新場氣田巖土工程地質特征及基礎方案優選

金曉波 劉善華 杜 杰

1 工程地質環境

新場氣田地處德陽市孝泉、德新、黃許及柏隆一帶，位于德陽市以北約20 km，南距成都市80 km，北距綿陽市約35 km，圈閉面積900 km2。該區地貌屬成都平原沱江水系一級階地，地勢平坦開闊，區內交通便利，人口稠密，工農業發達，地下天然氣資源豐富。

表1 新場地區主要地層綜合柱狀剖面圖

1.1 地層分布特征

根據區域鉆探、原位測試成果綜合分析，場地內巖土層由第四紀更新統的沖洪積松散堆積物組成，上部為耕植土、粘土等細粒物質，下部為砂卵石層，地層具有顯著的二元結構。自上而下揭露的主要地層及特征見表1。

盡管新場地區地層分布總體具有上述沉積結構，但由于地基土形成的天然性狀以及人類工程改造差異等原因，不同地區地層結構可能存在一定的差異，可能缺失中間某層，局部也可能存在粉土或淤泥夾層等。粘土及砂卵石主要地層厚度和埋深分布見圖1～圖4。

圖1 粘土厚度分布圖

圖2 粘土頂部埋深分布圖

1.2 水文地質條件

新場地區地下水為孔隙潛水，卵石層為主要的含水層，地下水水位受大氣降水及上游河流補給，通過地下徑流排泄。穩定水位0.4 m～4.6 m，年平均靜水位3.27 m，地下水位的升降與大氣降雨密切相關。每年五月雨季來臨之時，地下水位開始逐步回升，八月份、九月份達到高峰;十二月地下水位隨降雨量減少開始下降，至次年三、四月份最枯，豐枯水位年變幅1 m～3 m。

據區域水文地質資料，地下水的物理性質為無色、無味、無溴、透明。地下水的化學性質，pH值7～8之間，屬中性水實測值 165.3 mg/L ～186.7 mg/L，Mg2+實測值 10.67 mg/L ～11.74 mg/L，CO2實測值為0，HCO3－實測值為3.92 mol/L～4.39 mol/L，化學類型為 HCO3-Ca.Mg;據川孝619井粘土腐蝕性檢測結果，土壤實測值598.4 mg/L～759.9 mg/L，Mg2+實測值122.4 mg/L ～142.8 mg/L，pH 值實測值為 7.59 ～7.65。該區地下水、土壤對混凝土及混凝土結構中的鋼筋無腐蝕性。

圖3 砂卵石厚度分布圖

圖4 砂卵石頂部埋深分布圖

1.3 場地穩定性和適宜性評價

根據區域地質構造、斷裂活動情況，新構造運動及地震活動情況，綜合分析和權衡地殼穩定性的各項指標，本區屬地殼的基本穩定區，區域地殼穩定性較好。

場地地形平坦，地貌單一，場地內及周圍未發現有影響場地穩定的地質災害存在，場地處于地殼基本穩定區，適宜建筑。

2 巖土的主要物理力學指標及性質

①耕土:耕土結構松散，未完成自重固結，土質極不均勻，力學強度差，在強度及變形上都不能滿足設備對地基土的要求。②粘土:層位分布穩定，物理力學性質均衡，硬塑狀態，中～高壓縮性土，力學強度相對較高，承載力特征值平均178.3 kPa。該層是鉆機基礎及附屬設備基礎的理想的持力層。③粉質粘土:該層分布相對穩定，可塑～硬塑狀，中偏高縮性土，力學強度較高;承載力特征值平均fak=160 kPa;絕大部分粉質粘土可作為鉆機設備基礎持力層。④淤泥質粘土:局部零星展布，飽和，軟塑，含腐爛植物根莖及有機物，標貫擊數2擊～3擊，力學強度差，不能作為設備的基礎持力層。⑤粉土:結構松散，土質極不均勻，力學強度差，在強度及變形上都不能滿足設備對地基土的要求，因此該層不宜作為設備的基礎持力層。⑥細～粗砂:標貫試驗擊數N=5擊～7擊，平均6擊;其承載力特征值fak=105 kPa～135 kPa，力學強度一般，分布不均，可作為一般基礎持力層。⑦卵石層:低壓縮性，力學強度相對較高，承載力特征值160 kPa～800 kPa，樁的極限側阻力60 kPa～210 kPa，樁的極限端阻力3500 kPa～8000 kPa;隨密實度增加，錘擊數、重度、變形模量、內摩擦角、樁的極限側阻力、樁的極限端阻力、承載力特征值增大。該層是鉆機基礎及附屬設備基礎的理想的持力層，中密及以上卵石層可選擇作為樁基礎的良好持力層。新場地區巖土層的主要物理力學指標統計見表2，表3。

表2 新場地區粘土的主要物理力學指標統計表

表3 新場地區巖土的綜合物理力學指標統計表

3 鉆機設備基礎方案

3.1 設備基礎承載力要求

根據《鉆井工程技術手冊》提供的鉆機各配套設施的極限荷載，結合鉆機設備基礎圖紙提供的常規基礎尺寸，得出各鉆井設施對基礎地基承載力的要求見表4，從表4中可以看出鉆機各設備設施對基礎地基承載力要求不高。根據《建筑地基基礎設計規范》地基基礎設計等級規定，鉆機基礎設計等級定位為丙級，鉆機設備基礎可不作變形驗算。

