刘志伟兰州地区湿陷性黄土工程特性综合评价与地基处理试验研究课件

兰州地区湿陷性黄土工程特性综合评 价与地基处理试验研究 西北电力设计院 刘志2010年12月11日 重庆 1 汇报内容 n1 火力发电厂主要特点 n2 湿陷性黄土区的发电厂建筑物分类 n3 兰州高阶地湿陷性黄土特征与地基处理 n4 兰铝自备电厂湿陷性黄土特征与地基处理 n5 兰州级阶地湿陷性黄土特征与地基处理 2 1 火力发电厂主要特点 n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 n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 。 n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。 4 2 湿陷性黄土区的发电厂建筑物分类 5 3 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2300MW。厂区所 处地貌单元为黄河右（南）岸级阶地，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1596.01611.3m。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。 6 3.2 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。 层黄土状粉土 层卵石 层黄土状粉土 层卵石 7 3.3 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25.848.0m， 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 层，湿陷下限位于层的底部；在无层的场地地基土中 ，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）， 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），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、级 J291277.81366.129.8自重、级 J35920.6722.525.5自重、级 J37770.6409.223.6自重、级 J421153.31144.925.5自重、级 J06594.3163.214.6自重、级 J04 1387.71395.8 25.3自重、级 3.4 现场试坑浸水试验 n现场浸水试验设计试坑坑深0.5m，坑底面积 30 m20 m 。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。 n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。 10 11 12 现场实测湿 陷量/mm Q29Q30 143.6145.1 室内试验结 果/mm J326J328J344J326J328J344 187.3116.797.3187.3116.797.3 实测值室 内值 0.771.231.480.771.241.49 现场实测现场实测 黄土湿陷量与室内土样试验结样试验结 果 n试验区复查孔揭示的地层可知，该区层黄土状粉土的厚 度为13.514.3m。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 层底部13.5m14.3m相差不大。 13 3.5 地基基础方案 n（1）灌注桩 n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。 n在层卵石连续分布且达到一定厚度的区域，选择层卵 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=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 载力特征值与层卵石厚度相关性较大，见下表。 14 15 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/kN A115.903.33000 A215.704.03500 A315.704.84500 桩身浸水期轴力、侧摩阻力 17 桩身加载期轴力、侧摩阻力 18 n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： n层黄土极限负摩阻力标准值： qsik-45kPa（实测中性点深度比0.5 ）； n层黄土极限侧摩阻力标准值：qsik90kPa； n层卵石极限侧摩阻力标准值：qsik160kPa； n层卵石极限端阻力标准值：qpik3400kPa。 n在层卵石层分布不连续或缺失的区域，采用层卵石作为桩端持力 层(长桩方案)。当选择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） n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13.215.1m。 n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。 20 1.0m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 /MPa fh019003106.337.1 fh02 （浸水） 7002608.423.4 fh03 （浸水） 7003208.428.8 1.2m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 /MPa FH017004006.1857.3 FH02 （浸水） 70029010.0826.1 FH03 （浸水） 70024010.0821.6 n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。 23 4 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3300MW，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2025m。 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。 24 4.2 场地岩土工程条件 n 黄土状粉土、-1卵石 n 黄土状粉土、-1黄土 状粉土、-2卵石 n中粗砂、-1粉质粘土 n卵石 n泥岩 n场地地下潜水埋深约20 22m。 25 4.3 场地黄土湿陷性评价 n（1）室内土工试验评价 n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(GB 500252004)中的地区土质差异修正系数取0=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zs0.015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 ，级（中 等） A217.2236.3247.5 自重 ，级（中 等） （2）现场试坑浸水试验结果 n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 20 m20 m。 27 n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。 28 试坑内浅标平均日相对沉降量变化曲线 试坑内、外浅标沉降量随时间变化曲线 n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 n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。 30 试坑浸水 4.4 地基基础方案 n（1）灌注桩 n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 层应选择卵石层或泥岩，在桩基设计时应考虑负摩擦 力对桩承载力的影响。 n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，桩端可顺利置于卵石层上，有利 于控制施工质量。 31 n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。 n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。 n本工程最终采用人工挖孔扩底灌注桩。桩径900mm，桩 端扩底1500mm, 层卵石层作为桩端持力层。 32 33 n为了研究黄土湿陷对桩身负摩擦力的影响，在整个桩基试 验过程中，进行应力测试其应力应变变化。A3试桩在无 荷载条件下浸水，浸水随着时间的延长，因黄土的自重湿 陷所引起的对桩身的下拉力（负摩擦力）逐渐显现出来， 3m以上表现出对桩身的正摩擦力，3m以下表现出对桩身 的负摩擦力，在28天后桩身截面17.5m处达2000kN。A2 试桩在桩顶恒载5000kN下浸水，最大负摩擦力比桩顶无 荷载情况略小，截面上移至15m左右，随浸水时间的增加 及桩身负摩擦力的影响，桩顶累计沉降为12.57mm。 n试验确定黄土极限负摩阻力标准值取-40kPa，-1黄土 极限负摩阻力标准值取-20kPa。 34 35 A3试桩浸水期桩身轴力图 A1 A2 A3 单桩竖向抗压静载荷试验曲线 （2）钻孔挤密桩复合地基（DDC工法） n桩间距分别为1.20m、1.40m，正三角形布置。成孔孔径 400mm，成桩桩径600mm。桩体材料采用2：8灰土。 n经钻孔挤密桩复合地基试验各项检测成果的综合分析， 1.20m桩间距及1.40m桩间距复合地基桩间土的湿陷性均 已消除，从技术可行、经济合理的角度出发，建议设计布 桩采用1.40m桩间距。复合地基承载力特征值按240kPa 取用。 36 5 兰州级阶地湿陷性黄土特征与地基处理 n5.1 工程概况 n国电兰州热电有限责任公司“上大压小”热电联产（ 2300MW级）工程位于兰州市城关区。 场地位于兰州第二热电厂的东侧，地形略有起伏，总体趋 势南高北低，地面标高为1527.351534.20m，场地内有 零星建筑物，局部有垃圾坑。地貌单元属黄河南岸级阶 地后缘，最初为农田，后为第二热电厂扩建预留地。 37 38 5.2 场地岩土工程条件 n填土 n黄土状粉土 n-1黄土状粉土（饱和） n粉细砂 n卵石 n砂岩 n地下水位埋深为 15.319.5m，水位标高为 1512.381514.0m。 39 5.3 场地黄土湿陷性评价 n厂区湿陷性土层为层黄土状粉土，该层土分布于场地地 基土的上部，按湿陷性黄土地区建筑规范(GB50025 2004) 评价，本场地属自重湿陷性黄土场地，湿陷等级 为(中等)(很严重)，见下表。 40 序号 探井 编号 湿陷下限 深度 （m） 湿陷下限 标高 （m） 自重 湿陷量 zs(mm) 湿陷量 s(mm) 湿陷 类型 湿陷 等级 1KJ00111.31516.2659297非自重（轻微） 2KJ00313.81513.55380772自重(很严重) 3KJ0046.31522.1847331非自