油氣工程大厚度濕陷性黃土場地地基處理的思考

劉 曉 忠

(中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東 東營 257026)

0 引言

近年來，隨著陜北地區(qū)天然氣開發(fā)工程的快速開展，新建了大量的天然氣輸送管道及集氣站場，因受國家土地使用政策影響，新建集氣站址多位于黃土梁峁區(qū)，存在大厚度濕陷性黃土地基，多為自重濕陷性黃土場地，濕陷等級多為Ⅲ級～Ⅳ級，需要進(jìn)行地基處理。按GB 50025—2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范劃分，集氣站內(nèi)建(構(gòu))筑物均屬丙類建筑，且多為單層建筑，規(guī)范要求當(dāng)?shù)鼗鶟裣莸燃墳棰蠹壔颌艏墪r，地基處理厚度分別不應(yīng)小于3 m或4 m，且下部未處理濕陷性黃土層的剩余濕陷量不應(yīng)大于200 mm。大厚度濕陷性黃土地基在按剩余濕陷量控制處理厚度時，處理厚度往往很大，相對于集氣站的建筑規(guī)模、附加荷載大小及所處場地工程地質(zhì)條件來說，存在過大的建筑能耗浪費現(xiàn)象，也與GB 50025—2004經(jīng)濟(jì)合理、節(jié)約能源的宗旨相悖。此外在輸送管道的崾峴、沖溝等跨越建設(shè)經(jīng)常采用樁基方案，GB 50025—2004規(guī)定在根據(jù)經(jīng)驗公式估算單樁豎向承載特征值時，樁端土的承載力特征值qpa和樁周土摩擦力特征值qsa取值時，對濕陷性黃土土層均應(yīng)按飽和狀態(tài)下的土性指標(biāo)確定，且對于自重濕陷性黃土場地，除不計濕陷性黃土層內(nèi)的正側(cè)阻力外，尚應(yīng)扣除樁側(cè)的負(fù)摩擦力，這對于排水條件較好的場地來說，也過于保守，導(dǎo)致設(shè)計樁長過大，浪費嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)性差。而以上問題的產(chǎn)生均是因為沒有充分考慮場地內(nèi)地基實際浸水可能性的因素。

1 工程實例

本文以某天然氣工程的2號集氣站為例，對降雨條件下濕陷性黃土地基受水浸濕的可能性進(jìn)行計算分析，并在此基礎(chǔ)上對大厚度濕陷性黃土場地的地基處理方案進(jìn)行探討。同時以某處管道跨越為例，對于黃土地區(qū)樁基方案的樁端承載力及樁周摩擦力取值問題進(jìn)行討論。兩個工程實例概況分別為：2號集氣站地處黃土梁，整體地勢由南向北傾斜，東西兩側(cè)為沖溝，溝坡坡度較大，場地排水條件好，場地內(nèi)馬蘭黃土厚度約10 m～15 m，下伏厚約1 m～2 m的古土壤，其下為離石黃土，本場地濕陷性黃土厚度大于20 m，勘察未揭穿?？缭綀龅氐孛矠獒蕧s，沖溝發(fā)育，排水條件好，場地內(nèi)馬蘭黃土厚約18 m～20 m，下伏地層為離石黃土，該場地濕陷性黃土厚度18 m～20 m。兩個場地地下水埋深均很大，不考慮其對工程的影響。

2 地基受水浸濕的可能性

黃土濕陷的機(jī)理是當(dāng)土體受水浸濕時，可溶性鹽類溶解和軟化，導(dǎo)致骨架強(qiáng)度降低，在上覆土自重壓力或附加壓力共同作用下土體結(jié)構(gòu)破壞。在黃土梁峁區(qū)因地下水埋深很大，可忽略其影響，主要考慮地表降水入滲引起的黃土濕陷，因此地基浸水可能性大小及地表水入滲影響深度成為濕陷性黃土處理深度的重要因素。本文利用GeoStudio軟件的SEEP模塊對2號集氣站場地的地表降水入滲進(jìn)行了模擬計算，采用瞬態(tài)滲流模式，建立模型見圖1，地層滲透系數(shù)取值為近年延安地區(qū)各工程試驗數(shù)據(jù)的平均值，詳見表1。根據(jù)延安氣象站降雨量資料，該地區(qū)日最大降雨量極值為139.9 mm/d，本次計算分別按連續(xù)降雨和陣雨兩種情況考慮，連續(xù)降雨賦值常數(shù)值0.005 83 m/h，陣雨每24 h有一次峰值，峰值0.01 m/h～0.03 m/h，持續(xù)時間6 h，其他時間降雨量賦值0.001 m/h～0.003 5 m/h，采用以上參數(shù)分別計算降雨24 h,48 h,72 h和96 h時6 m深度范圍內(nèi)黃土地基的土壤含水量變化，未進(jìn)行地基處理的天然地基場地計算結(jié)果見圖2，地基經(jīng)過壓實(擠密)后計算結(jié)果見圖3，圖4。

表1 黃土地基滲透系數(shù)

m/h

由圖2可以看出，天然地基連續(xù)降雨24 h,48 h,72 h和96 h時地表水入滲深度分別約為2.5 m,3.0 m,3.5 m和4.5 m，陣雨條件下24 h,48 h,72 h和96 h時地表水入滲深度分別約為2.5 m,3.5 m,3.5 m和4.0 m，由于場地的排水條件好，短時大降雨量引起的匯水短時間內(nèi)能夠快速排掉，并沒有明顯引起土壤含水量和入滲深度的增加。

由圖3和圖4可以看出，地基壓實或擠密后在連續(xù)降雨和陣雨條件下，24 h,48 h,72 h和96 h時地表水入滲深度均為2.0 m～2.5 m，隨著降雨時間增加，地表水入滲深度不再增加，最大入滲深度為2.5 m。

