察爾汗鹽湖區(qū)含鹽地層橋涵基礎設計研究

雷曉峰

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

位于青海西部柴達木盆地的察爾汗鹽湖,是世界上最大的鹽湖。于1984年通車的西寧至格爾木鐵路是目前我國唯一一條穿越該鹽湖的鐵路,全線有32 km修建在鹽湖上。既有西格鐵路建設時,曾對鹽湖區(qū)橋涵設計建造的相關技術進行過一些試驗研究。西格線于2005年開工建設二線,此次在察爾汗鹽湖區(qū)增設了部分橋梁工點。在總結既有線相關設計、研究及施工經驗的基礎上,本次設計中對鹽湖區(qū)橋涵的結構形式、構造措施、防腐問題及鹽湖區(qū)橋涵的施工方法等進行了較為系統(tǒng)的研究,提出了相對可行的對策措施。

1 察爾汗鹽湖區(qū)自然地理及地質概況

察爾汗鹽湖是一個內陸湖,位于柴達木盆地的中南部,東西長150 km,南北寬30～40 km,面積約5 000 km2；高程2 670～2 680 m,地形平坦,四周高山相圍,濕空氣難以侵入。該地區(qū)歷年最高氣溫35.5 ℃,最低氣溫-28.4 ℃,最大日溫差達28.8 ℃；年平均相對濕度僅有28%,年均降水量25 mm,蒸發(fā)量高達3 561 mm,為降水量的140倍以上,是我國最為干旱少雨的地區(qū)之一。

察爾汗鹽湖為內陸封閉型高濃度近代鹽盆,由于干燥少雨、多風、溫差大,湖面受強烈蒸發(fā)作用結晶成鱗狀起伏的干硬鹽殼,厚0.2～0.6 m,因受大氣降塵影響呈土黃色。鹽殼以下為結晶鹽粒,部分化學弱膠結,巖芯呈松散～短柱狀,局部具明顯鹽溶現象,夾有粉質黏土及粉土薄層,具鹽晶礫質結構。鹽晶孔隙之間全部充滿鹵水,水位距地表0.2～0.8 m,礦化度一般為310～410 g/L,最大達440 g/L(飽和狀態(tài)),相對密度1.2～1.3。鐵路通過地段的最大鹽層厚度為17.7 m,巖鹽中氯化鈉的平均含量在70%以上,其他為氯化鎂和氯化鉀等。巖鹽強度隨鹽晶固結程度、孔隙率和含泥率的不同而變化很大,不受溶蝕影響的天然巖鹽強度遠大于一般土體。巖鹽底部地層以湖積的粉質黏土，淤泥質粉質黏土，粉土及細、中砂為主,這些土層組成第一層承壓水層,一般厚5～8 m,地下潛水礦化度50～294 g/L。

鹽湖以南至格爾木之間,有55 km的超氯鹽漬土及亞氯亞硫酸鹽漬土地段。超氯鹽漬土地段長22 km,地表1 m深度內平均含鹽量8.3%～37.6%(其中硫酸鹽含量為0.4%～1.5%),地表一般結成較堅硬的鹽殼,厚0.15～0.30 m(鹽殼含鹽量一般為40%～55%,最多達70%以上)。地表下3～5 m以砂黏土、黏砂土為主,下部則以粉細砂為主,多屬易液化地層,地下水深0.3～2 m,礦化度80～300 g/L。亞氯亞硫酸鹽漬土地段長約33 km,地表1 m深度內平均含鹽量為9.6%～24%(其中硫酸鹽含量超過2%)。地表一般有一層厚0.1～0.25 m的鹽殼,堅硬程度不一,其總含鹽量為40%～80%,屬氯鹽漬土,但其中硫酸鹽含量也較大,一般為4%～12%。在鹽殼以下的鹽漬土,一般總含鹽量小于5%,硫酸鹽含量小于2%。地表1 m范圍內的地層一般以黏砂土為主,再以下為砂黏土或黏砂土、粉細砂互層,地下水深0.5～4 m,礦化度一般為4～6 g/L。

