劉志偉—蘭州地區(qū)濕陷性黃土工程特性綜合評(píng)價(jià)與地基處理試驗(yàn)研究

1、蘭州地區(qū)濕陷性黃土工程特性綜合評(píng)價(jià)與地基處理試驗(yàn)研究西北電力設(shè)計(jì)院 劉志偉136092846012010年12月11日 重慶1匯報(bào)內(nèi)容n1 火力發(fā)電廠火力發(fā)電廠主要特點(diǎn)主要特點(diǎn)n2 濕陷性黃土區(qū)的發(fā)電廠建筑物分類濕陷性黃土區(qū)的發(fā)電廠建筑物分類n3 蘭州高階地濕陷性黃土特征與地基處理蘭州高階地濕陷性黃土特征與地基處理n4 蘭鋁蘭鋁自備電廠濕陷性黃土特征與地基處理自備電廠濕陷性黃土特征與地基處理n5 蘭州蘭州級(jí)級(jí)階地濕陷性黃土特征與地基處理階地濕陷性黃土特征與地基處理21 火力發(fā)電廠主要特點(diǎn)n火力發(fā)電廠廠房結(jié)構(gòu)上部受荷條件復(fù)雜、對(duì)地基強(qiáng)度、變形、穩(wěn)定都有較高的要求，并且，隨著我國(guó)電力建設(shè)步伐的加快

2、和電力技術(shù)的快速發(fā)展，大型火力發(fā)電廠（單機(jī)容量600MW）的項(xiàng)目所占份額日益增多，但相對(duì)來(lái)講廠址的條件也越來(lái)越復(fù)雜。目前，600MW、1000MW機(jī)組已成為我國(guó)電網(wǎng)的主力機(jī)組，大容量機(jī)組火電廠對(duì)土建設(shè)計(jì)、地基處理、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及施工技術(shù)都提出了更高、更新、更嚴(yán)的要求。3n大型火力發(fā)電廠主要建構(gòu)筑物均為乙類建筑，都應(yīng)進(jìn)行地基變形計(jì)算，且地基變形計(jì)算值不應(yīng)大于地基變形允許值。n當(dāng)?shù)鼗休d力不能滿足上部結(jié)構(gòu)的需求，會(huì)導(dǎo)致地基失穩(wěn)，使建筑物出現(xiàn)局部或整體破壞；地基變形過(guò)大或發(fā)生不均勻沉降，會(huì)導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生傾斜、開(kāi)裂或局部破壞，影響建設(shè)工程的正常使用。42 濕陷性黃土區(qū)的發(fā)電廠建筑物分類53 蘭州高階地濕陷

3、性黃土特征與地基處理蘭州高階地濕陷性黃土特征與地基處理3.1 工程概況工程概況 國(guó)電蘭州熱電廠擴(kuò)建工程場(chǎng)地位于蘭州市西固區(qū)東南約5.0km的范家坪村，一期裝機(jī)容量2300MW。廠區(qū)所處地貌單元為黃河右（南）岸級(jí)階地，地形較開(kāi)闊，階面寬度約3km，階面從北向南呈階地狀緩慢升高，地勢(shì)上由南向北傾斜，地面標(biāo)高為1596.01611.3m。場(chǎng)地地層上部主要為第四系風(fēng)積和沖洪積形成黃土狀粉土具自重濕陷性。63.2 巖土工程條件巖土工程條件 在勘察深度58m內(nèi)所揭露的地層主要由第四系風(fēng)積和沖洪積形成黃土狀粉土、細(xì)砂、粗砂以及卵石組成。 層黃土狀粉土 層卵石 層黃土狀粉土 層卵石73.3 場(chǎng)地黃土濕陷性評(píng)價(jià)

4、場(chǎng)地黃土濕陷性評(píng)價(jià) 勘察過(guò)程中，重點(diǎn)是查明廠區(qū)黃土狀粉土的濕陷性，尤其對(duì)深層黃土狀粉土的濕陷性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。初步設(shè)計(jì)階段在廠區(qū)共布置探井7個(gè)，探井深度在25.848.0m，因地層中砂、卵石等夾層多，探井開(kāi)挖采取了支護(hù)措施，保證了深部黃土狀粉土取樣質(zhì)量及試驗(yàn)、評(píng)價(jià)要求。 室內(nèi)土工試驗(yàn)表明，具有自重濕陷性的地基土層為層，濕陷下限位于層的底部；在無(wú)層的場(chǎng)地地基土中，層頂部的地基土具有濕陷性，濕陷下限深度達(dá)30m；在常規(guī)壓力下（10m深度以下，采用飽和自重壓力），層地基土無(wú)濕陷性；在大壓力下（壓力值大于飽和自重壓力的59），層地基土具有輕微的濕陷性。8探井濕陷量計(jì)算結(jié)果探井濕陷量計(jì)算結(jié)果9勘探點(diǎn)總濕陷

