間接空冷塔樁基方素的選擇

梁婭莉,侯憲安,鐘西岳

(中國電力工程顧問集團西北電力設計院，西安市710075)

0 引言

冷卻塔是火力發電廠非常重要的構筑物，在整個電廠土建投資中占有較大的比例，其結構設計及地基處理方案的優劣直接影響電廠土建投資及安全運行。采用合理的地基處理方案可以降低工程造價，加快工程施工進度，縮短工程建設周期［1-3］。因此，對于建設在復雜地質場地上的冷卻塔而言，冷卻塔地基處理方案的選擇是工程設計階段中不可或缺的重要內容。本文根據某工程間冷塔的地質條件，針對間冷塔不同型式的地基處理方案進行比較，以確定鋼筋混凝土灌注樁地基處理方案;采用TSH3SCOQ雙曲線自然通風冷卻塔結構靜力計算程序(有矩理論)對樁徑0.8、1.2 m灌注樁以及不同的布樁方案分別進行分析計算，并對其進行技術經濟比較，最終確定合理、經濟的樁基設計方案。本文研究結論可為其他規模相當的間冷塔地基處理方案及費用提供參考。

某工程新建2臺600 MW超臨界間接空冷燃煤發電機組，每臺機組配置1座雙曲線鋼筋混凝土自然通風間接空冷冷卻塔，散熱器采用垂直布置方案。間接空冷塔塔高為172.0 m，進風口高度為27.00 m，喉部直徑為84.00 m，環基中心直徑為140.34 m，設置44對X支柱作為支撐，采用環板基礎。

1 自然地理條件

該工程間接空冷塔建設場地位于北側河流的Ⅰ、Ⅱ級階地上，東西約長1.1 k m，自然地面標高為1 098.43～1 129.64 m(1956年黃海高程系)，西南高、東北低。

1.1 工程地質概況

根據工程地質勘察報告，勘測深度范圍內，場地Ⅰ級階地區域內主要由第四紀全新世新近沖洪積形成的粉土、砂土(、)、第四紀全新世及更新世沖洪積的粉質粘土、砂土、碎石和二疊系上統上石盒子組砂質泥巖、砂巖(P2S)組成;Ⅱ級階地區域內普遍為第四紀全新世沖洪積的黃土狀粉質粘土(Q4al+pl、)、其下依次為第四紀更新世沖洪積的粉質粘土、砂土和碎石(Q3al+pl)以及二疊系上統上石盒子組砂巖(P2S)組成。各層地基土的地基承載力特征值見表1。

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1.2 水文地質及地下水條件

本區域水文地質條件較復雜。Ⅰ級階地地下水位埋深為 7.6～4.2 m，標高為 1 094.75～1 098.52 m。Ⅱ級階地地下水位埋深為 19.9～21.7 m，地下水位標高為1 094.64～1 100.56 m。

1.3 黃土濕陷性評價

濕陷性黃土主要分布在Ⅱ級階地上，埋深為13.9 m以上，局部地段深度可能超過15 m。場地屬非自重濕陷性場地，濕陷等級Ⅰ級，濕陷深度下限不大于9.0 m。

2 冷卻塔地基處理

根據廠區總平面布置，該工程2座間接空冷塔均部分坐落在Ⅰ級階地、部分坐落在Ⅱ級階地上，其中1號冷卻塔自然地面標高為1 101.72～1 114.45 m，2號冷卻塔自然地面標高為1 105.00～1 121.27 m，冷卻塔豎向整平標高為1 112.80 m。

2.1 地基處理方案

根據GB 50025—2004《濕陷性黃土地區建筑規范》［4］對建筑物等級的劃分，間接空冷塔屬于甲類建筑，應消除地基全部濕陷量或穿透全部濕陷性地層。根據相關工程經驗，當濕陷土層厚度小于10 m時，采用強夯消除濕陷是很好的選擇［5-6］，當濕陷土層厚度大于10 m時，可考慮孔內深層強夯技術［6］。然而，本工程Ⅱ級階地局部地段深度可能超過15 m，強夯不適用。下面就灌注樁方案和孔內深層強夯水泥土樁方案分別論述。

