灰土地基膨胀机理试验研究★

李小伟，彭丽娟，张森安，龙 照，何腊平

(1.甘肃中建市政工程勘察设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000；2.中建市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

1 概述

随着国家“一带一路”和西部大开发等战略的实施，我国西北黄土地区工程建设越来越多。换填垫层法作为最为常用的地基处理方法，在我国已有近2 000 a的使用历史。在我国西北地区，只要严格控制施工质量，采用换填垫层处理湿陷性黄土地基即可达到满意的处理效果。这在非自重湿陷性黄土地基上尤为突出，并且在盐渍土地基也可以达到同样的处理效果[1]。对黄土状土盐渍土地基处理，常采用灰土对地基进行换填处理[2]。灰土应用于建筑工程始于20世纪50年代，常用作地面工程、基础工程垫层等。经分层夯实形成的灰土地基具有一定强度、水稳定性和抗渗性，因其造价低、施工工艺简单等优点被广泛应用[3]。近年来，一些经过灰土换填处理的建设工程在竣工后的几年时间里，甚至是在建设过程中就不同程度的发生了地基膨胀病害，直接导致了工程上部结构及基础等产生较大竖向变形，严重影响建筑物正常使用[4]。目前，灰土地基膨胀病害的频繁发生已经造成了巨大的经济损失。

岳青孝通过对换填处理后的某住宅楼所出现的地基胀缩病害进行实时监测，进一步分析地基盐胀与建筑物基础、基底压力及气候变化之间的关系，查明该地区灰土处理后的地基发生胀缩病害主要原因是由于拌合灰土中使用的黄土状粉土盐渍土发生盐胀和沉陷。

骆军等[5]通过试验对某机场航站楼灰土地基鼓胀现象进行研究，试验研究表明，灰土地基物理力学性在温度、水等外界因素的影响下发生变化，使土体发生膨胀变形，灰土地基膨胀主要原因是灰土中硫酸盐盐胀产生了膨胀性极大的钙矾石和碳酸硅钙石。

袁宁等[6]研究发现加入石灰可明显增大土体中可溶性硫酸盐的含量(质量分数，下同)，使土体具有膨胀性；土样硫酸盐含量随Ca(OH)2和Mg(OH)2试剂的加入明显增加，说明灰土硫酸盐的增加主要因素是Ca(OH)2和Mg(OH)2。此外，通过在灰土中添加吸附、治理试剂进行研究表明，沸石粉及生物盐碱改良剂对灰土中硫酸盐具有一定的治理作用。

刘彦辉等[7]通过一系列室内试验分析研究了新疆省道201线克拉玛依—榆树沟段的碳酸盐渍土膨胀性的影响因素，研究结果表明，深度的变化是影响该地区土样的膨胀性变化的重要因素，在深度为25 cm～75 cm时膨胀率最大；同时，碳酸盐渍土膨胀随季节、温度的变化影响较小，其含盐量从0.5%增至2.0%时，碳酸盐渍土膨胀率从10.0%增至22.5%。

史桃开等[8]系统研究了新疆地区出现的地基、路基盐胀危害，认为该地区影响盐渍土地区的主要因素包括硫酸钠含量的大小、密实度、黏土矿物含量、土中温度的变化及含水率等几个方面。盐渍土地基产生盐胀的外因包括土中温度和湿度的变化，发生的盐胀相对较为明显的地带在接近地表处，其土中温度、湿度变化最大。影响盐渍土地基盐胀的必要条件是硫酸钠的含量，土体盐胀量的大小主要取决于硫酸钠含量的多少。

刘厚健等[9]深入剖析了西部某变电所道路、地坪发生的裂缝、沉陷等现象，从施工及设计等多个方面寻找工程发生病害的影响因素。研究发现，施工质量的严重不合格是产生这些次生病害的直接原因。

