浅谈兰州新区盐渍土的盐胀机理

张运

【摘要】本文结合兰州新区某工程实例，通过对盐渍土地基处理技术的综合分析，进一步探讨盐渍土的处理方法，寻求更为科学合理的应对策略，为相关工程技术人员提供参考。

【关键词】盐渍土；地基处理

1、盐渍土简介及案例情况概述

盐渍土是指含盐量超过一定数量的土，广义理解为包括盐土和碱土在内的，以及不同盐化、碱化土的统称，当地表层1.0m的厚度范围内易融盐的含量大于0.3%时称盐渍土。盐渍土具有较强的吸湿、松胀、溶失及腐蚀等特性，土中常见的易融盐有氯盐、硫酸盐和碳酸盐。严重影响建筑的稳定性和耐久性。

兰州新区某工程，自2014年8月完工，10月交付业主使用后，在2015年1月加工车间内地坪小范围发生鼓胀，施工单位将形变区域进行了返修，而与此同时在加工车间、金属结构车间、装配车间等区域也发生了不同程度的地面鼓胀，且部分区域经返工处理后，返工部位再次发生形变，经施工单位测量后发现，场坪部分区域产生了鼓胀，目前已影响了部分功能区域的正常运营。

2、场地地质概况

建筑物所在场地位于兰州新区。地貌单元属乌鞘岭南坡的断陷低地-秦王川盆地。场地原为耕地、林地及荒地。场地地形开阔、平坦。地势整体呈东高西低、南高北低，最大高差9.29m，地势起伏较大。气象条件属典型的温带半干旱大陆性气候，四季分明，阳光充足，冬季寒冷干燥，春季多风少雨，年平均降水量300～350mm，年蒸发量1880mm；年日照量1744～2659小时，日照率60%；最大积雪厚度约14cm，标准冻土深度1.46m。

在勘察深度范围内场地上部地层主要为第四系全新统冲洪积碎屑沉积物，包括素填土，层厚0.4～3.2m；黄土状粉土，累计层厚16.8～29.7m；粉砂层，累计层厚0.4～3.2m，圆砾层，累计层厚2.5～8.7m；下部地层主要为第三系强风化泥岩（砂砾岩）。

该场地地下水属潜水类型，稳定水位埋深26.7～36.0m，水位标高1890.10～1893.83m。地下水矿化度高，水质较差。水位随季节变化，年变化幅度1～2m。

3、设计情况概述

该项目在进行地基处理时采用的是整片强夯法，鉴于湿陷性土层厚度为3～8米，强夯的高能量点夯采用4000kN·m的夯击能量，低能量满夯可采用2000kN·m的夯击能量，点夯及满夯各为至少两遍，强夯对地基土的有效影响深度不应小于6米。

3.1 设备基础部分地基处理

采用天然地基的设备基础部分，以强夯后并消除表层7米湿陷性的地基作为持力层，地基承载力特征值不小于160KPa。基础下应换填1.0米厚3：7灰土，分层压实，分层厚度不大于300，压实系数不小于0.95。

3.2 电动平车基础处理

基础下应换填1.5米厚3：7灰土，分层压实，分层厚度不大于300，压实系数不小于0.95。

3.3 地坪地基处理

车间地面为耐磨混凝土地面，混凝土表面撒3厚金属骨料耐磨面层，做法详05J909地45C，混凝土厚度改为200。

地面做法即为：

①200厚C25细石混凝土，强度达标后表面撒布金属骨料，2～3厚金属骨料耐磨面层，随打随抹光；②水泥浆一道（内掺建筑胶）；③60厚C15混凝土垫层；④150厚粒径5～32卵石（碎石）灌M2.5混合砂浆振捣密实或3：7灰土；⑤素土夯实。

4、施工过程概述

该项目地基强夯工程在土建单位进场时已完成了相关内容的作业。

在设备基础施工时，原设计3：7灰土换填深度为1.2米，在施工了部分设备基础之后，发生图纸变更，回填深度变更为1.0米，除此之外，我方皆严格依据设计图纸进行施工。

电动平车基础施工严格遵循设计及相关规范标准进行了施工。

地坪施工时根据LS-XQGY-JS-A2014-0327联系单，将地坪做法变更为○1250厚C25细石混凝土，强度达标后表面撒布金属骨料，2～3厚金属骨料耐磨面层，随打随抹光；○2150厚粒径5～32卵石（碎石）灌M2.5混合砂浆振捣密实或3：7灰土（实际施工中采用150厚3：7灰土进行回填）；○3素土夯实。

在施工过程中，我方从原材料的进场检测，到施工过程的质量控制，以及质量批、分项工程、分部工程直至竣工验收，均严格按照施工图纸要求及工程施工质量验收规范执行，符合要求。

5、鼓胀原因排查

一般情况下，在兰州及周边地区地基或地坪施工质量出现问题时，将造成地基的沉陷，但本工程地坪出现了鼓胀现象，与以往出现的情况恰恰相反，且已经影响部分功能区域的正常运行。因此我方分别从勘察、设计及施工过程质量控制三方面进行了排查。

