黄土湿陷性的试验研究

黄土湿陷性的试验研究

近年来，中国石油延长了油矿管理办公室，建立了多个原油输送项目，为管道输送石油创造了新的形势。其中,投产较早的是“永坪—姚店油品管输工程”,输油管道长度约120km,管道途经延安市延长县和延川县,该区域地形、地貌以黄土塬、黄土梁峁、河谷阶地为主,海拔高程(黄海高程)1047~1324m,表层为第四纪晚更新世风积之马兰黄土和全新世冲积之黄土状土,湿陷性较强,尤其在永坪联合站,为自重湿陷性场地,黄土地基的湿陷等级为III、IV级,对工程影响较大。1湿陷性黄土的特性分析“永坪—姚店油品管输工程”大量湿陷性黄土的土工试验数据,对比其物理力学性质与湿陷性的关系,发现其中存在着较强的规律性。(1)黄土含铜废水的胶结物模量和变形指标对湿陷性黄土地基来说,压缩变形是指地基土在天然含水量条件下,受外荷载作用所产生的变形,不包括地基浸水后的湿陷变形。压缩性可用压缩系数、压缩模量、变形模量和弹性模量等指标来表征。湿陷变形是黄土地基在自重压力和附加压力作用下,除压缩变形以外的附加变形。湿陷性由湿陷系数、自重湿陷量、湿陷量等指标来表征。通过分析发现,随着天然含水量增加,黄土的湿陷性由强变弱,直至变为无湿陷性;而压缩性恰好相反,由低压缩性变为高压缩性。主要原因是:作为胶结物的粘粒天然含水量增加,连接力减弱,压缩性变高。因土体的变形空间是一定的,即压缩量与湿陷量之和趋于定值,所以二者互为消长。(2)“永坪—干密度、孔隙比与湿陷系数:干密度和孔隙比是反映黄土疏密程度的指标,其大小对黄土的湿陷性有很大的影响。统计分析“永坪—姚店油品管输工程”的大量土工试验数据,结果见图1、2。随着干密度的增大,湿陷系数逐渐变小,干密度与湿陷系数呈负相关关系;而随着孔隙比的增大,湿陷系数逐渐变大,孔隙比与湿陷系数呈正相关关系。(3)液限对黄土湿陷性的影响统计分析显示,黄土的液限和塑性指数与湿陷系数之间存在一定的关系,(图3、4)。液限在21%~29%范围内,黄土的湿陷性表现强烈,在该范围以外,随着液限的变小或变大,湿陷性都呈减弱的趋势。同样,塑性指数在7~11范围内,黄土的湿陷性表现强烈,在该范围以外,随着塑性指数的变小或变大,湿陷性都呈减弱的趋势。2黄土的粘粒含量与湿陷性的关系720万年以前,即中新世晚期,经上新世、更新世和全新世,黄土连续沉积,总厚度达300m,形成了今天的黄土高原。黄土湿陷的原因和机理,许多人作过大量的研究工作,但至今仍未有统一的认识。有这几种学说:毛细管力丧失说、水膜楔入说、可溶盐溶解说、胶体不定结构说等。另外,有一种说法,粘粒含量及原生赋存状态是影响黄土湿陷性的主要因素。通过“永坪—姚店油品管输工程”土工试验数据分析,也证实了这一说法。在该项目中,管道工程沿线大部分区域和已建站场区域,黄土具有湿陷性,尤其在永坪联合站,为自重湿陷性场地,黄土地基的湿陷等级为III级(严重)、IV级(很严重)。根据大量室内土工试验数据统计分析,绘制粘粒含量与湿陷系数的关系图,详(图5)。由上图发现,并不是粘粒含量越高,湿陷性越强烈,而表现为:黄土的粘粒含量与湿陷性呈现准正态分布,以粘粒含量18%为中轴,左右基本对称,粘粒含量在13%~23%范围内,黄土具有强烈的湿陷性,随着粘粒含量的增多或减少,黄土的湿陷性都逐渐减弱。可以将这一范围称作黄土的“强陷粘粒区”。同时发现,在黄土的“强陷粘粒区”内,部分黄土的湿陷性并不强。微观分析,原因是粘粒的原生赋存状态直接影响黄土的湿陷性。黄土中粘粒的原生赋存状态,是在黄土沉积过程中形成的,主要由黄土的生成环境决定,有以下3种形式。(1)粘粒集合体构成团粒,团粒又构成黄土的骨架颗粒。在失水条件下,团粒为刚性体,具有较高的强度,而一旦遇水,强度减弱,受压后散落于空隙中。但并不是粘粒团粒含量越高,湿陷性越强烈。主要是因为团粒内部的连接并不一定是粘土矿物之间的连接,也有碳酸钙胶结。如碳酸钙胶结,遇水溶解性较差,在外界压力作用下,仍能保持原有结构不被破坏,从而大大减弱了黄土的湿陷性。(2)粘粒存在于骨架颗粒表面,包裹着骨架颗粒,在骨架颗粒间的连接处起到胶结作用。遇水后,粘粒间的连接强度降低,骨架颗粒受压滑落到空隙里。(3)骨架颗粒表面的粘粒很厚,使骨架颗粒分散在粘粒里,构成“基底胶结”形式,一般情况,粘粒百分含量超过23%。这种结构的黄土孔隙偏小,限制了黄土的湿陷,从而表现为湿陷系数较小。湿陷性黄土中,粘粒不同形式的原生赋存状态,使黄土表现出不同的湿陷性能。