濱海軟土地基的某4×600 MW電廠地基處理及基礎(chǔ)選型

趙四方，程震宇，隋 亮，羅 一，付曉旭

(1.中國電力工程西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610051；2.南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510010； 3.中國電力技術(shù)裝備有限公司，北京 100052)

0 引言

濱海區(qū)域通常分布有大量深厚軟土[1]，該類土層具有強度低、壓縮性高等特點，此類地區(qū)的建(構(gòu))筑物一般需要采用地基處理以滿足地基沉降的要求[2]。常用的地基加固方法包括排水固結(jié)、堆載預(yù)壓、強夯、水泥攪拌樁等方法[3-5]。本工程位于越南沿海地區(qū)，基巖埋深約150 m，屬于典型的軟土地貌，地基處理較為困難。且業(yè)主提出的沉降要求遠高于DL 5022—2012《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[6]及GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[7]的限值(見表1、表2所列)：上部結(jié)構(gòu)荷載引起的地基沉降，對于重要建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)(包括主廠房基礎(chǔ)、鍋爐及煙囪基礎(chǔ)、汽機基座等)最大不得超過25 mm；一般建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)最大沉降不得超過35 mm；承受輕型荷載的附屬建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)允許最大沉降為50 mm。因此，采用常規(guī)的地基處理措施和基礎(chǔ)設(shè)計將難以滿足該要求。通過比選不同的地基處理及基礎(chǔ)方案的優(yōu)缺點，推薦地基處理采用真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法，基礎(chǔ)方案結(jié)合不同受荷區(qū)域采用灌注樁、PHC樁及獨立基礎(chǔ)，并結(jié)合有限元軟件分析，最終該組合方案下的沉降計算結(jié)果滿足業(yè)主的相關(guān)要求并順利實施。

表1 DL 5022—2012《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》：主廠房沉降限值

表2 GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》： 基礎(chǔ)沉降限值

1 工程概況

某4×600 MW火力發(fā)電廠位于越南南定省濱海區(qū)域，該區(qū)域?qū)儆诤涌谌侵薜貛?，曾為濱海堆積地貌，距入海口約10 km。場地表層為第四系河流沉積地層，基巖埋深約150 m，場地內(nèi)土層可分為10層，場地地址分層信息見表3所列。

表3 場地地質(zhì)分層信息

地下水位埋深0.2～1.0 m，具有弱腐蝕性。根據(jù)越南地震烈度區(qū)劃圖(TCXDVN 375:2006)，電廠所在越南南定省抗震設(shè)防烈度為7 (MSK-64 system)；對應(yīng)于重現(xiàn)期T=950 a最大設(shè)計地震(MDE)加速度(PGA)為ag= 0.1107g。

廠區(qū)地勢平坦，天然場地標高為0.5～0.8 m，擬定場平標高4.5 m，考慮清表及沉降因素，場地回填厚度約6 m。場地土第④層為淤泥質(zhì)土，平均厚度達到15.5 m；第⑤、⑦、⑨層均為較軟弱層?？勺鳛闃抖顺至拥耐翆又饕獮榈冖?、⑩層。由于回填土及軟弱層較厚，選擇合理的場地預(yù)處理方式對于控制地基沉降將至關(guān)重要。

2 場地預(yù)處理及基礎(chǔ)選型方案

2.1 場地預(yù)處理方案

目前軟土地基處理的方法較多，包括強夯法、水泥攪拌樁法、排水固結(jié)法等 。

2.1.1 強夯法

強夯法適用于處理碎石土、砂土、低飽和土的粉土與黏性土、濕陷性黃土、素填土和雜填土等地基，直接用于加固軟土地基的效果不理想。由于本工程淤泥土層厚約15 m，淤泥層底部最大深度可達自然地坪下23～25 m，采用強夯后土中孔隙水壓力升高，地基土強度可能較強夯前更加低，因此不建議采用。

2.1.2 水泥攪拌樁法

水泥攪拌樁最大限度利用原土，攪動時無振動、無噪音、無污染，可快速施工。但本工程淤泥層較厚，且具有短時間內(nèi)體積不可壓縮的特點，攪拌漿液容易跑失，需增加局部復(fù)攪復(fù)噴次數(shù)以提高水泥土的攪拌質(zhì)量。由于場地淤泥層厚度較大，為達到理想的處理效果，水泥攪拌樁應(yīng)穿透淤泥層到達堅硬土層，因此樁長較長，處理費用高， 不建議采用。

