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黄土地区油田建设岩土工程技术研究及应用

高晓刚
摘 要：随着陇东地区地下原油的勘探开发，油田在黄土地区地面建设过程中的岩土工程技术问题日益突出。本文在介绍的区域岩土环境、地貌特征等基础上，从两年多来实践经验的角度出发，以镇泾油田的某联合站区域为重点，就该区域内岩土勘察、勘察设计以及地基处理方面的数据成果和成熟施工经验进行论述。
关键词：湿陷性黄土；黄土地貌；探井；静力触探；湿陷等级；灰土挤密桩
1.绪论
镇泾油田自2004年开始地面建设，该油田区块主要位于甘肃省东部的镇原县与泾川县境内，该区域属于典型的黄土地貌。建成的地面厂站及设施包括：联合站、转油脱水站、增压站、集输支干线、油区主干道、采油队点等。
2.区域自然地理地貌
2.1 气象
镇泾油田区块为北温带半干旱大陆性季风气候。降雨量年、月分布不稳定，一般七、八、九月降水偏多。年平均气温8.9℃，降雨量626.7mm，蒸发量1500mm。标准冻土深度0.8m。
2.2 黄土地貌
该区域属陇东黄土高原沟壑区，高程为1000～1420m。区域内地貌类型根据成因及形态可分为以下三种主要类型。
2.2.1 黄土沟间地貌
a. 黄土塬：该区域面积大于100km2的黄土塬面有两个，分别是联合站所在的平泉—玉都镇塬面和屯子镇—上肖乡塬面，海拔1280m至1420m。西北—东南走向，地势西北高、东南低，地势大致由西北向东南倾斜。东西坡降15‰，南北坡降3‰。黄土层厚度达150～370m。塬面区以面蚀为主，侵蚀次之。
b. 黄土梁、黄土峁：黄土梁和黄土峁在该区域内的泾河、洪河沟谷与黄土塬过度区域分布很广，与黄土塬一样，是典型的黄土堆积地貌。
2.2.2 黄土沟谷地貌
联合站西北100m处和东北900m处分别发育着两条冲沟，呈倒“V”字状汇聚于联合站正北2.5km处，与黄土塬面最大高差为180m。
泾河和洪河是区域内发育的两条河流，洪河是泾河的支流，都可归类于河沟。泾河河谷较为平缓，呈“U”，泾川县城附近达2km宽。洪河在红河乡位置的纵断面近似“V”形，沟底已切入基岩。这两条河流与平泉—玉都镇塬面的高差约为300m。
2.2.3 黄土潜蚀地貌
联合站东南240m处有个上口直径约3m，深约2.5m的不规则状黄土潜蚀地貌，即黄土陷穴。黄土地区潜蚀性地貌有很多种，主要包括黄土碟、黄土陷穴、黄土桥、黄土胡同以及黄土柱等。
3.岩土勘察
3.1 探井
在湿陷性黄土地区，采取Ⅰ级土样的主要工法之一就是探井。钻进设备为车载洛阳铲，属冲击钻进方法，其成孔直径为500～600mm，满足一个人下井取土样的空间要求。
但是探井也有自身的不足之处，其成孔后回填难度大；主要体现在深孔的回填上，往往回填密实度或密度达不到原状土的状态。在地表渗水或大量降雨的影响下，地下如有柱状虚土或裂隙时，极易形成黄土地区特有的潜蚀性地貌，长时间的不断的发育会对地面建筑物造成毁灭性的破坏。
如果按《湿陷性黄土地区建筑规范》的探井比例要求，即详勘阶段占取样孔的二分之一以上，那在现场施工过程中必须做好回填工作。建议对二级以上重要等级的项目禁止人工回填，采取机械夯实的方法。对于三级的工程，可以采用人工回填，但单层回填土的厚度不宜大于500mm。
3.2 静力触探
镇泾区块联合站、综合服务基地区域内的黄土塬地貌有其自身特点，即黄土地层厚度相对较大。静力触探极易适合于这种深厚、较单一的地层，能够快捷、直观、全面的反应出地层分布、深度以及对应的岩土参数。根据现场试验，静力触探最深可达30m。从勘察施工周期和经济角度来说，这种原位测试方式无意识最适合的法方。
