填海造地地區(qū)火力發(fā)電廠地基處理設(shè)計(jì)

趙春曉

（河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊市，050031）

0 引言

曹妃甸新港工業(yè)區(qū)為依托曹妃甸島向內(nèi)陸填海造地，興建集鋼鐵、電力、化工，加工制造等綜合性的工業(yè)園區(qū)，整個(gè)港區(qū)采用邊吹填、邊開(kāi)發(fā)的模式進(jìn)行建設(shè)。曹妃甸電廠一期工程為園區(qū)內(nèi)開(kāi)工較早的大型項(xiàng)目，廠址位于曹妃甸島西北側(cè)的淺水海域，根據(jù)港區(qū)標(biāo)高規(guī)劃，電廠場(chǎng)地上部形成吹填海砂厚度約為5 m，由于吹填時(shí)間較短（1～2個(gè)月），吹填物為飽和的粉質(zhì)、砂質(zhì)土，欠固結(jié)，其密實(shí)程度很差，強(qiáng)度極低，不具備電廠施工機(jī)械、人員進(jìn)場(chǎng)和材料堆放等施工條件的要求，同時(shí)下層沉積砂土還存在液化的可能，地基承載力較低。為滿足電廠所有建（構(gòu)）筑物地基基礎(chǔ)承載力及變形要求，保證電廠施工和運(yùn)行安全，選擇加固效果好、工期短、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的地基處理方案尤為重要。在臨近場(chǎng)地?zé)o類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)可參考的情況下，通過(guò)詳細(xì)論證和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，并根據(jù)火力發(fā)電廠各建筑物使用要求不同，廠區(qū)綜合采用采用強(qiáng)夯、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁和振沖碎石樁等多種地基處理手段，分步實(shí)施，滿足了不同階段的使用要求。

1 廠址地層概況

廠址地處灤河沖積扇的前部，自新生代以來(lái)，在古老的基底巖石上部堆積了巨厚的松散層，主要是晚更新世（Q3）及全新世（Q4）海相、陸相及海陸交互相沉積層，巖性多為粉砂、細(xì)砂及粘性土層交互沉積，自上而下分為8層，主要特性見(jiàn)表1。

廠址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，抗震設(shè)防烈度為7度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。場(chǎng)地土類(lèi)型為中軟土，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為III類(lèi)。

2 廠區(qū)地基處理方案選擇原則

廠址區(qū)各層地基土在水平及垂直方向上變化不大，層位及厚度相對(duì)穩(wěn)定。①～④層主要以中高壓塑性土層為主，地基強(qiáng)度較差，承載力較低，且第①層松散狀態(tài)的吹填土和③層稍密—中密狀態(tài)的飽和砂土存在有地震液化問(wèn)題；⑤層及以下地層均屬中壓縮性土，工程性能相對(duì)較好，承載力相對(duì)較高。同時(shí)①層吹填土（厚度約5 m）吹填時(shí)間較短（2～3個(gè)月），吹填物為飽和水的粉質(zhì)、砂質(zhì)土，欠固結(jié)，密實(shí)程度很差，強(qiáng)度極低，不具備電廠五通一平和施工場(chǎng)地使用的條件，如果直接作為基樁樁間土，會(huì)對(duì)樁基礎(chǔ)產(chǎn)生負(fù)摩阻力。因此整個(gè)電廠廠區(qū)內(nèi)地基處理方案的選擇原則為：在保證安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的情況下，根據(jù)上部建筑物抗震類(lèi)別和荷載情況采取不同的地基處理方案，分步實(shí)施，主要解決以下問(wèn)題：

表1 各層地基土主要特性指標(biāo)Tab.1 The physical and mechanical properties of various soil layers

（1）首先對(duì)電廠區(qū)域場(chǎng)地整體進(jìn)行預(yù)處理，使①層吹填土固結(jié)、密實(shí)，具備一定強(qiáng)度，滿足電廠施工機(jī)械和人員進(jìn)場(chǎng)、材料堆放等施工要求。