5、量z /mm自重濕陷量zs /mm濕陷下限/m濕陷類型、等級(jí)J25931.3637.215.6自重、級(jí)J291277.81366.129.8自重、級(jí)J35920.6722.525.5自重、級(jí)J37770.6409.223.6自重、級(jí)J421153.31144.925.5自重、級(jí)J06594.3163.214.6自重、級(jí)J041387.71395.825.3自重、級(jí)3.4 現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)n現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)設(shè)計(jì)試坑坑深0.5m，坑底面積 30 m20 m。根據(jù)浸水試驗(yàn)各標(biāo)點(diǎn)的沉降觀測(cè)結(jié)果，試驗(yàn)場(chǎng)地的黃土自重濕陷性較明顯。n坑內(nèi)淺標(biāo)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)黃土濕陷量與室內(nèi)土樣試驗(yàn)結(jié)果（未考慮地區(qū)土質(zhì)差異系數(shù)）見(jiàn)下表

6、，其中室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)施工圖勘察結(jié)果，選擇靠近試驗(yàn)區(qū)的J326、J328和J344號(hào)探井土樣結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)選擇Q29和Q30兩個(gè)淺標(biāo)結(jié)果。101112現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)濕陷量/mmQ29Q30143.6145.1室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果/mmJ326J328J344J326J328J344187.3116.797.3187.3116.797.3實(shí)測(cè)值室內(nèi)值0.771.231.480.771.241.49現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)黃土濕陷量與室內(nèi)土樣試驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)黃土濕陷量與室內(nèi)土樣試驗(yàn)結(jié)果n試驗(yàn)區(qū)復(fù)查孔揭示的地層可知，該區(qū)層黃土狀粉土的厚度為13.514.3m。根據(jù)分層沉降標(biāo)觀測(cè)結(jié)果，6m深標(biāo)沉降量為87.3mm，說(shuō)明6m以下

7、土層仍然具有自重濕陷性；9m深標(biāo)沉降量為25.6mm，因9m深標(biāo)離試坑進(jìn)水源較遠(yuǎn)，沉降量受到影響，可認(rèn)為9m深標(biāo)沉降量仍較大，可能到達(dá)50mm左右，說(shuō)明其下土層還有部分自重濕陷；12m標(biāo)管沉降已很小，累計(jì)沉降14mm，說(shuō)明其下土層已基本不具自重濕陷性。根據(jù)各深標(biāo)的實(shí)測(cè)情況，判定試驗(yàn)區(qū)黃土層的自重濕陷下限為12m左右，結(jié)果與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)論層底部13.5m14.3m相差不大。133.5 地基基礎(chǔ)方案地基基礎(chǔ)方案n（1）灌注樁n廠區(qū)主廠房、煙囪等主要建筑物對(duì)地基承載力及變形有較高的要求，根據(jù)本工程巖土工程條件，需要采用樁基礎(chǔ)穿透全部濕陷性土層并提供足夠的承載力。n在層卵石連續(xù)分布且達(dá)到一定厚度的區(qū)域，

8、選擇層卵石作為樁端持力層(短樁方案)。初步設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了人工挖孔擴(kuò)底灌注樁試驗(yàn)，采用=1000mm，擴(kuò)底1800mm的人工挖孔擴(kuò)底灌注樁。試驗(yàn)結(jié)果顯示，單樁豎向抗壓承載力特征值與層卵石厚度相關(guān)性較大，見(jiàn)下表。1415人工挖孔擴(kuò)底灌注樁試驗(yàn)結(jié)果人工挖孔擴(kuò)底灌注樁試驗(yàn)結(jié)果16樁編號(hào)樁長(zhǎng)/m持力層厚度/m單樁承載力特征值/kNA115.903.33000A215.704.03500A315.704.84500樁身浸水期軸力樁身浸水期軸力、側(cè)摩阻力側(cè)摩阻力17樁身加載期軸力樁身加載期軸力、側(cè)摩阻力側(cè)摩阻力18n各層地基土的極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值及樁端的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值如下： n層黃土極限負(fù)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值：

