西宁黄土状盐渍土地区地基处理效果与其所处地质环境变化关系的研究

2019-11-07王智明连杰明

岩土工程技术 2019年5期

王智明连杰明

(青海省核工业地质局，青海西宁 810008)

0 引言

《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)规定：岩土中易溶盐含量大于0.3%，并具有溶陷、盐胀、腐蚀性等工程性质时应定为盐渍土[1]。

青海省深居欧亚大陆腹部，属高原大陆性气候，具有干燥多风、寒冷缺氧、光辐射强等特点。由于其独特的地理位置和气候特点，以及受湖泊河流的影响，青海广泛分布有盐渍土，如青海西部柴达木盆地的粗颗粒盐渍土(砂类盐渍土、碎石类盐渍土)以及西宁盆地分布的黄土状盐渍土，由于盐所附从的地层条件、所处的地质环境、气候环境不同，其工程特性存在明显的差异性[2]。

西宁盆地分布的盐渍土主要是黄土状盐渍土，以硫酸盐渍土为主，它不仅具有黄土湿陷(盐渍土溶陷)的特点。而且还多具盐胀性、腐蚀性。由于它具有湿陷性，因而工程技术人员很容易忽视，将其误判为一般湿陷性黄土，从室内物理力学指标的测定，到评价方法。都单纯沿用黄土标准来评价，不能满足盐渍土地基工程建设的需要，导致勘察成果不全面，误导设计、施工，造成建筑物开裂、倾斜、设备基础的破坏、室内地坪隆起、墙体腐蚀等的事例屡见不鲜，造成了巨大的经济损失。特别是近年来，随着城市建设的需要和城市用地的紧缺，在盐渍土地区的建筑也越来越多，因此，研究盐渍土的工程性质，有着特别重要的意义[3]。

1 影响盐渍土工程特性的地质环境因素

地质环境因素主要包括：岩土体物性、地质构造、地形地貌、地下水、地表水、植被、气象，人类工程-经济活动类型及规模等[4]。

1.1 气象的影响

气象影响主要包括气温变化特征、降水时空分布规律与特征、蒸发等。其中气温的变化对于硫酸盐渍土的工程性能影响比较大，原因是硫酸盐渍土的盐胀性随着硫酸钠的吸水和失水会有很大变化。芒硝(Na2SO4)的物态变化导致其体积的膨胀与收缩；芒硝的溶解度，当温度在32.4℃以下时，随着温度的降低而降低。因此，温度变化，芒硝将发生严重的体积变化，造成建筑物基础和洞室危岩的破坏[5]。

1.2 地下水的影响

当地下水中含盐量较高时，会随着水温的变化和毛细水上升的影响以及蒸发等因素的影响，土中含盐量会发生根本性的改变，引起地基土地质环境的变化[4]。如硫酸盐石膏发育区，硬石膏(CaSO4)经水化后形成石膏(CaSO4·2H2O)，在水化过程中体积膨胀，可导致建筑物的破坏；另外，在石膏—硬石膏分布地区，几乎都发育岩溶化现象，在建筑物运营期间内，在石膏—硬石膏中出现岩溶化洞穴，而造成基础的不均匀沉陷[5]。

1.3 人类工程的影响

一些工程原本是在填沟或池塘地段兴建工程时，需大量的土方量进行回填，由于填土本身含盐量较高，改变了地基土的性质，另有一些工程是因为工厂建成后大量的生产或使用含盐量很高的化学制剂，如青海铬盐厂建成后铬盐下渗造成地基土中含盐量变化后引起的一系列问题等等。

2 地质环境变化对地基处理效果的影响

各种致灾地质作用受控于所有地质环境因素不等量的作用。在工程项目建设和使用中也是如此，当地基所处地质环境发生变化时，原本符合规范，恰当的地基处理方法会失效或发生质量事故，只是在不同环境下以某种作用为主，因此要根据场地盐渍土的类型、含盐量、成分及其是否进水等因素综合确定。盐渍土当地质环境条件变化时，其工程性质亦产生变化。盐渍土由于含盐性质及含盐量的不同，土的工程特性各异，而且地域性很强[1]。弄清影响盐渍土工程性质变化的地质环境因素是正确选择其地基处理方法的关键所在，只有对症下药，才能解决盐渍土地基的三大危害(溶陷、盐胀、腐蚀)，下边将通过几个工程案例来进行分析讨论。

