間接空冷塔樁基方素的選擇

梁婭莉,侯憲安,鐘西岳

(中國電力工程顧問集團西北電力設(shè)計院，西安市710075)

0 引言

冷卻塔是火力發(fā)電廠非常重要的構(gòu)筑物，在整個電廠土建投資中占有較大的比例，其結(jié)構(gòu)設(shè)計及地基處理方案的優(yōu)劣直接影響電廠土建投資及安全運行。采用合理的地基處理方案可以降低工程造價，加快工程施工進度，縮短工程建設(shè)周期［1-3］。因此，對于建設(shè)在復(fù)雜地質(zhì)場地上的冷卻塔而言，冷卻塔地基處理方案的選擇是工程設(shè)計階段中不可或缺的重要內(nèi)容。本文根據(jù)某工程間冷塔的地質(zhì)條件，針對間冷塔不同型式的地基處理方案進行比較，以確定鋼筋混凝土灌注樁地基處理方案;采用TSH3SCOQ雙曲線自然通風(fēng)冷卻塔結(jié)構(gòu)靜力計算程序(有矩理論)對樁徑0.8、1.2 m灌注樁以及不同的布樁方案分別進行分析計算，并對其進行技術(shù)經(jīng)濟比較，最終確定合理、經(jīng)濟的樁基設(shè)計方案。本文研究結(jié)論可為其他規(guī)模相當?shù)拈g冷塔地基處理方案及費用提供參考。

某工程新建2臺600 MW超臨界間接空冷燃煤發(fā)電機組，每臺機組配置1座雙曲線鋼筋混凝土自然通風(fēng)間接空冷冷卻塔，散熱器采用垂直布置方案。間接空冷塔塔高為172.0 m，進風(fēng)口高度為27.00 m，喉部直徑為84.00 m，環(huán)基中心直徑為140.34 m，設(shè)置44對X支柱作為支撐，采用環(huán)板基礎(chǔ)。

1 自然地理條件

該工程間接空冷塔建設(shè)場地位于北側(cè)河流的Ⅰ、Ⅱ級階地上，東西約長1.1 k m，自然地面標高為1 098.43～1 129.64 m(1956年黃海高程系)，西南高、東北低。

1.1 工程地質(zhì)概況

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，勘測深度范圍內(nèi)，場地Ⅰ級階地區(qū)域內(nèi)主要由第四紀全新世新近沖洪積形成的粉土、砂土(、)、第四紀全新世及更新世沖洪積的粉質(zhì)粘土、砂土、碎石和二疊系上統(tǒng)上石盒子組砂質(zhì)泥巖、砂巖(P2S)組成;Ⅱ級階地區(qū)域內(nèi)普遍為第四紀全新世沖洪積的黃土狀粉質(zhì)粘土(Q4al+pl、)、其下依次為第四紀更新世沖洪積的粉質(zhì)粘土、砂土和碎石(Q3al+pl)以及二疊系上統(tǒng)上石盒子組砂巖(P2S)組成。各層地基土的地基承載力特征值見表1。

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1.2 水文地質(zhì)及地下水條件

本區(qū)域水文地質(zhì)條件較復(fù)雜。Ⅰ級階地地下水位埋深為 7.6～4.2 m，標高為 1 094.75～1 098.52 m。Ⅱ級階地地下水位埋深為 19.9～21.7 m，地下水位標高為1 094.64～1 100.56 m。

1.3 黃土濕陷性評價

濕陷性黃土主要分布在Ⅱ級階地上，埋深為13.9 m以上，局部地段深度可能超過15 m。場地屬非自重濕陷性場地，濕陷等級Ⅰ級，濕陷深度下限不大于9.0 m。

2 冷卻塔地基處理

根據(jù)廠區(qū)總平面布置，該工程2座間接空冷塔均部分坐落在Ⅰ級階地、部分坐落在Ⅱ級階地上，其中1號冷卻塔自然地面標高為1 101.72～1 114.45 m，2號冷卻塔自然地面標高為1 105.00～1 121.27 m，冷卻塔豎向整平標高為1 112.80 m。

2.1 地基處理方案

根據(jù)GB 50025—2004《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》［4］對建筑物等級的劃分，間接空冷塔屬于甲類建筑，應(yīng)消除地基全部濕陷量或穿透全部濕陷性地層。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗，當濕陷土層厚度小于10 m時，采用強夯消除濕陷是很好的選擇［5-6］，當濕陷土層厚度大于10 m時，可考慮孔內(nèi)深層強夯技術(shù)［6］。然而，本工程Ⅱ級階地局部地段深度可能超過15 m，強夯不適用。下面就灌注樁方案和孔內(nèi)深層強夯水泥土樁方案分別論述。

