真空-堆载联合预压法在火力发电厂煤场地基处理中的应用.doc

真空-堆载联合预压法在火力发电厂煤场地基处理中的应用 近年来，电力建设迅速发展，沿江、沿海地区水网发达，地下分布着大量近代沉积的软粘土层，这种软粘土层具有含水量高、强度低、压缩性大、渗透性差，并具有明显的流变性等特点。在这种软土地基上修建电厂各种建筑物，特别是煤场，采用有效的加固措施是必要的，否则，会在堆煤过程中出现地基失稳和工后沉降过大等工程问题。目前，常用的软基加固方法主要有堆载预压法、水泥土搅拌桩复合地基法等等，然而大量的工程实例表明，上述常规处理方法有着明显的不足之处：堆载预压法加固工期长，为保证安全堆载速率难以控制；水泥土搅拌桩复合地基法加固深度浅，施工工艺和技术复杂等。真空-堆载联合预压法是近年来引进发展的一种软基加固方法，它具有明显的提高加荷速率、缩短工期、工后沉降小等优点。基于上述优点，真空-堆载联合预压法已广泛应用于高速公路、大型油罐堆场、港口机场等建筑物的软基加固工程中，并取得了良好的效果，但在煤场地基处理中的应用还比较少，本文结合某大型电厂煤场真空-堆载联合预压实例，对真空-堆载联合预压的加固机理进行了讨论，并分析了真空-堆载联合预压法在解决软基加固问题中的优势。1 加固机理真空预压是在外荷不变的情况下，通过抽真空对加固区施加以流体压力，它作用于砂垫层和竖向排水体内的孔隙流体上，在短时间内砂垫层和竖向排水体内的孔隙水压力迅速降低并排出水和气，这样在土体内与作为边界的竖向排水体和砂垫层间形成孔压差，土体中的孔隙水在压差的作用下排出，根据太沙基的有效应力原理，在总应力基本不变的情况下，孔压的降低即为有效应力的增加值，从而使土体逐渐固结，强度增大；堆载预压法的加固机理是当饱和软土堆载时，地基土由于荷载作用而产生的附加应力全部由孔隙水承担，而有效应力不变;随着时间的推移，孔隙水压力逐渐消散，最终全部转化为有效力，从而使土固结，强度增长。真空-堆载联合预压法具有真空预压和堆载预压的双重效果，通过抽真空与堆载使土体中产生水压力差，使土体中的孔隙水排出，土体固结，达到加固的目的1-4。2 工程概况某电厂一期建设21000MW机组，其中一期煤场建一个120110m2干煤棚，根据地质勘查报告，主要土层分布为：填土：主要为吹填砂，层厚一般为1.77m；1粘土：层厚一般为1.48m；2粉质粘土与粉土互层：流塑软塑，层厚一般为2.97m；淤泥质粉质粘土：流塑，局部夹粉质粘土、粉土及粉砂，层厚一般为7.00m；2粉质粘土与粉土互层：层厚一般为6.15m；粉砂：层厚一般为8.87m；1粉质粘土：层厚一般为8.89；1粉砂：层厚一般为9.36m；2粉细砂：层厚一般为8.59m，其地层变化较为复杂。煤场浅部地层为饱和软粘性土，即2和为主的淤泥质土，这些土层抗剪强度低、压缩性高，对于煤场而言，在12.0m高煤载作用下会产生较大的沉降变形，造成底脚煤浪费，地基甚至会滑动破坏，使斗轮机、干煤棚基础的变形，影响煤场的正常运行，因此须对煤场地基作分析研究并进行必要的处理。加固区典型的地质剖面如图1所示。设计采用真空-堆载联合预压对一期煤场干煤棚进行地基处理，实际处理面积为150140m2，上部设置400mm厚的砂垫层，塑料排水板施插深度为15m，间距为1.1m，设计荷载为抽真空达到80kPa后再堆载60kPa。图1 加固区典型的工程地质剖面图Fig 1 Typical geological section of strengthening region3 施工概况整个工程的施工工艺流程：施工准备工作测量定位放线平整场地打塑料排水板埋设监测仪器回填中粗砂布置真空管场地摊平埋设仪器开挖密封沟铺土工布，真空膜抽真空堆载预压监测卸载。在所有前期工作完成以后，2005年10月10日开始试抽真空，在抽真空过程前期，由于密封沟局部较大范围存在沟、塘，其中的回填砂厚度较厚（最大厚度达45m），导致密封效果欠佳，真空度上升至50 kPa后就停滞不前。后采用高压注射粘土浆的处理方式对密封沟进行密封处理，在一次注浆后又在密封沟靠外面一侧进行二次注浆，从而在密封沟处形成两道粘土密封墙作为止水帷幕，密封墙渗透系数10-6cm/s，后经实践证明效果比较理想。在注浆的同时将真空泵数量由原来的18台增加至36台，每个主真空管连接一套水气分离系统，该系统由一台擅长抽水的射流泵和一台擅长抽气的水环泵组成，有效的解决了因水量大以及局部密封不好而抽真空效果不理想的问题，10月28日膜下真空度达到70 kPa，11月14日膜下真空度达到设计要求80kPa，此后真空度一直稳定在80kPa左右。