低的变化规律。综合考虑不同 配比下抗剪指标( c 、缈) 的变化趋势，得出此次直剪试验的最佳含水量应控制在 2 7 t 3 0 之间，二灰土的最佳配比为粘土：石灰：粉煤灰= 7 ：l ：2 。 结合试验成果，建立s i g m w 模型，进行不同工况下地基的沉降量数值计算， 得出了以下结论：天然地质体在承受一定的竖向荷载时，沉降量较大，且沉降影响 范围较广，对工程建设不利；复合地质体在承受相同的竖向荷载时，沉降值明显减 小，且随着二灰间配比的变化，出现了沉降值最小的优化组合，即粘土：石灰：粉 煤灰_ 7 ：l ：2 ，这更好地验证了试验结果。 关键词：工程地球化学水一岩作用化学热力学试验研究 材料配比地质体稳定s i g m a w 模型 a b s t r a c t c h 砌c a lw a t e r - r 0c ：ki 1 1 t e r a d i o ne x i s t sw i d e l yi nm 咖t h el o n g - t 咖e f f e c to n g c h e m i s 仃yc 趾c h a n g e l ee n 百n e e r i n gp r o p e r t i 懿o f l eg e o l o 百c a lb o d y ，锄dw i l i c h p e r h a p s l e a dt 0 i n s t 曲i l i t ) ，i l ls o m ec o n d i t i o n h o wt 0 吣en a 劬同0 ra n i f i c i a l 鲫c h e m i s t r i c a lm e m o d t 0r e f 0 肌g e o l o 西c a lb o d y ，t 1 1 e ni tc o m db er e i i i 向r c e d ，w l l i c hi s t h em a i l lc 0 n t e l l to fm ee n 西i l e e 酊n g 舀的c h e l n i s t 阱a n dn l er 嚣u l t sh a v ea ni m p o r t a ：n t 同时s i 咖f i c 锄 1 kb 勰i c 嘲巧o f 坞e 1 1 9 i i l e 嘶n gg e o c t 嘲n i s h yi si n c l u d e do fc h e m i c a l m 锄o d y n a i n i cm e 0 c o l l o i d 狃ds u r f k ec h e i n i c a lm 巧，m u l t i p b 脑ea n dm u l 卸l e 丘e l d0 0 u p l e d 也e o r y ，强de t c i t sr e a r c h 唧h a s i so n 也e 嘲b l ep 咖c i p l eo f 也e g e o l o 西c a lb o 咄 b 嬲e d0 nm em e o r yo f t l l e 既g i l 俄疵唱g e o c h 伽l i s 仃y ，i 螂讥d 0 0 f 雠m c 也o dt 0 i n l p m v e 心i m e i l s 毋o fm es 0 i l m a k i r 唱o nt l l ed i 依鹏n t 瑚畸ob e 咐e 吼t l l el i 皿峥f l y 弱h a n dw a 噼，w h i c hm f 0 】【n l e dt l 地p o df o m l a t i o mn 瞎r e 鳓l t ss h o w e dt l l a t ：f 0 rm e 彻t i l r a lg l o 百c a lb o d y ，c o h 髓i o n 证c r e 弱懿a t6 r s tm d e 昌舔鹤丽m 也e 印w mo f l e w 船c o n t l m t ，i t st a l d e n c yh a s 鲈l d u a l l yg t l e f 0 rt l 坞唧u n dg e o l o 舀c a lb o d y ， w h 髓血ew a t e rc 0 n t e n t 硼c h 孤g e d ，c o h e s i o ni i l c r e 蠲镐a t 丘r s t 也c nd e c 麟e ss l o w l y w i mt 量l ep r o p o m o n 1 c h 雏g e d b u tc o h e s i o na n di n t e m a l 衔c t i o n 觚酉ea l li i l c r e a s 铝 c 0 衄删砸m 也e s t a ：t i l so f 吐l en a t l l m lg 1 0 酉c a lb o d y w t 吼t l l ep r 0 舯r t i o nb e t 、e e n 也e 佃ol i m i n ya s hc h 锄g e 也c o h e s i o na l h 矾嬲伪a t 矗r s tt l