2.1.1 灌注樁方案

樁基是深基礎的一種形式，能較好地適應各種工程地質條件，是我國用得最多的一種人工地基。樁基工程設計一般需要考慮垂直承載力、水平承載力、沉降和位移等問題，設計應以樁基工程總費用為控制目標，進行多方案優化比較，使樁基垂直承載力和水平承載力能較好地匹配，達到工程費用最低的目的［4］。灌注樁方案對整體傾斜有嚴格限制，對不均勻沉降有嚴格限制，是主要承受水平荷載和上拔力的建構筑物推薦采用的地基處理方案［7］。采用該方法進行地基處理時，樁體通常穿透濕陷性土層達到或深入其下的持力層。同類工程經驗表明，采用灌注樁處理冷卻塔濕陷性黃土地基是可行的。

2.1.2 孔內深層強夯水泥土樁方案

孔內深層強夯法用螺旋鉆機成孔，在孔中分層填入碎磚三合土、灰土、水泥土等填料，夯實成樁，反復錘擊使樁徑逐步擴大，與樁間土共同組成復合地基。此復合地基可以改變濕陷性黃土的大孔結構，消除地基土的濕陷性和提高地基土的承載能力［8］。處理后的地基整體剛度均勻，承載力可提高2～9倍;變形模量高，沉降變形小，不受地下水影響，地基處理深度可達30 m以上，在我國許多地區被廣泛推廣使用。它可適用于大厚度雜填土、濕陷性黃土、軟弱土、液化土、風化巖、膨脹土、紅粘土以及具有地下人防工事、古墓、巖溶土洞、硬夾層軟硬不均等各種復雜疑難的地基處理。

本工程冷卻塔采用孔內深層強夯法進行地基處理時，有效樁長約10 m，樁徑為0.63 m，采用正三角形布樁，樁距1.1 m，布樁范圍沿環基每邊超出環板基礎外緣6 m，樁頂鋪設1 m厚、2∶8灰土墊層。

根據以往工程的經驗，孔內深層強夯水泥土樁施工受人為因素影響較大，施工過程不易控制，施工質量離散性較大，復合地基承載力也不是太高。考慮到冷卻塔結構的重要性以及參考廠區其他建構筑物的地基處理方案，本工程間冷塔地基處理決定采用鋼筋混凝土灌注樁樁基方案。

2.2 灌注樁樁型的選擇

在進行灌注樁基礎的設計時，除了考慮其垂直承載力外，還需考慮水平抗力及其有關問題。與單樁豎向承載力相比，單樁水平承載力顯得更為復雜。影響水平承載力的因素較多，除與地基土的強度有關外，還與樁基的樁徑、樁身截面剛度、材料強度、樁的入土深度、樁頂與承臺嵌固情況及群樁布置因素有關。在高層建筑及超高層建筑和高聳結構的設計中，風力和地震力等水平荷載也是設計中的控制因素，樁基的水平承載力和位移計算成為設計的重要內容之一［9］。因此，除了考慮豎向承載力，研究分析灌注樁樁基的水平力狀態，對主要承受風荷載冷卻塔這類高聳構筑物的灌注樁基礎設計中，顯得尤為重要。

從巖土報告中看，(7)層碎石層是較好的樁端持力層，但是綜合試樁報告中并未給出該層的端阻，因此，本報告計算所用的(7)層碎石層端阻暫按JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》［10］給出的參考值選取，取2000 kPa。根據間冷塔對地基承載力的要求，并結合廠區其他建構筑物的樁基方案，擬定了樁徑0.8、1.2 m這2種不同的方案。

冷卻塔地段的工程地質剖面顯示:(7)層表面起伏很大，若采用擴底灌注樁，則在(7)層內無法擴底施工，因此，樁基設計不考慮擴底灌注樁而采用直樁。

2.3 直徑0.8 m灌注樁的布樁方案

A區(I級階地)內0.8 m直徑的鉆孔灌注樁，樁長36 m，樁端進入(8)－1層中，單樁豎向極限承載力為10 000 kN;0.8 m直徑鉆孔擴底灌注樁單樁(擴底直徑1.5 m)，樁長23.5 m，樁端進入(6)－3層中，豎向極限承載力為6 300 kN。

B區(II級階地)內0.8 m直徑的擴底鉆孔灌注樁(擴底直徑1.5 m)樁長21.8 m，進入(6)－1層中，單樁豎向極限承載力為3 700 kN，單樁水平臨界荷載取值為200 kN。

