西北地區(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、西北地區(qū)濕陷性黃土工程特性綜合評(píng)價(jià)與地基處理試驗(yàn)研究太原理工大學(xué)巖土與地下工程研究所1匯報(bào)內(nèi)容 1 火力發(fā)電廠主要特點(diǎn) 2 濕陷性黃土區(qū)的發(fā)電廠建筑物分類 3 蘭州高階地濕陷性黃土特征與地基處理 4 蘭鋁自備電廠濕陷性黃土特征與地基處理 5 蘭州級(jí)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) 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，隨著我國電力建設(shè)步伐的加快和電力技術(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)來講廠址的條件也越來越復(fù)雜。目前，600MW、1000MW機(jī)組已成為我國電網(wǎng)的主力機(jī)組，大容量機(jī)組火電廠

2、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。3 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。 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；地基變形過大或發(fā)生不均勻沉降，會(huì)導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生傾斜、開裂或局部破壞，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 蘭州高階地濕陷性黃土特征與地基處理3.1 工程概況 國電蘭州熱電廠擴(kuò)建工程場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，地形較開闊，階面寬

3、度約3km，階面從北向南呈階地狀緩慢升高，地勢上由南向北傾斜，地面標(biāo)高為1596.01611.3m。場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 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 場地黃土濕陷性評(píng)價(jià) 勘察過程中，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

4、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；在無層的場地地基土中，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93.4 現(xiàn)場試坑浸水試驗(yàn) 現(xiàn)場浸水試驗(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)的沉降觀測結(jié)果，試驗(yàn)場地的黃土自重濕陷性較明顯。 坑內(nèi)淺標(biāo)點(diǎn)現(xiàn)場實(shí)測黃土濕陷量與室內(nèi)土樣試驗(yàn)結(jié)果（未考慮地區(qū)土質(zhì)差異系數(shù)）見下表，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J32

5、6、J328和J344號(hào)探井土樣結(jié)果，現(xiàn)場浸水試驗(yàn)選擇Q29和Q30兩個(gè)淺標(biāo)結(jié)果。101112現(xiàn)場實(shí)測黃土濕陷量與室內(nèi)土樣試驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)場實(shí)測黃土濕陷量與室內(nèi)土樣試驗(yàn)結(jié)果 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)觀測結(jié)果，6m深標(biāo)沉降量為87.3mm，說明6m以下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)測情況，判定試驗(yàn)區(qū)黃土層的自

6、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 （1）灌注樁 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。 在層卵石連續(xù)分布且達(dá)到一定厚度的區(qū)域，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，見下表。1415人工挖孔擴(kuò)底灌注樁試驗(yàn)結(jié)果16樁身浸水期軸力、側(cè)摩阻力17樁身加載期軸力、側(cè)摩阻力18各層

7、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： 層黃土極限負(fù)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值： qsik-45kPa（實(shí)測中性點(diǎn)深度比0.5）；層黃土極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值：qsik90kPa；層卵石極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值：qsik160kPa；層卵石極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值：qpik3400kPa。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一般為短樁方案樁長的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） 試驗(yàn)

8、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，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13.215.1m。 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211.2m樁間距區(qū)載荷試驗(yàn)結(jié)果22 從兩組試驗(yàn)結(jié)果來看，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

9、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 蘭鋁自備電廠濕陷性黃土特征與地基處理4.1 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渡地帶。本場地濕陷性黃土在時(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2

10、009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 場地巖土工程條件 黃土狀粉土、-1卵石 黃土狀粉土、-1黃土狀粉土、-2卵石中粗砂、-1粉質(zhì)粘土卵石泥巖場地地下潛水埋深約2022m。254.3 場地黃土濕陷性評(píng)價(jià)（1）室內(nèi)土工試驗(yàn)評(píng)價(jià)在場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)果見下表。試驗(yàn)場地為自重濕陷性黃土場地，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來判斷，

11、自重濕陷下限約在地表下10m。26 （2）現(xiàn)場試坑浸水試驗(yàn)結(jié)果 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。27 現(xiàn)場浸水歷時(shí)21天，總耗水量約2400噸。停水后連續(xù)觀測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)間變化曲線停水初期到停水后期，坑邊裂縫已十分顯現(xiàn)，

12、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3cm。29浸 水 試 坑 1 0 . 2 3右圖為場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)場試驗(yàn)結(jié)果總體變化趨勢基本一致，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)之間有一定的差距，說明需考慮修正系數(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)沉降觀測結(jié)果來看，其沉降量最大達(dá)231.7mm，與室內(nèi)自重濕陷量計(jì)算值的比

13、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 （1）灌注樁 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。 由于場地地質(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題。采用全程素混凝土護(hù)壁，排除安全隱患；采取降水措施，樁端可順利置于

14、卵石層上，有利于控制施工質(zhì)量。31 當(dāng)采用機(jī)械成孔灌注樁時(shí)，無法擴(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題。 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838萬元。 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。3233 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)過程中，進(jìn)行應(yīng)力測試其應(yīng)力應(yīng)變變化。A3試樁在無荷載條件下浸水，浸水隨著時(shí)間的延長，因黃土的自重濕陷所引起的對(duì)樁身的下拉力

15、（負(fù)摩擦力）逐漸顯現(xiàn)出來，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。 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 120000.005.0010.0015.0020.0025.0030.0035.0040.0045.

16、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） 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。 經(jīng)鉆孔擠密樁復(fù)合地基試驗(yàn)各項(xiàng)檢測成果的綜合分析，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 蘭州級(jí)階地濕陷性黃土特征與地基處理 5.1 工程概況 國電蘭州熱電有限責(zé)任公司“上大壓小”熱電聯(lián)產(chǎn)（23

17、00MW級(jí)）工程位于蘭州市城關(guān)區(qū)。 場地位于蘭州第二熱電廠的東側(cè)，地形略有起伏，總體趨勢南高北低，地面標(biāo)高為1527.351534.20m，場地內(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 場地巖土工程條件填土黃土狀粉土-1黃土狀粉土（飽和）粉細(xì)砂卵石砂巖地下水位埋深為15.319.5m，水位標(biāo)高為1512.381514.0m。395.3 場地黃土濕陷性評(píng)價(jià) 廠區(qū)濕陷性土層為層黃土狀粉土，該層土分布于場地地基土的上部，按濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范(GB500252004) 評(píng)價(jià)，本場地屬自重濕陷性黃土場地，濕陷等級(jí)為(中等)(很嚴(yán)重)，見下表。40 現(xiàn)場浸水試驗(yàn)：根據(jù)浸水試驗(yàn)各標(biāo)點(diǎn)的沉降觀測結(jié)果，場地的黃土具自重濕陷性，地表變形明顯，最大沉降達(dá)260mm