l c nd e c r e 鹤豁s l o w l yw i 血m e 粤o w i ho ft t l ew 嬲c o n t e n t 1 1 1 缸i a l 伍c t i o n 觚西eh 舔黟敷i u a l l y 小i a 呜a s e ds l o w l y c 伽哪慨i v ec o i l s i d e r a t i o n ，nc o n c h l d 铬n l a l 廿1 eb e s tw a t c rc o n t e n ti s2 7 3 0 m b e s t p p o r t i o no f d a y ：l 妇e ：n ya s hi s7 ：l ：2i i l 也i sd i r e c ts h e a re x 耐m 睨t c o m b i i l i n gw i mt e s t 舰l l t s ，髓t a b l i s has i g m 刖wm o d d t 0s i m u l a 伦也cs e t t l e i i l 碰 o f 矗) u n d 撕0 n 硼【d e fd i 侬彻tw o 出i n gc o n d i t i o 璐1 1 坞c a l c u l 撕0 ni n d i c a t e 廿1 a t 彻t l l 豫l g 1 0 9 i c a lb o d 懿b e a d n gv 砥i c a 王1 0 a d sw i uc a u s e 钍l e m e n t 锄dd ol l 砌t o c 0 珊m l c t i o 璐b u tc o m p o s i t e 如n d a 廿o n ss 酗【l 朗n 髓t 、析nd b v i o u s l yr i u c ea tt b es a m e 0 0 n d i d o m1 km o s t0 p t i i n i z a l i o np r o p o 砸0 no fc l a yl i i n e ：n y 础i s7 ：l ：2 t h i s s i i n u l a t i o nr 懿u l t si sc 0 i l s i s t e n tw i n lt e s t k 码啊o r d s ：a 画n j e f i n gg e 0 6 h e i i l i 蛐哕，w a t e r - r o c ki i l t 删i o n ，c h e r n i c a l 也锄o d ) r i l 棚【n i c s ，e x p 嘶e n c es t i l d y ，m a t 嘶a li i l i x t i 鹏僦o ，g e o l o 西c a lb o d y 鼬i l i t y ， s i g m 渔、 厂m o d e l m 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：彦嘶年占月争日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所( 含万方数据库) 、国家图书 馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文 的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论 文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签孙 皇盔聋少弹月争日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 地球化学主要是研究地球中各种元素的迁移、分散、富集规律的学科。随着时 代的发展、生产力的提高、材料及施工工艺的改进、计算机理论的研究、化学理论 知识的完善等，地球化学在成为一门独立成型的学科后得到了较快发展。工程地球 化学就是其发展的一个分支【1 1 。地质工程作为修建房屋、桥梁及其它各种土工构建 物的重要部分已有数千年的历史，在这一历史中，化学一直以它不断发展的新成就 从各方面影响和帮助着地质工程，其影响之深远和效果之巨大是众所周知的。石灰 材料应用最早，可以追溯到原始社会晚期，这些直接推动了工程地球化学的发展。 2 0 世纪后半个世纪以来，基础理论学科由于材料与工程科学的发展和带动，迅 速发展。与工程地质和化学有关的一些理论基础由于学科间的互相渗透，无形中为 工程地球化学前身的各种分支科学和技术起着联系和集于一体的桥梁作用。另一方 面，基础理论的发展，又进一步将刚形成体系的工程地球化学推向新的水平。与此 同时，与工程地球化学相邻的一些学科，例如环境化学、高分子化学、岩石力学、 土力学、材料科学以及数值方法等的成就早已不断地渗透和被引进工程地球化学 中。 水文地球化学的形成是在2 0 世纪5 0 年代，这门新兴的边缘学科与工程地球化 学关系密切，它的基础理论研究包括水的结构和性质，形成或改变地下水的物理化 学作用，地下水的化学成分的形成历史，地下水补给来源的化学特征，地下水和土 层被污染后的治理以及水的地球化学作用等【2 1 。