蘭州新區(qū)膨脹土調(diào)查分析

李 錦，馮炳超，楊映東，孔德政，袁 寧，高 萍

（甘肅省建筑科學研究院，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

近年來，蘭州新區(qū)中川機場、蘭石廠、舟曲中學等場地，竣工不久后室內(nèi)外地坪出現(xiàn)了較嚴重的膨脹鼓起現(xiàn)象，最大膨脹量超過了 20 cm。膨脹造成了水泥地坪大面積鼓起和開裂破損，使地坪失去了使用功能，造成了巨大的經(jīng)濟損失。如舟曲中學室外散水、地坪、操場等膨脹鼓起產(chǎn)生的治理費用約 3 600 萬，中川機場 T2航站樓地坪鼓起發(fā)生后，累計處理費用超過了1 000 萬，因此，蘭州新區(qū)灰土地基的膨脹是不可忽視的一個重要問題。新區(qū)舟曲中學膨脹土現(xiàn)狀及現(xiàn)場治理如圖1、 圖2所示。

圖1 蘭州新區(qū)舟曲中學灰土局部脹裂

圖2 蘭州新區(qū)舟曲中學膨脹土現(xiàn)場處理

目前對于灰土膨脹性的課題研究較少，主要的研究有駱軍等［1］分析得出了蘭州機場灰土膨脹是由硫酸鹽及鈣礬石引起。安海文［2］對西寧膨脹灰土分析得出了土體水分蒸發(fā)造成灰土地基鹽漬化是灰土地基膨脹的主要原因。本文通過調(diào)查研究分析了蘭州新區(qū)部分已膨脹灰土的膨脹現(xiàn)狀，并對舟曲中學膨脹灰土做了易溶鹽含量試驗。分析了已膨脹的灰土和該地點未膨脹素土的易溶鹽含量區(qū)別，對新區(qū)灰土的膨脹原因做了初步的研究探討。

1 蘭州新區(qū)地基原土易溶鹽含量

通過對蘭州新區(qū)原土易溶鹽試驗結(jié)果的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)蘭州新區(qū)地基土中硫酸根離子含量較高，很多場地硫酸根離子含量在 1 000 mg/kg 以上，局部達到 2 000 mg/kg以上，明顯高于蘭州其他地區(qū)。氯離子、易溶鹽總量也明顯高于蘭州其他地區(qū)，pH 值在 7.1～9.3 之間，按易溶鹽含量劃分，蘭州新區(qū)地基土為非鹽漬土或弱鹽漬土，僅局部夾中鹽漬土薄層，部分場地易溶鹽含量統(tǒng)計如表1所示。

2 蘭州新區(qū)舟曲中學膨脹調(diào)查及分析

蘭州新區(qū)舟曲中學為舟曲泥石流災后重建項目，于2012年9月建成投入使用，2015年陸續(xù)發(fā)現(xiàn)建筑周邊散水、操場、地面出現(xiàn)了膨脹鼓起現(xiàn)象，最大膨脹量達 28 cm，導致很多室外區(qū)域不能正常行走，給學校帶來了諸多不便。根據(jù)調(diào)查，發(fā)生膨脹的地段全為灰土墊層，素土回填區(qū)、原狀土區(qū)未發(fā)現(xiàn)膨脹。

2.1 蘭州舟曲中學已膨脹灰土易溶鹽試驗

本試驗在舟曲中學已膨脹的灰土地基場地中選取了 2 點 K1 和 K2，在這兩點進行探井取樣進行了易溶鹽分析。不同深度處土體易溶鹽含量如圖3和圖4所示。試驗結(jié)果如下。

1）膨脹土中局部 pH 值大大高于原狀土，OH-大幅增加，Ca2+、Mg2+、K++Na+、SO42-含量大大高于原狀土、局部易溶鹽總量大幅增加。

表1 蘭州新區(qū)場地土易溶鹽指標統(tǒng)計表

圖3 ZK1主要易溶鹽含量隨深度變化趨勢

圖4 ZK2主要易溶鹽含量隨深度變化趨勢

2）膨脹灰土中鹽分分布不均勻，4 個異常土樣中易溶鹽總量、Ca2+、Mg2+、K++Na+、SO42-、CO32-含量大大高于其他土樣，且淺部土體（0～0.5 m）的SO42-、Ca2-、K++Na+、CO32-含量和易溶鹽總量都明顯高于深部土體（主要離子含量見圖3、圖4）。這表明：①石灰和地基土混合后發(fā)生了系列物理化學反應［3］；②由于蘭州新區(qū)日照充足溫差大，蒸發(fā)量大，在毛細水的作用下下部土體中的鹽有向上遷移現(xiàn)象，鹽分遷移造成鹽份聚集于上部土體［4］。因此表層土體的鹽分普遍大于深部土體。

此外本文在新區(qū)舟曲中學周邊選取了 6 個地點的素土（未膨脹土）進行了易溶鹽試驗分析，并將素土主要易溶鹽和已膨脹灰土進行對比（見圖5）。

由對比分析可以得出：膨脹灰土中CO32-、SO42-、K++Na+和易溶鹽總量明顯大于場地原土。而硫酸鹽、碳酸鹽又具有膨脹性。因此表明，石灰的摻入導致土體中易溶鹽含量明顯增大。此外，石灰的摻入導致土壤堿性增強，pH 值升高。