2.1.1 灌注樁方案

樁基是深基礎(chǔ)的一種形式，能較好地適應(yīng)各種工程地質(zhì)條件，是我國用得最多的一種人工地基。樁基工程設(shè)計一般需要考慮垂直承載力、水平承載力、沉降和位移等問題，設(shè)計應(yīng)以樁基工程總費用為控制目標，進行多方案優(yōu)化比較，使樁基垂直承載力和水平承載力能較好地匹配，達到工程費用最低的目的［4］。灌注樁方案對整體傾斜有嚴格限制，對不均勻沉降有嚴格限制，是主要承受水平荷載和上拔力的建構(gòu)筑物推薦采用的地基處理方案［7］。采用該方法進行地基處理時，樁體通常穿透濕陷性土層達到或深入其下的持力層。同類工程經(jīng)驗表明，采用灌注樁處理冷卻塔濕陷性黃土地基是可行的。

2.1.2 孔內(nèi)深層強夯水泥土樁方案

孔內(nèi)深層強夯法用螺旋鉆機成孔，在孔中分層填入碎磚三合土、灰土、水泥土等填料，夯實成樁，反復(fù)錘擊使樁徑逐步擴大，與樁間土共同組成復(fù)合地基。此復(fù)合地基可以改變濕陷性黃土的大孔結(jié)構(gòu)，消除地基土的濕陷性和提高地基土的承載能力［8］。處理后的地基整體剛度均勻，承載力可提高2～9倍;變形模量高，沉降變形小，不受地下水影響，地基處理深度可達30 m以上，在我國許多地區(qū)被廣泛推廣使用。它可適用于大厚度雜填土、濕陷性黃土、軟弱土、液化土、風(fēng)化巖、膨脹土、紅粘土以及具有地下人防工事、古墓、巖溶土洞、硬夾層軟硬不均等各種復(fù)雜疑難的地基處理。

本工程冷卻塔采用孔內(nèi)深層強夯法進行地基處理時，有效樁長約10 m，樁徑為0.63 m，采用正三角形布樁，樁距1.1 m，布樁范圍沿環(huán)基每邊超出環(huán)板基礎(chǔ)外緣6 m，樁頂鋪設(shè)1 m厚、2∶8灰土墊層。

根據(jù)以往工程的經(jīng)驗，孔內(nèi)深層強夯水泥土樁施工受人為因素影響較大，施工過程不易控制，施工質(zhì)量離散性較大，復(fù)合地基承載力也不是太高?？紤]到冷卻塔結(jié)構(gòu)的重要性以及參考廠區(qū)其他建構(gòu)筑物的地基處理方案，本工程間冷塔地基處理決定采用鋼筋混凝土灌注樁樁基方案。

2.2 灌注樁樁型的選擇

在進行灌注樁基礎(chǔ)的設(shè)計時，除了考慮其垂直承載力外，還需考慮水平抗力及其有關(guān)問題。與單樁豎向承載力相比，單樁水平承載力顯得更為復(fù)雜。影響水平承載力的因素較多，除與地基土的強度有關(guān)外，還與樁基的樁徑、樁身截面剛度、材料強度、樁的入土深度、樁頂與承臺嵌固情況及群樁布置因素有關(guān)。在高層建筑及超高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，風(fēng)力和地震力等水平荷載也是設(shè)計中的控制因素，樁基的水平承載力和位移計算成為設(shè)計的重要內(nèi)容之一［9］。因此，除了考慮豎向承載力，研究分析灌注樁樁基的水平力狀態(tài)，對主要承受風(fēng)荷載冷卻塔這類高聳構(gòu)筑物的灌注樁基礎(chǔ)設(shè)計中，顯得尤為重要。

從巖土報告中看，(7)層碎石層是較好的樁端持力層，但是綜合試樁報告中并未給出該層的端阻，因此，本報告計算所用的(7)層碎石層端阻暫按JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［10］給出的參考值選取，取2000 kPa。根據(jù)間冷塔對地基承載力的要求，并結(jié)合廠區(qū)其他建構(gòu)筑物的樁基方案，擬定了樁徑0.8、1.2 m這2種不同的方案。

冷卻塔地段的工程地質(zhì)剖面顯示:(7)層表面起伏很大，若采用擴底灌注樁，則在(7)層內(nèi)無法擴底施工，因此，樁基設(shè)計不考慮擴底灌注樁而采用直樁。

2.3 直徑0.8 m灌注樁的布樁方案

A區(qū)(I級階地)內(nèi)0.8 m直徑的鉆孔灌注樁，樁長36 m，樁端進入(8)－1層中，單樁豎向極限承載力為10 000 kN;0.8 m直徑鉆孔擴底灌注樁單樁(擴底直徑1.5 m)，樁長23.5 m，樁端進入(6)－3層中，豎向極限承載力為6 300 kN。

B區(qū)(II級階地)內(nèi)0.8 m直徑的擴底鉆孔灌注樁(擴底直徑1.5 m)樁長21.8 m，進入(6)－1層中，單樁豎向極限承載力為3 700 kN，單樁水平臨界荷載取值為200 kN。