水文地球化学对作为工程环境或材 料的水和土体的固有特征及其变化规律的研究，丰富了工程地球化学的研究理论， 促进了该学科的发展。 随着国民经济的迅速发展，我国高速公路的建设十分迅猛，我国自上个世纪9 0 年代中期开始建设高速公路，到现在已经发展了1 3 年的时间。高速、便捷的公路 通道，在国家现代化进程中，发挥了重要的支撑作用，体现了国家强国富民、安全 稳定、科学发展，建立综合运输体系以及加快公路交通现代化的要求。2 0 0 5 年国家 河海大学硕士论文 制定了国家高速公路网规划，将用3 0 年时间完成“7 9 1 8 ”国家高速公路网建设。 这个8 5 万公里的高速公路网可覆盖l o 多亿人口，把我国人口超过2 0 万的城市全 部连接起来，加上地方的高速公路，届时我国高速公路总里程将达到1 2 万公里左 右，主要连接大中城市，包括国家和区域性经济中心、交通枢纽、重要对外口岸； 承担区域间、省际间以及大中城市间的快速客货运输，提供高效、便捷、安全、舒 适、可持续的服务，为应对自然灾害等突发性事件提供快速的交通保障。高速公路 的发展迅速，对工程安全研究也要及时达到相应的水平要求。但是，由于实际工作 中，材料性质不可能时时达到工程建设要求。如在路基建设中，常见一些不良地基 土，像软粘土、杂填土、冲填土、饱和松散沙土、湿陷性黄土、膨胀土、含有机质 土和泥炭土、山区地基土等等。在华东地区，不良地基土主要是软土【3 】，如何改良 地质土性质更好地为工程服务，是广大地质工作者的主要任务，它将在工程基础建 设中起着举足轻重的作用，其发展前景比较广阔。 工程地球化学，简单地说，是指人类工程活动导致地质体( 水岩系统) 中产生的 各种地球化学作用及其应用【4 1 。具体地说，它是以地质体作为研究对象，将化学、 工程地质学、材料学、岩石力学、基础工程学、土力学、水文地球化学以及环境工 程学的研究方法相结合，主要研究岩体的结构以及水岩化学作用的过程、类型、规 律性，并将地质体加以改造，使之满足工程要求。它是和受力岩体变形、破坏的作 用机理相交叉的学科。也就是说，它研究的任务主要是从化学机理的角度来解释一 些重要的现象，并对地质体变形破坏以及为地质工程加固设计与施工提供理论依 据。它研究的目的是更好地应用化学原理和方法来帮助解决有关地质工程问题。这 也是现代工程学科由经验走向精细的标志，它对于工程稳定性的评价、地质灾害的 防治以及相应参数的选择与分析都提供了一个新观点【5 捌。 在工程地质问题方面，应用工程地球化学的相关理论和方法需要解决的问题归 结为两大类：( 1 ) 增强岩体强度；( 2 ) 降低岩体的渗透性能。有利于这方面的地球化 学作用通常有沉淀、胶结、固化等作用，这些作用有的虽然可以直接利用，但现实 中，往往反应的速度太慢，因而需要使用人工地球化学的方法，加快反应速度，甚 至改变有害反应的方向，人工控制地球化学过程【7 1 。这为工程地球化学的研究提供 了很实际的意义。 这里的岩体不仅包括岩石学上所指的各类岩浆岩、沉积岩和变质岩，也包括土 2 第一章绪论 壤、混凝土等。下面针对目前国内外对工程地球化学的相关研究状况作具体介绍。 1 2 国内外研究现状 国外对研究工程地球化学作用做出突出贡献的主要研究人员有美国化学家 f ：w c l a r k e 、俄罗斯矿物学家维尔纳茨基、挪威地质学家戈尔德斯密特、荷兰化学 家s d l u i l i n g 、南美学者d o r o m e a c s m 汕和m 删f e y 等。国内起步较晚，中科 院院士傅家谟和卢耀如，老一辈地球化学家侯德封、涂光炽、刘东生等等。 1 2 1 工程地球化学对于岩体改造的研究现状 最基本的地球化学作用是水岩作用，它是工程地球化学研究的基础。水岩作 用是指水、热液和岩石在岩石固相以下的温度、压力范围内进行的各种物理、化学 反应。 水岩相互作用的研究有助于认识自然体系，有益于我们解决当今世界所面l 临的 全球性和地区性的资源与环境方面的难题。 水对岩石的作用是一种复杂的应力腐蚀过程【8 】。一些研究者对含水岩石的强度、 变形特性以及水对岩石的弹性模量、单轴抗压强度的影响程度进行了研究，还有一 些学者研究了化学活动性流体对砂岩摩擦系数的影响【9 - 1 0 1 。h 1 鲥ds t o b e r 研究了德国 黑色森林区域及其周边地区结晶岩的渗透和水化学特性，发现渗透系数随着深度的 增加而减小，水化学类型和浓度随着深度增加而增加或改变【l l 】；c c m d 等通过对北 阿尔巴尼亚地区的研究得出了流体化学的演化规律与脆性变形的对应关系【1 2 1 。除了 化学作用与宏观变形的研究外，也有不少学者以室内试验为基础，探讨化学作用对 岩土性能和变形特点的影响，开展了化学溶液对裂隙扩展速率、应力强度因子和应 力强度系数影响的研究。