某場地建筑物灰土換填地基隆脹原因分析研究

李曉龍，馬自強，張秦琦，張森安，

（1.甘肅中建市政工程勘察設(shè)計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000;2.中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

換填墊層是對中、低層建筑物存在的濕陷性、鹽漬土等特殊土廣泛采用的地基處理方[1]。5000年前大地灣遺址的：“F901”宮殿式建筑主室，地面用厚0.2m料礓石混合土鋪成，料礓石用白灰粉飾，柱子均用塊狀的石柱基礎(chǔ)支墊，表明石灰使用歷史遠久。現(xiàn)代用灰土換填地基在土木工程領(lǐng)域中，作為基礎(chǔ)的墊層、地基等應(yīng)用廣泛?；彝羷t是以消石灰與土料按照一定比例拌和形成人工改良材料；作為回填料通過人工或機械分層壓實換填不良地基土而形成基礎(chǔ)的換填地基。通?；彝潦怯上摇⑼亮虾退N物質(zhì)結(jié)合，其水化作用產(chǎn)生膠結(jié)體物質(zhì)，壓實使得灰土具有較高的強度、較好的抗?jié)B性能，俗稱灰土板結(jié)作用。灰土不僅墊層、換填地基的材料，同時也應(yīng)用于地基處理加強體回填料、地基加固等方面，還可以作為一種較好的防滲材料用在工程中，具有一定的水穩(wěn)性和抗?jié)B性。

灰土換填地基是一種應(yīng)用安全、經(jīng)濟、適用的地基處理方法[2-3]，在甘肅、青海等地區(qū)濕陷性黃土場地工程廣泛應(yīng)用，取得良好效果，保證工程安全。而在近年來，灰土換填地基、灰土換填的房心土層頻繁出現(xiàn)工程問題與工程安全事故，如甘肅某機場航站樓灰土墊層鼓脹造成室內(nèi)地面變形、開裂；某文物建筑群場地整修室外地坪、道路其灰土墊層鼓脹產(chǎn)生錯臺、變形；某鍋爐房灰土換填地基的不均勻膨脹等；都已導(dǎo)致地坪隆脹破裂、建筑物發(fā)生傾斜等諸多問題。以青海某場地建筑物灰土換填地基隆脹病害探測成果和監(jiān)測資料的工程實踐，通過灰土、石灰、原土的礦物成分和含鹽量測試，以及溫度、水分等環(huán)境條件變化下其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)與鹽脹系數(shù)變化，分析研究該場地灰土換填地基隆脹的原因及影響因素，對同類灰土土體與地基的隆脹變形預(yù)防和治理具有借鑒意義。

2 工程概況及病害

2.1 工程概況

工程場地位于青海海東市平安區(qū)，工程建設(shè)有1層資料庫、3層辦公樓等建筑物，2014年3月開始施工，當(dāng)年年底完成施工。資料庫及綜合辦公樓平面呈矩形，占地面積分布168m×30m、45m×15m，上部結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為柱下獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深-1.5m；資料庫屋面為輕鋼網(wǎng)架，柱高7.65m，柱截面尺寸為500mm×500mm，室內(nèi)均設(shè)置有800mm承重混凝土層；地基采用以場地原土與石灰拌和三七灰土整片換填墊層處理，換填厚度為4m，換填外擴寬度是處理厚度1倍，壓實系數(shù)為0.97。道路與室外散水原設(shè)計標(biāo)高基本一致，資料庫結(jié)構(gòu)橫斷面示意圖見圖1。

圖1 資料庫結(jié)構(gòu)橫斷示意圖（單位：mm）

該場地處于湟水階地與黃土丘陵結(jié)合地帶，地形總體為西北高、東南低。場地土主要由素填土、黃土狀粉土、卵石、強風(fēng)化泥巖組成，黃土狀粉土全場地分布，其厚度1.90～7.80，屬濕陷性輕微，地基的濕陷性等級為I級非自重濕陷，其壓縮系數(shù)a1-2平均值為0.19MPa-1，屬中等壓縮性土；無地下水。

2.2 工程病害

通過現(xiàn)場調(diào)查與量測，室外四周及散水部位隆脹現(xiàn)象明顯，室外比室內(nèi)隆脹變形大，北側(cè)比南側(cè)、東側(cè)比西側(cè)隆脹嚴重，中心部位隆脹較小，隆脹變形最大處位于資料庫的東北角；資料庫室內(nèi)地坪隆脹四周大、中間小，呈鍋底狀；部分柱下獨立基礎(chǔ)隆脹較為嚴重，導(dǎo)致柱子頂梁彎曲開裂與屋面網(wǎng)架節(jié)點開裂、錯位，墻體出現(xiàn)產(chǎn)生上下貫通八字形裂縫。室外散水局部變形超過了70cm；路燈向北傾斜，散水外側(cè)與其相鄰道路呈斜坡狀。資料庫室內(nèi)外變形現(xiàn)狀見圖2。

