兰州新区膨胀土调查分析

李 锦，冯炳超，杨映东，孔德政，袁 宁，高 萍

（甘肃省建筑科学研究院，甘肃 兰州 730050）

0 引 言

近年来，兰州新区中川机场、兰石厂、舟曲中学等场地，竣工不久后室内外地坪出现了较严重的膨胀鼓起现象，最大膨胀量超过了 20 cm。膨胀造成了水泥地坪大面积鼓起和开裂破损，使地坪失去了使用功能，造成了巨大的经济损失。如舟曲中学室外散水、地坪、操场等膨胀鼓起产生的治理费用约 3 600 万，中川机场 T2航站楼地坪鼓起发生后，累计处理费用超过了1 000 万，因此，兰州新区灰土地基的膨胀是不可忽视的一个重要问题。新区舟曲中学膨胀土现状及现场治理如图1、 图2所示。

图1 兰州新区舟曲中学灰土局部胀裂

图2 兰州新区舟曲中学膨胀土现场处理

目前对于灰土膨胀性的课题研究较少，主要的研究有骆军等［1］分析得出了兰州机场灰土膨胀是由硫酸盐及钙矾石引起。安海文［2］对西宁膨胀灰土分析得出了土体水分蒸发造成灰土地基盐渍化是灰土地基膨胀的主要原因。本文通过调查研究分析了兰州新区部分已膨胀灰土的膨胀现状，并对舟曲中学膨胀灰土做了易溶盐含量试验。分析了已膨胀的灰土和该地点未膨胀素土的易溶盐含量区别，对新区灰土的膨胀原因做了初步的研究探讨。

1 兰州新区地基原土易溶盐含量

通过对兰州新区原土易溶盐试验结果的统计，发现兰州新区地基土中硫酸根离子含量较高，很多场地硫酸根离子含量在 1 000 mg/kg 以上，局部达到 2 000 mg/kg以上，明显高于兰州其他地区。氯离子、易溶盐总量也明显高于兰州其他地区，pH 值在 7.1～9.3 之间，按易溶盐含量划分，兰州新区地基土为非盐渍土或弱盐渍土，仅局部夹中盐渍土薄层，部分场地易溶盐含量统计如表1所示。

2 兰州新区舟曲中学膨胀调查及分析

兰州新区舟曲中学为舟曲泥石流灾后重建项目，于2012年9月建成投入使用，2015年陆续发现建筑周边散水、操场、地面出现了膨胀鼓起现象，最大膨胀量达 28 cm，导致很多室外区域不能正常行走，给学校带来了诸多不便。根据调查，发生膨胀的地段全为灰土垫层，素土回填区、原状土区未发现膨胀。

2.1 兰州舟曲中学已膨胀灰土易溶盐试验

本试验在舟曲中学已膨胀的灰土地基场地中选取了 2 点 K1 和 K2，在这两点进行探井取样进行了易溶盐分析。不同深度处土体易溶盐含量如图3和图4所示。试验结果如下。

1）膨胀土中局部 pH 值大大高于原状土，OH-大幅增加，Ca2+、Mg2+、K++Na+、SO42-含量大大高于原状土、局部易溶盐总量大幅增加。

表1 兰州新区场地土易溶盐指标统计表

图3 ZK1主要易溶盐含量随深度变化趋势

图4 ZK2主要易溶盐含量随深度变化趋势

2）膨胀灰土中盐分分布不均匀，4 个异常土样中易溶盐总量、Ca2+、Mg2+、K++Na+、SO42-、CO32-含量大大高于其他土样，且浅部土体（0～0.5 m）的SO42-、Ca2-、K++Na+、CO32-含量和易溶盐总量都明显高于深部土体（主要离子含量见图3、图4）。这表明：①石灰和地基土混合后发生了系列物理化学反应［3］；②由于兰州新区日照充足温差大，蒸发量大，在毛细水的作用下下部土体中的盐有向上迁移现象，盐分迁移造成盐份聚集于上部土体［4］。因此表层土体的盐分普遍大于深部土体。

此外本文在新区舟曲中学周边选取了 6 个地点的素土（未膨胀土）进行了易溶盐试验分析，并将素土主要易溶盐和已膨胀灰土进行对比（见图5）。

由对比分析可以得出：膨胀灰土中CO32-、SO42-、K++Na+和易溶盐总量明显大于场地原土。而硫酸盐、碳酸盐又具有膨胀性。因此表明，石灰的掺入导致土体中易溶盐含量明显增大。此外，石灰的掺入导致土壤碱性增强，pH 值升高。

