油气工程大厚度湿陷性黄土场地地基处理的思考

2018-03-22刘晓忠

山西建筑 2018年6期

刘晓忠

(中石化石油工程设计有限公司，山东东营 257026)

0 引言

近年来，随着陕北地区天然气开发工程的快速开展，新建了大量的天然气输送管道及集气站场，因受国家土地使用政策影响，新建集气站址多位于黄土梁峁区，存在大厚度湿陷性黄土地基，多为自重湿陷性黄土场地，湿陷等级多为Ⅲ级～Ⅳ级，需要进行地基处理。按GB 50025—2004湿陷性黄土地区建筑规范划分，集气站内建(构)筑物均属丙类建筑，且多为单层建筑，规范要求当地基湿陷等级为Ⅲ级或Ⅳ级时，地基处理厚度分别不应小于3 m或4 m，且下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量不应大于200 mm。大厚度湿陷性黄土地基在按剩余湿陷量控制处理厚度时，处理厚度往往很大，相对于集气站的建筑规模、附加荷载大小及所处场地工程地质条件来说，存在过大的建筑能耗浪费现象，也与GB 50025—2004经济合理、节约能源的宗旨相悖。此外在输送管道的崾岘、冲沟等跨越建设经常采用桩基方案，GB 50025—2004规定在根据经验公式估算单桩竖向承载特征值时，桩端土的承载力特征值qpa和桩周土摩擦力特征值qsa取值时，对湿陷性黄土土层均应按饱和状态下的土性指标确定，且对于自重湿陷性黄土场地，除不计湿陷性黄土层内的正侧阻力外，尚应扣除桩侧的负摩擦力，这对于排水条件较好的场地来说，也过于保守，导致设计桩长过大，浪费严重，经济性差。而以上问题的产生均是因为没有充分考虑场地内地基实际浸水可能性的因素。

1 工程实例

本文以某天然气工程的2号集气站为例，对降雨条件下湿陷性黄土地基受水浸湿的可能性进行计算分析，并在此基础上对大厚度湿陷性黄土场地的地基处理方案进行探讨。同时以某处管道跨越为例，对于黄土地区桩基方案的桩端承载力及桩周摩擦力取值问题进行讨论。两个工程实例概况分别为：2号集气站地处黄土梁，整体地势由南向北倾斜，东西两侧为冲沟，沟坡坡度较大，场地排水条件好，场地内马兰黄土厚度约10 m～15 m，下伏厚约1 m～2 m的古土壤，其下为离石黄土，本场地湿陷性黄土厚度大于20 m，勘察未揭穿。跨越场地地貌为崾岘，冲沟发育，排水条件好，场地内马兰黄土厚约18 m～20 m，下伏地层为离石黄土，该场地湿陷性黄土厚度18 m～20 m。两个场地地下水埋深均很大，不考虑其对工程的影响。

2 地基受水浸湿的可能性

黄土湿陷的机理是当土体受水浸湿时，可溶性盐类溶解和软化，导致骨架强度降低，在上覆土自重压力或附加压力共同作用下土体结构破坏。在黄土梁峁区因地下水埋深很大，可忽略其影响，主要考虑地表降水入渗引起的黄土湿陷，因此地基浸水可能性大小及地表水入渗影响深度成为湿陷性黄土处理深度的重要因素。本文利用GeoStudio软件的SEEP模块对2号集气站场地的地表降水入渗进行了模拟计算，采用瞬态渗流模式，建立模型见图1，地层渗透系数取值为近年延安地区各工程试验数据的平均值，详见表1。根据延安气象站降雨量资料，该地区日最大降雨量极值为139.9 mm/d，本次计算分别按连续降雨和阵雨两种情况考虑，连续降雨赋值常数值0.005 83 m/h，阵雨每24 h有一次峰值，峰值0.01 m/h～0.03 m/h，持续时间6 h，其他时间降雨量赋值0.001 m/h～0.003 5 m/h，采用以上参数分别计算降雨24 h,48 h,72 h和96 h时6 m深度范围内黄土地基的土壤含水量变化，未进行地基处理的天然地基场地计算结果见图2，地基经过压实(挤密)后计算结果见图3，图4。

