天水分输气压站站场黄土状土的工程地质特性研究

李 叶，彭纪伟，周建中，任天勇，李 真

(1.四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072;2.四川省水利职业技术学院，

四川 都江堰，611830;3.四川省交通厅交通设计研究院，成都，610071)

1 概况

天然气中卫——贵阳联络线起自宁夏中卫，经甘、陕、川、渝，止于黔之贵阳，干线全长1647km，设计输气能力150×108m3/a，设计压力10MPa，管径1016mm。天水分输气压站站场处于甘肃省天水市秦州区天水镇龙头寺村、王家村与陇南市礼县盐关镇罗堡村，位于位于嘉陵江一级支流西汉水河右岸Ⅰ级阶地，第四系松散堆积层厚度达25m～30m，下伏老第三系(E)泥岩。站场表部均分布有9.5m～16.4m厚的黄土状粉土和黄土状粉质粘土，对其物理力学性质进行研究，无疑具有重要的意义。

站场大地构造位于秦岭造山带，南侧为摩天岭地块、丹巴逆冲——滑脱带，北侧为祁连山造山带，南侧分界断裂为武都——略阳断裂，北侧分界断裂为西秦岭北缘断裂带。秦岭造山与祁连山造山带是扬子陆块与华北陆块分界的结合带，历经了漫长而复杂的构造变形过程。在构造体系上，场地位于天水——西礼盆地，地质构造属于西秦岭山间断陷盆地。在下古生代时期为北部海西冒地槽褶皱带，经过加里东期和海西宁运动后就形成了天水——西礼盆地，以后又经历过多次构造运动，形成了沿河两岸的阶地和山地地形。场地地震动峰值加速度为0.30g，相应地震基本烈度为Ⅷ度。

2 站场地层结构及土性特征

2.1 地层结构

根据勘察成果和土性特征，将第四系松散堆积层从上至下分为四个工区层(①～④层):①层黄土状粉土(厚5.2m～11.8m);②层黄土状粉质粘土(厚2.0m～4.6m)、③层粉质粘土(厚2.0～4.1m，含砾砂和粉土透镜体)和④层圆砾(厚7.1m～9.5m，含粉质粘土和粉土透镜体)。③层粉质粘土和④层圆砾均不属黄土类土，均不具湿陷性。

2.2 黄土状土的土性特征

2.2.1 黄土状粉土。褐黄色～褐灰色，稍湿～湿，以稍密为主，局部中密，厚5.2m～11.8m，层底高程1526.34m～1531.71m，占场北侧厚南侧薄，层底由北向南倾斜。土中小孔隙较发育，偶见有碎石、钙质结核、灰白色丝状及团块状盐渍土，钻探揭露局部粘粒含量较高，呈透镜体状。随着深度的增加含水量渐增，属高压缩性土。

2.2.2 黄土状粉质粘土。褐黄色，局部褐灰色，湿，可塑状，厚0.0～4.6m，层底高程1526.01m～1529.07m，孔隙少见，随着深度的增加含水量渐增，属中等压缩性土。

3 黄土状土的物理力学性特征

3.1 黄土状土的物理性质

在竖井中取原状样(黄土状粉土13组、黄土状粉质粘土14组)27组，室内进行物性试验。成果见表1。

表1 土体物性试验成果统计

由表1可知，黄土状粉土粘粒含量6.4%～9.8%，天然含水量19.6%～21.3%，干密度1.38g/cm3～1.49g/cm3，孔隙比0.91～0.99，液限26.7%～34.9%，塑限18.0%～24.0%，塑性指数8.7～10.9。黄土状粉质粘土粘粒含量31.0%～36.3%，天然含水量25.8%～29.3%，干密度1.41g/cm3～1.54g/cm3，孔隙比0.78～0.85，液 限34.0% ～35.6%，塑 限18.6% ～22.1%，塑性指数13.5～15.8。

3.2 黄土状土的力学特征

勘察在竖井中取原状样(黄土状粉土13组、黄土状粉质粘土14组)27组进行室内试验，并在钻孔中进行连续标准贯入试验，求取①层黄土状粉土和②层黄土状粉质粘土的力学参数(见表2、表3)。

