某大型石化廠區(qū)軟黏土的工程地質(zhì)特性研究

錢 明，盛連成，張志豪

方浩亮，賈貴智 （中國石油天然氣華東勘察設(shè)計研究院巖土工程處，山東 青島266071）

某大型石化項目選址在廣東揭陽 （惠來）大南海國際石化綜合工業(yè)園區(qū)內(nèi)；項目總規(guī)劃建設(shè)煉油4000萬噸／年，配套百萬噸級乙烯的世界級超大型石化基地，規(guī)劃面積約6km2；擬建廠址位于惠來縣隆江河下游河口地帶，南鄰南海；地層屬第四系三角洲沉積物，三角洲相沉積主要有粉細砂、有機質(zhì)黏土夾薄層粉砂、淤泥、粉質(zhì)黏土、黏土、中細砂、粗礫砂、含黏性土礫砂等組成，常夾有半咸水生物貝殼碎屑。

擬建場地范圍內(nèi)，地表以下6～40m深度范圍內(nèi) （與基巖起伏面一致）存在以有機質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏性土、淤泥為主的灰黑色軟黏土，具有天然含水率高，孔隙比大，壓縮性大，滲透性低，承載力低等特點。依據(jù)其深度方向的組合關(guān)系，該灰色軟黏土可分為單層、雙層、三層結(jié)構(gòu)。

灰黑色軟黏土除具有一般軟土的特性之外，還具有一系列不利的工程特性，因此正確認識灰黑軟黏土的工程地質(zhì)特性，并處理好軟土地基具有十分重要的意義。

1 地層特征

擬建場地普遍存在軟黏土層，且自北向南 （海邊）厚度增大，由單層變雙層甚至三層結(jié)構(gòu)，每層結(jié)構(gòu)軟土上覆一薄層黃褐色可塑～硬塑狀黏土，應(yīng)是長期出露于水面，經(jīng)蒸發(fā)干燥而形成的硬殼 （標志層）。軟黏土以淤泥質(zhì)黏土、有機質(zhì)黏土為主，灰黑～黑色，土性不均勻，相變頻繁。該層夾薄層粉細砂，含少量的貝殼碎片、腐殖質(zhì)等，鉆探過程可見有未腐爛完全的植物根莖，表明該土層是在靜水、缺氧環(huán)境條件下形成；有光澤，韌性中等，干強度高；該層屬正常固結(jié)、高壓縮性土，有機質(zhì)含量一般為3.3%～5.1%，最高達12%???錢明，王良 .中委廣東石化2000萬噸／年重油加工工程及附屬設(shè)施巖土工程初步勘察報告 .中國石油工程建設(shè)公司，2010.?錢明，劉大偉.中委合資廣東石化2000萬噸／年重油加工工程儲罐區(qū)、預(yù)留區(qū)巖土工程詳細勘察報告.中國石油工程建設(shè)公司，2012.。

根據(jù)場地240多個代表性土樣的試驗結(jié)果統(tǒng)計，灰色軟黏土的物理力學性質(zhì)指標如表1所示。淤泥質(zhì)黏土主要物理力學指標垂向變化有如下特征：各結(jié)構(gòu)層的淤泥質(zhì)土，天然含水率、孔隙比、塑性指數(shù)、液性指數(shù)隨埋深增大而遞減，重度、壓縮模量隨埋深增大而增加。壓縮模量受土層天然含水量及孔隙比影響，與之呈反比的關(guān)系。

2 礦物成分與化學成分

采用X射線衍射儀進行光譜分析，分析數(shù)據(jù)表明黏土礦物成分以水云母為主，次之為蒙脫石、綠泥石。水云母礦物成分占總量的20%～25%，蒙脫石占總量5%～10%，綠泥石占總量5%～10%；非黏土礦物成分石英占總量40%～50%，其他為長石、凹凸棒石、黃鐵礦。代表性土樣X射線衍射分析曲線 （見圖1）。

表1 軟黏土的物理力學指標

依據(jù)土化學分析結(jié)果，軟黏土呈偏弱酸性 （pH值5.2～6.4），硫酸鹽含量及氯鹽含量極少。

圖1 土樣X射線衍射光譜分析曲線

3 物理力學性質(zhì)指標及相關(guān)研究

軟黏土的主要物理力學性質(zhì)如表1所示，依據(jù)勘察成果，該層土具有如下特性：

（1）比重比一般黏性土小，不符黏性土與塑性指數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系。一般黏性土比重值2.71～2.74，軟黏土比重值2.66～2.68［5］。

（2）天然含水率高，通常大于40%，最高達80%。場地淤泥質(zhì)土、淤泥、有機質(zhì)性黏土處于飽和狀態(tài)，孔隙比與含水率具有很好的線性相關(guān)關(guān)系 （見表2）。

