天水分輸氣壓站站場黃土狀土的工程地質(zhì)特性研究

李 葉，彭紀偉，周建中，任天勇，李 真

(1.四川省水利水電勘測設(shè)計研究院，成都，610072;2.四川省水利職業(yè)技術(shù)學院，

四川 都江堰，611830;3.四川省交通廳交通設(shè)計研究院，成都，610071)

1 概況

天然氣中衛(wèi)——貴陽聯(lián)絡(luò)線起自寧夏中衛(wèi)，經(jīng)甘、陜、川、渝，止于黔之貴陽，干線全長1647km，設(shè)計輸氣能力150×108m3/a，設(shè)計壓力10MPa，管徑1016mm。天水分輸氣壓站站場處于甘肅省天水市秦州區(qū)天水鎮(zhèn)龍頭寺村、王家村與隴南市禮縣鹽關(guān)鎮(zhèn)羅堡村，位于位于嘉陵江一級支流西漢水河右岸Ⅰ級階地，第四系松散堆積層厚度達25m～30m，下伏老第三系(E)泥巖。站場表部均分布有9.5m～16.4m厚的黃土狀粉土和黃土狀粉質(zhì)粘土，對其物理力學性質(zhì)進行研究，無疑具有重要的意義。

站場大地構(gòu)造位于秦嶺造山帶，南側(cè)為摩天嶺地塊、丹巴逆沖——滑脫帶，北側(cè)為祁連山造山帶，南側(cè)分界斷裂為武都——略陽斷裂，北側(cè)分界斷裂為西秦嶺北緣斷裂帶。秦嶺造山與祁連山造山帶是揚子陸塊與華北陸塊分界的結(jié)合帶，歷經(jīng)了漫長而復雜的構(gòu)造變形過程。在構(gòu)造體系上，場地位于天水——西禮盆地，地質(zhì)構(gòu)造屬于西秦嶺山間斷陷盆地。在下古生代時期為北部海西冒地槽褶皺帶，經(jīng)過加里東期和海西寧運動后就形成了天水——西禮盆地，以后又經(jīng)歷過多次構(gòu)造運動，形成了沿河兩岸的階地和山地地形。場地地震動峰值加速度為0.30g，相應地震基本烈度為Ⅷ度。

2 站場地層結(jié)構(gòu)及土性特征

2.1 地層結(jié)構(gòu)

根據(jù)勘察成果和土性特征，將第四系松散堆積層從上至下分為四個工區(qū)層(①～④層):①層黃土狀粉土(厚5.2m～11.8m);②層黃土狀粉質(zhì)粘土(厚2.0m～4.6m)、③層粉質(zhì)粘土(厚2.0～4.1m，含礫砂和粉土透鏡體)和④層圓礫(厚7.1m～9.5m，含粉質(zhì)粘土和粉土透鏡體)。③層粉質(zhì)粘土和④層圓礫均不屬黃土類土，均不具濕陷性。

2.2 黃土狀土的土性特征

2.2.1 黃土狀粉土。褐黃色～褐灰色，稍濕～濕，以稍密為主，局部中密，厚5.2m～11.8m，層底高程1526.34m～1531.71m，占場北側(cè)厚南側(cè)薄，層底由北向南傾斜。土中小孔隙較發(fā)育，偶見有碎石、鈣質(zhì)結(jié)核、灰白色絲狀及團塊狀鹽漬土，鉆探揭露局部粘粒含量較高，呈透鏡體狀。隨著深度的增加含水量漸增，屬高壓縮性土。

2.2.2 黃土狀粉質(zhì)粘土。褐黃色，局部褐灰色，濕，可塑狀，厚0.0～4.6m，層底高程1526.01m～1529.07m，孔隙少見，隨著深度的增加含水量漸增，屬中等壓縮性土。

3 黃土狀土的物理力學性特征

3.1 黃土狀土的物理性質(zhì)