表2 土体标准贯入试验成果统计

表3 土体力学试验成果统计

3.3 黄土状土的剪切波速

选取代表性钻孔zk2、zk7、zk12、zk16、zk18进行剪切波速测试，采用瞬态面波表面波测试法，测试偏移距为1m～6m，12道接收，道间距为1m，大锤激发。资料整理及解译用Georaw软件进行处理。在时域内调入面波数据资料，利用时间域加窗的方法提取瞬态面波(面波记录及框选)，瞬态面波f－k域内拾取最大能量团中的峰值线(频散曲线及框选)，瞬态面波的H－V域内进行速度分层、正演拟合、计算层速度等(解译成果)，并根据《建筑抗震设计规范》(GB50011－2008)求土体的等效剪切波速(试验成果见表4)。

3.4 黄土状土的承载力及动力参数的确定

3.4.1 天然地基承载力特征值

根据室内岩土体物理力学性质指标试验成果、现场原位测试成果，并结合同类场地工程综合分析，黄土状土的天然地基承载力特征值建议如下:

表4 土体的剪切波速测试成果

黄土状粉土:fak=120kPa

黄土状粉质粘土:fak=160kPa

3.4.2 地基土动力参数

拟建的压缩机装置区为动力基础，根据土层物理力学试验成果和剪切波速测试成果资料，地基土动力参数建议值如下:

地基土波速:场地厚度加权波速Vs=182.6m/s。

地基土动弹性模量:Ed=193.4MPa。

地基土动剪变模量:Gd=66.69MPa。

动泊松比:rd=0.45;

抗压刚度系数:

①层黄土状粉土:Cz=31000;

②层黄土状粉质粘土:Cz=40000;

桩基础桩周土层和桩尖的当量抗剪刚度系数Cxh、桩尖土当量抗压刚度系数Czh建议采用值:

①层黄土状粉土:Cxh=15000kN/m3～25000kN/m3;Czh=800000kN/m3;

②层黄土状粉质粘土:Cxh=10000kN/m3～15000kN/m3;Czh=600000kN/m3;

天然地基阻尼比建议值:垂向Dz=0.15;水平回转向第一、第二振型阻尼比Dxψ1=0.08，Dxψ2=0.12，扭转向Dxψ=0.12。

桩基阻尼比建议值:垂向Dz=0.20，水平回转向第一、第二振型阻尼比Dxψ1=0.12、Dxψ2=0.20、扭转向Dxψ=0.20。

4 黄土状土的湿陷性计算与评价

4.1 黄土状土的湿陷性判断

根据试验成果，按照《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025－2004)中黄土湿陷性判断标准(湿陷性系数＞0.015)、1997年陈祖典的《黄土力学与工程》中甘肃天水地区黄土的湿陷性经验判定参数进行判断(见表5)。

颁奖典礼上，最大的主角还是来自全国各地的明星阿姨们。站在聚光灯下，阿姨们感情真挚的获奖感言，赢得了现场与会人员的阵阵掌声。听到宣读自己的名字，来自福建厦门的盛海霞兴奋不已。站在领奖台上，她激动地说“非常感谢兰心奖给我们阿姨一个展示自己的舞台。360行，行行出状元。今后，我对我从事的职业会更加感到自豪。我要用自己的案例告诉身边的朋友：一定要用心做事，甘于奉献。”

根据表5可以判定，场地内分布的黄土状粉土具有湿陷性和自重湿陷性，而黄土状粉质粘土不具有湿陷性和自重湿陷性。

表5 黄土状土的湿陷性判定

4.2 湿陷性计算

湿陷性计算按照《工程地址手册(第四版)》、《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025－2004)和《黄土力学与工程》中推荐的黄土湿陷性计算公式计算。湿陷性黄土场地自重湿陷量Δzs的计算值公式:

式中:δzsi——第i层土的自重湿陷系数(小于

0.015m土层不累计);

hi——第i层土的厚度(mm);

β0——修正系数，取1.50。

湿陷性黄土场地地基湿陷量Δs的计算公式:Δs=Σn

i=1βδzsihi

式中:δzsi——第i层 土 的 湿 陷 系 数(小 于

0.015m土层不累计);

hi——第i层土的厚度(mm;

β0——修正系数，基底下0～5m取1.5，基底下5～10m取1.0，10m以下取1.5;

