察爾汗鹽湖地區(qū)鹽漬土工程地質(zhì)特征及地基處理

代紅娟，付玉濤

1.山東公路技師學(xué)院，山東 濟(jì)南 250104；2.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院， 山東 濟(jì)南 250102

0 引言

鹽漬土是一種含有大量易溶鹽的特殊巖土，是氣體、液體、土體、易溶鹽體的四相體，有溶陷性、鹽脹性、腐蝕性等工程特性[1-2]，與普通土的三相體不同，鹽漬土嚴(yán)重影響工程的質(zhì)量，對工程建設(shè)造成較大危害。研究鹽漬土的工程地質(zhì)特性，分析鹽漬土地基的有效處理方法，對降低工程建設(shè)成本，延長公路使用壽命具有重要的實(shí)踐意義[3-6]。鹽湖區(qū)地基主要采用換填、拋石擠淤、預(yù)壓、沖擊碾壓、強(qiáng)夯、強(qiáng)夯置換、礫石樁等方法進(jìn)行處理，取得了較好的處理效果，而沉管樁、預(yù)制樁、鉆孔灌注樁、水泥粉煤灰碎石樁、夯實(shí)水泥土樁、水泥土攪拌法因未解決水泥、鋼筋和混凝土的耐腐蝕性而被淘汰。

為解決鹽漬土對路基的溶陷性、鹽脹性、腐蝕性等問題，本文在分析鹽漬土物理力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，探討處理鹽湖地區(qū)鹽漬土地基的裹體樁、袋裝混凝土灌注樁、引孔防腐預(yù)制樁等地基處理方法和新工藝，并通過多種試驗(yàn)方法檢驗(yàn)采用新技術(shù)處理鹽漬土地基的效果。

1 鹽湖區(qū)地形地貌及水文地質(zhì)條件

察爾汗鹽湖是我國西北部最大的天然鹽湖，位于青海省柴達(dá)木盆地中南部格爾木市和都蘭縣，由達(dá)布遜湖及南霍布遜、北霍布遜、澀聶等鹽池匯聚而成，總面積為5856 km2[1]，鹽湖區(qū)地表鹽殼易溶鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過90%。察爾汗鹽湖是柴達(dá)木盆地內(nèi)最低洼、最核心的鹽盆地，匯水區(qū)面積為13.2萬km2，海拔2675 m以上，南北兩側(cè)山系海拔均在4500～5000 m以上，南部為昆侖山脈，北部為錫鐵山，東西兩側(cè)為海拔較高的緩坡地形[6]。鹽湖區(qū)為北西西走向鹽積平原，主要以干鹽灘為主，上部形成鹽殼，地勢較平坦。鹽湖區(qū)地貌可劃分為鹽漠、鹽殼、鹽沼澤、鹽溶、湖泊、雅丹、沙丘、戈壁、沙漠等形式，地貌類型較豐富，察爾汗-格爾木高速(簡稱察格高速)穿越湖區(qū)地貌類型主要為鹽沼澤、鹽殼、鹽溶等[7]。

湖區(qū)內(nèi)部地表主要為第四系沉積物，自湖中心向外緣依次為全新統(tǒng)鹽類沉積、上更新統(tǒng)-全新統(tǒng)湖相砂質(zhì)黏土和上更新統(tǒng)洪積砂礫石，局部還有全新統(tǒng)風(fēng)積砂分布，在山前地帶出露中更新統(tǒng)湖積砂質(zhì)泥巖、下更新統(tǒng)湖積砂質(zhì)泥巖、砂巖及第三系紅色泥巖、砂礫巖等，在鹽湖中部為新生代強(qiáng)烈沉降區(qū)，堆積巨厚狀碎屑沉積物，湖區(qū)第四系厚約2500 m左右。

