汪志涛， 禹 峰， 孙同辉

(中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引 言

珊瑚礁岩土主要由珊瑚等生物残骸碎屑组成,主要分布于北纬30°和南纬30°之间的热带或亚热带气候的大陆架和海岸线一带。珊瑚礁岩土包括珊瑚礁灰岩、珊瑚礁砂、珊瑚礁碎屑和珊瑚礁灰岩残积土,由于其特殊的物质组成和形成条件, 而使得其与其他常见的岩土材料具有较大的差异[1-5]。本文依托印尼某电厂项目研究了珊瑚礁岩土基本工程特性, 对同类工程岩土工程勘察具有一定的借鉴意义。

印尼某电厂项目位于印度尼西亚MAKASAR市南约60km的某镇境内,是印尼第二期1 000万kW电力计划的主要项目之一,该电厂装机容量为2台100MW机组。本工程建设场地可划分为陆域和海域两大部分。陆域主要有主厂房、烟囱、煤场、灰场、升压站、输煤栈桥、化水区建筑等。本工程场址地基土主要为珊瑚礁岩土层。

1 场地工程地质条件

1.1 场地地形地貌

拟建厂区陆域部分毗邻海边,属于海岸平地～海岸阶地(浅丘)地貌。平地地段地面标高一般为1.0～3.0 m,残丘地段地面标高一般为3.0～7.0 m。场址地势呈东高西低态势分布,地势整体较为平缓、开阔。海岸平地地段地势相对较洼,地下水较为丰富,在雨季时节,多可形成内涝。烟囱、灰场位于残丘地段,主厂房主要位于残丘地段,局部位于平地地段,煤场、输煤栈桥、化水区建筑等位于平地地段。

1.2 地层岩性分布特征

场址岩土层根据地质成因可分为四大层。① 层冲积、淤积相黏性土层,② 层冲积、滨海沉积相砂类土,③ 层残积相黏性土,④ 层灰岩。各层根据其物理力学状态的不同,可划分为多个亚层(表1)。

表1 场地地基土岩土名称及状态

② 层细砂为珊瑚礁碎屑砂层,主要分布于平地地段,为冲积及滨海沉积相。呈灰、灰白色,颗粒分选性差,局部具有弱胶结特征。松散或稍密状砂层颗粒分选性差,常混有珊瑚礁碎屑体,偶见少量海洋贝壳残体;珊瑚碎屑粒径一般为2～50 mm,分选性差,碎屑硬度小,敲击易碎,珊瑚碎屑常堆积形成颗粒骨架,其间充填黏性土或砂粒。中密或密实状砂层组成颗粒主要为细砂粒和少量细小珊瑚礁碎屑颗粒,具有弱胶结特征;密实状砂层土开挖常呈块状,锤击易呈散体状。

珊瑚礁砂(碎屑) 与普通的石英砂具有较大的区别,珊瑚礁碎屑砂层中碳酸钙含量在50%以上,因此其密实程度除了受沉积压密影响外,还与钙化胶结程度有关。该类土层密实度在垂直分布上规律性差,经常出现相邻勘探孔揭露出的密实度层序不一致的情况。

③ 层粉质黏土为珊瑚礁灰岩残积黏性土,颜色以灰白为主、灰黄色次之,层内偶见少量残留的灰岩岩块,局部粉性较大,可变相为粉土层。该层土具有遇水软化特点。

④ 层灰岩为原生珊瑚礁碎屑沉积岩,灰白色,微晶结构,块状构造,钙(泥)质胶结。天然单轴抗压强度平均值为6.75MPa,饱和单轴抗压强度平均值为3.27 MPa,属于极软岩。该层局部可见少量溶蚀现象。

