某場地建筑物灰土換填地基隆脹原因分析研究

李曉龍，馬自強，張秦琦，張森安，

（1.甘肅中建市政工程勘察設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000;2.中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

換填墊層是對中、低層建筑物存在的濕陷性、鹽漬土等特殊土廣泛采用的地基處理方[1]。5000年前大地灣遺址的：“F901”宮殿式建筑主室，地面用厚0.2m料礓石混合土鋪成，料礓石用白灰粉飾，柱子均用塊狀的石柱基礎支墊，表明石灰使用歷史遠久。現代用灰土換填地基在土木工程領域中，作為基礎的墊層、地基等應用廣泛。灰土則是以消石灰與土料按照一定比例拌和形成人工改良材料；作為回填料通過人工或機械分層壓實換填不良地基土而形成基礎的換填地基。通常灰土是由消石灰、土料和水三種物質結合，其水化作用產生膠結體物質，壓實使得灰土具有較高的強度、較好的抗滲性能，俗稱灰土板結作用。灰土不僅墊層、換填地基的材料，同時也應用于地基處理加強體回填料、地基加固等方面，還可以作為一種較好的防滲材料用在工程中，具有一定的水穩性和抗滲性。

灰土換填地基是一種應用安全、經濟、適用的地基處理方法[2-3]，在甘肅、青海等地區濕陷性黃土場地工程廣泛應用，取得良好效果，保證工程安全。而在近年來，灰土換填地基、灰土換填的房心土層頻繁出現工程問題與工程安全事故，如甘肅某機場航站樓灰土墊層鼓脹造成室內地面變形、開裂；某文物建筑群場地整修室外地坪、道路其灰土墊層鼓脹產生錯臺、變形；某鍋爐房灰土換填地基的不均勻膨脹等；都已導致地坪隆脹破裂、建筑物發生傾斜等諸多問題。以青海某場地建筑物灰土換填地基隆脹病害探測成果和監測資料的工程實踐，通過灰土、石灰、原土的礦物成分和含鹽量測試，以及溫度、水分等環境條件變化下其物理力學性質指標與鹽脹系數變化，分析研究該場地灰土換填地基隆脹的原因及影響因素，對同類灰土土體與地基的隆脹變形預防和治理具有借鑒意義。

2 工程概況及病害

2.1 工程概況

工程場地位于青海海東市平安區，工程建設有1層資料庫、3層辦公樓等建筑物，2014年3月開始施工，當年年底完成施工。資料庫及綜合辦公樓平面呈矩形，占地面積分布168m×30m、45m×15m，上部結構為框架結構，基礎為柱下獨立基礎，基礎埋深-1.5m；資料庫屋面為輕鋼網架，柱高7.65m，柱截面尺寸為500mm×500mm，室內均設置有800mm承重混凝土層；地基采用以場地原土與石灰拌和三七灰土整片換填墊層處理，換填厚度為4m，換填外擴寬度是處理厚度1倍，壓實系數為0.97。道路與室外散水原設計標高基本一致，資料庫結構橫斷面示意圖見圖1。

圖1 資料庫結構橫斷示意圖（單位：mm）

該場地處于湟水階地與黃土丘陵結合地帶，地形總體為西北高、東南低。場地土主要由素填土、黃土狀粉土、卵石、強風化泥巖組成，黃土狀粉土全場地分布，其厚度1.90～7.80，屬濕陷性輕微，地基的濕陷性等級為I級非自重濕陷，其壓縮系數a1-2平均值為0.19MPa-1，屬中等壓縮性土；無地下水。

2.2 工程病害

通過現場調查與量測，室外四周及散水部位隆脹現象明顯，室外比室內隆脹變形大，北側比南側、東側比西側隆脹嚴重，中心部位隆脹較小，隆脹變形最大處位于資料庫的東北角；資料庫室內地坪隆脹四周大、中間小，呈鍋底狀；部分柱下獨立基礎隆脹較為嚴重，導致柱子頂梁彎曲開裂與屋面網架節點開裂、錯位，墻體出現產生上下貫通八字形裂縫。室外散水局部變形超過了70cm；路燈向北傾斜，散水外側與其相鄰道路呈斜坡狀。資料庫室內外變形現狀見圖2。

