成都市南部含泥質石膏巖地層工程地質特性的認識

李科學，陽凌峰，王新榮

(中冶成都勘察研究總院有限公司，四川成都610023)

近年來，由于成都市南部地區大量高(超)層建筑修建，基坑越挖越深，以基巖作為基礎持力層的地基越來越多，而基巖中淺埋的含泥質石膏巖對工程建設的危害不斷凸顯，應逐漸引起廣泛的重視。

國內關于石膏巖的研究成果相對較少，早期多集中在石膏巖成因及賦存規律研究，近幾年，部分學者針對石膏巖溶蝕特性開展過有針對性的研究，但對本區域系統定量分析的研究成果甚少。本文主要以試驗手段為依托，對工作區石膏巖水理性、膨脹特性及腐蝕特性進行了較為詳細分析。

1 含泥質石膏巖分布概況

成都市南部地區地處四川紅層盆地成都平原的南邊緣，為岷江水系沖洪積Ⅱ級階地，上部為第四系上更新統沖洪積的松散堆積層，下部分布巖層為中生界白堊系湖相、河湖相沉積巖層。工程建設中涉及的巖層年代主要為白堊系上統灌口組(K2g)，根據區域勘探資料和已有建筑鉆孔資料，成都南部地區石膏巖普遍埋深介于25～40 m以下，層厚度大于30 m，石膏巖上部分布為厚度介于5～15 m厚的泥巖。

2 含泥質石膏巖物理化學特征

巖石斷面呈灰白色、白色夾紫紅色，具結晶粒狀結構，斷面可見薄的紋層狀構造。平均干密度2.76 g/cm3，平均天然密度2.38 g/cm3，平均含水率為12.54%，平均吸水率18.25%，平均飽水率19.01%，平均飽水系數0.96，崩解指數65.23。對巖樣進行X－衍射礦物成分分析，鑒定其主要造巖礦物為石膏，含量達到70%左右，同時含有水云母等泥質物(約占30%左右)。

3 含泥質石膏巖溶蝕性

室內試驗將多塊石膏巖置于相同體積的水中，在不同的時間取出，稱量各試樣質量及測試各溶液中離子濃度的變化。實驗前可溶鹽化學成份分析結果如下表1。

常溫下，試樣石膏巖樣品約3 g左右，純凈水體積500 ml，浸泡時間 2 d、4 d、6 d，浸泡試驗結果如下表 2。

從下表 1、表2中，石膏巖溶蝕速率介于 0.00783～0.01183 g/cm2.d，說明靜水環境下溶蝕速度非常緩慢，在溶解過程中，Ca2+溶解速度較其它離子快，隨著時間推移，離子濃度逐漸增加，除之外其它陽離子增加緩慢。在靜水環境條件下，初期Ca2+溶解速度很快，隨著時間延長變得越來越慢，可能是因為隨著離子濃度逐漸增加，由于同離子效應原理，抑制了石膏巖溶解速度，當溶液達到飽和后，溶解也會停止。

表1 石膏巖可溶鹽化學分析結果表

表2 浸泡溶液試驗結果成果表

4 含泥質石膏巖的膨脹性

石膏巖遇水發生水化作用，轉變為含兩個結晶水的石膏，在這過程中體積增大，具膨脹性質。根據現場采取的室內試驗樣品(表3)，常溫下天然狀態下，含泥質石膏巖不具膨脹性。

表3 膨脹性判別表

在有水接觸條件下，根據國內有關文獻［1、2］，水化膨脹率與膨脹力與巖體初始干密度及其吸水性近似成正比關系，石膏巖水化膨脹過程十分緩慢，隨著時間推移，膨脹力仍然在緩慢地增長，水化膨脹后，其體積可增加30%左右。膨脹力可達到584～840kPa。

5 含泥質石膏巖腐蝕性

與石膏巖接觸的水中含有相當數量的硫酸根離子，因而具有硫酸鹽侵蝕。根據幾個勘察工程中采取的石膏巖樣品進行室內易溶鹽試驗試驗，試驗依據《鐵路工程巖土化學分析規程》(TB 10103－2008)。其中 SO2－4數值介于4 760.45～6 460.61 mg/kg，Mg2+數值介于 12.18 ～ 60.72 mg/kg，Cl－1數值介于100.39～143.70 mg/kg，pH值為 7.0～7.8。依據GB5 0021－2001(2009年版)第12.2節評價，含泥質石膏巖對混凝土結構具有強烈腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋有微腐蝕性。

