蘭州新區膨脹土調查分析

李 錦，馮炳超，楊映東，孔德政，袁 寧，高 萍

（甘肅省建筑科學研究院，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

近年來，蘭州新區中川機場、蘭石廠、舟曲中學等場地，竣工不久后室內外地坪出現了較嚴重的膨脹鼓起現象，最大膨脹量超過了 20 cm。膨脹造成了水泥地坪大面積鼓起和開裂破損，使地坪失去了使用功能，造成了巨大的經濟損失。如舟曲中學室外散水、地坪、操場等膨脹鼓起產生的治理費用約 3 600 萬，中川機場 T2航站樓地坪鼓起發生后，累計處理費用超過了1 000 萬，因此，蘭州新區灰土地基的膨脹是不可忽視的一個重要問題。新區舟曲中學膨脹土現狀及現場治理如圖1、 圖2所示。

圖1 蘭州新區舟曲中學灰土局部脹裂

圖2 蘭州新區舟曲中學膨脹土現場處理

目前對于灰土膨脹性的課題研究較少，主要的研究有駱軍等［1］分析得出了蘭州機場灰土膨脹是由硫酸鹽及鈣礬石引起。安海文［2］對西寧膨脹灰土分析得出了土體水分蒸發造成灰土地基鹽漬化是灰土地基膨脹的主要原因。本文通過調查研究分析了蘭州新區部分已膨脹灰土的膨脹現狀，并對舟曲中學膨脹灰土做了易溶鹽含量試驗。分析了已膨脹的灰土和該地點未膨脹素土的易溶鹽含量區別，對新區灰土的膨脹原因做了初步的研究探討。

1 蘭州新區地基原土易溶鹽含量

通過對蘭州新區原土易溶鹽試驗結果的統計，發現蘭州新區地基土中硫酸根離子含量較高，很多場地硫酸根離子含量在 1 000 mg/kg 以上，局部達到 2 000 mg/kg以上，明顯高于蘭州其他地區。氯離子、易溶鹽總量也明顯高于蘭州其他地區，pH 值在 7.1～9.3 之間，按易溶鹽含量劃分，蘭州新區地基土為非鹽漬土或弱鹽漬土，僅局部夾中鹽漬土薄層，部分場地易溶鹽含量統計如表1所示。

2 蘭州新區舟曲中學膨脹調查及分析

蘭州新區舟曲中學為舟曲泥石流災后重建項目，于2012年9月建成投入使用，2015年陸續發現建筑周邊散水、操場、地面出現了膨脹鼓起現象，最大膨脹量達 28 cm，導致很多室外區域不能正常行走，給學校帶來了諸多不便。根據調查，發生膨脹的地段全為灰土墊層，素土回填區、原狀土區未發現膨脹。

2.1 蘭州舟曲中學已膨脹灰土易溶鹽試驗

本試驗在舟曲中學已膨脹的灰土地基場地中選取了 2 點 K1 和 K2，在這兩點進行探井取樣進行了易溶鹽分析。不同深度處土體易溶鹽含量如圖3和圖4所示。試驗結果如下。

1）膨脹土中局部 pH 值大大高于原狀土，OH-大幅增加，Ca2+、Mg2+、K++Na+、SO42-含量大大高于原狀土、局部易溶鹽總量大幅增加。

表1 蘭州新區場地土易溶鹽指標統計表

圖3 ZK1主要易溶鹽含量隨深度變化趨勢

圖4 ZK2主要易溶鹽含量隨深度變化趨勢

2）膨脹灰土中鹽分分布不均勻，4 個異常土樣中易溶鹽總量、Ca2+、Mg2+、K++Na+、SO42-、CO32-含量大大高于其他土樣，且淺部土體（0～0.5 m）的SO42-、Ca2-、K++Na+、CO32-含量和易溶鹽總量都明顯高于深部土體（主要離子含量見圖3、圖4）。這表明：①石灰和地基土混合后發生了系列物理化學反應［3］；②由于蘭州新區日照充足溫差大，蒸發量大，在毛細水的作用下下部土體中的鹽有向上遷移現象，鹽分遷移造成鹽份聚集于上部土體［4］。因此表層土體的鹽分普遍大于深部土體。

此外本文在新區舟曲中學周邊選取了 6 個地點的素土（未膨脹土）進行了易溶鹽試驗分析，并將素土主要易溶鹽和已膨脹灰土進行對比（見圖5）。

由對比分析可以得出：膨脹灰土中CO32-、SO42-、K++Na+和易溶鹽總量明顯大于場地原土。而硫酸鹽、碳酸鹽又具有膨脹性。因此表明，石灰的摻入導致土體中易溶鹽含量明顯增大。此外，石灰的摻入導致土壤堿性增強，pH 值升高。

