硫酸及硫酸鹽污染地基引起建筑傾斜案例分析與探討

鐘志峰

（廣東省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

引起既有建筑傾斜的原因眾多，多數建筑傾斜從機理上可歸因于基底土軟弱不均，周邊施工基坑開挖或地下降水等造成地基差異性沉降[1-2]，而由硫酸及硫酸鹽污染引起地基土膨脹變形而導致建筑物傾斜的情況相對少見。硫酸及硫酸鹽對地基的腐蝕是多重綜合作用的結果，對其形成機理的研究上雖有少量案例可尋，目前尚未發現有很大的突破[3-4]。本文提供一個典型的化工廠房硫酸及硫酸鹽污染地基土引起傾斜的處理案例供參考。

1 工程概況

某化工廠房位于廣東省某地級市，鋼筋混凝土框架結構，總高度約22m，柱下獨立基礎，圖1 為該廠房的軸網尺寸及三維模型。該廠房使用功能為麟肥生產混化合成車間，于1989 年建成，并分別于2010、2016 年經歷兩次加固。第一次加固因發現廠房西面1/R×(1/5～7)軸范圍出現不均勻沉降，相應位置墻面出現明顯的沉降裂縫，開挖后發現基礎連梁已斷裂，采用灌漿法地基加固及對基礎連梁進行復原修補；第二次加固僅對二層及三層框架梁采用粘鋼板法加固。這兩次加固均未從根本原因層面入手，花費近百萬加固費用而未見明顯效果。近年，該廠房西側1/R×(1/5～7)軸范圍“不均勻沉降”趨勢及墻面裂縫進一步發展，8×1/R 柱上端屋面梁端及女兒墻開裂，且7 軸及7 軸以南部分出現明顯的朝東傾斜現象。

圖1 廠房框架軸網及三維模型

2 現場查勘與檢測

2.1 相對不均勻沉降趨勢的測量

以首層梁底為基準面，采用電子水準儀（倒測法）測量該廠房的相對不均勻沉降趨勢，測點布置及測量結果詳見圖2，圖中各測點上的數值表示相對高差。結果表明：該廠房整體不均勻沉降趨勢為西高東低，其中圖2云線范圍內相鄰柱位不均勻沉降差已超過20‰。

2.2 主體結構變形測量

圖2“不均勻沉降趨勢”檢測數據

根據現場的觀測條件，與圖2 測量范圍相對應，采用全站儀對具備觀測條件的角點及柱位進行主體結構變形測量，測點布置及測量結果詳圖3。結果表明，該廠房整體傾斜方向為東向，最大傾斜率為7.9‰。

圖3 主體結構變形測量

2.3 地基土標準貫入試驗

由于該廠房地址勘察資料缺失，為了查明是否存在地基土軟弱不均造成不均勻沉降的可能，根據現場檢測條件，本次標貫檢測取7 個測點，其中廠房西側2 個測點，東側5 個測點，總鉆進深度為63.49m。標準貫入試驗數據統計匯總見表1，標貫結果表明，該廠房地基基礎持力層為密實狀態含礫黏土或風化巖層，地基承載力特征值可達280kPa 及以上[5]，所有測點均未發現足以引起不均勻沉降的土層軟弱不均現象。同時所有測點內未見地下水，表明該區域地下水埋深較深，可排除由于地下水原因造成的不均勻沉降。

表1 標準貫入試驗數據統計匯總

2.4 地基基礎開挖檢查

基于地基土標準貫入試驗檢測結果未見可造成不均勻沉降的軟弱土層，與上述不均勻沉降檢測結果存在常理的不吻合，決定現場開挖個別基礎進行驗證。

據現場開挖條件，選取該廠房東側兩個柱位在室外地坪側進行開挖；開挖后基坑照片見圖4，開挖揭露基礎顯示，兩柱位基礎尺寸、型式、埋深與原設計基本相符，未見明顯的變位、開裂、腐蝕或損壞。

圖4 6×N 及8×N 柱位基礎開挖

2.5 持力層土樣化學成分分析

基礎開挖結果顯示，所開挖的兩個基礎均未受污染，在基礎開挖至持力層后，分別取1 個土樣（前者為土樣，后者為巖樣），進行實驗室地基土化學成分分析，檢驗土樣中CaO、MgO、SiO2、Fe2O3、Al2O3的含量，地基土化學成分分析表明，2 個土樣主要成分均以Si02為主，含量分別為92%與70%左右；CaO 含量極微，說明該地基巖層為石灰巖的可能性極低，基本排除巖溶或土洞導致沉陷的可能；其余成分以Al2O3為主，分別達到4.6%與14%左右，Al2O3具備與酸反應，生成相應的酸根鹽結晶而引起地基土膨脹的條件。

