填海造地地区火力发电厂地基处理设计

赵春晓

（河北省电力勘测设计研究院，石家庄市，050031）

0 引言

曹妃甸新港工业区为依托曹妃甸岛向内陆填海造地，兴建集钢铁、电力、化工，加工制造等综合性的工业园区，整个港区采用边吹填、边开发的模式进行建设。曹妃甸电厂一期工程为园区内开工较早的大型项目，厂址位于曹妃甸岛西北侧的浅水海域，根据港区标高规划，电厂场地上部形成吹填海砂厚度约为5 m，由于吹填时间较短（1～2个月），吹填物为饱和的粉质、砂质土，欠固结，其密实程度很差，强度极低，不具备电厂施工机械、人员进场和材料堆放等施工条件的要求，同时下层沉积砂土还存在液化的可能，地基承载力较低。为满足电厂所有建（构）筑物地基基础承载力及变形要求，保证电厂施工和运行安全，选择加固效果好、工期短、技术先进、经济合理的地基处理方案尤为重要。在临近场地无类似工程经验可参考的情况下，通过详细论证和现场试验验证，并根据火力发电厂各建筑物使用要求不同，厂区综合采用采用强夯、预应力钢筋混凝土管桩和振冲碎石桩等多种地基处理手段，分步实施，满足了不同阶段的使用要求。

1 厂址地层概况

厂址地处滦河冲积扇的前部，自新生代以来，在古老的基底岩石上部堆积了巨厚的松散层，主要是晚更新世（Q3）及全新世（Q4）海相、陆相及海陆交互相沉积层，岩性多为粉砂、细砂及粘性土层交互沉积，自上而下分为8层，主要特性见表1。

厂址区地震动峰值加速度为0.15g，抗震设防烈度为7度，地震动反应谱特征周期为0.45 s。场地土类型为中软土，建筑场地类别为III类。

2 厂区地基处理方案选择原则

厂址区各层地基土在水平及垂直方向上变化不大，层位及厚度相对稳定。①～④层主要以中高压塑性土层为主，地基强度较差，承载力较低，且第①层松散状态的吹填土和③层稍密—中密状态的饱和砂土存在有地震液化问题；⑤层及以下地层均属中压缩性土，工程性能相对较好，承载力相对较高。同时①层吹填土（厚度约5 m）吹填时间较短（2～3个月），吹填物为饱和水的粉质、砂质土，欠固结，密实程度很差，强度极低，不具备电厂五通一平和施工场地使用的条件，如果直接作为基桩桩间土，会对桩基础产生负摩阻力。因此整个电厂厂区内地基处理方案的选择原则为：在保证安全适用、技术先进、经济合理的情况下，根据上部建筑物抗震类别和荷载情况采取不同的地基处理方案，分步实施，主要解决以下问题：

表1 各层地基土主要特性指标Tab.1 The physical and mechanical properties of various soil layers

（1）首先对电厂区域场地整体进行预处理，使①层吹填土固结、密实，具备一定强度，满足电厂施工机械和人员进场、材料堆放等施工要求。

（2）厂区内主厂房、烟囱等上部荷载较大的建筑物，由于其基础持力层范围内①层吹填土、②层粉质粘土及③层细砂的承载力特征值均很低，天然地基（或表层预处理之后）不能满足强度和变形要求，需采用其他人工地基提高地基承载力及压缩性，同时消除③层细砂层的液化。

（3）厂区其他辅助生产建筑物（包括输煤系统、除灰系统、电气系统及燃油系统等）须根据《火力发电厂土建结构设计技术规定》和《建筑抗震设计规范》的规定，对其中的乙类和丙类建筑物采取必要的地基处理措施，消除下卧液化土层的液化问题。

3 厂区地基处理方案

根据场地岩土工程地质条件及上述地基处理选型原则和要解决的主要问题，通过对多种方案进行技术经济比较，确定整个厂区地基处理方案如下：

（1）采用强夯法对厂区地面进行预处理，使①层吹填土固结、密实、消除其液化，同时达到一定的强度。

（2）在对场地进行预处理的基础上，主厂房、集控楼、烟囱及除尘器等炉后建（构）筑物地基采用桩身质量好、施工质量易控制、桩体强度高、施工速度较快的高强预应力钢筋混凝土管桩进行二次处理，以提高下层地基土承载力及压缩性，同时消除③层细砂土液化。

（3）在预处理已经消除液化的①层吹填土基础上，厂区其他辅助生产建筑物如灰库、碎煤机室、转运站、220 kV屋内配电装置、锅炉补给水处理室等对承载力要求不是很高的建筑物，采用振冲碎石桩复合地基进行二次处理，以消除③层细砂土液化，同时提高相应土层承载力。

