新場氣田巖土工程地質(zhì)特征及基礎(chǔ)方案優(yōu)選

金曉波 劉善華 杜 杰

1 工程地質(zhì)環(huán)境

新場氣田地處德陽市孝泉、德新、黃許及柏隆一帶，位于德陽市以北約20 km，南距成都市80 km，北距綿陽市約35 km，圈閉面積900 km2。該區(qū)地貌屬成都平原沱江水系一級階地，地勢平坦開闊，區(qū)內(nèi)交通便利，人口稠密，工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，地下天然氣資源豐富。

表1 新場地區(qū)主要地層綜合柱狀剖面圖

1.1 地層分布特征

根據(jù)區(qū)域鉆探、原位測試成果綜合分析，場地內(nèi)巖土層由第四紀(jì)更新統(tǒng)的沖洪積松散堆積物組成，上部為耕植土、粘土等細(xì)粒物質(zhì)，下部為砂卵石層，地層具有顯著的二元結(jié)構(gòu)。自上而下揭露的主要地層及特征見表1。

盡管新場地區(qū)地層分布總體具有上述沉積結(jié)構(gòu)，但由于地基土形成的天然性狀以及人類工程改造差異等原因，不同地區(qū)地層結(jié)構(gòu)可能存在一定的差異，可能缺失中間某層，局部也可能存在粉土或淤泥夾層等。粘土及砂卵石主要地層厚度和埋深分布見圖1～圖4。

圖1 粘土厚度分布圖

圖2 粘土頂部埋深分布圖

1.2 水文地質(zhì)條件

新場地區(qū)地下水為孔隙潛水，卵石層為主要的含水層，地下水水位受大氣降水及上游河流補(bǔ)給，通過地下徑流排泄。穩(wěn)定水位0.4 m～4.6 m，年平均靜水位3.27 m，地下水位的升降與大氣降雨密切相關(guān)。每年五月雨季來臨之時，地下水位開始逐步回升，八月份、九月份達(dá)到高峰;十二月地下水位隨降雨量減少開始下降，至次年三、四月份最枯，豐枯水位年變幅1 m～3 m。

據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，地下水的物理性質(zhì)為無色、無味、無溴、透明。地下水的化學(xué)性質(zhì)，pH值7～8之間，屬中性水實(shí)測值 165.3 mg/L ～186.7 mg/L，Mg2+實(shí)測值 10.67 mg/L ～11.74 mg/L，CO2實(shí)測值為0，HCO3－實(shí)測值為3.92 mol/L～4.39 mol/L，化學(xué)類型為 HCO3-Ca.Mg;據(jù)川孝619井粘土腐蝕性檢測結(jié)果，土壤實(shí)測值598.4 mg/L～759.9 mg/L，Mg2+實(shí)測值122.4 mg/L ～142.8 mg/L，pH 值實(shí)測值為 7.59 ～7.65。該區(qū)地下水、土壤對混凝土及混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋無腐蝕性。

圖3 砂卵石厚度分布圖

圖4 砂卵石頂部埋深分布圖

1.3 場地穩(wěn)定性和適宜性評價

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、斷裂活動情況，新構(gòu)造運(yùn)動及地震活動情況，綜合分析和權(quán)衡地殼穩(wěn)定性的各項(xiàng)指標(biāo)，本區(qū)屬地殼的基本穩(wěn)定區(qū)，區(qū)域地殼穩(wěn)定性較好。

場地地形平坦，地貌單一，場地內(nèi)及周圍未發(fā)現(xiàn)有影響場地穩(wěn)定的地質(zhì)災(zāi)害存在，場地處于地殼基本穩(wěn)定區(qū)，適宜建筑。

2 巖土的主要物理力學(xué)指標(biāo)及性質(zhì)

