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杭州湾地区第四系浅层气的存在不仅会给桩基础的施工安全带来严重影响,而且也会影响到桥梁结构安全。为此,开展浅层天然气对桥梁的桩基础的影响及对策研究具有重要的现实意义。
本次研究根据工程场区浅层气的分布、成因机理及特征,研究含气岩土体的工程地质特征,分析其对工程可能产生的不利影响,提出防治对策及处理措施。
首先,全面系统地搜集场区气象、水文、地层岩性、地质构造等基础资料,并且布置了大量的工程地质钻探工作,通过一系列取样与、岩土物理力学试验,取得了详实的场区水文地质与工程地质基础资料,为下一步工作打好了基础。
然后,通过野外观测和现场气样、砂土样的采集,查明浅层气的成藏模式、物理化学特性。得到场区浅层气主要特征:场区浅层气是生物化学作用产生的生物气,甲烷为主要成分。气藏主要分布在海侵初期河漫滩相和主河道相的砂层中,气藏的发育主要受古河道砂发育和差异压实两种因素的控制,平面分布及厚度不均匀,可以分为顶凸型透镜体砂体气藏、底凸型透镜状砂体气藏、侧缘尖灭型砂体气藏、厚层块状型砂体气藏等几种类型。
最后,根据室内模拟试验查明含气层在气体释放过程中的强度变化及变形规律,工程危害等基本特征,在此基础上分析计算确定浅层气对本工程的影响程度,提出防治对策及处理措施。得到的结论有:
含高压浅层气的土体是一种典型的特殊土,不仅存在着固、液、气三相,而且其气相基本上是与大气不连通;此外,在浅层气释放或补给的条件下,该土体的两个应力状态变量,即基质吸力和净应力均发生变化,因此,浅层气对土体工程特性的影响是由含浅层气土体的三相组成所处状态以及三相组成发生改变时的独特应力路径决定。
浅层气在不受控制条件下的一种释放模式,其对土体工程性状的影响可认为是一种非饱和土的渗流破坏,由此诱发对土层的剧烈扰动,按扰动程度的大小可分为剧烈扰动区、严重扰动区、轻微扰动区和含气层压密区。浅层气在无控释放条件下,不仅会导致土颗粒及水喷出,一定范围内扰动含气砂层,同时会扰动上覆软土层,使得桩周土层的压缩性增大,抗剪强度指标降低,产生一定程度的地表凹陷;在浅层气分布不均匀区还可能会引起地层的不均匀沉降。
对于含浅层气的砂土,在控制条件下释放浅层气,其抗剪强度均随着浅层气气压水平的下降而有所增加,增加幅度决定于浅层气释放的程度、砂土的类型与密度大小。与原始状态相比,含高压浅层气的砂土在控制条件下释放浅层气,有利于土体强度的提高。
含浅层气粉砂与细砂的浅层气控制缓慢释放会引起储气砂层的沉降,且其沉降量随砂层厚度与初始气压水平的增大而增大,随初始密度的增大而减小。
浅层气对工程桩基承载力与变形的影响主要有:土体剧烈扰动显著降低桩基承载力、桩基产生不均匀沉降、桩基中产生负摩擦力等。
浅层气对工程桩基础施工的影响主要表现在,钻孔桩施工成孔过程中出现强烈的井喷,如事先不采取工程处理措施,施工将难以顺利实施。
通过选取适当的桩基类型,尽量在浅层气富集区避免采用钻孔桩基础,采用浅层气对施工影响较小的打入桩基础,可以有效避免或降低浅层气对基础施工及对地基承载力与变形的影响。另外,采用积极主动的控制放气是十分必要的,也是预防浅层气对桩基施工与承载性能不利影响的有效措施。