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閱讀 7906 次 蘭州高階地濕陷性黃土特征與地基處理

摘要:本文重點介紹了蘭州高階地巖土工程條件、黃土室內試驗及現場試驗成果,獲得了正確的黃土濕陷性評價結論。針對建(構)筑物特點與地層的分布特征,工程中采用了灌注樁、鉆孔擠密樁復合地基、灰土墊層等多種地基基礎方案。...
 
蘭州高階地濕陷性黃土特征與地基處理
 
劉志偉
(西北電力設計院,西安 710032)
Collapsible loess characteristics and ground treatment of Ⅳ terrace in Lanzhou
Liu Zhiwei
(Northwest Electric Power Design Institute  xi’ an  710032)
 
    Abstract: This paper mainly introduced geotechnical engineering condition, loess laboratory test and in-situ pit test result of Ⅳterrace in Lanzhou, obtained right conclusion of loess collapsibility evaluation in this site. In allusion to characteristics of buildings and stratum distribution, several foundation and ground treatment methods were used, such as pile foundation, pre-bored compaction lime-soil piles (Down-hole dynamic compaction method) and lime-soil replacement method etc.
    Key words: collapsible loess; laboratory test; in-situ pit test; ground treatment
 
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東南約5.0km的范家坪村,一期裝機容量2×300MW,以蘭州市提供的中水為水源。蘭州市在中國濕陷性黃土工程地質分區中為Ⅰ區(隴西地區),自重濕陷性黃土分布廣,濕陷性黃土厚度大,地基濕陷等級高,濕陷性敏感。廠區所處地貌單元為黃河右(南)岸Ⅳ級階地,地形較開闊,階面寬度約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1596.0~1611.3m。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。根據《濕陷性黃土地區建筑規范》(GB 50025-2004)中對地基處理的有關規定,電廠重要建筑物應消除地基的全部濕陷性量或采用樁基礎穿透全部濕陷性土層。通過各階段場地巖土工程勘察,在查明廠區地層分布規律與特征基礎上,認為黃土濕陷特性是本工程的主要技術問題,采用室內試驗和現場試坑浸水試驗相結合的方法,取得了客觀正確的結論。在地基基礎方案選擇中根據建(構)筑物特點與地層的分布特征,工程中采用了灌注樁、鉆孔擠密樁復合地基、灰土墊層等多種方案。
 
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:
 
    ②層黃土狀粉土:褐黃色,稍濕~濕,稍密;土質均勻,結構較疏松,可見大孔隙及蟲孔,垂直節理發育,局部夾有卵石和細砂透鏡體。該層在廠區廣泛分布,厚度變化較大。一般厚度9.3~31.0m,平均厚度19.6m。
 
    ③層卵石:稍濕,中密,以石英砂巖為主,多呈亞圓形、片狀,一般粒徑為20~100mm,最大180mm,充填良好,充填物為中粗砂及粘性土,占11.8%~23.7%;混多量漂石,最大粒徑500mm,該層中夾有黃土狀粉土、粗砂和細砂薄層;此層厚度變化較大,局部地段缺失,層厚一般在2.0~22.8m之間,平均厚度10.0m。
 
    ④層黃土狀粉土:褐黃色~深褐色,濕,中密;土質較均勻,局部粘粒含量較高而且混有少量的礫砂顆粒,見有水平層理,局部見粉細砂、粉土互層,夾有細砂、粗砂及礫砂薄層透鏡體。該層分布不均勻,層厚一般在1.0~14.3m,平均值為5.8m。
 
    ⑤層卵石:密實,以火成巖為主,石英巖次之,偶見沉積巖,磨圓較好,多呈亞圓形,分選性較好,一般粒徑為30~100mm,最大180mm,混有漂石,最大粒徑230mm,充填物以中粗砂為主;該層中夾有細砂薄層,見水平和斜層理,略有膠結。
 
