李科學(xué)，陽凌峰，王新榮

(中冶成都勘察研究總院有限公司，四川成都610023)

近年來，由于成都市南部地區(qū)大量高(超)層建筑修建，基坑越挖越深，以基巖作為基礎(chǔ)持力層的地基越來越多，而基巖中淺埋的含泥質(zhì)石膏巖對(duì)工程建設(shè)的危害不斷凸顯，應(yīng)逐漸引起廣泛的重視。

國內(nèi)關(guān)于石膏巖的研究成果相對(duì)較少，早期多集中在石膏巖成因及賦存規(guī)律研究，近幾年，部分學(xué)者針對(duì)石膏巖溶蝕特性開展過有針對(duì)性的研究，但對(duì)本區(qū)域系統(tǒng)定量分析的研究成果甚少。本文主要以試驗(yàn)手段為依托，對(duì)工作區(qū)石膏巖水理性、膨脹特性及腐蝕特性進(jìn)行了較為詳細(xì)分析。

1 含泥質(zhì)石膏巖分布概況

成都市南部地區(qū)地處四川紅層盆地成都平原的南邊緣，為岷江水系沖洪積Ⅱ級(jí)階地，上部為第四系上更新統(tǒng)沖洪積的松散堆積層，下部分布巖層為中生界白堊系湖相、河湖相沉積巖層。工程建設(shè)中涉及的巖層年代主要為白堊系上統(tǒng)灌口組(K2g)，根據(jù)區(qū)域勘探資料和已有建筑鉆孔資料，成都南部地區(qū)石膏巖普遍埋深介于25～40 m以下，層厚度大于30 m，石膏巖上部分布為厚度介于5～15 m厚的泥巖。

2 含泥質(zhì)石膏巖物理化學(xué)特征

巖石斷面呈灰白色、白色夾紫紅色，具結(jié)晶粒狀結(jié)構(gòu)，斷面可見薄的紋層狀構(gòu)造。平均干密度2.76 g/cm3，平均天然密度2.38 g/cm3，平均含水率為12.54%，平均吸水率18.25%，平均飽水率19.01%，平均飽水系數(shù)0.96，崩解指數(shù)65.23。對(duì)巖樣進(jìn)行X－衍射礦物成分分析，鑒定其主要造巖礦物為石膏，含量達(dá)到70%左右，同時(shí)含有水云母等泥質(zhì)物(約占30%左右)。

3 含泥質(zhì)石膏巖溶蝕性

室內(nèi)試驗(yàn)將多塊石膏巖置于相同體積的水中，在不同的時(shí)間取出，稱量各試樣質(zhì)量及測試各溶液中離子濃度的變化。實(shí)驗(yàn)前可溶鹽化學(xué)成份分析結(jié)果如下表1。

常溫下，試樣石膏巖樣品約3 g左右，純凈水體積500 ml，浸泡時(shí)間 2 d、4 d、6 d，浸泡試驗(yàn)結(jié)果如下表 2。

從下表 1、表2中，石膏巖溶蝕速率介于 0.00783～0.01183 g/cm2.d，說明靜水環(huán)境下溶蝕速度非常緩慢，在溶解過程中，Ca2+溶解速度較其它離子快，隨著時(shí)間推移，離子濃度逐漸增加，除之外其它陽離子增加緩慢。在靜水環(huán)境條件下，初期Ca2+溶解速度很快，隨著時(shí)間延長變得越來越慢，可能是因?yàn)殡S著離子濃度逐漸增加，由于同離子效應(yīng)原理，抑制了石膏巖溶解速度，當(dāng)溶液達(dá)到飽和后，溶解也會(huì)停止。

表1 石膏巖可溶鹽化學(xué)分析結(jié)果表

表2 浸泡溶液試驗(yàn)結(jié)果成果表

4 含泥質(zhì)石膏巖的膨脹性

石膏巖遇水發(fā)生水化作用，轉(zhuǎn)變?yōu)楹瑑蓚€(gè)結(jié)晶水的石膏，在這過程中體積增大，具膨脹性質(zhì)。根據(jù)現(xiàn)場采取的室內(nèi)試驗(yàn)樣品(表3)，常溫下天然狀態(tài)下，含泥質(zhì)石膏巖不具膨脹性。

表3 膨脹性判別表

在有水接觸條件下，根據(jù)國內(nèi)有關(guān)文獻(xiàn)［1、2］，水化膨脹率與膨脹力與巖體初始干密度及其吸水性近似成正比關(guān)系，石膏巖水化膨脹過程十分緩慢，隨著時(shí)間推移，膨脹力仍然在緩慢地增長，水化膨脹后，其體積可增加30%左右。膨脹力可達(dá)到584～840kPa。