邱爽[10]以宁夏扶贫扬黄灌溉工程的第四泵站为对象，对其盐渍土的盐胀规律及特性进行了研究。进行了单次降温膨胀试验，研究表明，在含水量不变的情况下，试样的膨胀变形随温度的降低、土的初始干密度的增大及土中硫酸钠的含量的增加而增加。通过进行动态观测发现，环境温度引起水分迁移，盐分随着水分迁移到地表而产生盐胀变形。

本文以兰州文溯阁《四库全书》藏书馆工程为例，通过进行地基土土常规试验、地基土易溶盐含量试验、地基土膨胀性试验及地基土XRD衍射试验等一系列试验，分析灰土地基膨胀机理。

2 现状调查

文溯阁《四库全书》藏书馆位于兰州市九洲台南麓原省委党校绿化园中。项目场地原为黄土山峁经填挖改造后的台地上，属半填半挖不均匀场地。经甘肃省建设科技专家委员会岩土工程专家讨论，确定采用预浸水加强夯法的方案对场地及地基进行处理。

但在使用过程中，藏书馆场地地表局部出现了沉陷和地表裂缝，于是对藏书馆场地进行排水系统改造、场地地坪及路面维修处理。

1)原有地沟治理措施为：将场地地沟拆除，地基处理深度向下加深，自下向上分别为200 mm厚素土垫层、300 mm厚质量比3∶7灰土垫层和100 mm厚素混凝土垫层，地沟两侧用3∶7灰土分层夯实500 mm厚。

2)原有场地地坪治理为：清除了地坪下300 mm厚含水量过大的路基土，将现有路基土翻夯500 mm处理，上铺300 mm厚质量比3∶7灰土分两层夯实，压实系数均不小于0.95，然后新作220 mm厚C30混凝土路面。

处理后在使用过程中，藏书馆室外地坪、道路等均出现不同程度的鼓胀。场地西侧以接待楼前大墙、东侧以藏书楼前大墙为界，该界限以北部分场地地坪及道路产生不同程度的鼓胀，导致地坪隆起、混凝土路面开裂、锅炉房及车库等散水翘起等，且冬天鼓胀明显，夏天稍有回落现象；而界限以南区域基本未见地面的鼓胀破损等现象。

其中鼓胀比较典型的地段包括：

1)锅炉房前路面鼓胀。该处路面鼓胀现象非常明显，靠近锅炉房一侧路面最大隆起约8 cm，几乎与路牙一般高，而靠近排水沟一侧路面轻微隆起，在排水沟侧面可见细小裂缝。路面混凝土基本完整，如图1所示。

2)车库前及左侧地坪鼓胀。该处地坪鼓胀现象非常明显，尤其是车库左侧地坪沿伸缩缝隆起约10 cm，混凝土路面被整体抬起。部分混凝土路面由于鼓胀而产生较宽裂缝。车库前地坪隆起已影响到车库的正常使用，地面的差异隆起已经影响到地表的排水，如图2所示。

3)配电室、车库等散水的鼓胀。配电室前、车库山墙散水鼓胀现象非常明显，导致散水与路牙分离，差异隆起使散水之间形成错台，可能导致雨水直接渗入错台之间的裂缝，如图3所示。

4)其他路面鼓胀。藏书楼及接待楼山墙右侧部分道路已产生不同程度的鼓胀，路面被抬起，混凝土路面亦不同程度的开裂，如图4所示。

3 试验方案

3.1 试验目的

本次检测立足于调查与探查维修处理的回填土结构，通过测试与试验，查明其物理力学性质、回填材料矿物成分，分析其地面鼓胀病害的原因。分别采取藏书楼场地地坪及道路不同程度鼓胀的地基土进行以下分析：