9、qsik-45kPa（實(shí)測(cè)中性點(diǎn)深度比0.5）；n層黃土極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值：qsik90kPa；n層卵石極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值：qsik160kPa；n層卵石極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值：qpik3400kPa。n在層卵石層分布不連續(xù)或缺失的區(qū)域，采用層卵石作為樁端持力層(長(zhǎng)樁方案)。當(dāng)選擇層卵石作為樁端持力層時(shí)，由于其埋深較大，采用人工挖孔樁，需要對(duì)上部的砂、卵石層考慮進(jìn)行必要的支護(hù)措施。因采用層卵石作為樁端持力層的灌注樁樁長(zhǎng)一般為短樁方案樁長(zhǎng)的2倍以上，單樁承載力可以滿足設(shè)計(jì)需要。19（2）鉆孔擠密樁復(fù)合地基（DDC工法）n試驗(yàn)樁間距分為1.0m、1.2m兩種，均按等邊三角形布置。設(shè)計(jì)成孔直徑400mm，

10、夯擴(kuò)至直徑600mm，樁體材料選用2:8灰土，根據(jù)試驗(yàn)區(qū)地層確定樁長(zhǎng)13.215.1m。n復(fù)合地基載荷試驗(yàn)結(jié)果：1.0m樁間距和1.2m樁間距區(qū)天然狀態(tài)復(fù)合地基承載力特征值均大于300kPa，浸水試驗(yàn)復(fù)合地基1.0m樁間距區(qū)平均值為290kPa，1.2m樁間距區(qū)平均值為265kPa。201.0m樁間距區(qū)載荷試驗(yàn)結(jié)果樁間距區(qū)載荷試驗(yàn)結(jié)果21試 點(diǎn)編 號(hào)極限荷載/kPa承載力特征值/kPa對(duì)應(yīng)沉降量/mm變 形 模 量/MPafh019003106.337.1fh02（浸水）7002608.423.4fh03（浸水）7003208.428.81.2m樁間距區(qū)載荷試驗(yàn)結(jié)果樁間距區(qū)載荷試驗(yàn)結(jié)果22試

11、點(diǎn)編 號(hào)極限荷載/kPa承載力特征值/kPa對(duì)應(yīng)沉降量/mm變形模量/MPaFH017004006.1857.3FH02（浸水）70029010.0826.1FH03（浸水）70024010.0821.6n從兩組試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，復(fù)合地基在300kPa壓力下，浸水沉降量差別不明顯；從700kPa壓力時(shí)的總沉降量來(lái)看，非浸水條件下差別不大，但浸水條件下1.2m間距比1.0m間距總沉降量要大。根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)資料，標(biāo)準(zhǔn)壓力下，1.0m樁間土已完全消除濕陷性，但1.2m樁間土地面下4.0m以上未消除濕陷性。試驗(yàn)結(jié)果顯示，1.0m樁間距較適合本地層條件。234 蘭鋁蘭鋁自備電廠濕陷性黃土特征與地基處理濕陷

12、性黃土特征與地基處理4.1 工程概況工程概況 蘭鋁自備電廠工程容量3300MW，一次建成，由西北電力設(shè)計(jì)院采取EPC總承包方式進(jìn)行建設(shè)。工程場(chǎng)地地貌上屬于湟水河級(jí)階地后緣，北側(cè)靠近山前地段則具有山前沖洪積地貌特征，總體上講廠區(qū)處于湟水河級(jí)階地與山前沖洪積扇的過(guò)渡地帶。本場(chǎng)地濕陷性黃土在時(shí)代上屬全新世次生黃土，主要為沖、洪積而成，地基條件十分復(fù)雜。黃土狀土的厚度一般為2025m。 本工程巖土工程勘察與試驗(yàn)在2009年陜西省第十三屆優(yōu)秀工程勘察評(píng)選中獲省級(jí)一等獎(jiǎng)。244.2 場(chǎng)地巖土工程條件場(chǎng)地巖土工程條件n 黃土狀粉土、-1卵石n 黃土狀粉土、-1黃土狀粉土、-2卵石n中粗砂、-1粉質(zhì)粘土n卵石

