濱海軟土地基的工程地質(zhì)勘察及地基處理方法

劉秀寶 謝劍 張爍 楊海鑫

(中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春 130012)

1 軟土概述

軟土是淤泥及淤泥質(zhì)土的總稱。它是在靜水或者非常緩慢的流水環(huán)境中沉積，經(jīng)生物化學(xué)作用形成，天然含水量大于液限、天然孔隙比大于1.0的粘性土。當(dāng)天然孔隙比大于1.0而小于1.5時(shí)為淤泥質(zhì)土;當(dāng)天然孔隙比大于1.5時(shí)為淤泥［1］。軟土廣泛分布在我國(guó)東南沿海、內(nèi)陸平原和山區(qū)的部分地區(qū)。如天津、上海、杭州、廣州、廈門等沿海地區(qū)，以及武漢等內(nèi)陸城市。

天然軟土特征如下:

1)含水量高:淤泥和淤泥質(zhì)土的含水量多為50%～70%，液限一般為40%～60%，天然含水量隨著液限的增大而增加。

2)孔隙比大:天然軟土的孔隙比往往要比同一垂直壓力下的重塑土的孔隙比高出0.20～0.40。

3)滲透性小:其滲透系數(shù)一般都在1×10－4cm/s～1×10－8cm/s之間。而大部分的淤泥和淤泥質(zhì)土的軟土地區(qū)，由于土層中夾有數(shù)量不等的薄層或極薄層的粉砂、粉土等，所以其在垂直方向的滲透性比水平方向要小得多。

4)壓縮性高、強(qiáng)度低:淤泥和淤泥質(zhì)土的壓縮系數(shù)a1-2一般大于0.5 MPa－1，屬于高壓縮性土，且隨著土的液限增大，壓縮性增大;軟土的強(qiáng)度較低，且其強(qiáng)度隨著深度的增加而增大。軟土受到擾動(dòng)后，其絮狀結(jié)構(gòu)受到破壞，甚至呈流動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致其強(qiáng)度的喪失。

2 濱海軟土的工程地質(zhì)勘察及地基處理

2.1 軟土的工程地質(zhì)勘察

軟土地區(qū)的工程地質(zhì)勘察多以靜力觸探試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)等原位測(cè)試為主，配以適當(dāng)?shù)你@探和取土試樣等綜合勘探手段，并結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)成果給出其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，以及場(chǎng)區(qū)的工程地質(zhì)情況。軟土地區(qū)常用的工程地質(zhì)勘察方法如下:

1)靜力觸探試驗(yàn):靜力觸探試驗(yàn)(英文縮寫CPT)，是把具有一定規(guī)格的圓錐形探頭借助機(jī)械勻速壓入土中，以測(cè)定探頭阻力等參數(shù)的一種原位測(cè)試方法。

2)十字板剪切試驗(yàn):十字板剪切試驗(yàn)是一種用十字板測(cè)定軟粘性土抗剪強(qiáng)度的原位試驗(yàn)。將十字板頭由鉆孔壓入孔底軟土中，以均勻的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)一定的測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)得其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需之切矩，直至土體破壞，從而計(jì)算出土的抗剪強(qiáng)度。由十字板剪力試驗(yàn)測(cè)得之抗剪強(qiáng)度代表土的天然強(qiáng)度。

3)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn):標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(英文縮寫SPT)，是動(dòng)力觸探的一種，是在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定砂土、粉土或粘性土的地基承載力的一種方法。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的設(shè)備主要由標(biāo)準(zhǔn)貫入器、觸探桿和穿心錘三部分組成。觸探桿一般用直徑為42 mm的鉆桿，穿心錘重63.5 kg。

4)鉆探:軟土地區(qū)的鉆探方法常用DPP-100型鉆機(jī)套管跟進(jìn)或泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)。由于軟土多呈絮狀結(jié)構(gòu)，大多呈軟塑或流塑狀態(tài)，穩(wěn)定性很差。在鉆進(jìn)過(guò)程中，隨著孔深的增加很容易發(fā)生縮孔現(xiàn)象，所以需要套管跟進(jìn)或泥漿護(hù)壁進(jìn)行鉆探［2］。

2.2 軟土的地基處理

軟土地基處理的目的是將低承載力和高壓縮性的原狀土加固到足以承擔(dān)地基所需的強(qiáng)度要求和施工結(jié)束后的沉降要求。軟土地基的常用處理方法如下:

1)置換:用物理力學(xué)性質(zhì)較好的巖土材料置換天然地基土中部分或全部軟弱土或不良土，形成雙層地基或復(fù)合地基，以達(dá)到提高地基承載力、減小沉降的目的。置換適用于淺表層軟土地基處理，處理深度一般為3 m，最大不超過(guò)5 m。