4 试验结果及工程应用

4.1 强夯法预处理

由于厂区吹填后，地下水埋藏较浅（0.6～1.2 m），因此采用“先降水，后强夯”的处理方案对电厂区域场地进行预处理，结合现场试夯和预期达到的处理效果确定选用强夯施工参数如下：

（1）轻型井点降水按5 m间距布置，降水深度达到3 m以下。

（2）强夯夯击能级为3 000 kN·m，夯锤质量选择25 t，落距12 m。

（3）进行主夯时，夯点间距为5 m×5 m，梅花型布点；主夯夯击2遍，每遍夯击4～7击，2遍点夯间歇1天时间，主夯停锤标准为最后，2击平均贯入量不大于5 cm。

（4）普夯1遍，普夯搭界1/4锤底面积。

厂区强夯后地基效果检测采用原位测试与室内土工试验相结合的办法，进行静载荷试验44组，静力触探240组，标贯240组。检测结果表明：强夯有效影响深度为5 m；夯后①层吹填土由原来的松散—稍密状态变为中密状态，承载力特征值达到150 kPa；①层吹填土标准贯入锤击数值均大于液化判别标准贯入锤击数临界值，①层土液化消除。

4.2 预应力高强钢筋混凝土管桩

根据土层分部，桩长选择以进入持力层第⑥层约1.5 m控制，结合初步估算桩基承载力和上部结构荷载情况，选择φ600 mm/130 mm高强预应力钢筋混凝土管桩进行试桩。桩长42.0 m（从自然地面算起），试验桩4根，间距6.0 m，一字排列；锚桩（反力桩）10根，间距6.0 m，分踞在试验桩两侧。试验桩和锚桩都采用十字闭口钢桩尖。试桩施工采用锤击法沉桩，锤质量为8.0 t。预应力钢筋混凝土原体试验采用单桩竖向静载荷试验、单桩水平静载荷试验、低应变检测、高应变检测以及孔隙水压力试验等多种手段检验桩基基础效果和监测打桩振动对土中孔隙水压力变化情况，试验结果如下：

（1）单桩竖向承载力。选择试桩T1～T4和锚桩M5、M10共6根桩进行单桩竖向静载荷试验，试验结果见表2。

表2 单桩竖向静载荷试验结果统计Tab.2 The results of the static loading test of a single pile

（2）单桩水平承载力。选择锚桩M7、M8、M9三根桩进行单桩水平静载荷试验，从现场试验的曲线和卸载回弹率可以得出，3根桩在受500 kN水平力的作用下桩身没有折断，水平位移都超过40.0 mm。根据有关规范规定，按最大位移（40.0 mm）对应荷载的前一级荷载取水平极限承载力，3根试验桩的水平极限承载力都为450 kN，其水平承载力特征值为225 kN。

（3）低应变检测。在静载荷试验前、后对6根静载试验桩采用反射波法进行低应变检测，利用波在一维杆件中的传播特性来进行桩身完整性的评价。从检测的信号来看：桩身的完整性较好，在打桩和静载荷试验过程都没有对桩身造成损伤，但个别桩在接桩位置有接桩反射波现象，出现接桩反射波现象是由于在焊接时只是焊接法兰盘外侧的破口，而上下节桩法兰盘中间是存在缝隙的。

通过低应变检测可以得出：（1）预应力高强钢筋混凝土管桩在本工程中的应用是可行的，成桩后的桩身质量完好；（2）在以后的施工中应特别注意接桩工作，必要时可采用其他接桩手段。

（4）高应变检测。采用Case法和CAPWAPC（CAse Pile Wave Analasys Progrem Calculation）曲线拟合法对4根试桩（T1～T4）进行高应变动力测试资料分析。对高应变初打、高应变复打、不同入土深度的测试采用Case法分析计算，同时对高应变复打采用CAPWAPC曲线拟合法计算，并根据初打检测和复打检测的数据对比得出承载力恢复系数，详见表3。表3中：（1）承载力平均恢复系数（土阻力恢复系数）为1.78，推荐土阻力恢复系数取1.7；（2）通过对6根桩的桩端土阻力和桩侧土阻力的分析，桩周土阻力占总土阻力比例的平均值为77.5%；（3）高应变复打所得42.0 m桩长，单桩极限承载力平均值为5 524 kN。

表3 高应变动力测试承载力恢复系数Tab.3 The restitution coefficient of the bearing capacity by high strain dynamic testing

通过CAPWAPC分析计算，得出各土层桩的极限侧摩阻力和极限端阻力，如表4。

表4 各土层桩的极限侧摩阻力和极限端阻力Tab.4 The ultimate shaft resistance and tip resistance of the pile in the soil