湖區(qū)鹽層內(nèi)賦存鹵水，為孔隙性潛水，水位埋深0.3～1.0 m，距地表2～5 m為承壓鹵水，項目區(qū)礦化度為316～410 g/L，水化學(xué)類型為氯化物型水，鹽層中鹽晶體間有孔隙，孔隙間連通性較好，巖心中有蜂窩狀孔隙，孔隙度為15%～35%。鹽層晶間鹵水的主要補(bǔ)給來源是大氣降水滲入、外圍松散層孔隙水的側(cè)向補(bǔ)給、來自下部的越流補(bǔ)給及湖泊間湖水補(bǔ)給，天然條件下晶間鹵水的主要排泄方式為蒸發(fā)和流向湖泊[8]。

2 鹽漬土工程特性評價

2.1 鹽漬土分類及腐蝕性評價

察格高速穿越的鹽湖區(qū)表層為鹽殼，易溶鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～90%，隨著距地表深度的增加，易溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)遞減，距地表10～15 m易溶鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小為5%～15%，深層土體易溶鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為1%～6%[9]。20 m鉆孔深度范圍內(nèi)易溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 20 m鉆孔深度范圍內(nèi)易溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知：鹽湖區(qū)距地表20 m深度內(nèi)，易溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.10%～89.66%，CL-與SO42-的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為27.57～172.29，根據(jù)文獻(xiàn)[10]判定鹽湖區(qū)為氯鹽型強(qiáng)鹽漬土—過鹽漬土。

根據(jù)文獻(xiàn)[11-12]分別評價混凝土結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性，根據(jù)地基處理深度范圍及基礎(chǔ)埋深，僅統(tǒng)計10 m內(nèi)的腐蝕性評價結(jié)果，如表2、3所示。鹽漬土的pH=4.8～6.2，根據(jù)pH值可判定鹽漬土對混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土、素混凝土、磚砌體的腐蝕性。

表2 離子對混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋的腐蝕性評價

表3 不同離子對不同結(jié)構(gòu)的腐蝕性評價

由表2結(jié)果可知：鹽漬土對混凝土結(jié)構(gòu)有微—弱腐蝕性，對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋有中—強(qiáng)腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性。

由表3可知：鹽漬土對鋼筋混凝土、素混凝土及磚砌體在不同環(huán)境狀態(tài)下具有弱、中、強(qiáng)的腐蝕性，鹽漬土對磚、水泥、石灰的腐蝕性為微腐蝕性—強(qiáng)腐蝕性[10]，故在地基處理中根據(jù)腐蝕等級不同，合理選用地基處理方法，對鋼筋采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

2.2 鹽漬土物理力學(xué)性質(zhì)

鹽湖區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)和更新統(tǒng)地層，巖性主要以低液限粉質(zhì)黏土、黏土、含砂粉土及砂類土組成[13]。粉質(zhì)黏土、含砂粉土的主要物理性質(zhì)指標(biāo)如表4、5所示。含砂粉土中的顆粒粒徑為0.075～2.000 mm、>0.075～0.002 mm、<0.002 mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為40.80%、52.89%、6.31%。

表4 粉質(zhì)黏土的主要物理性質(zhì)

表5 含砂粉土的主要物理性質(zhì)

由表4、5可知：低液限粉質(zhì)黏土為流塑—硬塑狀態(tài)，有中—高壓縮性，是中等靈敏—靈敏土，有觸變性，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和孔隙比均較大，場區(qū)部分土判定為飽和軟黏土。根據(jù)文獻(xiàn)[14]可判定為含砂粉土，有中壓縮性，壓縮模量較黏性土高，承載力也相應(yīng)較高。

2.2.1 鹽漬土溶陷性

進(jìn)行現(xiàn)場浸水載荷試驗(yàn)或室內(nèi)壓縮試驗(yàn)后計算溶陷系數(shù)[15]。通過試驗(yàn)段發(fā)現(xiàn)，溶陷系數(shù)δ=0.001～0.038，存在非溶陷性土和溶陷性土，非溶陷性土主要分布在軟塑至流塑的飽和軟黏土場區(qū)內(nèi)，場區(qū)最大溶陷為38.9 cm，地基的溶陷等級為Ⅱ級，鹽湖區(qū)存在溶陷性土并應(yīng)考慮地基的溶陷性。

