硫酸及硫酸鹽污染地基引起建筑傾斜案例分析與探討

鐘志峰

（廣東省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

引起既有建筑傾斜的原因眾多，多數(shù)建筑傾斜從機(jī)理上可歸因于基底土軟弱不均，周邊施工基坑開挖或地下降水等造成地基差異性沉降[1-2]，而由硫酸及硫酸鹽污染引起地基土膨脹變形而導(dǎo)致建筑物傾斜的情況相對(duì)少見。硫酸及硫酸鹽對(duì)地基的腐蝕是多重綜合作用的結(jié)果，對(duì)其形成機(jī)理的研究上雖有少量案例可尋，目前尚未發(fā)現(xiàn)有很大的突破[3-4]。本文提供一個(gè)典型的化工廠房硫酸及硫酸鹽污染地基土引起傾斜的處理案例供參考。

1 工程概況

某化工廠房位于廣東省某地級(jí)市，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，總高度約22m，柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，圖1 為該廠房的軸網(wǎng)尺寸及三維模型。該廠房使用功能為麟肥生產(chǎn)混化合成車間，于1989 年建成，并分別于2010、2016 年經(jīng)歷兩次加固。第一次加固因發(fā)現(xiàn)廠房西面1/R×(1/5～7)軸范圍出現(xiàn)不均勻沉降，相應(yīng)位置墻面出現(xiàn)明顯的沉降裂縫，開挖后發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)連梁已斷裂，采用灌漿法地基加固及對(duì)基礎(chǔ)連梁進(jìn)行復(fù)原修補(bǔ)；第二次加固僅對(duì)二層及三層框架梁采用粘鋼板法加固。這兩次加固均未從根本原因?qū)用嫒胧?，花費(fèi)近百萬加固費(fèi)用而未見明顯效果。近年，該廠房西側(cè)1/R×(1/5～7)軸范圍“不均勻沉降”趨勢(shì)及墻面裂縫進(jìn)一步發(fā)展，8×1/R 柱上端屋面梁端及女兒墻開裂，且7 軸及7 軸以南部分出現(xiàn)明顯的朝東傾斜現(xiàn)象。

圖1 廠房框架軸網(wǎng)及三維模型

2 現(xiàn)場(chǎng)查勘與檢測(cè)

2.1 相對(duì)不均勻沉降趨勢(shì)的測(cè)量

以首層梁底為基準(zhǔn)面，采用電子水準(zhǔn)儀（倒測(cè)法）測(cè)量該廠房的相對(duì)不均勻沉降趨勢(shì)，測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)量結(jié)果詳見圖2，圖中各測(cè)點(diǎn)上的數(shù)值表示相對(duì)高差。結(jié)果表明：該廠房整體不均勻沉降趨勢(shì)為西高東低，其中圖2云線范圍內(nèi)相鄰柱位不均勻沉降差已超過20‰。

2.2 主體結(jié)構(gòu)變形測(cè)量

圖2“不均勻沉降趨勢(shì)”檢測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)條件，與圖2 測(cè)量范圍相對(duì)應(yīng)，采用全站儀對(duì)具備觀測(cè)條件的角點(diǎn)及柱位進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)變形測(cè)量，測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)量結(jié)果詳圖3。結(jié)果表明，該廠房整體傾斜方向?yàn)闁|向，最大傾斜率為7.9‰。

圖3 主體結(jié)構(gòu)變形測(cè)量

2.3 地基土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

由于該廠房地址勘察資料缺失，為了查明是否存在地基土軟弱不均造成不均勻沉降的可能，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件，本次標(biāo)貫檢測(cè)取7 個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中廠房西側(cè)2 個(gè)測(cè)點(diǎn)，東側(cè)5 個(gè)測(cè)點(diǎn)，總鉆進(jìn)深度為63.49m。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總見表1，標(biāo)貫結(jié)果表明，該廠房地基基礎(chǔ)持力層為密實(shí)狀態(tài)含礫黏土或風(fēng)化巖層，地基承載力特征值可達(dá)280kPa 及以上[5]，所有測(cè)點(diǎn)均未發(fā)現(xiàn)足以引起不均勻沉降的土層軟弱不均現(xiàn)象。同時(shí)所有測(cè)點(diǎn)內(nèi)未見地下水，表明該區(qū)域地下水埋深較深，可排除由于地下水原因造成的不均勻沉降。

