西北地區(qū)濕陷性黃土工程特性綜合評價與地基處理試驗研究

1、西北地區(qū)濕陷性黃土工程特性綜合評價與地基處理試驗研究太原理工大學巖土與地下工程研究所1匯報內容 1 火力發(fā)電廠主要特點 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 火力發(fā)電廠廠房結構上部受荷條件復雜、對地基強度、變形、穩(wěn)定都有較高的要求，并且，隨著我國電力建設步伐的加快和電力技術的快速發(fā)展，大型火力發(fā)電廠（單機容量600MW）的項目所占份額日益增多，但相對來講廠址的條件也越來越復雜。目前，600MW、1000MW機組已成為我國電網的主力機組，大容量機組火電廠

2、對土建設計、地基處理、基礎設計及施工技術都提出了更高、更新、更嚴的要求。3 大型火力發(fā)電廠主要建構筑物均為乙類建筑，都應進行地基變形計算，且地基變形計算值不應大于地基變形允許值。 當?shù)鼗休d力不能滿足上部結構的需求，會導致地基失穩(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，會導致建筑物產生傾斜、開裂或局部破壞，影響建設工程的正常使用。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，一期裝機容量2300MW。廠區(qū)所處地貌單元為黃河右（南）岸級階地，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，地面標高為1596.01611.3m。場地地層上部主要為第四系風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內所揭露的地層主要由第四系風積和沖洪積形成黃土狀粉土、細砂、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 場地黃土濕陷性評價 勘察過程中，重點是查明廠區(qū)黃土狀粉土的濕陷性，尤其對深層黃土狀粉土的濕陷性進行分析評價。初步設計階段在廠區(qū)共布置探井7個，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措施，保證了深部黃土狀粉土取樣質量及試驗、評價要

4、求。 室內土工試驗表明，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探井濕陷量計算結果93.4 現(xiàn)場試坑浸水試驗 現(xiàn)場浸水試驗設計試坑坑深0.5m，坑底面積 30 m20 m。根據(jù)浸水試驗各標點的沉降觀測結果，試驗場地的黃土自重濕陷性較明顯。 坑內淺標點現(xiàn)場實測黃土濕陷量與室內土樣試驗結果（未考慮地區(qū)土質差異系數(shù)）見下表，其中室內試驗數(shù)據(jù)根據(jù)施工圖勘察結果，選擇靠近試驗區(qū)的J32

5、6、J328和J344號探井土樣結果，現(xiàn)場浸水試驗選擇Q29和Q30兩個淺標結果。101112現(xiàn)場實測黃土濕陷量與室內土樣試驗結果現(xiàn)場實測黃土濕陷量與室內土樣試驗結果 試驗區(qū)復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)分層沉降標觀測結果，6m深標沉降量為87.3mm，說明6m以下土層仍然具有自重濕陷性；9m深標沉降量為25.6mm，因9m深標離試坑進水源較遠，沉降量受到影響，可認為9m深標沉降量仍較大，可能到達50mm左右，說明其下土層還有部分自重濕陷；12m標管沉降已很小，累計沉降14mm，說明其下土層已基本不具自重濕陷性。根據(jù)各深標的實測情況，判定試驗區(qū)黃土層的自

6、重濕陷下限為12m左右，結果與室內實驗結論層底部13.5m14.3m相差不大。133.5 地基基礎方案 （1）灌注樁 廠區(qū)主廠房、煙囪等主要建筑物對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)。初步設計階段進行了人工挖孔擴底灌注樁試驗，采用=1000mm，擴底1800mm的人工挖孔擴底灌注樁。試驗結果顯示，單樁豎向抗壓承載力特征值與層卵石厚度相關性較大，見下表。1415人工挖孔擴底灌注樁試驗結果16樁身浸水期軸力、側摩阻力17樁身加載期軸力、側摩阻力18各層

7、地基土的極限側摩阻力標準值及樁端的極限端阻力標準值如下： 層黃土極限負摩阻力標準值： qsik-45kPa（實測中性點深度比0.5）；層黃土極限側摩阻力標準值：qsik90kPa；層卵石極限側摩阻力標準值：qsik160kPa；層卵石極限端阻力標準值：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)。當選擇層卵石作為樁端持力層時，由于其埋深較大，采用人工挖孔樁，需要對上部的砂、卵石層考慮進行必要的支護措施。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計需要。19（2）鉆孔擠密樁復合地基（DDC工法） 試驗

8、樁間距分為1.0m、1.2m兩種，均按等邊三角形布置。設計成孔直徑400mm，夯擴至直徑600mm，樁體材料選用2:8灰土，根據(jù)試驗區(qū)地層確定樁長13.215.1m。 復合地基載荷試驗結果：1.0m樁間距和1.2m樁間距區(qū)天然狀態(tài)復合地基承載力特征值均大于300kPa，浸水試驗復合地基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)載荷試驗結果211.2m樁間距區(qū)載荷試驗結果22 從兩組試驗結果來看，復合地基在300kPa壓力下，浸水沉降量差別不明顯；從700kPa壓力時的總沉降量來看，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)室內土工試驗資料，標準壓力下，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。試驗結果顯示，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，由西北電力設計院采取EPC總承包方式進行建設。工程場地地貌上屬于湟水河級階地后緣，北側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)處于湟水河級階地與山前沖洪積扇的過渡地帶。本場地濕陷性黃土在時代上屬全新世次生黃土，主要為沖、洪積而成，地基條件十分復雜。黃土狀土的厚度一般為2025m。 本工程巖土工程勘察與試驗在2