2.2.2 鹽漬土鹽脹性

發(fā)生鹽脹的主要原因是鹽漬土中Na2SO4在環(huán)境溫度、濕度發(fā)生變化時結(jié)晶，導(dǎo)致鹽漬土體積膨脹[16-18]。由表1可知，SO42-平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.692%，因地下水較淺，Na2SO4沒有結(jié)晶狀態(tài)，故鹽湖區(qū)鹽漬土可不考慮鹽脹性。

3 地基處理方法

3.1 地基處理方法對比

處理鹽湖鹽漬土地基主要考慮減少鹽漬土造成的溶陷性和腐蝕性損壞。鹽湖地區(qū)地基承載力為60～122 kPa，地基承載力較低，屬于軟弱土，但其物理力學(xué)性質(zhì)有別于一般軟土，需對地基采用特殊處理方法。

處理鹽湖地區(qū)地基主要有換填、拋石擠淤、預(yù)壓、沖擊碾壓、強(qiáng)夯、強(qiáng)夯置換、礫石樁等方法，以前采用的沉管樁、預(yù)制樁、鉆孔灌注樁等方法因存在鋼筋和混凝土的防腐問題而淘汰[19]；按文獻(xiàn)[20]要求，鹽漬土地基不宜采用水泥粉煤灰碎石(cement fly-ash gravel，CFG)樁、夯實(shí)水泥土樁及水泥土攪拌法等方法，但若選用的水泥具備抗腐蝕性則可以考慮采用水泥土樁；若鹽湖地區(qū)水位較淺，鹽化法、浸水預(yù)溶法均不適用于鹽湖地層；換填法應(yīng)采用礫石、碎石及砂石等，不宜采用灰土、非鹽漬土，可以采用隔斷層法，阻斷毛細(xì)水上升。為解決鹽漬土腐蝕性問題，近年來鹽湖地區(qū)相繼試驗(yàn)裹體樁、袋裝混凝土灌注樁、引孔防腐預(yù)制樁、CFG樁-網(wǎng)復(fù)合地基等地基處理方法。鹽湖地區(qū)地基處理方法對比如表6所示。

表6 鹽湖地區(qū)常用地基處理方法對比

表6(續(xù))

3.2 不同地基處理方法中的地基土質(zhì)分析

根據(jù)不同路段地基土的物理力學(xué)性質(zhì)、鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、地下水水位高度及填土高度等條件，綜合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件及地基處理所需礫石料的來源確定地基處理方法，察格高速公路飽和軟黏性土地段主要地基處理方法有：沖擊碾壓、強(qiáng)夯置換、強(qiáng)夯、礫石樁和片塊石、礫石換填等[21-23]，本地區(qū)為強(qiáng)—過鹽漬土，未采用CFG樁或水泥土攪拌樁，這2種處理方法未能有效解決腐蝕性，從經(jīng)濟(jì)成本考慮，在試驗(yàn)段進(jìn)行裹體礫石樁、引孔裹體預(yù)制樁、裹體混凝土灌注樁的試驗(yàn)施工。各地基處理方法路段地基土的物理力學(xué)性質(zhì)及地下水情況如表7所示。

表7 不同地基處理方法路段地基土的物理力學(xué)性質(zhì)及地下水情況

由表7可知：處理路段表層主要以軟黏土和粉土為主，路段密度較小，孔隙比較高，粉土密實(shí)度為稍密狀態(tài)，為中等—高壓縮性土，鹽漬土的物理力學(xué)性質(zhì)情況較差，水位較高。

4 鹽漬土地基處理新工藝

在試驗(yàn)段進(jìn)行裹體礫石樁、引孔裹體預(yù)制樁、裹體混凝土灌注樁的施工，并檢測加固地基承載能力及成樁質(zhì)量，同時開展路基工后沉降觀測工作。

4.1 裹體礫石樁

裹體礫石樁可形成裹體樁復(fù)合地基，是針對鹽漬土的腐蝕性、成樁困難等問題而采取的改進(jìn)型礫石樁[24]，其施工工藝為：采用螺旋鉆成孔，在孔中放入高強(qiáng)度、耐腐蝕的土工布袋，布袋應(yīng)穩(wěn)定性好、透水性強(qiáng)、耐久性強(qiáng)等，將樁體材料放入土工布袋中，限制樁體材料的側(cè)向移動，并在樁頂上部鋪設(shè)一定厚度的褥墊層。

