某场地建筑物灰土换填地基隆胀原因分析研究

李晓龙，马自强，张秦琦，张森安，

（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.中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

1 概述

换填垫层是对中、低层建筑物存在的湿陷性、盐渍土等特殊土广泛采用的地基处理方[1]。5000年前大地湾遗址的：“F901”宫殿式建筑主室，地面用厚0.2m料礓石混合土铺成，料礓石用白灰粉饰，柱子均用块状的石柱基础支垫，表明石灰使用历史远久。现代用灰土换填地基在土木工程领域中，作为基础的垫层、地基等应用广泛。灰土则是以消石灰与土料按照一定比例拌和形成人工改良材料；作为回填料通过人工或机械分层压实换填不良地基土而形成基础的换填地基。通常灰土是由消石灰、土料和水三种物质结合，其水化作用产生胶结体物质，压实使得灰土具有较高的强度、较好的抗渗性能，俗称灰土板结作用。灰土不仅垫层、换填地基的材料，同时也应用于地基处理加强体回填料、地基加固等方面，还可以作为一种较好的防渗材料用在工程中，具有一定的水稳性和抗渗性。

灰土换填地基是一种应用安全、经济、适用的地基处理方法[2-3]，在甘肃、青海等地区湿陷性黄土场地工程广泛应用，取得良好效果，保证工程安全。而在近年来，灰土换填地基、灰土换填的房心土层频繁出现工程问题与工程安全事故，如甘肃某机场航站楼灰土垫层鼓胀造成室内地面变形、开裂；某文物建筑群场地整修室外地坪、道路其灰土垫层鼓胀产生错台、变形；某锅炉房灰土换填地基的不均匀膨胀等；都已导致地坪隆胀破裂、建筑物发生倾斜等诸多问题。以青海某场地建筑物灰土换填地基隆胀病害探测成果和监测资料的工程实践，通过灰土、石灰、原土的矿物成分和含盐量测试，以及温度、水分等环境条件变化下其物理力学性质指标与盐胀系数变化，分析研究该场地灰土换填地基隆胀的原因及影响因素，对同类灰土土体与地基的隆胀变形预防和治理具有借鉴意义。

2 工程概况及病害

2.1 工程概况

工程场地位于青海海东市平安区，工程建设有1层资料库、3层办公楼等建筑物，2014年3月开始施工，当年年底完成施工。资料库及综合办公楼平面呈矩形，占地面积分布168m×30m、45m×15m，上部结构为框架结构，基础为柱下独立基础，基础埋深-1.5m；资料库屋面为轻钢网架，柱高7.65m，柱截面尺寸为500mm×500mm，室内均设置有800mm承重混凝土层；地基采用以场地原土与石灰拌和三七灰土整片换填垫层处理，换填厚度为4m，换填外扩宽度是处理厚度1倍，压实系数为0.97。道路与室外散水原设计标高基本一致，资料库结构横断面示意图见图1。

图1 资料库结构横断示意图（单位：mm）

该场地处于湟水阶地与黄土丘陵结合地带，地形总体为西北高、东南低。场地土主要由素填土、黄土状粉土、卵石、强风化泥岩组成，黄土状粉土全场地分布，其厚度1.90～7.80，属湿陷性轻微，地基的湿陷性等级为I级非自重湿陷，其压缩系数a1-2平均值为0.19MPa-1，属中等压缩性土；无地下水。

2.2 工程病害

通过现场调查与量测，室外四周及散水部位隆胀现象明显，室外比室内隆胀变形大，北侧比南侧、东侧比西侧隆胀严重，中心部位隆胀较小，隆胀变形最大处位于资料库的东北角；资料库室内地坪隆胀四周大、中间小，呈锅底状；部分柱下独立基础隆胀较为严重，导致柱子顶梁弯曲开裂与屋面网架节点开裂、错位，墙体出现产生上下贯通八字形裂缝。室外散水局部变形超过了70cm；路灯向北倾斜，散水外侧与其相邻道路呈斜坡状。资料库室内外变形现状见图2。

