灰土地基膨脹機(jī)理試驗(yàn)研究★

李小偉，彭麗娟，張森安，龍 照，何臘平

(1.甘肅中建市政工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.中建市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

1 概述

隨著國(guó)家“一帶一路”和西部大開發(fā)等戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)西北黃土地區(qū)工程建設(shè)越來越多。換填墊層法作為最為常用的地基處理方法，在我國(guó)已有近2 000 a的使用歷史。在我國(guó)西北地區(qū)，只要嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，采用換填墊層處理濕陷性黃土地基即可達(dá)到滿意的處理效果。這在非自重濕陷性黃土地基上尤為突出，并且在鹽漬土地基也可以達(dá)到同樣的處理效果[1]。對(duì)黃土狀土鹽漬土地基處理，常采用灰土對(duì)地基進(jìn)行換填處理[2]?；彝翍?yīng)用于建筑工程始于20世紀(jì)50年代，常用作地面工程、基礎(chǔ)工程墊層等。經(jīng)分層夯實(shí)形成的灰土地基具有一定強(qiáng)度、水穩(wěn)定性和抗?jié)B性，因其造價(jià)低、施工工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[3]。近年來，一些經(jīng)過灰土換填處理的建設(shè)工程在竣工后的幾年時(shí)間里，甚至是在建設(shè)過程中就不同程度的發(fā)生了地基膨脹病害，直接導(dǎo)致了工程上部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)等產(chǎn)生較大豎向變形，嚴(yán)重影響建筑物正常使用[4]。目前，灰土地基膨脹病害的頻繁發(fā)生已經(jīng)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

岳青孝通過對(duì)換填處理后的某住宅樓所出現(xiàn)的地基脹縮病害進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步分析地基鹽脹與建筑物基礎(chǔ)、基底壓力及氣候變化之間的關(guān)系，查明該地區(qū)灰土處理后的地基發(fā)生脹縮病害主要原因是由于拌合灰土中使用的黃土狀粉土鹽漬土發(fā)生鹽脹和沉陷。

駱軍等[5]通過試驗(yàn)對(duì)某機(jī)場(chǎng)航站樓灰土地基鼓脹現(xiàn)象進(jìn)行研究，試驗(yàn)研究表明，灰土地基物理力學(xué)性在溫度、水等外界因素的影響下發(fā)生變化，使土體發(fā)生膨脹變形，灰土地基膨脹主要原因是灰土中硫酸鹽鹽脹產(chǎn)生了膨脹性極大的鈣礬石和碳酸硅鈣石。

袁寧等[6]研究發(fā)現(xiàn)加入石灰可明顯增大土體中可溶性硫酸鹽的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，使土體具有膨脹性；土樣硫酸鹽含量隨Ca(OH)2和Mg(OH)2試劑的加入明顯增加，說明灰土硫酸鹽的增加主要因素是Ca(OH)2和Mg(OH)2。此外，通過在灰土中添加吸附、治理試劑進(jìn)行研究表明，沸石粉及生物鹽堿改良劑對(duì)灰土中硫酸鹽具有一定的治理作用。

劉彥輝等[7]通過一系列室內(nèi)試驗(yàn)分析研究了新疆省道201線克拉瑪依—榆樹溝段的碳酸鹽漬土膨脹性的影響因素，研究結(jié)果表明，深度的變化是影響該地區(qū)土樣的膨脹性變化的重要因素，在深度為25 cm～75 cm時(shí)膨脹率最大；同時(shí)，碳酸鹽漬土膨脹隨季節(jié)、溫度的變化影響較小，其含鹽量從0.5%增至2.0%時(shí)，碳酸鹽漬土膨脹率從10.0%增至22.5%。