本地區(qū)針對飽和強(qiáng)—過鹽漬土宜采用螺旋鉆機(jī)成孔，對軟弱、觸變性弱的土層也可采用擠密沉管或振動沉管，本地區(qū)成孔易縮孔、坍孔，故在注入樁體材料時宜采用跟管鉆進(jìn)至樁底設(shè)計標(biāo)高，提出鉆具在套管中放入土工布袋，再注入樁體材料，待樁體材料注滿后，最后拔起套管成樁。樁體填充材料宜選用當(dāng)?shù)氐[石、卵石等性能穩(wěn)定的硬質(zhì)材料，石料材質(zhì)宜為抗腐蝕性能好的石灰?guī)r、石英巖、玄武巖等，礫石粒徑為2～50 mm，泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%。

4.2 裹體混凝土灌注樁

裹體混凝土灌注樁是把鋼筋籠下放到既防腐蝕又防水的土工布袋中，同時將混凝土灌注到土工布袋中形成樁基，即用土工布袋包裹樁體，防止地層中腐蝕物質(zhì)、鹵水侵入樁體內(nèi)，使樁體不受腐蝕，可延長樁基的使用壽命?？梢愿鶕?jù)地下水位埋深情況擇優(yōu)選擇成孔，可采用泥漿護(hù)壁鉆機(jī)成孔，旋挖鉆、螺旋鉆干作業(yè)法成孔，振動、振動沖擊、靜壓沉管或螺旋跟管鉆進(jìn)成孔等工藝，宜用注水排漿法[25]下放土工布袋，再向土工布袋中下放鋼筋籠，注入混凝土成樁。

4.3 引孔裹體預(yù)制樁

先在工廠制作滿足設(shè)計要求的水泥樁或預(yù)應(yīng)力管樁，在樁體外側(cè)包裹土工布，并將土工布牢固固定于樁體上，使土工布與預(yù)制樁形成一個整體，采用螺旋鉆或旋挖鉆成孔作引孔，再將預(yù)制樁靜壓入孔，引孔可減小靜壓過程中樁端與樁側(cè)阻力，防止樁體土工布在靜壓過程中受側(cè)阻力影響而遭到破壞，以提高裹體預(yù)制樁成樁質(zhì)量。

4.4 裹體材料質(zhì)量要求

裹體材料可選用具有耐久性和抗腐蝕性的高強(qiáng)機(jī)織長絲土工織物，如聚丙烯土工布或高密度聚乙烯膜等[26]，可采用一次加工成型或二次縫合成型土工布袋，裹體礫石樁也可采用土工網(wǎng)袋。土工布袋有效解決散體樁破壞原狀土結(jié)構(gòu)及不易在軟土中成樁等問題，在處理飽和軟黏性土地基及消除液化地層等方面起關(guān)鍵作用；裹體混凝土灌柱樁、孔引裹體預(yù)制樁可防止鹽漬土與樁體接觸，使樁體不受腐蝕，延長樁體的使用壽命[25]。復(fù)合土工布的技術(shù)指標(biāo)如表8所示。

表8 復(fù)合土工布主要技術(shù)指標(biāo)

由表8可知：裹體礫石樁土工布的物理力學(xué)強(qiáng)度明顯低于裹體混凝土灌注樁所使用的土工布，2種樁型土工布的滲透系數(shù)差距較大，這是因?yàn)樗鼈兊某蓸蹲饔脵C(jī)理不同，采用裹體礫石樁可解決礫石樁的鼓脹變形，使之達(dá)到承載力要求；裹體混凝土灌注樁可解決混凝土和鋼筋的抗腐蝕性問題。