2005年10月22日正式开始堆土，并于11月25日结束土方堆载，由于场地土源丰富，实际堆土高度达到4m，即堆土荷载达到70 kPa，总荷载达到150 kPa，超载25%。1月23日停止抽真空，真空预压正式结束。4 现场监测及成果分析为了检验真空-堆载联合预压法加固软基的效果，判别地基稳定与否，进一步研究真空-堆载联合预压法加固机理，在加固区内埋设了大量现场监测仪器：真空表、剖面沉降管、 孔隙水压力计、测斜管、地面沉降标等。4.1 剖面沉降采用剖面沉降仪观测，观测结果表明，剖面沉降曲线均呈弧形的锅底状，中间沉降量大，两头沉降小，且西部沉降量相对比东侧沉降量偏小。出现这个现象有三个原因，一是因为在真空预压区边缘真空度会向外部消散，其加固效果必然不如中部；二是因为堆载区中部应力比较集中，附加应力系数比边缘要大的多，所以中部沉降必然会比边缘大，符合正常堆载应力分布特征；三是因为西侧堆土时间比较迟，在真空预压阶段土体已经得到了较好的加固，产生了一定的固结，故虽然堆载同样高度的荷载，但最终沉降量必然没有先堆载的东侧和中部大。加载前期地表沉降速率较大，最大为54mm/天，以后进入缓慢沉降期。剖面最大沉降位于剖面线的中间位置，监测期间最大沉降为730mm左右，整个剖面与地面沉降标所测得沉降非常吻合。停抽真空前最后12天累计沉降11mm，满足卸载标准，停止抽真空后略有回弹，但幅度很小，沉降已非常稳定。剖面沉降曲线见图2。图2 剖面沉降曲线Fig 2 section plane settlement curve4.2 地面沉降地表沉降是固结程度、加固效果和地基强度的重要判别依据，本次共布置9只地面沉降标，均匀分布在处理场地内，可以精确反应在目前荷载应力分布状态下各点沉降情况。监测结果表明，在抽真空及堆载初期曲线较陡，地表沉降速率较大，最大为54mm/天，而最后趋于平缓，随时间的延长，沉降速率逐渐变缓，说明土体主固结变化速率是一个渐变收敛的过程。9个沉降标至1月14日最后10天一般沉降仅23mm，最大一个点沉降为7mm，沉降速率均很小，平均小于1mm/d，沉降已经非常稳定，具备停抽真空条件。1月23日停抽真空后，部分沉降标略有回弹，但幅度很小，截至2月26日结束监测工作前，最大回弹量为5mm，其余沉降标继续沉降，但速率很小，最大不超过0.5mm/d，说明整个处理区域固结沉降已基本稳定。截至2月26日，场地中心处沉降标D5实测沉降量最大，为730mm；而其余7个沉降标实测沉降量比较接近，平均值为518mm。典型地面沉降标沉降-时间曲线见图3。图3 典型地面沉降标沉降-时间曲线Fig 3 typical surface settlement curve各沉降标固结度可由实测沉降量与最终沉降量对比求得，在沉降时间曲线上选取三个等间隔的时间t1、t2、t3及其对应的沉降量s1、s2、s3，根据经验公式可推求地基最终固结沉降量。本次选择11月25日满载至1月14以前时间间隔都为15天的三点（t1为12月7日、t2为12月22日、t3为1月7日），各点计算结果见表1。计算表明，至1月14日，大部分监测点的固结度已经超过85%，个别固结不足的点也已达到80%左右，平均固结度为88.7%，至1月26日，各监测点固结度均有所增长，但幅度很小，平均固结度为90.9%，实测地基土平均固结度与计算地基土平均固结度比较接近。计算结果还表明，自1月7日到14日一周时间内，固结度平均提高不到0.5%，自1月14日至2月26日的55天内，固结度固结度平均仅提高1.7%，说明地基土沉降已经非常稳定，加固效果明显。4.3 深层水平位移观测结果表明，在真空预压阶段，测斜管表现为向加固区内的水平位移，且在抽真空前期速率较大，随后呈收敛趋势变化，这种向内的水平位移会约束竖向沉降的发展，并且提高堆载的稳定性；在真空-堆载联合预压阶段，伴随堆载各测斜管向内位移速率减小，或者相对前次量测发生向外的挤出位移，一般在堆载12天达到最大值，此后，总体位移趋势为向内。在整个真空-堆载联合预压过程中，直至1月14日停止抽真空前，所有4根测斜管均未发生绝对的向外挤出位移。停止抽真空后所有4根测斜管均发生相对前次观测向外侧的侧向位移，但整体幅度不大，最大不超过5mm，可见经过真空-堆载联合预压后，深层土体侧向位移已经趋于稳定。