13、n泥巖n場(chǎng)地地下潛水埋深約2022m。254.3 場(chǎng)地黃土濕陷性評(píng)價(jià)場(chǎng)地黃土濕陷性評(píng)價(jià)n（1）室內(nèi)土工試驗(yàn)評(píng)價(jià)n在場(chǎng)地巖土工程勘察的基礎(chǔ)上，在試驗(yàn)區(qū)挖探井（2個(gè)）取不擾動(dòng)土試樣進(jìn)行了室內(nèi)土工試驗(yàn)。根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果，按濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范(GB 500252004)中的地區(qū)土質(zhì)差異修正系數(shù)取0=1.5，其黃土濕陷量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表。試驗(yàn)場(chǎng)地為自重濕陷性黃土場(chǎng)地，地基濕陷等級(jí)為級(jí)（中等）。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，在飽和自重壓力下，按自重濕陷系數(shù)zs0.015來(lái)判斷，自重濕陷下限約在地表下10m。26孔編號(hào)井 孔 深度（m）自重濕陷量zs（mm）總濕陷量s（mm）濕陷類型， 等級(jí)M117.2243.028

14、0.5自重 ，級(jí)（中等）A217.2236.3247.5自重 ，級(jí)（中等） （2）現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)結(jié)果n試驗(yàn)區(qū)試樁樁周土浸水與試坑浸水相結(jié)合進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)試坑坑底面積 20 m20 m。27n現(xiàn)場(chǎng)浸水歷時(shí)21天，總耗水量約2400噸。停水后連續(xù)觀測(cè)32天，最后5d的平均濕陷沉降量基本小于1mm/d，試驗(yàn)終止。28010203040501.02.03.04.05.06.07.08.09.010.0H(mm)t(d)試坑內(nèi)淺標(biāo)平均日相對(duì)沉降量變化曲線0102030405020406080100120140160180200220240t(d)H(mm)12#16# 試坑內(nèi)、外淺標(biāo)沉降量隨時(shí)間變化曲線

15、n停水初期到停水后期，坑邊裂縫已十分顯現(xiàn)，并進(jìn)一步向遠(yuǎn)處擴(kuò)張，基本已構(gòu)成沿試坑周圍的環(huán)形裂縫，見(jiàn)下圖。此時(shí)北邊裂縫最遠(yuǎn)距坑邊已有9.2m左右，南邊裂縫發(fā)展迅速最遠(yuǎn)達(dá)13m左右，東邊裂縫最遠(yuǎn)有8.2m左右，西邊此期間發(fā)展較快，最遠(yuǎn)也達(dá)7.2m左右，裂縫寬度最大已超過(guò)3cm。29浸 水 試 坑 1 0 . 2 3n右圖為場(chǎng)地黃土自重濕陷系數(shù)隨深度變化規(guī)律，從中可以看出，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果總體變化趨勢(shì)基本一致，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)之間有一定的差距，說(shuō)明需考慮修正系數(shù)。按自重濕陷系數(shù)0.015，濕陷下限在10m左右，室內(nèi)、外試驗(yàn)基本吻合。從坑外南1m的16#淺標(biāo)沉降觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，其沉降量最大

16、達(dá)231.7mm，與室內(nèi)自重濕陷量計(jì)算值的比值為1.47。300.0000.0100.0200.0300.0400.02.04.06.08.010.012.014.016.018.0H(m)A2M1試坑浸水4.4 地基基礎(chǔ)方案地基基礎(chǔ)方案n（1）灌注樁n對(duì)于廠區(qū)大型重要建筑物，需要全部消除地基的濕陷性，大幅提高地基承載力，可考慮采用樁基礎(chǔ)。在成孔工藝上可采用人工挖孔擴(kuò)底灌注樁或機(jī)械成孔灌注樁。樁端持力層應(yīng)選擇卵石層或泥巖，在樁基設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮負(fù)摩擦力對(duì)樁承載力的影響。n由于場(chǎng)地地質(zhì)條件比較復(fù)雜，且大部分地段持力層位于地下潛水位以下。當(dāng)采用人工挖孔擴(kuò)底灌注樁時(shí)，存在施工降水和施工安全問(wèn)題。采用全程