需要指出的是，该区域内第一古土壤层（古一层）含水率相对较高，局部为黏土，呈软塑、硬塑状，且具有膨胀特性。该层一般厚约1.5m，底部为钙质结核层，静力触探探头一般会在该层受到较大的阻力影响。作业时要注意进入该层时压力表的指数变化，如果异常突出，则停止试验更换位置，以免损坏液压系统，丢失或损坏探头。
3.3 轻便洛阳铲
在镇泾油田区块，结合探井、机械钻机、标准贯入、波速测试、静力触探等勘察方式的基础上，还加入了轻便洛阳铲的勘察手段。
这是由于區域内黄土具有黏粒含量相对较低，孔隙发育强烈，干强度中等，韧性较低等特点的原因轻便洛阳铲是在场地大面积勘探过程中，结合油田地面建设中部分小型、集中的工艺装置所探索的勘察手段，其成孔深度一般不大于15m，作为浅部地层鉴别和临时摸排潜在不良地质作用的快捷手段。
4.地基处理
黄土地区主要的特殊性岩土问题是土的湿陷性。以玉都镇为中心的塬面上，其根据室内试验得出的湿陷系数 ，区域内湿陷深度在13.0～18.7m。得出： 121.2～366mm， 465～869.3mm，对应单孔湿陷性计算，区域内主要都为自重湿陷性黄土场地，湿陷等级为Ⅱ～Ⅳ。
根据《湿陷性黄土地区建筑规范》，镇泾油田区域内的建筑类型以分别为乙类、丙类、丁类三种2。结合现场处理经验，从工艺复杂程度和技术经济综合对比，采用灰土挤密桩和灰土垫层法处理。以下分别就三种类别建（构）筑物对应的地基处理方式做一介绍。
4.1 乙类建筑
对乙类建筑物采用灰土挤密桩整片处理2，在自重湿陷黄土场地，挤密桩不应小于湿陷土层深度的2/3，且下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量不应大于150mm。
结合玉都镇范围内湿陷性计算，处理厚度须达到地面以下14.70m，同时满足处理后的复合地基承载力大于180kPa，这样既有挤密桩间土，消除湿陷性作用，同时可提高地基土强度。成孔后孔内采用消石灰与土体积配合比2：8或3：7灰土回填夯实，其压实系数不宜小于0.97，桩顶标高以上灰土垫层小于3.0m时，压实系数不应小于0.95；大于3.0m时，其超过3.0m的部分压实系数不应小于0.97。根据已有施工经验，当桩身灰土压实系数不小于0.97，桩间土的最小挤密系数不小于0.90时，复合地基承载力特征值可达200kPa。
4.2 丙类建筑
丙类建筑，当地基湿陷等级为Ⅲ或Ⅳ时2，地基处理厚度分别不应小于3m或4m，且下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量不应大于200mm。
对于丙类建筑也采用灰土挤密桩法进行处理方法，同样结合玉都镇范围内湿陷性计算，灰土挤密桩桩达到地面以下9.70m，即可满足下部未处理土层的剩余湿陷量不应大于200mm的丙类建筑要求。成孔后孔内采用拌合均匀的2：8或3：7灰土回填夯实。桩顶标高以上应设置300～500mm厚的2：8灰土垫层，压实系数不应小于0.95。桩体的压实系数不应小于0.97。
4.3 丁类建筑
丁类建筑物在标注规范上未明确规定，但鉴于湿陷性黄土对上部建筑物的影响，勘察设计过程中提出，对于丁类建筑物在地基处理方式上用灰土垫层法，换填厚度最少满足3.00m，即用3：7灰土进行分层夯实，回填至基础底面标高。当控制垫层质量的压实系数不小于0.97时，灰土垫层的承载力特征值可取200kPa，灰土垫层强度可满足上部荷载要求。经灰土垫层处理地基后，尚应采取建筑措施、结构措施和基本防水措施。
5. 结论
本文是从黄土地区油田地面建设局部区块的角度，以岩土勘察以及勘察设计中实际操作、室内试验、计算和地基处理经验为主要内容，做了论述，以供技术交流。
参考文献：
[1]谢宇平. 第四纪地质学及地貌学. 地质出版社.
[2]罗宇生等. 湿陷性黄土地区建筑规范. 中国建筑工业出版社.

-全文完-