青海某地質(zhì)庫灰土固化鹽漬土膨脹性試驗研究

朱彥鵬,金永貴

(1.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050;2.西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心,甘肅 蘭州 730050)

Chatterj等[1]最早證明了硫酸鈉結(jié)晶會產(chǎn)生結(jié)晶壓力的結(jié)論。之后Rodriguez-Navarro等[2]研究表明,低含水量快速蒸發(fā)時,硫酸鈉溶液會同時析出無水硫酸鈉和十水硫酸鈉晶體,并且無水硫酸鈉的結(jié)晶也會對孔隙材料造成膨脹破壞。鹽分的結(jié)晶膨脹過程實際上是水、鹽和能量遷移轉(zhuǎn)化過程[3-4],現(xiàn)被廣泛認(rèn)同的關(guān)于硫酸鈉結(jié)晶膨脹對孔隙材料造成破壞的機(jī)理主要有硫酸鈉結(jié)晶壓力和水合壓力理論[5]。

黃曉波等[6]通過對比浸水和強(qiáng)夯工藝治理西北某機(jī)場鹽漬土地基的過程中得到了指導(dǎo)施工的控制參數(shù)。柴壽喜等[7]、耿恩朋[8]通過試驗得出在石灰固化氯鹽漬土后其強(qiáng)度會緩慢增長。周琦等[9]在濱海鹽漬土中摻加石灰、水泥、SH固化劑綜合處理后土體表現(xiàn)出良好的水穩(wěn)性和抗凍性。周永祥等[10]采用3種固化劑對鹽漬土進(jìn)行固化,結(jié)果表明用礦渣和粉煤灰取代部分水泥,隨后增加粉煤灰的比例可以連續(xù)降低固化土的干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)。吳愛紅等[11]在硫酸鹽漬土地基處理研究中發(fā)現(xiàn)壓實度不宜太高,滿足承載力要求時建議在90%～95%間取值。廖曉蘭等[12]研究表明利用丙烯酰胺原位聚合對鹽漬土進(jìn)行改良后試樣的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度大幅提高,耐水性能和收縮率也得到了明顯改善。張莎莎等[13]利用火山灰改良鹽漬土中發(fā)現(xiàn)摻加石灰或石灰+火山灰改良劑不僅可以減少礫砂類硫酸鹽漬土的鹽脹量,而且可以降低鹽脹敏感溫度區(qū)間。

呂擎峰等[14]在固化鹽漬土的水鹽遷移試驗中發(fā)現(xiàn)固化后硫酸鹽漬土不僅強(qiáng)度提高,同時可以阻滯鹽分。張莎莎等[15]等在影響粗粒硫酸鹽漬土鹽脹特性的敏感因素研究中發(fā)現(xiàn)易溶鹽對鹽脹率表現(xiàn)為促進(jìn)作用,水會因含鹽量不同而對鹽脹率的作用產(chǎn)生變化,荷載、易溶鹽與荷載的交互、易溶鹽與水的交互均對鹽脹量有一定的抑制作用,初始壓實度對鹽脹率有一定的促進(jìn)作用。曹亞鵬等[16]等在硫酸鹽漬土鹽脹特性試驗研究中發(fā)現(xiàn)含水率單次遞減條件下硫酸鹽漬土的起脹含鹽量約為1.2%。此外,含水率遞減速率與含鹽量呈負(fù)相關(guān)規(guī)律,同一含鹽量的硫酸鹽漬土,其含水率的遞減速率隨含水率的降低亦減慢。張佳興等[17]在硫酸鹽漬土水泥加固鹽脹抑制劑的研究中發(fā)現(xiàn)固化劑能夠有效提高加固土的抗膨脹性,降低強(qiáng)度的損失率。萬旭升等[18]針對硫酸鹽漬土的研究,表明在特定降溫速率下十水硫酸鈉晶體析出存在滯后性。呂擎峰等[19]在水玻璃固化硫酸鹽漬土強(qiáng)度特性及固化機(jī)理的研究中發(fā)現(xiàn)石灰含量小于8%時,石灰、粉煤灰、水玻璃聯(lián)合固化硫酸鹽漬土的抗壓和抗剪強(qiáng)度較石灰粉煤灰固化土有大幅度提升,固化土強(qiáng)度隨水玻璃濃度幾乎呈線性增長。

綜上所述,現(xiàn)有文獻(xiàn)對于硫酸鈉結(jié)晶及鹽漬土膨脹性研究較多,但針對石灰固化硫酸鹽漬地基土在經(jīng)歷長期不均勻降雨入滲后膨脹規(guī)律研究的較少。因此,我們依托青海省實物地質(zhì)資料庫地基治理項目,研究石灰固化鹽漬地基土經(jīng)歷長期不均勻入滲后膨脹性的變化規(guī)律,為地基膨脹原因分析提供依據(jù)。