（3）軟黏土的液限指標變化范圍較大，主要與土的成分、膠體礦物成分及顆粒組成有較大關(guān)系。液限與含水率基本成正比關(guān)系。液限（wL）與塑性指數(shù)（Ip）存在線性相關(guān)關(guān)系 （見表3）。

表2 軟黏土的e～w線性相關(guān)關(guān)系

表3 軟黏土的Ip～wL線性相關(guān)關(guān)系

（4）用液性指數(shù)［2］判定土的狀態(tài)與天然狀態(tài)不符。土工試驗結(jié)果液性指數(shù)大于1.0，最高達3.6，表明土處于流塑狀態(tài)，與野外判定結(jié)果不相符合，天然狀態(tài)一般要高于液塑限試驗結(jié)果一個級別，處于軟可塑狀態(tài)。

（5）孔隙比大，其平均值1.0～1.5，最大為2.15。

（6）壓縮系數(shù)明顯大于0.5，壓縮模量平均值小于5MPa，屬于高壓縮性土。

（7）無側(cè)限抗壓強度明顯大于不排水抗剪強度值。三軸不排水抗剪強度Cu值1.0～9.2kPa，平均為3.6kPa；無側(cè)限抗壓強度值40～80kPa，其試樣土樣液性指數(shù)大多為流塑狀態(tài)，與一般經(jīng)驗關(guān)系不符；液塑限試驗結(jié)果與土的天然狀態(tài)不符合。

（8）場地軟黏土經(jīng)固結(jié)試驗可定為具有一定結(jié)構(gòu)強度的正常固結(jié)土 （局部欠固結(jié)），其先期固結(jié)壓力Pc大致為150～200kPa。

4 軟黏土的工程特性

1）可塑性 灰黑軟黏土的狀態(tài)是軟可塑，局部流塑。而用液性指數(shù)判定軟黏土的塑性與軟黏土的天然狀態(tài) （手感判定或微型貫入判定）不符，天然狀態(tài)是可塑、軟塑，用液性指數(shù)判定狀態(tài)是軟塑、流塑。分析原因是按土工試驗方法 （GB／T50123－1999）［4］液塑限試驗得到的液性指數(shù)指標，是反映軟黏土樣充分擾動的狀態(tài)，而軟黏土天然狀態(tài) （手感判定）是保持土的結(jié)構(gòu)性不變時測定的，反映其不受擾動的塑性狀態(tài)。在室內(nèi)試驗可以通過測定錐沉量h確定黏性土的天然狀態(tài)，具體判定指標參考《港口工程地基規(guī)范》（JTS147－1－2010）［1］。

2）結(jié)構(gòu)性 軟黏土具有觸變特征，當原狀土受到振動后，破壞了結(jié)構(gòu)連接，降低了土體強度，以至使土變成稀軟狀態(tài)。結(jié)構(gòu)性的大小，常用靈敏度St來評價。依據(jù)土樣無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果，軟黏土的靈敏度與土的狀態(tài) （按液性指數(shù)判定）相關(guān)［2］，如軟黏土處于流塑狀態(tài)，靈敏度St一般在2～4之間，當處于軟塑狀態(tài)，靈敏度St一般在6～12之間，這說明土的結(jié)構(gòu)強度越高，受擾動后，其強度降低越多。由此當軟黏土地基受振動荷載后，易產(chǎn)生側(cè)向活動、沉降等不良地質(zhì)作用。

3）高壓縮性 由于軟黏土的成分復(fù)雜、不均勻，且局部貝殼碎片、腐殖質(zhì)和粉砂含量較多，使土層的壓縮性差異較大。壓縮系數(shù)統(tǒng)計平均值大于0.5［3］，壓縮模量統(tǒng)計平均值小于5MPa，表明場地軟黏土屬于高壓縮性土。軟黏土屬于正常固結(jié)土，其上覆有效自重應(yīng)力約等于先期固結(jié)壓力，當附加應(yīng)力作用軟黏土結(jié)構(gòu)層時，則會破壞土的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生土粒間的滑移，此時產(chǎn)生的沉降較大。

4）軟黏土的抗剪強度 由于場地軟黏土成分復(fù)雜不均勻，并且在鉆探、取樣、運輸過程易受擾動，是直剪試驗指標離散性較大，其c、φ值均很分散，而且與土的其他物理力學指標相關(guān)關(guān)系不明顯。為此，應(yīng)配合采用適量三軸壓縮試驗和原位測試手段進行驗證。

5）靜力觸探曲線特征 在場地所做的靜力觸探試驗結(jié)果表明，不同土層的錐頭阻力與摩阻比存在明顯差異，同時各土層的曲線特征也各不相同，具體如表4所示。

表4 軟黏土的靜力觸探指標特征

6）軟黏土的旁壓試驗指標 在場地進行預(yù)鉆孔旁壓試驗，共實施29孔的旁壓試驗。得到的試驗結(jié)果如表5所示。旁壓試驗是一種原位測試手段，其測試結(jié)果間接得到的力學性質(zhì)指標高于土工試驗成果。因此為了準確評價土的力學指標，在野外鉆探、取樣、室內(nèi)試驗中，必須保持土的原狀結(jié)構(gòu)，盡量避免原狀樣被擾動。