①耕土:耕土結(jié)構(gòu)松散，未完成自重固結(jié)，土質(zhì)極不均勻，力學(xué)強(qiáng)度差，在強(qiáng)度及變形上都不能滿足設(shè)備對地基土的要求。②粘土:層位分布穩(wěn)定，物理力學(xué)性質(zhì)均衡，硬塑狀態(tài)，中～高壓縮性土，力學(xué)強(qiáng)度相對較高，承載力特征值平均178.3 kPa。該層是鉆機(jī)基礎(chǔ)及附屬設(shè)備基礎(chǔ)的理想的持力層。③粉質(zhì)粘土:該層分布相對穩(wěn)定，可塑～硬塑狀，中偏高縮性土，力學(xué)強(qiáng)度較高;承載力特征值平均fak=160 kPa;絕大部分粉質(zhì)粘土可作為鉆機(jī)設(shè)備基礎(chǔ)持力層。④淤泥質(zhì)粘土:局部零星展布，飽和，軟塑，含腐爛植物根莖及有機(jī)物，標(biāo)貫擊數(shù)2擊～3擊，力學(xué)強(qiáng)度差，不能作為設(shè)備的基礎(chǔ)持力層。⑤粉土:結(jié)構(gòu)松散，土質(zhì)極不均勻，力學(xué)強(qiáng)度差，在強(qiáng)度及變形上都不能滿足設(shè)備對地基土的要求，因此該層不宜作為設(shè)備的基礎(chǔ)持力層。⑥細(xì)～粗砂:標(biāo)貫試驗(yàn)擊數(shù)N=5擊～7擊，平均6擊;其承載力特征值fak=105 kPa～135 kPa，力學(xué)強(qiáng)度一般，分布不均，可作為一般基礎(chǔ)持力層。⑦卵石層:低壓縮性，力學(xué)強(qiáng)度相對較高，承載力特征值160 kPa～800 kPa，樁的極限側(cè)阻力60 kPa～210 kPa，樁的極限端阻力3500 kPa～8000 kPa;隨密實(shí)度增加，錘擊數(shù)、重度、變形模量、內(nèi)摩擦角、樁的極限側(cè)阻力、樁的極限端阻力、承載力特征值增大。該層是鉆機(jī)基礎(chǔ)及附屬設(shè)備基礎(chǔ)的理想的持力層，中密及以上卵石層可選擇作為樁基礎(chǔ)的良好持力層。新場地區(qū)巖土層的主要物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見表2，表3。

表2 新場地區(qū)粘土的主要物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

表3 新場地區(qū)巖土的綜合物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

3 鉆機(jī)設(shè)備基礎(chǔ)方案

3.1 設(shè)備基礎(chǔ)承載力要求

根據(jù)《鉆井工程技術(shù)手冊》提供的鉆機(jī)各配套設(shè)施的極限荷載，結(jié)合鉆機(jī)設(shè)備基礎(chǔ)圖紙?zhí)峁┑某Ｒ?guī)基礎(chǔ)尺寸，得出各鉆井設(shè)施對基礎(chǔ)地基承載力的要求見表4，從表4中可以看出鉆機(jī)各設(shè)備設(shè)施對基礎(chǔ)地基承載力要求不高。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級規(guī)定，鉆機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級定位為丙級，鉆機(jī)設(shè)備基礎(chǔ)可不作變形驗(yàn)算。

3.2 設(shè)備基礎(chǔ)方案

1)天然地基淺基礎(chǔ)。

根據(jù)表2，表3，并結(jié)合表4鉆機(jī)設(shè)備基礎(chǔ)地基承載力要求，設(shè)計(jì)鉆機(jī)井架、重漿罐基礎(chǔ)理想持力層為粘土、粉質(zhì)粘土及卵石層，其他附屬基礎(chǔ)可選擇除表土的所有地基土為持力層。

新場地區(qū)粘土、粉質(zhì)粘土及卵石層的結(jié)構(gòu)、分布及物理力學(xué)性質(zhì)普遍較穩(wěn)定，持力層埋藏深度較淺，在地下水位條件允許情況下，可直接作為設(shè)備基礎(chǔ)的天然地基，其設(shè)備基礎(chǔ)類型可采用現(xiàn)澆混凝土基礎(chǔ)或活動基礎(chǔ)(鋼木基礎(chǔ)、鋼管排基礎(chǔ)、條石或木方基礎(chǔ)等)，基礎(chǔ)持力層開挖宜淺不宜深，開挖深度0.5 m～1 m之間。天然地基淺基礎(chǔ)可作為該區(qū)的主要基礎(chǔ)形式。

2)人工地基淺基礎(chǔ)。

盡管新場地區(qū)場地巖土層穩(wěn)定性較好，但由于地基土形成的天然性狀以及人類工程改造差異等原因，使其后期局部地區(qū)力學(xué)性狀也存在極大差異。當(dāng)持力層埋藏較深、地表下軟弱土層較厚或基礎(chǔ)處于回填方區(qū)，淺開挖不能滿足上部結(jié)構(gòu)荷載對地基的要求，不宜采用天然地基方案時，常采用換填墊層法來處理軟弱地基，提高軟弱地基的承載力。