本次計算是在延安地區(qū)極值降雨條件下進(jìn)行的模擬計算，降雨4 d后天然地基的最大入滲深度為4.5 m，而處理后地基(素黃土壓實)最大入滲深度2.5 m，而實際上延安地區(qū)屬干旱地區(qū)，實際降雨量要小于本次計算所取數(shù)值，實際降雨入滲深度也就相應(yīng)的小很多。

3 地基處理方案探討

3.1 淺基礎(chǔ)

以2號集氣站為例，場地為自重濕陷性黃土場地，20 m深度范圍內(nèi)計算自重濕陷量為311 m～394 mm，濕陷量為609 mm～780 mm，地基濕陷等級為Ⅲ級，單層丙類建筑按GB 50025—2004剩余濕陷量控制處理厚度要求，需要處理厚度不小于9.5 m，而場地所處地貌為黃土梁，最大梁寬90 m左右，處理方案選擇受很大制約，且處理厚度過大導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)預(yù)算大大超出可承受范圍，很不合理，因此綜合考慮工程規(guī)模、附加荷載大小、場地巖土工程條件及地基受水浸濕可能性大小、浸水深度等各因素后，經(jīng)專家論證，最終采用整片換土墊層法進(jìn)行地基處理，處理深度3.0 m，換填材料為3∶7灰土，同時加強(qiáng)了場地排水措施。素黃土壓實條件下，極值降雨條件下的最大入滲深度為2.5 m，而實際上壓實的3∶7灰土的滲透性遠(yuǎn)小于壓實素黃土，實際入滲深度要小于2.5 m，因此場地發(fā)生黃土濕陷破壞的可能性很小，并且目前該站運營情況良好，證明該處理方案經(jīng)濟(jì)且可行。

3.2 樁基

以某處管道跨越為例，場地為自重濕陷性黃土場地，計算自重濕陷量為351 mm～477 mm，濕陷量為253 mm～537 mm，綜合判定地基濕陷等級為Ⅲ級。以ZK1孔為例按規(guī)范的經(jīng)驗公式估算單樁豎向承載力特征值，該孔濕陷性黃土厚度18.2 m，其中自重濕陷性黃土厚度16.5 m，濕陷性黃土試驗指標(biāo)e=0.840，ωp=0.167，ωl=0.257，換算飽和狀態(tài)下的液性指數(shù)Il=1.08，非濕陷性黃土e=0.657，按GB 50025—2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范，濕陷性黃土按飽和狀態(tài)下Il=1.08查表取值，其中自重濕陷性黃土樁周土摩擦力特征值取-15 kPa，非濕陷性黃土按天然狀態(tài)下的土性指標(biāo)e=0.657查表取值，干作業(yè)挖孔樁單樁豎向承載力特征值計算過程表見表2。

表2 單樁豎向承載力特征值估算過程表(不考慮浸水深度)

由表2可見，樁長25 m的干作業(yè)挖孔樁單樁豎向承載力特征值估算值僅為221 kPa，顯然過于保守。首先建(構(gòu))筑壽命期內(nèi)無浸水可能性的濕陷性黃土土層，不會達(dá)到飽和狀態(tài)，可取天然狀態(tài)下的土性指標(biāo)，根據(jù)本文第2節(jié)相關(guān)內(nèi)容浸水深度可按5.0 m考慮。其次自重濕陷性黃土層也可按5.0 m深度范圍內(nèi)樁周土摩擦力取負(fù)值，以下土層按天然狀態(tài)的土性指標(biāo)取正值。按此計算干作業(yè)挖孔樁單樁豎向承載力特征值計算過程表見表3。

表3 單樁豎向承載力特征值估算過程表(浸水深度按5.0 m考慮)

由表3可見，浸水深度按5.0 m考慮，20 m樁長的干作業(yè)挖孔樁單樁豎向承載力特征值估算值要遠(yuǎn)大于不考慮浸水深度的估算值，可大大節(jié)約建設(shè)資源，為了進(jìn)一步減小地表降水的入滲深度，可在樁基承臺以下一定深度范圍內(nèi)進(jìn)行換土墊層法地基處理，并在場地內(nèi)設(shè)置必要的排水措施和地面硬化措施。

4 結(jié)語

1)濕陷性黃土場地在進(jìn)行地基處理設(shè)計時，應(yīng)充分考慮地基受浸濕的可能性及影響深度，可大大減小建設(shè)資源。

2)排水條件較好的黃土梁峁及崾峴等場地的天然地基入滲深度可按5.0 m考慮，壓實(或擠密)后的地基入滲深度可按3.0 m考慮，入滲深度可作為地基處理深度參考值，前提是場地內(nèi)采取合理的排水措施。

3)自重濕陷性黃土場地樁基設(shè)計時，5.0 m以上地基需按飽和土體考慮，并且樁周摩擦力按負(fù)值計算，5.0 m深度以下濕陷性土層可按天然狀態(tài)的土性指標(biāo)取正值，同樣前提是有合理的排水措施，防止或減小地表水入滲。

4)以上為延安地區(qū)油氣工程單層丙類建筑及小型跨越樁基的經(jīng)驗總結(jié)，大型的甲乙類建筑建議進(jìn)行現(xiàn)場浸水試驗，以確定場地地基的實際浸水深度及可能性。

[1] 呂遠(yuǎn)強(qiáng)，林杜軍.針對《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》的幾點思考[A].第五屆全國煤炭工業(yè)生產(chǎn)一線青年技術(shù)創(chuàng)新文集[C].2010:455-458.

[2] 杜百計，宗雪梅.濕陷性黃土層中樁基負(fù)摩阻力取值探討[J].特種結(jié)構(gòu)，2013，30(2):8-12.