3 地基处理效果与所处地质环境变化的关系

3.1 地基处理前后地质环境没有变化—地基处理成功的工程案例

在西宁市典型的黄土状盐渍土地区—南滩，一般多层建筑其地基处理方法几乎全部采用灰土垫层+素土垫层(即基底2 m素土垫层将盐渍土隔离后上边2 m采用灰土垫层)进行处理，如青海某厂住宅楼，地基湿陷等级为Ⅳ级自重湿陷，地基土含盐量为0.5118%～1.0%，属中等硫酸盐渍土，经击实试验，最大干密度为1.73～1.77 g/cm3，最优含水量为12.5%～13.2%。采用灰土垫层+素土垫层进行地基处理；南山路某楼群(住宅四栋，办公室一栋，车库两座，锅炉房一座)，场地土层主要为褐黄和棕红色新近堆积黄土状盐渍土，含盐量0.5%～1.15%，湿陷等级为Ⅳ级自重湿陷，地基处理采用灰土垫层+素土垫层；南山路警校附近某住宅楼，基底下回填用土含盐量为0.8000%～0.8649%，未进行换土，采用灰土垫层+素土垫层，其建成使用以来，未发现质量事故。

3.2 地质环境变化—地下水、气象引起的含盐量变化造成的地基处理失败的工程案例

3.2.1 地基处理失败案例一

(1)概况：西宁硝湾某变电所，地基处理采用灰土垫层法。建成运行两年后发现构架、设备基础以及场区道路等严重变形，建筑物由于变形门窗无法正常开启，部分母线被迫停止运行。勘察资料显示地层组成为：

①粉质黏土，褐红色，土质较均匀，局部含石膏颗粒，未见层理。含水量13.5%～35.6%，液性指数IL=-0.44～0.88，坚硬—软塑状，层厚9～12 m。

②古近系—新近系泥岩，埋深9～12 m；场地地下水枯水期埋深4～5 m。土中易溶盐及膨胀性指标见表1。

表1 土中易溶盐指标

(2)该工程首次采用的是灰土垫层处理方法处理地基：处理后初期未发现质量问题，但整体工程完工后一年建筑物出现变形、地基下沉、散水、构架区鼓胀变形事故。查其原因是该场地地下水埋深较浅，水中溶滤的盐分随地下水的迁移，盐分不断带入建设场地基础下的毛细带土中，随着蒸发带入地基土中，使原本含盐量较低的换土垫层，含盐量不断升高，而石灰类材料在酸或硫酸盐作用下所产生的盐类，有的具有膨胀性质，有的使石灰不能固结钙化，失去加固作用，所以随着时间的推移，换土垫层强度不但没有加强，反而有所下降。

(3)总结以上灰土垫层失败的教训后，经专家论证决定采用高压旋喷桩加固地基，同时为了减弱基底原有土层盐胀力，对基底、桩间土进行了置换，置换厚度0.5 m，置换材料为非盐渍土，由于旋喷桩本身的置换作用，也使地基土中的含盐量有所下降。从理论上来讲，该方法处理应当是恰当的。地基处理工作完成后，随着时间的推移到了第三年入冬，架构区变形加剧，地面开始出现了鼓胀变形，与当年地基加固以前几乎相同，虽然本次加固耗资几千万元，终因没有从根本上解决场地地基地质环境变化而导致的土体含盐量不断增高这个主要问题，而使得该变电所废弃，整体进行搬迁，教训是沉痛的。

(4)失败原因分析：由于地质环境改变，桩间置换土已被严重盐渍化，由原先的非盐渍土变成了盐渍土，同时由于旋喷桩属于水泥及母体地层的混合体，因而桩体本身也产生了不同程度的破坏。也验证了场地地质环境变化是制约地基处理成功与否的关键因素。

3.2.2 地基处理失败案例二

(1)工程概况：某铬盐厂，场地与3.2.1所列工程实例相似属于硫酸盐渍土，地下水：枯水期初见水位3.6～5.4 m，丰水期水位约上升0.7～2.05 m。

(2)处理方法及效果：地基处理采用了换非盐渍土回填法，施工质量经当时检测符合规范要求。工程竣工后第三年厂房出现明显的盐胀变形破坏，严重部位甚至基础钢筋被拉断。

(3)原因分析：厂房建成初期地基没有明显变形破坏迹象，是因为采用了非盐渍土回填，后来随着地下水的升降及气候引起的温差变化，导致盐分不断析出，使原本不是盐渍土的垫层含盐量发生了较大变化，从而改变了地基土的工程性质，并产生一系列的破坏变形。

另外本工程地质环境变化还有一个显著的特点，就是人类工程活动的影响，即本工程本身生产铬盐，铬盐本身对上部与其接触的混凝土具腐蚀破坏作用，使带有盐分的地表水下渗，导致地基土含盐量大幅提高，加剧了地基土的盐渍化进程。最终导致环绕厂房的电缆沟已塌陷，生产重地配电室底梁断裂，所有建筑物墙壁有裂缝，重达50 t的磨机被隆起的地面供得东倒西歪，厂房车间已成危房，该厂虽已投入维修加固费达400多万元，但由于没有解决根本问题，已无修缮价值需立即拆除的4座，立即停用加固处理的3座，需防腐加固处理的3座。造成了巨大的损失。