表1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總

2.4 地基基礎(chǔ)開挖檢查

基于地基土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果未見可造成不均勻沉降的軟弱土層，與上述不均勻沉降檢測(cè)結(jié)果存在常理的不吻合，決定現(xiàn)場(chǎng)開挖個(gè)別基礎(chǔ)進(jìn)行驗(yàn)證。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開挖條件，選取該廠房東側(cè)兩個(gè)柱位在室外地坪側(cè)進(jìn)行開挖；開挖后基坑照片見圖4，開挖揭露基礎(chǔ)顯示，兩柱位基礎(chǔ)尺寸、型式、埋深與原設(shè)計(jì)基本相符，未見明顯的變位、開裂、腐蝕或損壞。

圖4 6×N 及8×N 柱位基礎(chǔ)開挖

2.5 持力層土樣化學(xué)成分分析

基礎(chǔ)開挖結(jié)果顯示，所開挖的兩個(gè)基礎(chǔ)均未受污染，在基礎(chǔ)開挖至持力層后，分別取1 個(gè)土樣（前者為土樣，后者為巖樣），進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室地基土化學(xué)成分分析，檢驗(yàn)土樣中CaO、MgO、SiO2、Fe2O3、Al2O3的含量，地基土化學(xué)成分分析表明，2 個(gè)土樣主要成分均以Si02為主，含量分別為92%與70%左右；CaO 含量極微，說明該地基巖層為石灰?guī)r的可能性極低，基本排除巖溶或土洞導(dǎo)致沉陷的可能；其余成分以Al2O3為主，分別達(dá)到4.6%與14%左右，Al2O3具備與酸反應(yīng)，生成相應(yīng)的酸根鹽結(jié)晶而引起地基土膨脹的條件。

3 廠房?jī)A斜原因分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)及查勘結(jié)果分析

根據(jù)本文2.1 不均勻沉降趨勢(shì)的檢測(cè)結(jié)果，該廠房東側(cè)與西側(cè)不均勻沉降差達(dá)到280mm～304mm，而該廠房東側(cè)（沉降值大）室外地坪及各墻腳未發(fā)現(xiàn)明顯的開裂及沉陷現(xiàn)象，相反，西側(cè)（沉降值?。┥喜拷Y(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯不均勻沉降趨勢(shì)造成的墻體開裂及框架梁開裂。據(jù)此推斷，該廠房?jī)A斜是由于西側(cè)局部基礎(chǔ)上抬引起，而該區(qū)域地坪明顯開裂隆起也為局部基礎(chǔ)上抬提供依據(jù)，見圖5。

圖5 地坪隆起開裂

3.2 地基及基礎(chǔ)開挖結(jié)果分析

地基土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果顯示，7 個(gè)測(cè)點(diǎn)推定出的持力層地基承載力高，且沿深度方向的標(biāo)貫擊數(shù)表明，所有測(cè)點(diǎn)均未發(fā)現(xiàn)足以引起不均勻沉降的土層軟弱不均現(xiàn)象，同時(shí)基礎(chǔ)開挖揭露結(jié)果對(duì)此又進(jìn)一步的驗(yàn)證，而持力層土樣化學(xué)成分分析結(jié)果也排除了由于巖溶或土洞導(dǎo)致沉陷的可能。

3.3 磷肥生產(chǎn)工藝流程分析

根據(jù)與業(yè)主方工藝負(fù)責(zé)人提供的工藝流程，該廠房?jī)?nèi)發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)為：

其中Ca5(PO4)3F 為磷礦主要成分，H2SO4由現(xiàn)場(chǎng)的硫酸罐供應(yīng)，其反應(yīng)生成的Ca(H2PO4)2是磷肥的主要成分，同時(shí)生成無水硫酸鈣CaSO4。根據(jù)相關(guān)研究表明，硫酸鈣結(jié)晶可成為地基土膨脹造成房屋傾斜的主要原因[3-4、9]。

