青海某地质库灰土固化盐渍土膨胀性试验研究

2020-08-19朱彦鹏金永贵

甘肃科学学报 2020年4期

朱彦鹏,金永贵

(1.兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州 730050;2.西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃兰州 730050)

Chatterj等[1]最早证明了硫酸钠结晶会产生结晶压力的结论。之后Rodriguez-Navarro等[2]研究表明,低含水量快速蒸发时,硫酸钠溶液会同时析出无水硫酸钠和十水硫酸钠晶体,并且无水硫酸钠的结晶也会对孔隙材料造成膨胀破坏。盐分的结晶膨胀过程实际上是水、盐和能量迁移转化过程[3-4],现被广泛认同的关于硫酸钠结晶膨胀对孔隙材料造成破坏的机理主要有硫酸钠结晶压力和水合压力理论[5]。

黄晓波等[6]通过对比浸水和强夯工艺治理西北某机场盐渍土地基的过程中得到了指导施工的控制参数。柴寿喜等[7]、耿恩朋[8]通过试验得出在石灰固化氯盐渍土后其强度会缓慢增长。周琦等[9]在滨海盐渍土中掺加石灰、水泥、SH固化剂综合处理后土体表现出良好的水稳性和抗冻性。周永祥等[10]采用3种固化剂对盐渍土进行固化,结果表明用矿渣和粉煤灰取代部分水泥,随后增加粉煤灰的比例可以连续降低固化土的干缩应变和干缩系数。吴爱红等[11]在硫酸盐渍土地基处理研究中发现压实度不宜太高,满足承载力要求时建议在90%～95%间取值。廖晓兰等[12]研究表明利用丙烯酰胺原位聚合对盐渍土进行改良后试样的抗折强度和抗压强度大幅提高,耐水性能和收缩率也得到了明显改善。张莎莎等[13]利用火山灰改良盐渍土中发现掺加石灰或石灰+火山灰改良剂不仅可以减少砾砂类硫酸盐渍土的盐胀量,而且可以降低盐胀敏感温度区间。

吕擎峰等[14]在固化盐渍土的水盐迁移试验中发现固化后硫酸盐渍土不仅强度提高,同时可以阻滞盐分。张莎莎等[15]等在影响粗粒硫酸盐渍土盐胀特性的敏感因素研究中发现易溶盐对盐胀率表现为促进作用,水会因含盐量不同而对盐胀率的作用产生变化,荷载、易溶盐与荷载的交互、易溶盐与水的交互均对盐胀量有一定的抑制作用,初始压实度对盐胀率有一定的促进作用。曹亚鹏等[16]等在硫酸盐渍土盐胀特性试验研究中发现含水率单次递减条件下硫酸盐渍土的起胀含盐量约为1.2%。此外,含水率递减速率与含盐量呈负相关规律,同一含盐量的硫酸盐渍土,其含水率的递减速率随含水率的降低亦减慢。张佳兴等[17]在硫酸盐渍土水泥加固盐胀抑制剂的研究中发现固化剂能够有效提高加固土的抗膨胀性,降低强度的损失率。万旭升等[18]针对硫酸盐渍土的研究,表明在特定降温速率下十水硫酸钠晶体析出存在滞后性。吕擎峰等[19]在水玻璃固化硫酸盐渍土强度特性及固化机理的研究中发现石灰含量小于8%时,石灰、粉煤灰、水玻璃联合固化硫酸盐渍土的抗压和抗剪强度较石灰粉煤灰固化土有大幅度提升,固化土强度随水玻璃浓度几乎呈线性增长。

综上所述,现有文献对于硫酸钠结晶及盐渍土膨胀性研究较多,但针对石灰固化硫酸盐渍地基土在经历长期不均匀降雨入渗后膨胀规律研究的较少。因此,我们依托青海省实物地质资料库地基治理项目,研究石灰固化盐渍地基土经历长期不均匀入渗后膨胀性的变化规律,为地基膨胀原因分析提供依据。

1 工程概况

青海省实物地质库位于西宁市平安区,一期项目于2014年3月开工,同年12月通过竣工验收,包括4个单体项目:岩芯库、化探样品副样库、实验分析样品副样库及综合办公楼(见图1)。2016年6月,上述各库所在区域出现地基膨胀现象,发现地面隆胀开裂,导致场地内混凝土路面开裂、胀起抬升、产生巨大裂缝、建筑外墙开裂、保温板及墙皮脱落、室内地坪膨胀增高、变压器支架倾斜、内墙开裂和倾斜,各样品库整体呈锅底状,岩芯库柱膨胀量展开图如图2所示。