10、009年陜西省第十三屆優(yōu)秀工程勘察評選中獲省級一等獎。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 場地黃土濕陷性評價（1）室內土工試驗評價在場地巖土工程勘察的基礎上，在試驗區(qū)挖探井（2個）取不擾動土試樣進行了室內土工試驗。根據(jù)土工試驗結果，按濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范(GB 500252004)中的地區(qū)土質差異修正系數(shù)取0=1.5，其黃土濕陷量計算結果見下表。試驗場地為自重濕陷性黃土場地，地基濕陷等級為級（中等）。根據(jù)室內試驗結果，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)場試坑浸水試驗結果 試驗區(qū)試樁樁周土浸水與試坑浸水相結合進行，試驗區(qū)試坑坑底面積 20 m20 m。27 現(xiàn)場浸水歷時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，試驗終止。28010203040501.02.03.04.05.06.07.08.09.010.0H(mm)t(d)試坑內淺標平均日相對沉降量變化曲線0102030405020406080100120140160180200220240t(d)H(mm)12#16# 試坑內、外淺標沉降量隨時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、并進一步向遠處擴張，基本已構成沿試坑周圍的環(huán)形裂縫，見下圖。此時北邊裂縫最遠距坑邊已有9.2m左右，南邊裂縫發(fā)展迅速最遠達13m左右，東邊裂縫最遠有8.2m左右，西邊此期間發(fā)展較快，最遠也達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，室內試驗結果與現(xiàn)場試驗結果總體變化趨勢基本一致，室內試驗結果與現(xiàn)場試驗之間有一定的差距，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、外試驗基本吻合。從坑外南1m的16#淺標沉降觀測結果來看，其沉降量最大達231.7mm，與室內自重濕陷量計算值的比

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 地基基礎方案 （1）灌注樁 對于廠區(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。在成孔工藝上可采用人工挖孔擴底灌注樁或機械成孔灌注樁。樁端持力層應選擇卵石層或泥巖，在樁基設計時應考慮負摩擦力對樁承載力的影響。 由于場地地質條件比較復雜，且大部分地段持力層位于地下潛水位以下。當采用人工挖孔擴底灌注樁時，存在施工降水和施工安全問題。采用全程素混凝土護壁，排除安全隱患；采取降水措施，樁端可順利置于

14、卵石層上，有利于控制施工質量。31 當采用機械成孔灌注樁時，無法擴底，樁的承載力較低，要提高樁的承載力，樁必須進入層泥巖，樁端應置于中等風化基巖，這樣施工有一定難度，但可不考慮施工降水問題。 采用人工挖孔擴底灌注樁比機械成孔灌注樁工程量可減少1100根，考慮施工降水費用后，人工挖孔擴底灌注樁可節(jié)約費用838萬元。 本工程最終采用人工挖孔擴底灌注樁。樁徑900mm，樁 端擴底1500mm, 層卵石層作為樁端持力層。3233 為了研究黃土濕陷對樁身負摩擦力的影響，在整個樁基試驗過程中，進行應力測試其應力應變變化。A3試樁在無荷載條件下浸水，浸水隨著時間的延長，因黃土的自重濕陷所引起的對樁身的下拉力

15、（負摩擦力）逐漸顯現(xiàn)出來，3m以上表現(xiàn)出對樁身的正摩擦力，3m以下表現(xiàn)出對樁身的負摩擦力，在28天后樁身截面17.5m處達2000kN。A2試樁在樁頂恒載5000kN下浸水，最大負摩擦力比樁頂無荷載情況略小，截面上移至15m左右，隨浸水時間的增加及樁身負摩擦力的影響，樁頂累計沉降為12.57mm。 試驗確定黃土極限負摩阻力標準值取-40kPa，-1黃土極限負摩阻力標準值取-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曲線（2）鉆孔擠密樁復合地基（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。 經鉆孔擠密樁復合地基試驗各項檢測成果的綜合分析，1.20m樁間距及1.40m樁間距復合地基樁間土的濕陷性均已消除，從技術可行、經濟合理的角度出發(fā)，建議設計布樁采用1.40m樁間距。復合地基承載力特征值按240kPa取用。365 蘭州級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任公司“上大壓小”熱電聯(lián)產（23

17、00MW級）工程位于蘭州市城關區(qū)。 場地位于蘭州第二熱電廠的東側，地形略有起伏，總體趨勢南高北低，地面標高為1527.351534.20m，場地內有零星建筑物，局部有垃圾坑。地貌單元屬黃河南岸級階地后緣，最初為農田，后為第二熱電廠擴建預留地。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）粉細砂卵石砂巖地下水位埋深為15.319.5m，水位標高為1512.381514.0m。395.3 場地黃土濕陷性評價 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) 評價，本場地屬自重濕陷性黃土場地，濕陷等級為(中等)(很嚴重)，見下表。40 現(xiàn)場浸水試驗：根據(jù)浸水試驗各標點的沉降觀測結果，場地的黃土具自重濕陷性，地表變形明顯，最大沉降達260mm