（2）廠區(qū)內(nèi)主廠房、煙囪等上部荷載較大的建筑物，由于其基礎(chǔ)持力層范圍內(nèi)①層吹填土、②層粉質(zhì)粘土及③層細(xì)砂的承載力特征值均很低，天然地基（或表層預(yù)處理之后）不能滿足強(qiáng)度和變形要求，需采用其他人工地基提高地基承載力及壓縮性，同時(shí)消除③層細(xì)砂層的液化。

（3）廠區(qū)其他輔助生產(chǎn)建筑物（包括輸煤系統(tǒng)、除灰系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及燃油系統(tǒng)等）須根據(jù)《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，對(duì)其中的乙類(lèi)和丙類(lèi)建筑物采取必要的地基處理措施，消除下臥液化土層的液化問(wèn)題。

3 廠區(qū)地基處理方案

根據(jù)場(chǎng)地巖土工程地質(zhì)條件及上述地基處理選型原則和要解決的主要問(wèn)題，通過(guò)對(duì)多種方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定整個(gè)廠區(qū)地基處理方案如下：

（1）采用強(qiáng)夯法對(duì)廠區(qū)地面進(jìn)行預(yù)處理，使①層吹填土固結(jié)、密實(shí)、消除其液化，同時(shí)達(dá)到一定的強(qiáng)度。

（2）在對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行預(yù)處理的基礎(chǔ)上，主廠房、集控樓、煙囪及除塵器等爐后建（構(gòu)）筑物地基采用樁身質(zhì)量好、施工質(zhì)量易控制、樁體強(qiáng)度高、施工速度較快的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁進(jìn)行二次處理，以提高下層地基土承載力及壓縮性，同時(shí)消除③層細(xì)砂土液化。

（3）在預(yù)處理已經(jīng)消除液化的①層吹填土基礎(chǔ)上，廠區(qū)其他輔助生產(chǎn)建筑物如灰?guī)臁⑺槊簷C(jī)室、轉(zhuǎn)運(yùn)站、220 kV屋內(nèi)配電裝置、鍋爐補(bǔ)給水處理室等對(duì)承載力要求不是很高的建筑物，采用振沖碎石樁復(fù)合地基進(jìn)行二次處理，以消除③層細(xì)砂土液化，同時(shí)提高相應(yīng)土層承載力。

4 試驗(yàn)結(jié)果及工程應(yīng)用

4.1 強(qiáng)夯法預(yù)處理

由于廠區(qū)吹填后，地下水埋藏較淺（0.6～1.2 m），因此采用“先降水，后強(qiáng)夯”的處理方案對(duì)電廠區(qū)域場(chǎng)地進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試夯和預(yù)期達(dá)到的處理效果確定選用強(qiáng)夯施工參數(shù)如下：

（1）輕型井點(diǎn)降水按5 m間距布置，降水深度達(dá)到3 m以下。

（2）強(qiáng)夯夯擊能級(jí)為3 000 kN·m，夯錘質(zhì)量選擇25 t，落距12 m。

（3）進(jìn)行主夯時(shí)，夯點(diǎn)間距為5 m×5 m，梅花型布點(diǎn)；主夯夯擊2遍，每遍夯擊4～7擊，2遍點(diǎn)夯間歇1天時(shí)間，主夯停錘標(biāo)準(zhǔn)為最后，2擊平均貫入量不大于5 cm。

（4）普夯1遍，普夯搭界1/4錘底面積。

廠區(qū)強(qiáng)夯后地基效果檢測(cè)采用原位測(cè)試與室內(nèi)土工試驗(yàn)相結(jié)合的辦法，進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)44組，靜力觸探240組，標(biāo)貫240組。檢測(cè)結(jié)果表明：強(qiáng)夯有效影響深度為5 m；夯后①層吹填土由原來(lái)的松散—稍密狀態(tài)變?yōu)橹忻軤顟B(tài)，承載力特征值達(dá)到150 kPa；①層吹填土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)值均大于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值，①層土液化消除。

