物理化学作用在岩土工程的影响 本文关键词：物理化学，用在，岩土工程，影响
物理化学作用在岩土工程的影响 本文简介：摘要：物理化学作用在岩土工程中有着巨大的影响，研究表明其对岩土工程的影响主要体现在对强度、变形性能、渗透性及边坡稳定等方面，论文从物理和化学角度分析其作用原理，并对工程实际应用加以论述，最后提出在未来研究方向上的几点建议。关键词：物理化学作用；岩土工程；强度；渗透性物理化学作用对土木工程领域有着巨大
物理化学作用在岩土工程的影响 本文内容：
摘要：物理化学作用在岩土工程中有着巨大的影响，研究表明其对岩土工程的影响主要体现在对强度、变形性能、渗透性及边坡稳定等方面，论文从物理和化学角度分析其作用原理，并对工程实际应用加以论述，最后提出在未来研究方向上的几点建议。
关键词：物理化学作用；岩土工程；强度；渗透性
物理化学作用对土木工程领域有着巨大的影响，例如大家所熟知的混凝土即是化学作用在工程中的一种应用，作为混凝土的主要材料之一的水泥实际上就是一种由硅酸盐化学产生的粉状水硬性无机胶凝材料［１］。这种无机胶凝材料以一定的比例与砂、石、水相掺和形成混凝土，混凝土在水中或空气中硬化可得到高强度的块体。现代城市建设有很大一部分功劳都要归功于混凝土，混凝土建造了高楼、道路和地下管廊等城市的基础设施，这都是化学作用对土木工程领域的影响；再例如基坑支护时要考虑地下水的情况对基坑进行处理，防止产生滑坡现象，以及地基开挖时考虑地下水位及水压力确定降水方式以免造成突涌现象等均是考虑物理因素对土木工程领域的影响。目前，在物理化学作用对岩土工程的影响研究及分类，主要体现在以下三个方面。１）对土体强度的影响化学作用会改变土中的孔隙和岩石结构，从而改变其强度。姜洪涛等人通过对污染土的研究发现大多数污染土不能满足工程需求，但经过处理之后则可具有较高强度，从而能满足工程需要；隋秀艳、隋秀华和汤连生等人也提出通过化学作用使岩土物质成分和结构发生改变来影响土的强度［２］。２）对变形性能的影响易富提出化学效应会对砂岩颗粒间产生影响，从而使得砂岩压缩性发生改变；杨永俊等人提出不同类型的盐渍土其吸水膨胀的起胀含水量不同。３）对渗透性及边坡稳定性的影响孙晓敏等人提出化学渗透与反渗透现象对低渗透性黏土地下水流动和溶质运移等有显著影响；李金伟提出水化学作用除了改变岩体矿物组织和微细观结构还可以使岩体本身产生溶蚀裂隙等现象从而导致土体坍塌。
１基本的物理化学作用
１．１物理作用
物理作用对岩土工程的影响有物理风化作用、地下水冲蚀作用、溶解作用和劈裂作用。１．１．１物理风化作用由于地表岩石受太阳辐射能的影响，发生干湿、冷热或冻融的长期反复交替作用，会引起岩石的机械破坏即物理风化作用。岩石受到风化作用结构发生变化，可能使岩石沿原有的裂隙发生破坏，也可能使岩石表面脱落，长期物理风化作用使岩石逐渐破碎、松散。总之经过长期的风化作用（包括物理风化、化学风化和生物风化）坚硬的岩石会变成松散的碎屑和土壤；当然土壤、碎屑也可以经过沉积再次变为岩石。１．１．２地下水冲蚀作用在地面以下存在着不同水位高度的地下水，地下水在重力作用下，只要有水头差就会发生流动，水透过土孔隙流动的现象被称为渗流，当水力坡降较小（但大于起始水力坡降）时地下水在土中的渗流为层流服从达西定律；但当渗流发生在砾类土或巨粒土中且水力坡降较大时，地下水的流动将不再服从达西定律，这是由于水在土中流动进入紊流状态，其水分子之间的传递效率远大于层流。紊流会对土体产生较大的冲蚀力，在砾类土或巨粒土中流动时会带走巨粒土中的细小颗粒从而使水流动面积增大，严重的还可能在土体内形成贯通的渗流通道，发生管涌现象，若形成管涌的位置上覆压力较大还可能导致地面塌陷。１．１．３溶解作用若地下水位以上的土体中存在可溶于水的盐或其他物质，当地下水位上涨时，土中可溶于水的物质与水接触发生溶解（只发生分子离子的扩散而形成溶液，不发生化学反应）使土中产生细小的充满水溶液的孔隙或裂缝；当地下水位下降时，一部分可溶性物质析出，但另一部分可溶性物质未析出，随着地下水位的下降而发生移动，使土中产生裂缝或孔隙。１．１．４劈裂作用在高压下向土内注浆时，由于不可压缩性浆液会挤入土体孔隙中，引起土体结构的破坏和撬动，使土体裂隙或孔隙张开，形成新的更大的裂隙或孔隙，为液浆注入产生更大的空间，同时压实了周围土体，从而提高土体强度，这就是土体的劈裂作用。
