寧東地區黃土濕陷性分析

趙 輝 趙會秋

1 寧東煤化工地區概況及地層特點簡述

寧夏寧東煤化工地區位于毛烏素沙地西南邊緣,屬荒漠、半荒漠地帶,寧夏寧東地區具有發展能源化工產業得天獨厚的優勢條件,寧東能源化工基地就是依托寧東豐富煤田建立起來的以煤炭、電力、煤化工為主導產業的區域性大型工業園區。該基地位于銀川市東南部,范圍覆蓋靈武市、鹽池縣、同心縣、紅寺堡開發區4市縣(區),總面積3 500 km2。目前寧夏煤化工項目已完成投資800億元,預計未來10年將完成投資3 000億元。

寧東煤化工地區大地構造位置處于鄂爾多斯緣坳陷帶的橫山堡復背斜,次級構造為馬蓮臺向斜核部,東西兩側分別與苦草背斜、丁家梁背斜相鄰,軸向呈北北東向,向斜東翼與苦草背斜呈沖斷層接觸。核部由奧陶紀灰巖、石炭紀和二疊紀煤系地層、第三系砂巖及泥巖組成,巖層平緩,略向東傾,傾角 5°～10°,寧夏建筑設計研究院2005年以來,通過對寧東重點工程神華寧煤二甲醚項目、神華寧煤煤基烯烴項目空分裝置、寧夏寶豐能源集團有限公司催化裂化主裝置地區等重點項目進行地層勘察分析得出的結論,提出了切實可行的地基處理措施,通過勘探揭示:場區地層沉積環境為二元結構,除淺層素填土外,上部以沖、洪積及風積的黃土狀粉土、粉土、碎石層為主;下部為第三系泥質粉砂巖及砂巖地層,兩者呈角度不整合接觸關系,場區內沒有發現大的區域性斷裂構造。根據GBJ 25-2004濕陷性黃土地區建筑規范,中國濕陷性黃土工程地質分區略圖,將靈武市劃分為Ⅶ區(邊緣地區)。總濕陷量計算時,計算起算深度為-1.5 m,土質地區修正系數β0=0.5,地基土的側向擠出和浸水幾率等因素的修正系數β=1.5。根據野外勘察及室內土工試驗結果表明,素填土及黃土狀粉土在自然地面以下1.1 m～4.6 m范圍內具濕陷性,濕陷系數 δs=0.018～0.134,計算總濕陷量Δs=60.3 mm～229.5 mm,判定該場地為Ⅰ級非自重濕陷場地。

2 常見結構形式濕陷性損壞特征

濕陷性黃土地基受水浸濕而發生濕陷事故時,往往造成地基的不均勻沉降,如果其沉降差超出建筑物的限制要求,就會使建筑物受到損傷。其損傷程度與建筑物的結構類型、地基土濕陷性質和級別有著密切關系。對單層鋼筋混凝土廠房,該類建筑物一般為鋼筋混凝土柱的鉸接排架結構,獨立基礎,比較能適應地基變形。但地基受水浸濕后仍造成一定的損傷。對多層鋼筋混凝土框架,該類建筑物由鋼筋混凝土框架承重,內墻和外墻一般為填充砌體。由于這類建筑有較好的整體剛度,所以,當沉降差較小可以適應地基的濕陷變形時,損傷輕微;當產生較大沉降差異時,會引起較大的次應力,導致梁、柱開裂。但基礎形式的不同導致這類建筑物抵抗不均勻下沉的能力有較大差異,一般情況下,箱基、筏基最好,條基次之,單獨基礎較差。多層磚房在我市有較廣泛的應用。該類建筑橫墻較多,空間剛度較好,能抵抗一定的濕陷變形,但濕陷變形大時,也產生不同程度的損傷。這類建筑在地基發生濕陷時上部結構就發生撓曲或傾斜,使砌體出現裂縫,并以斜裂縫占絕大多數,水平和豎向裂縫較小。同樣,濕陷性黃土對其他結構形式的建筑物也有不同程度的影響。

3 濕陷性黃土的物質成分及物理性質

寧東地區的濕陷性黃土屬重濕陷性黃土,由粉粒組成,含量可達50%～70%,一般定名為粉土或粉質黏土,粉細砂含量低,不足5%,粘粒含量變化大,從6%～30%不等。礦物成分以石英、長石碎屑為主(是構成骨架顆粒的基礎物質),其次為碳酸鹽微晶和黏土顆粒,洪積扇前緣局部含少量有機物。本區濕陷性黃土外觀呈淺黃色～灰黃色,稍濕、含水量較低,呈塑態～硬塑態,塑性指數10左右,結構疏松。上部具有白色鈣質網紋,下部常含細碎的鈣質結核,干燥狀態下,抗剪強度較高,壓縮性中等,具有一定彈性,不易擊實,一旦遇水后,體積很快收縮變小,強度降低。