4.2 預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼筋混凝土管樁

根據(jù)土層分部，樁長(zhǎng)選擇以進(jìn)入持力層第⑥層約1.5 m控制，結(jié)合初步估算樁基承載力和上部結(jié)構(gòu)荷載情況，選擇φ600 mm/130 mm高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁進(jìn)行試樁。樁長(zhǎng)42.0 m（從自然地面算起），試驗(yàn)樁4根，間距6.0 m，一字排列；錨樁（反力樁）10根，間距6.0 m，分踞在試驗(yàn)樁兩側(cè)。試驗(yàn)樁和錨樁都采用十字閉口鋼樁尖。試樁施工采用錘擊法沉樁，錘質(zhì)量為8.0 t。預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土原體試驗(yàn)采用單樁豎向靜載荷試驗(yàn)、單樁水平靜載荷試驗(yàn)、低應(yīng)變檢測(cè)、高應(yīng)變檢測(cè)以及孔隙水壓力試驗(yàn)等多種手段檢驗(yàn)樁基基礎(chǔ)效果和監(jiān)測(cè)打樁振動(dòng)對(duì)土中孔隙水壓力變化情況，試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）單樁豎向承載力。選擇試樁T1～T4和錨樁M5、M10共6根樁進(jìn)行單樁豎向靜載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 單樁豎向靜載荷試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.2 The results of the static loading test of a single pile

（2）單樁水平承載力。選擇錨樁M7、M8、M9三根樁進(jìn)行單樁水平靜載荷試驗(yàn)，從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的曲線和卸載回彈率可以得出，3根樁在受500 kN水平力的作用下樁身沒(méi)有折斷，水平位移都超過(guò)40.0 mm。根據(jù)有關(guān)規(guī)范規(guī)定，按最大位移（40.0 mm）對(duì)應(yīng)荷載的前一級(jí)荷載取水平極限承載力，3根試驗(yàn)樁的水平極限承載力都為450 kN，其水平承載力特征值為225 kN。

（3）低應(yīng)變檢測(cè)。在靜載荷試驗(yàn)前、后對(duì)6根靜載試驗(yàn)樁采用反射波法進(jìn)行低應(yīng)變檢測(cè)，利用波在一維桿件中的傳播特性來(lái)進(jìn)行樁身完整性的評(píng)價(jià)。從檢測(cè)的信號(hào)來(lái)看：樁身的完整性較好，在打樁和靜載荷試驗(yàn)過(guò)程都沒(méi)有對(duì)樁身造成損傷，但個(gè)別樁在接樁位置有接樁反射波現(xiàn)象，出現(xiàn)接樁反射波現(xiàn)象是由于在焊接時(shí)只是焊接法蘭盤(pán)外側(cè)的破口，而上下節(jié)樁法蘭盤(pán)中間是存在縫隙的。

通過(guò)低應(yīng)變檢測(cè)可以得出：（1）預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼筋混凝土管樁在本工程中的應(yīng)用是可行的，成樁后的樁身質(zhì)量完好；（2）在以后的施工中應(yīng)特別注意接樁工作，必要時(shí)可采用其他接樁手段。

（4）高應(yīng)變檢測(cè)。采用Case法和CAPWAPC（CAse Pile Wave Analasys Progrem Calculation）曲線擬合法對(duì)4根試樁（T1～T4）進(jìn)行高應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試資料分析。對(duì)高應(yīng)變初打、高應(yīng)變復(fù)打、不同入土深度的測(cè)試采用Case法分析計(jì)算，同時(shí)對(duì)高應(yīng)變復(fù)打采用CAPWAPC曲線擬合法計(jì)算，并根據(jù)初打檢測(cè)和復(fù)打檢測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)比得出承載力恢復(fù)系數(shù)，詳見(jiàn)表3。表3中：（1）承載力平均恢復(fù)系數(shù)（土阻力恢復(fù)系數(shù)）為1.78，推薦土阻力恢復(fù)系數(shù)取1.7；（2）通過(guò)對(duì)6根樁的樁端土阻力和樁側(cè)土阻力的分析，樁周土阻力占總土阻力比例的平均值為77.5%；（3）高應(yīng)變復(fù)打所得42.0 m樁長(zhǎng)，單樁極限承載力平均值為5 524 kN。