圖2 室內地坪與室外隆脹變形現狀

發現資料庫地基與上部結構變形后，2017年進行了糾偏加固，但加固完成后依舊有膨脹變形。2017年10月～2018年3月監測資料庫北側柱的最大隆脹變形達52.5mm、最小11.8mm。2017年以來資料庫南北側的墻角地坪總體變形如圖3所示。

圖3 資料庫南北兩側墻角地坪變形量

綜合辦公樓處于資料庫南側，未進行過維護加固，室內地坪隆脹表象嚴重，地磚脹裂，墻體普遍產生八字形裂縫；門窗變形嚴重，無法正常開閉；南北兩側隆脹嚴重，中間相對隆脹量較小，辦公樓室內變形現狀見圖4。

圖4 綜合辦公樓室內變形現狀

3 地基土測試與試驗

采取場地原土、地基灰土的不擾動土樣和代表性擾動樣，進行物理力學性質試驗、易溶鹽、膨脹率、XRD衍射等試驗。

3.1 原土、灰土物理力學性質

探井內采取近百件不擾動樣，地基土物理力學性 質見表1。

表1 地基土物理力學性質表

場地原土為稍濕，孔隙比較大，中壓縮性土；灰土為濕—飽和狀，孔隙比是原土1倍，高壓縮性土。換填灰土地基土隆脹量與含水率規律性明顯，膨脹現象越明顯，灰土含水率越大、干密度越小。

通過擊實試驗分析，原土最優含水率18.2%，最大干密度1.71g/cm3；而換填地基的灰土最優含水率43.3%，最大干密度1.20g/cm3，最優含水率異常偏大，最大干密度密度異常偏低。

3.2 地基土易溶鹽與鹽脹試驗

地基土百余件試樣的易溶鹽測試，其各離子與總含鹽量測試結果見表2。

表2 地基土易溶鹽測試成果表

原土易溶鹽含量隨深度增加而逐漸減小趨勢，灰土換填地基中易溶鹽含量與深度沒有相關性。地基土易溶鹽按鹽的化學成分分類為亞硫酸鹽和硫酸鹽；經配鹽，地基土易溶鹽以硫酸鈣（CaSO4）、硫酸鎂（Mg?SO4）為主，碳酸氫鈣Ca(HCO3)2、氯化鈉（NaCl）次之。

對場地原土試樣進行鹽脹系數測定[3]，在含水量（13%～20%）和溫度（+20℃～-20℃）變化條件下，鹽脹系數最大值為2%～4%。

3.3 地基土礦物成分試驗

場地原土、灰土以及灰土中白色塊狀物體進行了XRD衍射試驗進行礦物成分分析。灰土中除存在一般的SiO2（石英）、CaCO3（長石）、KAl2(Si3AlO10)(OH,F)2（云母）外，還有較多的礬類礦物，灰土中礬類礦物礦物成分見表3。

表3 灰土增加的礦物成分及含量表

灰土中存在的NH4Fe(SO4)2·12H2O（鐵銨礬）、KAl（SO4）2·12H2O（鉀明礬）、(NH4)Al(SO4)2·12H2O（銨明礬）等礦物，其含量較高，該類礦物具有強烈的吸水性和吸水膨脹性。

同時，灰土中夾有的白色塊狀物體主要礦物成分為：CaO（生石灰）、CaCO3（石灰石）、SiO2（石英）、KAl2(AlSi3O10)(OH,F)2（云母）與NaAlSi3O8（長石）；塊狀物中CaCO3（石灰石）占比達到72%～98%，表明灰土中含未消熟的生石灰和未煅燒完成石灰原礦物雜質。

4 地基隆脹病害分析

通過建筑物與周邊的隆脹調查量測，以及場地原土、地基灰土物理力學性質、易溶鹽、礦物成分等測試試驗，結合場地環境條件進行灰土地基產生隆脹病害分析。

4.1 灰土地基施工控制影響分析

根據該工程設計文件和地基驗收資料，換填地基的壓實系數0.97，干密度達1.65g/cm3。在場地及建筑物內外開挖探井及加固施工巷道刨驗，換填地基灰土中含大量石灰顆粒及石灰塊體，地基灰土局部集中或零星分布3～5cm白色塊狀物和團粒，散發出刺激性氣味，最大石灰粒徑可達10cm以上，具有未消化或熟化石灰塊。同時其塊狀物礦物成分主要為CaCO3（石灰石）原礦物雜質和團粒的CaO（生石灰），換填地基灰土中，存在大量未消熟石灰和未煅燒完成的石灰石。換填地基刨驗的灰土見圖5。