1 工程概況

青海省實物地質(zhì)庫位于西寧市平安區(qū),一期項目于2014年3月開工,同年12月通過竣工驗收,包括4個單體項目:巖芯庫、化探樣品副樣庫、實驗分析樣品副樣庫及綜合辦公樓(見圖1)。2016年6月,上述各庫所在區(qū)域出現(xiàn)地基膨脹現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)地面隆脹開裂,導(dǎo)致場地內(nèi)混凝土路面開裂、脹起抬升、產(chǎn)生巨大裂縫、建筑外墻開裂、保溫板及墻皮脫落、室內(nèi)地坪膨脹增高、變壓器支架傾斜、內(nèi)墻開裂和傾斜,各樣品庫整體呈鍋底狀,巖芯庫柱膨脹量展開圖如圖2所示。

圖1 取土位置示意圖Fig.1 Soil extraction map

圖2 巖芯庫柱膨脹量展開圖(單位:mm)Fig.2 Developed view of drill core store column expansion (unit:mm)

2 膨脹試驗

2.1 試驗方案

為研究本地區(qū)土體膨脹性,膨脹試驗分為自由膨脹率試驗及不同級別荷載下膨脹率試驗,為每處土樣測試其密度并做電鏡掃描分析。為研究不同狀態(tài)土樣膨脹率的變化規(guī)律,在該地質(zhì)庫不同地點分別取樣,取樣位置如圖1所示。

2.2 試驗過程

試驗設(shè)備選用及操作過程嚴(yán)格按照水利部《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-1999)操作,具體詳見標(biāo)準(zhǔn)說明。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 不同位置土樣膨脹率大小

自由膨脹率及不同級別荷載下膨脹率試驗結(jié)果見表1,原狀鹽漬土自由膨脹率為2%,土樣化學(xué)成分試驗結(jié)果見表2,表1和表2中的土樣編號分別表示為:Y表示原狀樣;G表示巖芯庫地坪下中間干土樣;BS表示巖芯庫北側(cè)濕土樣;BJ表示巖芯庫東北角濕土樣;NS表示巖芯庫南側(cè)濕土樣。干土樣塊狀石灰化學(xué)成分分析結(jié)果為氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)72.63%,氧化鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%,其他成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)24.37%,氧化鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)未超過5%,為鈣質(zhì)石灰。

表1 土體密度及膨脹率試驗結(jié)果

表2 地基土易溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由表1可知,干土樣膨脹率最大,其自由膨脹率為12%,無荷載膨脹率為1.83%;其次為東北角濕土樣,自由膨脹率為7%,無荷載膨脹率為0.87%;再次為南側(cè)濕土樣,自由膨脹率為6%,無荷載膨脹率為0.68%;固化土中北側(cè)濕土樣膨脹率最小,自由膨脹率為4%,無荷載膨脹率為0.52%;上述各土樣隨荷載增大膨脹率均逐漸減小。

石灰固化地基土各處膨脹率也不同,即剩余膨脹潛力各異。首先是干土樣,由于位置處于地基中間,距入滲點較遠(yuǎn),滲入該處的水分很少或還未滲入。干土樣在施工完成至今,水分未增加,且因水分蒸發(fā)有部分逸散,含水率不增反減,本來施工時由于水分較高生成的十水硫酸鈉在逐漸失水過程中變成硫酸鈉晶體,體積減小。因此,干土樣膨脹起始點較低,土中硫酸鈉晶體較多,而十水硫酸鈉較少,試驗過程中無論自由膨脹率還是有荷載膨脹率試驗,在浸水后土中硫酸鈉全部吸水變成十水硫酸鈉,因此干土樣膨脹率最大。由土樣化學(xué)成分試驗可知,土干土樣中含有大量未熟化的生石灰,土樣浸水后氧化鈣熟化,放出大量的熱,且體積膨脹。以上二者共同構(gòu)成干土樣膨脹率最大的原因,即干土樣具有最大的剩余膨脹潛力。

3.2 不同級別荷載與土樣膨脹率關(guān)系

將各土樣膨脹率與荷載關(guān)系利用Origin繪圖軟件繪制如圖3所示。荷載與膨脹率折線圖見圖3(a),可以看出,隨上覆荷載的加大,各土樣膨脹率均減小,呈現(xiàn)出良好的負(fù)相關(guān)性,即荷載對土體膨脹產(chǎn)生了很好的抑制作用。