１．２化学作用
化学作用对岩土工程的影响主要有化学风化、离子反应和外加剂的作用。１．２．１化学风化岩石在二氧化碳气体、水溶液等物质的作用下，发生溶解（既包括分子离子的扩散也包括化学反应的发生）、水解、水化和氧化等一系列化学反应，不仅使岩石破碎还使岩石的物质成分发生改变，形成新的矿物，直接改变岩石的强度和变形性能［３］。１．２．２离子反应若处理不当或未经处理的实验室溶液直接排放到土壤当中，有可能会与土中的某些矿物发生离子反应（电解质在溶液里所发生的离子间的反应），从而形成新的盐类矿物并改变土中的矿物成分和土中的空间结构。有研究表明在不同ｐＨ值溶液中泡过的土，其ｃ、φ值也有所不同，这是因为在地基中存在盐酸等酸性溶液会发生如下反应ＣａＣＯ３＋２ＨＣｌ＝ＣａＣｌ２＋Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２（↑）反应中盐酸溶液中的氯离子与石灰石中的钙离子结合，碳酸根离子与氢离子结合从而产生水和二氧化碳气体，形成夹气土，土中孔隙增加、强度减小、可压缩性增大，并且由于孔隙的增大土的渗透性能也会变强（这并不是全部的反应类别，在酸性地基中还会发生碱与二氧化硅生成硅酸钠和水的反应等）。若此类反应发生在土坡边缘就会造成边坡稳定性降低，导致边坡可能在很小的扰动下就发生滑坡。１．２．３外加剂作用为了使混凝土达到更高的性能，更好的满足工程需求，混凝土中通常伴有外加剂的存在，例如为了提高强度，通常掺入减水剂以减少水用量提高灰水比，从而提高强度。在向岩体中注浆时或喷混支护时，在特殊的条件下也可能需要加入减水剂或其他混凝土外加剂。以减水剂为例，它的分子是一种非对称结构的分子，其亲水基位于分子表面，和水极易相溶，因此可达到减水的作用。其他外加剂也是如此，会促进或抑制化学反应的发生，从而达到实际工程所需的条件或要求。
２物理化学作用在工程中的应用
２．１隧道注浆
在隧道施工过程中，经常会遇到不良的地质体，对于穿越软弱、松散或富水地层的隧道及洞室，开挖时为了减渗、加固围岩、减小围岩变形，必须进行超前支护。目前，世界上所用到的方法通常为：锚杆、预切槽、冻结法、大管幕、大管棚、小导管注浆、全断面帷幕注浆、长孔搅拌注浆和水平旋喷等超前支护技术［４］。以注浆技术为例，尽管注浆的方式有所不同，但其原理和目的都是相同的，即利用高压将浆液注射到破碎的岩层、砂层和软石层的裂缝和孔隙之中，形成一个坚固的整体，缓解或阻止渗水现象，同时起到加固岩体，避免破碎岩石坠落。通常，隧道施工中使用注浆小导管，在开挖前先利用钻孔机在隧道壁钻孔，插入小导管，用高压泵将水泥浆液注入隧道壁内，由于高压注浆时浆液对岩体产生劈裂作用，岩体注浆一定范围内的裂缝被压缩孔隙被填充，岩石间的摩擦力增大；一定时间以后，注入岩体内的浆液开始初凝，并开始具有一定强度，使岩石之间存在一定的粘结力，且随时间延长强度逐渐增大粘结力随即增大，最后，将存在孔隙的岩石联系在一起，形成一个共同受力的完整体。然后进行钻孔、放炮，对隧道进行开挖。
２．２基坑支护