圖2 室內(nèi)地坪與室外隆脹變形現(xiàn)狀

發(fā)現(xiàn)資料庫地基與上部結(jié)構(gòu)變形后，2017年進行了糾偏加固，但加固完成后依舊有膨脹變形。2017年10月～2018年3月監(jiān)測資料庫北側(cè)柱的最大隆脹變形達52.5mm、最小11.8mm。2017年以來資料庫南北側(cè)的墻角地坪總體變形如圖3所示。

圖3 資料庫南北兩側(cè)墻角地坪變形量

綜合辦公樓處于資料庫南側(cè)，未進行過維護加固，室內(nèi)地坪隆脹表象嚴重，地磚脹裂，墻體普遍產(chǎn)生八字形裂縫；門窗變形嚴重，無法正常開閉；南北兩側(cè)隆脹嚴重，中間相對隆脹量較小，辦公樓室內(nèi)變形現(xiàn)狀見圖4。

圖4 綜合辦公樓室內(nèi)變形現(xiàn)狀

3 地基土測試與試驗

采取場地原土、地基灰土的不擾動土樣和代表性擾動樣，進行物理力學(xué)性質(zhì)試驗、易溶鹽、膨脹率、XRD衍射等試驗。

3.1 原土、灰土物理力學(xué)性質(zhì)

探井內(nèi)采取近百件不擾動樣，地基土物理力學(xué)性 質(zhì)見表1。

表1 地基土物理力學(xué)性質(zhì)表

場地原土為稍濕，孔隙比較大，中壓縮性土；灰土為濕—飽和狀，孔隙比是原土1倍，高壓縮性土。換填灰土地基土隆脹量與含水率規(guī)律性明顯，膨脹現(xiàn)象越明顯，灰土含水率越大、干密度越小。

通過擊實試驗分析，原土最優(yōu)含水率18.2%，最大干密度1.71g/cm3；而換填地基的灰土最優(yōu)含水率43.3%，最大干密度1.20g/cm3，最優(yōu)含水率異常偏大，最大干密度密度異常偏低。

3.2 地基土易溶鹽與鹽脹試驗

地基土百余件試樣的易溶鹽測試，其各離子與總含鹽量測試結(jié)果見表2。

表2 地基土易溶鹽測試成果表

原土易溶鹽含量隨深度增加而逐漸減小趨勢，灰土換填地基中易溶鹽含量與深度沒有相關(guān)性。地基土易溶鹽按鹽的化學(xué)成分分類為亞硫酸鹽和硫酸鹽；經(jīng)配鹽，地基土易溶鹽以硫酸鈣（CaSO4）、硫酸鎂（Mg?SO4）為主，碳酸氫鈣Ca(HCO3)2、氯化鈉（NaCl）次之。

對場地原土試樣進行鹽脹系數(shù)測定[3]，在含水量（13%～20%）和溫度（+20℃～-20℃）變化條件下，鹽脹系數(shù)最大值為2%～4%。

3.3 地基土礦物成分試驗

場地原土、灰土以及灰土中白色塊狀物體進行了XRD衍射試驗進行礦物成分分析?；彝林谐嬖谝话愕腟iO2（石英）、CaCO3（長石）、KAl2(Si3AlO10)(OH,F)2（云母）外，還有較多的礬類礦物，灰土中礬類礦物礦物成分見表3。

表3 灰土增加的礦物成分及含量表

灰土中存在的NH4Fe(SO4)2·12H2O（鐵銨礬）、KAl（SO4）2·12H2O（鉀明礬）、(NH4)Al(SO4)2·12H2O（銨明礬）等礦物，其含量較高，該類礦物具有強烈的吸水性和吸水膨脹性。

同時，灰土中夾有的白色塊狀物體主要礦物成分為：CaO（生石灰）、CaCO3（石灰石）、SiO2（石英）、KAl2(AlSi3O10)(OH,F)2（云母）與NaAlSi3O8（長石）；塊狀物中CaCO3（石灰石）占比達到72%～98%，表明灰土中含未消熟的生石灰和未煅燒完成石灰原礦物雜質(zhì)。

4 地基隆脹病害分析

通過建筑物與周邊的隆脹調(diào)查量測，以及場地原土、地基灰土物理力學(xué)性質(zhì)、易溶鹽、礦物成分等測試試驗，結(jié)合場地環(huán)境條件進行灰土地基產(chǎn)生隆脹病害分析。