圖3 不同級別荷載下膨脹率試驗Fig.3 Expansion rate test at different levels of loads

荷載對不同土樣表現(xiàn)出不同的抑制速度。干土樣隨荷載的增大初始膨脹率減小最快,后期隨荷載增大呈線性減小。其首次加載膨脹率減小量占71.4%。其他3種濕土樣隨荷載增大其膨脹率減小速度較均勻,前期加載減小較快,后期較慢。其中南側(cè)與北側(cè)濕土樣在加載至25 kPa后,其膨脹性基本抑制,后期隨著荷載的繼續(xù)增大,其膨脹性減小較少。南北側(cè)土樣首次加載膨脹率減小量分別為58.3%與51.2%。東北角濕土樣首次加載膨脹率減小量占56.6%。由此可見初次加載對膨脹性抑制貢獻(xiàn)最大,均在50%以上,之后隨荷載的增大,對膨脹率的抑制貢獻(xiàn)減小。因此通過加載以抑制膨脹變形時,需考慮加荷成本及不同荷載的性價比,不能一味通過增大上部荷載來控制膨脹變形,應(yīng)當(dāng)通過不同的方法綜合治理。

利用Origin繪圖軟件對圖3(a)曲線進(jìn)行擬合,結(jié)果如3(b)所示。擬合表明,膨脹率與豎向荷載間的關(guān)系滿足公式

y=a·ebx,

其中:y為試樣不同級別荷載膨脹率(%);x為豎向荷載(kPa);a、b為回歸參數(shù)?；貧w參數(shù)值見表3,本次擬合效果良好,其相關(guān)系數(shù)均在0.96以上,依據(jù)該關(guān)系式,可對本場地不同位置土樣膨脹率進(jìn)行估算。

3.3 初始密度與土樣膨脹率關(guān)系討論

研究固化土初始密度的高低對膨脹性的影響,試驗結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,各級別荷載作用下雖然膨脹率大小各異,但均與初始密度表現(xiàn)出良好的相關(guān)性。隨著初始密度的增大,膨脹率表現(xiàn)出先減小再增大再減小的過程,在密度1.48 g/cm3處,膨脹率達(dá)到最小值。分析認(rèn)為在該圖曲線的3個變化過程中,每一過程均有4個方面因素綜合作用:十水硫酸鈉的結(jié)晶析出、氧化鈣的遇水熟化、土體中少量的蒙脫石(6%)的遇水膨脹和土體間的膠結(jié)作用。在這4種作用中,前3種促進(jìn)土體膨脹,后1種抑制土體膨脹,在這一矛盾關(guān)系的變化過程中不同因素在不同階段所起作用不同,共同組成了該地區(qū)土體膨脹程度的差異性。

表3 回歸參數(shù)取值

圖4 荷載與膨脹率關(guān)系曲線Fig.4 Load and expansion rate relationship curve

首先是第1階段。在該階段隨著密度的增大,膨脹率迅速減小,在密度1.48 g/cm3時膨脹率最小。該階段膨脹率的減小主要是十水硫酸鈉晶體析出位置的改變所致,變化過程如圖5所示。密度較小時,十水硫酸鈉主要析出位置在土粒接觸點間,而隨著密度的增大,十水硫酸鈉逐漸向土?？紫堕g轉(zhuǎn)變。此時密度較小,空隙較大,容納芒硝晶體的能力大,膨脹均被土體孔隙所吸收,未能對膨脹率的增大做出貢獻(xiàn),故該階段隨密度的增大,膨脹率減小,在密度1.48 g/cm3時膨脹率達(dá)到最小值。因此該變化階段十水硫酸鈉的結(jié)晶位置的轉(zhuǎn)移為主導(dǎo)因素,其他各因素處于次要位置,最終結(jié)果為隨密度增大膨脹率減小。

圖5 不同密度區(qū)間膨脹性產(chǎn)物析出位置變化Fig.5 Changes of the expansion product precipitation position at different density intervals

第2階段,膨脹率隨密度的增大呈增大趨勢。分析認(rèn)為,在該階段密度相較于第1階段有所增加,此時隨密度進(jìn)一步增加,空隙越來越少,能夠容納十水硫酸鈉晶體的空間變少。十水硫酸鈉晶體的繼續(xù)析出不能被顆粒空間吸收,體積的膨脹將增大土體顆粒間的距離,致使其膨脹率增大。在該階段,十水硫酸鈉的結(jié)晶析出、生石灰的熟化膨脹及蒙脫石等少量親水性礦物的遇水膨脹共同促成了土體膨脹率的增大,土體膠結(jié)對于膨脹性的抑制作用處于劣勢,最終結(jié)果為隨密度增加膨脹率增加。