表3 高應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試承載力恢復(fù)系數(shù)Tab.3 The restitution coefficient of the bearing capacity by high strain dynamic testing

通過(guò)CAPWAPC分析計(jì)算，得出各土層樁的極限側(cè)摩阻力和極限端阻力，如表4。

表4 各土層樁的極限側(cè)摩阻力和極限端阻力Tab.4 The ultimate shaft resistance and tip resistance of the pile in the soil

（5）動(dòng)靜對(duì)比。利用高應(yīng)變CAPWAPC法的擬合所得的P-S曲線與單樁豎向靜載荷試驗(yàn)的P-S曲線進(jìn)行對(duì)比（由于本次靜載荷試驗(yàn)沒(méi)有進(jìn)行到破壞，因而在進(jìn)行動(dòng)靜對(duì)比時(shí)使用設(shè)計(jì)極限承載力下的沉降來(lái)進(jìn)行對(duì)比），6根樁在設(shè)計(jì)極限承載力下沉降的相對(duì)誤差為4.9%～20.0%，都滿足“PDA動(dòng)力試樁與靜載荷試驗(yàn)相比其誤差一般在20%之內(nèi)”的要求，因此，高應(yīng)變檢測(cè)在本工程是一種近似于靜載荷試驗(yàn)精度的一種方法，在以后的工程樁檢測(cè)時(shí)可用高應(yīng)變檢測(cè)來(lái)代替靜載荷試驗(yàn)確定單樁極限承載力。

4.3 振沖碎石樁復(fù)合地基

振沖碎石樁樁長(zhǎng)確定以穿透③層液化土層，進(jìn)入④-1粉質(zhì)粘土不小于1.0 m為原則。根據(jù)初步估算結(jié)構(gòu)，確定試樁施工參數(shù)如下：

（1）布樁方式采用正三角形布置，樁間距2.4 m，設(shè)計(jì)樁徑1.1 m。

（2）振沖器功率為75 kW；造孔水壓0.4～0.5 MPa，制樁水壓0.2～0.4 MPa；振密電流大于85～90 A；加密段長(zhǎng)度30 cm。

（3）留振時(shí)間不小于15 s，樁頭部分適當(dāng)延長(zhǎng)；每根樁振密時(shí)間不小于50 min。

（4）試驗(yàn)點(diǎn)靜載荷試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

從以上載荷試驗(yàn)結(jié)果可以看出：經(jīng)振沖加固后，地基土強(qiáng)度有明顯的提高，地基承載力由強(qiáng)夯后的150 kPa提高到488 kPa；通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢驗(yàn)，③-1層飽和粉細(xì)砂液化現(xiàn)象消除，說(shuō)明在本工程中采用振沖碎石樁對(duì)地基進(jìn)行加固處理是可行的。

表5 碎石樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 The results of the static loading test of the compound vibro-replacement stone piled foundation

按單樁、樁間土載荷試驗(yàn)計(jì)算得復(fù)合地基承載特征值為509 kPa，比實(shí)際試驗(yàn)平均值460 kPa偏大，因此單樁復(fù)合地基承載力特征值按試驗(yàn)確定是安全可靠的。其中樁間土載荷試驗(yàn)承載力平均值488 kPa大于單樁復(fù)合地基承載力特征值460 kPa，分析原因是由于樁間土試驗(yàn)所影響深度為經(jīng)過(guò)強(qiáng)夯振沖加固的①層吹填土，強(qiáng)度較高，而復(fù)合地基試驗(yàn)已影響到下伏較軟的②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。

5 評(píng)價(jià)及建議

（1）通過(guò)強(qiáng)夯實(shí)驗(yàn)和工程成功運(yùn)用可以證明，對(duì)于填海造地地區(qū)表層松散、欠固結(jié)的吹填土采用強(qiáng)夯法進(jìn)行加固處理效果顯著。吹填土被密實(shí)、固結(jié)、消除液化的同時(shí)，承載力特征值由50 kPa提高到150 kPa，不僅能滿足電廠施工機(jī)械和人員進(jìn)場(chǎng)、材料堆放等施工場(chǎng)地的要求，同時(shí)強(qiáng)夯預(yù)處理后的地基可直接作為廠區(qū)道路、溝道、圍墻、儲(chǔ)煤場(chǎng)等構(gòu)筑物持力層使用。