5 含泥質(zhì)石膏巖腐蝕性

與石膏巖接觸的水中含有相當(dāng)數(shù)量的硫酸根離子，因而具有硫酸鹽侵蝕。根據(jù)幾個(gè)勘察工程中采取的石膏巖樣品進(jìn)行室內(nèi)易溶鹽試驗(yàn)試驗(yàn)，試驗(yàn)依據(jù)《鐵路工程巖土化學(xué)分析規(guī)程》(TB 10103－2008)。其中 SO2－4數(shù)值介于4 760.45～6 460.61 mg/kg，Mg2+數(shù)值介于 12.18 ～ 60.72 mg/kg，Cl－1數(shù)值介于100.39～143.70 mg/kg，pH值為 7.0～7.8。依據(jù)GB5 0021－2001(2009年版)第12.2節(jié)評(píng)價(jià)，含泥質(zhì)石膏巖對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)烈腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋有微腐蝕性。

6 含泥質(zhì)石膏巖力學(xué)強(qiáng)度

根據(jù)多個(gè)勘察工程室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，石膏巖樣品實(shí)驗(yàn)室力學(xué)指標(biāo)測試結(jié)果如下表4。

試驗(yàn)表明石膏巖在飽和狀態(tài)是一種易軟化的軟巖(單軸抗壓強(qiáng)度大于5MPa)，巖體基本質(zhì)量等Ⅳ級(jí)。巖石抗剪強(qiáng)度內(nèi)聚力C平均值為1.3 kPa，內(nèi)摩擦角為40.5°。巖體完整，屬中～微風(fēng)化巖石。

在常溫條件下，對(duì)含泥質(zhì)石膏巖分別作浸水7 d和14 d后的飽和單軸抗壓強(qiáng)度，7 d后飽和單軸抗壓強(qiáng)度降幅12.3% ～15.6%，14 d后飽和單軸抗壓強(qiáng)度降幅25.7% ～30.3%，相信隨著時(shí)間的持續(xù)，其力學(xué)強(qiáng)度還會(huì)進(jìn)一步下降。

表4 巖石力學(xué)參數(shù)一覽表

7 含泥質(zhì)石膏巖對(duì)建筑物地基影響分析及防治措施

綜合上述試驗(yàn)結(jié)論，從成都市南部地區(qū)含泥質(zhì)石膏巖實(shí)際埋藏條件，作為建筑物地基有如下特點(diǎn)。

(1)整體性:石膏巖在地下深處環(huán)境中整體處于封閉，上覆泥巖和石膏巖滲透系數(shù) K≤1×10－5cm/s，根據(jù)文獻(xiàn)資料［3］，當(dāng)滲透系數(shù)為1×10－4cm/s時(shí)，溶液中離子濃度趨近于飽和，溶蝕速度會(huì)減停下來，即溶蝕終止。結(jié)合鉆探巖芯資料，處于封閉環(huán)境中的石膏巖未見溶蝕痕跡。

(2)易溶性:具有較高的可溶性。若基坑開挖后，大面積石膏巖出露，與水長期充分接觸條件下，形成溶蝕的孔洞或溶蝕的通道，會(huì)破壞地基結(jié)構(gòu)。長時(shí)間浸水條件下，石膏巖的力學(xué)強(qiáng)度也會(huì)除低。

(3)鹽脹性:常溫短期內(nèi)，含泥質(zhì)石膏巖不具膨脹性。但有水長期接觸條件下，石膏巖水化膨脹現(xiàn)象明顯，易造成基礎(chǔ)上拱。

(4)腐蝕性:進(jìn)入水中的硫酸鹽，與混凝土的礦物成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生強(qiáng)烈腐蝕破壞。

(5)力學(xué)強(qiáng)度較高:常溫下，天然單軸抗壓強(qiáng)度平均值7.6 MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值5.7 MPa，而該區(qū)域內(nèi)泥巖天然(飽和)單軸抗壓強(qiáng)度小于5 MPa，力學(xué)強(qiáng)度較高，可作為高層(超高層)建筑物天然地基及樁基礎(chǔ)持力層。

基于上述，對(duì)含泥質(zhì)石膏巖地基提出如下防治措施:

(1)基坑開挖至預(yù)計(jì)標(biāo)高時(shí)，應(yīng)預(yù)留30～40 cm的保護(hù)層，分段分批清理保護(hù)層，短時(shí)間內(nèi)及時(shí)澆注混凝土墊層進(jìn)行封閉，防止長時(shí)間暴露，使石膏巖地基處于封閉環(huán)境。

(2)大面積基坑開挖后，嚴(yán)禁地下水及地表水滲入，保持基礎(chǔ)施工時(shí)基坑干燥。對(duì)樁基礎(chǔ)采用干作業(yè)施工。

(3)由于該地區(qū)石膏巖具有強(qiáng)腐蝕性，對(duì)混凝土采用抗硫酸鹽水泥。同時(shí)控制澆注混凝土?xí)r水化熱溫度。

(4)建筑物施工和使用過程中，注意完善防水和排水系統(tǒng)，特別防止地下室外墻回填部位積水。

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