17、素混凝土護(hù)壁，排除安全隱患；采取降水措施，樁端可順利置于卵石層上，有利于控制施工質(zhì)量。31n當(dāng)采用機(jī)械成孔灌注樁時(shí)，無(wú)法擴(kuò)底，樁的承載力較低，要提高樁的承載力，樁必須進(jìn)入層泥巖，樁端應(yīng)置于中等風(fēng)化基巖，這樣施工有一定難度，但可不考慮施工降水問(wèn)題。n采用人工挖孔擴(kuò)底灌注樁比機(jī)械成孔灌注樁工程量可減少1100根，考慮施工降水費(fèi)用后，人工挖孔擴(kuò)底灌注樁可節(jié)約費(fèi)用838萬(wàn)元。n本工程最終采用人工挖孔擴(kuò)底灌注樁。樁徑900mm，樁 端擴(kuò)底1500mm, 層卵石層作為樁端持力層。3233n為了研究黃土濕陷對(duì)樁身負(fù)摩擦力的影響，在整個(gè)樁基試驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試其應(yīng)力應(yīng)變變化。A3試樁在無(wú)荷載條件下浸水，浸

18、水隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，因黃土的自重濕陷所引起的對(duì)樁身的下拉力（負(fù)摩擦力）逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，3m以上表現(xiàn)出對(duì)樁身的正摩擦力，3m以下表現(xiàn)出對(duì)樁身的負(fù)摩擦力，在28天后樁身截面17.5m處達(dá)2000kN。A2試樁在樁頂恒載5000kN下浸水，最大負(fù)摩擦力比樁頂無(wú)荷載情況略小，截面上移至15m左右，隨浸水時(shí)間的增加及樁身負(fù)摩擦力的影響，樁頂累計(jì)沉降為12.57mm。n試驗(yàn)確定黃土極限負(fù)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值取-40kPa，-1黃土極限負(fù)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值取-20kPa。3435A3試樁浸水期樁身軸力圖12002400360048006000720084009600 10800 120000.005.0010.0015.00

19、20.0025.0030.0035.0040.0045.0050.0055.0060.0065.0070.00Q(kN)S(mm)A1A2A3單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)曲線（2）鉆孔擠密樁復(fù)合地基（DDC工法）n樁間距分別為1.20m、1.40m，正三角形布置。成孔孔徑400mm，成樁樁徑600mm。樁體材料采用2：8灰土。n經(jīng)鉆孔擠密樁復(fù)合地基試驗(yàn)各項(xiàng)檢測(cè)成果的綜合分析，1.20m樁間距及1.40m樁間距復(fù)合地基樁間土的濕陷性均已消除，從技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的角度出發(fā)，建議設(shè)計(jì)布樁采用1.40m樁間距。復(fù)合地基承載力特征值按240kPa取用。365 蘭州蘭州級(jí)級(jí)階地濕陷性黃土特征與地基處理階地濕陷

20、性黃土特征與地基處理n5.1 工程概況工程概況n國(guó)電蘭州熱電有限責(zé)任公司“上大壓小”熱電聯(lián)產(chǎn)（2300MW級(jí)）工程位于蘭州市城關(guān)區(qū)。 場(chǎng)地位于蘭州第二熱電廠的東側(cè)，地形略有起伏，總體趨勢(shì)南高北低，地面標(biāo)高為1527.351534.20m，場(chǎng)地內(nèi)有零星建筑物，局部有垃圾坑。地貌單元屬黃河南岸級(jí)階地后緣，最初為農(nóng)田，后為第二熱電廠擴(kuò)建預(yù)留地。37385.2 場(chǎng)地巖土工程條件n填土填土n黃土狀粉土黃土狀粉土n-1黃土狀粉土黃土狀粉土（飽和）（飽和）n粉細(xì)砂粉細(xì)砂n卵石卵石n砂巖砂巖n地下水位埋深為15.319.5m，水位標(biāo)高為1512.381514.0m。395.3 場(chǎng)地黃土濕陷性評(píng)價(jià)場(chǎng)地黃土濕陷性評(píng)價(jià)n廠區(qū)濕陷性土層為層黃土狀粉土，該層土分布于場(chǎng)地地基 土 的 上 部 ， 按 濕 陷 性 黃 土 地 區(qū) 建 筑 規(guī) 范 (GB500252004) 評(píng)價(jià)，本場(chǎng)地屬自重濕陷性黃土場(chǎng)地，濕陷等級(jí)為(中等)(很嚴(yán)重)，見(jiàn)下表。40序號(hào)探井編號(hào)濕陷下限深度（m）濕陷下限標(biāo)高（m）自重濕陷量zs(mm)濕陷量s(mm)濕陷類型濕陷等級(jí)1KJ00111.31516.265