表1 黄土地基渗透系数

m/h

由图2可以看出，天然地基连续降雨24 h,48 h,72 h和96 h时地表水入渗深度分别约为2.5 m,3.0 m,3.5 m和4.5 m，阵雨条件下24 h,48 h,72 h和96 h时地表水入渗深度分别约为2.5 m,3.5 m,3.5 m和4.0 m，由于场地的排水条件好，短时大降雨量引起的汇水短时间内能够快速排掉，并没有明显引起土壤含水量和入渗深度的增加。

由图3和图4可以看出，地基压实或挤密后在连续降雨和阵雨条件下，24 h,48 h,72 h和96 h时地表水入渗深度均为2.0 m～2.5 m，随着降雨时间增加，地表水入渗深度不再增加，最大入渗深度为2.5 m。

本次计算是在延安地区极值降雨条件下进行的模拟计算，降雨4 d后天然地基的最大入渗深度为4.5 m，而处理后地基(素黄土压实)最大入渗深度2.5 m，而实际上延安地区属干旱地区，实际降雨量要小于本次计算所取数值，实际降雨入渗深度也就相应的小很多。

3 地基处理方案探讨

3.1 浅基础

以2号集气站为例，场地为自重湿陷性黄土场地，20 m深度范围内计算自重湿陷量为311 m～394 mm，湿陷量为609 mm～780 mm，地基湿陷等级为Ⅲ级，单层丙类建筑按GB 50025—2004剩余湿陷量控制处理厚度要求，需要处理厚度不小于9.5 m，而场地所处地貌为黄土梁，最大梁宽90 m左右，处理方案选择受很大制约，且处理厚度过大导致经济预算大大超出可承受范围，很不合理，因此综合考虑工程规模、附加荷载大小、场地岩土工程条件及地基受水浸湿可能性大小、浸水深度等各因素后，经专家论证，最终采用整片换土垫层法进行地基处理，处理深度3.0 m，换填材料为3∶7灰土，同时加强了场地排水措施。素黄土压实条件下，极值降雨条件下的最大入渗深度为2.5 m，而实际上压实的3∶7灰土的渗透性远小于压实素黄土，实际入渗深度要小于2.5 m，因此场地发生黄土湿陷破坏的可能性很小，并且目前该站运营情况良好，证明该处理方案经济且可行。

3.2 桩基

以某处管道跨越为例，场地为自重湿陷性黄土场地，计算自重湿陷量为351 mm～477 mm，湿陷量为253 mm～537 mm，综合判定地基湿陷等级为Ⅲ级。以ZK1孔为例按规范的经验公式估算单桩竖向承载力特征值，该孔湿陷性黄土厚度18.2 m，其中自重湿陷性黄土厚度16.5 m，湿陷性黄土试验指标e=0.840，ωp=0.167，ωl=0.257，换算饱和状态下的液性指数Il=1.08，非湿陷性黄土e=0.657，按GB 50025—2004湿陷性黄土地区建筑规范，湿陷性黄土按饱和状态下Il=1.08查表取值，其中自重湿陷性黄土桩周土摩擦力特征值取-15 kPa，非湿陷性黄土按天然状态下的土性指标e=0.657查表取值，干作业挖孔桩单桩竖向承载力特征值计算过程表见表2。

表2 单桩竖向承载力特征值估算过程表(不考虑浸水深度)

由表2可见，桩长25 m的干作业挖孔桩单桩竖向承载力特征值估算值仅为221 kPa，显然过于保守。首先建(构)筑寿命期内无浸水可能性的湿陷性黄土土层，不会达到饱和状态，可取天然状态下的土性指标，根据本文第2节相关内容浸水深度可按5.0 m考虑。其次自重湿陷性黄土层也可按5.0 m深度范围内桩周土摩擦力取负值，以下土层按天然状态的土性指标取正值。按此计算干作业挖孔桩单桩竖向承载力特征值计算过程表见表3。