2.2 蘭州新區(qū)原狀地基土和舟曲中學膨脹土易溶鹽對比

圖5 舟曲中學已膨脹土和素土各易溶鹽含量對比

本文通過對新區(qū)舟曲中學已膨脹土進行的易溶鹽試驗，發(fā)現(xiàn)舟曲中學已膨脹土體的 PH 值、SO42-、Ca2+、OH-、Na++K+、CO32-和易溶鹽總量明顯大于舟曲中學及蘭州新區(qū)其他場地的素土。而已膨脹灰土 HCO3-離子大幅減少甚至消失，Cl-增長不明顯，Mg2+含量基本沒變化。新區(qū)舟曲中學已膨脹地基土易溶鹽與其他場地素土易溶鹽含量對比如圖6所示。

圖6 新區(qū)地基土與舟曲中學膨脹灰土易溶鹽含量對比

3 蘭州中川機場T2航站樓膨脹病害調(diào)查分析

中川機場T2航站樓自 2013年7月完成地坪施工后，2013年12月T2航站樓行李分揀大廳、D 區(qū)遠機位候機廳、B 區(qū)行李提取大廳、1號變電室等區(qū)域均發(fā)生了地面鼓脹現(xiàn)象。病害發(fā)生后甲方組織施工分別于 2014年1月～8月、10月～11月及 12月進行了三次返工整治，三次整治后工程病害仍未得到根治，嚴重影響了機場的正常運營。

3.1 中川機場場地原狀土特性

1）中川機場 T2航站樓地基中存在鹽漬土夾層，且各處鹽漬土埋深不同，蘭州新區(qū)普遍分布有弱鹽漬土，其在平面、豎向分布上規(guī)律性較差。

2）中川機場T2航站樓地基土易溶鹽含量偏高，蘭州新區(qū)在 2003年被《中華人民共和國區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告-蘭州幅》劃定為鹽漬土地區(qū)。

3）場地原狀土會發(fā)生輕微膨脹，但不影響使用和造成病害。

3.2 中川機場膨脹土調(diào)查結(jié)論

1）取樣發(fā)現(xiàn)灰土全部鹽漬化了，即所有灰土已成為鹽漬土；鼓脹持續(xù)時間長，膨脹量很大。

2）灰土中的易溶鹽成分主要為硫酸鈉和硫酸鎂，為硫酸鹽鹽漬土，硫酸鈉起膨脹的主要作用［5-6］。

3）灰土鹽漬化的程度隨時間在變化，其易溶鹽含量和成分都有變化，尤其 SO42-變化劇烈，說明鹽類在持續(xù)發(fā)生位置遷移并持續(xù)發(fā)生化學反應。

4）鼓脹主要是由灰土所致。石灰和土拌合碾壓后出現(xiàn)高含量的硫酸鹽，檢測當時不能確定是石灰自身帶來的鹽還是石灰與土發(fā)生反應生成的鹽。

5）場地原狀土中存在弱鹽漬土，未發(fā)現(xiàn)原狀土膨脹鼓起現(xiàn)象。

4 蘭州新區(qū)蘭石廠膨脹現(xiàn)狀調(diào)查及分析

蘭州新區(qū)蘭石廠于 2012年開工，2013年建成投入使用，至 2014年，發(fā)現(xiàn)部分散水、室內(nèi)地面發(fā)生了較大的膨脹鼓起現(xiàn)象，最大膨脹量超過了 20 cm。根據(jù)調(diào)查，發(fā)生膨脹的均為灰土墊層；素土墊層、砂石墊層、原狀粉土均未發(fā)現(xiàn)膨脹；部分廠房室內(nèi)地坪也發(fā)生了較嚴重的膨脹；根據(jù)調(diào)查得到以下結(jié)論如表2所示。

表2 蘭石廠地基土膨脹現(xiàn)象及原因分析

5 結(jié) 論

1）蘭州新區(qū)地基原土大部分場地為非鹽漬土局部為弱鹽漬土，地基土含鹽量偏高，但原土未發(fā)生過膨脹現(xiàn)象。

2）近年來膨脹病害均發(fā)生在地坪下灰土墊層中，目前發(fā)現(xiàn)的膨脹發(fā)生在地坪、散水、地面下的灰土墊層中。這說明蘭州新區(qū)的原土和石灰結(jié)合后生成了膨脹性鹽。

3）蘭石廠、蘭州中川機場 T2航站樓室內(nèi)地坪發(fā)生了膨脹，舟曲中學、蘭石廠、火車站等場地室外地坪發(fā)生了膨脹，這說明氣候不是影響膨脹的主要因素，但蘭石廠室內(nèi)膨脹較室外稍輕微，說明氣候不是主因，但對膨脹有一定的影響。

4）通過對新區(qū)舟曲中學已膨脹土易溶鹽含量分析發(fā)現(xiàn)，已膨脹土體可溶性硫酸鹽、易溶鹽總量、Na+、K+和 pH 值都明顯高于舟曲中學素土含量。且已膨脹地基土鹽份含量隨深度的增加而減小，鹽份主要集中在上部，這和鹽份隨毛細水蒸發(fā)而在地基土表面析出結(jié)晶有很大關(guān)系。