史桃開等[8]系統(tǒng)研究了新疆地區(qū)出現(xiàn)的地基、路基鹽脹危害，認(rèn)為該地區(qū)影響鹽漬土地區(qū)的主要因素包括硫酸鈉含量的大小、密實(shí)度、黏土礦物含量、土中溫度的變化及含水率等幾個(gè)方面。鹽漬土地基產(chǎn)生鹽脹的外因包括土中溫度和濕度的變化，發(fā)生的鹽脹相對(duì)較為明顯的地帶在接近地表處，其土中溫度、濕度變化最大。影響鹽漬土地基鹽脹的必要條件是硫酸鈉的含量，土體鹽脹量的大小主要取決于硫酸鈉含量的多少。

劉厚健等[9]深入剖析了西部某變電所道路、地坪發(fā)生的裂縫、沉陷等現(xiàn)象，從施工及設(shè)計(jì)等多個(gè)方面尋找工程發(fā)生病害的影響因素。研究發(fā)現(xiàn)，施工質(zhì)量的嚴(yán)重不合格是產(chǎn)生這些次生病害的直接原因。

邱爽[10]以寧夏扶貧揚(yáng)黃灌溉工程的第四泵站為對(duì)象，對(duì)其鹽漬土的鹽脹規(guī)律及特性進(jìn)行了研究。進(jìn)行了單次降溫膨脹試驗(yàn)，研究表明，在含水量不變的情況下，試樣的膨脹變形隨溫度的降低、土的初始干密度的增大及土中硫酸鈉的含量的增加而增加。通過進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度引起水分遷移，鹽分隨著水分遷移到地表而產(chǎn)生鹽脹變形。

本文以蘭州文溯閣《四庫全書》藏書館工程為例，通過進(jìn)行地基土土常規(guī)試驗(yàn)、地基土易溶鹽含量試驗(yàn)、地基土膨脹性試驗(yàn)及地基土XRD衍射試驗(yàn)等一系列試驗(yàn)，分析灰土地基膨脹機(jī)理。

2 現(xiàn)狀調(diào)查

文溯閣《四庫全書》藏書館位于蘭州市九洲臺(tái)南麓原省委黨校綠化園中。項(xiàng)目場(chǎng)地原為黃土山峁經(jīng)填挖改造后的臺(tái)地上，屬半填半挖不均勻場(chǎng)地。經(jīng)甘肅省建設(shè)科技專家委員會(huì)巖土工程專家討論，確定采用預(yù)浸水加強(qiáng)夯法的方案對(duì)場(chǎng)地及地基進(jìn)行處理。

但在使用過程中，藏書館場(chǎng)地地表局部出現(xiàn)了沉陷和地表裂縫，于是對(duì)藏書館場(chǎng)地進(jìn)行排水系統(tǒng)改造、場(chǎng)地地坪及路面維修處理。

1)原有地溝治理措施為：將場(chǎng)地地溝拆除，地基處理深度向下加深，自下向上分別為200 mm厚素土墊層、300 mm厚質(zhì)量比3∶7灰土墊層和100 mm厚素混凝土墊層，地溝兩側(cè)用3∶7灰土分層夯實(shí)500 mm厚。

2)原有場(chǎng)地地坪治理為：清除了地坪下300 mm厚含水量過大的路基土，將現(xiàn)有路基土翻夯500 mm處理，上鋪300 mm厚質(zhì)量比3∶7灰土分兩層夯實(shí)，壓實(shí)系數(shù)均不小于0.95，然后新作220 mm厚C30混凝土路面。

處理后在使用過程中，藏書館室外地坪、道路等均出現(xiàn)不同程度的鼓脹。場(chǎng)地西側(cè)以接待樓前大墻、東側(cè)以藏書樓前大墻為界，該界限以北部分場(chǎng)地地坪及道路產(chǎn)生不同程度的鼓脹，導(dǎo)致地坪隆起、混凝土路面開裂、鍋爐房及車庫等散水翹起等，且冬天鼓脹明顯，夏天稍有回落現(xiàn)象；而界限以南區(qū)域基本未見地面的鼓脹破損等現(xiàn)象。