黄土自重湿陷量(Δzs)和地基湿陷量(Δs)计算成果见表7。

表6 湿陷性黄土湿陷等级判别

表7 黄土状粉土自重湿陷性、地基湿性计算成果

公式中自重湿陷量从地表起算，地基湿陷量计算起算高程为地面下1.5m。

4.3 黄土状土的湿陷性评价

根据土工试验成果，场区分布的黄土状粉土具有湿陷性和自重湿陷性，而黄土状粉质粘土不具有湿陷性和自重湿陷性。自重湿陷性土层的分布深度一般为3m～7m，湿陷性土层的分布深度一般为5.0m～10.1m。按照《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025－2004)，自现地面开始计算的自重湿陷量(Δzs)为57mm～264mm，大部分属自重湿陷性场地，故拟建场地属于自重湿陷性黄土场地。

场地建(构)筑物基础埋深一般1.50m，按规范计算的地基湿陷量(Δs)为174mm～322mm，黄土地基湿陷等级为Ⅰ级(轻微)～Ⅱ级(中等)。根据场地地形地貌和区域地质资料分析，以《湿陷性黄土地区建筑规范》和穿透湿陷性土层的钻孔资料为依据，建议建(构)筑物地基的湿陷等级按Ⅱ级(中等)设防。

5 站场基础形式及地基处理

5.1 基础型式

根据场地地层、岩性及其物理力学性质、地下水埋深等条件，建议场地内建筑物基础型式:(1)对荷载较小的一般建筑物建议采用浅基础，以黄土状粉土为地基持力层;(2)重要建筑物基础采用桩基，清除表部的黄土状粉土、黄土状粉质粘土和粉质粘土，以下伏圆砾层为桩端持力层。

5.2 地基处理

5.2.1 对于浅基础，建议以黄土状粉土为基础持力层，基础埋深应大于1.50m为宜。根据原位测试(标准贯入试验)成果，其承载力特征值按fak=120kPa考虑。由于地基承载力不高，若不能满足地基基础应力要求，建议采取垫层法(换填)处理，根据基础附边应力确定换填深度。场地地基湿陷等级为Ⅱ级，属自重湿陷性场地，建议采取垫层法(换填)进行地基处理，地基处理厚度不应小于2.5m。

建议地基处理方法:垫层法建议采用灰土垫层。施工时根据设计要求，将拟定的基底下的湿陷性黄土挖出，在开挖基坑过程中，应选择有代表性点测试灰土(3∶7)的最大干密度和最优含水量。利用基坑内的黄土状粉土按3∶7比例掺合石灰，且应过筛拌合均匀，然后根据所选用的压实设备，在最优或接近最优含水量分层回填，压实到设计标高。在施工灰土垫层过层中，应每层分块取样检验灰土的干密度，换算成压实系数，压实系数应满足小于3m的灰土垫层不小于0.95，超过3m以上部分灰土垫层不小于0.97。处理后的灰土地基土承载力特征值fak可按200kPa考虑。

5.2.2 对于重要建筑物可采用桩基，以圆砾层④作为桩端持力层，桩端应进入圆砾中密～密实层0.5m～1m为宜，极限端阻力标准值按qpk=3000kPa考虑。

桩的极限侧阻力建议值:黄土状粉土，qsik=－15kPa;黄土状粉质粘土，qsik=70kPa;粉质粘土qsik=60kPa;砾砂qsik=80kPa;粉土:qsik=60kPa;圆砾qsik=150kPa。

5.3 施工建议

5.3.1 建筑区属于季节性冻土地区，冬季不宜进行建筑施工，混凝土浇注、养护应注意保温防冻。

5.3.2 地基处理施工应注意排污，保护环境;基坑施工时，应加强临时支护措施，以保证施工人员生命安全。

5.3.3 施工安排时，注意排水设施的布置，保证排水通畅。基础和管道施工，宜缩短基坑或基槽的暴露时间，在雨季施工时，应采取专门措施。

5.3.4 基坑或基槽开挖时应预留保护层30cm～50cm，且开挖出来的土堆放距基坑或基槽壁的距离宜大于1m。

5.3.5 管道和水池施工时，应确保施工质量，防水层严密不漏水，以免因黄土状土湿陷引起地质灾害。

6 结语

6.1 黄土及黄土状土的湿陷性是黄土地区的普遍规律和主要的工程地质问题之一，研究其物理性质和工程地质特征无疑具有重要的工程意义。

6.2 本文通过勘探、试验和原位测试成果资料的综合分析，论证了天水分输气压站场区黄土状土的物理力学性质和工程地质特性，认为在加强地基基础处理的条件下，黄土状土可作建筑物地基。 ■