梁娅莉,侯宪安,钟西岳

(中国电力工程顾问集团西北电力设计院，西安市710075)

0 引言

冷却塔是火力发电厂非常重要的构筑物，在整个电厂土建投资中占有较大的比例，其结构设计及地基处理方案的优劣直接影响电厂土建投资及安全运行。采用合理的地基处理方案可以降低工程造价，加快工程施工进度，缩短工程建设周期［1-3］。因此，对于建设在复杂地质场地上的冷却塔而言，冷却塔地基处理方案的选择是工程设计阶段中不可或缺的重要内容。本文根据某工程间冷塔的地质条件，针对间冷塔不同型式的地基处理方案进行比较，以确定钢筋混凝土灌注桩地基处理方案;采用TSH3SCOQ双曲线自然通风冷却塔结构静力计算程序(有矩理论)对桩径0.8、1.2 m灌注桩以及不同的布桩方案分别进行分析计算，并对其进行技术经济比较，最终确定合理、经济的桩基设计方案。本文研究结论可为其他规模相当的间冷塔地基处理方案及费用提供参考。

某工程新建2台600 MW超临界间接空冷燃煤发电机组，每台机组配置1座双曲线钢筋混凝土自然通风间接空冷冷却塔，散热器采用垂直布置方案。间接空冷塔塔高为172.0 m，进风口高度为27.00 m，喉部直径为84.00 m，环基中心直径为140.34 m，设置44对X支柱作为支撑，采用环板基础。

1 自然地理条件

该工程间接空冷塔建设场地位于北侧河流的Ⅰ、Ⅱ级阶地上，东西约长1.1 k m，自然地面标高为1 098.43～1 129.64 m(1956年黄海高程系)，西南高、东北低。

1.1 工程地质概况

根据工程地质勘察报告，勘测深度范围内，场地Ⅰ级阶地区域内主要由第四纪全新世新近冲洪积形成的粉土、砂土(、)、第四纪全新世及更新世冲洪积的粉质粘土、砂土、碎石和二叠系上统上石盒子组砂质泥岩、砂岩(P2S)组成;Ⅱ级阶地区域内普遍为第四纪全新世冲洪积的黄土状粉质粘土(Q4al+pl、)、其下依次为第四纪更新世冲洪积的粉质粘土、砂土和碎石(Q3al+pl)以及二叠系上统上石盒子组砂岩(P2S)组成。各层地基土的地基承载力特征值见表1。

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1.2 水文地质及地下水条件

本区域水文地质条件较复杂。Ⅰ级阶地地下水位埋深为 7.6～4.2 m，标高为 1 094.75～1 098.52 m。Ⅱ级阶地地下水位埋深为 19.9～21.7 m，地下水位标高为1 094.64～1 100.56 m。

1.3 黄土湿陷性评价

湿陷性黄土主要分布在Ⅱ级阶地上，埋深为13.9 m以上，局部地段深度可能超过15 m。场地属非自重湿陷性场地，湿陷等级Ⅰ级，湿陷深度下限不大于9.0 m。

2 冷却塔地基处理

根据厂区总平面布置，该工程2座间接空冷塔均部分坐落在Ⅰ级阶地、部分坐落在Ⅱ级阶地上，其中1号冷却塔自然地面标高为1 101.72～1 114.45 m，2号冷却塔自然地面标高为1 105.00～1 121.27 m，冷却塔竖向整平标高为1 112.80 m。

2.1 地基处理方案

根据GB 50025—2004《湿陷性黄土地区建筑规范》［4］对建筑物等级的划分，间接空冷塔属于甲类建筑，应消除地基全部湿陷量或穿透全部湿陷性地层。根据相关工程经验，当湿陷土层厚度小于10 m时，采用强夯消除湿陷是很好的选择［5-6］，当湿陷土层厚度大于10 m时，可考虑孔内深层强夯技术［6］。然而，本工程Ⅱ级阶地局部地段深度可能超过15 m，强夯不适用。下面就灌注桩方案和孔内深层强夯水泥土桩方案分别论述。

2.1.1 灌注桩方案

桩基是深基础的一种形式，能较好地适应各种工程地质条件，是我国用得最多的一种人工地基。桩基工程设计一般需要考虑垂直承载力、水平承载力、沉降和位移等问题，设计应以桩基工程总费用为控制目标，进行多方案优化比较，使桩基垂直承载力和水平承载力能较好地匹配，达到工程费用最低的目的［4］。灌注桩方案对整体倾斜有严格限制，对不均匀沉降有严格限制，是主要承受水平荷载和上拔力的建构筑物推荐采用的地基处理方案［7］。采用该方法进行地基处理时，桩体通常穿透湿陷性土层达到或深入其下的持力层。同类工程经验表明，采用灌注桩处理冷却塔湿陷性黄土地基是可行的。