其中鼓脹比較典型的地段包括：

1)鍋爐房前路面鼓脹。該處路面鼓脹現(xiàn)象非常明顯，靠近鍋爐房一側(cè)路面最大隆起約8 cm，幾乎與路牙一般高，而靠近排水溝一側(cè)路面輕微隆起，在排水溝側(cè)面可見細(xì)小裂縫。路面混凝土基本完整，如圖1所示。

2)車庫前及左側(cè)地坪鼓脹。該處地坪鼓脹現(xiàn)象非常明顯，尤其是車庫左側(cè)地坪沿伸縮縫隆起約10 cm，混凝土路面被整體抬起。部分混凝土路面由于鼓脹而產(chǎn)生較寬裂縫。車庫前地坪隆起已影響到車庫的正常使用，地面的差異隆起已經(jīng)影響到地表的排水，如圖2所示。

3)配電室、車庫等散水的鼓脹。配電室前、車庫山墻散水鼓脹現(xiàn)象非常明顯，導(dǎo)致散水與路牙分離，差異隆起使散水之間形成錯(cuò)臺(tái)，可能導(dǎo)致雨水直接滲入錯(cuò)臺(tái)之間的裂縫，如圖3所示。

4)其他路面鼓脹。藏書樓及接待樓山墻右側(cè)部分道路已產(chǎn)生不同程度的鼓脹，路面被抬起，混凝土路面亦不同程度的開裂，如圖4所示。

3 試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本次檢測(cè)立足于調(diào)查與探查維修處理的回填土結(jié)構(gòu)，通過測(cè)試與試驗(yàn)，查明其物理力學(xué)性質(zhì)、回填材料礦物成分，分析其地面鼓脹病害的原因。分別采取藏書樓場(chǎng)地地坪及道路不同程度鼓脹的地基土進(jìn)行以下分析：

1)通過對(duì)探井開挖出的地基土進(jìn)行觀察描述，對(duì)三七灰土及以下地基土進(jìn)行現(xiàn)狀分析。

2)探井內(nèi)采取地基土試樣，對(duì)地基土易溶鹽含量、含水率、密度及孔隙比等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試分析。

3)對(duì)地基土進(jìn)行膨脹性試驗(yàn)分析。

4)對(duì)地基土進(jìn)行X衍射分析，探查三七灰土的礦物質(zhì)成分。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)取樣分析

本次檢測(cè)分別選取藏書樓場(chǎng)地地坪及道路不同鼓脹程度的區(qū)域5處開挖探井(見圖5)。

在5個(gè)探井內(nèi)分別取25組原狀樣及53組易溶鹽土樣。通過對(duì)探井內(nèi)地基土及所取土樣進(jìn)行觀察分析，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表1所示。

表1 易溶鹽土樣觀察分析統(tǒng)計(jì)表

通過分析結(jié)果可初步得出以下結(jié)論：

1)地基隆起量與灰土層厚度呈顯著正相關(guān)，灰土層厚度越大，隆起量越大。

2)地基隆起量與三七灰土中石灰的含量有一定關(guān)聯(lián)。其中石灰含量越少，石灰顆粒塊體越少，隆起量越小。

3)地基隆起量與回填拌合土的質(zhì)量有關(guān)。土質(zhì)均勻的回填拌合土能有效預(yù)防地基膨脹隆起。

4)通過對(duì)比分析，隆起不明顯的K05探井三七灰土厚度最小，石灰含量最少，無石灰粉末及石灰顆粒聚集現(xiàn)象，拌合土土質(zhì)亦較均勻。而鼓脹明顯的K01，K02，K03及K04探井無論是三七灰土厚度、石灰含量、拌合土質(zhì)量及灰土拌和均勻性均較K05探井有一定區(qū)別。

4 相關(guān)試驗(yàn)及膨脹機(jī)理分析

對(duì)所取土樣分別進(jìn)行地基土土常規(guī)試驗(yàn)、地基土易溶鹽含量試驗(yàn)、地基土膨脹性試驗(yàn)及地基土XRD衍射試驗(yàn)并分析。

4.1 地基土土常規(guī)試驗(yàn)