1.3 地下水

地下水以孔隙潜水为主,基岩裂隙水次之。孔隙潜水主要赋存于覆盖层中,在地势低洼地段,以② 层砂类土为主要含水层,该类土具有良好的透水及存水性能,地下水含量丰富;残丘地段地下水主要赋存于③ 层粉质黏土中,含水量少,水力联系较弱。勘探期间平地地段地下水埋深一般为1.5～3.0 m,残丘地段地下水埋深一般为3.0～6.0 m。

1.4 地震动参数

② 层砂土等效剪切波速在200～350 m/s,③ 层黏性土等效剪切波速在150～400 m/s,④ 层灰岩等效剪切波速在400～500 m/s;20 m深度范围内钻孔等效剪切波速在320～450 m/s,场地土为中硬土,场地类别为Ⅱ类。根据本工程地震安评报告,推荐的场址在50年超越概率为10%的情况下,地表地震动峰值加速度值为0.15g。

2 珊瑚礁岩土层主要力学参数

2.1 天然地基承载力

本场地的珊瑚礁岩土层,由于其特殊的物质成分,结构特点和成因类型与国内常见的岩土层存在较大差异,尚无成熟的经验关系用于计算该类岩土天然地基承载力,因此本工程采用了多种方法进行计算对比,通过综合分析确定该项指标。

在利用标贯数据计算天然地基承载力方面,采用了Terzaghi天然地基承载力计算公式(fak=12～15N)和工程地质手册(第四版)表4-5-35～4-5-37;在利用静探数据计算天然地基承载力方面,采用了工程地质手册(第四版)推荐的国外天然地基承载力计算公式(fak=25～33qc),同时采用了《工程地质手册》(第四版)中的表3-4-5推荐的黏性土计算公式(fak=104ps+26.9)和表3-4-6推荐的砂土计算公式(fak=20ps+59.5);另外根据地层分布特点、基础埋深和设计要求要求,分别在③2和③3层黏性土上进行了平板载荷试验。各种方法确定的天然地基承载力结果见表2。

表2 多种方法计算天然地基承载力成果表

通过表2分析可以发现,静探数据计算结果要大于标贯计算结果。这一方面由于采用的静探计算公式不适宜本场址地基土,另一方面本工程采用的静探设备为机械式双桥静探,其测试精度要远低于国内常用的电测式静探设备[6,7]。在标贯数据计算方面,Terzaghi地基承载力计算公式计算结果相对于查表法更接近于载荷试验,比较适宜本工程地基土天然地基承载力计算。

2.2 桩基岩土设计参数

在确定桩基岩土设计参数时,分别采用了《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)表5.3.5和综合试桩成果。计算结果见表3。

表3 桩基岩土设计参数确定成果表

通过综合试桩结果和规范查表法对比,可见对于覆盖土层而言,综合试桩确定的桩基岩土设计参数均在查表法确定的区间内,由此可见对于桩基而言,采用查表法仍适合本场址珊瑚礁岩土层。另外值得注意的是,《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)并未给出中等风化岩石桩基岩土设计参数取值区间,如果根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2002)式8.5.5-2和式5.2.6,可按下式计算桩基极限端阻力最大值为:

qpk=2×ψr×frk

(1)

式中:qpk为桩基极限端阻力;ψr为岩体完整性折减系数;frk为岩石饱和单轴抗压强度。为了求取桩基极限端阻力最大值,取ψr为0.5,frk为3 270 kPa,则计算的桩基极限端阻力最大值为3 270 kPa,该值要选小于综合试桩结果。由此可见,利用式(1)在计算本工程中等风化珊瑚礁灰岩时,具有一定的局限性。

3 岩土工程分析与评价

3.1 膨胀性、湿陷性、软化性评价

为了查明③ 层黏性土是否具有膨胀性,共进行了11组自由膨胀率试验。试验结果表明,③ 层黏性土自由膨胀率在10.0%～30.0%,为非膨胀性黏土。

③ 层黏土具有遇水软化的特点。为了查明其是否具有一定的湿陷性,进行了6组湿陷性试验。试验最大压力为200 kPa,湿陷系数为0.01%～0.36%,湿陷变形值非常小,为非湿陷性土层。