p 酞初步考虑了石英岩的应力腐蚀及裂隙扩展特点【1 3 1 ；王 泳嘉等采用分形理论研究了受空气、水、化学溶液侵蚀下，在不同的应力作用过程 中岩石的破裂随时间发展的具有分形或者比例尺不变的性质；王育平等则主要讨 论了水岩相互作用对岩体裂隙水流的影响【1 5 1 ；汤连生主要从水岩化学反应角度研 究了几种一般沉积岩的力学与环境效应【1 6 】；颜玉定通过试验探讨了饱水时间对岩石 动态参数的影响【l 刀；徐则民认为水岩的化学作用不仅涉及成岩、成矿、污染物的 3 河海大学硕士论文 迁移转化，也涉及地质灾害等众多地质过程【1 8 】；2 0 0 0 年张信贵等在研究南宁地区泥 岩承载特性时，指出水化学环境的变异会加剧泥岩的水岩相互作用，导致泥岩的结 构强度发生变异，提出进行泥浆水稳定性时应采用不同水化学环境下相关参数来评 价，并进行了前期固结压力的衰减试验f 聊。 水对岩石的腐蚀问题，研究者的研究角度各不相同，且各有侧重，为了防止或 者减少水岩作用带来的危害，也有不少学者对加强岩体的固化稳定问题做了研究。 化学灌浆以其原位加固技术并能改变岩体固有性质为特点，在2 0 世纪5 0 年代 以来得到蓬勃发展。美国麻省理工学院在5 0 年代初就成立了专门的化学加固实验 室，并在美国土木工程学会下成立了灌浆协会，主席为化学灌桨专家卡诺尔教授。 1 9 8 8 年在奥地利建立了跨学科的灌浆工程组织，该组织包括设计与施工、水力学、 断裂力学以及计算机方面的专家。1 9 8 9 年国际岩石力学学会在此基础上创立了国际 岩石灌浆专业委员会。中国是在2 0 世纪5 0 年代初期才逐步掌握灌浆技术的，从2 0 世纪6 0 年代开始研究并逐步地推广应用化学灌浆技术【2 0 】。近4 0 年的时间里，我国 研制并应用的化学浆材品种多样，包括环氧类、聚氨脂类、丙烯酞胺类、甲基丙烯 酸脂类、丙烯酸盐类、木质素类、服醛类以及水玻璃类。1 9 8 1 年，谭日升对有水裂 隙中如何提高化学灌浆效果作了研究；1 9 9 3 年，程鉴基等系统阐述了在软弱地基中 水泥类化学灌浆的机理，并与1 9 9 6 年总结了化学灌浆在岩石工程中的综合应用【2 i 】； 2 0 0 0 年陈珙新、祝红等对三峡工程f 2 1 5 断层水泥化学材料复合灌浆处理进行了试 验，研究表明断层影响带在水泥及化学灌浆处理后，岩层的声波值、弹性模量、以 及抗拉、抗压等都达到了大坝对基础所要求的力学要求，也满足了大坝对基岩的密 实性要求【2 2 1 。 李最雄对风化砂岩石雕加固进行研究，发现胶结泥质经p s 处理后，除石英、 云母有所消耗外，其他粘土矿物的晶形受到破坏，变成了具有大的表面能、较高的 力学强度和较小的渗透性的无定形胶凝体【2 3 1 。 低渗透介质灌浆理论的研究与工程实践也取得了突破性进展，一向被工程界视 作渗透灌浆禁区的泥化夹层为中化7 9 8 浆液所渗透固结。我国黄河上游龙羊峡大坝 坝基灌浆，中化7 9 8 能渗入渗透系数为1 矿饿以的低渗透介质中使软弱的夹泥层变 得象岩石样坚硬，抗压强度达2 3 5 。3 3 4 m p a ，变形模量达1 2 0 0 0 0m p a 【2 4 】。 2 0 0 5 年丁梧秀、程昌炳等人以浙江龙游石窟群围岩的抗风化加固为研究背景， 4 第一章绪论 对红砂岩试件进行了多种化学材料处理方案的室内试验研究，提出了一种新的化学 加固材料，试验证明，利用该材料处理后，红砂岩的粘聚力、密实度及强度均得到 了提高，其抗风化能力也得到明显提高【2 5 1 。 2 0 0 7 年杨振峰等对粉沙质泥岩的强度衰减与环境效应进行了试验研究，并对不 同化学溶液下岩样强度的衰减作了比较，得出在不同的酸碱环境下强度衰减的速度 不同【2 6 】。此外，也有学者利用灾害发生前指示性离子显著变化的规律进行滑坡、地 震等的预报。 2 0 0 7 年杜永、韩羽针对破碎煤岩的加固建立了室内裂隙网络注浆模型，研究了 化学浆液在裂隙网格中的扩散范围和扩散路径，得出了静压注浆工程中浆液与岩体 主要耦合作用为充填粘结作用和渗透作用踟。 肖锋对软弱围岩进行了壁内充填和注浆加固试验，壁后充填改善了支架的受力 条件，将来自围岩的外荷载通过充填层均匀地传递给支架，整体承载力增强了6 倍 左右【2 引。 因此，从地球化学角度，水岩相互作用的研究主要用于矿产资源如热液成矿研 究、沉积成岩作用、油气形成研究、风化研究、地下水化学污染物迁移研究掣冽。 但是，随着时代和科技的发展，水岩相互作用涉及了地球科学的方方面面。从岩土 工程特性角度，水岩相互作用不再局限于化学作用的研究，研究重点转向了对岩体 加固后岩石的物理力学特性研究，水岩相互作用被赋与了新的内涵，其物理含义有 了本质的变化，体现了地球化学学科与工程学科的交叉与融合。 1 2 2 工程地球化学对于土体改造的研究现状 水土作用的概念是基于水岩相互作用概念基础之上的，而且工程地球化学对于 土体改造的研究也首先基于水土作用的研究。水土作用是一个复杂的、多因素相互 作用的体系。从土的工程性质来讲，国内外学者各自从不同的侧面、角度针对不同 的对象对水土间的作用进行过不同程度的研究。近1 0 多年来，一些研究者运用物 理化学观点对粘土类土的强度与变形性能的本质进行了研究，其内容包括土体矿物 的结晶化学结构及其规律，土体的结构及其控制因素等。