圖5 換填地基土刨驗的灰土

2021年隆脹區域檢測換填地基灰土干密度為1.26g/cm3，壓實度僅約0.74，反映了灰土地基在施工結束后曾發生了強烈的膨脹。表明換填地基的石灰為按規范要求進行熟化，石灰殘渣及質量不符合規范要求；生石灰（CaO）遇水消解的熟化過程中，體積可膨脹約一倍，造成灰土膨脹，使換填地基灰土干密度降低。生石灰是該灰土換填地基隆脹的基礎和內因之一。

4.2 換填地基灰土的礦物成分及膨脹分析

換填地基的灰土與場地原土礦物成分對比，在灰土中增加了原土沒有的NH4Fe(SO4)2·12H2O（鐵銨礬）、KAl（SO4）2·12H2O（鉀明礬）、(NH4)Al(SO4)2·12H2O（銨明礬）等礬類礦物，該類礦物具有強烈的吸水性和膨脹的作用，改變了灰土的性狀和物理力學性質，隆脹不同部位換填地基灰土含水率及干密度的變化見表4。

表4 不同部位換填地基灰土含水率及干密度變化表

建筑物地基含水量外側高于內部，地基含水量變化與地基隆脹大小相對應，與地基隆脹變形特征一致，地基隆脹量大小與含水量密切相關；地基土隆脹變形大小與地基土含水率規律性明顯，含水率越大，地基隆脹變形越大，土體干密度越小。

換填地基的灰土含水量達70%，現場開挖刨驗表觀為稍濕、疏松狀，同時換填地基中的灰土最優含水率達43.3%，最大干密度僅1.20g/cm3，表明換填地基灰土所增加的礬類等礦物，改變了灰土性質與物質組成；形成膨脹的化學性。同時換填地基的灰土吸附水分，礬類礦物形成結合水、吸附水，土體膨脹可達數倍，是換填地基隆脹主因的主要原因之一。

4.3 地基土易溶鹽含量特征及鹽脹分析

場地原土易溶鹽總量0.15%～1.42%，灰土易溶鹽總量約0.13%～1.72%；地基土易溶鹽按鹽的化學成分分類為亞硫酸鹽漬土和硫酸鹽，具有膨脹性易溶鹽鹽類含量見表5。

表5 地基土硫酸鹽類含量表（單位：%）

灰土中易溶鹽的硫酸鹽鹽類含量小于原土，灰土中石灰與原土中未發生硫酸鹽類的化合反應，硫酸鈉（Na2SO4）的含量遠小于1%。

通過鹽脹系數測定試驗，在未考慮上覆壓力情況下，現狀條件下場地內鹽漬土最大鹽脹量為42.5mm，遠小于地基的膨脹量，表明地基土鹽脹是隆脹的非主因。

5 結語

（1）地基土的礬類礦物、硫酸鹽類膨脹具有聚集增加特征，隨著水分遷移膨脹不斷增加。本工程地基主要由灰土中礬類礦物、灰土中生石灰吸附水造成了地基隆脹。

（2）地基隆脹病害與地基含水量密切相關，且呈正相關性。場地地表水入滲與水分的遷移，使地基土礬類礦物與未完全熟化的石灰的吸水作用，形成礦物結合水造成了自身的膨脹。

（3）本工程換填地基的灰土所增加的礬類等礦物，改變了灰土性質與物質組成；形成膨脹的化學性。礬類等礦物與水作用形成結合水，灰土表現為稍濕物態，但干密度大幅度降低；同時具有礬類礦物的灰土壓實的最優含水量大幅度增加、最大干密度降低。

（4）近年甘肅、青海等地區灰土地基隆脹病害已成為工程地基的嚴重問題，危及工程安全。但灰土換填地基在工程中應用極為廣泛，在控制施工質量、石灰質量的同時，需深層次研究灰土換填地基隆脹病害的機理和環境影響因素。