西北地区湿陷性黄土工程特性综合评价与地基处理试验研究

西北地区湿陷性黄土工程特性综合评价与地基处理试验研究太原理工大学岩土与地下工程研究所1汇报内容•1火力发电厂主要特点•2湿陷性黄土区的发电厂建筑物分类•3兰州高阶地湿陷性黄土特征与地基处理•4兰铝自备电厂湿陷性黄土特征与地基处理•5兰州Ⅱ级阶地湿陷性黄土特征与地基处理21火力发电厂主要特点•火力发电厂厂房结构上部受荷条件复杂、对地基强度、变形、稳定都有较高的要求，并且，随着我国电力建设步伐的加快和电力技术的快速发展，大型火力发电厂（单机容量≥600MW）的项目所占份额日益增多，但相对来讲厂址的条件也越来越复杂。目前，600MW、1000MW机组已成为我国电网的主力机组，大容量机组火电厂对土建设计、地基处理、基础设计及施工技术都提出了更高、更新、更严的要求。3•大型火力发电厂主要建构筑物均为乙类建筑，都应进行地基变形计算，且地基变形计算值不应大于地基变形允许值。•当地基承载力不能满足上部结构的需求，会导致地基失稳，使建筑物出现局部或整体破坏；地基变形过大或发生不均匀沉降，会导致建筑物产生倾斜、开裂或局部破坏，影响建设工程的正常使用。42湿陷性黄土区的发电厂建筑物分类53兰州高阶地湿陷性黄土特征与地基处理3.1工程概况国电兰州热电厂扩建工程场地位于兰州市西固区东南约5.0km的范家坪村，一期装机容量2×300MW。厂区所处地貌单元为黄河右（南）岸Ⅳ级阶地，地形较开阔，阶面宽度约3km，阶面从北向南呈阶地状缓慢升高，地势上由南向北倾斜，地面标高为1596.0～1611.3m。场地地层上部主要为第四系风积和冲洪积形成黄土状粉土具自重湿陷性。63.2岩土工程条件在勘察深度58m内所揭露的地层主要由第四系风积和冲洪积形成黄土状粉土、细砂、粗砂以及卵石组成。②层黄土状粉土③层卵石④层黄土状粉土⑤层卵石73.3场地黄土湿陷性评价勘察过程中，重点是查明厂区黄土状粉土的湿陷性，尤其对深层黄土状粉土的湿陷性进行分析评价。初步设计阶段在厂区共布置探井7个，探井深度在25.8～48.0m，因地层中砂、卵石等夹层多，探井开挖采取了支护措施，保证了深部黄土状粉土取样质量及试验、评价要求。室内土工试验表明，具有自重湿陷性的地基土层为②层，湿陷下限位于②层的底部；在无③层的场地地基土中，④层顶部的地基土具有湿陷性，湿陷下限深度达30m；在常规压力下（10m深度以下，采用饱和自重压力），④层地基土无湿陷性；在大压力下（压力值大于饱和自重压力的59％），④层地基土具有轻微的湿陷性。8探井湿陷量计算结果9勘探点总湿陷量△z/mm自重湿陷量△zs/mm湿陷下限/m湿陷类型、等级J25931.3637.215.6自重、Ⅳ级J291277.81366.129.8自重、Ⅳ级J35920.6722.525.5自重、Ⅳ级J37770.6409.223.6自重、Ⅳ级J421153.31144.925.5自重、Ⅳ级J06594.3163.214.6自重、Ⅱ级J041387.71395.825.3自重、Ⅳ级3.4现场试坑浸水试验•现场浸水试验设计试坑坑深0.5m，坑底面积30m×20m。根据浸水试验各标点的沉降观测结果，试验场地的黄土自重湿陷性较明显。•坑内浅标点现场实测黄土湿陷量与室内土样试验结果（未考虑地区土质差异系数）见下表，其中室内试验数据根据施工图勘察结果，选择靠近试验区的J326、J328和J344号探井土样结果，现场浸水试验选择Q29和Q30两个浅标结果。101112现场实测湿陷量/mmQ29Q30143.6145.1室内试验结果/mmJ326J328J344J326J328J344187.3116.797.3187.3116.797.3实测值∕室内值0.771.231.480.771.241.49现场实测黄土湿陷量与室内土样试验结果•试验区复查孔揭示的地层可知，该区②层黄土状粉土的厚度为13.5~14.3m。