表5 旁壓試驗成果指標特征

7）低透水性 軟黏土滲透性弱，一般垂向滲透系數(shù)（3～7）×10－8cm／s，水平滲透系數(shù)（3～8）×10－7cm／s。對地基排水不利，反映其固結(jié)沉降將是一個長期過程。

8）不均勻性 灰黑軟黏土屬濱海三角洲相沉積地層，間夾薄層粉細砂、粉土等，含有機質(zhì)及腐木、云母碎屑等，在水平和垂向分布上力學性質(zhì)有所差異，作為地基和軟弱下臥層時則產(chǎn)生不均勻沉降。

5 軟黏土的巖土工程問題

惠來縣沿海地段軟黏土分布較廣泛，厚度大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，當作為建筑物地基時一般需要地基處理。經(jīng)查有關(guān)資料，潮汕地區(qū)的公路、碼頭等建設(shè)中軟土最常見的地基處理方式是袋裝砂井、塑料排水板及砂樁三類。由于軟黏土屬于結(jié)構(gòu)性土，具有觸變性和靈敏度高的特點，因此在地基基礎(chǔ)施工時，無論作為淺基礎(chǔ)／基坑持力層或者下伏軟弱層時，應(yīng)注意保持軟黏土的天然結(jié)構(gòu)，規(guī)范施工，切忌土體擾動，使之強度降低，產(chǎn)生不均勻沉降。

如選用樁基礎(chǔ)時，在選擇灰黑軟黏土的樁周側(cè)摩阻力時，如果使用土工試驗報告中的液性指數(shù)確定側(cè)摩阻力，其數(shù)值顯然偏小?？墒褂缅F沉量試驗結(jié)果確定的黏性土狀態(tài)并結(jié)合靜力觸探成果計算樁基承載力，來綜合確定單樁承載力，以期節(jié)約工程成本費用。成樁工藝盡量不選用振動沉樁工藝，以期保護灰黑軟黏土在施工中不受擾動，充分利用軟黏土較好的力學性能。

6 結(jié) 論

（1）灰黑軟黏土屬全新世濱海相沉積地層，具有軟土的特性，可分為裸露型和埋藏型，以埋藏型為主。依據(jù)其深度方向的組合關(guān)系，該灰色淤泥質(zhì)黏性土可分為單層、雙層、三層結(jié)構(gòu)。埋藏型每層結(jié)構(gòu)軟黏土上部覆蓋黏土硬殼層 （標志層）。

（2）軟黏土呈弱酸性，其黏土礦物成分以水云母為主，次之蒙脫石、水泥石等，石英占有較大比例。其礦物成分對工程特性的作用需進一步研究。

（3）軟黏土的物理力學性質(zhì)與天然含水率相關(guān)，孔隙比、液限、壓縮指標與之成正比，因此采取原狀樣時確保含水不受損失，才能精確反映軟黏土的狀態(tài)和力學性質(zhì)。

（4）軟黏土屬于結(jié)構(gòu)性土，具有觸變性和靈敏度高等點，而采用液塑限試驗得到液性指數(shù)不能反映該軟黏土的天然狀態(tài)，建議采用錐沉量試驗來確定土的軟硬狀態(tài)。

（5）場地軟黏土經(jīng)固結(jié)試驗可定為具有一定結(jié)構(gòu)強度的正常固結(jié)土 （局部欠固結(jié)），其先期固結(jié)壓力Pc大致為150～200kPa。這與濱海相軟黏土一般處于欠固結(jié)狀態(tài)不相符。

（6）土工試驗所采取原狀樣極易被擾動，由此得到物理力學指標相應(yīng)小于原位測試成果，為此應(yīng)適當采用靜力觸探、十字板、旁壓試驗等原位測試手段，這樣更準確反映出土層的變化情況及其物理力學指標。

（7）地基基礎(chǔ)施工時應(yīng)注意保持灰黑軟黏土的天然結(jié)構(gòu)；在確定樁側(cè)摩阻力時，可使用錐沉量試驗結(jié)果確定的黏性土狀態(tài)并結(jié)合靜力觸探成果計算樁基承載力，來綜合確定單樁承載力，以期節(jié)約工程成本費用。

［1］JTS147－1－2010，港口工程地基規(guī)范 ［S］.

［2］GB50021－2001，巖土工程勘察規(guī)范 ［S］.

［3］GB50007－2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范 ［S］.

［4］GB／T50123－1999，土工試驗方法 ［S］.

［5］《工程地質(zhì)手冊》編委會 .工程地質(zhì)手冊 ［M］.第4版 .北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.