3.2 設備基礎方案

1)天然地基淺基礎。

根據表2，表3，并結合表4鉆機設備基礎地基承載力要求，設計鉆機井架、重漿罐基礎理想持力層為粘土、粉質粘土及卵石層，其他附屬基礎可選擇除表土的所有地基土為持力層。

新場地區粘土、粉質粘土及卵石層的結構、分布及物理力學性質普遍較穩定，持力層埋藏深度較淺，在地下水位條件允許情況下，可直接作為設備基礎的天然地基，其設備基礎類型可采用現澆混凝土基礎或活動基礎(鋼木基礎、鋼管排基礎、條石或木方基礎等)，基礎持力層開挖宜淺不宜深，開挖深度0.5 m～1 m之間。天然地基淺基礎可作為該區的主要基礎形式。

2)人工地基淺基礎。

盡管新場地區場地巖土層穩定性較好，但由于地基土形成的天然性狀以及人類工程改造差異等原因，使其后期局部地區力學性狀也存在極大差異。當持力層埋藏較深、地表下軟弱土層較厚或基礎處于回填方區，淺開挖不能滿足上部結構荷載對地基的要求，不宜采用天然地基方案時，常采用換填墊層法來處理軟弱地基，提高軟弱地基的承載力。

針對天然地基中的軟土層以及回填土的換填處理，除換填砂或灰土等柔性材料外，換填材料也可采用力學強度大的剛性材料，如條石、毛石混凝土等。由于換填剛性材料重度大，對基礎地基承載力要求較高，一般地基持力層選擇基巖或密實的卵石層。對于持力層上軟土或回填土厚度不大的條形基礎，可采用剛性材料，對于大面積或厚度大的地基土換填，需考慮換填施工難度及其與樁基礎的對比優選。

換填剛性材料墊層的方法較換填柔性墊層法施工簡便快捷，可避免由于碾壓施工中壓實度達不到要求帶來的地基沉降安全隱患，但施工成本費用相對高些，目前鉆前施工中針對軟土或回填土地基墊層換填前者采用居多。

表4 不同鉆機型號設備基礎地基承載力要求

3.3 樁基礎

當持力層埋深較深，上部土層物理力學性質較差，或回填土厚度較大，不能滿足鉆機上部荷載對地基土強度和變形的要求，同時換填地基處理達不到基礎設計要求或施工工藝存在較大難度時，則設計一般采用樁基礎(預制樁、灌注樁等)。

新場地區個別井，如新沙23-1H井，工勘揭露場地穩定水位埋深0.30 m～0.40 m，卵石層上的粉質粘土、淤泥質粘土及砂土層物理力學性質較差，不能滿足地基承載力要求，因而不宜采用天然地基方案。若采取換填地基處理，由于基坑開挖深度處于地下水位以下，同時卵石層上部的為松散砂土，開挖時易發生基坑垮塌工程事故。采用該方案，需進行基坑支護和人工降水等工程處治措施，施工周期較長，施工難度教大，因此不宜采用地基處理方案。綜合井架荷載特征和場地巖土工程地質條件，設計采用以中密卵石為基礎持力層的預制樁方案，樁的極限側阻力標準值qsik=140 kPa，樁的極限端阻力標準值 Qpk=5000 kPa，樁長9.00 m～10.00 m。對于這種地基，預制樁施工周期短，質量容易得到保證。

針對川西個別丘陵區井場，受現場地形條件限制，井場需采用挖填平衡處理方式進行平整，井場內基礎(包括主基礎)勢必會建于填方區，填方厚度淺則2 m～3 m，深則6 m～8 m。對于高填方區，若采用換填墊層處理方法，則基礎挖方量大，換填料工作量大，基礎自重重，對地基要求高，且施工難度大、周期長，針對這種情況，一般選用預制樁基礎或人工挖孔樁等基礎類型。

4 結論與認識

1)新場地區處于地殼基本穩定區，綜合評定為均勻地基;地下水對混凝土和混凝土結構中的鋼筋無腐蝕性;地基土工程條件好，適宜井場建設;

2)該區粘土、粉質粘土及卵石層的結構、分布及物理力學性質較穩定，埋藏深度較淺，是鉆機基礎及附屬設備基礎理想的天然地基持力層，適于鉆機設備基礎的修建;

3)該區鉆機設備基礎方案主要有三種:a.以粘土、卵石層等為持力層的天然地基淺基礎，該類型基礎是該區的主要形式;b.對局部薄層軟土或淺回填土地區采取換填地基處理的人工淺基礎;c.對地下水位淺的軟土、砂土或深回填區的地基，采取的以中密卵石或中風化基巖為持力層的預制樁基礎。

[1]工程地質手冊編寫委員會.工程地質手冊[M].第4版.北京:中國建筑工業出版社，2007.

[2]趙金洲.鉆井工程技術手冊[M].北京:中國石化出版社，2005.

[3]湯文良.鉆前土建工程基本知識[M].北京:石油工業出版社，2002.

[4]朱永祥.地基與基礎[M].武漢:武漢理工大學出版社，2004.

[5]GB 50007-2002，建筑地基基礎設計規范[S].

[6]JGJ 79-2002，建筑地基處理技術規范[S].