1)通过对探井开挖出的地基土进行观察描述，对三七灰土及以下地基土进行现状分析。

2)探井内采取地基土试样，对地基土易溶盐含量、含水率、密度及孔隙比等指标进行测试分析。

3)对地基土进行膨胀性试验分析。

4)对地基土进行X衍射分析，探查三七灰土的矿物质成分。

3.2 现场取样分析

本次检测分别选取藏书楼场地地坪及道路不同鼓胀程度的区域5处开挖探井(见图5)。

在5个探井内分别取25组原状样及53组易溶盐土样。通过对探井内地基土及所取土样进行观察分析，统计分析结果如表1所示。

表1 易溶盐土样观察分析统计表

通过分析结果可初步得出以下结论：

1)地基隆起量与灰土层厚度呈显著正相关，灰土层厚度越大，隆起量越大。

2)地基隆起量与三七灰土中石灰的含量有一定关联。其中石灰含量越少，石灰颗粒块体越少，隆起量越小。

3)地基隆起量与回填拌合土的质量有关。土质均匀的回填拌合土能有效预防地基膨胀隆起。

4)通过对比分析，隆起不明显的K05探井三七灰土厚度最小，石灰含量最少，无石灰粉末及石灰颗粒聚集现象，拌合土土质亦较均匀。而鼓胀明显的K01，K02，K03及K04探井无论是三七灰土厚度、石灰含量、拌合土质量及灰土拌和均匀性均较K05探井有一定区别。

4 相关试验及膨胀机理分析

对所取土样分别进行地基土土常规试验、地基土易溶盐含量试验、地基土膨胀性试验及地基土XRD衍射试验并分析。

4.1 地基土土常规试验

在5个探井内共计取25组原状样进行土常规试验，为便于分析，将地层划分为三七灰土及以下地基土。试验数据统计结果如表2所示。

表2 地基土物理力学性质统计表

含水率随深度变化见图6。

实验数据表明：三七灰土质量分数介于13.8%～42.7%，平均值为24.2%，湿度较大，最大饱和度达80%。其中K01及K03探井部分位置三七灰土含水量较大。三七灰土以下地基土的质量分数介于12.3%～24.2%，平均值为15.8%，呈稍湿状态。

孔隙比随深度变化见图7。

实验数据表明：三七灰土孔隙比介于0.639～1.629，平均值为1.051。三七灰土以下地基土孔隙比介于0.521～0.873，平均值为0.643，中密～密实。

压缩系数随深度变化见图8。

实验数据表明：三七灰土压缩系数介于0.14～0.94，平均值为0.45。三七灰土以下地基土压缩系数介于0.06～0.18，平均值为0.11，属低压缩性土。

通过对比分析，鼓胀不明显的K05探井三七灰土质量分数为18.3%，孔隙比为0.653，压缩系数为0.15，较鼓胀明显的K01，K02，K03及K06探井三七灰土接近最优含水率，孔隙比低，压缩性低。

试验结果表明，地坪与道路的鼓胀主要地层为三七灰土层。

4.2 地基土易溶盐含量试验

在5个探井内采取的53组易溶盐扰动样进行地基土易溶盐含量试验，并选择9组石灰含量较高的三七灰土进行易溶盐含量试验。统计结果见表3，典型易溶盐总量随深度变化见图9。

表3 地基土易溶盐对比表

试验结果表明：三七灰土中易溶盐总量约0.08%～0.94%，平均约0.29%，石灰粉末及石灰颗粒聚集的部位，易溶盐总量约0.29%～1.01%，平均约0.57%，部分灰土已经成为盐渍土。仅K05探井中三七灰土中易溶盐总量约为0.08%～0.10%，K06为0.09%～0.28%，为非盐渍土。同时三七灰土以下地基土易容盐总量均为0.07%～0.23%，平均约0.14%，为非盐渍土。

4.3 地基土膨胀性试验

在探井内取地基土原状样进行无载荷膨胀试验和自由膨胀率试验，统计结果如图10,图11所示。其中灰土是指各个探井内灰土层实验结果。

原状地基土的无载荷膨胀率结果表明：

三七灰土的膨胀率介于0.00%～22.50%，平均值为6.89%，试验前质量分数平均值为23.32%，试验后质量分数平均值为28.52%。三七灰土以下地基土的膨胀率介于4.97%～24.31%，平均值为15.60%，试验前质量分数平均值为15.06%，试验后质量分数平均值为23.86%。可见现状地基土无载荷膨胀率均较低，即使含水量有较大提高，膨胀潜势亦较小。