針對天然地基中的軟土層以及回填土的換填處理，除換填砂或灰土等柔性材料外，換填材料也可采用力學(xué)強(qiáng)度大的剛性材料，如條石、毛石混凝土等。由于換填剛性材料重度大，對基礎(chǔ)地基承載力要求較高，一般地基持力層選擇基巖或密實(shí)的卵石層。對于持力層上軟土或回填土厚度不大的條形基礎(chǔ)，可采用剛性材料，對于大面積或厚度大的地基土換填，需考慮換填施工難度及其與樁基礎(chǔ)的對比優(yōu)選。

換填剛性材料墊層的方法較換填柔性墊層法施工簡便快捷，可避免由于碾壓施工中壓實(shí)度達(dá)不到要求帶來的地基沉降安全隱患，但施工成本費(fèi)用相對高些，目前鉆前施工中針對軟土或回填土地基墊層換填前者采用居多。

表4 不同鉆機(jī)型號設(shè)備基礎(chǔ)地基承載力要求

3.3 樁基礎(chǔ)

當(dāng)持力層埋深較深，上部土層物理力學(xué)性質(zhì)較差，或回填土厚度較大，不能滿足鉆機(jī)上部荷載對地基土強(qiáng)度和變形的要求，同時換填地基處理達(dá)不到基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求或施工工藝存在較大難度時，則設(shè)計(jì)一般采用樁基礎(chǔ)(預(yù)制樁、灌注樁等)。

新場地區(qū)個別井，如新沙23-1H井，工勘揭露場地穩(wěn)定水位埋深0.30 m～0.40 m，卵石層上的粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土及砂土層物理力學(xué)性質(zhì)較差，不能滿足地基承載力要求，因而不宜采用天然地基方案。若采取換填地基處理，由于基坑開挖深度處于地下水位以下，同時卵石層上部的為松散砂土，開挖時易發(fā)生基坑垮塌工程事故。采用該方案，需進(jìn)行基坑支護(hù)和人工降水等工程處治措施，施工周期較長，施工難度教大，因此不宜采用地基處理方案。綜合井架荷載特征和場地巖土工程地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)采用以中密卵石為基礎(chǔ)持力層的預(yù)制樁方案，樁的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik=140 kPa，樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值 Qpk=5000 kPa，樁長9.00 m～10.00 m。對于這種地基，預(yù)制樁施工周期短，質(zhì)量容易得到保證。

針對川西個別丘陵區(qū)井場，受現(xiàn)場地形條件限制，井場需采用挖填平衡處理方式進(jìn)行平整，井場內(nèi)基礎(chǔ)(包括主基礎(chǔ))勢必會建于填方區(qū)，填方厚度淺則2 m～3 m，深則6 m～8 m。對于高填方區(qū)，若采用換填墊層處理方法，則基礎(chǔ)挖方量大，換填料工作量大，基礎(chǔ)自重重，對地基要求高，且施工難度大、周期長，針對這種情況，一般選用預(yù)制樁基礎(chǔ)或人工挖孔樁等基礎(chǔ)類型。

4 結(jié)論與認(rèn)識

1)新場地區(qū)處于地殼基本穩(wěn)定區(qū)，綜合評定為均勻地基;地下水對混凝土和混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋無腐蝕性;地基土工程條件好，適宜井場建設(shè);

2)該區(qū)粘土、粉質(zhì)粘土及卵石層的結(jié)構(gòu)、分布及物理力學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，埋藏深度較淺，是鉆機(jī)基礎(chǔ)及附屬設(shè)備基礎(chǔ)理想的天然地基持力層，適于鉆機(jī)設(shè)備基礎(chǔ)的修建;

3)該區(qū)鉆機(jī)設(shè)備基礎(chǔ)方案主要有三種:a.以粘土、卵石層等為持力層的天然地基淺基礎(chǔ)，該類型基礎(chǔ)是該區(qū)的主要形式;b.對局部薄層軟土或淺回填土地區(qū)采取換填地基處理的人工淺基礎(chǔ);c.對地下水位淺的軟土、砂土或深回填區(qū)的地基，采取的以中密卵石或中風(fēng)化基巖為持力層的預(yù)制樁基礎(chǔ)。

[1]工程地質(zhì)手冊編寫委員會.工程地質(zhì)手冊[M].第4版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[2]趙金洲.鉆井工程技術(shù)手冊[M].北京:中國石化出版社，2005.

[3]湯文良.鉆前土建工程基本知識[M].北京:石油工業(yè)出版社，2002.

[4]朱永祥.地基與基礎(chǔ)[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2004.

[5]GB 50007-2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]JGJ 79-2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].