根据分层沉降标观测结果，6m深标沉降量为87.3mm，说明6m以下土层仍然具有自重湿陷性；9m深标沉降量为25.6mm，因9m深标离试坑进水源较远，沉降量受到影响，可认为9m深标沉降量仍较大，可能到达50mm左右，说明其下土层还有部分自重湿陷；12m标管沉降已很小，累计沉降14mm，说明其下土层已基本不具自重湿陷性。根据各深标的实测情况，判定试验区黄土层的自重湿陷下限为12m左右，结果与室内实验结论②层底部13.5m~14.3m相差不大。133.5地基基础方案•（1）灌注桩•厂区主厂房、烟囱等主要建筑物对地基承载力及变形有较高的要求，根据本工程岩土工程条件，需要采用桩基础穿透全部湿陷性土层并提供足够的承载力。•在③层卵石连续分布且达到一定厚度的区域，选择③层卵石作为桩端持力层(短桩方案)。初步设计阶段进行了人工挖孔扩底灌注桩试验，采用Φ=1000mm，扩底1800mm的人工挖孔扩底灌注桩。试验结果显示，单桩竖向抗压承载力特征值与③层卵石厚度相关性较大，见下表。1415人工挖孔扩底灌注桩试验结果16桩编号桩长/m持力层厚度/m单桩承载力特征值/kNA115.903.33000A215.704.03500A315.704.84500桩身浸水期轴力、侧摩阻力17020040060080010001200140016000246810121416h(m)Q(kN)-100-500501001502002500246810121416h(m)P(kPa)桩身加载期轴力、侧摩阻力180200040006000800010000120000246810121416h(m)Q(kN)-150-100-500501001502002500246810121416h(m)P(kPa)•各层地基土的极限侧摩阻力标准值及桩端的极限端阻力标准值如下：•②层黄土极限负摩阻力标准值：qsik＝-45kPa（实测中性点深度比0.5）；•②层黄土极限侧摩阻力标准值：qsik＝90kPa；•③层卵石极限侧摩阻力标准值：qsik＝160kPa；•③层卵石极限端阻力标准值：qpik＝3400kPa。•在③层卵石层分布不连续或缺失的区域，采用⑤层卵石作为桩端持力层(长桩方案)。当选择⑤层卵石作为桩端持力层时，由于其埋深较大，采用人工挖孔桩，需要对上部的砂、卵石层考虑进行必要的支护措施。因采用⑤层卵石作为桩端持力层的灌注桩桩长一般为短桩方案桩长的2倍以上，单桩承载力可以满足设计需要。19（2）钻孔挤密桩复合地基（DDC工法）•试验桩间距分为1.0m、1.2m两种，均按等边三角形布置。设计成孔直径400mm，夯扩至直径600mm，桩体材料选用2:8灰土，根据试验区地层确定桩长13.2～15.1m。•复合地基载荷试验结果：1.0m桩间距和1.2m桩间距区天然状态复合地基承载力特征值均大于300kPa，浸水试验复合地基1.0m桩间距区平均值为290kPa，1.2m桩间距区平均值为265kPa。201.0m桩间距区载荷试验结果21试点编号极限荷载/kPa承载力特征值/kPa对应沉降量/mm变形模量/MPafh01＞9003106.337.1fh02（浸水）＞7002608.423.4fh03（浸水）＞7003208.428.81.2m桩间距区载荷试验结果22试点编号极限荷载/kPa承载力特征值/kPa对应沉降量/mm变形模量/MPaFH01＞7004006.1857.3FH02（浸水）70029010.0826.1FH03（浸水）＞70024010.0821.6•从两组试验结果来看，复合地基在300kPa压力下，浸水沉降量差别不明显；从700kPa压力时的总沉降量来看，非浸水条件下差别不大，但浸水条件下1.2m间距比1.0m间距总沉降量要大。根据室内土工试验资料，标准压力下，1.0m桩间土已完全消除湿陷性，但1.2m桩间土地面下4.0m以上未消除湿陷性。试验结果显示，1.0m桩间距较适合本地层条件。234兰铝自备电厂湿陷性黄土特征与地基处理4.1工程概况兰铝自备电厂工程容量3×300MW，一次建成，由西北电力设计院采取EPC总承包方式进行建设。