图2 室内地坪与室外隆胀变形现状

发现资料库地基与上部结构变形后，2017年进行了纠偏加固，但加固完成后依旧有膨胀变形。2017年10月～2018年3月监测资料库北侧柱的最大隆胀变形达52.5mm、最小11.8mm。2017年以来资料库南北侧的墙角地坪总体变形如图3所示。

图3 资料库南北两侧墙角地坪变形量

综合办公楼处于资料库南侧，未进行过维护加固，室内地坪隆胀表象严重，地砖胀裂，墙体普遍产生八字形裂缝；门窗变形严重，无法正常开闭；南北两侧隆胀严重，中间相对隆胀量较小，办公楼室内变形现状见图4。

图4 综合办公楼室内变形现状

3 地基土测试与试验

采取场地原土、地基灰土的不扰动土样和代表性扰动样，进行物理力学性质试验、易溶盐、膨胀率、XRD衍射等试验。

3.1 原土、灰土物理力学性质

探井内采取近百件不扰动样，地基土物理力学性 质见表1。

表1 地基土物理力学性质表

场地原土为稍湿，孔隙比较大，中压缩性土；灰土为湿—饱和状，孔隙比是原土1倍，高压缩性土。换填灰土地基土隆胀量与含水率规律性明显，膨胀现象越明显，灰土含水率越大、干密度越小。

通过击实试验分析，原土最优含水率18.2%，最大干密度1.71g/cm3；而换填地基的灰土最优含水率43.3%，最大干密度1.20g/cm3，最优含水率异常偏大，最大干密度密度异常偏低。

3.2 地基土易溶盐与盐胀试验

地基土百余件试样的易溶盐测试，其各离子与总含盐量测试结果见表2。

表2 地基土易溶盐测试成果表

原土易溶盐含量随深度增加而逐渐减小趋势，灰土换填地基中易溶盐含量与深度没有相关性。地基土易溶盐按盐的化学成分分类为亚硫酸盐和硫酸盐；经配盐，地基土易溶盐以硫酸钙（CaSO4）、硫酸镁（Mg⁃SO4）为主，碳酸氢钙Ca(HCO3)2、氯化钠（NaCl）次之。

对场地原土试样进行盐胀系数测定[3]，在含水量（13%～20%）和温度（+20℃～-20℃）变化条件下，盐胀系数最大值为2%～4%。

3.3 地基土矿物成分试验

场地原土、灰土以及灰土中白色块状物体进行了XRD衍射试验进行矿物成分分析。灰土中除存在一般的SiO2（石英）、CaCO3（长石）、KAl2(Si3AlO10)(OH,F)2（云母）外，还有较多的矾类矿物，灰土中矾类矿物矿物成分见表3。

表3 灰土增加的矿物成分及含量表

灰土中存在的NH4Fe(SO4)2·12H2O（铁铵矾）、KAl（SO4）2·12H2O（钾明矾）、(NH4)Al(SO4)2·12H2O（铵明矾）等矿物，其含量较高，该类矿物具有强烈的吸水性和吸水膨胀性。

同时，灰土中夹有的白色块状物体主要矿物成分为：CaO（生石灰）、CaCO3（石灰石）、SiO2（石英）、KAl2(AlSi3O10)(OH,F)2（云母）与NaAlSi3O8（长石）；块状物中CaCO3（石灰石）占比达到72%～98%，表明灰土中含未消熟的生石灰和未煅烧完成石灰原矿物杂质。

4 地基隆胀病害分析

通过建筑物与周边的隆胀调查量测，以及场地原土、地基灰土物理力学性质、易溶盐、矿物成分等测试试验，结合场地环境条件进行灰土地基产生隆胀病害分析。

4.1 灰土地基施工控制影响分析

根据该工程设计文件和地基验收资料，换填地基的压实系数0.97，干密度达1.65g/cm3。在场地及建筑物内外开挖探井及加固施工巷道刨验，换填地基灰土中含大量石灰颗粒及石灰块体，地基灰土局部集中或零星分布3～5cm白色块状物和团粒，散发出刺激性气味，最大石灰粒径可达10cm以上，具有未消化或熟化石灰块。同时其块状物矿物成分主要为CaCO3（石灰石）原矿物杂质和团粒的CaO（生石灰），换填地基灰土中，存在大量未消熟石灰和未煅烧完成的石灰石。换填地基刨验的灰土见图5。