以上這種含有巖鹽和鹽漬土的地層統(tǒng)稱為含鹽地層。

2 含鹽地層的主要特性

含鹽地層作為一類特殊的工程地質體,其工程性能具有易變性、各向異性以及凍脹性等特點。由于含鹽地層中含有易溶鹽,巖、土體的物理力學性質將會因環(huán)境因素如氣候、地下水和受力性質的改變而發(fā)生明顯變化。這必然會引起許多地基病害,危及建于其上的構筑物。

2.1 含鹽地層的特殊工程地質特性

含鹽地層與一般土一樣,也有固、液、氣三相,但土中含有鹽分,其中的難溶鹽類,由于始終呈固相,可看作土的顆粒部分；而其中的易溶鹽則會因為外界條件的改變而發(fā)生相態(tài)的變化,當土中含水量增加時,固態(tài)易溶鹽就會溶于水而變?yōu)橐簯B(tài),而當溫度升高,鹽的溶解度增加,也會導致固態(tài)的結晶鹽向液態(tài)溶液轉化。反之,當土中水分減少或溫度降低時,溶液中的鹽分就會重新從液態(tài)結晶轉化到固態(tài)。

含鹽地層中各種易溶鹽的性質各不相同,氯化物的溶解度大,有明顯吸濕性,結晶時體積不發(fā)生變化,能使冰點顯著降低；硫酸鹽沒有吸濕性,但在結晶時會結合水分子而使體積增大。在干旱氣候條件下,高礦化度的地下水會通過土壤的毛細作用從地下上升,水分蒸發(fā)后鹽類從溶液中結晶析出,在地表聚集。含鹽地層表層的含鹽量大,表層以下隨深度增加含鹽量相對減少。

2.2 含鹽地層的力學特性

在干燥狀態(tài)下,含鹽地層的力學性能較好,可以作為地基材料,但在浸水條件下,其力學性能迅速降低。含鹽地層的抗剪強度、抗壓強度及彈性模量隨含鹽量的增加而增加。巖鹽垂直于層理和平行于層理方向的單軸抗壓強度比為1.5∶1,含有軟弱夾層的巖鹽,主要是軟弱層對其單軸抗壓強度起決定作用。巖鹽的固結程度相差懸殊,在一些溶蝕強烈地段,鹽晶顆粒成散粒狀分布,粘結力很弱,單軸抗壓強度小于0.15 MPa；粘結力很強時,單軸抗壓強度大于5 MPa,破壞時出現晶內破斷的現象。

2.3 含鹽地層的不良地質現象

2.3.1 強腐蝕性

含鹽地層的腐蝕可以分為物理腐蝕、化學腐蝕及電化學腐蝕。物理腐蝕是指鹽溶液滲入混凝土等多孔材料內部,在溫度、濕度變化條件下,鹽類結晶膨脹而導致材料破壞?；瘜W腐蝕則主要是鹵水中的硫酸鹽等與水泥制品中的Ca(OH)2產生化學反應,導致混凝土體積膨大而開裂剝落。氯鹽的腐蝕屬于電化學腐蝕,氯離子的破壞主要表現為從混凝土表面逐漸擴散滲入混凝土內部,使鋼筋嚴重銹蝕破壞。

察爾汗鹽湖氣候極端干旱、溫差大、大風頻繁,除了幾乎達到飽和狀態(tài)的氯化鈉,鹽湖晶間鹵水還含有大量的侵蝕介質SO42-、Mg2+,所以結構物因以上幾種腐蝕而引起的破壞相當嚴重,特別是混凝土結構地面以上干濕交替變化區(qū)的破壞速度和破壞程度都很劇烈。

2.3.2 鹽溶

鹽溶按其形態(tài)可分為溶塘、溶溝與溶洞3種,溶洞是鹽溶的主要形態(tài)。鹽溶的形成主要是由于低礦化度承壓水滲入巖鹽層底部發(fā)生溶蝕的結果,當溶蝕貫通整個巖鹽層、洞口裸露于地表時,形成明洞。當溶蝕未貫通整個巖鹽層時,溶洞埋藏于鹽層內,形成鹽溶暗洞。由于鹽溶暗洞埋藏在鹽層內部,常規(guī)檢查難以發(fā)現,而且?guī)r鹽未經地質成巖作用,晶體之間聯結較弱,若不采取有效的防治措施,隨著低礦化度承壓水的滲入溶洞將不斷發(fā)展,洞頂鹽層厚度逐漸減小,當洞頂鹽層減小到一定厚度時將不足以支持上部結構自重和活載而發(fā)生坍塌,直接危及結構物的安全。