依據 JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》［10］，取單樁水平臨界荷載的75%為單樁水平承載力特征值。由試樁結果得到的單樁水平承載力特征值為150 kN。

針對直徑0.8 m的灌注樁，擬定了4種布樁方案。

方案Ⅰ:冷卻塔地基處理按照每對X支柱下設12根直徑0.8 m的灌注樁進行布置，樁長30 m，樁端進入到(7)層，如圖1(a)所示。

方案Ⅱ:冷卻塔地基處理按照每對X支柱下設14根直徑0.8 m的灌注樁進行布置，樁長31 m，樁端進入到(6)層或者(7)層中，如圖1(b)所示。

方案Ⅲ:冷卻塔地基處理按照每對X支柱下設16根直徑0.8 m的灌注樁進行布置，樁長30 m，樁端進入到層(6)層或者(7)層中，如圖1(c)所示。

方案Ⅳ:冷卻塔地基處理若按照每對X支柱下設18根直徑0.8 m的灌注樁進行布置，樁長27 m，進入到層(6)層或者(7)層中，如圖1(d)所示。

圖1 灌注樁的布樁方案(直徑0.8 m)Fig.1 Arrangement schemes of bored pile(D=0.8 m)

2.4 直徑1.2 m灌注樁的布樁方案

影響單樁水平承載力和位移的因素包括樁身截面抗彎剛度、材料強度等。隨著樁直徑的增加，水平承載力也隨之快速增加，而且樁的排數較少時，群樁效率系數也較高，為此，對直徑1.2 m灌注樁的布樁方案進行了分析。

根據JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》［10］，地基土水平抗力系數的比例系數(m)可由試驗結果的臨界荷載和對應位移推算，即

式中:Hcr為單樁水平臨界荷載;Xcr為單樁水平臨界荷載對應的水平位移;vx為樁頂水平位移系數;b0為樁身的計算寬度;EI為樁身抗彎剛度。

根據直徑0.8 m灌注樁的綜合試樁結構，計算可知m=21 MN/m4。

單樁水平力承載力特征值為

式中:χoa為樁頂允許水平位移。

由式(2)得:直徑1.2 m的灌注樁的單樁水平力承載力特征值為406.796 kN。

考慮群樁效應綜合，得到群樁水平承載力特征值為

式中ηh為群樁效應綜合系數，ηh=ηi+ηr+ηl+ηb，其中:ηi為樁的相互影響效應系數;ηr為樁頂約束效應系數;ηl為承臺側向土水平抗力效應系數;ηb為承臺底摩阻效應系數。由于本場地土層具有濕陷性，故不考慮承臺底摩阻效應。

針對直徑1.2 m的灌注樁，擬定了4種布樁方案。

方案i:1對X支柱下設8根直徑1.2 m的灌注樁，如圖2(a)所示。

方案ii:1對X支柱下設7根直徑1.2 m的灌注樁，如圖2(b)所示。

方案iii:1對X支柱下設6根直徑1.2 m的灌注樁，如圖2(c)所示。

方案iv:1對X支柱下設5根直徑1.2 m的灌注樁，如圖2(d)所示。

2.5 方案對比

采用TSH3SCOQ雙曲線自然通風冷卻塔結構靜力計算程序(有矩理論)［1］對該塔直徑0.8、1.2 m 灌注樁的布樁方案進行了分析，得出標準荷載組合下的樁頭所承擔的豎向力及水平力見表2所示。

圖2 灌注樁的布樁方案(直徑1.2 m)Fig.2 Arrangement schemes of bored pile(D=1.2 m)

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2.6 技術經濟比較

對該塔直徑0.8、1.2 m灌注樁的布樁方案進行了經濟性分析，得出的經濟性指標如表3所示。從表3可看出，每對人字柱下布置6根直徑1.2 m灌注樁方案將比每對人字柱下布置18根直徑0.8 m灌注樁的方案節省310.8萬元，樁的總數也最少，施工工期短。

3 結語

(1)復合地基施工質量離散性較大，不易控制，承載力也不滿足本工程的要求，因此本工程地基采用鋼筋混凝土灌裝樁方案。

(2)綜合造價及施工工期等因素，最終采用最為經濟的方案，即每對X支柱下布置6根直徑1.2 m灌注樁方案。

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