在5個(gè)探井內(nèi)共計(jì)取25組原狀樣進(jìn)行土常規(guī)試驗(yàn)，為便于分析，將地層劃分為三七灰土及以下地基土。試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 地基土物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

含水率隨深度變化見圖6。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：三七灰土質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于13.8%～42.7%，平均值為24.2%，濕度較大，最大飽和度達(dá)80%。其中K01及K03探井部分位置三七灰土含水量較大。三七灰土以下地基土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于12.3%～24.2%，平均值為15.8%，呈稍濕狀態(tài)。

孔隙比隨深度變化見圖7。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：三七灰土孔隙比介于0.639～1.629，平均值為1.051。三七灰土以下地基土孔隙比介于0.521～0.873，平均值為0.643，中密～密實(shí)。

壓縮系數(shù)隨深度變化見圖8。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：三七灰土壓縮系數(shù)介于0.14～0.94，平均值為0.45。三七灰土以下地基土壓縮系數(shù)介于0.06～0.18，平均值為0.11，屬低壓縮性土。

通過對(duì)比分析，鼓脹不明顯的K05探井三七灰土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.3%，孔隙比為0.653，壓縮系數(shù)為0.15，較鼓脹明顯的K01，K02，K03及K06探井三七灰土接近最優(yōu)含水率，孔隙比低，壓縮性低。

試驗(yàn)結(jié)果表明，地坪與道路的鼓脹主要地層為三七灰土層。

4.2 地基土易溶鹽含量試驗(yàn)

在5個(gè)探井內(nèi)采取的53組易溶鹽擾動(dòng)樣進(jìn)行地基土易溶鹽含量試驗(yàn)，并選擇9組石灰含量較高的三七灰土進(jìn)行易溶鹽含量試驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3，典型易溶鹽總量隨深度變化見圖9。

表3 地基土易溶鹽對(duì)比表

試驗(yàn)結(jié)果表明：三七灰土中易溶鹽總量約0.08%～0.94%，平均約0.29%，石灰粉末及石灰顆粒聚集的部位，易溶鹽總量約0.29%～1.01%，平均約0.57%，部分灰土已經(jīng)成為鹽漬土。僅K05探井中三七灰土中易溶鹽總量約為0.08%～0.10%，K06為0.09%～0.28%，為非鹽漬土。同時(shí)三七灰土以下地基土易容鹽總量均為0.07%～0.23%，平均約0.14%，為非鹽漬土。

4.3 地基土膨脹性試驗(yàn)

在探井內(nèi)取地基土原狀樣進(jìn)行無載荷膨脹試驗(yàn)和自由膨脹率試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖10,圖11所示。其中灰土是指各個(gè)探井內(nèi)灰土層實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

原狀地基土的無載荷膨脹率結(jié)果表明：

三七灰土的膨脹率介于0.00%～22.50%，平均值為6.89%，試驗(yàn)前質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為23.32%，試驗(yàn)后質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為28.52%。三七灰土以下地基土的膨脹率介于4.97%～24.31%，平均值為15.60%，試驗(yàn)前質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為15.06%，試驗(yàn)后質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為23.86%?？梢姮F(xiàn)狀地基土無載荷膨脹率均較低，即使含水量有較大提高，膨脹潛勢(shì)亦較小。

地基土碾細(xì)過0.5 mm曬烘干后的自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果表明：三七灰土及以下地基土的自由膨脹率介于1.63%～15.5%，均小于40%，根據(jù)GB 50112—2013膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范可以判定地基土為非膨脹土。

4.4 地基土XRD衍射礦物質(zhì)分析

于探井內(nèi)采取9件地基土擾動(dòng)樣，進(jìn)行X衍射分析。

1號(hào)試樣來自K04探井0.3 m處三七灰土。該試樣礦物質(zhì)成分較復(fù)雜，其中Na2SO4·10H2O即芒硝約占總質(zhì)量的13.64%。

