硫酸及硫酸盐污染地基引起建筑倾斜案例分析与探讨

钟志峰

（广东省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

引起既有建筑倾斜的原因众多，多数建筑倾斜从机理上可归因于基底土软弱不均，周边施工基坑开挖或地下降水等造成地基差异性沉降[1-2]，而由硫酸及硫酸盐污染引起地基土膨胀变形而导致建筑物倾斜的情况相对少见。硫酸及硫酸盐对地基的腐蚀是多重综合作用的结果，对其形成机理的研究上虽有少量案例可寻，目前尚未发现有很大的突破[3-4]。本文提供一个典型的化工厂房硫酸及硫酸盐污染地基土引起倾斜的处理案例供参考。

1 工程概况

某化工厂房位于广东省某地级市，钢筋混凝土框架结构，总高度约22m，柱下独立基础，图1 为该厂房的轴网尺寸及三维模型。该厂房使用功能为麟肥生产混化合成车间，于1989 年建成，并分别于2010、2016 年经历两次加固。第一次加固因发现厂房西面1/R×(1/5～7)轴范围出现不均匀沉降，相应位置墙面出现明显的沉降裂缝，开挖后发现基础连梁已断裂，采用灌浆法地基加固及对基础连梁进行复原修补；第二次加固仅对二层及三层框架梁采用粘钢板法加固。这两次加固均未从根本原因层面入手，花费近百万加固费用而未见明显效果。近年，该厂房西侧1/R×(1/5～7)轴范围“不均匀沉降”趋势及墙面裂缝进一步发展，8×1/R 柱上端屋面梁端及女儿墙开裂，且7 轴及7 轴以南部分出现明显的朝东倾斜现象。

图1 厂房框架轴网及三维模型

2 现场查勘与检测

2.1 相对不均匀沉降趋势的测量

以首层梁底为基准面，采用电子水准仪（倒测法）测量该厂房的相对不均匀沉降趋势，测点布置及测量结果详见图2，图中各测点上的数值表示相对高差。结果表明：该厂房整体不均匀沉降趋势为西高东低，其中图2云线范围内相邻柱位不均匀沉降差已超过20‰。

2.2 主体结构变形测量

图2“不均匀沉降趋势”检测数据

根据现场的观测条件，与图2 测量范围相对应，采用全站仪对具备观测条件的角点及柱位进行主体结构变形测量，测点布置及测量结果详图3。结果表明，该厂房整体倾斜方向为东向，最大倾斜率为7.9‰。

图3 主体结构变形测量

2.3 地基土标准贯入试验

由于该厂房地址勘察资料缺失，为了查明是否存在地基土软弱不均造成不均匀沉降的可能，根据现场检测条件，本次标贯检测取7 个测点，其中厂房西侧2 个测点，东侧5 个测点，总钻进深度为63.49m。标准贯入试验数据统计汇总见表1，标贯结果表明，该厂房地基基础持力层为密实状态含砾黏土或风化岩层，地基承载力特征值可达280kPa 及以上[5]，所有测点均未发现足以引起不均匀沉降的土层软弱不均现象。同时所有测点内未见地下水，表明该区域地下水埋深较深，可排除由于地下水原因造成的不均匀沉降。

表1 标准贯入试验数据统计汇总

2.4 地基基础开挖检查

基于地基土标准贯入试验检测结果未见可造成不均匀沉降的软弱土层，与上述不均匀沉降检测结果存在常理的不吻合，决定现场开挖个别基础进行验证。

据现场开挖条件，选取该厂房东侧两个柱位在室外地坪侧进行开挖；开挖后基坑照片见图4，开挖揭露基础显示，两柱位基础尺寸、型式、埋深与原设计基本相符，未见明显的变位、开裂、腐蚀或损坏。

图4 6×N 及8×N 柱位基础开挖

2.5 持力层土样化学成分分析

基础开挖结果显示，所开挖的两个基础均未受污染，在基础开挖至持力层后，分别取1 个土样（前者为土样，后者为岩样），进行实验室地基土化学成分分析，检验土样中CaO、MgO、SiO2、Fe2O3、Al2O3的含量，地基土化学成分分析表明，2 个土样主要成分均以Si02为主，含量分别为92%与70%左右；CaO 含量极微，说明该地基岩层为石灰岩的可能性极低，基本排除岩溶或土洞导致沉陷的可能；其余成分以Al2O3为主，分别达到4.6%与14%左右，Al2O3具备与酸反应，生成相应的酸根盐结晶而引起地基土膨胀的条件。