图1 取土位置示意图Fig.1 Soil extraction map

图2 岩芯库柱膨胀量展开图(单位:mm)Fig.2 Developed view of drill core store column expansion (unit:mm)

2 膨胀试验

2.1 试验方案

为研究本地区土体膨胀性,膨胀试验分为自由膨胀率试验及不同级别荷载下膨胀率试验,为每处土样测试其密度并做电镜扫描分析。为研究不同状态土样膨胀率的变化规律,在该地质库不同地点分别取样,取样位置如图1所示。

2.2 试验过程

试验设备选用及操作过程严格按照水利部《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)操作,具体详见标准说明。

3 试验结果分析

3.1 不同位置土样膨胀率大小

自由膨胀率及不同级别荷载下膨胀率试验结果见表1,原状盐渍土自由膨胀率为2%,土样化学成分试验结果见表2,表1和表2中的土样编号分别表示为:Y表示原状样;G表示岩芯库地坪下中间干土样;BS表示岩芯库北侧湿土样;BJ表示岩芯库东北角湿土样;NS表示岩芯库南侧湿土样。干土样块状石灰化学成分分析结果为氧化钙质量分数72.63%,氧化镁质量分数3%,其他成分质量分数24.37%,氧化镁质量分数未超过5%,为钙质石灰。

表1 土体密度及膨胀率试验结果

表2 地基土易溶盐质量分数

由表1可知,干土样膨胀率最大,其自由膨胀率为12%,无荷载膨胀率为1.83%;其次为东北角湿土样,自由膨胀率为7%,无荷载膨胀率为0.87%;再次为南侧湿土样,自由膨胀率为6%,无荷载膨胀率为0.68%;固化土中北侧湿土样膨胀率最小,自由膨胀率为4%,无荷载膨胀率为0.52%;上述各土样随荷载增大膨胀率均逐渐减小。

石灰固化地基土各处膨胀率也不同,即剩余膨胀潜力各异。首先是干土样,由于位置处于地基中间,距入渗点较远,渗入该处的水分很少或还未渗入。干土样在施工完成至今,水分未增加,且因水分蒸发有部分逸散,含水率不增反减,本来施工时由于水分较高生成的十水硫酸钠在逐渐失水过程中变成硫酸钠晶体,体积减小。因此,干土样膨胀起始点较低,土中硫酸钠晶体较多,而十水硫酸钠较少,试验过程中无论自由膨胀率还是有荷载膨胀率试验,在浸水后土中硫酸钠全部吸水变成十水硫酸钠,因此干土样膨胀率最大。由土样化学成分试验可知,土干土样中含有大量未熟化的生石灰,土样浸水后氧化钙熟化,放出大量的热,且体积膨胀。以上二者共同构成干土样膨胀率最大的原因,即干土样具有最大的剩余膨胀潜力。

3.2 不同级别荷载与土样膨胀率关系

将各土样膨胀率与荷载关系利用Origin绘图软件绘制如图3所示。荷载与膨胀率折线图见图3(a),可以看出,随上覆荷载的加大,各土样膨胀率均减小,呈现出良好的负相关性,即荷载对土体膨胀产生了很好的抑制作用。

图3 不同级别荷载下膨胀率试验Fig.3 Expansion rate test at different levels of loads

荷载对不同土样表现出不同的抑制速度。干土样随荷载的增大初始膨胀率减小最快,后期随荷载增大呈线性减小。其首次加载膨胀率减小量占71.4%。其他3种湿土样随荷载增大其膨胀率减小速度较均匀,前期加载减小较快,后期较慢。其中南侧与北侧湿土样在加载至25 kPa后,其膨胀性基本抑制,后期随着荷载的继续增大,其膨胀性减小较少。南北侧土样首次加载膨胀率减小量分别为58.3%与51.2%。东北角湿土样首次加载膨胀率减小量占56.6%。由此可见初次加载对膨胀性抑制贡献最大,均在50%以上,之后随荷载的增大,对膨胀率的抑制贡献减小。因此通过加载以抑制膨胀变形时,需考虑加荷成本及不同荷载的性价比,不能一味通过增大上部荷载来控制膨胀变形,应当通过不同的方法综合治理。

利用Origin绘图软件对图3(a)曲线进行拟合,结果如3(b)所示。拟合表明,膨胀率与竖向荷载间的关系满足公式

y=a·ebx,

其中:y为试样不同级别荷载膨胀率(%);x为竖向荷载(kPa);a、b为回归参数。回归参数值见表3,本次拟合效果良好,其相关系数均在0.96以上,依据该关系式,可对本场地不同位置土样膨胀率进行估算。