在豎井中取原狀樣(黃土狀粉土13組、黃土狀粉質(zhì)粘土14組)27組，室內(nèi)進行物性試驗。成果見表1。

表1 土體物性試驗成果統(tǒng)計

由表1可知，黃土狀粉土粘粒含量6.4%～9.8%，天然含水量19.6%～21.3%，干密度1.38g/cm3～1.49g/cm3，孔隙比0.91～0.99，液限26.7%～34.9%，塑限18.0%～24.0%，塑性指數(shù)8.7～10.9。黃土狀粉質(zhì)粘土粘粒含量31.0%～36.3%，天然含水量25.8%～29.3%，干密度1.41g/cm3～1.54g/cm3，孔隙比0.78～0.85，液 限34.0% ～35.6%，塑 限18.6% ～22.1%，塑性指數(shù)13.5～15.8。

3.2 黃土狀土的力學特征

勘察在豎井中取原狀樣(黃土狀粉土13組、黃土狀粉質(zhì)粘土14組)27組進行室內(nèi)試驗，并在鉆孔中進行連續(xù)標準貫入試驗，求?、賹狱S土狀粉土和②層黃土狀粉質(zhì)粘土的力學參數(shù)(見表2、表3)。

表2 土體標準貫入試驗成果統(tǒng)計

表3 土體力學試驗成果統(tǒng)計

3.3 黃土狀土的剪切波速

選取代表性鉆孔zk2、zk7、zk12、zk16、zk18進行剪切波速測試，采用瞬態(tài)面波表面波測試法，測試偏移距為1m～6m，12道接收，道間距為1m，大錘激發(fā)。資料整理及解譯用Georaw軟件進行處理。在時域內(nèi)調(diào)入面波數(shù)據(jù)資料，利用時間域加窗的方法提取瞬態(tài)面波(面波記錄及框選)，瞬態(tài)面波f－k域內(nèi)拾取最大能量團中的峰值線(頻散曲線及框選)，瞬態(tài)面波的H－V域內(nèi)進行速度分層、正演擬合、計算層速度等(解譯成果)，并根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011－2008)求土體的等效剪切波速(試驗成果見表4)。

3.4 黃土狀土的承載力及動力參數(shù)的確定

3.4.1 天然地基承載力特征值

根據(jù)室內(nèi)巖土體物理力學性質(zhì)指標試驗成果、現(xiàn)場原位測試成果，并結(jié)合同類場地工程綜合分析，黃土狀土的天然地基承載力特征值建議如下:

表4 土體的剪切波速測試成果

黃土狀粉土:fak=120kPa

黃土狀粉質(zhì)粘土:fak=160kPa

3.4.2 地基土動力參數(shù)

擬建的壓縮機裝置區(qū)為動力基礎(chǔ)，根據(jù)土層物理力學試驗成果和剪切波速測試成果資料，地基土動力參數(shù)建議值如下:

地基土波速:場地厚度加權(quán)波速Vs=182.6m/s。

地基土動彈性模量:Ed=193.4MPa。

地基土動剪變模量:Gd=66.69MPa。

動泊松比:rd=0.45;

抗壓剛度系數(shù):

①層黃土狀粉土:Cz=31000;

②層黃土狀粉質(zhì)粘土:Cz=40000;

樁基礎(chǔ)樁周土層和樁尖的當量抗剪剛度系數(shù)Cxh、樁尖土當量抗壓剛度系數(shù)Czh建議采用值:

①層黃土狀粉土:Cxh=15000kN/m3～25000kN/m3;Czh=800000kN/m3;

②層黃土狀粉質(zhì)粘土:Cxh=10000kN/m3～15000kN/m3;Czh=600000kN/m3;

天然地基阻尼比建議值:垂向Dz=0.15;水平回轉(zhuǎn)向第一、第二振型阻尼比Dxψ1=0.08，Dxψ2=0.12，扭轉(zhuǎn)向Dxψ=0.12。