2.3.3 地表水溶蝕

1986年～1989年期間發(fā)生在鹽湖地區(qū)的特大洪水,使達布遜湖水水域面積迅速擴大,湖水礦化度降低,約20 km巖鹽路基遭受洪水危害,路基基底被溶蝕出許多大小不等的空洞,路基下沉,嚴重危及行車安全。因此,為了防止橋址區(qū)地基土被地表水溶蝕,必須研究結構物地基土防水溶蝕的技術措施,探求經濟可行的防水、隔水方式,防止洪水對整個橋址特別是基礎區(qū)土層的溶蝕,確保結構物的穩(wěn)定。

2.3.4 沉降與溶陷

含鹽地層浸水以后,由于所含鹽分的溶解,土體的壓縮性明顯增大。在自重及附加基底應力的作用之下,會產生類似于濕陷性黃土的壓密沉降。除了壓密沉降外,浸水使含鹽地層中的鹽類溶解還會產生更嚴重的附加溶陷。溶陷量的大小與浸水量、浸水時間、土中鹽的種類和含量以及土的類別有關。

2.3.5 鹽脹

含鹽地層中鹽類因溫度或濕度變化結晶膨脹的現象稱為鹽脹。很多鹽類在結晶時都有一定的膨脹性,比如硫酸鈉在結晶時可以吸收10個水分子而使體積達到原來的3倍。鹽脹主要對淺基礎和附屬結構如鋪砌護面等造成破壞。

3 含鹽地層橋涵基礎的主要設置原則

(1)鹽湖地區(qū)降雨量極小,幾乎不會形成大的地表逕流,所以一般情況下沒有必要設置用于排洪的橋涵。個別橋梁主要是因立交而設的公路跨越鐵路的跨線立交橋,涵洞主要是為一些穿越鐵路的管線而設的護涵,個別涵洞用來平衡鐵路路基兩側的水位。

(2)為了適應含鹽地層這種特殊的地基條件,橋梁一般宜選用小跨簡支結構或單孔箱形橋,以適應可能產生的較大的基礎沉降量。涵洞首選以不銹鋼制作的金屬波紋管涵。有立交需要且地下水位低的地方,可以少量采用一些建筑高度低、預制拼裝的鋼筋混凝土矩形涵洞。

(3)為了保證施工質量、減少施工期對巖鹽環(huán)境的破壞,應盡可能減少現場混凝土的澆筑量,可以采用預制拼裝技術。

(4)涵洞全部采用明挖基礎,如果基底巖鹽層及其以下的流塑狀土層總厚度小于3 m,可以將其全部挖除,以砂礫石換填；當鹽殼或巖鹽層厚度小于3 m,但其下有較厚的淤泥質粉質黏土層等承載力較低的土層時,可以采用擠密砂(碎石)樁加固地基,并將上部巖鹽層全部挖除換填；如果巖鹽層厚度大于3 m,為了防止鹽溶暗洞,提高地基承載能力,也采用擠密砂(碎石)樁加固地基。對于巖鹽內的溶洞,采用礫砂回填搗實,并用就地取材的地下飽和鹵水(晶間鹵水)拌和的泥漿灌注密實。

(5)位于鹽湖中部巖鹽較厚地層上的橋涵,由于地下水的礦化度很高,加之巖鹽下存在承壓水,所以不宜采用鉆孔灌注樁,主要以明挖擴大基礎為主。如果基底巖鹽層及其以下的軟弱土層總厚度小于3 m,可以將其全部挖除,以砂礫石換填。當基底以下巖鹽層厚度大于10 m時,采用擠密砂(碎石)樁加固地基。當基底以下巖鹽層厚度小于10 m且大于3 m時,可以在巖鹽層鉆孔,等穿透巖鹽層以后,再打入鋼管樁至硬土層,鋼管樁接鋼筋混凝土承臺。位于鹽湖邊緣的超氯鹽漬土及亞氯亞硫酸鹽漬土地段,在不穿透承壓水層的情況下,可以采用鉆孔灌注樁基礎,鉆孔樁樁徑不宜小于1.25 m。