第3階段中膨脹率隨密度的增大緩慢減小,該階段密度相較于第1階段和第2階段有較大幅度提高,此時土體變得緊密,土體間的膠結(jié)力逐漸大于各因素膨脹產(chǎn)生的膨脹力,故上述三者不能繼續(xù)使膨脹率增大。隨著密度的增大土體越來越密實,并且由于密度增大土體的透水性降低,進(jìn)入土體的水分減少,使得該密度區(qū)間里的硫酸鈉、生石灰、蒙脫石等不能全部遇水反應(yīng),減少了促進(jìn)膨脹率增大的因素,有效抑制了膨脹率的增大。部分發(fā)生反應(yīng)的十水硫酸鈉和熟石灰及蒙脫石由于體積增大,擠壓周圍土體使其變得更加密實,進(jìn)一步提高了土體之間的膠結(jié)力。而由于擠壓作用膨脹力消散,在此消彼長的過程中,膨脹率逐漸變小。因此在該階段,密度的增大使其膠結(jié)能力的增大處于主導(dǎo)地位,最終結(jié)果為隨著密度的增大,膨脹率減小。

上述變化過程中,硫酸鈉結(jié)晶位置的電鏡掃描試驗結(jié)果如圖6所示。由圖6(a)可知,密度較小時芒硝晶體分布于土粒接觸處,在密度較大時如圖6(b)所示,此時白色芒硝晶體分布于土體孔隙中;隨密度的進(jìn)一步增大(見圖6(c)),土體較為密實,晶體依然處于土體孔隙。密度增至1.56 g/cm3時(見圖6(d)),土體相當(dāng)密實,十水硫酸鈉均勻分布于土體各處。

在該地區(qū)土樣3個階段的變化過程中均表現(xiàn)出同一變化規(guī)律,在密度為1.48 g/cm3時膨脹率達(dá)到最小。因此在地基處理過程中,當(dāng)滿足承載力要求時,不宜盲目追求壓實度,而應(yīng)合理考慮土體膨脹率容納能力與密度的雙重關(guān)系,在該二者之間找出最合理密度區(qū)間,既滿足承載力要求,又不至于由于密度過高而減弱土體對膨脹率的容納能力。

圖6 電鏡掃描試驗結(jié)果Fig.6 Results of scanning electron microscope test

4 地基膨脹原因分析

通過對該地區(qū)地基土膨脹性的研究,綜合上述研究內(nèi)容分析該地區(qū)地基土的膨脹原因。根據(jù)建筑的變形現(xiàn)狀、土樣的試驗分析結(jié)果及開挖過程中的種種現(xiàn)象,對比廠區(qū)內(nèi)未產(chǎn)生隆脹的地基,分析得出隆脹原因主要有以下3個方面:

(1) 降雨入滲。根據(jù)對場地的踏勘,該場地排水方式為自流漫灌,缺乏有效的排水設(shè)施,地表水排泄不暢,大部分滲入地基。一方面地基鹽漬土吸水后產(chǎn)生膨脹,另一方面部分水分熟化了地基土中氧化鈣發(fā)生膨脹,進(jìn)而引起散水、地坪開裂,為地表水的入滲又打開了良好通道,使水更易侵入,進(jìn)而隆脹變形更加劇烈。

(2) 硫酸鈉遇水膨脹。由土樣化學(xué)成分可知雖然場地土含鹽量未超過1%,按照相關(guān)規(guī)范,可不考慮鹽脹性,但含鹽量小于1%或接近1%并不意味著一點不膨脹。根據(jù)已有試驗資料,鹽脹量不僅與含鹽量有關(guān),還與含水率、溫度、上覆荷載及鹽漬土層厚度等相關(guān),在含鹽量一定時,浸水越多、溫度變化越劇烈、上覆荷載越小,鹽漬土層越厚,鹽脹量越大。

(3) 氧化鈣遇水熟化膨脹?？v觀整個庫區(qū)發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)處的磚砌圍墻及路面未發(fā)生劇烈隆脹現(xiàn)象,而這幾處地基均未用灰土處理,由此看來只有灰土處理的地基才會發(fā)生嚴(yán)重的隆脹現(xiàn)象。

