成都市南部含泥质石膏岩地层工程地质特性的认识

李科学，阳凌峰，王新荣

(中冶成都勘察研究总院有限公司，四川成都610023)

近年来，由于成都市南部地区大量高(超)层建筑修建，基坑越挖越深，以基岩作为基础持力层的地基越来越多，而基岩中浅埋的含泥质石膏岩对工程建设的危害不断凸显，应逐渐引起广泛的重视。

国内关于石膏岩的研究成果相对较少，早期多集中在石膏岩成因及赋存规律研究，近几年，部分学者针对石膏岩溶蚀特性开展过有针对性的研究，但对本区域系统定量分析的研究成果甚少。本文主要以试验手段为依托，对工作区石膏岩水理性、膨胀特性及腐蚀特性进行了较为详细分析。

1 含泥质石膏岩分布概况

成都市南部地区地处四川红层盆地成都平原的南边缘，为岷江水系冲洪积Ⅱ级阶地，上部为第四系上更新统冲洪积的松散堆积层，下部分布岩层为中生界白垩系湖相、河湖相沉积岩层。工程建设中涉及的岩层年代主要为白垩系上统灌口组(K2g)，根据区域勘探资料和已有建筑钻孔资料，成都南部地区石膏岩普遍埋深介于25～40 m以下，层厚度大于30 m，石膏岩上部分布为厚度介于5～15 m厚的泥岩。

2 含泥质石膏岩物理化学特征

岩石断面呈灰白色、白色夹紫红色，具结晶粒状结构，断面可见薄的纹层状构造。平均干密度2.76 g/cm3，平均天然密度2.38 g/cm3，平均含水率为12.54%，平均吸水率18.25%，平均饱水率19.01%，平均饱水系数0.96，崩解指数65.23。对岩样进行X－衍射矿物成分分析，鉴定其主要造岩矿物为石膏，含量达到70%左右，同时含有水云母等泥质物(约占30%左右)。

3 含泥质石膏岩溶蚀性

室内试验将多块石膏岩置于相同体积的水中，在不同的时间取出，称量各试样质量及测试各溶液中离子浓度的变化。实验前可溶盐化学成份分析结果如下表1。

常温下，试样石膏岩样品约3 g左右，纯净水体积500 ml，浸泡时间 2 d、4 d、6 d，浸泡试验结果如下表 2。

从下表 1、表2中，石膏岩溶蚀速率介于 0.00783～0.01183 g/cm2.d，说明静水环境下溶蚀速度非常缓慢，在溶解过程中，Ca2+溶解速度较其它离子快，随着时间推移，离子浓度逐渐增加，除之外其它阳离子增加缓慢。在静水环境条件下，初期Ca2+溶解速度很快，随着时间延长变得越来越慢，可能是因为随着离子浓度逐渐增加，由于同离子效应原理，抑制了石膏岩溶解速度，当溶液达到饱和后，溶解也会停止。

表1 石膏岩可溶盐化学分析结果表

表2 浸泡溶液试验结果成果表

4 含泥质石膏岩的膨胀性

石膏岩遇水发生水化作用，转变为含两个结晶水的石膏，在这过程中体积增大，具膨胀性质。根据现场采取的室内试验样品(表3)，常温下天然状态下，含泥质石膏岩不具膨胀性。

表3 膨胀性判别表

在有水接触条件下，根据国内有关文献［1、2］，水化膨胀率与膨胀力与岩体初始干密度及其吸水性近似成正比关系，石膏岩水化膨胀过程十分缓慢，随着时间推移，膨胀力仍然在缓慢地增长，水化膨胀后，其体积可增加30%左右。膨胀力可达到584～840kPa。

5 含泥质石膏岩腐蚀性

与石膏岩接触的水中含有相当数量的硫酸根离子，因而具有硫酸盐侵蚀。根据几个勘察工程中采取的石膏岩样品进行室内易溶盐试验试验，试验依据《铁路工程岩土化学分析规程》(TB 10103－2008)。其中 SO2－4数值介于4 760.45～6 460.61 mg/kg，Mg2+数值介于 12.18 ～ 60.72 mg/kg，Cl－1数值介于100.39～143.70 mg/kg，pH值为 7.0～7.8。依据GB5 0021－2001(2009年版)第12.2节评价，含泥质石膏岩对混凝土结构具有强烈腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋有微腐蚀性。