(6)將明挖基礎及承臺的底面置于地下水常水位以下1 m左右,頂面高于水位1 m左右。

(7)為防止淡水侵蝕基礎附近地層,可在基礎四周15 m范圍內用黏性土填筑防護平臺,外圍邊坡頂至坡面鋪砌基底用土工合成材料(兩布一膜)作為封閉層,封閉層上用預制混凝土板鋪砌,筑成擋淡水的屏障,御淡水于橋梁結構基礎之外。

4 含鹽地層橋涵基礎的防腐措施

4.1 采用耐久混凝土

基礎混凝土采用耐久混凝土,耐久混凝土配制的基本原則包括：選用低水化熱和較低含堿量的水泥；選用高效減水劑,取用偏低的水膠比；限制混凝土中膠凝材料的用量,并盡可能降低膠凝材料中硅酸鹽水泥的用量；大比例摻加粉煤灰、硅粉、磨細高爐礦渣粉等礦物摻和料；適當采用引氣劑提高混凝土的耐久性,并嚴格控制原材料引入的氯離子總量?；A采用C50耐久混凝土,最大水膠比0.36,最小膠凝材料用量400 kg/m3,混凝土12周齡期氯離子擴散系數不大于1.5×10-12m2/s；附屬工程采用C45耐久混凝土,最大水膠比0.40,最小膠凝材料用量360 kg/m3。

4.2 設置合理的鋼筋保護層厚度

只有根據環(huán)境和結構合理確定鋼筋保護層厚度,才能有效地對鋼筋提供保護,增強結構的耐久性。承臺及明挖基礎鋼筋凈保護層最小厚度取90 mm,鉆孔樁鋼筋凈保護層最小厚度取100 mm。

4.3 混凝土結構防腐蝕的附加措施

(1)鋼筋阻銹劑：鋼筋阻銹劑是一種能抑制或延緩鋼筋電化學腐蝕的化學外加劑,混凝土中只要能夠保持必要濃度的阻銹劑,鋼筋就可以長期不銹。在基礎混凝土內摻加鋼筋阻銹劑,阻銹劑摻量為15 kg/m3。

(2)不銹鋼鋼筋：雖說環(huán)氧涂層鋼筋可以延長結構使用壽命,但其環(huán)氧涂層極易損傷,施工質量難以控制。所以在這種超強腐蝕環(huán)境中,可以采用不銹鋼鋼筋,比如奧氏體的304型和316型不銹鋼,具有良好的耐腐蝕性、低溫韌性、加工及焊接性能。

(3)混凝土表面防腐涂裝：先在明挖基礎或承臺的側面及頂面,涂刷滲透結晶型混凝土防水防護劑或進行硅烷浸漬處理,再進行混凝土保護涂裝的施工,涂裝層由3層組成,底層噴涂環(huán)氧樹脂封閉漆；中間層先刮涂環(huán)氧膩子,再噴涂300 μm厚的環(huán)氧樹脂漆；面層噴涂100 μm厚的聚氨酯磁漆；涂層總干膜平均厚度為400 μm。

(4)透水模板襯里：澆筑混凝土時采用帶透水襯里的模板,可消除混凝土表面的氣泡、砂線,減少表面裂縫,明顯改善混凝土保護層的施工質量,并使混凝土表層密實。在這種超強腐蝕區(qū),基礎側面應采用透水模板襯里施工。

(5)纖維混凝土：在混凝土中摻加聚丙烯纖維,能有效控制混凝土的裂紋,大大改善混凝土的防裂抗?jié)B性能。明挖基礎及承臺混凝土中摻加聚丙烯纖維,纖維細度18～20 μm,摻加量為0.9～1.2 kg/m3。