上述3個因素中,2個內(nèi)在因素對地基膨脹量貢獻(xiàn)并不相同。由于試驗條件限制,未能具體測出二者各占權(quán)重,但在自由膨脹率試驗中,原狀土含鹽量較大而膨脹率僅為2%,干土樣膨脹率為12%。干土樣中易溶鹽含量小于原狀土,而其膨脹率卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原狀土,若以石灰固化土的膨脹率減去原狀土的2%,剩余10%認(rèn)為是地基土中石灰遇水膨脹所致。由此粗略得到在地基膨脹量各因素所占比重,其中芒硝晶體的膨脹量貢獻(xiàn)值約為13%,氧化鈣熟化引起的膨脹量貢獻(xiàn)值約為87%。因此內(nèi)在因素中氧化鈣是主要因素,硫酸鈉是次要因素。

上述三因素所起作用各不相同。首先,地表水少量下滲引起部分散水及路面輕微膨脹,進(jìn)而產(chǎn)生小裂縫,雨水進(jìn)一步滲入加劇土體膨脹,部分水分用于氧化鈣熟化膨脹,部分用于硫酸鈉吸水膨脹,二者相互促進(jìn)使得地基變形進(jìn)一步增大,雨水更易進(jìn)入,如此惡性循環(huán),地基膨脹步步增大,最后散水破裂,路面隆脹不能正常使用。其相互關(guān)系如圖7所示。地基土在反復(fù)經(jīng)歷雨水滲透后滲透系數(shù)也逐漸增大,原本土中的硫酸鹽被雨水溶解部分帶入更深層土體,孔隙逐次增大,土中更深層未被溶解的硫酸鈉及未熟化氧化鈣均遇水發(fā)生反應(yīng)。并且由于水分的帶動,更深層土體含鹽量增大,在各層間存在高低不同的溶質(zhì)勢,使得水分更易進(jìn)入深層土體,加劇膨脹。該場地上部建筑荷載較小,不能遏制膨脹,因此在維護(hù)不當(dāng)?shù)那闆r下,經(jīng)歷雨季后,膨脹現(xiàn)象將激增。而距進(jìn)水點較遠(yuǎn)較深處暫未進(jìn)水,土體干燥,未

圖7 地基膨脹機(jī)理Fig.7 Foundation expansion mechanism

發(fā)生膨脹,因此整個場地呈鍋底狀,四周膨脹嚴(yán)重而中間未發(fā)生膨脹。

另外,該地區(qū)的自然環(huán)境與氣候條件對于地基膨脹也有較為重要的影響。當(dāng)?shù)馗稍锷儆?、夏季高溫、冬季寒冷的氣候特征使得鹽漬土中鹽分向地表積聚,造成土壤鹽漬化,土體產(chǎn)生鹽脹變形,對工程建設(shè)造成了損害。具體表現(xiàn)為夏季溫度較高,降水溶解土體鹽分并帶入更深層土體,隨著冬季來臨,溫度降低,一方面部分水分凍結(jié),產(chǎn)生凍脹;另一方面隨著溫度的降低,硫酸鈉溶解度降低,結(jié)晶析出的十水硫酸鈉增多,并且因水分的凍結(jié),土體自由水含量降低,能夠溶解硫酸鈉的水分進(jìn)一步減少,加劇芒硝晶體的析出,使膨脹加劇。凍結(jié)鋒面析出芒硝晶體較多,未凍結(jié)處較少,在上下層間形成溶質(zhì)梯度,水分及鹽分向凍結(jié)鋒面靠近,加劇土體膨脹。春天氣溫上升,部分土體回落,土質(zhì)變得疏松,更易發(fā)生工程事故,因此當(dāng)?shù)孛媾R著嚴(yán)峻的自然環(huán)境與氣候的影響。

5 結(jié)論

研究利用自由膨脹儀及固結(jié)儀對青海省實物地質(zhì)庫石灰固化鹽漬土地基進(jìn)行了膨脹率試驗,研究了初始密度與膨脹率間的規(guī)律,并分析了地基膨脹原因,得出了以下幾點結(jié)論:

(1) 不同級別荷載對于膨脹率抑制的貢獻(xiàn)不同,抑制速率不同,存在最佳抑制荷載,隨土樣上覆荷載的增大膨脹率逐漸減小,符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

(2) 隨著土體密度的增加,其膨脹率呈現(xiàn)出先減小后增大再緩慢減小的變化規(guī)律。

(3) 該地質(zhì)庫地基膨脹中水是外因,氧化鈣及硫酸鈉是內(nèi)因,內(nèi)因通過外因起作用,內(nèi)因中氧化鈣處于主要地位,硫酸鈉起輔助作用。外因是直接原因,內(nèi)因是前提條件,在內(nèi)外因素的共同作用下造成該地質(zhì)庫地基膨脹。