樁基阻尼比建議值:垂向Dz=0.20，水平回轉(zhuǎn)向第一、第二振型阻尼比Dxψ1=0.12、Dxψ2=0.20、扭轉(zhuǎn)向Dxψ=0.20。

4 黃土狀土的濕陷性計算與評價

4.1 黃土狀土的濕陷性判斷

根據(jù)試驗成果，按照《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB50025－2004)中黃土濕陷性判斷標準(濕陷性系數(shù)＞0.015)、1997年陳祖典的《黃土力學與工程》中甘肅天水地區(qū)黃土的濕陷性經(jīng)驗判定參數(shù)進行判斷(見表5)。

頒獎典禮上，最大的主角還是來自全國各地的明星阿姨們。站在聚光燈下，阿姨們感情真摯的獲獎感言，贏得了現(xiàn)場與會人員的陣陣掌聲。聽到宣讀自己的名字，來自福建廈門的盛海霞興奮不已。站在領(lǐng)獎臺上，她激動地說“非常感謝蘭心獎給我們阿姨一個展示自己的舞臺。360行，行行出狀元。今后，我對我從事的職業(yè)會更加感到自豪。我要用自己的案例告訴身邊的朋友：一定要用心做事，甘于奉獻。”

根據(jù)表5可以判定，場地內(nèi)分布的黃土狀粉土具有濕陷性和自重濕陷性，而黃土狀粉質(zhì)粘土不具有濕陷性和自重濕陷性。

表5 黃土狀土的濕陷性判定

4.2 濕陷性計算

濕陷性計算按照《工程地址手冊(第四版)》、《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB50025－2004)和《黃土力學與工程》中推薦的黃土濕陷性計算公式計算。濕陷性黃土場地自重濕陷量Δzs的計算值公式:

式中:δzsi——第i層土的自重濕陷系數(shù)(小于

0.015m土層不累計);

hi——第i層土的厚度(mm);

β0——修正系數(shù)，取1.50。

濕陷性黃土場地地基濕陷量Δs的計算公式:Δs=Σn

i=1βδzsihi

式中:δzsi——第i層 土 的 濕 陷 系 數(shù)(小 于

0.015m土層不累計);

hi——第i層土的厚度(mm;

β0——修正系數(shù)，基底下0～5m取1.5，基底下5～10m取1.0，10m以下取1.5;

黃土自重濕陷量(Δzs)和地基濕陷量(Δs)計算成果見表7。

表6 濕陷性黃土濕陷等級判別

表7 黃土狀粉土自重濕陷性、地基濕性計算成果

公式中自重濕陷量從地表起算，地基濕陷量計算起算高程為地面下1.5m。

4.3 黃土狀土的濕陷性評價

根據(jù)土工試驗成果，場區(qū)分布的黃土狀粉土具有濕陷性和自重濕陷性，而黃土狀粉質(zhì)粘土不具有濕陷性和自重濕陷性。自重濕陷性土層的分布深度一般為3m～7m，濕陷性土層的分布深度一般為5.0m～10.1m。按照《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB50025－2004)，自現(xiàn)地面開始計算的自重濕陷量(Δzs)為57mm～264mm，大部分屬自重濕陷性場地，故擬建場地屬于自重濕陷性黃土場地。

場地建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)埋深一般1.50m，按規(guī)范計算的地基濕陷量(Δs)為174mm～322mm，黃土地基濕陷等級為Ⅰ級(輕微)～Ⅱ級(中等)。根據(jù)場地地形地貌和區(qū)域地質(zhì)資料分析，以《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》和穿透濕陷性土層的鉆孔資料為依據(jù)，建議建(構(gòu))筑物地基的濕陷等級按Ⅱ級(中等)設(shè)防。