（5）动静对比。利用高应变CAPWAPC法的拟合所得的P-S曲线与单桩竖向静载荷试验的P-S曲线进行对比（由于本次静载荷试验没有进行到破坏，因而在进行动静对比时使用设计极限承载力下的沉降来进行对比），6根桩在设计极限承载力下沉降的相对误差为4.9%～20.0%，都满足“PDA动力试桩与静载荷试验相比其误差一般在20%之内”的要求，因此，高应变检测在本工程是一种近似于静载荷试验精度的一种方法，在以后的工程桩检测时可用高应变检测来代替静载荷试验确定单桩极限承载力。

4.3 振冲碎石桩复合地基

振冲碎石桩桩长确定以穿透③层液化土层，进入④-1粉质粘土不小于1.0 m为原则。根据初步估算结构，确定试桩施工参数如下：

（1）布桩方式采用正三角形布置，桩间距2.4 m，设计桩径1.1 m。

（2）振冲器功率为75 kW；造孔水压0.4～0.5 MPa，制桩水压0.2～0.4 MPa；振密电流大于85～90 A；加密段长度30 cm。

（3）留振时间不小于15 s，桩头部分适当延长；每根桩振密时间不小于50 min。

（4）试验点静载荷试验结果见表5。

从以上载荷试验结果可以看出：经振冲加固后，地基土强度有明显的提高，地基承载力由强夯后的150 kPa提高到488 kPa；通过标准贯入试验检验，③-1层饱和粉细砂液化现象消除，说明在本工程中采用振冲碎石桩对地基进行加固处理是可行的。

表5 碎石桩复合地基静载荷试验结果Tab.5 The results of the static loading test of the compound vibro-replacement stone piled foundation

按单桩、桩间土载荷试验计算得复合地基承载特征值为509 kPa，比实际试验平均值460 kPa偏大，因此单桩复合地基承载力特征值按试验确定是安全可靠的。其中桩间土载荷试验承载力平均值488 kPa大于单桩复合地基承载力特征值460 kPa，分析原因是由于桩间土试验所影响深度为经过强夯振冲加固的①层吹填土，强度较高，而复合地基试验已影响到下伏较软的②层淤泥质粉质粘土。

5 评价及建议

（1）通过强夯实验和工程成功运用可以证明，对于填海造地地区表层松散、欠固结的吹填土采用强夯法进行加固处理效果显著。吹填土被密实、固结、消除液化的同时，承载力特征值由50 kPa提高到150 kPa，不仅能满足电厂施工机械和人员进场、材料堆放等施工场地的要求，同时强夯预处理后的地基可直接作为厂区道路、沟道、围墙、储煤场等构筑物持力层使用。

（2）对于类似本工程场地地基上的主厂房、烟囱等荷重较大、沉降要求较严的电厂主要建筑物采用预应力高强钢筋混凝土管桩是可行的，并且通过原体试验研究，为类似地层工程桩施工和检测提供了合理的参考手段，施工建议如下：

1）类似工程桩基采用φ600/130 mm预应力高强钢筋混凝土管桩时，建议施工采用D80的筒式柴油打桩锤，锤质量8.0 t。如采用导杆式柴油锤，从保证打桩质量及能量角度看，锤重宜适当提高。

2）施工时宜用水准仪、经纬仪随时检测垂直度，将桩的倾斜度控制在规范要求的1%以内。

3）在工程桩施工中发现当中间砂夹层的标贯击数大于40击时，沉桩有一定的困难，但通过采取适当的消除孔隙水压力等措施，完全能够满足施工要求。在工程桩施工时连续打桩间距不宜小于6 m，如果6 m之内布置有打入桩，可以在打桩结束24 h后再进行相邻桩体的施工。

4）根据高应变与单桩竖向静载荷试验对比结果可以看出，此类地层工程桩检测时可利用高应变检测来代替静载荷试验确定单桩极限承载力。

（3）对于厂区其他辅助生产建筑物采用振冲碎石桩复合地基消除下层粉细砂土的液化，同时提高地基承载力，处理效果明显，尤其是经过强夯后的桩间土对复合地基承载力的提高贡献显著。根据本工程施工经验，对同类工程施工建议如下：

1）振冲器下放速度不宜过快，以免造成桩体偏移或倾斜；施工后，恢复期不宜少于20天。

2）施工质量检测对于桩间土可采用标准贯入试验，对于桩体质量可采用重型动力触探试验。质量合格标准应为：在有效桩长内，每10 cm动探试验击数一般不宜小于20击；低于20击试验段不得连续出现3次，每根桩平均击数不宜小于30击/10 cm，对于复合地基，可采用单桩复合地基载荷试验和单桩载荷试验相结合进行检测。

6 结语

通过试验研究和工程实施验证，在填海造地地区根据火力发电厂各建筑物使用要求不同，分别采用强夯、预应力钢筋混凝土管桩或振冲碎石桩等多种手段对地基进行联合处理，从而达到不同的使用目标，获得很好的技术和经济效果，值得类似场地工程设计参考。

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