出现上述现象主要是因为真空预压是在加固过程中是通过降低孔隙水压力来达到增加有效应力的目的，而孔隙水压力是各向等压的球应力，也即真空预压加固过程中增加的是球应力，从而造成加固区内土体向里移动，即土体产生收缩变形，这有别于堆载预压产生的向外挤出变形，这种收缩特性更利于使土体挤密，因而真空预压使地基具有较强的抗滑失稳能力，可以实现连续性加载。典型测斜管水平位移曲线见图4。图4 典型测斜管水平位移曲线Fig 4 typical lateral displacement of inclinometer4.4 孔隙水压力各组孔隙水压力监测结果表明，抽真空后真空度的传递很迅速，抽真空后第一天一般超孔压即超过-10 kPa，最大达到-21 kPa，当抽真空4天后真空度达到40 kPa，超孔压一般达到-16 kPa，最大大到-25 kPa。后来由于注射粘土浆时停泵真空度下降至20 kPa左右，超孔压迅速消散至一般-5 kPa左右，注浆、加泵后真空度大幅上升，超孔压也随即上升至一般-20 kPa，最大超过-37 kPa。10月22日开始堆载后，处于堆载区内的超孔压开始上升，但超孔压上升幅度及速度均比堆载预压情况下要小，加载结束后超孔压恢复较慢，且变化幅度较小，超孔压曲线较为平缓。到1月23日为止，超孔压最大降为-33 kPa左右，一般超孔压约为-10kPa左右，1月23日停止抽真空后超孔压迅速大幅度上升，根据24日观测成果显示，停抽后仅一天超孔压一般就上升20-30 kPa左右。此后超孔压迅速降低，2月13日大部分超孔压基本恢复到停止抽真空之前的水平，且一般均为负值，可见虽然抽真空已经结束了，但其引起的地下水位降低等效应短时间内不会完全恢复，这对于土体的继续固结是相当有益的。总体而言，在真空预压阶段，孔隙水压力逐渐下降并趋于稳定；在填土阶段，加载对应着孔隙水压力的上升；填土堆载终止后，超孔压逐渐降低，但变化速度较为缓慢，停止抽真空后，超孔隙水压力迅速上升，此后逐渐降低，且速度比普通堆载预压要快。典型超孔隙水压力变化曲线见图5。图5 典型超孔隙水压力变化曲线Fig 5 typacal variation of pore-water pressure4.5 加固前后土层物理、力学性质对比为检验地基土加固处理效果，在处理区域分别布置了静探及十字板剪切试验，以对比地基处理前后地基土力学性质变化情况。静探及十字板剪切试验结果显示，浅层土土体强度增长比深层明显，特别是2号土及号土层强度增长较大。其中2号土静探试验的锥尖阻力平均提高达到256%，侧壁摩阻力平均提高达到193%；号土静探试验的锥尖阻力平均提高达到206.4%，侧壁摩阻力平均提高达到196.2%，十字板抗剪强度平均提高达到173.5%；1号土的锥尖阻力和侧壁摩阻力也均有不同程度的提高。静探、十字板试验数据对比情况见表23。表2 处理前后地基土静力触探原位试验对比表Table 2 The result of cone penrtration test for foundation soils before and after strengthening试验编号2号土号土加载预压前加载预压后强度增加率加载预压前加载预压后强度增加率qc(MPa)fs(kPa)qc(MPa)fs(kPa)%qc(MPa)fs(kPa)qc(MPa)fs(kPa)%J10.7716.26-314.3 /235.30.5213.80-192.3 /194.9J1-3.1954.52-1.5240.69J20.6216.93-269.4 /207.40.5912.51-178.0 /198.5J2-2.2952.05-1.6437.34J30.8417.11-184.5 /136.40.4110.43-248.8 /195.1J3-2.3940.441.4330.78表3 号土处理前后地基土十字板原位试验对比表Table 3 The result of vane shear test for layer before and after strengthening十 字 板 原 位 测 试加载预压前加载预压后强度增加率Cu(kPa)Cu(kPa)%15.141.3173.54.6 加固后地基土的强度增长情况以号土层为例计算地基土抗剪强度增长值，一般计算强度增长常用公式为：计算结果表明，目前地基土固结度按85%考虑，号土层十字板抗剪强度为38.8kPa，加固预压结束后原位测试结果表明，实测十字板抗剪强度为41.3 kPa，比加固前的15.1 kP