〔收稿日期〕 2001-11-02
盐渍土工程特征分析及地基处理方法探讨隆 威1 刘永球1 曹增国2(1.中南大学 2.中国化学工程第一岩土公司)
摘 要 本文在国内外研究资料基础上,详细分析了氯(亚氯)盐渍土腐蚀性等工程特性,对盐渍土地基 处理方法进行了探讨,并重点分析碎石桩复合地基处理方法。关键词 氯(亚氯)盐渍土 腐蚀性 盐胀性 桩基础 强夯法 复合地基
我国氯(亚氯)盐渍土主要分布于青海的察尔汗盐湖地区,近年来,随着西部经济发展,建筑在氯(亚氯)盐渍土地基的工业与民用建筑物不断出现工程事故,已引起岩土工程界对这种特殊地基土地质特征及地基处理方法的关注。本文根据青海察尔汗盐湖地区勘察资料和该地区以往的研究资料进行分析和研究,提出了适合该地区的地基处理方法以供同行参考。1 工程特征分析该区域盐渍土为粉土或粉质粘土,厚度最大达23m以上,分布在察尔汗盐湖区和湖积平原区及洪冲积平原区过渡带。土样的全量化学分析表明土中盐主要成分为氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化钙和氯化铵等,并含有少量硫酸盐,按含盐性质划分为氯盐渍土,个别土样为亚氯盐渍土,其含盐量一般在8～12%之间,属强～超氯(亚氯)盐渍土。各种盐分纵向分布呈现如下规律:氯盐在地面的浅层处,其下为硫酸盐,最深处为碳酸盐,但无明显界限。
1.1 盐渍土主要的物理、化学腐蚀特性1.1.1 氯(亚氯)盐对建筑材料的化学腐蚀氯(亚氯)盐对混凝土有腐蚀作用。Cl-能与水泥中的及水泥熟料中的Ca(OH)2铝酸三钙反应,大大加速中硅酸盐的水化速度,同时生成不溶性单氯铝酸钙或三氯铝酸钙。在混凝土硬化过程中,Cl
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具有早强作用。但在混凝土硬化以后,过量Cl-的侵入,继续反应并生成大量的不溶性多水氯铝酸
(每坑长2～4m×宽0.8m×深2～3.5m),检测结
果表明:桩与桩搭接良好,墙体连续,搅拌均匀,最小墙厚240mm。墙体开挖效果图见图2。并在桩号4+350、4+970处从墙体上截去水泥土块送安徽省水科院做渗透系数等指标检测。检测结果见表2。表2 室内试验和注水试验结果表位置渗透系数/cm・s-1抗压强度/MPa渗透破坏比降备注桩号4+3504.9×10-70.98>350室内试验桩号4+9706.8×10-71.07>200室内试验桩号4+1102.4×10-6注水试验桩号4+7703.2×10-6注水试验检测结果表明,墙体各项指标均满足了设计要求。经过单元工程质量评定,合格率为100%,优良率为90%。8 结 语ESMTW技术在本工程的应用过程中,由于设计原因,在施工深度方面(能达到25m)的优势未能完全体现。但在其他方面,例如工效、造价、墙体渗透系数、均匀性、密实度等方面的优势已充分显露,应用证明是成功的。
图2 墙体开挖效果图该技术应用范围广泛,不仅可应用于堤坝截渗工程,还可用于挡土墙结构,以及用于地基处理,提高复合地基承载力。作者通讯地址:安徽省蚌埠市凤阳西路41号,水利部淮委基础工程有限责任公司 邮编:233001
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岩土工程界 第5卷 第4期
