蘇丹膨脹土特性分析及其在地面建設中的危害和處理方法

摘要:蘇丹中南部地區為稀樹大草原地貌，屬于熱帶氣候，地表分布著一層脹縮性極強的灰黑色粘性土(俗稱蘇丹黑棉花土)。膨脹土對石油地面設施的危害很嚴重，造成經濟損失巨大，因此針對蘇丹膨脹土地區的工程建設性質和特點，我深入研究了膨脹土物理性質和其破壞機理，結合工程建設需要，提出更經濟合理的處理措施，減小危害程度。

關鍵詞:石油地面設施 膨脹土 親水礦物 防水墻 大氣急劇影響深度 大氣影響深度

0 引言

98年我院承擔了蘇丹中南部地區采油和輸油項目的巖土工程勘察工作，該地區地貌單元屬于阿拉伯河沖洪積平原，地形平坦。由勘探資料可知，該區地下水埋藏深，沉積環境穩定，地層變化不大。地基土由第四紀沖積而形成，主要由粘性土組成，砂以透鏡體的形式存在。表層土為脹縮性粘土(俗稱蘇丹黑棉花土)，呈灰黑色;下部地層為微黃褐色～黃綠色的含鈣質結核脹縮性粘土。該兩層粘土均為含蒙脫石、伊利石等膨脹礦物的堿性膨脹土，潮濕狀態下用手觸摸有滑膩感，失水后呈干燥而堅硬的棱角狀或塊狀。旱季地表土因水分大量蒸發而收縮、開裂，而在雨季吸水閉合。旱季地表裂縫發育，且互相貫通，裂縫上寬下窄，延深可達80～100cm，寬達2～7cm。

膨脹土對油田地面基礎設施的破壞性極為嚴重，一些排污溝的混凝土質散水坡發生嚴重變形，且局部被推離排水溝，2003年度蘇丹尤尼提電站發電機組大廳地面發生變形，局部混凝土脫落。

鑒于蘇丹國情和工程建設施工條件，我深入研究了膨脹土的特性，綜合我院專家的建議提出切實的解決辦法。

1 膨脹土的物理力學性質分析

1.1 膨脹土的定義

根據《巖土工程勘察規范》(GB50021-2001)對膨脹性巖土的定義:含有大量親水礦物，濕度變化時有較大體積變化，變形受約束時產生較大內應力的巖土，應判定為膨脹巖土。

該區膨脹土的親水礦物主要為蒙脫石和伊利石等。

1.2 膨脹土的物理力學試驗分析

在蘇丹南部尤尼提地區，從地表至3m范圍內采集了部分直徑為50mm的土樣(見表Ⅰ:土樣表)，委托芬蘭技術研究中心和芬蘭地質勘察協會對土樣進行物理分析。

1.2.1 膨脹土的親水礦物鑒定 芬蘭地質勘察協會對給定土樣做了X射線光譜分析，分析結果是一組以蒙脫石成分為主的伊利石和蒙脫石混合礦物，蒙脫石組礦物成分占總量的10～20%，X射線光譜分析方案不能確定蒙脫石組內的不同礦物成分。膨脹礦物的成分及含量范圍見表Ⅱ:試驗土樣X射線光譜分析結果。部分土樣X射線光譜分析曲線見圖2。

1.2.2 膨脹力試驗 試驗室根據ASTM標準D4546-96，對膨脹土進行了一維膨脹-沉降勢分析，分類和膨脹試驗結果見表Ⅲ:膨脹試驗結果。該試驗結果表明試驗土樣膨脹范圍在7.5～21.5%，具有代表性的膨脹力在1.3～1.6MPa，其中有一組膨脹力超過3.4MPa。

注:①1-3項膨脹力是3kPa，4-8項壓力是13kPa;

②由于試驗儀器屈服，實際結果要比表Ⅱ的的數值大得多;

③膨脹力超過實驗儀器上限。

1.3 膨脹土的脹縮機理

該區膨脹土主要礦物成分由蒙脫石和伊利石等構成，此類粘土礦物具有較強的吸水并保持某些陽離子的特性;因此，在自然條件下，地表膨脹土在雨季時大量吸水后粘土顆粒體積發生膨脹，地表裂縫閉合，地面隆起，地基土承載能力降低;而在干旱季節水分蒸發，地表土失水收縮，造成地面下降干裂，此類現象的循環發生從而導致該區已建建(構)筑物局部區域出現基礎變形、開裂，進而影響整個工程的運營。根據收集項目所在地浸水載荷試驗資料大致得出該區地基土由干燥狀態變為飽和狀態后，其承載力損失約60%。