基坑开挖后，为保证地下结构施工和周围环境的安全，通常要对其侧壁进行支护，以防止发生基坑边坡滑坡、地面塌陷、或使周围建筑物发生不均匀沉降；对于一些不良地基或周边有对沉降严格要求的重要建筑的场地而言，甚至需要在基坑开挖前就先进行排桩支护再进行开挖。基坑支护选型时要考虑多种因素的影响，如土的性质、地下水位情况、基坑深度、施工季节、基坑平面尺寸和形状以及基础形式等，具体采取哪种支护方式则要根据不同的施工环境及要求具体判断。现仅以土钉墙为例说明物理化学作用在基坑支护上的影响：基坑开挖后根据土层的性状选用洛阳铲、螺旋钻、冲击钻、地质钻等方法进行成孔，成孔时应减小对孔壁的扰动，若扰动过大可能导致孔洞坍塌；若土层过于松散还可以采用水泥浆护壁成孔，水泥浆注入孔内发生凝硬反应，在孔壁内形成一个坚固的整体，为土层提供了支撑力，可有效防止松散土层因自重或小的扰动而造成孔壁坍塌；成孔结束后插入钢筋土钉并进行注浆（宜使用水灰比为０．５～０．５５的水泥浆或水灰比为０．４～０．４５的水泥砂浆；若采用钢管土钉则应注水泥浆，水灰比宜为０．５～０．６），注浆时浆液渗入土层中的缝隙中，将原来的孔隙充满，凝硬后使钢筋土钉、一定范围内的土体和浆液凝硬物紧密联系在一起，形成一个整体受力的抗拔体。土钉布置完后，应借助土钉将钢筋网片固定于基坑璧上，然后进行喷混，待混凝土凝硬后，混凝土、钢筋网片、土钉和墙后土体共同受力形成支护结构。
２．３地基处理
地基处理的目的就是改善地基土的各项指标，包括变形特性、渗透性、抗剪强度、抗液化能力等，使其满足工程需要。软弱地基处理的方法有很多种，如碾压夯实、换填垫层、排水固结、震密挤密、置换拌入和加筋等［５］。
３展望
岩土工程中遇到的物理化学问题不在少数，例如特殊土，一直是影响工程实践的重大因素，许多高校也在对盐渍土、湿陷性黄土和膨胀土等特殊土进行研究，并且有了丰富的成果，但物理化学的影响是复杂的，目前还没有彻底地、系统地总结出办法处理各类特殊土的方法。同时，污染土的处理也成了目前急需解决的一个问题：如何能处理好污染土，在改善其对环境影响的同时提高承载力，实现在污染土上建造绿色建筑。因此，在研究物理化学作用对岩土工程的影响上还有很长的路要走，建议未来在物理化学作用对岩土工程影响的研究和应对上还需要做到以下几点：建立系统的数据库，对不同地区、不同季节、不同类型的土在工程上的力学特性，以及在设计、施工过程中或使用期间出现的问题及原因进行统一记录，方便后人查阅和借鉴。应进行跨学科跨专业合作分析，工程实践中所涉及的如物理、化学、生物、力学等不同领域的问题，各领域专家应系统地协力进行分析，综合考虑各项因素对问题进行研究总结。完善计算机数值模拟技术，尽可能地将各项物理化学因素对岩土的影响考虑在内，以实现对现实工程情况最接近地模拟，从而保证工程质量和施工安全，并降低工程造价。
参考文献
［１］李黎，赵林毅，王金华，等．我国古代建筑中两种传统硅酸盐材料的物理力学特性研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１１，３０（１０）：２１２０－２１２７．
［２］姜洪涛，刘瑾，王媛，等．化学改性土的工程分类研究［Ｊ］．高校地质学报，２００９，１５（２）：２０６－２１２．
［３］隋秀艳，隋秀华．化学原理在岩土工程中的应用［Ｊ］．低温建筑技术，２００８（４）：１１１－１１２．
［４］刘钟，柳建国，张义，等．隧道全方位高压喷射注浆拱棚超前支护新技术［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００９，２８（１）：５９－６５．
［５］何昆，耿旭．ＨＴ浅析砂性土与黏性土地基处理方法［Ｊ］．建筑工程技术与设计，２０１５（７）：１７３７－１７３７．
作者：邢英兴 胡鹰 袁新顺 单位：中交武汉港湾工程设计研究院有限公司 海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室
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