（2）對(duì)于類(lèi)似本工程場(chǎng)地地基上的主廠房、煙囪等荷重較大、沉降要求較嚴(yán)的電廠主要建筑物采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼筋混凝土管樁是可行的，并且通過(guò)原體試驗(yàn)研究，為類(lèi)似地層工程樁施工和檢測(cè)提供了合理的參考手段，施工建議如下：

1）類(lèi)似工程樁基采用φ600/130 mm預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼筋混凝土管樁時(shí)，建議施工采用D80的筒式柴油打樁錘，錘質(zhì)量8.0 t。如采用導(dǎo)桿式柴油錘，從保證打樁質(zhì)量及能量角度看，錘重宜適當(dāng)提高。

2）施工時(shí)宜用水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀隨時(shí)檢測(cè)垂直度，將樁的傾斜度控制在規(guī)范要求的1%以內(nèi)。

3）在工程樁施工中發(fā)現(xiàn)當(dāng)中間砂夾層的標(biāo)貫擊數(shù)大于40擊時(shí)，沉樁有一定的困難，但通過(guò)采取適當(dāng)?shù)南紫端畨毫Φ却胧耆軌驖M足施工要求。在工程樁施工時(shí)連續(xù)打樁間距不宜小于6 m，如果6 m之內(nèi)布置有打入樁，可以在打樁結(jié)束24 h后再進(jìn)行相鄰樁體的施工。

4）根據(jù)高應(yīng)變與單樁豎向靜載荷試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果可以看出，此類(lèi)地層工程樁檢測(cè)時(shí)可利用高應(yīng)變檢測(cè)來(lái)代替靜載荷試驗(yàn)確定單樁極限承載力。

（3）對(duì)于廠區(qū)其他輔助生產(chǎn)建筑物采用振沖碎石樁復(fù)合地基消除下層粉細(xì)砂土的液化，同時(shí)提高地基承載力，處理效果明顯，尤其是經(jīng)過(guò)強(qiáng)夯后的樁間土對(duì)復(fù)合地基承載力的提高貢獻(xiàn)顯著。根據(jù)本工程施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)同類(lèi)工程施工建議如下：

1）振沖器下放速度不宜過(guò)快，以免造成樁體偏移或傾斜；施工后，恢復(fù)期不宜少于20天。

2）施工質(zhì)量檢測(cè)對(duì)于樁間土可采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，對(duì)于樁體質(zhì)量可采用重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)。質(zhì)量合格標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為：在有效樁長(zhǎng)內(nèi)，每10 cm動(dòng)探試驗(yàn)擊數(shù)一般不宜小于20擊；低于20擊試驗(yàn)段不得連續(xù)出現(xiàn)3次，每根樁平均擊數(shù)不宜小于30擊/10 cm，對(duì)于復(fù)合地基，可采用單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)和單樁載荷試驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行檢測(cè)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)研究和工程實(shí)施驗(yàn)證，在填海造地地區(qū)根據(jù)火力發(fā)電廠各建筑物使用要求不同，分別采用強(qiáng)夯、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁或振沖碎石樁等多種手段對(duì)地基進(jìn)行聯(lián)合處理，從而達(dá)到不同的使用目標(biāo)，獲得很好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果，值得類(lèi)似場(chǎng)地工程設(shè)計(jì)參考。

[1]DL/T 5024—2005電力工程地基處理技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[2]JGJ 79—2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[3]DL/T 5101—1999火力發(fā)電廠振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社，2000.

[4]JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[5]DL 5022—93火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].北京：水利電力出版社，1993.

[6]曾力捐，李強(qiáng)，于元峰.強(qiáng)夯法在吹砂填海地基加固中的應(yīng)用分析[J].探礦工程，2010，37（6）：67-70.

[7]河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.曹妃甸電廠一期樁基原體試驗(yàn)報(bào)告書(shū)[R].石家莊：河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2007.