2 巖土工程處理措施

2.1 深基礎建議

根據蘇丹國國情，結合膨脹土的工程特性以及我院在蘇丹多年從事地基處理施工的經驗，認為采用深基礎型式處理地基土時選樁型首選鋼管樁。一方面鋼管樁施工速度快、工程質量可靠、承載力高，另一方面鋼管重量輕，便于裝卸和運輸，同時不易損壞。

考慮經濟合理等各方面因素，在選擇鋼管樁施工時，樁長的確定是整個基礎設計的重點。樁長的設計首先考慮錨固在非膨脹土層或深入大氣急劇影響帶以下的土層中，用以克服大氣急劇影響深度內膨脹土的上拔力，同時考慮到上部荷載的大小、性質等因素。樁的設計步驟如下:①確定大氣急劇影響深度，計算膨脹土對樁的上拔力;②確定入土最短樁長;③計算單樁豎向極限承載力標準值。

2.1.1 確定大氣降水對地表土的飽和深度，計算膨脹土對樁的上拔力

大氣影響急劇深度為1.5m，在此深度范圍內，由于降水的影響，地基土吸水膨脹對樁體產生的上拔力計算公式為:

U=π·D·L1·fu

U:土膨脹時對樁產生的上拔力，單位:kN;

D:樁直徑，單位:m;

L1:上拔力作用的有效樁長(相當于大氣急劇影響深度)，1.5m;

fu:土膨脹時對樁產生的單位上拔力，單位:kPa。

2.1.2 確定入土最短樁長

大氣急劇影響深度1.5m以下主要為第①層灰黑色膨脹土和第②層微黃褐色含鈣質結核膨脹土，由于這兩層膨脹土的側摩阻力比較接近的，則計算土對樁的側摩阻力qs標準值。

qs=βi×fs

其中:βi—樁側摩阻力修正系數

最短樁長的確定應克服樁周土對樁的上拔力，其計算公式:

L=L1+La

L1—等于大氣急劇影響深度的樁長，m;

La—樁在大氣急劇影響深度以下的樁長，也就是抵抗膨脹土浸水后產生上拔力的樁長，單位:m，其計算公式為:

υe —在大氣急劇影響深度以內對樁產生的上拔力，kN;

2.1.3 計算單樁豎向極限承載力標準值

對于一般粘性土可按下式計算:

Quk—單樁的豎向極限承載力標準值(kN);

α—樁端阻力修正系數，對粘性土取2/3;

qc—推薦的樁尖土層的錐頭阻力(kPa);

Ap—樁身截面積(m2);

fsi— 第i層土的側摩阻力推薦值(kPa);

li—按土層劃分，第i層土層的分段樁長(m);

Up—樁身周邊長度(m);

βi—第i層土樁身側摩阻力修正系數，

粘性土:βi=10.043fsi-0.55。

2.2 淺基礎建議

根據施工經驗，淺基礎可采用將表層2.5～3.5m范圍的膨脹土挖除后，回填經篩選過的Keilak碎石土，分層夯實，每層厚度0.30m，回填土壓實標準:密度應達到最大干容重(最大干密度)的90%以上，含水量應高于最優含水量5%;同時做好淺基礎的散水坡。上述提及的基礎方案已在當地得到廣泛的應用。實踐證明:淺基礎只要按推薦方案施工，做好防滲水處理，其地基變形可滿足沉降要求。

3 結論

通過對蘇丹地區膨脹土的初步研究，借助各種試驗手段，對膨脹土的物理性質及工程特性有了進一步認識，對日后在此地區開展的生產實踐活動有一定的積極指導意義。

參考文獻:

[1]ASTM(美國試驗與材料協會).copyright by the ASTM International.

[2]中華人民共和國建設部主編 《巖土工程勘察規范》(GB50021-2001)中國建筑工業出版社.

[3]中華人民共和國建設部主編 《建筑樁基技術規范》(JGJ 94-2008)中國建筑工業出版社.

[4]“Muglad basin unity power station sudan swelling properties of soil ”(蘇丹穆格萊德盆地尤尼提電站土的膨脹性質)，05.02.2004FUNDUS LTD.