2)排水固結(jié):土體在一定荷載作用下固結(jié)，孔隙比減小，強(qiáng)度提高，以達(dá)到提高地基承載力，減小沉降的目的。

3)灌入固化物:向地基中灌入或拌入水泥，或石灰，或其他化學(xué)固化材料在地基中形成復(fù)合土體，以達(dá)到地基處理的目的。

4)加筋:在地基中設(shè)置強(qiáng)度高、模量大的筋材，以達(dá)到提高地基承載力，減小沉降的目的，筋材可以是鋼筋混凝土、土工復(fù)合材料等。

5)冷熱處理:通過(guò)凍結(jié)，或者焙燒、加熱地基土體來(lái)改變土體的物理力學(xué)性質(zhì)以達(dá)到地基處理的目的，其主要包括:凍結(jié)法和燒結(jié)法。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

冀東油田原油商業(yè)儲(chǔ)備庫(kù)位于河北省唐山市唐?？h境內(nèi)，環(huán)渤海灣濱海區(qū)，毗鄰冀東油田老爺廟聯(lián)合站。庫(kù)址位于老爺廟聯(lián)合站東側(cè)，庫(kù)區(qū)南側(cè)為廟中公路，南堡—高尚堡—遷安輸油管線從庫(kù)區(qū)南側(cè)圍墻外經(jīng)過(guò)，所占用地主要為魚塘及取土坑，場(chǎng)地面積約為573 m×510 m，儲(chǔ)備庫(kù)內(nèi)建設(shè)10×104m3地上鋼制雙盤式外浮頂原油儲(chǔ)罐10座。

3.2 場(chǎng)地地層巖性結(jié)構(gòu)概述

①人工填土:表層為人工填土，以粉土、粉質(zhì)黏土為主。

②粉質(zhì)黏土:黃褐色，軟塑～可塑，最小厚度為0.40 m，最大厚度為4.50 m，層底標(biāo)高為 －0.28 m～ －4.05 m。

③粉土:灰色，稍密，濕，土質(zhì)不均勻，以粉土為主，含有大量粉質(zhì)黏土成分，呈粉土與粉質(zhì)黏土互層狀，在下部含有少量的粉砂夾層，該一般厚度為1.00 m～4.00 m，最小厚度為0.90 m，最大厚度為5.00 m，層底標(biāo)高為 －1.16 m～ －6.43 m。

④粉質(zhì)黏土:灰色，以軟塑為主，局部近流塑，一般厚度為2.00 m～5.00 m，最小厚度0.50 m，最大厚度為6.70 m，層底標(biāo)高－4.10 m～ －11.10 m。

⑤粉土:灰色，稍密，濕，一般厚度為0.60 m～1.90 m，最小厚度0.30 m，最大厚度2.70 m，層底標(biāo)高為 －6.70 m～ －11.70 m。

⑥粉質(zhì)黏土:灰色，以軟塑為主，下部呈近可塑～可塑狀，局部呈粉質(zhì)黏土及粉土互層狀，一般厚度為5.50 m～8.80 m，最小厚度5.00 m，最大厚度9.50 m，層底標(biāo)高為 －13.60 m～ －18.10 m。

⑦粉土:淺灰色～灰色，中密～密實(shí)，濕，局部含有粉質(zhì)黏土、粉砂薄層，一般厚度為5.40 m～10.80 m，最小厚度為4.50 m，最大厚度為11.50 m，層底標(biāo)高為 －18.89 m～ －25.48 m。

⑦1粉質(zhì)黏土:灰色～灰褐色，可塑，該層在場(chǎng)區(qū)內(nèi)大部分孔位揭露并揭穿，最小揭穿厚度為0.50 m，最大揭穿厚度為4.50 m，最深層底標(biāo)高為－24.42 m。

⑧粉質(zhì)黏土:灰色～灰褐色，可塑，一般為1.10 m～5.80 m，最小厚度為1.00 m，最大厚度為8.20 m，層底標(biāo)高為－24.89 m～－29.99 m。

⑨粉質(zhì)黏土:灰褐色～黃褐色，可塑，一般厚度為0.90 m～5.60 m，最小厚度為 0.80 m，最大厚度為 5.90 m，層底標(biāo)高為－27.60 m～ －33.53 m。

⑩粉砂:黃褐色，密實(shí)，飽和，砂質(zhì)較均勻，上部含有密實(shí)的粉土，局部含有細(xì)砂和少量的粘性土，一般厚度為5.10 m～10.20 m，最小厚度為5.00 m，最大厚度為10.40 m，層底標(biāo)高為－34.05 m～－41.47 m。