3號(hào)試樣來自K02探井0.4 m處三七灰土，該試樣礦物質(zhì)成分較復(fù)雜，其中單鉀芒硝K2SO4約占總質(zhì)量的33.78%。

4號(hào)試樣來自K02探井0.6 m處三七灰土，該試樣礦物質(zhì)成分較復(fù)雜，其中Na2SO4·10H2O即芒硝約占總質(zhì)量的20.13%。

7號(hào)試樣來自K01探井0.5 m處三七灰土，該試樣礦物質(zhì)成分較復(fù)雜，其中CaO約占總質(zhì)量的17.10%，CaCO3約占總質(zhì)量的24.54%。

8號(hào)試樣來自K03探井0.3 m處，該試樣礦物質(zhì)成分較復(fù)雜，其中CuSO4·5H2O約占總質(zhì)量的13.10%。

5組三七灰土試樣中能使地基土膠結(jié)起來，使灰土有較高的強(qiáng)度和抗水性的硅酸鈣、鋁酸鈣以及鐵酸鈣等物質(zhì)幾無發(fā)現(xiàn)，僅于K01探井0.5 m處發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定CaCO3及少量CaO等成分，而CaO極易吸水膨脹，這可能與部分石灰未消解完全或是石灰中存在過燒石灰有一定關(guān)系。9組測(cè)試樣中有4組發(fā)現(xiàn)有硫酸易溶鹽的存在，主要為Na2SO4·10H2O，K2SO4及CuSO4·5H2O等，且含量較高。相關(guān)研究表明硫酸鹽漬土中含水量變化導(dǎo)致溶于土中孔隙中的鹽分濃縮并析出而結(jié)晶，產(chǎn)生體積膨脹。尤其無水Na2SO4，Na2SO4·10H2O及Na2SO4溶液之間的變化易造成地基土膨脹，尤其是冬季，由于溫度下降幅度較大，Na2SO4溶液析出產(chǎn)生大量結(jié)晶，理論上固相體積最大可增加4.18倍，使土體劇烈的松脹。

于K04，K02，K01及K03探井三七灰土內(nèi)撿取顆粒大于5 mm的石灰塊研磨成粉末后測(cè)定礦物質(zhì)成分。結(jié)果顯示，測(cè)試的石灰塊主要成分為CaPO3(OH)2H2O，CaSO4·2H2O等礦物，有效成分CaO，Ca(OH)2，CaCO3，MgO，Mg(OH)2及MgCO3等含量較小，CaPO3(OH)·2H2O等雜質(zhì)含量較多。且發(fā)現(xiàn)CaSO4·2H2O即石膏等礦物，該礦物具有輕微的吸水膨脹性。

5 結(jié)語

1)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及探井開挖顯示，灰土墊層膨脹導(dǎo)致場(chǎng)地地坪和道路鼓脹，地基鼓脹隆起量與灰土層厚度、石灰含量、石灰顆粒塊體含量及回填拌合土質(zhì)量呈顯著正相關(guān)。

2)檢測(cè)點(diǎn)的部分三七灰土，尤其石灰粉末、石灰顆粒聚集的部位，已經(jīng)鹽漬化，主要為弱～中硫酸、亞硫酸鹽漬土；而三七灰土以下地基土為非鹽漬土。

3)鼓脹區(qū)地基土自由膨脹率及地基土原狀樣的無荷載膨脹率均遠(yuǎn)小于40%，膨脹潛勢(shì)均較小，均為非膨脹土?；彝僚蛎泝H與灰土含水率、孔隙比、壓縮性等因素有關(guān)，其中越接近最優(yōu)含水率、孔隙比越低、壓縮性越低，灰土膨脹量越小。

4)灰土中Na2SO4·10H2O，K2SO4，CuSO4·5H2O等礦物成分含量較高。該類硫酸鹽因溫度降低或失去水分后，溶于土中孔隙中的鹽分濃縮并析出而結(jié)晶，產(chǎn)生體積膨脹。本場(chǎng)地冬天地坪及道路鼓脹明顯，夏天稍有回落現(xiàn)象與此有關(guān)。