这些研究改变了过去单纯 从力学途径去研究和解释土体的变形和破坏机理的做法，全面运用物理、化学、力 学的观点，解释了诸如压缩、剪切、流变、长期强度、触变、膨胀及收缩等土体特 s 河海大学硕士论文 性，成功地解决了许多工程问题。 周福俊通过对大庆市西部地区地下水硬度的研究，提出c 0 2 分压作用及其水 岩间的离子吸附与交换作用问题【3 0 】；冯金良曾研究过无定形态游离氧化铁脱水老化 时对粘性土物理性质的影响f 3 l 】；针对红粘土，孔令伟、罗鸿禧等研究了游离氧化铁 起胶结作用，有效胶结铁的溶蚀给红粘土的工程特性带来了明显影响【3 2 】；程昌炳等 用穆斯堡尔谱、电子能谱、核磁共振谱、反应活化能以及物质的磁性研究了高岭土 与针铁矿胶结的本质，并对贵州红粘土力学特性通过用人工合成矿物的化学动力学 参数的测定，预测红粘土在酸液侵蚀下的强度变化规律【3 3 0 5 】；在城市区域水文地球 化学环境被扰动的研究方面，钱会认为c 0 2 的分压对碳酸钙的溶解是有影响“3 6 1 ； 吴恒提出城市区域地下水变异对城市地下土体强度及性状的影响，分析了城市建设 引起地下水化学场变异的因素，并对地下水化学成份变异后的水土作用的化学机理 做了探讨【3 7 】。2 0 0 5 年韩立华、刘松玉进行了城市区域土体铁的化学行为与土体强度 变异关系的研究，发现若土体含水量相对较低时，铁质胶结物不易被溶解，趋向于 发生使f e 离子发生沉淀的反应，随着溶液中f 矿的增多，土体对铁的吸附作用加 强，并使得土体的化学健牢固性增强，提高了土体的强度【3 8 1 ；罗逸等研究原状膨胀 土与化学溶液反应后，其土体力学行为的改变，并指出这种改变可能导致岩土工程 安全问题【3 9 1 。 针对实际工程中遇到的各类岩土工程问题，国内外很多学者对具体的解决方法 也做了探讨。随着近代化学工业的迅速发展，品种繁多的新材料陆续问世，它们具 有多种满足工程需要的性能，可制成各种符合实用目的的产品，且由于质量轻、施 工简单、价格低、原料丰富等优点，为解决岩土工程安全稳定问题提供了较为理想 的材料。 为此，在1 9 0 6 年，美国进行了改良土的首次尝试，并开展了水泥、沥青及一 些化学制品改良稳定土的系列研究。稳定土技术的发展并得到普遍认同是上世纪四 十年代以后期的事，在五十年代至六十年代以后，固化剂作为一种新型的工程材料， 在国外被广泛加以研究和利用。至今已有近十类固化剂产品，且已逐渐形成了系列 产品以适应不同的筑路土质与环境条件，m o t t l em j 分别通过物理化学及力学等试 验方法研究了g a 型固化剂的性能并探讨了固化机理【删；d i b b l ej rwe 进行了t r 型土壤固化剂路用性能试验研究【4 1 1 。 6 第一章绪论 我国对固化剂产品与技术的研究主要采取了引进国外高性能产品和自主研发 的方式。已有资料表明，我国有关单位已研制出水泥系列、石灰系列、s i 0 2 系列和 有机系列四大类土壤固化剂，而且对各种固化机理进行了初步研究。武汉工业大学 材料学院和天津水泥工业研究院研制的以石灰作为固化剂基料的改性白灰粘土固 化剂；浙江大学研制的用于固化软土的z d y t 型土壤固化剂；兰州大学研制的s h 型高分子土壤固化剂等等。 此外，汪益敏等人对i s s 加固土的微观结构、强度特征以及固化机理进行了研 究【4 2 】；河海大学朱伟教授研究开发的骨架构建固化污泥方法，即在污泥中添加含有 黏土矿物的淤泥和作为固化材料的水泥，使污泥土强度提高，达到工程建设要求【4 3 】。 1 9 9 9 年邹闯等进行了路用粉煤灰水泥混凝土的强度及耐磨性的实验研究，结果 表明，在同时掺入粉煤灰及某种专用减水剂后该水泥混凝土抗剪强度及耐磨性均高 于相应的基准混凝土m ；王明春等在利用粉煤灰及硅灰水泥固体流化剂应用方面进 行的研究表明，粉煤灰及硅灰可作为水泥浆科及矿浆的固体流化剂，在流化减少的 基础上，进一步发挥了粉煤灰的活化效应及硅灰的微集产效应，从而使水泥混凝土 强度大幅度提高【4 5 l ；同济大学的吴自超等利用高钙粉煤灰作为混凝土添加料，能提 高混凝土的泵送性能m ；河北省第一建筑公司承建的北京海洋馆在泵送混凝土中用 1 5 的粉煤灰替1 0 的水泥，粉煤灰混凝土的和易性、可泵送性、强度、抗渗性均 显著提高；上海建筑科学研究院谷章昭等通过对掺加级粉煤灰混凝土的力学性能 和耐久性能的研究，进而表征了该混凝土的水化产物及孔结构特征，研究结果表明， 其性能较掺加i i 级粉煤灰的混凝土差，但某些性能却优于普通混凝土，尤其适用于 地面及水面以下施工的混凝土结构【4 7 1 。胡明玉针对大掺量粉煤灰混凝土的社会经济 意义及存在的主要问题，提出了使用复合激发剂和蒸汽养护解决大量粉煤灰混凝土 早期强度低的问题，试验证明大掺量的粉煤灰混凝土可在建筑工程上获得广泛的应 用【铝1 。 1 3 本文的主要研究内容及技术路线 本文首先综述了国内外相关研究的现状，然后比较系统的探讨了工程地球化学 的基本理论和方法，并依据相关理论何方法进行了不同配合比二灰土最佳力学指标 的试验。