粗颗粒土中非典型黄土勘察评价与地基方案优化

2015-11-02经验人董双田刘志伟

中国科技信息 2015年15期

经验人：董双田刘志伟

经验人：董双田刘志伟

本文针对冲洪积地层的特点，开展了粗颗粒土层中非典型黄土勘察和评价。在钻孔灌注桩与碎石垫层换填方案比较基础上，进行了碎石垫层原体试验，垫层承载力不小于600kPa，变形模量不小于75MPa。主要建筑物采用换填处理深度0.0～14.7m，满足工程质量、安全、工期和降低地基处理投资的要求。

工程概况

表1　厂区地层岩性特征

表2　土层物理力学性质指标

某电厂位于秦岭北麓山前冲洪积扇群上，北部为秦岭山前倾斜平原及渭河阶地，工程场地距黄河较大支流——渭河约12km左右。厂区原始地形整体由南向北倾斜，地面坡降约5～7％。由于工程建设及其他人类活动的影响，地形比较凌乱，高差约30m，工程建设需解决的主要问题是：（1）厂区地层颗粒组成复杂，粒径相差悬殊，既有黏土微粒也有2m以上的漂石，粗颗粒土层和黄土状土交互分布，无规律性，黄土状土不扰动样的采取是本工程的关键问题，现场勘测面临相当大的难度；（2）卵石中有黄土状粉土透镜体或薄夹层；黄土状粉土中有漂石和卵石透镜体或薄夹层。对于湿陷性土的评价，《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB 50025-2004）并没有考虑如此复杂的地层条件，类似工程的实践经验很少。粗颗粒土中湿陷性土的评价是工程要解决的关键技术问题，也是本工程面临的新课题；（3）场地土具自重湿陷性，同时还混有很多粒径1～2m的大漂石及各种岩性的薄层或透镜体，地基土均匀性很差，地基处理方案的选择需要综合考虑多种影响因素。岩土工程勘察和地基处理针对上述难题开展试验和研究工作。

图1　工程地质剖面图

场地工程地质条件

厂区地貌单元属秦岭北麓山前冲洪积扇群的中上部，考虑到地基土的复杂性、土层的分布特点、土层由上至下湿陷性总趋势渐弱等，将场地的地基土分为3大层，地层岩性特征见表1，土层物理力学性质指标见表2，地层剖面见图1。

厂区地下水属第四系孔隙潜水，主要接受秦岭山前冲洪积扇群的侧向补给，其次接受大气降水及耕地灌溉下渗等补给，向渭河迳流排泄，地下水整体呈南补北泄之势。地下水水位埋深最小在30m左右，大幅度上升的可能性很小，可不考虑地下水的作用与影响。

黄土状土勘察与湿陷性评价

勘察工作

本工程勘察按阶段由浅到深，由粗到细。在可行性研究阶段，工程场地黄土状粉土的湿陷性对地基基础方案影响很大，是本工程需要解决的关键技术问题。由于地层中含有大漂石，探井开挖非常困难，安全问题非常突出。为了获得可靠的湿陷性评价指标和解决大漂石的开挖问题，专门聘用经验丰富的石匠进行井内破碎，对松散体采取钢筋网片支护等措施，完成探井25个，最大深度达26.5m，开挖1个25m深的探井往往需要1个月的时间。通过探井中刻取Ⅰ级不扰动样进行室内黄土湿陷性试验，保证了湿陷性评价的准确、可靠性。

初步设计阶段，随着勘察工作的深入，在对场地地层分布规律和工程性能有了清晰的认识基础上，考虑到地基土的复杂性、土层的分布特点和湿陷特性指标的变化总趋势等，将场地的地基土分为3大层。其中，②大层中主要分布有卵（漂）石和黄土状粉土，总体呈现出卵（漂）石与黄土状粉土互层、黄土状粉土中夹卵（漂）石层等，土层的湿陷性相对较强。③大层中主要分布有卵（漂）石和黄土状粉土，该层总体呈现出卵（漂）石夹黄土状粉土层的特征，土层一般无湿陷性。这种分层方法给地基处理方案的确定提供了基础。

施工图设计阶段，着重围绕查明黄土状粉土分布和换填地基处理的要求，确定了合理的勘察方案：控制性勘探点以钻孔为主，占勘探点总数的1/3左右，深度按进入③大层20～25m左右考虑；一般控制性勘探点以钻孔为主，占勘探点总数的1/3左右，深度按进入③大层10～15m左右考虑；一般性勘探点采用探井和钻孔，占勘探点总数的1/3左右，深度按进入③大层3～6m左右考虑。这样一套有针对性的勘察方案，不仅节约了勘察工作量，且解决了各建筑地段涉及的主要问题，为地基方案设计提供了翔实的岩土工程资料。

