馬六甲海峽某電廠濱海軟弱地基的工程特性及樁基分析

王芳蓉

(四川省電力設計院，四川 成都 610072)

馬六甲海峽某電廠濱海軟弱地基的工程特性及樁基分析

王芳蓉

(四川省電力設計院，四川 成都 610072)

在馬六甲海峽高烈度環境的濱海深厚軟弱地基條件下，存在地基工程力學性質、樁基持力層以及樁體的軸向承載力和橫向荷載反應等諸多地基與基礎設計問題。本文在軟弱地基的工程力學性質分析研究基礎上，通過樁體軸向承載力及橫向荷載反應分析，確定樁端持力層的地基層位，獲得該地基條件下不同規格鋼管樁和混凝土管樁，在樁頂固定情況下的容許彎矩、容許彎矩產生的橫向荷載以及橫向荷載引起的樁頂移位等分析計算成果。為該特定的深厚軟弱地基條件下的基礎設計，提供可靠的技術依據。

軟弱地基；剪切波速；剛度系數；樁基。

1 概述

擬建的某電廠位于馬六甲海峽南部濱海平原，地處Sunda Arc.洋與印度洋板塊之間的桑達蘭歐亞克拉通板塊西南部，屬于澳印克拉通板塊的組成部分。蘇門答臘島西側的印度洋地殼，沿N23oE方向、約以7 cm/year的速度、以60o俯角向蘇門答臘西南海岸的Sunda海溝俯沖(Hamilton, 1979; Curray et al, 1979)。

據已有的研究資料分析，工程場地位于Sumatera島弧后盆地擴散型地震區，屬建筑抗震不利地區。根據地震危險性概率分析獲得的最大加速度為0.1 g-0.15 g。按地震危險性周期500年、設計年限50年超越概率10%考慮，該場地的最大地震加速度應為0.15 g。

在該高烈度環境的濱海深厚軟弱地基條件下，存在地基工程力學性、樁基持力層以及樁體的軸向承載力和橫向荷載反應等諸多地基與基礎設計問題。

2 地基土層的地質結構特征

該火力發電廠位于濱海沼澤地段，地基土層主要由深厚的(60m深鉆孔仍未穿透)海相淤泥質軟土構成，其特殊的工程地質性質主要表現在以下幾方面。

⑴地基土層由全新世海灣泥沼相、晚更新世濱海相兩個沉積旋回、四個沉積亞層組成(表1)。地基淺表層含有貝殼等生物碎屑，并夾有薄層淤泥(或泥炭)、細砂夾層及透鏡體。

沉積旋回 分層 埋深 /m 工程地質特征 鉆孔巖芯照片淤泥質粘土 0.00～19.00 軟塑～可塑、飽和，含少量貝殼碎片，夾松散～中密淤泥質細-中粒石英砂透鏡體。①Q4海灣泥沼相沉積②含淤泥質中-細粒砂14.00～39.00 中密～密實(局部松散)、飽和，含淤泥及少量貝殼碎片，夾淤泥質粘土。③粘土夾淤泥質土30.00～53.00 硬可塑、飽和，夾薄層淤泥質細砂及砂質淤泥，底部少量細砂、有機質及貝殼碎片。Q3濱海相沉積④含泥質中-粗砂≥50.45 細-粗粒，中密～密實，以次棱角石英為主，含少量貝殼碎片、硬塑粘土及淤泥夾層。

表1 地基土的地質結構特征

⑵地基土層處于高飽和狀態，淺層淤泥質粘土的天然孔隙比e一般大于1.24，壓縮指數較大(Cc= 0.53～1.80)，滲透系數一般小于10-6cm/s，觸變性及流變性較顯著。這些特性導致地基土具有變形量大且持續時間較長的不良性質[2]。

⑶地基土層的力學強度總體上較低(表2)。尤其是淺表層淤泥質粘土的抗剪強度較低，粘聚力c=11.0～40.0 kPa、內摩擦角φ′=1.7～12.4o。SPT-N值(標準貫入) 普遍很低，大部分小于1。

表2 地基土層主要力學指標

⑷統計分析的變異系數δ顯示(表3)，雖然地基土層物理性質參數的收斂性較好，但是力學性質指標的離散性卻較大。顯然，地基土層物理力學性質的不均勻性極為明顯。

表3 主要物理力學參數的統計變異系數δ

3 地基工程力學特性

⑴地基土的剪切波速與卓越周期

根據標準貫入SPT-N值實測值，按海相軟土地基剪切波速vS(m/s)的下列工程經驗，獲得地基剪切波速分析值(表4)。

淤泥質土：vS=αN0.324；粘土：vS=βN0.55；砂土：vS=γN0.324；動力基礎：vS=α′(118.59+0.46N+2.17Z)式中α、β、γ及α′均為與工程經驗有關的系數)。

表4 地基土剪切波速vS計算成果

卓越周期T是場地地基條件的一種固有特性。工程設計中應使建筑物的結構自振周期避開地基的卓越周期，防止因二者相近而產生的共振效應[3]。根據地基土層的剪切波速vsi，按相應的分析獲得地基卓越周期計算值T=1.67(計算深度取60m)。