基础工程复合盐,将产生类似于水化硫酸钙的膨胀作用,使得混凝土破坏。Cl-对金属强烈的腐蚀亦属电化学腐蚀,特别是对钢铁。在腐蚀过程中,Cl-的主要作用体现在以下三个方面:形成腐蚀电池、加速阳极的腐蚀过程及提高导电率。氯盐中Mg2+对水泥制品(砂浆、混凝土等)有腐蚀破坏作用,主要是能分解水泥水化物中起骨架作用的钙,使其发生软化、粉化、降低强度等;氯盐中氨离子(NH+4)对钢铁有腐蚀作用,主要是通过电化学和化学反应与铁生成复合盐;氨离子也对水泥制品腐蚀破坏,其作用原理与作用Mg2+相同。1.1.2 氯(亚氯)盐对建筑材料的物理结晶腐蚀物理结晶腐蚀是指具有一定矿化度的水,在毛细作用下,从墙体潮湿一端进入墙体,由暴露在大气中的另一端蒸发,墙体孔隙中的溶液浓缩后结晶析出。在这一过程中,墙体受到盐结晶产生的膨胀压力,但这种膨胀压力随季节气温的差异,及建筑物的干湿状况的变化而周期性变化,而逐渐破坏建筑物的结构。其破坏位置多发生在水位变化区及干湿交替地带。1.2 盐渍土的物理力学特性1.2.1 压缩性勘察资料表明,氯(亚氯)盐渍土中各土层压缩模量ES1-2平均值在4.7～7.2MPa,属中等压缩性土。且氯(亚氯)盐渍土的压缩性随土中含盐量的增加而降低。压缩模量ES1-2指标的变异系数δ大于0.3,表明土的均匀性较差,容易引起建筑物产生不均匀沉降。值得注意的是如果盐渍土一旦浸水,将变成一种压缩性更大的软弱地基。1.2.2 溶陷性盐渍土的溶陷变形分为两种情况:一是在静水中的溶陷变形,即水力梯度较小无渗流时(比如小于起始水力梯度),土中部分或全部盐类溶解,导致土体结构破坏,孔隙减小,产生溶陷;二是潜蚀变形,即土中的盐分和部分土颗粒因水的渗流被带走而形成的溶陷变形。研究表明潜蚀变形是盐渍土地基溶陷的主要部分。据勘察资料知,此区域地下水属潜水,埋深为0.6～1.8之间,水力梯度较小,土体的渗透系数较小,土体溶陷变形主要是无渗流溶陷变形。地下水位以下地层,盐类溶解只受地温的影响,由于氯(亚氯)盐的溶解度对温度变化并不敏感,可认为不具有溶陷性。而在地下水位以上的土层,其厚度较薄,在外载的作用下,溶陷变形表现不明显。因此,认为氯(亚氯)盐渍土在地下水位埋深较浅时不具有溶陷性。具有代表性土样的溶陷性试验结果,亦表明场地不具备溶陷性。1.2.3 地基土的盐胀性盐渍土的盐胀性是指土体失水或因温度降低使得溶解度的降低导致的盐结晶膨胀。氯(亚氯)盐渍土,虽然含有少量的硫酸盐(结晶膨胀倍数为3.1
)
,
但因硫酸盐含量小于2%,土体并不具有硫酸盐渍土的胀缩性。而作为盐渍土中盐的主要部分的氯(亚氯)盐(结晶膨胀倍数为1.3),在地下水位埋深
较浅且土体含水量不变的条件下,盐渍土的胀缩变形仅由温度变化决定,即仅与环境温度影响深度有关。根据氯(亚氯)盐对温度变化不敏感特征及当地环境温度影响深度小于6m,温度影响土层较薄,可以判断地基土在外载作用下胀缩变形并不明显,即认为地基土体无盐胀性。1.2.4 地基土的承载力在天然状态下,氯(亚氯)盐渍土承载力标准值在75～160kPa之间,且上部土层承载力标准值最小为75kPa,最大也只有110kPa,这与硫酸盐渍土承载力较高有很大差别。主要由于该区域地下水位周期性变动及毛细作用,使得地下水位以上的土体处于一种水不稳定的状态,地基土的承载力低。而在地下水位以下的土体,由于土中含盐量较高,降低了土体的液限,土体的强度受含水量影响较大,据勘察资料知地下水位以下的土体,液限平均值为26%,
含水量平均值为23%,液性指数平均值为0.9,土体处于软塑状态,承载力较低。1.2.5 地基土的液化根据《中国地震烈度区划图》(1990版)可知,该区域地震基本烈度为Ⅶ度,由勘察资料知该区域15
m以上土层的平均剪切波速值为161.2m2・s-1,根据《建筑抗震设计规范》(GBJ11-89)中的有关规定判断场地土属中软土,建筑场地类别为Ⅲ类。采用双桥静力触探试验法和标准贯入试验法综合判断:
在Ⅶ度地震条件下,场地属轻微液化场地。
2 地基处理方法探讨迄今,在盐渍土地区,人们已发展了许多地基处理方法。每种方法都有其使用范围和局限性,对具体工程来说,究竟选用什么处理方法比较合适,不仅需要考虑到该地区盐渍土的承载力低,处理深度大,
还要考虑到地质条件,施工设备,材料来源,施工期限,和总体投资费用。总之,应对各种处理方法进行技术经济比较后,再选择经济、合理、可靠的处理方法。2.1 地基处理方法选择盐渍土地区常规地基处理方法有浸水预溶化、强夯法、换土法、盐化处理方法、桩基及复合地基法。浸水预溶化、强夯法主要通过减少土体的空隙,增大44
基础工程GEOTECHNICALENGINEERINGFIELD VOL.5 No.4土体密度,达到减少盐渍土地基溶陷变形处理效果,但由于该区域盐渍土不具有溶陷性,因此不予采用。所谓盐化处理方法,即通常所说“以盐治盐”方法,是在建筑物地基中注入饱和或过饱和盐溶液,形成一定厚度的盐饱和土层,使地基土结构发生变化,盐溶液浓缩后盐结晶起骨架作用,同时减小孔隙比和渗透系数,提高土体强度。但这种方法适合于地下水位埋深大的地基土,而该区域地下水位较浅,且周期性变化,盐化处理方法难以达到提高地基土强度的效果,同时增加了防腐难度,一般不予采用。而换土法主要用于盐渍土层较薄地区,该地区盐渍土一般有15m厚,处理深度大,若采取换土法则成本太高且工期不允许,难以应用。对于桩基方法,由于该地区盐渍土不具有溶陷性,所以不用考虑因溶陷造成的负摩擦力的影响,主要考虑防腐问题,其余可按一般的非盐渍土地基进行设计。以国外经验,在盐渍土地区采用灌注桩比预制桩更为适宜,这是由于预制桩法在打桩时易破坏桩周保护层,难以达到防腐要求。但对水泥性能有特殊要求,且在浇筑前应在土层表面涂防腐涂料,工程造价高,且工程质量难以控制,在我国目前经验还不多,一般慎用。复合地基方法是盐渍土地区最常用的地基处理方法,工艺成熟,成本低且工期较短。考虑到该地区石材丰富且便宜,并结合当地建筑施工经验,可采用振冲碎石桩或挤密碎石桩对地基进行处理,此法在工程应用中已取得许多成功的经验。2.2 碎石桩复合地基方案分析振冲碎石桩或挤密碎石桩是国内应用较广的一种地基处理方法,在氯(亚氯)盐地区的强腐蚀条件下,花岗岩石材或砂卵石的抗腐蚀能力强,碎石桩柱体通过置换或挤密作用及排水固结作用与桩间土构成复合地基,从而提高地基土强度和刚度及消除地基土液化。碎石桩的施工工艺是加固成败的关键一环,为防止施工用水对地基土的影响,避免淡水软化地基土,施工工程中采用卤水。但在使用卤水的情况下,将对振冲碎石桩施工产生不利影响。具体分析如下:地基土液化的条件是振动引起的超孔隙水压力大于土体重力,取临界条件:μCA=G+e1+eγ1AL 即μC=G+e1+eγ1L式中:μC———临界液化孔隙水压力;A———土体的截面积;G———固相颗粒的比重;e———原地基的孔隙比;γ1———液相的重度;L———桩的深度(m)。由于卤水的比重一般为1.2左右,较淡水临界液化孔隙水压力提高20%。而振动引起的超孔隙水压力由设备能力决定,当深度增加一定程度时,所需临界值大于设备提供能力,土体和碎石就因不能产生液化而难以振实。所以,在该氯(亚氯)盐渍土地区进行地基处理,挤密碎石桩方法优于振冲碎石桩方法。利用桩周土的物理力学性质指标进行碎石桩的强度计算方法有很多,最常见有Brauns法和侧向极限应力法。但在实际工程中应用这些公式是有困难的,
而且很不准确。碎石桩的强度不仅与土质有关,而且还与施工工艺和设备有关。因此,目前在实际工程中,总是通过载荷试验直接求取碎石桩承载力。而复合地基的承载力可按现场试验或以下计算公式确定: