黄土地基浸碱变形的危害与防治

黄土地基浸碱变形的危害与防治 方案及对已被破坏建筑物的修复和加固措施。 关键词 地基 变形机理 碱液浸蚀 建筑物修复 TU 433 A 中图分类号 文献标识码 为了探讨地基土浸碱后的膨胀变形特征, 寻求加固处理 引言 对策, 进行了地基浸碱膨胀变形试验研究, 以及室内和现场浸 碱试验, 测定了膨胀率和膨胀力。 氧化铝生产过程中, 普遍存在碱液浸入地基的情况, 造成 地基膨胀变形, 轻者地面起鼓破坏, 重者建筑物基础抬升, 墙 1 浸碱前后土的物理力学性质 体破坏, 危及厂房安全, 造成停产事故。 Χd r av E s Ξ S 土样 通过对部分建筑物的变形观测、地基土物理力学指标检 0 ?s e - 1( ) (( ) () ) () % % ƒgcm M P aM P a测及化学成分分析, 发现造成建筑物地坪和结构破坏的主要 浸碱前 17. 7 1. 68 0. 605 79 0. 016 0. 25 6. 1 原因是由于碱液浸入地基土后, 在干湿交替和温度不断变化 的环境下, 碱和碱的生成物在浅部地基中结晶、溶解, 产生胀 浸碱后 15. 1 1. 82 0. 48 82. 5 0. 005 0. 035 42. 5 缩变形, 使上部结构遭受重复应力而致破坏。 ()1 碱液特性及其对地基上的浸蚀表 2 浸碱前后土的主要化学成份 ƒ gl 土样 烧失量 C aO M gO S iO 2 A l2O 3 F e2O 3 N a2O 1. 1 碱液化学成分 浸碱前 66. 98 11. 43 3. 03 6. 55 1. 30 1. 83 6. 42 造成地基变形的碱液主要是氧化铝生产过程中的母液跑 浸碱后 62. 98 11. 42 3. 21 7. 03 1. 42 3. 80 2. 60 冒外流, 渗入地下, 导致结构破坏。 其化学成分主要有氢氧化 ()(() )钠 、铝酸钠 ??2、碳酸钠 N aO H N a2O A l2O 3 H 2O N aCO 3 室内测试在压密仪中进行, 现场采用浸碱载荷试验。试验 () 和二氧化硅 等。S iO 2 结果表明, 膨胀率与时间、温度和外加压力的大小有密切关 1. 2 天然土的特性系, 其关系曲线如图 1、图 2 所示。 场地地处黄河左岸? - ? 级阶地的过渡带, 地层主要由 关系曲线膨胀力试验模拟建筑物基础状态, 分别在无侧 第四系冲洪积湿陷性黄土、非湿陷性黄土、粉土、粘性土和粉 限和有侧限条件下, 在连续浸碱状态下用压板试验测定其膨 细砂组成, 土的主要物理力学指标及化学成分见表 1、表 2。 () 胀力随时间的变化, 求得最大膨胀力。由 - 图 2所 曲线 ?ep Θ 1. 3 碱液对地基土的浸蚀 生产母碱主要通过地面、地沟、地坑、墙角、设备基础等部 位渗漏, 使地基土受到浸蚀, 物理力学性质和化学成份均发生 较大变化。 土样上部可见有轻微膨胀变形, 干重度增加, 力学 性能提高; 干燥后的土中 含量增大, 和 在碱 N a2O S iO 2 A l2O 3 液存在下受到溶蚀, 其含量降低。 2 地基土浸碱膨胀变形特征 2. 1 浸碱膨胀变形试验 图 1 黄土浸碱膨胀率 与时间 的关系曲线?ep t 3 作者单位: 河津市建筑工程总公司, 043300 河津市 收稿日期: 1999- 04- 16 3. 1 地坪的破坏特征 碱液浸入地基, 结晶膨胀, 因地面荷载较小, 在膨胀力作 用下, 首先出现裂缝; 这些裂缝又成为碱液浸蚀地基的主要通 道, 使地面裂缝纵横交错, 密如蛛网, 其特征是从某一点开始呈放射状分布, 最大宽度为 30, 最大错位为 40, 最大隆 mm mm 起高度约 300, 最大膨胀变形速度达 8. 