6 含泥質石膏巖力學強度

根據多個勘察工程室內試驗結果，石膏巖樣品實驗室力學指標測試結果如下表4。

試驗表明石膏巖在飽和狀態是一種易軟化的軟巖(單軸抗壓強度大于5MPa)，巖體基本質量等Ⅳ級。巖石抗剪強度內聚力C平均值為1.3 kPa，內摩擦角為40.5°。巖體完整，屬中～微風化巖石。

在常溫條件下，對含泥質石膏巖分別作浸水7 d和14 d后的飽和單軸抗壓強度，7 d后飽和單軸抗壓強度降幅12.3% ～15.6%，14 d后飽和單軸抗壓強度降幅25.7% ～30.3%，相信隨著時間的持續，其力學強度還會進一步下降。

表4 巖石力學參數一覽表

7 含泥質石膏巖對建筑物地基影響分析及防治措施

綜合上述試驗結論，從成都市南部地區含泥質石膏巖實際埋藏條件，作為建筑物地基有如下特點。

(1)整體性:石膏巖在地下深處環境中整體處于封閉，上覆泥巖和石膏巖滲透系數 K≤1×10－5cm/s，根據文獻資料［3］，當滲透系數為1×10－4cm/s時，溶液中離子濃度趨近于飽和，溶蝕速度會減停下來，即溶蝕終止。結合鉆探巖芯資料，處于封閉環境中的石膏巖未見溶蝕痕跡。

(2)易溶性:具有較高的可溶性。若基坑開挖后，大面積石膏巖出露，與水長期充分接觸條件下，形成溶蝕的孔洞或溶蝕的通道，會破壞地基結構。長時間浸水條件下，石膏巖的力學強度也會除低。

(3)鹽脹性:常溫短期內，含泥質石膏巖不具膨脹性。但有水長期接觸條件下，石膏巖水化膨脹現象明顯，易造成基礎上拱。

(4)腐蝕性:進入水中的硫酸鹽，與混凝土的礦物成分發生化學反應，使混凝土結構發生強烈腐蝕破壞。

(5)力學強度較高:常溫下，天然單軸抗壓強度平均值7.6 MPa，飽和單軸抗壓強度平均值5.7 MPa，而該區域內泥巖天然(飽和)單軸抗壓強度小于5 MPa，力學強度較高，可作為高層(超高層)建筑物天然地基及樁基礎持力層。

基于上述，對含泥質石膏巖地基提出如下防治措施:

(1)基坑開挖至預計標高時，應預留30～40 cm的保護層，分段分批清理保護層，短時間內及時澆注混凝土墊層進行封閉，防止長時間暴露，使石膏巖地基處于封閉環境。

(2)大面積基坑開挖后，嚴禁地下水及地表水滲入，保持基礎施工時基坑干燥。對樁基礎采用干作業施工。

(3)由于該地區石膏巖具有強腐蝕性，對混凝土采用抗硫酸鹽水泥。同時控制澆注混凝土時水化熱溫度。

(4)建筑物施工和使用過程中，注意完善防水和排水系統，特別防止地下室外墻回填部位積水。

［1］肖允發，楊華硯，羅健，等.硬石膏水化和芒硝結晶膨脹性的側定［J］.勘察科學技術，1985(9):7－10

［2］劉艷敏，余宏明，汪燦，等.白云巖層中硬石膏巖對隧道結構危害機制研究［J］.巖土力學，2011，32(9):2704－2708

［3］魏玉峰，聶德新.第三系紅層中石膏溶蝕特性及其對工程的影響［J］.水文地質工程地質，2005(2):62－64

［4］洪文之，張林，馮正華.西寧石膏巖對水工建筑物危害的探討［J］.水文地質工程地質，1998(6):48－49

［5］洪文之，余旭.西寧石膏巖工程地質性質及對建筑物適宜性的探討［J］.青海地質，1999(1):67－71

［6］高紅波，梁衛國，楊曉琴，等.高溫鹽溶液浸泡作用下石膏巖力學特性試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2011，30(5):935－943