⑩1粉質(zhì)黏土:黃褐色，以可塑為主，局部近硬塑，最小厚度為1.80 m，最大厚度為4.40 m，最深層底標(biāo)高為 －32.74 m。

⑩2粉質(zhì)黏土:黃褐色，以可塑為主，最小厚度為0.50 m，最大厚度為2.70 m，最深層底標(biāo)高為－37.98 m。

?粉質(zhì)黏土:灰色，以可塑為主，最大揭穿厚度為14.00 m，最深層底標(biāo)高為－60.98 m。

?1粉土:灰色，密實(shí)，濕，最大揭露厚度為 4.70 m，最深層底標(biāo)高為 －43.27 m。

?細(xì)砂:灰色，密實(shí)，飽和，最大揭露厚度為12.60 m，最深層底標(biāo)高為－60.98 m。

?1粉質(zhì)黏土:灰色～灰褐色，以可塑為主，最大揭穿厚度為2.90 m，最深層底標(biāo)高為 －57.42 m。

?粉質(zhì)黏土:灰黃色，可塑～硬塑，該層僅在各罐區(qū)中心孔被揭穿，最大揭穿厚度為13.70 m，最深層底標(biāo)高為－71.28 m。

?1粉砂:灰黃色，密實(shí)，濕，該層僅在 048 號(hào)，128 號(hào)孔被揭露并揭穿，厚度為2.60 m，層底標(biāo)高為 －68.62 m。

?粉土:灰黃色，密實(shí)，濕，最大揭露厚度為4.30 m，最深揭露標(biāo)高為 －75.26 m。

?1黏土:灰黃色，硬塑，揭穿厚度為 1.70 m。

?黏土:灰黃色，硬塑，最大揭露厚度為5.30 m，層底標(biāo)高為－ 75.38 m［3］。

3.3 工程特性

冀東油田原油商業(yè)儲(chǔ)備庫(kù)場(chǎng)區(qū)屬于濱海相沉積，天然含水量大于液限，孔隙比大于1.0，屬于濱海相軟土地基。其工程特性如下:

1)場(chǎng)區(qū)占地面積大:面積約為573 m×510 m。

2)軟土地層厚度大:第①層～第⑨層的地層以軟塑～可塑的粉質(zhì)黏土為主，局部夾有粉土、細(xì)砂薄層，最大深度在自然地面以下35.00 m。

3)工期短:勘察、設(shè)計(jì)和施工交替進(jìn)行，工期短。

4)投入成本高:每個(gè)罐體投入成本都以億元計(jì)。

3.4 地基處理方法

由于冀東油田原油商業(yè)儲(chǔ)備庫(kù)工程具有場(chǎng)地面積大、軟土地層厚度大、工期短、投入成本高等特點(diǎn)?；诙喾矫婢C合考慮，采用了向軟土地基中拌入石灰和水泥形成復(fù)合地基的處理方法，達(dá)到加固地基的目的。

而置換法的處理深度一般為3 m，最大不超過(guò)5 m，處理深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到設(shè)計(jì)地基處理要求，并且場(chǎng)地占地面積大，軟土地層厚，置換所需的土方量太大;排水固結(jié)法對(duì)于大面積場(chǎng)地、厚度大的軟土地層，排水固結(jié)的周期過(guò)長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)有一定難度;對(duì)于占地面積大的工程來(lái)講，加筋法所需的筋材量大，增加了工程投入的成本;通過(guò)凍結(jié)或焙燒加固地基的冷熱處理法依然不適用于該工程，施工面積大、軟土地層深度大，處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、工期長(zhǎng)等都是它不適用的依據(jù)。

因此，在冀東油田原油商業(yè)儲(chǔ)備庫(kù)工程中所采用的向軟土地基中拌入石灰和水泥形成復(fù)合地基的地基處理方法，使得軟土地基的均勻性和整體性得以提高，施工后的沉降量得以控制，達(dá)到加固地基的目的。既滿足了冀東油田原油商業(yè)儲(chǔ)備庫(kù)工程的工程特性，也滿足了浮頂蓋儲(chǔ)油罐對(duì)于地基均勻性和沉降量控制的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

1)軟土是一種具有特殊工程性質(zhì)的土類，其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、成因類型的變化都對(duì)工程建筑有較大的不良影響。因此，建議更多的以現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試試驗(yàn)來(lái)確定其工程力學(xué)性質(zhì)，將符合實(shí)際。

2)本文中所闡述的灌入固化物的地基處理方法只是適合于冀東油田原油商業(yè)儲(chǔ)備庫(kù)工程，具體的工程還應(yīng)根據(jù)各個(gè)工程的實(shí)際情況采取相應(yīng)的地基處理措施。

［1］王常明.土力學(xué)［M］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)出版社，2004.

［2］JGJ 83-1991，軟土地區(qū)工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

［3］劉秀寶.冀東油田原油商業(yè)儲(chǔ)備庫(kù)工程巖土工程勘察報(bào)告(地－09015)［R］.任丘:中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，2009.