4.1 灰土地基施工控制影響分析

根據(jù)該工程設(shè)計文件和地基驗收資料，換填地基的壓實系數(shù)0.97，干密度達1.65g/cm3。在場地及建筑物內(nèi)外開挖探井及加固施工巷道刨驗，換填地基灰土中含大量石灰顆粒及石灰塊體，地基灰土局部集中或零星分布3～5cm白色塊狀物和團粒，散發(fā)出刺激性氣味，最大石灰粒徑可達10cm以上，具有未消化或熟化石灰塊。同時其塊狀物礦物成分主要為CaCO3（石灰石）原礦物雜質(zhì)和團粒的CaO（生石灰），換填地基灰土中，存在大量未消熟石灰和未煅燒完成的石灰石。換填地基刨驗的灰土見圖5。

圖5 換填地基土刨驗的灰土

2021年隆脹區(qū)域檢測換填地基灰土干密度為1.26g/cm3，壓實度僅約0.74，反映了灰土地基在施工結(jié)束后曾發(fā)生了強烈的膨脹。表明換填地基的石灰為按規(guī)范要求進行熟化，石灰殘渣及質(zhì)量不符合規(guī)范要求；生石灰（CaO）遇水消解的熟化過程中，體積可膨脹約一倍，造成灰土膨脹，使換填地基灰土干密度降低。生石灰是該灰土換填地基隆脹的基礎(chǔ)和內(nèi)因之一。

4.2 換填地基灰土的礦物成分及膨脹分析

換填地基的灰土與場地原土礦物成分對比，在灰土中增加了原土沒有的NH4Fe(SO4)2·12H2O（鐵銨礬）、KAl（SO4）2·12H2O（鉀明礬）、(NH4)Al(SO4)2·12H2O（銨明礬）等礬類礦物，該類礦物具有強烈的吸水性和膨脹的作用，改變了灰土的性狀和物理力學(xué)性質(zhì)，隆脹不同部位換填地基灰土含水率及干密度的變化見表4。

表4 不同部位換填地基灰土含水率及干密度變化表

建筑物地基含水量外側(cè)高于內(nèi)部，地基含水量變化與地基隆脹大小相對應(yīng)，與地基隆脹變形特征一致，地基隆脹量大小與含水量密切相關(guān)；地基土隆脹變形大小與地基土含水率規(guī)律性明顯，含水率越大，地基隆脹變形越大，土體干密度越小。

換填地基的灰土含水量達70%，現(xiàn)場開挖刨驗表觀為稍濕、疏松狀，同時換填地基中的灰土最優(yōu)含水率達43.3%，最大干密度僅1.20g/cm3，表明換填地基灰土所增加的礬類等礦物，改變了灰土性質(zhì)與物質(zhì)組成；形成膨脹的化學(xué)性。同時換填地基的灰土吸附水分，礬類礦物形成結(jié)合水、吸附水，土體膨脹可達數(shù)倍，是換填地基隆脹主因的主要原因之一。

4.3 地基土易溶鹽含量特征及鹽脹分析

場地原土易溶鹽總量0.15%～1.42%，灰土易溶鹽總量約0.13%～1.72%；地基土易溶鹽按鹽的化學(xué)成分分類為亞硫酸鹽漬土和硫酸鹽，具有膨脹性易溶鹽鹽類含量見表5。

表5 地基土硫酸鹽類含量表（單位：%）

灰土中易溶鹽的硫酸鹽鹽類含量小于原土，灰土中石灰與原土中未發(fā)生硫酸鹽類的化合反應(yīng)，硫酸鈉（Na2SO4）的含量遠小于1%。

通過鹽脹系數(shù)測定試驗，在未考慮上覆壓力情況下，現(xiàn)狀條件下場地內(nèi)鹽漬土最大鹽脹量為42.5mm，遠小于地基的膨脹量，表明地基土鹽脹是隆脹的非主因。

5 結(jié)語

（1）地基土的礬類礦物、硫酸鹽類膨脹具有聚集增加特征，隨著水分遷移膨脹不斷增加。本工程地基主要由灰土中礬類礦物、灰土中生石灰吸附水造成了地基隆脹。

（2）地基隆脹病害與地基含水量密切相關(guān)，且呈正相關(guān)性。場地地表水入滲與水分的遷移，使地基土礬類礦物與未完全熟化的石灰的吸水作用，形成礦物結(jié)合水造成了自身的膨脹。

（3）本工程換填地基的灰土所增加的礬類等礦物，改變了灰土性質(zhì)與物質(zhì)組成；形成膨脹的化學(xué)性。礬類等礦物與水作用形成結(jié)合水，灰土表現(xiàn)為稍濕物態(tài)，但干密度大幅度降低；同時具有礬類礦物的灰土壓實的最優(yōu)含水量大幅度增加、最大干密度降低。

（4）近年甘肅、青海等地區(qū)灰土地基隆脹病害已成為工程地基的嚴重問題，危及工程安全。但灰土換填地基在工程中應(yīng)用極為廣泛，在控制施工質(zhì)量、石灰質(zhì)量的同時，需深層次研究灰土換填地基隆脹病害的機理和環(huán)境影響因素。