4 寧東地區濕陷性黃土的成因機制

寧東附近的濕陷性黃土埋深淺,一般小于10 m,顏色以淺黃色、灰黃色為主,局部見黑色、雜色,結構極為疏松,質地較均勻,垂直節理、裂隙發育,在節理、裂隙的表面往往充填有白色的鈣質網紋,含水量低,干燥稍濕、塑態,局部含細碎的鈣質結核。用鍬挖極易,切面粗糙,取樣容易,成型差,遇水后土塊迅速崩解成泥狀,粘著力差。用肉眼就可以看到一些排列雜亂的不規則孔隙,手壓易縮,粉感強烈,膠結性弱,搓條難以成型。與水攪拌后,經10 min～20 min沉淀,表面的懸濁層很薄或幾乎沒有,上部的水清澈透明,這種土的濕陷性一般比較強,在工程勘察中應引起足夠重視。以往的研究資料表明,黃土的大孔隙性是產生濕陷的一個重要條件,大孔隙越多,濕陷性越強。可最近幾年的巖土工程實踐證明,寧東的濕陷性黃土在大孔隙不甚發育的情況下仍能產生較強的濕陷性,黃土的本質是一種欠壓實的土狀堆積物,濕陷量的大小最終取決于顆粒、團粒之間的接觸類型,膠結方式和上部載荷的大小。當水浸入黃土中以后,首先將膠結物溶解或軟化,使骨架顆粒之間的連接減弱,在外力或重力作用下顆粒、團粒產物滑動擠壓,孔隙體積縮小,宏觀上表現為整體式下陷。在濕陷過程中,變形主要以結構的破壞和重新調整為基礎,濕陷量的大小并不取決于大孔隙的數量,而是取決于顆粒間孔隙調整的幅度。一般地講黃土濕陷變形可以分為三個不同性質的階段:第一階段為壓密過程,主要是外部大孔隙的縮小、閉合,同時骨架顆粒相互靠近;第二階段土中的骨架結構開始發生變化,由粒狀、架空接觸結構向粒狀、架空膠結結構發展;第三階段為礦物的鑲嵌、凝聚階段,濕陷后的土體結構趨于致密,礦物結合由邊—角式,向邊—面式和面—面式發展。從黃土的濕陷過程可以看出,濕陷是黃土由疏松向致密發展的一個重要步驟,由自重濕陷向非自重濕陷是其發生、發展的自然沉積序列。

5 結語

寧東地區濕陷性黃土分布比較廣泛,但厚度一般不大,規律性不明顯,通過實際勘察,認為該地區的濕陷性黃土對工程建筑的危害性比較大,宜采用換墊層或強夯法加固地基。寧東煤化工地區的濕陷性黃土多位于邊山洪積扇中上部、厚度較大、濕陷性強、總濕陷量大,應采用浸水預壓法和樁基來加固地基。濕陷性黃土地基處理措施是采取人為的手段,對基礎下一定范圍內的土層進行加固處理或更換為另一種土,以改變其物理力學性質,達到消除濕陷,減小壓縮性和提高承載能力的目的。通過近年的勘察實踐證明,只要建筑物地基經合理處理,即使以后受水浸濕,也不會發生濕陷,或濕陷量很小,不會對建筑物造成損壞。由于濕陷變形只發生在基礎底面以下某一深度范圍的黃土層中,并與基礎形式、基礎底面和基底壓力有關,所以,應視不同情況確定地基的處理厚度和處理寬度。地基處理厚度的確定:針對大部分的非自重濕陷性黃土,地基處理厚度是處理基礎底面以下土的附加壓力與上覆土的飽和自重壓力之和不大于土的濕陷起始壓力的深度。通過實踐,當地基處理厚度相當于2倍基礎寬度時,可消除95%左右的濕陷量,考慮到地基處理后,土附加壓力迅速擴散,基礎形式、基底面積和基底壓力的影響,對于矩形和條形基礎,對非自重濕陷性黃土,按以上經驗可達到基本消除濕陷量的目的。地基處理的寬度確定:地基處理寬度的大小一般可從控制側向變形、擴散附加壓力和防水要求等方面考慮。用土(或灰土)托換處理濕陷性黃土,土(或灰土)墊層每邊超出基礎外緣的寬度不小于其處理厚度的40%(即基礎外緣寬度與高度之比為1∶2.5),整片墊層每邊超出外緣的寬度不小于其厚度,并不得小于1.5 m。

[1]李 毅.山西省濕陷性黃土地區地基處理方法的探討[J].山西建筑,2008,34(33):110-111.