3.3 初始密度与土样膨胀率关系讨论

研究固化土初始密度的高低对膨胀性的影响,试验结果如图4所示。由图4可知,各级别荷载作用下虽然膨胀率大小各异,但均与初始密度表现出良好的相关性。随着初始密度的增大,膨胀率表现出先减小再增大再减小的过程,在密度1.48 g/cm3处,膨胀率达到最小值。分析认为在该图曲线的3个变化过程中,每一过程均有4个方面因素综合作用:十水硫酸钠的结晶析出、氧化钙的遇水熟化、土体中少量的蒙脱石(6%)的遇水膨胀和土体间的胶结作用。在这4种作用中,前3种促进土体膨胀,后1种抑制土体膨胀,在这一矛盾关系的变化过程中不同因素在不同阶段所起作用不同,共同组成了该地区土体膨胀程度的差异性。

表3 回归参数取值

图4 荷载与膨胀率关系曲线Fig.4 Load and expansion rate relationship curve

首先是第1阶段。在该阶段随着密度的增大,膨胀率迅速减小,在密度1.48 g/cm3时膨胀率最小。该阶段膨胀率的减小主要是十水硫酸钠晶体析出位置的改变所致,变化过程如图5所示。密度较小时,十水硫酸钠主要析出位置在土粒接触点间,而随着密度的增大,十水硫酸钠逐渐向土粒孔隙间转变。此时密度较小,空隙较大,容纳芒硝晶体的能力大,膨胀均被土体孔隙所吸收,未能对膨胀率的增大做出贡献,故该阶段随密度的增大,膨胀率减小,在密度1.48 g/cm3时膨胀率达到最小值。因此该变化阶段十水硫酸钠的结晶位置的转移为主导因素,其他各因素处于次要位置,最终结果为随密度增大膨胀率减小。

图5 不同密度区间膨胀性产物析出位置变化Fig.5 Changes of the expansion product precipitation position at different density intervals

第2阶段,膨胀率随密度的增大呈增大趋势。分析认为,在该阶段密度相较于第1阶段有所增加,此时随密度进一步增加,空隙越来越少,能够容纳十水硫酸钠晶体的空间变少。十水硫酸钠晶体的继续析出不能被颗粒空间吸收,体积的膨胀将增大土体颗粒间的距离,致使其膨胀率增大。在该阶段,十水硫酸钠的结晶析出、生石灰的熟化膨胀及蒙脱石等少量亲水性矿物的遇水膨胀共同促成了土体膨胀率的增大,土体胶结对于膨胀性的抑制作用处于劣势,最终结果为随密度增加膨胀率增加。

第3阶段中膨胀率随密度的增大缓慢减小,该阶段密度相较于第1阶段和第2阶段有较大幅度提高,此时土体变得紧密,土体间的胶结力逐渐大于各因素膨胀产生的膨胀力,故上述三者不能继续使膨胀率增大。随着密度的增大土体越来越密实,并且由于密度增大土体的透水性降低,进入土体的水分减少,使得该密度区间里的硫酸钠、生石灰、蒙脱石等不能全部遇水反应,减少了促进膨胀率增大的因素,有效抑制了膨胀率的增大。部分发生反应的十水硫酸钠和熟石灰及蒙脱石由于体积增大,挤压周围土体使其变得更加密实,进一步提高了土体之间的胶结力。而由于挤压作用膨胀力消散,在此消彼长的过程中,膨胀率逐渐变小。因此在该阶段,密度的增大使其胶结能力的增大处于主导地位,最终结果为随着密度的增大,膨胀率减小。

上述变化过程中,硫酸钠结晶位置的电镜扫描试验结果如图6所示。由图6(a)可知,密度较小时芒硝晶体分布于土粒接触处,在密度较大时如图6(b)所示,此时白色芒硝晶体分布于土体孔隙中;随密度的进一步增大(见图6(c)),土体较为密实,晶体依然处于土体孔隙。密度增至1.56 g/cm3时(见图6(d)),土体相当密实,十水硫酸钠均匀分布于土体各处。

在该地区土样3个阶段的变化过程中均表现出同一变化规律,在密度为1.48 g/cm3时膨胀率达到最小。因此在地基处理过程中,当满足承载力要求时,不宜盲目追求压实度,而应合理考虑土体膨胀率容纳能力与密度的双重关系,在该二者之间找出最合理密度区间,既满足承载力要求,又不至于由于密度过高而减弱土体对膨胀率的容纳能力。