2.1.2 孔内深层强夯水泥土桩方案

孔内深层强夯法用螺旋钻机成孔，在孔中分层填入碎砖三合土、灰土、水泥土等填料，夯实成桩，反复锤击使桩径逐步扩大，与桩间土共同组成复合地基。此复合地基可以改变湿陷性黄土的大孔结构，消除地基土的湿陷性和提高地基土的承载能力［8］。处理后的地基整体刚度均匀，承载力可提高2～9倍;变形模量高，沉降变形小，不受地下水影响，地基处理深度可达30 m以上，在我国许多地区被广泛推广使用。它可适用于大厚度杂填土、湿陷性黄土、软弱土、液化土、风化岩、膨胀土、红粘土以及具有地下人防工事、古墓、岩溶土洞、硬夹层软硬不均等各种复杂疑难的地基处理。

本工程冷却塔采用孔内深层强夯法进行地基处理时，有效桩长约10 m，桩径为0.63 m，采用正三角形布桩，桩距1.1 m，布桩范围沿环基每边超出环板基础外缘6 m，桩顶铺设1 m厚、2∶8灰土垫层。

根据以往工程的经验，孔内深层强夯水泥土桩施工受人为因素影响较大，施工过程不易控制，施工质量离散性较大，复合地基承载力也不是太高。考虑到冷却塔结构的重要性以及参考厂区其他建构筑物的地基处理方案，本工程间冷塔地基处理决定采用钢筋混凝土灌注桩桩基方案。

2.2 灌注桩桩型的选择

在进行灌注桩基础的设计时，除了考虑其垂直承载力外，还需考虑水平抗力及其有关问题。与单桩竖向承载力相比，单桩水平承载力显得更为复杂。影响水平承载力的因素较多，除与地基土的强度有关外，还与桩基的桩径、桩身截面刚度、材料强度、桩的入土深度、桩顶与承台嵌固情况及群桩布置因素有关。在高层建筑及超高层建筑和高耸结构的设计中，风力和地震力等水平荷载也是设计中的控制因素，桩基的水平承载力和位移计算成为设计的重要内容之一［9］。因此，除了考虑竖向承载力，研究分析灌注桩桩基的水平力状态，对主要承受风荷载冷却塔这类高耸构筑物的灌注桩基础设计中，显得尤为重要。

从岩土报告中看，(7)层碎石层是较好的桩端持力层，但是综合试桩报告中并未给出该层的端阻，因此，本报告计算所用的(7)层碎石层端阻暂按JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》［10］给出的参考值选取，取2000 kPa。根据间冷塔对地基承载力的要求，并结合厂区其他建构筑物的桩基方案，拟定了桩径0.8、1.2 m这2种不同的方案。

冷却塔地段的工程地质剖面显示:(7)层表面起伏很大，若采用扩底灌注桩，则在(7)层内无法扩底施工，因此，桩基设计不考虑扩底灌注桩而采用直桩。

2.3 直径0.8 m灌注桩的布桩方案

A区(I级阶地)内0.8 m直径的钻孔灌注桩，桩长36 m，桩端进入(8)－1层中，单桩竖向极限承载力为10 000 kN;0.8 m直径钻孔扩底灌注桩单桩(扩底直径1.5 m)，桩长23.5 m，桩端进入(6)－3层中，竖向极限承载力为6 300 kN。

B区(II级阶地)内0.8 m直径的扩底钻孔灌注桩(扩底直径1.5 m)桩长21.8 m，进入(6)－1层中，单桩竖向极限承载力为3 700 kN，单桩水平临界荷载取值为200 kN。

依据 JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》［10］，取单桩水平临界荷载的75%为单桩水平承载力特征值。由试桩结果得到的单桩水平承载力特征值为150 kN。

针对直径0.8 m的灌注桩，拟定了4种布桩方案。

方案Ⅰ:冷却塔地基处理按照每对X支柱下设12根直径0.8 m的灌注桩进行布置，桩长30 m，桩端进入到(7)层，如图1(a)所示。

方案Ⅱ:冷却塔地基处理按照每对X支柱下设14根直径0.8 m的灌注桩进行布置，桩长31 m，桩端进入到(6)层或者(7)层中，如图1(b)所示。

方案Ⅲ:冷却塔地基处理按照每对X支柱下设16根直径0.8 m的灌注桩进行布置，桩长30 m，桩端进入到层(6)层或者(7)层中，如图1(c)所示。

方案Ⅳ:冷却塔地基处理若按照每对X支柱下设18根直径0.8 m的灌注桩进行布置，桩长27 m，进入到层(6)层或者(7)层中，如图1(d)所示。

图1 灌注桩的布桩方案(直径0.8 m)Fig.1 Arrangement schemes of bored pile(D=0.8 m)