    廠區地層剖面見圖1,②和④層黃土狀粉土物理力學性質指標見表1。
表1 土層物理力學性質指標
指標項
范圍值
平均值
范圍值
平均值
天然含水量
ω/%
4.9~17.2
9.6
11.7~23.6
16.0
重力密度
γ/kN/m3
12.8~17.9
14.7
15.9~20.3
17.4
天然孔隙比/e
0.698~1.245
1.016
0.571~0.908
0.806
飽和度Sr/%
15.5~42.4
26.0
35.2~87.9
55.5
液限ωL/%
25.1~27.9
26.4
25.0~29.2
26.8
塑限ωP/%
16.9~19.4
18.0
16.5~19.1
18.0
塑性指數/IP
7.4~10.0
8.5
7.5~10.8
8.8
凝聚力c /kPa
7.8~29.2
16.6
12.9~33.7
20.4
內摩擦角φ
21.1~32.6
27.3
23.1~31.1
27.5
壓縮系數
a1-2 /MPa-1
0.10~0.72
0.21
0.07~0.17
0.10
壓縮模量
Es1-2/MPa
3.0~19.4
11.9
10.6~25.9
18.1
濕陷起始壓力
Psh /kPa
5.0~427.0
110.0
452.9~>1000
 
濕陷系數/δs
0.010~0.157
0.048
0.001~0.021
0.009
自重濕陷系數
/δzs
0.003~0.100
0.028
0.002~0.012
0.007
    場地地下水位埋藏深度大于60m。
 
3、場地黃土濕陷性評價
    3.1  室內土工試驗評價
    勘察過程中,重點是查明廠區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共布置探井7個,探井深度在25.8~48.0m,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、評價要求。標準壓力下濕陷量計算見表2。
表2     探井濕陷量計算結果
勘探點
總濕陷量
△z /mm
自重濕陷量
△zs /mm
濕陷下限
/m
濕陷類型、等級
J25
931.3
637.2
15.6
自重、Ⅳ級
J29
1277.8
1366.1
29.8
自重、Ⅳ級
J35
920.6
722.5
25.5
自重、Ⅳ級
J37
770.6
409.2
23.6
自重、Ⅳ級
J42
1153.3
1144.9
25.5
自重、Ⅳ級
J06
594.3
163.2
14.6
自重、Ⅱ級
J04
1387.7
1395.8
25.3
自重、Ⅳ級
 
    室內土工試驗表明,具有自重濕陷性的地基土層為②層,濕陷下限位于②層的底部;在無③層的場地地基土中,④層頂部的地基土具有濕陷性,濕陷下限深度達30m;在常規壓力下(10m深度以下,采用飽和自重壓力),④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%),④層地基土具有輕微的濕陷性。
 
3.2  現場試坑浸水試驗
    現場浸水試驗設計試坑坑深0.5m,坑底面積 30 m×20 m。根據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。
    坑內淺標點現場實測黃土濕陷量與室內土樣試驗結果(未考慮地區土質差異系數)見表3,其中室內試驗數據根據施工圖勘察結果,選擇靠近試驗區的J326、J328和J344號探井土樣結果,現場浸水試驗選擇Q29和Q30兩個淺標結果。
表3   現場實測黃土濕陷量與室內土樣試驗結果
現場實測濕陷量/mm
Q29
Q30
143.6
145.1
室內試驗結果/mm
J326
J328
J344
J326
J328
J344
187.3
116.7
97.3
187.3
116.7
97.3
實測值∕室內值
0.77
1.23
1.48
0.77
1.24
1.49
    從表3數據可以看出,沉降量比值在0.77~1.49之間。考慮到一般濕陷量受試坑面積小的影響,以及浸水水源問題造成浸水量、浸水時間不足,而且浸水不連續引起土體結構變化從而影響到濕陷量發展,因此該工程場地因地區土質而異的修正系數β0采用規范值1.5。
 
    試驗區復查孔揭示的地層可知,該區②層黃土狀粉土的厚度為13.5~14.3m。根據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。根據各深標的實測情況,判定試驗區黃土層的自重濕陷下限為12m左右,結果與室內實驗結論②層底部13.5m~14.3m相差不大。
 
