填海造地地區(qū)火力發(fā)電廠地基處理設(shè)計

趙春曉

（河北省電力勘測設(shè)計研究院，石家莊市，050031）

0 引言

曹妃甸新港工業(yè)區(qū)為依托曹妃甸島向內(nèi)陸填海造地，興建集鋼鐵、電力、化工，加工制造等綜合性的工業(yè)園區(qū)，整個港區(qū)采用邊吹填、邊開發(fā)的模式進行建設(shè)。曹妃甸電廠一期工程為園區(qū)內(nèi)開工較早的大型項目，廠址位于曹妃甸島西北側(cè)的淺水海域，根據(jù)港區(qū)標高規(guī)劃，電廠場地上部形成吹填海砂厚度約為5 m，由于吹填時間較短（1～2個月），吹填物為飽和的粉質(zhì)、砂質(zhì)土，欠固結(jié)，其密實程度很差，強度極低，不具備電廠施工機械、人員進場和材料堆放等施工條件的要求，同時下層沉積砂土還存在液化的可能，地基承載力較低。為滿足電廠所有建（構(gòu)）筑物地基基礎(chǔ)承載力及變形要求，保證電廠施工和運行安全，選擇加固效果好、工期短、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理的地基處理方案尤為重要。在臨近場地無類似工程經(jīng)驗可參考的情況下，通過詳細論證和現(xiàn)場試驗驗證，并根據(jù)火力發(fā)電廠各建筑物使用要求不同，廠區(qū)綜合采用采用強夯、預應力鋼筋混凝土管樁和振沖碎石樁等多種地基處理手段，分步實施，滿足了不同階段的使用要求。

1 廠址地層概況

廠址地處灤河沖積扇的前部，自新生代以來，在古老的基底巖石上部堆積了巨厚的松散層，主要是晚更新世（Q3）及全新世（Q4）海相、陸相及海陸交互相沉積層，巖性多為粉砂、細砂及粘性土層交互沉積，自上而下分為8層，主要特性見表1。

廠址區(qū)地震動峰值加速度為0.15g，抗震設(shè)防烈度為7度，地震動反應譜特征周期為0.45 s。場地土類型為中軟土，建筑場地類別為III類。

2 廠區(qū)地基處理方案選擇原則

廠址區(qū)各層地基土在水平及垂直方向上變化不大，層位及厚度相對穩(wěn)定。①～④層主要以中高壓塑性土層為主，地基強度較差，承載力較低，且第①層松散狀態(tài)的吹填土和③層稍密—中密狀態(tài)的飽和砂土存在有地震液化問題；⑤層及以下地層均屬中壓縮性土，工程性能相對較好，承載力相對較高。同時①層吹填土（厚度約5 m）吹填時間較短（2～3個月），吹填物為飽和水的粉質(zhì)、砂質(zhì)土，欠固結(jié)，密實程度很差，強度極低，不具備電廠五通一平和施工場地使用的條件，如果直接作為基樁樁間土，會對樁基礎(chǔ)產(chǎn)生負摩阻力。因此整個電廠廠區(qū)內(nèi)地基處理方案的選擇原則為：在保證安全適用、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理的情況下，根據(jù)上部建筑物抗震類別和荷載情況采取不同的地基處理方案，分步實施，主要解決以下問題：

表1 各層地基土主要特性指標Tab.1 The physical and mechanical properties of various soil layers

（1）首先對電廠區(qū)域場地整體進行預處理，使①層吹填土固結(jié)、密實，具備一定強度，滿足電廠施工機械和人員進場、材料堆放等施工要求。

（2）廠區(qū)內(nèi)主廠房、煙囪等上部荷載較大的建筑物，由于其基礎(chǔ)持力層范圍內(nèi)①層吹填土、②層粉質(zhì)粘土及③層細砂的承載力特征值均很低，天然地基（或表層預處理之后）不能滿足強度和變形要求，需采用其他人工地基提高地基承載力及壓縮性，同時消除③層細砂層的液化。

（3）廠區(qū)其他輔助生產(chǎn)建筑物（包括輸煤系統(tǒng)、除灰系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及燃油系統(tǒng)等）須根據(jù)《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，對其中的乙類和丙類建筑物采取必要的地基處理措施，消除下臥液化土層的液化問題。