图6 电镜扫描试验结果Fig.6 Results of scanning electron microscope test

4 地基膨胀原因分析

通过对该地区地基土膨胀性的研究,综合上述研究内容分析该地区地基土的膨胀原因。根据建筑的变形现状、土样的试验分析结果及开挖过程中的种种现象,对比厂区内未产生隆胀的地基,分析得出隆胀原因主要有以下3个方面:

(1) 降雨入渗。根据对场地的踏勘,该场地排水方式为自流漫灌,缺乏有效的排水设施,地表水排泄不畅,大部分渗入地基。一方面地基盐渍土吸水后产生膨胀,另一方面部分水分熟化了地基土中氧化钙发生膨胀,进而引起散水、地坪开裂,为地表水的入渗又打开了良好通道,使水更易侵入,进而隆胀变形更加剧烈。

(2) 硫酸钠遇水膨胀。由土样化学成分可知虽然场地土含盐量未超过1%,按照相关规范,可不考虑盐胀性,但含盐量小于1%或接近1%并不意味着一点不膨胀。根据已有试验资料,盐胀量不仅与含盐量有关,还与含水率、温度、上覆荷载及盐渍土层厚度等相关,在含盐量一定时,浸水越多、温度变化越剧烈、上覆荷载越小,盐渍土层越厚,盐胀量越大。

(3) 氧化钙遇水熟化膨胀。纵观整个库区发现远处的砖砌围墙及路面未发生剧烈隆胀现象,而这几处地基均未用灰土处理,由此看来只有灰土处理的地基才会发生严重的隆胀现象。

上述3个因素中,2个内在因素对地基膨胀量贡献并不相同。由于试验条件限制,未能具体测出二者各占权重,但在自由膨胀率试验中,原状土含盐量较大而膨胀率仅为2%,干土样膨胀率为12%。干土样中易溶盐含量小于原状土,而其膨胀率却远远大于原状土,若以石灰固化土的膨胀率减去原状土的2%,剩余10%认为是地基土中石灰遇水膨胀所致。由此粗略得到在地基膨胀量各因素所占比重,其中芒硝晶体的膨胀量贡献值约为13%,氧化钙熟化引起的膨胀量贡献值约为87%。因此内在因素中氧化钙是主要因素,硫酸钠是次要因素。

上述三因素所起作用各不相同。首先,地表水少量下渗引起部分散水及路面轻微膨胀,进而产生小裂缝,雨水进一步渗入加剧土体膨胀,部分水分用于氧化钙熟化膨胀,部分用于硫酸钠吸水膨胀,二者相互促进使得地基变形进一步增大,雨水更易进入,如此恶性循环,地基膨胀步步增大,最后散水破裂,路面隆胀不能正常使用。其相互关系如图7所示。地基土在反复经历雨水渗透后渗透系数也逐渐增大,原本土中的硫酸盐被雨水溶解部分带入更深层土体,孔隙逐次增大,土中更深层未被溶解的硫酸钠及未熟化氧化钙均遇水发生反应。并且由于水分的带动,更深层土体含盐量增大,在各层间存在高低不同的溶质势,使得水分更易进入深层土体,加剧膨胀。该场地上部建筑荷载较小,不能遏制膨胀,因此在维护不当的情况下,经历雨季后,膨胀现象将激增。而距进水点较远较深处暂未进水,土体干燥,未

图7 地基膨胀机理Fig.7 Foundation expansion mechanism

发生膨胀,因此整个场地呈锅底状,四周膨胀严重而中间未发生膨胀。

另外,该地区的自然环境与气候条件对于地基膨胀也有较为重要的影响。当地干燥少雨、夏季高温、冬季寒冷的气候特征使得盐渍土中盐分向地表积聚,造成土壤盐渍化,土体产生盐胀变形,对工程建设造成了损害。具体表现为夏季温度较高,降水溶解土体盐分并带入更深层土体,随着冬季来临,温度降低,一方面部分水分冻结,产生冻胀;另一方面随着温度的降低,硫酸钠溶解度降低,结晶析出的十水硫酸钠增多,并且因水分的冻结,土体自由水含量降低,能够溶解硫酸钠的水分进一步减少,加剧芒硝晶体的析出,使膨胀加剧。冻结锋面析出芒硝晶体较多,未冻结处较少,在上下层间形成溶质梯度,水分及盐分向冻结锋面靠近,加剧土体膨胀。春天气温上升,部分土体回落,土质变得疏松,更易发生工程事故,因此当地面临着严峻的自然环境与气候的影响。