4、地基基礎方案
    (1)灌注樁
    廠區主廠房、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③層卵石連續分布且達到一定厚度的區域,選擇③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Φ=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③層卵石厚度相關性較大,見表4。
表4   人工挖孔擴底灌注樁試驗結果
樁編號
樁長/m
持力層厚度/m
單樁承載力特征值/kN
A1
15.90
3.3
3000
A2
15.70
4.0
3500
A3
15.70
4.8
4500
    各層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:
    ②層黃土極限負摩阻力標準值: qsik=-45kPa(實測中性點深度比0.5);
    ②層黃土極限側摩阻力標準值:qsik=90kPa;
    ③層卵石極限側摩阻力標準值:qsik=160kPa;
    ③層卵石極限端阻力標準值:qpik=3400kPa。
    在③層卵石層分布不連續或缺失的區域,采用⑤層卵石作為樁端持力層(長樁方案)。當選擇⑤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⑤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。
 
    (2)鉆孔擠密樁復合地基
    廠區冷卻塔及輔助、附屬建(構)筑物,采用鉆孔擠密樁復合地基(DDC工法)具有一定的經濟、技術優勢。
 
    本工程進行了鉆孔擠密樁復合地基試驗工作,試驗樁間距分為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,根據試驗區地層確定樁長13.2~15.1m。
 
    表5、表6為兩種樁間距復合地基載荷試驗結果,可以看出,1.0m樁間距和1.2m樁間距區天然狀態復合地基承載力特征值均大于300kPa,浸水試驗復合地基1.0m樁間距區平均值為290kPa,1.2m樁間距區平均值為265kPa。
表5  1.0m樁間距區載荷試驗結果
試 點
編 號
極限荷載
/kPa
承載力特征值/kPa
對應沉降量/mm
變形模量/MPa
fh01
>900
310
6.3
37.1
fh02
(浸水)
>700
260
8.4
23.4
fh03
(浸水)
>700
320
8.4
28.8
 
表6  1.2m樁間距區載荷試驗結果
試 點
編 號
極限荷載
/kPa
承載力特征值/kPa
對應沉降量/mm
變形模量/MPa
FH01
>700
400
6.18
57.3
FH02
(浸水)
700
290
10.08
26.1
FH03
(浸水)
>700
240
10.08
21.6
    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間距總沉降量要大。根據室內土工試驗資料,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。
 
    (3)灰土墊層
    對于丙類及以下建筑物,可采用控制剩余濕陷量和換填厚度控制的設計原則,采用灰土墊層換填處理。煤場及煤場以北等地段建筑物區域,因濕陷性土層厚度相對較薄,可采用灰土墊層方案進行換填處理。
 
5、 結  論
    (1)蘭州Ⅳ級階地黃土狀粉土濕陷性強,地基濕陷等級高,濕陷性敏感。室內試驗和現場試坑浸水試驗分析評價表明,工程場地因地區土質而異的修正系數β0采用規范值1.5是合理和正確的。
 
    (2)荷載大的重要建筑物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。當上部卵石層連續性好且厚度達到4m以上時可作為樁端持力層,卵石層極限端阻力標準值qpik=3400kPa,②層黃土狀粉土極限負摩阻力標準值qsik=-45kPa, 實測中性點深度比0.5。
 
    (3)鉆孔擠密樁復合地基(DDC工法)可用于冷卻塔及輔助、附屬建(構)筑物的地基處理,1.0m樁間距較適合本場地地層條件。
 
參考文獻:
    [1]劉志偉,申汝濤. 鉆孔擠密樁處理強濕陷性黃土地基試驗研究[J].巖土力學,2009,30(增刊2):339-343.
    [2]中華人民共和國國家發展和改革委員會.DL/T5024-2005.電力工程地基處理技術規程[S].北京: 中國電力出版社,2005.
    [3]陜西省計劃委員會.GB50025-2004.濕陷性黃土地區建筑規范[S].北京: 中國建筑工業出版社,2004.
    [4]中國建筑科學研究院. JGJ79-2002建筑地基處理技術規范[S]. 北京: 中國建筑工業出版社,2002.
 
 
(本文來源:陜西省土木建筑學會  文徑網絡:文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)
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