1 ƒ月, 有 68% mm mm 的观测点变形速度超过 2月, 各点帄均膨胀速度为 3. 02 ƒmm 月, 部分地墙已丧失防护能力。ƒmm 3. 2 墙体裂缝变化特征 随着地基沉降和膨胀变形的交替, 墙体普遍出现裂缝, 以 “八”字形斜裂缝和竖向裂缝为主, 分布具有明显的规律性和 2 膨胀率 与压力 的关系曲线图 ?ep P e 对称性, 最大宽度 28, 主裂缝宽均超过 10, 且贯通墙体 mm mm 并错位。 表 3 现场压板试验结果 为进一步了解裂缝的发展、变化动态, 采用了 25 倍刻度 压板尺寸最大膨胀量最大膨胀力浸碱时间侧限状态 放大镜观测和石膏片监控裂缝变化。 初期裂缝开展是由于地 ()() () () ×dmm k P acm cm 15×15 有侧限 基 不 均 匀 沉 降 引 起 的, 最 大 变 化 速 度 为 0. 44ƒ月, 帄 均mm 214 1. 936 293 0. 18月, 裂缝以开裂发展为主。 裂缝开裂到一定程度后,ƒmm 15×15 有侧限 214 2. 926 170 呈相对稳定状态; 随后出现裂缝由大变小的趋势。观测中约有70. 7×70. 7 无侧限 275 0. 765 150 68% 的裂缝宽度在减小, 变化速度最大为- 0. 92 月, 帄ƒmm 均以- 0. 2mm 月的速度向闭合方向发展, 同时, 又有新的裂 ƒ得最大膨胀力是 480k P a, 采用帄衡法测得的最 大 膨 胀 力 是 缝出现。 525, 现场压板试验结果见表 3。k P a , 墙体裂缝变化过程大致经过裂缝开裂、发 观测结果表明 2. 2 地基土浸碱变形特征 展、相对稳定、日趋闭合、裂缝重分布等阶段。 通过化学分 析 以 及 射 线 衍 射 分 析、矿 物 红 外 光 谱 分 X 3. 3 建筑物的整体变形析、偏光显微镜和扫描电镜等分析手段, 对浸碱前后的土样进 地基受碱液浸蚀后, 建筑物会产生局部或整体变形, 发生 行了对比研究。从大量的分析结果可以确认, 黄土浸碱变形主 倾斜。 差异沉降高达 40. 5, 帄均倾斜度为 0. 24% , 最大倾mm 要是物理变化, 也伴随有化学作用过程。 斜度为 0. 31% 。变形采用 KON I007 精密水准仪和铟钢搭尺, 地基土浸碱后, 主要经过沉降变形和膨胀变形两个阶段。首先, 由于碱水的渗入, 使土的含水量加大, 地基土产生湿陷 用闭合法测定建筑物沉降量的方法来确定。观测结果是 27 个 并发生不均匀变形; 继而碱与土中游离状态的 、及 S iO 2A l2O 3 点全部为正值, 这表明观测期间地基膨胀, 建筑物上升; 最大 铝硅酸盐等微颗粒发生反应产生化学溶蚀, 使土粒失重、解 上升值为 44, 最大上升速度为 7. 74ƒ月, 帄均上升值为mm mm 体、孔隙增大, 力学性能降低, 地基下沉。上部结构产生变形应 17. 2月, 帄均上升速度为 3. 02月, 最小上升值为1. 8 ƒƒmm mm 力, 出现裂缝, 遭受破坏。随着碱液浸入量的增加, 碱液在土中 蒸发浓缩或因温度降低, 碱液溶解度下降时, 碱和碱的生成物 , 最小上升速度为 0. 32ƒ月, 观 测 期 间 建 筑 物 继 续 上mm mm 在浅部地基中结晶膨胀, 当结晶膨胀量较小时, 土体未受松动 升, 但速度有减小的趋势。破坏, 则地基强度提高; 当膨胀量较大时, 土体因膨胀而破坏 建筑物地基受碱液浸蚀后, 其整体变形大致经过下沉、稳 原有结构, 并导致上部结构变形破坏。 定、回复、上升等阶段, 当然, 碱液产生膨胀变形与其它事物一 通过对浸碱地基的实测, 发现在地面下 1范围内的土 m 样, 有发展和稳定的帄衡过程。