3.4 硫酸及硫酸鹽下滲污染的條件

硫酸罐坐落于廠房西側(cè)（膨脹側(cè)），見圖6，該側(cè)地坪未做防滲措施，結(jié)合該廠房存在硫酸長(zhǎng)期泄漏及磷礦生產(chǎn)過程中硫酸鈣粉塵污染較為嚴(yán)重的客觀現(xiàn)象，可以推斷硫酸鈣粉塵及硫酸長(zhǎng)期下滲污染地基土，是造成地基膨脹的主要因素，同時(shí)原地基持力層土染中含量較高的Al2O3成分也具備跟硫酸反應(yīng)生成硫酸鋁鹽結(jié)晶膨脹的條件。該廠房東側(cè)（未膨脹側(cè)）具有完整的耐酸混凝土地坪保護(hù)，污染物不存在下滲條件，所以東側(cè)地基未見膨脹。

圖6 廠房西側(cè)地坪硫酸罐

4 上部結(jié)構(gòu)結(jié)算分析

在查明該廠房?jī)A斜原因的同時(shí)，對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算軟件為中國(guó)建筑科學(xué)院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件PKPM V5.1.2 的SAT 模塊，計(jì)算混凝土強(qiáng)度及鋼筋配置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆芯檢測(cè)及掃描結(jié)果，其余參數(shù)根據(jù)原有設(shè)計(jì)資料。

4.1 不均勻沉降反應(yīng)計(jì)算分析

在結(jié)構(gòu)模型中將實(shí)測(cè)的不均勻沉降產(chǎn)生的支座位移輸入相應(yīng)柱位，對(duì)支座位移工況作用下的產(chǎn)生的水平位移切片，圖7 為7 軸位移切片結(jié)果，對(duì)比上部結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)水平位移，可得僅在支座位移工況作用下，上部結(jié)構(gòu)的水平位移趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相吻合。

圖7 支座位移工況下7 軸的水平位移切片

4.2 上部結(jié)構(gòu)梁柱承載力驗(yàn)算

上部結(jié)構(gòu)梁柱承載力驗(yàn)算結(jié)果顯示，該廠房未加固的框架柱柱端體積配箍率均不滿足要求[6]，除此外其余驗(yàn)算項(xiàng)均滿足承載力與現(xiàn)行規(guī)范要求。

5 地基處理及加固方案

該地基持力層為密實(shí)含礫黏土層或風(fēng)化巖，土質(zhì)硬，承載力高，若采用迫降法[7]施工難度大，風(fēng)險(xiǎn)高；而該廠房?jī)A斜又是由于局部膨脹引起的，如若為了適應(yīng)局部膨脹的高度而進(jìn)行全面頂升[7]，造價(jià)高，且頂升后膨脹的本質(zhì)問題還未真正解決。結(jié)合該廠房已使用30 余年且先后經(jīng)歷過兩次加固，業(yè)主方對(duì)后續(xù)使用年限要求不高的實(shí)際情況，決定不采用糾偏手段，而采用以下較為經(jīng)濟(jì)可行的處理方案：

⑴對(duì)出現(xiàn)膨脹趨勢(shì)柱位基底以上的回填土進(jìn)行換土處理，并做耐酸混凝土地坪；

⑵對(duì)圖2 云線范圍內(nèi)相鄰柱位不均勻沉降超過20‰梁端切斷后調(diào)平重新連接，此部分為單層，切斷梁不影響整體結(jié)構(gòu)；

⑶對(duì)廠房發(fā)生傾斜南側(cè)1/5～8 軸范圍內(nèi)體積配箍率不滿足規(guī)范要求的框架柱上下端繞絲法加固[8]，以提高框架柱位移延性，以此作為第二道防線；

⑷在采取上述措施后，觀察使用（定期沉降觀測(cè)）。

6 結(jié)語

⑴硫酸及硫酸鹽污染導(dǎo)致房屋傾斜的原因在于硫酸鹽結(jié)晶體積增大引起地基土膨脹。

⑵對(duì)于房屋傾斜的原因分析應(yīng)建立在對(duì)房屋使用歷史，周邊環(huán)境及現(xiàn)有地質(zhì)情況有較充分的了解后方能“對(duì)癥下藥”，盲目處理與加固，不僅浪費(fèi)投資，還為房屋安全留下隱患；

⑶對(duì)于發(fā)生傾斜的既有建筑，解決手段未必只有糾偏（迫降或頂升），當(dāng)傾斜程度未致上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)裂縫或產(chǎn)生不適合繼續(xù)承載的變形時(shí)，若能采取措施，阻止傾斜進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)后續(xù)使用年限要求不高的建筑，也未嘗不是一個(gè)解決辦法。