湿陷性评价

对于大型火电厂的主要建筑荷载大、安全等级高，按规范压力评价其湿陷等级、确定湿陷下限，已不能满足安全可靠的要求。本工程在标准压力下湿陷量计算后，考虑到重要建筑物的基底实际压力可能大于标准压力，前期勘察中采用预估大压力对地基的湿陷性进行初步评估，压力取值为：0～10m深度范围内取400kPa；10～20m深度范围内取600kPa；20～30m深度范围内取800kPa。在施工图设计中，依据基底实际压力条件，配合设计人员进行了湿陷性评价和剩余湿陷性量计算，确保工程建设安全、可靠。

对黄土状粉土湿陷下限深度，各阶段均进行了详细的分析、论证。依据可研、初勘勘察结果进行分析，②1层黄土状粉土为湿陷性土。在可研阶段钻孔中③1层采取的10件不扰动样进行湿陷性试验，试验结果均为非湿陷性黄土；③1层黄土状粉土在初勘探井中共采取了7件样进行了湿陷性试验，其试验结果为湿陷起始压力均大于500～600kPa，为非湿陷性黄土；同时对初勘钻孔中采取的③1层中的不扰动样试验得出孔隙比与探井中不扰动样试验得出孔隙比进行比较，孔隙比均较小，为非湿陷性黄土。③大层总体呈现出卵（漂）石夹黄土状粉土的特征，③1层呈透镜体分布，呈现出老黄土的特征，即使局部土层有轻微的湿陷特征，其总湿陷变形量也较小，工程中可不予考虑，由此确定了本场地的湿陷下限按③层顶部考虑的结论。

地基方案论证

对主要建（构）筑物地基处理的目的是在消除地基土湿陷性的同时提高地基的承载力，可供选择的方案有灌注桩及碎石垫层换填等。采用灌注桩方案，桩体可穿透湿陷性土层，将桩端置于③3 卵石层中，其承载力高，抗变形能力强，且技术成熟，安全可靠。采用灌注桩有以下缺点。

（1）地基土中分布有较多的卵（漂）石层，桩成孔难度大。如采用机械成孔，存在漏浆、卡钻、遇大漂石处理难度大等问题，所需的工期无法控制；如采用人工挖孔灌注桩，存在安全风险大、孔壁需采取特殊支护措施，施工时间长。

（2）场地自重湿陷性黄土需考虑负摩擦力，并进行浸水试验确定，因湿陷土层不成层，部分是在卵石层下，试验数据代表性不强。

（3）灌注桩方案需进行施工勘察，且施工期无法控制，难满足工程进度要求，故业主坚决反对采用桩基方案。

碎石垫层对地基的不均匀性具有调整的作用，施工安全性相对较好，工期可按要求的时间控制。缺点为在现场将形成深度较大的大型基坑，坑壁需按规定要求放坡，占地面积较大。毛石混凝土具有较高的承载力，且有隔水的作用。本工程对主厂房地基基础方案进行了经济比较，采用碎石垫层+毛石混凝土换填法进行处理，施工相对方便，工期易控制，质量也易保证，且较桩基投资节省712.4万元。

碎石垫层碾压试验与施工

碎石垫层采用人工级配碎石料，配比为3～7㎝粒径碎石占60％、1～2㎝粒径碎石占20％、石粉占20％，最大粒径不大于10cm，通过相对密度试验确定的最大干密度为2.35g/cm3。从筛分试验结果看：粗颗粒含量（d〉5mm）一般在81％～90％之间；细颗粒含量（d〈5mm）一般在10％～19％之间；不均匀系数Cu在13.2～40.8之间，平均值25.4；曲率系数Cc在1.7～12.4之间，平均值4.6。

试验采用的碾压机械工作质量20T，行驶速度2km/ h，激振力为350kN，额定功率132kW。单层虚铺400mm，每层虚铺平整后先平碾一遍，而后振动碾压6遍，碾的摆幅宽度为2/3碾宽。每层碾压施工结束后，对垫层的碾压质量进行检测。从试验结果来看，平均干密度为2.39～2.42g/cm3，平均压实系数为1.01～1.03，每层平均压实系数均大于0.97。

碎石垫层承载力采用平板载荷试验进行检测，压板面积0.5m2，典型试验曲线见图4，可以看出，试验加载至1320kPa，p～s曲线呈线性变化，未进入极限状态，垫层承载力特征值不小于600 kPa，变形模量不小于75MPa。

碎石垫层进行重型动力触探试验，在上部0.5m左右垫层受侧向限制小，一般锤击数低，向下随垫层侧向限制增大锤击数增加较大，触探锤反弹，最大贯入深度0.8m，试验击数25～68击。

通过勘测与设计进行地基方案专题分析、研究，充分论证各种处理方案的可行性、合理性及经济性，以及施工、环境保护等方面问题，针对不同建（构）筑物的特点确定了最佳的地基方案。本工程主厂房区域基底下的处理深度为1.3～12.7m，冷却塔区域基底下的处理深度为0.0～14.7m，经过几年来的安全正常运行，证明地基方案是可靠和合理的。