(6)硅烷浸漬：硅烷浸漬劑對高性能混凝土有著非常好的防護效果,吸水率下降50%,氯化物吸收量降低值大于91%,滲透深度達到4 mm以上。含鹽地層橋涵基礎的頂面及側面均采用硅烷浸漬處理。

4.4 混凝土結構的裂縫限制措施

采取措施嚴格控制混凝土結構的裂縫,延緩結構的腐蝕。比如承臺施工時棄用鋼筋混凝土套箱而改用鋼套箱,承臺混凝土由多次灌注改為一次灌注。冬季澆筑混凝土時,混凝土入模溫度不低于5 ℃；夏季混凝土入模溫度不宜高于氣溫且不超過30 ℃；當周圍大氣溫度與養(yǎng)護中的混凝土表面溫度之差超過20 ℃時,混凝土必須覆蓋保溫。為了減少混凝土表面的裂縫,除了設置受力鋼筋外,在主鋼筋保護層內距混凝土表面32 mm處再設置一層不銹鋼防裂網片。

4.5 鋼管樁的防腐

鋼管樁表面涂裝加強型3層環(huán)氧涂層,底層為厚度大于300 μm的重防腐型SEBF-6-1型涂料,中間層采用厚度大于300 μm的SEBF-6-2型環(huán)氧粉末涂層,面層采用厚度大于200 μm的SEBF-6-3涂層,3層總體涂層厚度大于800 μm。鋼管樁也可以采用不銹鋼鋼材制作。

5 巖鹽地層明挖擴大基礎施工實例

由于橋涵基礎大部分需要現澆施工,所以在巖鹽地層中如何保證基礎的施工質量至關重要。圖1為西格二線某跨線立交橋的基礎施工方案圖,基礎為明挖擴大基礎,地基采用擠密碎石樁加固。為防止施工期間鹵水對未凝固的混凝土造成破壞,碎石樁及墊層施工完成以后,將基坑內的鹵水抽干,在基底鋪設碾壓30 cm厚的瀝青混凝土隔離層,基礎周圍用30號石油瀝青浸漬普通磚砌筑一圈厚50 cm、高出地面0.5 m的護壁,護壁內側及基底用一氈兩油作為第一道防水層,然后在第一道防水層上噴涂2 mm厚的STAN02防腐抗?jié)B防護膜,最后澆筑基礎混凝土。基礎施工完且其防腐保護層及防腐涂裝施工好以后,再以C45纖維混凝土回填瀝青磚護壁與基礎、臺身之間的空隙。地面以上2 m至基頂范圍內的臺身在混凝土表面防腐涂裝層施工完以后再以30 cm厚的C45纖維混凝土包裹。

圖1 橋臺基礎施工方案(單位：cm)

6 含鹽地層中鉆孔灌注樁施工的關鍵技術

含鹽地層特別是巖鹽地層中鉆孔灌注樁施工的難點是成孔和灌注混凝土。如果在鉆孔過程中使用常規(guī)的淡水泥漿,將會使樁周含鹽地層中的結晶鹽粒溶化,從而無法保證成孔過程中的孔壁穩(wěn)定。采用水溶抑制性泥漿(如飽和鹽水泥漿或油基泥漿)可以避免以上問題,鋼護筒跟進工藝也能保證順利成孔。為了保證樁身混凝土的質量,在未達到設計強度以前,必須將灌注后的混凝土與樁周的土體和高礦化度地下水嚴格隔離,防止腐蝕介質滲入還未達到強度的樁身混凝土內。目前有一種裹體樁技術可以實現該目標,其主要方法就是在鋼筋籠外側套一層高強度防腐型土工布袋。裹體樁的關鍵技術是土工布袋的安裝。

7 結語

鹽湖區(qū)的含鹽地層是一類特殊的工程地質體,設計中必須根據具體的地層選用合適的基礎類型及地基加固處理方式。含鹽地層中混凝土結構和鋼結構的腐蝕十分嚴重,因此必須全面研究結構的防腐問題,制定各類基礎的綜合防腐蝕方案,延長其使用壽命。含鹽地層中的基礎施工不同于常規(guī)地區(qū),為了保證施工質量,需對各種基礎特別是鉆孔灌注樁的施工方法進行深入研究。

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