4 分析、思考及验证

(1)通过以上的工程案例分析，作者认为任何一种地基处理方法都有其自身适用的条件，当其所处的地质环境发生变化时，原本符合规范规定的地基处理方法，会因其依存的条件发生变化而失效，所以要因地制宜，与时俱进，依据地基土所处的地质环境和预测可能变化的地质环境选取适当的处理方法。以上几个地基处理失败的案例并不是象有些技术人员或专家提出的所谓规范条文不正确或规定过时造成的，而是缺乏对规范的全面、正确理解造成的。

(2)通过分析研究认为，地基土地质环境变化的形式多见于：①地下水埋深较浅，一般不超过5～6 m的细粒土，存在毛细水上升高度到气温急剧影响带的地层；②周边环境地层含盐量较高，经地下水溶滤后带到本场地；③地层为细粒土，为毛细水上升提供了通道，同时地层本身又不具备盐胀缓释能力。

(3)《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB 50025—2004)6.1.11条规定：选择垫层法和挤密法处理湿陷性黄土地基，不得使用盐渍土、膨胀土、冻土、有机质土等不良土料和粗颗粒的透水性(砂、石)材料作填料[6]。而西宁地区出现的盐渍土多为黄土状盐渍土，多具湿陷性，基于规范条文的限制，多年来人们对于黄土状盐渍土地基处理总是习惯性回避用碎石等粗颗粒作为回填料使用。其实规范的本意是为了避免回填粗颗粒后增大了地基的透水性，从而加大湿陷发生的机率。事实上做好防水措施的情况下，如果在垫层下部增加一层碎石垫层不仅可以割断毛细水上升，而且可以缓释盐胀。与上部垫层配合使用，既可以解决地基的湿陷问题，又可以解决由于地下水升降引起的地基土含盐量增大的问题，还可以缓解盐胀，是一种可行的地基处理方案。

(4)工程验证：某机场场地处于西宁典型的黄土状盐渍土地基上，建设用地属于削山填沟的场地，经取样(673件)分析地基土含盐量及回填土含盐量在0.146%～2.802%，平均值1.578%。其中含量，1#土源1201.00～13808.50 mg/kg，平均值6940.09 mg/kg(161件样)，新建跑道360.00～14709.00 mg/kg，平均值7265.39 mg/kg(459件样)新建站坪780.50～17711.00 mg/kg，平均值8765.48 mg/kg(53件样)，地基土和回填用量料中90%以上都是盐渍土。如果按《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB 50025—2004)6.1.11条规定盐渍土是不容许作为回填用料的，需采取换土回填，这样不但在西宁难以找到可以大量用于工程建设的回填用土，而且将给建设单位带来特别昂贵的代价(估计换土一项费用将上亿元)，因不能就地取材，造成的弃土的运输、堆放都将是很大问题，也是制约该工程建设的一个重大因素。但是任何致灾因素都将是通过一定的赋存环境变化而发生的，如果我们能够对症下约，因地制宜的选取适合的方法，克服其所处的地质环境因素发生变化，就能成功地预防该类地基给工程建设造成的危害。基于这个思路，本工程的具体做法是：

①合理的面层结构防止地表水的渗入和土体中水分的蒸发。设计跑道结构层自上而下依次为：4 cm中粒改性沥青砼；6 cm粗粒沥青砼；8 cm沥青碎石；18 cm二灰碎石；18 cm级配砂砾；18 cm级配砂砾，其下为夯实碾压回填地基土。设计站坪结构层自上而下依次为：16 cm水泥混凝土；40 cm三灰碎石；20 cm水泥稳定沙层；20 cm级配碎石。设计联络道结构层：4 cm AC-16Ⅰ型细粒式改性沥青砼上面层；6 cm AC-16Ⅱ型中粒式改性沥青砼中面层；8 cm AC-16Ⅱ型粗粒式改性沥青砼下面层；三灰碎石基层；现浇水泥混凝土，其下为夯实碾压地基土。

②在使用期间，对站坪区建筑物和管道应经常进行维护和检测。并应确保所有防水措施发挥有效作用，防止建筑物和管道的地基浸水湿陷，对跑道区范围的防水地面、排水沟和雨水明沟应经常检查，发现裂缝及时修补。对散水的伸缩缝和散水与外墙交接处的填塞材料，应经常检查和填补。如散水发生倒坡时，必须及时修补和调整，并应保持原设计坡度。建筑场地应经常保持原设计的排水坡度，发现积水地段，应及时用土填平夯实。在建筑物周围6 m以内的地面应保持排水通畅，不得堆放阻碍排水的物品和垃圾，严禁大量浇水。每年雨季和每次暴雨后，对防洪沟、缓洪调节池、排水沟、雨水明沟、集雨水集水口等，应进行详细检查，清除淤积物，整理沟提，保证排水畅通。

③防止大气降水、洪水淹没浸湿地基及附近场地，采取割断毛细水上升的措施(采用一定厚度的粗颗粒土隔开)，做好结构层，同时防止地表水的下渗、侧渗即可确保工程正常使用。该工程正是切断了改变地质环境变化的因素。因而建成至今数年，运行良好，经调查没有发生因盐渍土地基处理不当引发的工程问题。