因此,即使在黄土的“强陷粘粒区”内,也会出现湿陷性有强有弱、极不均衡的现象。另外,在管道工程沿线局部区域,如延河两岸、河漫滩附近,多为砂黄土带或砂土含圆砾层,土层中粘粒含量小,矿物颗粒多以单粒状态存在,接触比较紧密,土颗粒架空孔隙少,所以土层湿陷性小或无湿陷性。3湿侯黄土基处理3.1主要种类和信息经过长期实践经验积累,湿陷性黄土的地基处理已有很多方法,汇总一下主要有以下几种,见表1。在实际工程应用中,选择地基处理方案时,要结合当地的环境、建筑物的类别、湿陷黄土的岩性特征、场地的施工条件及材料来源、工程造价、工程进度等多方面因素,综合考虑,择优而取。3.2工程应用(1)高压垫层施工在“永坪—姚店油品管输工程”中,管道工程大部分沿河谷阶地敷设,部分地段沿黄土塬敷设,拟采用沟埋方式。沿线地势起伏较大,公路多为乡村土路,路面狭窄,交通不太方便,不利于大型施工设备进出,黄土地基的湿陷等级多数为I、II级,管道(ϕ108~ϕ323.9)对地基土的荷载要求不高。分析以上条件,地基处理最适用的方法为垫层法,就地取材,人工操作,施工简单,质量容易控制,经济可行。垫层法有悠久的历史,积累了丰富的经验。垫层法的处理深度为1~3m,而输油管道所经区域,湿陷性黄土的深度绝大多数情况小于3m,采用素土垫层法可行。采用素土垫层法,沿管道走向挖槽,采用整片土垫层形式。具体操作方法为:先将需要处理的湿陷性黄土挖出,采用黄土、粘性土或砂土作为土料,均匀筛选后,在最优含水量状态下分层回填并夯实。施工过程中,现场分层检测回填土的干密度或压实系数,判断是否达到规定的标准。压实系数是指垫层施工时的控制干密度与轻型标准击实试验所得的最大干密度之比。其公式为:λc=ρdρdmaxλc=ρdρdmax式中:λc为压实系数;ρd为土(或灰土)垫层的控制(或设计)干密度(g·cm-3);ρdmax为轻型标准击实试验测得土(或灰土)的最大干密度(g·cm-3)。根据《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)中规定,控制垫层质量的压实系数应符合以下要求:(1)垫层厚度不大于3m时,其压实系数不应小于0.95;(2)当垫层厚度大于3m时,其超过3m部分不应小于0.97。(2)挤密法nd永坪联合站改造工程位于已建站场院内,场地条件较好,交通便利,适于施工设备进出,且改造工程要求地基土承载力较高。综合上述分析,采用挤密土桩法,不但可以加快施工进度,缩短工期;而且能有效消除黄土地基的湿陷性,提高地基土的承载能力,保证施工质量。尤其在永坪联合站,湿陷性黄土的深度小于15.0m,湿陷等级为III、IV级,湿陷量大,采用挤密法处理经济可行。挤密法,通常由沉管法成桩孔(ϕ400mm),然后分层填夯素土或灰土。在成孔过程中,桩孔部位的土体产生径向挤压,使桩周一定范围内的桩间土得到挤密,从而形成桩体与桩周挤密土组成的复合地基。达到消除地基土的湿陷性,降低土层压缩性,增加地基强度的目的。挤密孔的孔位可按照正三角形布置,孔心距可按照下式计算:S=0.95η¯cρdmaxD2−ρdod2η¯cρdmax−ρdo−−−−−−−−−−−√S=0.95η¯cρdmaxD2-ρdod2η¯cρdmax-ρdo式中:S为孔心距(m);D为挤密填料孔直径(m);d为预钻孔直径(m);ρdo为地基挤密前压缩层范围内各层土的平均干密度(g·cm-3);ρdmax为击实试验确定的最大干密度(g·cm-3);η¯cη¯c为挤密填孔(达到D)后,3个孔之间土的平均挤密系数不宜小于0.93。孔底在填料前,必须夯实,填料应采用素土或灰土,分层回填夯实。其压实系数不宜小于0.97。实践证明,经处理后的复合地基承载力标准值为175~200kPa,能够满足工程需要。4黄土的粘粒含量及赋存状态对其湿陷性的影响(1)湿陷性黄土的干密度与湿陷系数呈负相关关系,孔隙比与湿陷系数呈正相关关系。(2)液限在21%~29%范围内,黄土的湿陷性表现强烈,在该范围以外,湿陷性呈减弱的趋势;塑性指数在7~11范围内,黄土的湿陷性表现强烈,在该范围以外,湿陷性呈减弱的趋势。(3)对于湿陷性黄土,粘粒含量及赋存状态是影响其湿陷性的主要因素。粘粒含量在13%~23%范围内,黄土具有强烈的湿陷性,这一范围可称作黄土的“强陷粘粒区”。随着粘粒含量的增多或减少,黄土的湿陷性都逐渐减弱。粘粒的原生赋存状态主要有3种形式:粘粒集合体构成团粒,团粒又构成黄土的骨架颗粒。粘粒存在于骨架颗粒表面,包裹着骨架颗粒,在骨架颗粒间的连接处