2.4 直径1.2 m灌注桩的布桩方案

影响单桩水平承载力和位移的因素包括桩身截面抗弯刚度、材料强度等。随着桩直径的增加，水平承载力也随之快速增加，而且桩的排数较少时，群桩效率系数也较高，为此，对直径1.2 m灌注桩的布桩方案进行了分析。

根据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》［10］，地基土水平抗力系数的比例系数(m)可由试验结果的临界荷载和对应位移推算，即

式中:Hcr为单桩水平临界荷载;Xcr为单桩水平临界荷载对应的水平位移;vx为桩顶水平位移系数;b0为桩身的计算宽度;EI为桩身抗弯刚度。

根据直径0.8 m灌注桩的综合试桩结构，计算可知m=21 MN/m4。

单桩水平力承载力特征值为

式中:χoa为桩顶允许水平位移。

由式(2)得:直径1.2 m的灌注桩的单桩水平力承载力特征值为406.796 kN。

考虑群桩效应综合，得到群桩水平承载力特征值为

式中ηh为群桩效应综合系数，ηh=ηi+ηr+ηl+ηb，其中:ηi为桩的相互影响效应系数;ηr为桩顶约束效应系数;ηl为承台侧向土水平抗力效应系数;ηb为承台底摩阻效应系数。由于本场地土层具有湿陷性，故不考虑承台底摩阻效应。

针对直径1.2 m的灌注桩，拟定了4种布桩方案。

方案i:1对X支柱下设8根直径1.2 m的灌注桩，如图2(a)所示。

方案ii:1对X支柱下设7根直径1.2 m的灌注桩，如图2(b)所示。

方案iii:1对X支柱下设6根直径1.2 m的灌注桩，如图2(c)所示。

方案iv:1对X支柱下设5根直径1.2 m的灌注桩，如图2(d)所示。

2.5 方案对比

采用TSH3SCOQ双曲线自然通风冷却塔结构静力计算程序(有矩理论)［1］对该塔直径0.8、1.2 m 灌注桩的布桩方案进行了分析，得出标准荷载组合下的桩头所承担的竖向力及水平力见表2所示。

图2 灌注桩的布桩方案(直径1.2 m)Fig.2 Arrangement schemes of bored pile(D=1.2 m)

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2.6 技术经济比较

对该塔直径0.8、1.2 m灌注桩的布桩方案进行了经济性分析，得出的经济性指标如表3所示。从表3可看出，每对人字柱下布置6根直径1.2 m灌注桩方案将比每对人字柱下布置18根直径0.8 m灌注桩的方案节省310.8万元，桩的总数也最少，施工工期短。

3 结语

(1)复合地基施工质量离散性较大，不易控制，承载力也不满足本工程的要求，因此本工程地基采用钢筋混凝土灌装桩方案。

(2)综合造价及施工工期等因素，最终采用最为经济的方案，即每对X支柱下布置6根直径1.2 m灌注桩方案。

［1］冯璟.排烟间接空冷塔的应用条件研究［J］.电力建设，2009，30(4):64-67.

［2］丛培江，聂冠松，李敬生，等.间接空冷塔加肋设计［J］.电力建设，2012，33(4):72-75.

［3］刘楠.CFG桩复合地基在大型间接空冷塔地基处理中的应用［J］.电力建设，2010，31(6):77-79.

［4］GB 50025—2004湿陷行黄土地区建筑规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2004.

［5］刘伟.强夯法在冷却塔湿陷性地基处理中的应用［J］.山东工业大学学报，2001，31(5):497-500.

［6］李毅男.深厚湿陷性黄土地区大型冷却塔地基处理措施［J］.工业建筑，2008，38(S):721-725.

［7］杜增富.浅谈桩基工程在火力发电厂中的应用［J］.电力建设，2000，21(3):40-43.

［8］王玉琴.孔内深层强夯法在高层建筑地基处理中的应用［J］.陕西工学院学报，2004，20(2):35-37.

［9］赵会永.混凝土灌注桩水平承载性能研究［D］.西安:西安建筑科技大学，2010.

［10］JGJ 94—2008建筑桩基技术规范［S］.北京.中国建筑工业出版社，2008.