原地勘报告中，对土的腐蚀性试验结果显示易溶盐中各项指标中SO42-的含量为651～1704mg/kg，其含量较之我方施工的其它工程偏高；

设计根据该建筑物安全性、功能性等要求进行了设计，但并未对硫酸盐含量偏高的情况进行针对性的设计或采取特殊处理措施；

施工过程中从原材料的进场检测，到施工过程的质量控制及验收均符合规范要求。

通过对上述三方面的排查，我方初步认为该工程地坪膨胀应当是由土壤中硫酸盐过高造成的，为证实此种推测，我方委托兰州理工大学土木实验中心对该区域出现鼓胀现象的原因进行勘察、检测和试验论证分析，以求查明工程病害的原因并给出相应的处理建议。

6、破坏原因分析

通过对该场地原始地貌、施工过程进行分析探讨并将该区域内土体开挖取样带至实验室试验检测。

2016年5月兰州理工大学土木实验中心出具了《兰州兰石石油装备工程有限责任公司加工车间地面鼓胀病害检测报告》，报告中明确指出了土样中的易溶盐含量及其它成分远高于兰州市其他区域土质的含盐量水平，且多个取样点含盐量远超出国标《盐渍土地區建筑技术规范》GB50942中关于盐渍土的界定。

初步确定该项目硫酸盐含量属于盐渍土范畴，地平膨胀是由盐胀造成的。

硫酸盐膨胀机理为土壤中的易溶盐硫酸钠、硫酸镁随土壤中含水量的变化以三种状态存在。硫酸钠：无水硫酸钠、十水硫酸钠、硫酸钠溶液；硫酸镁：无水硫酸镁、MgSO4·nH2O（n=1，2，4，5，6，7）、硫酸镁溶液。正是其随含水量多少而变化造成膨胀。

同时，在换填过程中石消灰所含的钙、镁离子也与土壤中的铝、硅离子形成钙矾石和碳硫硅钙石，其生成原理如下：

CaO+H2O=Ca（OH）2 （1）

Ca（OH）2=Ca2++2（OH）- （2）

Al2Si4O10（OH）2·n（H2O）+ 2（OH）- +10H2O

=2Al（OH）4-+4H4SiO4+ nH2O （3）

2H4SiO4=2H2SiO42-+2H+ （4）

5Ca2++6H3SiO4-+4OH-=Ca5（Si6O18H2）·4H2O+6H2O （5）

MxSO4·nH2O=XMY++ SiO42- nH2O （6）

6Ca2++2Al（OH）4-+4OH- +3（SO4）2-+26H2

O= Ca6[Al（OH）6]2·（SO4）3·26H2O （7）

Ca6[Al（OH）6]2·（SO4）3·26H2O+2H2SiO42-

+2CO32-+O2=Ca6[Si（OH）6]2·（SO4）2·（CO3）2

·24H2O+2Al（OH）4-+ SO42-+4OH-+2H2O （8）

鈣矾石无序排列的针状结构将导致土壤的体积膨胀达到200%以上。

同时，从以下几方面也得到印证：

（1）通过对鼓胀发生的时间段进行观察和分析后，发现在冬季温度较低时，鼓胀区域变化较为明显。这基本符合盐渍土鼓胀的规律。

（2）该地区降雨较少而蒸发量大，有利于土壤的盐渍化。

（3）该地区在2003年《中华人民共和国区域地质调查报告 兰州市副》中也被确定为盐渍土地区。

（4）夯得越实，膨胀量越大。根据《盐渍土地区建筑技术规范》第7.2.20条规定，强夯法和强夯置换法适用于处理盐渍土中的碎石土、沙土、粉土和低塑性黏性土地基以及此类土组成的填土地基，不宜用于处理盐胀性地基。

（5）厂房内所有换填使用的3：7灰土均为现场原土进行的拌合，灰土中所含的钙、镁离子，也为盐渍土中硫酸盐产生的盐胀反应及钙矾石和碳硫硅钙石的生成提供了条件。

《工业建筑防腐设计规范》（GB50046-2008）4.7.2条第1款规定：当土中含有氢离子或硫酸根离子介质时，不应采用灰土垫层、石灰桩、灰土挤密桩等加固方法。

《盐渍土地区建筑技术规范》（GB/T50942-2014）第5.4.7规定，硫酸盐为主的环境下不宜采用灰土基础、石灰桩、灰土桩等；

（6）且该工程地坪于2014年7、8月进行施工，该时期兰州新区雨水较多，自彩板边缘及天沟连接处流入的水进入土壤中。后又因冬季气温较低，造成厂房内暖气管破裂，水流入地基土中。厂房散水周边均未设置排水沟，绿化带高于散水，自彩板流下的水进入绿化带后渗入厂房地基土中，对土壤的含水量产生影响，为盐胀提供了必要的条件。

结论：

综上所述，该项目地坪鼓胀是由盐渍土的盐胀所导致。

根据理工大整治建议，可以有三种处理措施：

（1）挖除盐渍土，回填其他合格土料；

（2）在有条件的情况下进行加载，抑制盐胀，大约每米厚盐渍土须重压7～130kPa（视易溶盐含量而变）；

（3）可在盐渍土中加氯化钡进行化学反应，使易溶盐转化成中溶盐或难溶盐，消除膨胀性。

第一种措施可行且可靠。第二种措施因厂房内已安装设备并投入使用，实施难度大不宜采用。第三种措施因盐渍土分布不均匀，加入氯化钡进行化学反应，在掺量上不宜控制且面积过大。工程中应用应结合现场情况做相应调整为宜。

参考文献：

[1]《工业建筑防腐设计规范》（GB50046-2008）

[2]《盐渍土地区建筑技术规范》（GB/T50942-2014）