2.2 蘭州新區原狀地基土和舟曲中學膨脹土易溶鹽對比

圖5 舟曲中學已膨脹土和素土各易溶鹽含量對比

本文通過對新區舟曲中學已膨脹土進行的易溶鹽試驗，發現舟曲中學已膨脹土體的 PH 值、SO42-、Ca2+、OH-、Na++K+、CO32-和易溶鹽總量明顯大于舟曲中學及蘭州新區其他場地的素土。而已膨脹灰土 HCO3-離子大幅減少甚至消失，Cl-增長不明顯，Mg2+含量基本沒變化。新區舟曲中學已膨脹地基土易溶鹽與其他場地素土易溶鹽含量對比如圖6所示。

圖6 新區地基土與舟曲中學膨脹灰土易溶鹽含量對比

3 蘭州中川機場T2航站樓膨脹病害調查分析

中川機場T2航站樓自 2013年7月完成地坪施工后，2013年12月T2航站樓行李分揀大廳、D 區遠機位候機廳、B 區行李提取大廳、1號變電室等區域均發生了地面鼓脹現象。病害發生后甲方組織施工分別于 2014年1月～8月、10月～11月及 12月進行了三次返工整治，三次整治后工程病害仍未得到根治，嚴重影響了機場的正常運營。

3.1 中川機場場地原狀土特性

1）中川機場 T2航站樓地基中存在鹽漬土夾層，且各處鹽漬土埋深不同，蘭州新區普遍分布有弱鹽漬土，其在平面、豎向分布上規律性較差。

2）中川機場T2航站樓地基土易溶鹽含量偏高，蘭州新區在 2003年被《中華人民共和國區域地質調查報告-蘭州幅》劃定為鹽漬土地區。

3）場地原狀土會發生輕微膨脹，但不影響使用和造成病害。

3.2 中川機場膨脹土調查結論

1）取樣發現灰土全部鹽漬化了，即所有灰土已成為鹽漬土；鼓脹持續時間長，膨脹量很大。

2）灰土中的易溶鹽成分主要為硫酸鈉和硫酸鎂，為硫酸鹽鹽漬土，硫酸鈉起膨脹的主要作用［5-6］。

3）灰土鹽漬化的程度隨時間在變化，其易溶鹽含量和成分都有變化，尤其 SO42-變化劇烈，說明鹽類在持續發生位置遷移并持續發生化學反應。

4）鼓脹主要是由灰土所致。石灰和土拌合碾壓后出現高含量的硫酸鹽，檢測當時不能確定是石灰自身帶來的鹽還是石灰與土發生反應生成的鹽。

5）場地原狀土中存在弱鹽漬土，未發現原狀土膨脹鼓起現象。

4 蘭州新區蘭石廠膨脹現狀調查及分析

蘭州新區蘭石廠于 2012年開工，2013年建成投入使用，至 2014年，發現部分散水、室內地面發生了較大的膨脹鼓起現象，最大膨脹量超過了 20 cm。根據調查，發生膨脹的均為灰土墊層；素土墊層、砂石墊層、原狀粉土均未發現膨脹；部分廠房室內地坪也發生了較嚴重的膨脹；根據調查得到以下結論如表2所示。

表2 蘭石廠地基土膨脹現象及原因分析

5 結 論

1）蘭州新區地基原土大部分場地為非鹽漬土局部為弱鹽漬土，地基土含鹽量偏高，但原土未發生過膨脹現象。

2）近年來膨脹病害均發生在地坪下灰土墊層中，目前發現的膨脹發生在地坪、散水、地面下的灰土墊層中。這說明蘭州新區的原土和石灰結合后生成了膨脹性鹽。

3）蘭石廠、蘭州中川機場 T2航站樓室內地坪發生了膨脹，舟曲中學、蘭石廠、火車站等場地室外地坪發生了膨脹，這說明氣候不是影響膨脹的主要因素，但蘭石廠室內膨脹較室外稍輕微，說明氣候不是主因，但對膨脹有一定的影響。

4）通過對新區舟曲中學已膨脹土易溶鹽含量分析發現，已膨脹土體可溶性硫酸鹽、易溶鹽總量、Na+、K+和 pH 值都明顯高于舟曲中學素土含量。且已膨脹地基土鹽份含量隨深度的增加而減小，鹽份主要集中在上部，這和鹽份隨毛細水蒸發而在地基土表面析出結晶有很大關系。