淺談蘭州新區(qū)鹽漬土的鹽脹機理

張運

【摘要】本文結合蘭州新區(qū)某工程實例，通過對鹽漬土地基處理技術的綜合分析，進一步探討鹽漬土的處理方法，尋求更為科學合理的應對策略，為相關工程技術人員提供參考。

【關鍵詞】鹽漬土；地基處理

1、鹽漬土簡介及案例情況概述

鹽漬土是指含鹽量超過一定數(shù)量的土，廣義理解為包括鹽土和堿土在內的，以及不同鹽化、堿化土的統(tǒng)稱，當?shù)乇韺?.0m的厚度范圍內易融鹽的含量大于0.3%時稱鹽漬土。鹽漬土具有較強的吸濕、松脹、溶失及腐蝕等特性，土中常見的易融鹽有氯鹽、硫酸鹽和碳酸鹽。嚴重影響建筑的穩(wěn)定性和耐久性。

蘭州新區(qū)某工程，自2014年8月完工，10月交付業(yè)主使用后，在2015年1月加工車間內地坪小范圍發(fā)生鼓脹，施工單位將形變區(qū)域進行了返修，而與此同時在加工車間、金屬結構車間、裝配車間等區(qū)域也發(fā)生了不同程度的地面鼓脹，且部分區(qū)域經(jīng)返工處理后，返工部位再次發(fā)生形變，經(jīng)施工單位測量后發(fā)現(xiàn)，場坪部分區(qū)域產(chǎn)生了鼓脹，目前已影響了部分功能區(qū)域的正常運營。

2、場地地質概況

建筑物所在場地位于蘭州新區(qū)。地貌單元屬烏鞘嶺南坡的斷陷低地-秦王川盆地。場地原為耕地、林地及荒地。場地地形開闊、平坦。地勢整體呈東高西低、南高北低，最大高差9.29m，地勢起伏較大。氣象條件屬典型的溫帶半干旱大陸性氣候，四季分明，陽光充足，冬季寒冷干燥，春季多風少雨，年平均降水量300～350mm，年蒸發(fā)量1880mm；年日照量1744～2659小時，日照率60%；最大積雪厚度約14cm，標準凍土深度1.46m。

在勘察深度范圍內場地上部地層主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積碎屑沉積物，包括素填土，層厚0.4～3.2m；黃土狀粉土，累計層厚16.8～29.7m；粉砂層，累計層厚0.4～3.2m，圓礫層，累計層厚2.5～8.7m；下部地層主要為第三系強風化泥巖（砂礫巖）。

該場地地下水屬潛水類型，穩(wěn)定水位埋深26.7～36.0m，水位標高1890.10～1893.83m。地下水礦化度高，水質較差。水位隨季節(jié)變化，年變化幅度1～2m。

3、設計情況概述

該項目在進行地基處理時采用的是整片強夯法，鑒于濕陷性土層厚度為3～8米，強夯的高能量點夯采用4000kN·m的夯擊能量，低能量滿夯可采用2000kN·m的夯擊能量，點夯及滿夯各為至少兩遍，強夯對地基土的有效影響深度不應小于6米。

3.1 設備基礎部分地基處理

采用天然地基的設備基礎部分，以強夯后并消除表層7米濕陷性的地基作為持力層，地基承載力特征值不小于160KPa。基礎下應換填1.0米厚3：7灰土，分層壓實，分層厚度不大于300，壓實系數(shù)不小于0.95。

3.2 電動平車基礎處理

基礎下應換填1.5米厚3：7灰土，分層壓實，分層厚度不大于300，壓實系數(shù)不小于0.95。

3.3 地坪地基處理

車間地面為耐磨混凝土地面，混凝土表面撒3厚金屬骨料耐磨面層，做法詳05J909地45C，混凝土厚度改為200。

地面做法即為：

①200厚C25細石混凝土，強度達標后表面撒布金屬骨料，2～3厚金屬骨料耐磨面層，隨打隨抹光；②水泥漿一道（內摻建筑膠）；③60厚C15混凝土墊層；④150厚粒徑5～32卵石（碎石）灌M2.5混合砂漿振搗密實或3：7灰土；⑤素土夯實。

4、施工過程概述

該項目地基強夯工程在土建單位進場時已完成了相關內容的作業(yè)。

在設備基礎施工時，原設計3：7灰土換填深度為1.2米，在施工了部分設備基礎之后，發(fā)生圖紙變更，回填深度變更為1.0米，除此之外，我方皆嚴格依據(jù)設計圖紙進行施工。

電動平車基礎施工嚴格遵循設計及相關規(guī)范標準進行了施工。

地坪施工時根據(jù)LS-XQGY-JS-A2014-0327聯(lián)系單，將地坪做法變更為○1250厚C25細石混凝土，強度達標后表面撒布金屬骨料，2～3厚金屬骨料耐磨面層，隨打隨抹光；○2150厚粒徑5～32卵石（碎石）灌M2.5混合砂漿振搗密實或3：7灰土（實際施工中采用150厚3：7灰土進行回填）；○3素土夯實。

在施工過程中，我方從原材料的進場檢測，到施工過程的質量控制，以及質量批、分項工程、分部工程直至竣工驗收，均嚴格按照施工圖紙要求及工程施工質量驗收規(guī)范執(zhí)行，符合要求。

5、鼓脹原因排查

一般情況下，在蘭州及周邊地區(qū)地基或地坪施工質量出現(xiàn)問題時，將造成地基的沉陷，但本工程地坪出現(xiàn)了鼓脹現(xiàn)象，與以往出現(xiàn)的情況恰恰相反，且已經(jīng)影響部分功能區(qū)域的正常運行。因此我方分別從勘察、設計及施工過程質量控制三方面進行了排查。

原地勘報告中，對土的腐蝕性試驗結果顯示易溶鹽中各項指標中SO42-的含量為651～1704mg/kg，其含量較之我方施工的其它工程偏高；

設計根據(jù)該建筑物安全性、功能性等要求進行了設計，但并未對硫酸鹽含量偏高的情況進行針對性的設計或采取特殊處理措施；

施工過程中從原材料的進場檢測，到施工過程的質量控制及驗收均符合規(guī)范要求。

通過對上述三方面的排查，我方初步認為該工程地坪膨脹應當是由土壤中硫酸鹽過高造成的，為證實此種推測，我方委托蘭州理工大學土木實驗中心對該區(qū)域出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象的原因進行勘察、檢測和試驗論證分析，以求查明工程病害的原因并給出相應的處理建議。

6、破壞原因分析

通過對該場地原始地貌、施工過程進行分析探討并將該區(qū)域內土體開挖取樣帶至實驗室試驗檢測。

2016年5月蘭州理工大學土木實驗中心出具了《蘭州蘭石石油裝備工程有限責任公司加工車間地面鼓脹病害檢測報告》，報告中明確指出了土樣中的易溶鹽含量及其它成分遠高于蘭州市其他區(qū)域土質的含鹽量水平，且多個取樣點含鹽量遠超出國標《鹽漬土地區(qū)建筑技術規(guī)范》GB50942中關于鹽漬土的界定。

初步確定該項目硫酸鹽含量屬于鹽漬土范疇，地平膨脹是由鹽脹造成的。

硫酸鹽膨脹機理為土壤中的易溶鹽硫酸鈉、硫酸鎂隨土壤中含水量的變化以三種狀態(tài)存在。硫酸鈉：無水硫酸鈉、十水硫酸鈉、硫酸鈉溶液；硫酸鎂：無水硫酸鎂、MgSO4·nH2O（n=1，2，4，5，6，7）、硫酸鎂溶液。正是其隨含水量多少而變化造成膨脹。

同時，在換填過程中石消灰所含的鈣、鎂離子也與土壤中的鋁、硅離子形成鈣礬石和碳硫硅鈣石，其生成原理如下：

CaO+H2O=Ca（OH）2 （1）

Ca（OH）2=Ca2++2（OH）- （2）

Al2Si4O10（OH）2·n（H2O）+ 2（OH）- +10H2O

=2Al（OH）4-+4H4SiO4+ nH2O （3）

2H4SiO4=2H2SiO42-+2H+ （4）

5Ca2++6H3SiO4-+4OH-=Ca5（Si6O18H2）·4H2O+6H2O （5）

MxSO4·nH2O=XMY++ SiO42- nH2O （6）

6Ca2++2Al（OH）4-+4OH- +3（SO4）2-+26H2

O= Ca6[Al（OH）6]2·（SO4）3·26H2O （7）

Ca6[Al（OH）6]2·（SO4）3·26H2O+2H2SiO42-

+2CO32-+O2=Ca6[Si（OH）6]2·（SO4）2·（CO3）2

·24H2O+2Al（OH）4-+ SO42-+4OH-+2H2O （8）

鈣礬石無序排列的針狀結構將導致土壤的體積膨脹達到200%以上。

同時，從以下幾方面也得到印證：

（1）通過對鼓脹發(fā)生的時間段進行觀察和分析后，發(fā)現(xiàn)在冬季溫度較低時，鼓脹區(qū)域變化較為明顯。這基本符合鹽漬土鼓脹的規(guī)律。

（2）該地區(qū)降雨較少而蒸發(fā)量大，有利于土壤的鹽漬化。

（3）該地區(qū)在2003年《中華人民共和國區(qū)域地質調查報告 蘭州市副》中也被確定為鹽漬土地區(qū)。

（4）夯得越實，膨脹量越大。根據(jù)《鹽漬土地區(qū)建筑技術規(guī)范》第7.2.20條規(guī)定，強夯法和強夯置換法適用于處理鹽漬土中的碎石土、沙土、粉土和低塑性黏性土地基以及此類土組成的填土地基，不宜用于處理鹽脹性地基。

（5）廠房內所有換填使用的3：7灰土均為現(xiàn)場原土進行的拌合，灰土中所含的鈣、鎂離子，也為鹽漬土中硫酸鹽產(chǎn)生的鹽脹反應及鈣礬石和碳硫硅鈣石的生成提供了條件。

《工業(yè)建筑防腐設計規(guī)范》（GB50046-2008）4.7.2條第1款規(guī)定：當土中含有氫離子或硫酸根離子介質時，不應采用灰土墊層、石灰樁、灰土擠密樁等加固方法。

《鹽漬土地區(qū)建筑技術規(guī)范》（GB/T50942-2014）第5.4.7規(guī)定，硫酸鹽為主的環(huán)境下不宜采用灰土基礎、石灰樁、灰土樁等；

（6）且該工程地坪于2014年7、8月進行施工，該時期蘭州新區(qū)雨水較多，自彩板邊緣及天溝連接處流入的水進入土壤中。后又因冬季氣溫較低，造成廠房內暖氣管破裂，水流入地基土中。廠房散水周邊均未設置排水溝，綠化帶高于散水，自彩板流下的水進入綠化帶后滲入廠房地基土中，對土壤的含水量產(chǎn)生影響，為鹽脹提供了必要的條件。

結論：

綜上所述，該項目地坪鼓脹是由鹽漬土的鹽脹所導致。

根據(jù)理工大整治建議，可以有三種處理措施：

（1）挖除鹽漬土，回填其他合格土料；

（2）在有條件的情況下進行加載，抑制鹽脹，大約每米厚鹽漬土須重壓7～130kPa（視易溶鹽含量而變）；

（3）可在鹽漬土中加氯化鋇進行化學反應，使易溶鹽轉化成中溶鹽或難溶鹽，消除膨脹性。

第一種措施可行且可靠。第二種措施因廠房內已安裝設備并投入使用，實施難度大不宜采用。第三種措施因鹽漬土分布不均勻，加入氯化鋇進行化學反應，在摻量上不宜控制且面積過大。工程中應用應結合現(xiàn)場情況做相應調整為宜。

參考文獻：

[1]《工業(yè)建筑防腐設計規(guī)范》（GB50046-2008）

[2]《鹽漬土地區(qū)建筑技術規(guī)范》（GB/T50942-2014）