5 地基處理

5.1 地基檢測

采用載荷試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、動力觸探試驗(yàn)檢測察格高速地基處理段的地基承載力[27]，裹體礫石樁采用探井檢查樁體形狀和樁體質(zhì)量，對裹體樁進(jìn)行動力觸探破壞性試驗(yàn)，與礫石樁樁體動力觸探試驗(yàn)進(jìn)行對比；裹體鋼筋混凝土采用載荷試驗(yàn)、高應(yīng)變、低應(yīng)變及混凝土抗壓強(qiáng)度等試驗(yàn)檢測樁基的性能。不同方法處理地基的載荷-沉降試驗(yàn)曲線(p-s曲線)如圖1所示，動力觸探曲線如圖2所示。

圖1 不同方法處理地基的p-s曲線

圖2 不同方法處理地基后的動力觸探曲線

由圖1可知：采用各種處理方法后的地基承載力均有較大提高，裹體礫石樁的地基承載力提高幅度大，沉降明顯減小。

由圖2可知：強(qiáng)夯置換、礫石樁、裹體礫石樁在表層受到施工影響，距地表0.5 m內(nèi)密實(shí)度較小，可在表層鋪設(shè)一定厚度的砂石墊層，形成樁體與墊層共同作用的復(fù)合地基；裹體礫石樁的樁體強(qiáng)度比礫石樁明顯提高，樁體密實(shí)度均為密實(shí)，而礫石樁為中密—密實(shí)；加固后礫石樁樁體對周圍土體有擠密作用，隨著深度的增加，樁間土的錘擊數(shù)不斷增大，但礫石樁在加固深度達(dá)到3 m以后，樁間土的動探擊數(shù)接近原狀土，此時礫石樁樁間土的擠密效果不明顯，而裹體礫石樁的擠密效果明顯優(yōu)于礫石樁，自上而下均對土體有一定的擠密效果。裹體礫石樁采用特定施工機(jī)械和工藝，既能保證成樁質(zhì)量，又能有效地提高樁的豎向支承力，提高樁基的承載能力。

不同地基處理方法的有效加固深度及承載力如表9所示。

表9 不同地基處理方法的有效加固深度及承載力

5.2 地基工后沉降觀測

地基沉降監(jiān)測是驗(yàn)證地基處理方案設(shè)計、指導(dǎo)施工的重要手段[28]，沉降觀測儀器由剛性沉降板、沉降桿、PVC護(hù)筒組成，分別埋設(shè)在路中線及左右路肩處。按照文獻(xiàn)[29]要求觀測，選取試驗(yàn)段強(qiáng)夯置換、礫石樁、裹體礫石樁試驗(yàn)段，在路基填土施工期、停工期進(jìn)行沉降觀測，在路基及路面施工過程中終止觀測。察格高速公路沉降觀測結(jié)果如表10所示。

表10 察格高速公路沉降觀測結(jié)果

由表10可知：路基主要填筑時間內(nèi)，地基沉降增加較快，裹體礫石樁的沉降明顯減小，說明裹體礫石樁的加固效果明顯優(yōu)于強(qiáng)夯置換、礫石樁法，而裹體礫石樁總沉降為20～40 mm，日沉降速率最小，故采用裹體礫石樁法加固地基效果明顯提高。

6 結(jié)論

1)察爾汗鹽湖地區(qū)主要以強(qiáng)腐蝕性的氯鹽型鹽漬土為主，腐蝕性以化學(xué)腐蝕混凝土中的鋼筋為主。地基處理時需著重對混凝土及鋼筋進(jìn)行防腐蝕性處理。

2)鹽湖區(qū)主要分布為鹽漬軟弱土，具有鹽漬土與軟土的雙重特性，采用換填、沖擊碾壓、強(qiáng)夯、強(qiáng)夯置換、礫石樁、裹體礫石樁、裹體混凝土灌注樁、引孔裹體預(yù)制樁等均可進(jìn)行地基處理，處理效果良好。

3)裹體礫石樁解決了散體材料成樁的質(zhì)量問題，采用裹體施工工藝提高了樁體質(zhì)量及地基的承載力，裹體混凝土灌柱樁可防止鹽漬土與樁體接觸，保護(hù)樁體不受腐蝕，樁體的使用壽命延長。