对于软土地质体，运用不同二灰土配比研究不同含水量情况下粘聚力与内 7 河海大学硕士论文 摩擦角的变化趋势，并结合试验成果，对试验数据采用g e o s l o p e 软件中的 s i g m w 模块建立模型，计算地基的沉降量，再对不同工况下的沉降量计算结果 进行分析。旨在应用工程地球化学的理论与方法，力求对不良地质体进行改造的最 佳实现。主要技术路线如下： ( 1 ) 首先对工程地球化学对于地质体的研究现状进行综述； ( 2 ) 对工程地球化学的基本理论一化学热力学理论、胶体与表面化学理论、多 相及多场耦合作用等方面进行了综合性阐述，以理论为背景，分析地质体趋于稳定 的作用机理； ( 3 ) 基于的工程地球化学的基本理论，采用室内试验方法对土体强度的改良进 行研究，通过石灰、粉煤灰、含水量的不同配比，分析不同方案下土体抗剪指标参 数的变化规律，研究不同加固效果的原因，并对试验成果进行分析； ( 4 ) 得出此次二灰土试验的最佳含水量和最佳配比，并分析机理； ( 5 ) 结合试验成果，对试验数据采用g e o s l o p e 软件中的s i g m v w 模块建立 模型，计算地基的沉降量，再对不同工况下的沉降量计算结果进行分析，与试验结 论吻合。 第二章工程地球化学的基本理论 第二章工程地球化学的基本理论 工程地球化学是指将工程地质学、岩土力学、水文地球化学及地球化学四者相结 合，研究人类工程活动导致地质体( 水岩系统) 中产生的各种地球化学作用。 岩体的均匀性越好，其强度越高，均匀性越差，其强度越低。而地球化学作用对岩体 的不均匀性一般具有放大效应，即岩体与水化学作用中存在强度差异腐蚀效应，此效 应加剧了地质灾害的发生。水化学作用导致受力岩体破坏的重要原因是使其原微观结 构发生变异，地质灾害的发生机制与这种复杂的过程息息相关。也就是说，水岩化 学作用可以看作是地质灾害的一个重要的劣化因素。此方面的研究对地质灾害的合理 利用与保护有重大意义，它是一个复杂的强度腐蚀过程，在许多岩体不稳定性地质灾 害中，水的化学作用可看作地质灾害的一个主要的劣化因素。因此，对于地质灾害防 治，在分析物理力学的同时，我们还要重视水岩化学作用的研究。 但是，在自然界中发生的许多地球化学作用所产生的效应，有些是不利的，而另 一些却是有益的，所以，在分析水岩作用的同时，更重要的是如何利用地球化学作用 改善工程地质条件，即促进有利反应的进行。 2 1 水岩系列相互作用理论 水岩化学作用是指：水和岩体在一定温度、压力范围里进行的各种化学反应。 这里的岩体，不仅包括各类岩浆岩、沉积岩和变质岩，而且也包括土壤、混凝土等。 水岩化学作用不仅导致化学元素在岩体与水之间重新分配，而且导致岩体微结构的 改变。这两者的变化都将导致岩体力学性质的改变。它以地下水和岩石之间存在的化 学不平衡为前提，并且是一个非平衡的地球化学过程，也是一个与时间有关的地球化 学过程。它主要包括：溶解沉淀、氧化还原、酸碱作用、水解络合四方面作用1 4 9 1 。 2 1 1 溶解与沉淀作用 溶解作用是指岩体中一部分矿物被水溶液溶解、溶滤，使离子由结晶架中转入水 中的过程。其结果是岩体失去一部分可溶性物质，水溶液则增加了新的物质成分。沉 9 河海大学硕士论文 淀作用是指水溶液与土中部分矿物发生浓缩、脱碳酸或者混合反应，生成难溶的沉淀 物或者结晶体，从而使某些离子或分子固结于岩土孔隙中或晶格体上。水是极性分子， 一种溶解能力很强的溶剂，它与岩石接触时必定发生溶解作用。这对岩体的力学强度 有着负效应作用，在化学成分上，不仅破坏了岩石晶粒间的连接，而且破坏了晶粒本 身。其化学损伤的强度主要取决于：水溶液的成分及化学性质、流动状态、温度、岩 石的矿物与胶结物的成分、亲水性、结构、裂隙的发育状况和透水性等等【删。 水岩作用过程中，溶解主要是指物质组分以离子形式进入到水溶液中。自然界 中不存在绝对不溶的物质，即使铝硅酸盐这一难溶的天然化合物，也会有n a + 、c a “、 m g “分离到水溶液中来。自然界中岩石在水中溶解，往往是形成天然水化学组成的 主要过程【5 。由于天然水和溶解岩体的成分不同，其不是离子由固态到液态的直接过 渡，便是在溶解过程中伴随着形成微溶或难溶的新化合物化学反应( 如c a c o ，的溶 解) ，这两种现象在自然界中是等量齐观且普遍存在的。溶解往往与溶液的性质有关， 如方解石在碱性溶液和酸性溶液中的溶解时完全不同的。在风化带里广泛分布着有机 化合物、腐植土、氨基酸等较为活泼的综合形成物，c a 2 + 可以结合到牢固的( 往往是 环形结构) 综合体上，所以可以看到有钙从方解石里析出。此过程如同酸作用于c a c 0 ， 一样，但并不分解出c o ，。 水岩作用可能生成难溶盐，也可能由于水溶液中离子浓度提高而生成可溶盐， 形成结晶物沉淀于岩石颗粒表面或裂纹、空隙及裂隙等缺陷上，这对岩石的力学性质 具有重要作用。可溶盐，如n a + 、c a “、m 9 2 + 的c o ，2 对岩体的破坏起着重要作用。 水溶解了岩体中可溶性盐分，并沿着岩体的裂隙和空隙渗透，溶液的浓度也伴随着温 度( 如蒸发) 、季节( 降水、空气湿度、干旱) 和水流系统的变化而变化，盐分的浓度增 大，达到近饱和，即沉淀结晶。