2.1.3 排水固結(jié)法

排水固結(jié)法是通過設(shè)置豎向以及水平向的排水體，通過表面施加一定壓力，使地基中的超孔隙水壓力通過排水體排出而使地基受到壓縮，強度得到提高的一種方法。

排水固結(jié)法中目前使用較多的主要包括堆載預(yù)壓法、真空預(yù)壓法及真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法。若采用堆載預(yù)壓，由于場地下淤泥較厚，堆載預(yù)壓的初級荷載不能超過淤泥的承載能力，需要根據(jù)淤泥土強度的增長逐級加載，保證每級荷載下的土體穩(wěn)定，不致超過土體剪切強度而發(fā)生失穩(wěn)破壞，此堆載預(yù)壓時間較長，多余的堆土在卸載后需運走，總體上造價較高。真空預(yù)壓法應(yīng)用于地基預(yù)壓荷載不大于80 kN的情況,要求膜下真空度應(yīng)穩(wěn)定保持在86.7 kPa(650 mmHg)以上，且應(yīng)均勻分布，排水豎井深度范圍內(nèi)的土層平均固結(jié)度應(yīng)大于90%。結(jié)合本項目的實際情況，擬采用真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法，膜下真空度達到并穩(wěn)定在86.7 kPa(650 mmHg)以上，且抽真空時間7～10 d后，即可在密封膜面的中細砂層上開始分層回填碾壓堆載，工作周期約為4～6個月，不到堆載預(yù)壓法的一半，現(xiàn)場無大量堆土，對環(huán)境影響較小。

經(jīng)以上綜合分析比較，采用真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法工期較短、投資較省，加固效果能滿足工程要求。

真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法主要由加載系統(tǒng)和排水系統(tǒng)兩部分組成。在真空泵抽真空荷載和上部填土堆載組成的加載系統(tǒng)作用下，軟土內(nèi)的水依次通過豎向排水系統(tǒng)即塑料排水板，進入水平砂墊層組成的水平排水系統(tǒng)，經(jīng)砂墊層內(nèi)的水平波紋濾管，由真空泵排出處理區(qū)外，工藝剖面如圖1所示。真空荷載≥80 kN，處理后土壤固結(jié)度≥95%；塑料排水板間距為1.0 m×1.0 m，需伸至第④層土底部，平均單根長度約23 m。

圖1 真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓工藝剖面圖

2.2 基礎(chǔ)選型方案

基礎(chǔ)選型應(yīng)根據(jù)施工場地范圍的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、建筑類型與功能要求、荷載大小、相鄰建筑物基礎(chǔ)情況及該地區(qū)抗震烈度等多方面的因素綜合考慮。常采用的基礎(chǔ)型式包括條形基礎(chǔ)、獨立基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)、箱型基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)等。

本工程由于基礎(chǔ)沉降要求較高，在采取了真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法進行地基處理后，地基土的彈性模量有較明顯提高，但對于重要構(gòu)筑物的基礎(chǔ)，采用普通的擴展基礎(chǔ)仍無法滿足沉降的要求。結(jié)合地震烈度影響，本工程對于重要建(構(gòu))筑物(包括主廠房、鍋爐及汽機基座)，采用整體或局部樁筏基礎(chǔ)，樁端持力層為第⑩層，樁徑1000 mm，單樁長度約75 m；對于一般建(構(gòu))筑物(如輸煤棧橋、轉(zhuǎn)運站、行政辦公樓等)，采用普通樁承臺基礎(chǔ)，樁端持力層為第⑧層，直徑600 mm的PHC管樁，單樁長度約45 m；對于儲煤筒倉、飛灰?guī)?、渣庫等承受較重荷載的構(gòu)筑物，則采用直徑800 mm的PHC管樁，樁端持力層為第⑩層，單樁長度約70m；對于承受輕型荷載的附屬建(構(gòu))筑物，由于其荷載相對較小，采用擴展基礎(chǔ)即可滿足沉降要求。基礎(chǔ)選型見表4所列。