地基土碾细过0.5 mm晒烘干后的自由膨胀率试验结果表明：三七灰土及以下地基土的自由膨胀率介于1.63%～15.5%，均小于40%，根据GB 50112—2013膨胀土地区建筑技术规范可以判定地基土为非膨胀土。

4.4 地基土XRD衍射矿物质分析

于探井内采取9件地基土扰动样，进行X衍射分析。

1号试样来自K04探井0.3 m处三七灰土。该试样矿物质成分较复杂，其中Na2SO4·10H2O即芒硝约占总质量的13.64%。

3号试样来自K02探井0.4 m处三七灰土，该试样矿物质成分较复杂，其中单钾芒硝K2SO4约占总质量的33.78%。

4号试样来自K02探井0.6 m处三七灰土，该试样矿物质成分较复杂，其中Na2SO4·10H2O即芒硝约占总质量的20.13%。

7号试样来自K01探井0.5 m处三七灰土，该试样矿物质成分较复杂，其中CaO约占总质量的17.10%，CaCO3约占总质量的24.54%。

8号试样来自K03探井0.3 m处，该试样矿物质成分较复杂，其中CuSO4·5H2O约占总质量的13.10%。

5组三七灰土试样中能使地基土胶结起来，使灰土有较高的强度和抗水性的硅酸钙、铝酸钙以及铁酸钙等物质几无发现，仅于K01探井0.5 m处发现稳定CaCO3及少量CaO等成分，而CaO极易吸水膨胀，这可能与部分石灰未消解完全或是石灰中存在过烧石灰有一定关系。9组测试样中有4组发现有硫酸易溶盐的存在，主要为Na2SO4·10H2O，K2SO4及CuSO4·5H2O等，且含量较高。相关研究表明硫酸盐渍土中含水量变化导致溶于土中孔隙中的盐分浓缩并析出而结晶，产生体积膨胀。尤其无水Na2SO4，Na2SO4·10H2O及Na2SO4溶液之间的变化易造成地基土膨胀，尤其是冬季，由于温度下降幅度较大，Na2SO4溶液析出产生大量结晶，理论上固相体积最大可增加4.18倍，使土体剧烈的松胀。

于K04，K02，K01及K03探井三七灰土内捡取颗粒大于5 mm的石灰块研磨成粉末后测定矿物质成分。结果显示，测试的石灰块主要成分为CaPO3(OH)2H2O，CaSO4·2H2O等矿物，有效成分CaO，Ca(OH)2，CaCO3，MgO，Mg(OH)2及MgCO3等含量较小，CaPO3(OH)·2H2O等杂质含量较多。且发现CaSO4·2H2O即石膏等矿物，该矿物具有轻微的吸水膨胀性。

5 结语

1)现场调查及探井开挖显示，灰土垫层膨胀导致场地地坪和道路鼓胀，地基鼓胀隆起量与灰土层厚度、石灰含量、石灰颗粒块体含量及回填拌合土质量呈显著正相关。

2)检测点的部分三七灰土，尤其石灰粉末、石灰颗粒聚集的部位，已经盐渍化，主要为弱～中硫酸、亚硫酸盐渍土；而三七灰土以下地基土为非盐渍土。

3)鼓胀区地基土自由膨胀率及地基土原状样的无荷载膨胀率均远小于40%，膨胀潜势均较小，均为非膨胀土。灰土膨胀仅与灰土含水率、孔隙比、压缩性等因素有关，其中越接近最优含水率、孔隙比越低、压缩性越低，灰土膨胀量越小。

4)灰土中Na2SO4·10H2O，K2SO4，CuSO4·5H2O等矿物成分含量较高。该类硫酸盐因温度降低或失去水分后，溶于土中孔隙中的盐分浓缩并析出而结晶，产生体积膨胀。本场地冬天地坪及道路鼓胀明显，夏天稍有回落现象与此有关。