这种沉淀物和结晶对岩石的力学强度起到正力学效应。 地下水中的大多数离子是由溶解作用产生的。天然的大气降水在渗入土壤带、包 气带或渗滤带时，溶解了大量的气体，如n 2 ，0 2 ，h 2 ，e ，c 0 2 ，n h 3 ，c h 。，h 2 s 等， 弥补了地下水的弱酸性，增加了地下水的侵蚀性。这些具有侵蚀性的地下水对地质体 中的可溶性成分产生溶蚀作用。如h + 浓度及c o ，浓度的增高，使土介质中的方解石、 白云石及钙质胶结物溶解，溶解的结果使地下水中c a “、m 9 2 + 含量及地下水硬度增 加。当此时采取升高温度或者p h 值增大的方法时，c o ，2 - 浓度就会增大，从而生成 l o 第二章工程地球化学的基本理论 了c a c o ，沉淀，可使岩土的强度增大。 碱性物质如n a o h ，n a 2 s ，n a 2 s 0 4 ，n a 2 c 0 3 浓度的增高，将影响到土体中s i 0 2 和 倍半氧化物r ，a 性质，最终将影响到土体的强度变化。其化学反应过程如下： c a c 0 3 + c o z + h 2 0 c a 。+ + 2 h c 0 3 c a m g ( c 0 3 ) 2 + 2 c 0 2 + h 2 0 专c a ( h c 0 3 ) 2 + m g ( h c 0 3 ) 2 c a c 0 3 + 2 h + 哼c a 2 + + h 2 0 + c 0 2 m g c 0 3 + 2 h + 一m 9 2 + + h 2 0 + c 0 2 ( 2 - 1 ) s i 0 2 + n a o hjn a 2 s i 0 3 + h 2 0 f e 2 0 3 + 3 h 2 0 + 3 n a 2 s f e 2 0 3 + 6 n a o 舢2 0 3 + 2 n a o h 一2 n 乱a j 0 3 + h 2 0 无论是矿物还是胶结物质的溶解，势必改变土体颗粒间连接特性，使土颗粒间的 连接减弱。虽然在碱性条件下，硅酸盐和铝酸岩容易水解，但是当遇到酸性地球化学 障的作用时，却由于中和作用生成二氧化硅沉淀。从工程的目的来讲，表生条件下二 氧化硅的沉淀一直被认为是土壤硅化的天然模拟，由于生成了大量的二氧化硅沉淀， 导致人工石化作用进程，大大增强了土壤强度，而且降低了土体的压缩性，有利于改 善其工程性质和行为，人们已经广泛使用该技术来解决各类工程问题，在基础需加固 的情况下，用于提高结构不稳定土壤的强度和承载能力，其方法是将钠硅酸盐溶解在 水玻璃状态下充填空隙空间，虽然钠硅酸盐的水解作用发生的比较缓慢，但是随着体 系中化学活性土壤组分的暴露，或随着体系中酸性物质如硫酸岩、磷酸岩、碳酸岩或 草酸岩或多价阳离子的混合，其速度可以提高，并伴随硅酸盐相的大量释出【5 2 】。此外， 还可以用改变温度来控制硅化的反应速度，因为这类反应的热效应相当大。因此，对 于自然界这些地球化学作用，我们要尽量利用化学条件的变化，使其往沉淀及正力学 效应上进行，增强岩体强度。 2 1 2 氧化还原作用 水岩土环境中发生的很多反应包含了气相、固态或被溶解成分间的电子转换， 河海大学硕七论文 形成一种氧化还原反应。在氧化还原反应里，一种物质失去电子( 或电子对偏离) ， 同时必有另外物质得到电子( 或电子对偏向) ，而得失电子总数相等。为了电子守恒， 反应中一种物质的氧化作用必然伴随另一种物质的还原作用。这些氧化还原反应结果 改变了地质体原有成份组成。显然对地质体的物理、力学性质产生一定影响。 氧化还原反应是表生环境下水文地球化学作用中重要的物理化学反应，金属变价 元素及其化合物一般处在还原状态，以低价态的形式存在，矿物颜色多为浅色。当岩 层( 矿物) 出露以后，在地下水径流条件良好的环境中，水中含有的氧可以促使处于低 价态的金属元素转变为高价态，使得岩体或矿物颜色变深，而其结构也随之瓦解。在 厌氧的还原环境中，微生物的生命活动消耗变价元素或化合物中的氧，使得金属元素 从高价态转变为低价态，使岩石矿物脱色。表生环境中的氧化过程基本上都是放热反 应，例如： 含铁( f e 2 + ) 硅酸盐矿物氧化时，形成含三价铁的分解产物： 4 f e s i 0 3 + 0 2 2 f e 2 0 3 + 4 s i 0 2 + 2 1 4 4 1 0 6 j( 2 - 2 ) 含硫或碳的页岩中，硫和碳的氧化： s + o ，专s o ，+ 2 9 3 1 0 5 j c + i 专c 孑，+ 3 9 5 而 亿3 ) s o ：溶解于水，进一步氧化即形成h ：s o 。：( 2 川 2 s 0 2 + 2 h 2 0 + 0 2 专2 h 2 s 0 4( 2 5 ) 在厌氧的还原环境下，微生物的活动，消耗铁、锰等变价元素或化合物中的氧， 高价铁、锰被还原成活泼的二价铁、锰碳酸盐化合物并随水迁移，使含铁、锰岩石破 坏脱色【5 3 1 。例如： 2 f e 2 0 3 。3 h 2 0 + c 专4 f e o + c o z + 3 h 2 0 e 一6 ) f e o + 2 c 0 2 + h 2 0 专f e ( h c 0 3 ) 2 ( 2 7 ) 硫酸盐还原反应同样与有机质和细菌活动有关，通过细菌活动能把s o 2 - 还原为 h 2 s 。 