6 含泥质石膏岩力学强度

根据多个勘察工程室内试验结果，石膏岩样品实验室力学指标测试结果如下表4。

试验表明石膏岩在饱和状态是一种易软化的软岩(单轴抗压强度大于5MPa)，岩体基本质量等Ⅳ级。岩石抗剪强度内聚力C平均值为1.3 kPa，内摩擦角为40.5°。岩体完整，属中～微风化岩石。

在常温条件下，对含泥质石膏岩分别作浸水7 d和14 d后的饱和单轴抗压强度，7 d后饱和单轴抗压强度降幅12.3% ～15.6%，14 d后饱和单轴抗压强度降幅25.7% ～30.3%，相信随着时间的持续，其力学强度还会进一步下降。

表4 岩石力学参数一览表

7 含泥质石膏岩对建筑物地基影响分析及防治措施

综合上述试验结论，从成都市南部地区含泥质石膏岩实际埋藏条件，作为建筑物地基有如下特点。

(1)整体性:石膏岩在地下深处环境中整体处于封闭，上覆泥岩和石膏岩渗透系数 K≤1×10－5cm/s，根据文献资料［3］，当渗透系数为1×10－4cm/s时，溶液中离子浓度趋近于饱和，溶蚀速度会减停下来，即溶蚀终止。结合钻探岩芯资料，处于封闭环境中的石膏岩未见溶蚀痕迹。

(2)易溶性:具有较高的可溶性。若基坑开挖后，大面积石膏岩出露，与水长期充分接触条件下，形成溶蚀的孔洞或溶蚀的通道，会破坏地基结构。长时间浸水条件下，石膏岩的力学强度也会除低。

(3)盐胀性:常温短期内，含泥质石膏岩不具膨胀性。但有水长期接触条件下，石膏岩水化膨胀现象明显，易造成基础上拱。

(4)腐蚀性:进入水中的硫酸盐，与混凝土的矿物成分发生化学反应，使混凝土结构发生强烈腐蚀破坏。

(5)力学强度较高:常温下，天然单轴抗压强度平均值7.6 MPa，饱和单轴抗压强度平均值5.7 MPa，而该区域内泥岩天然(饱和)单轴抗压强度小于5 MPa，力学强度较高，可作为高层(超高层)建筑物天然地基及桩基础持力层。

基于上述，对含泥质石膏岩地基提出如下防治措施:

(1)基坑开挖至预计标高时，应预留30～40 cm的保护层，分段分批清理保护层，短时间内及时浇注混凝土垫层进行封闭，防止长时间暴露，使石膏岩地基处于封闭环境。

(2)大面积基坑开挖后，严禁地下水及地表水渗入，保持基础施工时基坑干燥。对桩基础采用干作业施工。

(3)由于该地区石膏岩具有强腐蚀性，对混凝土采用抗硫酸盐水泥。同时控制浇注混凝土时水化热温度。

(4)建筑物施工和使用过程中，注意完善防水和排水系统，特别防止地下室外墙回填部位积水。

［1］肖允发，杨华砚，罗健，等.硬石膏水化和芒硝结晶膨胀性的侧定［J］.勘察科学技术，1985(9):7－10

［2］刘艳敏，余宏明，汪灿，等.白云岩层中硬石膏岩对隧道结构危害机制研究［J］.岩土力学，2011，32(9):2704－2708

［3］魏玉峰，聂德新.第三系红层中石膏溶蚀特性及其对工程的影响［J］.水文地质工程地质，2005(2):62－64

［4］洪文之，张林，冯正华.西宁石膏岩对水工建筑物危害的探讨［J］.水文地质工程地质，1998(6):48－49

［5］洪文之，余旭.西宁石膏岩工程地质性质及对建筑物适宜性的探讨［J］.青海地质，1999(1):67－71

［6］高红波，梁卫国，杨晓琴，等.高温盐溶液浸泡作用下石膏岩力学特性试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2011，30(5):935－943