但在不同的土质、不同的压力、体变得很松散, 且土体内夹杂着大量的结晶体, 体积密度为 不同碱液的作用下, 这个帄衡过程时间的长短及危害大小是 2 1. 45, 压缩模量为 3. 9, 其下面 1, 2范围内是 ƒgcm M P amm 一个需要进一步研究的课题。 土、碱及其生成物的夹杂层, 比较密实, 无湿陷性, 体积密度在 2 1. 60ƒ以上, 压缩模量 9. 0, 再下是原土地基, 体积密 gcm M P a2 4 地基浸碱变形的防治措施 度为 1. 52ƒ, 压缩模量 6. 4。这表明, 表层基土能量释gcm M P a 放后, 体积进一步膨胀, 土体结构受到破坏, 变成松散状态; 其碱液对地基土的浸蚀不仅使地基发生变形, 更严重的是 下土受到膨胀压力的挤压作用及孔隙被碱的结晶体和新生成 带来基础及上部结构的裂缝和破坏, 既影响生产, 又危及人民 物充填而变得更密实坚固。 生命安全。 因此, 要避免或减少碱液对地基的浸蚀, 首要条件 是杜绝碱液渗入地基, 或采取特殊处理, 使地基或基础能克服碱液引起的膨胀; 同时, 还要增大上部结构的强度和刚度, 以 抵抗附加应力和变形。 3 地基土浸碱变形的危害 4. 1 以防为主, 阻止碱液对地基土的浸蚀 地基变形的先决条件是生活、生产用水和生产中的碱液 地基土浸碱后, 在干湿交替和温度变化的影响下, 经历了 及雨水通过建筑物的下水道和地沟、散水和墙间缝隙、地面和 沉降和膨胀两个变形过程, 使建筑物产生破坏, 直观地体现在 () 地沟 坑、设备基础周围的施工缝、地坪和地沟裂缝等部位浸地坪和墙体产生裂缝及结构整体变形, 影响使用。 59 料, 可有效地改善混凝土内部的结构, 提高混凝土密实度和耐 , 即会开裂, 因此, 设计时应采取提高结构强 过结构抵抗力时 ( ) 碱 性 耐碱性一般可提高 25% 以上, 再 加 上 严 格 按 规 程 施 度和刚度的办法来克服变形应力, 确保结构安全。 一 是对新 () 工, 按要求设置施工缝, 即可避免碱液渗漏。 建建 构筑物, 宜采用延性较好的钢筋混凝土 ( )( ) 当 碱液在高温 60?以上、高浓度 30% 左右及干湿交 结构, 避免采用脆性结构, 首先要最大限度地利用地基土的承 替频繁作用时, 难以避免强度较大损失, 易造成破坏, 此时, 还 载力, 使基底压力尽量大, 试验表明, 外力越大, 膨胀力越小。 () ( 应采用复合防腐面层。新试验成功的聚合物水泥沙浆 当 基底压力与膨胀力帄衡时 建筑物基底压力达到 200PM M k P a ( ) ) 就是在沙浆中掺入聚合物乳胶 氯丁胶为主配制而成, 从而 时, 结构处于稳定状态。但该方法是不是一种好办法, 还应进 改变普通水泥沙浆的各项性能, 使其抗折强度约提高 10%, 一步验证。由于地基和结构处于沉降和膨胀两种变形状态下, 15% , 粘结性能提高 100% , 抗渗性能成倍增加, 抗冲击韧性 而仅考虑其抵抗膨胀力, 势必会加大附加沉降, 同样不利于安 提高 3, 4 倍, 耐磨率可提高 2 倍左右, 耐碱性能提高约 20% 全。 另外, 沉降和膨胀均产生在地基土的浅部, 故可采用加大 , 30% 。 因此, 在耐磨工程上采用复合防腐面层, 可避免高浓 基础埋深或采用桩基, 使持力层范围内的土不受或少受碱液 度碱液对混凝土的直接腐蚀, 从而保护和提高混凝土的耐久 浸蚀, 避免变形; 同时桩可起双重作用, 在上部载荷作用下起 性。 支承作用, 当受膨胀力时, 可起锚固作用以帄衡各种外力, 是 二是选择合理的耐碱嵌缝材料。 嵌缝材料是氧化铝厂混 较好的基础方案。 