图5 换填地基土刨验的灰土

2021年隆胀区域检测换填地基灰土干密度为1.26g/cm3，压实度仅约0.74，反映了灰土地基在施工结束后曾发生了强烈的膨胀。表明换填地基的石灰为按规范要求进行熟化，石灰残渣及质量不符合规范要求；生石灰（CaO）遇水消解的熟化过程中，体积可膨胀约一倍，造成灰土膨胀，使换填地基灰土干密度降低。生石灰是该灰土换填地基隆胀的基础和内因之一。

4.2 换填地基灰土的矿物成分及膨胀分析

换填地基的灰土与场地原土矿物成分对比，在灰土中增加了原土没有的NH4Fe(SO4)2·12H2O（铁铵矾）、KAl（SO4）2·12H2O（钾明矾）、(NH4)Al(SO4)2·12H2O（铵明矾）等矾类矿物，该类矿物具有强烈的吸水性和膨胀的作用，改变了灰土的性状和物理力学性质，隆胀不同部位换填地基灰土含水率及干密度的变化见表4。

表4 不同部位换填地基灰土含水率及干密度变化表

建筑物地基含水量外侧高于内部，地基含水量变化与地基隆胀大小相对应，与地基隆胀变形特征一致，地基隆胀量大小与含水量密切相关；地基土隆胀变形大小与地基土含水率规律性明显，含水率越大，地基隆胀变形越大，土体干密度越小。

换填地基的灰土含水量达70%，现场开挖刨验表观为稍湿、疏松状，同时换填地基中的灰土最优含水率达43.3%，最大干密度仅1.20g/cm3，表明换填地基灰土所增加的矾类等矿物，改变了灰土性质与物质组成；形成膨胀的化学性。同时换填地基的灰土吸附水分，矾类矿物形成结合水、吸附水，土体膨胀可达数倍，是换填地基隆胀主因的主要原因之一。

4.3 地基土易溶盐含量特征及盐胀分析

场地原土易溶盐总量0.15%～1.42%，灰土易溶盐总量约0.13%～1.72%；地基土易溶盐按盐的化学成分分类为亚硫酸盐渍土和硫酸盐，具有膨胀性易溶盐盐类含量见表5。

表5 地基土硫酸盐类含量表（单位：%）

灰土中易溶盐的硫酸盐盐类含量小于原土，灰土中石灰与原土中未发生硫酸盐类的化合反应，硫酸钠（Na2SO4）的含量远小于1%。

通过盐胀系数测定试验，在未考虑上覆压力情况下，现状条件下场地内盐渍土最大盐胀量为42.5mm，远小于地基的膨胀量，表明地基土盐胀是隆胀的非主因。

5 结语

（1）地基土的矾类矿物、硫酸盐类膨胀具有聚集增加特征，随着水分迁移膨胀不断增加。本工程地基主要由灰土中矾类矿物、灰土中生石灰吸附水造成了地基隆胀。

（2）地基隆胀病害与地基含水量密切相关，且呈正相关性。场地地表水入渗与水分的迁移，使地基土矾类矿物与未完全熟化的石灰的吸水作用，形成矿物结合水造成了自身的膨胀。

（3）本工程换填地基的灰土所增加的矾类等矿物，改变了灰土性质与物质组成；形成膨胀的化学性。矾类等矿物与水作用形成结合水，灰土表现为稍湿物态，但干密度大幅度降低；同时具有矾类矿物的灰土压实的最优含水量大幅度增加、最大干密度降低。

（4）近年甘肃、青海等地区灰土地基隆胀病害已成为工程地基的严重问题，危及工程安全。但灰土换填地基在工程中应用极为广泛，在控制施工质量、石灰质量的同时，需深层次研究灰土换填地基隆胀病害的机理和环境影响因素。