3 廠房傾斜原因分析

3.1 現場量測及查勘結果分析

根據本文2.1 不均勻沉降趨勢的檢測結果，該廠房東側與西側不均勻沉降差達到280mm～304mm，而該廠房東側（沉降值大）室外地坪及各墻腳未發現明顯的開裂及沉陷現象，相反，西側（沉降值小）上部結構出現明顯不均勻沉降趨勢造成的墻體開裂及框架梁開裂。據此推斷，該廠房傾斜是由于西側局部基礎上抬引起，而該區域地坪明顯開裂隆起也為局部基礎上抬提供依據，見圖5。

圖5 地坪隆起開裂

3.2 地基及基礎開挖結果分析

地基土標準貫入試驗檢測結果顯示，7 個測點推定出的持力層地基承載力高，且沿深度方向的標貫擊數表明，所有測點均未發現足以引起不均勻沉降的土層軟弱不均現象，同時基礎開挖揭露結果對此又進一步的驗證，而持力層土樣化學成分分析結果也排除了由于巖溶或土洞導致沉陷的可能。

3.3 磷肥生產工藝流程分析

根據與業主方工藝負責人提供的工藝流程，該廠房內發生的主要化學反應為：

其中Ca5(PO4)3F 為磷礦主要成分，H2SO4由現場的硫酸罐供應，其反應生成的Ca(H2PO4)2是磷肥的主要成分，同時生成無水硫酸鈣CaSO4。根據相關研究表明，硫酸鈣結晶可成為地基土膨脹造成房屋傾斜的主要原因[3-4、9]。

3.4 硫酸及硫酸鹽下滲污染的條件

硫酸罐坐落于廠房西側（膨脹側），見圖6，該側地坪未做防滲措施，結合該廠房存在硫酸長期泄漏及磷礦生產過程中硫酸鈣粉塵污染較為嚴重的客觀現象，可以推斷硫酸鈣粉塵及硫酸長期下滲污染地基土，是造成地基膨脹的主要因素，同時原地基持力層土染中含量較高的Al2O3成分也具備跟硫酸反應生成硫酸鋁鹽結晶膨脹的條件。該廠房東側（未膨脹側）具有完整的耐酸混凝土地坪保護，污染物不存在下滲條件，所以東側地基未見膨脹。

圖6 廠房西側地坪硫酸罐

4 上部結構結算分析

在查明該廠房傾斜原因的同時，對上部結構進行驗算，驗算軟件為中國建筑科學院結構設計軟件PKPM V5.1.2 的SAT 模塊，計算混凝土強度及鋼筋配置根據現場鉆芯檢測及掃描結果，其余參數根據原有設計資料。

4.1 不均勻沉降反應計算分析

在結構模型中將實測的不均勻沉降產生的支座位移輸入相應柱位，對支座位移工況作用下的產生的水平位移切片，圖7 為7 軸位移切片結果，對比上部結構實測水平位移，可得僅在支座位移工況作用下，上部結構的水平位移趨勢與現場實測相吻合。

圖7 支座位移工況下7 軸的水平位移切片

4.2 上部結構梁柱承載力驗算

上部結構梁柱承載力驗算結果顯示，該廠房未加固的框架柱柱端體積配箍率均不滿足要求[6]，除此外其余驗算項均滿足承載力與現行規范要求。

5 地基處理及加固方案

該地基持力層為密實含礫黏土層或風化巖，土質硬，承載力高，若采用迫降法[7]施工難度大，風險高；而該廠房傾斜又是由于局部膨脹引起的，如若為了適應局部膨脹的高度而進行全面頂升[7]，造價高，且頂升后膨脹的本質問題還未真正解決。結合該廠房已使用30 余年且先后經歷過兩次加固，業主方對后續使用年限要求不高的實際情況，決定不采用糾偏手段，而采用以下較為經濟可行的處理方案：

⑴對出現膨脹趨勢柱位基底以上的回填土進行換土處理，并做耐酸混凝土地坪；

⑵對圖2 云線范圍內相鄰柱位不均勻沉降超過20‰梁端切斷后調平重新連接，此部分為單層，切斷梁不影響整體結構；

⑶對廠房發生傾斜南側1/5～8 軸范圍內體積配箍率不滿足規范要求的框架柱上下端繞絲法加固[8]，以提高框架柱位移延性，以此作為第二道防線；

⑷在采取上述措施后，觀察使用（定期沉降觀測）。

6 結語

⑴硫酸及硫酸鹽污染導致房屋傾斜的原因在于硫酸鹽結晶體積增大引起地基土膨脹。

⑵對于房屋傾斜的原因分析應建立在對房屋使用歷史，周邊環境及現有地質情況有較充分的了解后方能“對癥下藥”，盲目處理與加固，不僅浪費投資，還為房屋安全留下隱患；

⑶對于發生傾斜的既有建筑，解決手段未必只有糾偏（迫降或頂升），當傾斜程度未致上部結構構件出現裂縫或產生不適合繼續承載的變形時，若能采取措施，阻止傾斜進一步發展，對后續使用年限要求不高的建筑，也未嘗不是一個解決辦法。