马六甲海峡某电厂滨海软弱地基的工程特性及桩基分析

王芳蓉

(四川省电力设计院，四川 成都 610072)

马六甲海峡某电厂滨海软弱地基的工程特性及桩基分析

王芳蓉

(四川省电力设计院，四川 成都 610072)

在马六甲海峡高烈度环境的滨海深厚软弱地基条件下，存在地基工程力学性质、桩基持力层以及桩体的轴向承载力和横向荷载反应等诸多地基与基础设计问题。本文在软弱地基的工程力学性质分析研究基础上，通过桩体轴向承载力及横向荷载反应分析，确定桩端持力层的地基层位，获得该地基条件下不同规格钢管桩和混凝土管桩，在桩顶固定情况下的容许弯矩、容许弯矩产生的横向荷载以及横向荷载引起的桩顶移位等分析计算成果。为该特定的深厚软弱地基条件下的基础设计，提供可靠的技术依据。

软弱地基；剪切波速；刚度系数；桩基。

1 概述

拟建的某电厂位于马六甲海峡南部滨海平原，地处Sunda Arc.洋与印度洋板块之间的桑达兰欧亚克拉通板块西南部，属于澳印克拉通板块的组成部分。苏门答腊岛西侧的印度洋地壳，沿N23ºE方向、约以7 cm/year的速度、以60º俯角向苏门答腊西南海岸的Sunda海沟俯冲(Hamilton, 1979; Curray et al, 1979)。

据已有的研究资料分析，工程场地位于Sumatera岛弧后盆地扩散型地震区，属建筑抗震不利地区。根据地震危险性概率分析获得的最大加速度为0.1 g-0.15 g。按地震危险性周期500年、设计年限50年超越概率10%考虑，该场地的最大地震加速度应为0.15 g。

在该高烈度环境的滨海深厚软弱地基条件下，存在地基工程力学性、桩基持力层以及桩体的轴向承载力和横向荷载反应等诸多地基与基础设计问题。

2 地基土层的地质结构特征

该火力发电厂位于滨海沼泽地段，地基土层主要由深厚的(60m深钻孔仍未穿透)海相淤泥质软土构成，其特殊的工程地质性质主要表现在以下几方面。

⑴地基土层由全新世海湾泥沼相、晚更新世滨海相两个沉积旋回、四个沉积亚层组成(表1)。地基浅表层含有贝壳等生物碎屑，并夹有薄层淤泥(或泥炭)、细砂夹层及透镜体。

沉积旋回 分层 埋深 /m 工程地质特征 钻孔岩芯照片淤泥质粘土 0.00～19.00 软塑～可塑、饱和，含少量贝壳碎片，夹松散～中密淤泥质细-中粒石英砂透镜体。①Q4海湾泥沼相沉积②含淤泥质中-细粒砂14.00～39.00 中密～密实(局部松散)、饱和，含淤泥及少量贝壳碎片，夹淤泥质粘土。③粘土夹淤泥质土30.00～53.00 硬可塑、饱和，夹薄层淤泥质细砂及砂质淤泥，底部少量细砂、有机质及贝壳碎片。Q3滨海相沉积④含泥质中-粗砂≥50.45 细-粗粒，中密～密实，以次棱角石英为主，含少量贝壳碎片、硬塑粘土及淤泥夹层。

表1 地基土的地质结构特征

⑵地基土层处于高饱和状态，浅层淤泥质粘土的天然孔隙比e一般大于1.24，压缩指数较大(Cc= 0.53～1.80)，渗透系数一般小于10-6cm/s，触变性及流变性较显著。这些特性导致地基土具有变形量大且持续时间较长的不良性质[2]。

⑶地基土层的力学强度总体上较低(表2)。尤其是浅表层淤泥质粘土的抗剪强度较低，粘聚力c=11.0～40.0 kPa、内摩擦角φ′=1.7～12.4º。SPT-N值(标准贯入) 普遍很低，大部分小于1。

表2 地基土层主要力学指标

⑷统计分析的变异系数δ显示(表3)，虽然地基土层物理性质参数的收敛性较好，但是力学性质指标的离散性却较大。显然，地基土层物理力学性质的不均匀性极为明显。

表3 主要物理力学参数的统计变异系数δ

3 地基工程力学特性

⑴地基土的剪切波速与卓越周期

根据标准贯入SPT-N值实测值，按海相软土地基剪切波速vS(m/s)的下列工程经验，获得地基剪切波速分析值(表4)。

淤泥质土：vS=αN0.324；粘土：vS=βN0.55；砂土：vS=γN0.324；动力基础：vS=α′(118.59+0.46N+2.17Z)式中α、β、γ及α′均为与工程经验有关的系数)。

表4 地基土剪切波速vS计算成果

卓越周期T是场地地基条件的一种固有特性。工程设计中应使建筑物的结构自振周期避开地基的卓越周期，防止因二者相近而产生的共振效应[3]。根据地基土层的剪切波速vsi，按相应的分析获得地基卓越周期计算值T=1.67(计算深度取60m)。

⑵地基砂土液化问题

根据PT. Manunggal工程公司提供的《土层勘察分析报告》中有关地基砂层的地质描述、物理性质试验参数和标准贯入测试数据等指标，从液化势的宏观(地基土的地质结构、砂层的粘粒含量、砂层的埋藏条件与地震地质特征)及微观(标准贯入临界值Ncr判据、临界剪切波速vscr判据)两方面判定准则分析，我们认为“在设计年限50年期间超越概率10%、场地最大地震加速度0.15 g的条件下，地基上部薄砂层可能发生液化，15 m深度以下的中密及密实砂层，多数SPT-N值超过30，不大可能发生液化。”

⑶地基土层的平均剪切模量

根据土层的剪切波速vsi、天然密度ρi及厚度di等参数，计算地基土层的平均剪切模量G(MPa)见表5。)

表5 场地土层平均剪切模量计算成果

⑷地基刚度系数

在缺乏现场动测试验资料的情况下，首先根据天然地基承载力的特征值fak和已有工程经验，确定抗压刚度系数Cz。然后确定抗剪刚度系数Cx=αCz、抗弯刚度系数Cφ=βCz及抗扭刚度系数Cψ=ξCz(α、β及ξ均为与工程经验有关的系数)。

表6为该拟建场地地基土刚度系数的分层计算值，场地综合值应根据具体的基础底面积按下式计算：

式中：hi为基础底面至第i层土底面的深度(m)；hi-1为基础底面至第i-1层土底面的深度(m)；hd为基底影响深度，hd=2 A(m)(A为基础底面面积(m2))。

表6 地基刚度系数计算成果

⑸桩基刚度系数

经相关分析及同类地基的工程经验，桩基刚度系数按表7取值。据此分析，地基第②层中—下段中密状细—中砂层及其下伏地层，桩周土当量抗剪刚度系数及桩端土当量抗压刚度系数均明显大于上覆浅表土层。

表7 桩基刚度系数

4 桩基分析

⑴桩体轴向承载力

为满足设计需要，我们根据桩体荷载分析成果，绘制了混凝土管桩及钢管桩的极限轴向承载力(抗压及抗拔)与桩体置入深度的典型关系曲线。考虑到业主的技术要求，计算分析按美国石油组织(API)推荐的2A-WSD (RP 2A-WSD)标准执行。

分析成果显示(图1及图2)，当桩端达到第②层中密砂层(SPT-N值在20至40之间)时，桩体的轴向承载力显著增加。显然应选择该层作为桩端持力层。表8是各钻探点的混凝土灌注桩(BH-03至BH-08)和钢管桩(BH-01至BH-08)的最大置入深度分析成果。

图1 BH03钻孔钢管桩轴向承载力与桩体置入深度关系曲线(PC500等为桩径)(右图-标贯；中图-极限抗压力kN；左图-极限抗拔力kN)

图2 BH03钻孔钢筋混凝土管桩轴向承载力与桩体置入深度关系曲线(PC500等为桩径)(右图-标贯；中图-极限抗压力 kN；左图-极限抗拔力kN；横坐标-轴向承载力kN)

表8 桩体最大置入深度计算分析成果

⑵桩体横向荷载反应

为了分析桩体对侧向载荷的反应，我们采用p-y法分析桩体承受的横向载荷，分析时设定桩顶固定、桩顶高度(+3.500mMSL)固定不变。图3及图4为桩体承受的横向载荷的典型分析成果。

图3 BH03钻孔钢管桩侧向载荷反应分析曲线(PC500等为桩径)(上图-桩顶位移cm；下图-侧向容许弯矩kN.m；横坐标-侧向荷载kN)

图4 钢筋混凝土管桩侧向载荷反应分析曲线(PC500等为桩径)(上图-桩顶位移cm；下图-侧向容许弯矩kN.m；横坐标-侧向荷载kN)

桩的横向承载力是由桩体顶部的最大容许移位和桩体横截面结构承载力所决定的，即该条件下的最大容许弯矩。根据上述桩体侧向载荷反应分析，获得该地基条件下不同规格的钢管桩和混凝土管桩，在桩顶固定情况下的容许弯矩、容许弯矩产生的横向荷载以及横向荷载引起的桩顶移位等分析计算成果(表9)。

表9 桩体容许弯矩、横向承载力和顶部移位计算成果

5 结论

⑴在东南亚沿海地区的电力工程建设中，受软弱地基条件的复杂性和当地技术条件局限性的制约，地基测试及试验数据的收敛性存在一定问题。有效的工作方法应是，首先通过相应的数理统计分析，谨慎考察地基测试及试验数据的可靠度，据此进一步分析其工程特性指标，为基础设计与施工提供可靠的科学依据。

⑵分析成果显示，当桩端达到工程力学性质较好的第②层中密砂层时，桩体的轴向承载力显著增加。故应选择该层作为桩端持力层。

⑶桩的横向承载力取决于建筑顶部最大容许移位和桩体横截面结构承载力，即该条件下的最大容许弯矩。根据桩体横向荷载反应分析，可获得不同规格桩体的最大容许弯矩、容许弯矩产生的横向载荷以及横向载荷引起的桩顶移位理论值。该计算成果可作为建筑基础设计的参考依据。

[1]张倬元，王士天，王兰生．工程地质分析原理(第3版)[M]． 北京：地质出版社，2009．

[2]孔德坊．工程岩土学[M]．北京：地质出版社1992．

[3]王士天．复杂环境中地质工程问题分析的理论与实践[M]．成都：四川大学出版社，2002．

Engineering Characteristic and Pile Foundation Analysis Coastal Soft Foundation a Power Plant in Malacca Channel

WANG Fang-rong
(Sichuan Electric Power Design Institute, Chengdu 610072, China)

On the conditions of deep and coast-soft ground in high intensity environment on the Malacca Straits, it exists the ground and foundation design problems on the mechanical properties of foundation works, pile bearing stratum, the axial bearing capacity of pile and lateral load response, and so on. In this paper, it based on the analysis and study of mechanical properties of soft ground, and through the pile axial bearing capacity and analysis on the lateral load response which have to determined the horizon of ground of the pile tip bearing stratum. And then it have obtained analysis and calculation results on different speci fi cations of steel pipe pile and concrete pile on this ground condition, and allowable bending moment and lateral loads produced by allowable bending moment and pile displacement produced by lateral loads in the case of fi xed head pile. In order to provide reliable technical basis for foundation design in this speci fi c deep and soft ground condition.

soft ground; shear wave velocity; stiffness coef fi cient; pile foundation.

TU4

B

1671-9913(2010)06-0020-05

2010-10-26

王芳蓉(1958- )，女，硕士，高级工程师，长期从事电力工程勘察设计及研究工作。