依據(jù) JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［10］，取單樁水平臨界荷載的75%為單樁水平承載力特征值。由試樁結(jié)果得到的單樁水平承載力特征值為150 kN。

針對直徑0.8 m的灌注樁，擬定了4種布樁方案。

方案Ⅰ:冷卻塔地基處理按照每對X支柱下設(shè)12根直徑0.8 m的灌注樁進行布置，樁長30 m，樁端進入到(7)層，如圖1(a)所示。

方案Ⅱ:冷卻塔地基處理按照每對X支柱下設(shè)14根直徑0.8 m的灌注樁進行布置，樁長31 m，樁端進入到(6)層或者(7)層中，如圖1(b)所示。

方案Ⅲ:冷卻塔地基處理按照每對X支柱下設(shè)16根直徑0.8 m的灌注樁進行布置，樁長30 m，樁端進入到層(6)層或者(7)層中，如圖1(c)所示。

方案Ⅳ:冷卻塔地基處理若按照每對X支柱下設(shè)18根直徑0.8 m的灌注樁進行布置，樁長27 m，進入到層(6)層或者(7)層中，如圖1(d)所示。

圖1 灌注樁的布樁方案(直徑0.8 m)Fig.1 Arrangement schemes of bored pile(D=0.8 m)

2.4 直徑1.2 m灌注樁的布樁方案

影響單樁水平承載力和位移的因素包括樁身截面抗彎剛度、材料強度等。隨著樁直徑的增加，水平承載力也隨之快速增加，而且樁的排數(shù)較少時，群樁效率系數(shù)也較高，為此，對直徑1.2 m灌注樁的布樁方案進行了分析。

根據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［10］，地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)(m)可由試驗結(jié)果的臨界荷載和對應(yīng)位移推算，即

式中:Hcr為單樁水平臨界荷載;Xcr為單樁水平臨界荷載對應(yīng)的水平位移;vx為樁頂水平位移系數(shù);b0為樁身的計算寬度;EI為樁身抗彎剛度。

根據(jù)直徑0.8 m灌注樁的綜合試樁結(jié)構(gòu)，計算可知m=21 MN/m4。

單樁水平力承載力特征值為

式中:χoa為樁頂允許水平位移。

由式(2)得:直徑1.2 m的灌注樁的單樁水平力承載力特征值為406.796 kN。

考慮群樁效應(yīng)綜合，得到群樁水平承載力特征值為

式中ηh為群樁效應(yīng)綜合系數(shù)，ηh=ηi+ηr+ηl+ηb，其中:ηi為樁的相互影響效應(yīng)系數(shù);ηr為樁頂約束效應(yīng)系數(shù);ηl為承臺側(cè)向土水平抗力效應(yīng)系數(shù);ηb為承臺底摩阻效應(yīng)系數(shù)。由于本場地土層具有濕陷性，故不考慮承臺底摩阻效應(yīng)。

針對直徑1.2 m的灌注樁，擬定了4種布樁方案。

方案i:1對X支柱下設(shè)8根直徑1.2 m的灌注樁，如圖2(a)所示。

方案ii:1對X支柱下設(shè)7根直徑1.2 m的灌注樁，如圖2(b)所示。

方案iii:1對X支柱下設(shè)6根直徑1.2 m的灌注樁，如圖2(c)所示。

方案iv:1對X支柱下設(shè)5根直徑1.2 m的灌注樁，如圖2(d)所示。

2.5 方案對比

采用TSH3SCOQ雙曲線自然通風(fēng)冷卻塔結(jié)構(gòu)靜力計算程序(有矩理論)［1］對該塔直徑0.8、1.2 m 灌注樁的布樁方案進行了分析，得出標準荷載組合下的樁頭所承擔(dān)的豎向力及水平力見表2所示。

圖2 灌注樁的布樁方案(直徑1.2 m)Fig.2 Arrangement schemes of bored pile(D=1.2 m)

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2.6 技術(shù)經(jīng)濟比較

對該塔直徑0.8、1.2 m灌注樁的布樁方案進行了經(jīng)濟性分析，得出的經(jīng)濟性指標如表3所示。從表3可看出，每對人字柱下布置6根直徑1.2 m灌注樁方案將比每對人字柱下布置18根直徑0.8 m灌注樁的方案節(jié)省310.8萬元，樁的總數(shù)也最少，施工工期短。

3 結(jié)語

(1)復(fù)合地基施工質(zhì)量離散性較大，不易控制，承載力也不滿足本工程的要求，因此本工程地基采用鋼筋混凝土灌裝樁方案。

(2)綜合造價及施工工期等因素，最終采用最為經(jīng)濟的方案，即每對X支柱下布置6根直徑1.2 m灌注樁方案。

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