3 厂房倾斜原因分析

3.1 现场量测及查勘结果分析

根据本文2.1 不均匀沉降趋势的检测结果，该厂房东侧与西侧不均匀沉降差达到280mm～304mm，而该厂房东侧（沉降值大）室外地坪及各墙脚未发现明显的开裂及沉陷现象，相反，西侧（沉降值小）上部结构出现明显不均匀沉降趋势造成的墙体开裂及框架梁开裂。据此推断，该厂房倾斜是由于西侧局部基础上抬引起，而该区域地坪明显开裂隆起也为局部基础上抬提供依据，见图5。

图5 地坪隆起开裂

3.2 地基及基础开挖结果分析

地基土标准贯入试验检测结果显示，7 个测点推定出的持力层地基承载力高，且沿深度方向的标贯击数表明，所有测点均未发现足以引起不均匀沉降的土层软弱不均现象，同时基础开挖揭露结果对此又进一步的验证，而持力层土样化学成分分析结果也排除了由于岩溶或土洞导致沉陷的可能。

3.3 磷肥生产工艺流程分析

根据与业主方工艺负责人提供的工艺流程，该厂房内发生的主要化学反应为：

其中Ca5(PO4)3F 为磷矿主要成分，H2SO4由现场的硫酸罐供应，其反应生成的Ca(H2PO4)2是磷肥的主要成分，同时生成无水硫酸钙CaSO4。根据相关研究表明，硫酸钙结晶可成为地基土膨胀造成房屋倾斜的主要原因[3-4、9]。

3.4 硫酸及硫酸盐下渗污染的条件

硫酸罐坐落于厂房西侧（膨胀侧），见图6，该侧地坪未做防渗措施，结合该厂房存在硫酸长期泄漏及磷矿生产过程中硫酸钙粉尘污染较为严重的客观现象，可以推断硫酸钙粉尘及硫酸长期下渗污染地基土，是造成地基膨胀的主要因素，同时原地基持力层土染中含量较高的Al2O3成分也具备跟硫酸反应生成硫酸铝盐结晶膨胀的条件。该厂房东侧（未膨胀侧）具有完整的耐酸混凝土地坪保护，污染物不存在下渗条件，所以东侧地基未见膨胀。

图6 厂房西侧地坪硫酸罐

4 上部结构结算分析

在查明该厂房倾斜原因的同时，对上部结构进行验算，验算软件为中国建筑科学院结构设计软件PKPM V5.1.2 的SAT 模块，计算混凝土强度及钢筋配置根据现场钻芯检测及扫描结果，其余参数根据原有设计资料。

4.1 不均匀沉降反应计算分析

在结构模型中将实测的不均匀沉降产生的支座位移输入相应柱位，对支座位移工况作用下的产生的水平位移切片，图7 为7 轴位移切片结果，对比上部结构实测水平位移，可得仅在支座位移工况作用下，上部结构的水平位移趋势与现场实测相吻合。

图7 支座位移工况下7 轴的水平位移切片

4.2 上部结构梁柱承载力验算

上部结构梁柱承载力验算结果显示，该厂房未加固的框架柱柱端体积配箍率均不满足要求[6]，除此外其余验算项均满足承载力与现行规范要求。

5 地基处理及加固方案

该地基持力层为密实含砾黏土层或风化岩，土质硬，承载力高，若采用迫降法[7]施工难度大，风险高；而该厂房倾斜又是由于局部膨胀引起的，如若为了适应局部膨胀的高度而进行全面顶升[7]，造价高，且顶升后膨胀的本质问题还未真正解决。结合该厂房已使用30 余年且先后经历过两次加固，业主方对后续使用年限要求不高的实际情况，决定不采用纠偏手段，而采用以下较为经济可行的处理方案：

⑴对出现膨胀趋势柱位基底以上的回填土进行换土处理，并做耐酸混凝土地坪；

⑵对图2 云线范围内相邻柱位不均匀沉降超过20‰梁端切断后调平重新连接，此部分为单层，切断梁不影响整体结构；

⑶对厂房发生倾斜南侧1/5～8 轴范围内体积配箍率不满足规范要求的框架柱上下端绕丝法加固[8]，以提高框架柱位移延性，以此作为第二道防线；

⑷在采取上述措施后，观察使用（定期沉降观测）。

6 结语

⑴硫酸及硫酸盐污染导致房屋倾斜的原因在于硫酸盐结晶体积增大引起地基土膨胀。

⑵对于房屋倾斜的原因分析应建立在对房屋使用历史，周边环境及现有地质情况有较充分的了解后方能“对症下药”，盲目处理与加固，不仅浪费投资，还为房屋安全留下隐患；

⑶对于发生倾斜的既有建筑，解决手段未必只有纠偏（迫降或顶升），当倾斜程度未致上部结构构件出现裂缝或产生不适合继续承载的变形时，若能采取措施，阻止倾斜进一步发展，对后续使用年限要求不高的建筑，也未尝不是一个解决办法。