5 站場基礎(chǔ)形式及地基處理

5.1 基礎(chǔ)型式

根據(jù)場地地層、巖性及其物理力學性質(zhì)、地下水埋深等條件，建議場地內(nèi)建筑物基礎(chǔ)型式:(1)對荷載較小的一般建筑物建議采用淺基礎(chǔ)，以黃土狀粉土為地基持力層;(2)重要建筑物基礎(chǔ)采用樁基，清除表部的黃土狀粉土、黃土狀粉質(zhì)粘土和粉質(zhì)粘土，以下伏圓礫層為樁端持力層。

5.2 地基處理

5.2.1 對于淺基礎(chǔ)，建議以黃土狀粉土為基礎(chǔ)持力層，基礎(chǔ)埋深應大于1.50m為宜。根據(jù)原位測試(標準貫入試驗)成果，其承載力特征值按fak=120kPa考慮。由于地基承載力不高，若不能滿足地基基礎(chǔ)應力要求，建議采取墊層法(換填)處理，根據(jù)基礎(chǔ)附邊應力確定換填深度。場地地基濕陷等級為Ⅱ級，屬自重濕陷性場地，建議采取墊層法(換填)進行地基處理，地基處理厚度不應小于2.5m。

建議地基處理方法:墊層法建議采用灰土墊層。施工時根據(jù)設(shè)計要求，將擬定的基底下的濕陷性黃土挖出，在開挖基坑過程中，應選擇有代表性點測試灰土(3∶7)的最大干密度和最優(yōu)含水量。利用基坑內(nèi)的黃土狀粉土按3∶7比例摻合石灰，且應過篩拌合均勻，然后根據(jù)所選用的壓實設(shè)備，在最優(yōu)或接近最優(yōu)含水量分層回填，壓實到設(shè)計標高。在施工灰土墊層過層中，應每層分塊取樣檢驗灰土的干密度，換算成壓實系數(shù)，壓實系數(shù)應滿足小于3m的灰土墊層不小于0.95，超過3m以上部分灰土墊層不小于0.97。處理后的灰土地基土承載力特征值fak可按200kPa考慮。

5.2.2 對于重要建筑物可采用樁基，以圓礫層④作為樁端持力層，樁端應進入圓礫中密～密實層0.5m～1m為宜，極限端阻力標準值按qpk=3000kPa考慮。

樁的極限側(cè)阻力建議值:黃土狀粉土，qsik=－15kPa;黃土狀粉質(zhì)粘土，qsik=70kPa;粉質(zhì)粘土qsik=60kPa;礫砂qsik=80kPa;粉土:qsik=60kPa;圓礫qsik=150kPa。

5.3 施工建議

5.3.1 建筑區(qū)屬于季節(jié)性凍土地區(qū)，冬季不宜進行建筑施工，混凝土澆注、養(yǎng)護應注意保溫防凍。

5.3.2 地基處理施工應注意排污，保護環(huán)境;基坑施工時，應加強臨時支護措施，以保證施工人員生命安全。

5.3.3 施工安排時，注意排水設(shè)施的布置，保證排水通暢?；A(chǔ)和管道施工，宜縮短基坑或基槽的暴露時間，在雨季施工時，應采取專門措施。

5.3.4 基坑或基槽開挖時應預留保護層30cm～50cm，且開挖出來的土堆放距基坑或基槽壁的距離宜大于1m。

5.3.5 管道和水池施工時，應確保施工質(zhì)量，防水層嚴密不漏水，以免因黃土狀土濕陷引起地質(zhì)災害。

6 結(jié)語

6.1 黃土及黃土狀土的濕陷性是黃土地區(qū)的普遍規(guī)律和主要的工程地質(zhì)問題之一，研究其物理性質(zhì)和工程地質(zhì)特征無疑具有重要的工程意義。

6.2 本文通過勘探、試驗和原位測試成果資料的綜合分析，論證了天水分輸氣壓站場區(qū)黃土狀土的物理力學性質(zhì)和工程地質(zhì)特性，認為在加強地基基礎(chǔ)處理的條件下，黃土狀土可作建筑物地基。 ■