3 廠區(qū)地基處理方案

根據(jù)場地巖土工程地質(zhì)條件及上述地基處理選型原則和要解決的主要問題，通過對多種方案進行技術(shù)經(jīng)濟比較，確定整個廠區(qū)地基處理方案如下：

（1）采用強夯法對廠區(qū)地面進行預處理，使①層吹填土固結(jié)、密實、消除其液化，同時達到一定的強度。

（2）在對場地進行預處理的基礎(chǔ)上，主廠房、集控樓、煙囪及除塵器等爐后建（構(gòu)）筑物地基采用樁身質(zhì)量好、施工質(zhì)量易控制、樁體強度高、施工速度較快的高強預應力鋼筋混凝土管樁進行二次處理，以提高下層地基土承載力及壓縮性，同時消除③層細砂土液化。

（3）在預處理已經(jīng)消除液化的①層吹填土基礎(chǔ)上，廠區(qū)其他輔助生產(chǎn)建筑物如灰?guī)?、碎煤機室、轉(zhuǎn)運站、220 kV屋內(nèi)配電裝置、鍋爐補給水處理室等對承載力要求不是很高的建筑物，采用振沖碎石樁復合地基進行二次處理，以消除③層細砂土液化，同時提高相應土層承載力。

4 試驗結(jié)果及工程應用

4.1 強夯法預處理

由于廠區(qū)吹填后，地下水埋藏較淺（0.6～1.2 m），因此采用“先降水，后強夯”的處理方案對電廠區(qū)域場地進行預處理，結(jié)合現(xiàn)場試夯和預期達到的處理效果確定選用強夯施工參數(shù)如下：

（1）輕型井點降水按5 m間距布置，降水深度達到3 m以下。

（2）強夯夯擊能級為3 000 kN·m，夯錘質(zhì)量選擇25 t，落距12 m。

（3）進行主夯時，夯點間距為5 m×5 m，梅花型布點；主夯夯擊2遍，每遍夯擊4～7擊，2遍點夯間歇1天時間，主夯停錘標準為最后，2擊平均貫入量不大于5 cm。

（4）普夯1遍，普夯搭界1/4錘底面積。

廠區(qū)強夯后地基效果檢測采用原位測試與室內(nèi)土工試驗相結(jié)合的辦法，進行靜載荷試驗44組，靜力觸探240組，標貫240組。檢測結(jié)果表明：強夯有效影響深度為5 m；夯后①層吹填土由原來的松散—稍密狀態(tài)變?yōu)橹忻軤顟B(tài)，承載力特征值達到150 kPa；①層吹填土標準貫入錘擊數(shù)值均大于液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值，①層土液化消除。

4.2 預應力高強鋼筋混凝土管樁

根據(jù)土層分部，樁長選擇以進入持力層第⑥層約1.5 m控制，結(jié)合初步估算樁基承載力和上部結(jié)構(gòu)荷載情況，選擇φ600 mm/130 mm高強預應力鋼筋混凝土管樁進行試樁。樁長42.0 m（從自然地面算起），試驗樁4根，間距6.0 m，一字排列；錨樁（反力樁）10根，間距6.0 m，分踞在試驗樁兩側(cè)。試驗樁和錨樁都采用十字閉口鋼樁尖。試樁施工采用錘擊法沉樁，錘質(zhì)量為8.0 t。預應力鋼筋混凝土原體試驗采用單樁豎向靜載荷試驗、單樁水平靜載荷試驗、低應變檢測、高應變檢測以及孔隙水壓力試驗等多種手段檢驗樁基基礎(chǔ)效果和監(jiān)測打樁振動對土中孔隙水壓力變化情況，試驗結(jié)果如下：

（1）單樁豎向承載力。選擇試樁T1～T4和錨樁M5、M10共6根樁進行單樁豎向靜載荷試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 單樁豎向靜載荷試驗結(jié)果統(tǒng)計Tab.2 The results of the static loading test of a single pile