表4 基礎(chǔ)選型

3 沉降計算結(jié)果

根據(jù)地勘報告試驗結(jié)果統(tǒng)計表，壓縮模量Es的計算取值為：對道路和普通建筑基礎(chǔ)取e1～e2(p=100～200 kPa)；對煤場區(qū)域取e2～e4(p=200～400 kPa)。見表5、表6所列。

表5 道路和普通建筑地基土體壓縮模量

表6 煤場區(qū)域地基土體壓縮模量

取Es1-2=2.5 MPa，Es2-4=3.5 MPa，根據(jù)工程經(jīng)驗和土力學(xué)研究，采用真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法后，2～4層固結(jié)度可達95%以上，其壓縮模量可達原條件下土體壓縮模量的5～10倍。 預(yù)壓后，根據(jù)現(xiàn)場地勘成果，模量較初始值增加5倍以上，本次模量計算取值為：Er1-2=12.5 MPa，Er2-4=17.5 MPa。

廠區(qū)各區(qū)域基礎(chǔ)沉降計算結(jié)果見表7所列。

表7 基礎(chǔ)沉降計算結(jié)果mm

由表7可知，采用真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法處理后，對廠區(qū)各建(構(gòu))筑物分別按各自基礎(chǔ)型式進行沉降計算，得到的基礎(chǔ)沉降計算結(jié)果可滿足項目關(guān)于沉降的相關(guān)要求。

為更直觀表現(xiàn)采用真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法進行地基處理的效果，進一步構(gòu)建數(shù)值模型對該工程廠區(qū)土體地基處理前后沉降情況進行模擬。COMSOL Multiphysics 是一款以求解偏微分方程來實現(xiàn)真實物理場模擬的大型有限元數(shù)值仿真軟件，在土木工程、 巖土工程以及建筑工程行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，操作界面方便，功能強大[8]，因此本文選擇COMSOL Multiphysics 對該工程軟土層地基處理進行數(shù)值模擬。

模型平面幾何參數(shù)設(shè)置為100 m×30 m，即模擬長100 m，埋深30 m范圍內(nèi)軟土沉降，模型頂部為自由邊界，兩側(cè)采用輥支撐，底部采用固定端進行約束。樁基集中布置在20～80 m范圍內(nèi)，以減少模型兩側(cè)約束對實驗的影響。根據(jù)工程經(jīng)驗和現(xiàn)場勘察資料，并保證驗算收斂，地基處理前土體壓縮模量取5 MPa，內(nèi)聚力及摩擦角分別取33 kPa及21°；地基處理后土體壓縮模量取20 MPa，內(nèi)聚力及摩擦角分別取110 kPa及31°。模擬結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 地基處理前沉降模擬圖

圖3 地基處理前土體塑性變形模擬圖

圖4 地基處理后沉降模擬圖

從模擬結(jié)果可以看出，地基處理前場地條件非常差，主要為填土和淤泥質(zhì)土等，土層壓縮模量很小，最大沉降值可達0.6 m，塑性變形區(qū)域主要集中在表層5 m范圍內(nèi)。而進行地基處理后，土體均未產(chǎn)生有效塑性應(yīng)變，且沉降量控制在20 mm以內(nèi)，可滿足規(guī)范規(guī)定要求，說明采用真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法處理后對沉降進行了有效控制。相比理論計算，數(shù)值模擬地基處理后沉降結(jié)果偏小，這是因為模型中土體壓縮模量較實際值略大，故沉降量更小。

4 結(jié)論

1)真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法適用于高飽和、厚軟土地區(qū)，具有工期短，省投資的優(yōu)點；可有效提高軟土地基承載力和壓縮模量；同時，無需大量取土及堆土，具有較好的環(huán)保效應(yīng)。

2)地基處理后，地基承載力和壓縮模量得到有效提高，可根據(jù)建(構(gòu))筑物的重要性及荷載進行差異化基礎(chǔ)選型，最大限度地利用處理后的地基強度。計算表明，重要區(qū)域、一般區(qū)域及輕型荷載區(qū)域分別采用整體樁筏、局部樁筏、普通樁承臺基礎(chǔ)和擴展淺基礎(chǔ)，可滿足項目合同對于廠區(qū)建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)沉降的嚴格要求。