⑵地基砂土液化問題

根據PT. Manunggal工程公司提供的《土層勘察分析報告》中有關地基砂層的地質描述、物理性質試驗參數和標準貫入測試數據等指標，從液化勢的宏觀(地基土的地質結構、砂層的粘粒含量、砂層的埋藏條件與地震地質特征)及微觀(標準貫入臨界值Ncr判據、臨界剪切波速vscr判據)兩方面判定準則分析，我們認為“在設計年限50年期間超越概率10%、場地最大地震加速度0.15 g的條件下，地基上部薄砂層可能發生液化，15 m深度以下的中密及密實砂層，多數SPT-N值超過30，不大可能發生液化。”

⑶地基土層的平均剪切模量

根據土層的剪切波速vsi、天然密度ρi及厚度di等參數，計算地基土層的平均剪切模量G(MPa)見表5。)

表5 場地土層平均剪切模量計算成果

⑷地基剛度系數

在缺乏現場動測試驗資料的情況下，首先根據天然地基承載力的特征值fak和已有工程經驗，確定抗壓剛度系數Cz。然后確定抗剪剛度系數Cx=αCz、抗彎剛度系數Cφ=βCz及抗扭剛度系數Cψ=ξCz(α、β及ξ均為與工程經驗有關的系數)。

表6為該擬建場地地基土剛度系數的分層計算值，場地綜合值應根據具體的基礎底面積按下式計算：

式中：hi為基礎底面至第i層土底面的深度(m)；hi-1為基礎底面至第i-1層土底面的深度(m)；hd為基底影響深度，hd=2 A(m)(A為基礎底面面積(m2))。

表6 地基剛度系數計算成果

⑸樁基剛度系數

經相關分析及同類地基的工程經驗，樁基剛度系數按表7取值。據此分析，地基第②層中—下段中密狀細—中砂層及其下伏地層，樁周土當量抗剪剛度系數及樁端土當量抗壓剛度系數均明顯大于上覆淺表土層。

表7 樁基剛度系數

4 樁基分析

⑴樁體軸向承載力

為滿足設計需要，我們根據樁體荷載分析成果，繪制了混凝土管樁及鋼管樁的極限軸向承載力(抗壓及抗拔)與樁體置入深度的典型關系曲線。考慮到業主的技術要求，計算分析按美國石油組織(API)推薦的2A-WSD (RP 2A-WSD)標準執行。

分析成果顯示(圖1及圖2)，當樁端達到第②層中密砂層(SPT-N值在20至40之間)時，樁體的軸向承載力顯著增加。顯然應選擇該層作為樁端持力層。表8是各鉆探點的混凝土灌注樁(BH-03至BH-08)和鋼管樁(BH-01至BH-08)的最大置入深度分析成果。

圖1 BH03鉆孔鋼管樁軸向承載力與樁體置入深度關系曲線(PC500等為樁徑)(右圖-標貫；中圖-極限抗壓力kN；左圖-極限抗拔力kN)

圖2 BH03鉆孔鋼筋混凝土管樁軸向承載力與樁體置入深度關系曲線(PC500等為樁徑)(右圖-標貫；中圖-極限抗壓力 kN；左圖-極限抗拔力kN；橫坐標-軸向承載力kN)

表8 樁體最大置入深度計算分析成果

⑵樁體橫向荷載反應

為了分析樁體對側向載荷的反應，我們采用p-y法分析樁體承受的橫向載荷，分析時設定樁頂固定、樁頂高度(+3.500mMSL)固定不變。圖3及圖4為樁體承受的橫向載荷的典型分析成果。

圖3 BH03鉆孔鋼管樁側向載荷反應分析曲線(PC500等為樁徑)(上圖-樁頂位移cm；下圖-側向容許彎矩kN.m；橫坐標-側向荷載kN)

圖4 鋼筋混凝土管樁側向載荷反應分析曲線(PC500等為樁徑)(上圖-樁頂位移cm；下圖-側向容許彎矩kN.m；橫坐標-側向荷載kN)

樁的橫向承載力是由樁體頂部的最大容許移位和樁體橫截面結構承載力所決定的，即該條件下的最大容許彎矩。根據上述樁體側向載荷反應分析，獲得該地基條件下不同規格的鋼管樁和混凝土管樁，在樁頂固定情況下的容許彎矩、容許彎矩產生的橫向荷載以及橫向荷載引起的樁頂移位等分析計算成果(表9)。

表9 樁體容許彎矩、橫向承載力和頂部移位計算成果

5 結論

⑴在東南亞沿海地區的電力工程建設中，受軟弱地基條件的復雜性和當地技術條件局限性的制約，地基測試及試驗數據的收斂性存在一定問題。有效的工作方法應是，首先通過相應的數理統計分析，謹慎考察地基測試及試驗數據的可靠度，據此進一步分析其工程特性指標，為基礎設計與施工提供可靠的科學依據。

⑵分析成果顯示，當樁端達到工程力學性質較好的第②層中密砂層時，樁體的軸向承載力顯著增加。故應選擇該層作為樁端持力層。

⑶樁的橫向承載力取決于建筑頂部最大容許移位和樁體橫截面結構承載力，即該條件下的最大容許彎矩。根據樁體橫向荷載反應分析，可獲得不同規格樁體的最大容許彎矩、容許彎矩產生的橫向載荷以及橫向載荷引起的樁頂移位理論值。該計算成果可作為建筑基礎設計的參考依據。

[1]張倬元，王士天，王蘭生．工程地質分析原理(第3版)[M]． 北京：地質出版社，2009．

[2]孔德坊．工程巖土學[M]．北京：地質出版社1992．

[3]王士天．復雜環境中地質工程問題分析的理論與實踐[M]．成都：四川大學出版社，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，碩士，高級工程師，長期從事電力工程勘察設計及研究工作。