s o 卜+ 8 e + 1 0 h + 一h 2 s + 4 h 2 0 ( 2 8 ) 1 2 第二章工程地球化学的基本理论 氧化还原作用对岩石的力学性质有正效应和负效应两种作用【5 4 1 。一般来说，氧化 作用产生正的力学效应，而还原反应产生负的力学效应。岩石中的矿物和胶结物所含 的阳离子，在中性水或中低酸性水中的游离氧的作用下，使岩石表面形成一层氧化膜， 保护着岩石不被水溶液进一步地侵蚀。例如，低价铁离子f e 2 + 成分既容易被中性水氧 化，又容易被酸性水溶液侵蚀，这取决于水溶液的化学性质及成分。若是f e 2 + 被氧化， 形成f e ( o h ) ，沉淀，则水岩化学作用的力学效应为正效应，水溶液中的铁离子不增加， 反而可能减少；若是f e 2 + 被酸性水溶蚀，则水岩作用的力学效应为负效应。含铁矿物 在水中氧化而体积扩大导致岩石结构的破坏或裂纹被充填。水溶液若是偏中性的低矿 化度水，则岩石中含有较多铁离子的矿物更能吸附中性水溶液中的& 仉，使之沉淀于 岩石表面，尤其是裂隙尖端，使岩石溶蚀作用减弱。 2 1 3 酸碱作用 在自然界中，绝大多数的天然水中都或多或少地存在碳酸，无论在水中，还是在 与水接触的土壤中的生物化学过程，都为天然水提供了c o ，的来源。包括非饱和带中 埋藏的c o ：，以及植物残根腐败，微生物作用过程释放的各种浓度c o ：，在几乎所有 的沉积岩区域和许多变质岩和火成岩区域里，地下水流动都与碳酸盐矿物接触，形成 碳酸盐溶液。 碳酸根及重碳酸根与岩石矿物的相互作用叫做碳酸盐化作用。含c a 、f e 、m g 的 岩石矿物常常以碳酸盐化作用而风化，此过程是在碳酸的积极参与下进行，通常是对 岩石起腐蚀作用。碳酸是由二氧化碳与水作用而生成的。例如含二氧化碳的水与自云 岩的相互作用，即是碳酸盐化的例子，作用结果是白云岩被溶解，形成重碳酸镁型水： c a m g ( c 0 3 ) 2 + 2 c 0 2 + 2 h 2 0 c a 2 + + m 9 2 + + 4 h c 0 3 。 ( 2 9 ) 有机质分解产生的二氧化碳和有机酸，而由二氧化碳形成的碳酸是决定表生环境 中水p h 值的重要因素。在碳酸的参与下，弱酸性水与矿物水解时出现的低浓度的碱性 溶液中和，加速了矿物的水解速度，并伴随出现碳酸盐化，其结果使得矿物部分地或 1 3 河海大学硕士论文 全部地被溶解，矿物中的金属元素则变为碳酸盐。 h 2 0 + c 0 2 专h 2 c 0 3 c a c 0 3 + h 2 c 0 3 哼c a ( h c 0 3 ) 2 ( 2 - 1 0 ) 4 k a l s i 3 0 3 + 2 h 2 c 0 3 + 2 h 2 0 专a 1 4 ( s i 4 0 m h ) s + 8 s i 0 2 + 2 k 2 c 0 3 碳酸也具有二级离解，但是碳酸的一级离解常数k 。= 4 2 1 0 ，而二级离解常数 k ，= 5 6 l o 1 1 ，比k 小1 0 4 倍，对日+ 的产生影响很小，同时碳酸的一级离解常数远 远大于水的离解常数，因此，碳酸的加入往往使得矿物的水解速度明显加快。天然水 中溶解的c 仇越多，碳酸盐和二氧化硅越易从矿物中解离。其迁移强度也越大。环境 中的酸碱不同，风化( 泥化) 后造成的次生粘土矿物也不同。 遇到这样情况，我们可以人工地提高温度和p h 值，这样c o ，2 - 浓度增大，从而 有利于生成更多的碳酸钙沉淀，增强岩土强度。 比如在在黏土区，由于工业活动导致的n a o h 高度富集，形成类似的碱性地球化 学环境。该区土体被碱溶液渗透，在碱性水解过程中，矿物的强度得到提高。 该过程的物理化学模型可概括为： 粘土矿物+ n a o h + h 2 0 + n a 趾( o h ) 4 + s i 眈一沸石+ 亚稳相( 凝胶) 由于新生矿物相的摩尔体积比初始矿物的大的多，因此，对整个体系而言，若体 积恒定，则其产物将具有较高的密度。随着沉淀作用的加强，固相的强度也不断提高。 2 1 4 水解络合作用 在表生环境中，水解作用占各种化学反应的首位，主要是由水电离出的旷、o h - 与矿物离子之间发生交换反应。其实质是旷或o h 进入矿物晶格，分别取代其中的 阳离子或阴离子，从而使原来的矿物解体形成新的矿物。如氧化带盐类的水解： f e 2 ( s 0 4 ) 3 + 6 h 2 0 哼2 f e ( o h ) 3 + 3 h 2 s o ( 2 - 1 1 ) 2 f e ( o h ) 3 寸f e 2 0 3 + 3 h 2 0 碳酸钙的水解作用是碳酸盐溶解时最普遍的反应，其反应式为： c a c 0 3 + h 2 0 c a “+ h c o ，。+ o h 一 ( 2 - 1 2 ) 铝硅酸盐矿物的水解也是自然界最普遍的反应，同时也是矿物深度化学破坏的一种最 1 4 第二章工程地球化学的基本理论 普遍的过程，其一般化学反应式为： m 。s 谶。丑+ h + o h 一_ m