2.2 兰州新区原状地基土和舟曲中学膨胀土易溶盐对比

图5 舟曲中学已膨胀土和素土各易溶盐含量对比

本文通过对新区舟曲中学已膨胀土进行的易溶盐试验，发现舟曲中学已膨胀土体的 PH 值、SO42-、Ca2+、OH-、Na++K+、CO32-和易溶盐总量明显大于舟曲中学及兰州新区其他场地的素土。而已膨胀灰土 HCO3-离子大幅减少甚至消失，Cl-增长不明显，Mg2+含量基本没变化。新区舟曲中学已膨胀地基土易溶盐与其他场地素土易溶盐含量对比如图6所示。

图6 新区地基土与舟曲中学膨胀灰土易溶盐含量对比

3 兰州中川机场T2航站楼膨胀病害调查分析

中川机场T2航站楼自 2013年7月完成地坪施工后，2013年12月T2航站楼行李分拣大厅、D 区远机位候机厅、B 区行李提取大厅、1号变电室等区域均发生了地面鼓胀现象。病害发生后甲方组织施工分别于 2014年1月～8月、10月～11月及 12月进行了三次返工整治，三次整治后工程病害仍未得到根治，严重影响了机场的正常运营。

3.1 中川机场场地原状土特性

1）中川机场 T2航站楼地基中存在盐渍土夹层，且各处盐渍土埋深不同，兰州新区普遍分布有弱盐渍土，其在平面、竖向分布上规律性较差。

2）中川机场T2航站楼地基土易溶盐含量偏高，兰州新区在 2003年被《中华人民共和国区域地质调查报告-兰州幅》划定为盐渍土地区。

3）场地原状土会发生轻微膨胀，但不影响使用和造成病害。

3.2 中川机场膨胀土调查结论

1）取样发现灰土全部盐渍化了，即所有灰土已成为盐渍土；鼓胀持续时间长，膨胀量很大。

2）灰土中的易溶盐成分主要为硫酸钠和硫酸镁，为硫酸盐盐渍土，硫酸钠起膨胀的主要作用［5-6］。

3）灰土盐渍化的程度随时间在变化，其易溶盐含量和成分都有变化，尤其 SO42-变化剧烈，说明盐类在持续发生位置迁移并持续发生化学反应。

4）鼓胀主要是由灰土所致。石灰和土拌合碾压后出现高含量的硫酸盐，检测当时不能确定是石灰自身带来的盐还是石灰与土发生反应生成的盐。

5）场地原状土中存在弱盐渍土，未发现原状土膨胀鼓起现象。

4 兰州新区兰石厂膨胀现状调查及分析

兰州新区兰石厂于 2012年开工，2013年建成投入使用，至 2014年，发现部分散水、室内地面发生了较大的膨胀鼓起现象，最大膨胀量超过了 20 cm。根据调查，发生膨胀的均为灰土垫层；素土垫层、砂石垫层、原状粉土均未发现膨胀；部分厂房室内地坪也发生了较严重的膨胀；根据调查得到以下结论如表2所示。

表2 兰石厂地基土膨胀现象及原因分析

5 结 论

1）兰州新区地基原土大部分场地为非盐渍土局部为弱盐渍土，地基土含盐量偏高，但原土未发生过膨胀现象。

2）近年来膨胀病害均发生在地坪下灰土垫层中，目前发现的膨胀发生在地坪、散水、地面下的灰土垫层中。这说明兰州新区的原土和石灰结合后生成了膨胀性盐。

3）兰石厂、兰州中川机场 T2航站楼室内地坪发生了膨胀，舟曲中学、兰石厂、火车站等场地室外地坪发生了膨胀，这说明气候不是影响膨胀的主要因素，但兰石厂室内膨胀较室外稍轻微，说明气候不是主因，但对膨胀有一定的影响。

4）通过对新区舟曲中学已膨胀土易溶盐含量分析发现，已膨胀土体可溶性硫酸盐、易溶盐总量、Na+、K+和 pH 值都明显高于舟曲中学素土含量。且已膨胀地基土盐份含量随深度的增加而减小，盐份主要集中在上部，这和盐份随毛细水蒸发而在地基土表面析出结晶有很大关系。