劉 曉 忠

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257026)

0 引言

近年來(lái)，隨著陜北地區(qū)天然氣開(kāi)發(fā)工程的快速開(kāi)展，新建了大量的天然氣輸送管道及集氣站場(chǎng)，因受?chē)?guó)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(chǎng)地，濕陷等級(jí)多為Ⅲ級(jí)～Ⅳ級(jí)，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(lèi)建筑，且多為單層建筑，規(guī)范要求當(dāng)?shù)鼗鶟裣莸燃?jí)為Ⅲ級(jí)或Ⅳ級(jí)時(shí)，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(shí)，處理厚度往往很大，相對(duì)于集氣站的建筑規(guī)模、附加荷載大小及所處場(chǎng)地工程地質(zhì)條件來(lái)說(shuō)，存在過(guò)大的建筑能耗浪費(fèi)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(yàn)公式估算單樁豎向承載特征值時(shí)，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(shí)，對(duì)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(duì)于自重濕陷性黃土場(chǎng)地，除不計(jì)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(duì)于排水條件較好的場(chǎng)地來(lái)說(shuō)，也過(guò)于保守，導(dǎo)致設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)過(guò)大，浪費(fèi)嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)性差。而以上問(wèn)題的產(chǎn)生均是因?yàn)闆](méi)有充分考慮場(chǎng)地內(nèi)地基實(shí)際浸水可能性的因素。

1 工程實(shí)例

本文以某天然氣工程的2號(hào)集氣站為例，對(duì)降雨條件下濕陷性黃土地基受水浸濕的可能性進(jìn)行計(jì)算分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)大厚度濕陷性黃土場(chǎng)地的地基處理方案進(jìn)行探討。同時(shí)以某處管道跨越為例，對(duì)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(wèn)題進(jìn)行討論。兩個(gè)工程實(shí)例概況分別為：2號(hào)集氣站地處黃土梁，整體地勢(shì)由南向北傾斜，東西兩側(cè)為沖溝，溝坡坡度較大，場(chǎng)地排水條件好，場(chǎng)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(chǎng)地濕陷性黃土厚度大于20 m，勘察未揭穿。跨越場(chǎng)地地貌為崾峴，沖溝發(fā)育，排水條件好，場(chǎng)地內(nèi)馬蘭黃土厚約18 m～20 m，下伏地層為離石黃土，該場(chǎng)地濕陷性黃土厚度18 m～20 m。兩個(gè)場(chǎng)地地下水埋深均很大，不考慮其對(duì)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(shí)，可溶性鹽類(lèi)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(duì)2號(hào)集氣站場(chǎng)地的地表降水入滲進(jìn)行了模擬計(jì)算，采用瞬態(tài)滲流模式，建立模型見(jiàn)圖1，地層滲透系數(shù)取值為近年延安地區(qū)各工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值，詳見(jiàn)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(jì)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(shí)間6 h，其他時(shí)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(jì)算降雨24 h,48 h,72 h和96 h時(shí)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(chǎng)地計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2，地基經(jīng)過(guò)壓實(shí)(擠密)后計(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(shí)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(shí)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(chǎng)地的排水條件好，短時(shí)大降雨量引起的匯水短時(shí)間內(nèi)能夠快速排掉，并沒(méi)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(shí)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(shí)地表水入滲深度均為2.0 m～2.5 m，隨著降雨時(shí)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(jì)算是在延安地區(qū)極值降雨條件下進(jìn)行的模擬計(jì)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(shí))最大入滲深度2.5 m，而實(shí)際上延安地區(qū)屬干旱地區(qū)，實(shí)際降雨量要小于本次計(jì)算所取數(shù)值，實(shí)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(hào)集氣站為例，場(chǎng)地為自重濕陷性黃土場(chǎng)地，20 m深度范圍內(nèi)計(jì)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(jí)為Ⅲ級(jí)，單層丙類(lèi)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(chǎng)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(guò)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(chǎng)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(zhuān)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(shí)加強(qiáng)了場(chǎng)地排水措施。素黃土壓實(shí)條件下，極值降雨條件下的最大入滲深度為2.5 m，而實(shí)際上壓實(shí)的3∶7灰土的滲透性遠(yuǎn)小于壓實(shí)素黃土，實(shí)際入滲深度要小于2.5 m，因此場(chǎng)地發(fā)生黃土濕陷破壞的可能性很小，并且目前該站運(yùn)營(yíng)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(chǎng)地為自重濕陷性黃土場(chǎng)地，計(jì)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(jí)為Ⅲ級(jí)。以ZK1孔為例按規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)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(yàn)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(jì)算過(guò)程表見(jiàn)表2。

表2 單樁豎向承載力特征值估算過(guò)程表(不考慮浸水深度)

由表2可見(jiàn)，樁長(zhǎng)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(guò)于保守。首先建(構(gòu))筑壽命期內(nèi)無(wú)浸水可能性的濕陷性黃土土層，不會(huì)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(jì)算干作業(yè)挖孔樁單樁豎向承載力特征值計(jì)算過(guò)程表見(jiàn)表3。

表3 單樁豎向承載力特征值估算過(guò)程表(浸水深度按5.0 m考慮)

由表3可見(jiàn)，浸水深度按5.0 m考慮，20 m樁長(zhǎng)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(tái)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(chǎng)地內(nèi)設(shè)置必要的排水措施和地面硬化措施。

4 結(jié)語(yǔ)

1)濕陷性黃土場(chǎng)地在進(jìn)行地基處理設(shè)計(jì)時(shí)，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(chǎng)地的天然地基入滲深度可按5.0 m考慮，壓實(shí)(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(chǎng)地內(nèi)采取合理的排水措施。

3)自重濕陷性黃土場(chǎng)地樁基設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)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(lèi)建筑及小型跨越樁基的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，大型的甲乙類(lèi)建筑建議進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)，以確定場(chǎng)地地基的實(shí)際浸水深度及可能性。

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

[2] 杜百計(jì)，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.