（2）單樁水平承載力。選擇錨樁M7、M8、M9三根樁進行單樁水平靜載荷試驗，從現(xiàn)場試驗的曲線和卸載回彈率可以得出，3根樁在受500 kN水平力的作用下樁身沒有折斷，水平位移都超過40.0 mm。根據(jù)有關(guān)規(guī)范規(guī)定，按最大位移（40.0 mm）對應荷載的前一級荷載取水平極限承載力，3根試驗樁的水平極限承載力都為450 kN，其水平承載力特征值為225 kN。

（3）低應變檢測。在靜載荷試驗前、后對6根靜載試驗樁采用反射波法進行低應變檢測，利用波在一維桿件中的傳播特性來進行樁身完整性的評價。從檢測的信號來看：樁身的完整性較好，在打樁和靜載荷試驗過程都沒有對樁身造成損傷，但個別樁在接樁位置有接樁反射波現(xiàn)象，出現(xiàn)接樁反射波現(xiàn)象是由于在焊接時只是焊接法蘭盤外側(cè)的破口，而上下節(jié)樁法蘭盤中間是存在縫隙的。

通過低應變檢測可以得出：（1）預應力高強鋼筋混凝土管樁在本工程中的應用是可行的，成樁后的樁身質(zhì)量完好；（2）在以后的施工中應特別注意接樁工作，必要時可采用其他接樁手段。

（4）高應變檢測。采用Case法和CAPWAPC（CAse Pile Wave Analasys Progrem Calculation）曲線擬合法對4根試樁（T1～T4）進行高應變動力測試資料分析。對高應變初打、高應變復打、不同入土深度的測試采用Case法分析計算，同時對高應變復打采用CAPWAPC曲線擬合法計算，并根據(jù)初打檢測和復打檢測的數(shù)據(jù)對比得出承載力恢復系數(shù)，詳見表3。表3中：（1）承載力平均恢復系數(shù)（土阻力恢復系數(shù)）為1.78，推薦土阻力恢復系數(shù)取1.7；（2）通過對6根樁的樁端土阻力和樁側(cè)土阻力的分析，樁周土阻力占總土阻力比例的平均值為77.5%；（3）高應變復打所得42.0 m樁長，單樁極限承載力平均值為5 524 kN。

表3 高應變動力測試承載力恢復系數(shù)Tab.3 The restitution coefficient of the bearing capacity by high strain dynamic testing

通過CAPWAPC分析計算，得出各土層樁的極限側(cè)摩阻力和極限端阻力，如表4。

表4 各土層樁的極限側(cè)摩阻力和極限端阻力Tab.4 The ultimate shaft resistance and tip resistance of the pile in the soil

（5）動靜對比。利用高應變CAPWAPC法的擬合所得的P-S曲線與單樁豎向靜載荷試驗的P-S曲線進行對比（由于本次靜載荷試驗沒有進行到破壞，因而在進行動靜對比時使用設(shè)計極限承載力下的沉降來進行對比），6根樁在設(shè)計極限承載力下沉降的相對誤差為4.9%～20.0%，都滿足“PDA動力試樁與靜載荷試驗相比其誤差一般在20%之內(nèi)”的要求，因此，高應變檢測在本工程是一種近似于靜載荷試驗精度的一種方法，在以后的工程樁檢測時可用高應變檢測來代替靜載荷試驗確定單樁極限承載力。

4.3 振沖碎石樁復合地基

振沖碎石樁樁長確定以穿透③層液化土層，進入④-1粉質(zhì)粘土不小于1.0 m為原則。根據(jù)初步估算結(jié)構(gòu)，確定試樁施工參數(shù)如下：

（1）布樁方式采用正三角形布置，樁間距2.4 m，設(shè)計樁徑1.1 m。

（2）振沖器功率為75 kW；造孔水壓0.4～0.5 MPa，制樁水壓0.2～0.4 MPa；振密電流大于85～90 A；加密段長度30 cm。

（3）留振時間不小于15 s，樁頭部分適當延長；每根樁振密時間不小于50 min。

（4）試驗點靜載荷試驗結(jié)果見表5。

從以上載荷試驗結(jié)果可以看出：經(jīng)振沖加固后，地基土強度有明顯的提高，地基承載力由強夯后的150 kPa提高到488 kPa；通過標準貫入試驗檢驗，③-1層飽和粉細砂液化現(xiàn)象消除，說明在本工程中采用振沖碎石樁對地基進行加固處理是可行的。