为了查明③ 层黏土遇水软化影响深度有多少,共设置了3个试验坑,分别在注水前和注水后进行静探试验,通过同一深度静探值对比分析软化影响情况。试坑浸水时间按不小于48h设计,通过对比试验发现,在地层处于原位条件下,③ 层土遇水软化厚度一般在0.3 m以内。

3.2 珊瑚礁灰岩溶蚀作用评价

场址内珊瑚礁灰岩为第三系上始新统Tonasa组原生珊瑚礁碎屑沉积岩,属于生物化学沉积,与内陆地区形成的灰岩具有较大的差异,矿物成分主要为文石和镁方解石,符合岩溶形成的物质条件。

本工程仅有4个钻孔发现岩芯溶蚀现象,岩溶发育程度十分低。溶蚀主要以小型溶孔为主,孔径一般小于5 cm,局部分布少量溶蚀微裂隙,未见大的溶洞存在。溶蚀平面分布上主要集中在平地地段,呈零星分布状;竖向分布主要零星分布于地表以下12.0～18.0 m。上述溶蚀现象对建筑物的整体稳定性不会构成危害。

3.3 地基基础方案

对于不同的建筑地段,根据地层分布、基础埋深和基底压力等条件的不同,推荐地基基础方案。根据设计要求,对于场内主要建筑若采用天然地基,地基承载力特征值不小于260 kPa。满足天然地基持力层承载力要求的土层主要为③3层黏性土和②4层细砂以及基岩层。

烟囱和灰场建筑均位于残丘地段,基底标高处地基土主要为③3层黏性土,可作为天然地基持力层使用。

主厂房主要部分位于残丘地段,基底标高处地基土主要为③3层黏性土,可作为天然地基持力层使用;该建筑地段局部位于平地地段,基底标高处地层主要为③2层黏性土和②类砂土,该地段可考虑采用换填处理,换填深度一般小于1.5 m。

煤场地段位于平地地段,基底标高处地基土主要为②1～②3类砂土,该类土承载力不满足设计要求,若采用天然地基方案需进行换填。对于换填厚度在4.0 m以内,可考虑采用天然地基;当换填厚度一超过4.0 m,考虑到基坑开挖在排水和支护方面都具有一定难度,且在经济上与桩基相比优势不明显,因此建议优先考虑桩基。

当采用③层土作为天然地基持力层时,应注意该层土具有遇水软化的特点,基坑开挖需避免该类土水体浸泡,同时建议在开挖到基底标高以前约30 cm时,应预留保护层。若采用桩基方案,桩型建议采用钻孔灌注桩,桩端持力层以④1层或④2层作为桩端持力层使用。

其他建筑地段地基基础方案略。

4 结 论

(1)② 层珊瑚礁砂分选性差,物质成分不一,该类土层密实度垂直分布上规律性差,经常出现相邻勘探孔揭露出的密实度层序不一致的情况。③ 层黏性土不具备膨胀性、湿陷性,但其具有遇水软化的特点,受水浸泡后的软化层厚度一般不超过0.3 m。④ 层灰岩局部存在一定溶蚀现象,但发育程度非常低,主要以小型溶孔或细小溶蚀裂隙状态存在,对建筑地基整体稳定性无影响。

(2) 通过平板载荷试验和综合试桩工作分析了地基承载力和桩基岩土设计参数常用计算方法的适宜性。太沙基地基承载力计算公式在本工程中适宜性较好,国标桩基规范的查表法仍可作为估算本工程桩基岩土设计参数使用。

(3) 本工程通过多种岩土工程勘察手段查明了场地岩土结构、地基土工程性能、水文地质条件等,满足了岩土分析评价和设计要求。对建筑物地基基础方案提出了具体处理建议和技术措施。