工程场地地貌上属于湟水河Ⅱ级阶地后缘，北侧靠近山前地段则具有山前冲洪积地貌特征，总体上讲厂区处于湟水河Ⅱ级阶地与山前冲洪积扇的过渡地带。本场地湿陷性黄土在时代上属全新世次生黄土，主要为冲、洪积而成，地基条件十分复杂。黄土状土的厚度一般为20～25m。本工程《岩土工程勘察与试验》在2009年陕西省第十三届优秀工程勘察评选中获省级一等奖。244.2场地岩土工程条件•①黄土状粉土、①-1卵石•②黄土状粉土、②-1黄土状粉土、②-2卵石•③中粗砂、③-1粉质粘土•④卵石•⑤泥岩•场地地下潜水埋深约20～22m。254.3场地黄土湿陷性评价•（1）室内土工试验评价•在场地岩土工程勘察的基础上，在试验区挖探井（2个）取不扰动土试样进行了室内土工试验。根据土工试验结果，按《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025—2004)中的地区土质差异修正系数取β0=1.5，其黄土湿陷量计算结果见下表。试验场地为自重湿陷性黄土场地，地基湿陷等级为Ⅱ级（中等）。根据室内试验结果，在饱和自重压力下，按自重湿陷系数δzs≥0.015来判断，自重湿陷下限约在地表下10m。26孔编号井孔深度（m）自重湿陷量zs（mm）总湿陷量s（mm）湿陷类型，等级M117.2243.0280.5自重，Ⅱ级（中等）A217.2236.3247.5自重，Ⅱ级（中等）（2）现场试坑浸水试验结果•试验区试桩桩周土浸水与试坑浸水相结合进行，试验区试坑坑底面积20m×20m。27•现场浸水历时21天，总耗水量约2400吨。停水后连续观测32天，最后5d的平均湿陷沉降量基本小于1mm/d，试验终止。28010203040501.02.03.04.05.06.07.08.09.010.0H(mm)t(d)试坑内浅标平均日相对沉降量变化曲线0102030405020406080100120140160180200220240t(d)H(mm)12#16#试坑内、外浅标沉降量随时间变化曲线•停水初期到停水后期，坑边裂缝已十分显现，并进一步向远处扩张，基本已构成沿试坑周围的环形裂缝，见下图。此时北边裂缝最远距坑边已有9.2m左右，南边裂缝发展迅速最远达13m左右，东边裂缝最远有8.2m左右，西边此期间发展较快，最远也达7.2m左右，裂缝宽度最大已超过3cm。29浸水试坑10.23•右图为场地黄土自重湿陷系数随深度变化规律，从中可以看出，室内试验结果与现场试验结果总体变化趋势基本一致，室内试验结果与现场试验之间有一定的差距，说明需考虑修正系数。按自重湿陷系数0.015，湿陷下限在10m左右，室内、外试验基本吻合。从坑外南1m的16#浅标沉降观测结果来看，其沉降量最大达231.7mm，与室内自重湿陷量计算值的比值为1.47。300.0000.0100.0200.0300.0400.02.04.06.08.010.012.014.016.018.0H(m)A2M1试坑浸水4.4地基基础方案•（1）灌注桩•对于厂区大型重要建筑物，需要全部消除地基的湿陷性，大幅提高地基承载力，可考虑采用桩基础。在成孔工艺上可采用人工挖孔扩底灌注桩或机械成孔灌注桩。桩端持力层应选择④卵石层或⑤泥岩，在桩基设计时应考虑负摩擦力对桩承载力的影响。•由于场地地质条件比较复杂，且大部分地段持力层位于地下潜水位以下。当采用人工挖孔扩底灌注桩时，存在施工降水和施工安全问题。采用全程素混凝土护壁，排除安全隐患；采取降水措施，桩端可顺利置于④卵石层上，有利于控制施工质量。31•当采用机械成孔灌注桩时，无法扩底，桩的承载力较低，要提高桩的承载力，桩必须进入⑤层泥岩，桩端应置于中等风化基岩，这样施工有一定难度，但可不考虑施工降水问题。•采用人工挖孔扩底灌注桩比机械成孔灌注桩工程量可减少1100根，考虑施工降水费用后，人工挖孔扩底灌注桩可节约费用838万元。•本工程最终采用人工挖孔扩底灌注桩。桩径900mm，桩端扩底1500mm,④层卵石层作为桩端持力层。3233•为了研究