表5 碎石樁復合地基靜載荷試驗結(jié)果Tab.5 The results of the static loading test of the compound vibro-replacement stone piled foundation

按單樁、樁間土載荷試驗計算得復合地基承載特征值為509 kPa，比實際試驗平均值460 kPa偏大，因此單樁復合地基承載力特征值按試驗確定是安全可靠的。其中樁間土載荷試驗承載力平均值488 kPa大于單樁復合地基承載力特征值460 kPa，分析原因是由于樁間土試驗所影響深度為經(jīng)過強夯振沖加固的①層吹填土，強度較高，而復合地基試驗已影響到下伏較軟的②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。

5 評價及建議

（1）通過強夯實驗和工程成功運用可以證明，對于填海造地地區(qū)表層松散、欠固結(jié)的吹填土采用強夯法進行加固處理效果顯著。吹填土被密實、固結(jié)、消除液化的同時，承載力特征值由50 kPa提高到150 kPa，不僅能滿足電廠施工機械和人員進場、材料堆放等施工場地的要求，同時強夯預處理后的地基可直接作為廠區(qū)道路、溝道、圍墻、儲煤場等構(gòu)筑物持力層使用。

（2）對于類似本工程場地地基上的主廠房、煙囪等荷重較大、沉降要求較嚴的電廠主要建筑物采用預應力高強鋼筋混凝土管樁是可行的，并且通過原體試驗研究，為類似地層工程樁施工和檢測提供了合理的參考手段，施工建議如下：

1）類似工程樁基采用φ600/130 mm預應力高強鋼筋混凝土管樁時，建議施工采用D80的筒式柴油打樁錘，錘質(zhì)量8.0 t。如采用導桿式柴油錘，從保證打樁質(zhì)量及能量角度看，錘重宜適當提高。

2）施工時宜用水準儀、經(jīng)緯儀隨時檢測垂直度，將樁的傾斜度控制在規(guī)范要求的1%以內(nèi)。

3）在工程樁施工中發(fā)現(xiàn)當中間砂夾層的標貫擊數(shù)大于40擊時，沉樁有一定的困難，但通過采取適當?shù)南紫端畨毫Φ却胧?，完全能夠滿足施工要求。在工程樁施工時連續(xù)打樁間距不宜小于6 m，如果6 m之內(nèi)布置有打入樁，可以在打樁結(jié)束24 h后再進行相鄰樁體的施工。

4）根據(jù)高應變與單樁豎向靜載荷試驗對比結(jié)果可以看出，此類地層工程樁檢測時可利用高應變檢測來代替靜載荷試驗確定單樁極限承載力。

（3）對于廠區(qū)其他輔助生產(chǎn)建筑物采用振沖碎石樁復合地基消除下層粉細砂土的液化，同時提高地基承載力，處理效果明顯，尤其是經(jīng)過強夯后的樁間土對復合地基承載力的提高貢獻顯著。根據(jù)本工程施工經(jīng)驗，對同類工程施工建議如下：

1）振沖器下放速度不宜過快，以免造成樁體偏移或傾斜；施工后，恢復期不宜少于20天。

2）施工質(zhì)量檢測對于樁間土可采用標準貫入試驗，對于樁體質(zhì)量可采用重型動力觸探試驗。質(zhì)量合格標準應為：在有效樁長內(nèi)，每10 cm動探試驗擊數(shù)一般不宜小于20擊；低于20擊試驗段不得連續(xù)出現(xiàn)3次，每根樁平均擊數(shù)不宜小于30擊/10 cm，對于復合地基，可采用單樁復合地基載荷試驗和單樁載荷試驗相結(jié)合進行檢測。

6 結(jié)語

通過試驗研究和工程實施驗證，在填海造地地區(qū)根據(jù)火力發(fā)電廠各建筑物使用要求不同，分別采用強夯、預應力鋼筋混凝土管樁或振沖碎石樁等多種手段對地基進行聯(lián)合處理，從而達到不同的使用目標，獲得很好的技術(shù)和經(jīng)濟效果，值得類似場地工程設(shè)計參考。

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[7]河北省電力勘測設(shè)計研究院.曹妃甸電廠一期樁基原體試驗報告書[R].石家莊：河北省電力勘測設(shè)計研究院，2007.