凝土地面防腐蚀的重要一环, 常用的聚氯乙烯胶泥具有较好 二是对已出现裂缝的建筑物, 可对上部结构和基础分别 的延伸率和耐碱性, 但其与混凝土的连接不理想, 在工程上质 加固, 对墙体裂缝多采用夹板墙处理, 即在原墙体内外两侧各 ) (3是以有机粘和 - 量无法保证。新研制的耐磨嵌缝胶泥 加固 100mm 厚 C 20 细石混凝土, 内配 5 6@ 200 双向钢筋网,L ST 且内外钢筋网用 6@ 500 的钢筋拉结成整体, 加固效果十分 剂、增韧剂、防老剂以及氯丁改性剂和填料复合而成的冷用膏 5 状材料, 具有耐碱防水性能优良、粘结性能强、延伸率高、表面 显著。 对基础的加固, 可采用托换法处理, 像树根桩、旋喷桩、 () 静力压桩 混凝土桩或钢管桩等方法, 并使基础和桩相连接,能自行结皮封膜、施工简便等优点。 从工程使用情况来看, 无 一发生脱落现象, 表明该产品是可靠的。 共同承担应力。总之, 氧化铝厂湿法车间碱液对地基危害是很大的, 它不 三是增设多孔材料垫层, 延缓膨胀变形发生。在混凝土地 仅使地基土产生沉降变形, 而且危及上部结构安全, 影响正常 ( ) 坪底部设置一定厚度的多孔材料 如碎石等垫层, 使碱液的 生产和工人安全。但只要能加强管理, 采取科学的建筑和结构 生成物和结晶体在垫层的孔隙中沉积而不发生体积变化, 从 措施, 实践证明都是可行的, 在工程中可以选择使用。 而起到了消减和延缓膨胀变形的作用。同时, 下部再设置密实 Ha rm f uln e ss an d Preven t ion of L oe ss Foun da t ion ’ s D ef orm a t ion Ca used by Corro s iven e ss of Soa k in g in A lka l in e L iqu id Zhan g Ka ishen g A BSTRACT A n a ly sin g o n th e situ a t io n o f th e fo u n da t io n defo rm a t io n in A lum in ium O x ide P lan t cau sed b y , co r ro siven e ss o f so ak in g in a lk a lin e liqu id an d o n th e m ech an ism o f th e defo rm a t io n f in d in g o u t th e m a in , rea so n s w h y th e dam age o f th e b u ild in g h a s b een cau sedp u t t in g fo rw a rd bo th a rch itec tu ra l an d stu ru c tu ra l , p lan s sho u ld b e tak en fo r n ew b u ilt b u ild in g s u n de r th is en v iro nm en tan d advan c in g bo th reno va t in g an d re2 in fo rc in g m ea su re s fo r th e dam aged b u ild in g s. reno 2 KEY W O RD S fo u n da t io n m ech an ism o f defo rm a t io n co r ro siven e ss o f so ak in g in a lk a lin e liqu id va t io n o f b u ild in g s