碎石墊層在百萬千瓦級機(jī)組主廠房地基處理中的應(yīng)用

劉志偉， 楊生彬

(西北電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710032)

碎石墊層在百萬千瓦級機(jī)組主廠房地基處理中的應(yīng)用

劉志偉， 楊生彬

(西北電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710032)

碎石墊層具有壓實(shí)性能好、填筑密度大、抗剪強(qiáng)度高、變形小、承載力高等特性。鄒縣電廠百萬千瓦級機(jī)組主廠房地基采用碎石墊層換填方案，通過試驗(yàn)確定了合理的施工工藝和設(shè)計(jì)參數(shù)。本文以建筑物沉降觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，詳細(xì)分析了碎石墊層地基建筑物的沉降與變形特征，采用三維數(shù)值模擬分析了墊層地基的變形和受力特征。

碎石墊層；主廠房；沉降分析；數(shù)值模擬。

1 工程概況

華電國際鄒縣發(fā)電廠位于山東省鄒城市，四期工程建設(shè)兩臺百萬千瓦超超臨界機(jī)組。工程場地較好的地基持力層埋藏較深，主廠房等主要建(構(gòu))筑物采用天然地基不能滿足設(shè)計(jì)要求。碎石墊層、灌注樁等在技術(shù)上均可行，且各有其優(yōu)缺點(diǎn)。綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、工期、環(huán)境等方面的因素，主廠房等主要建(構(gòu))筑物地基采用碎石墊層方案具有明顯的優(yōu)勢。

2 廠區(qū)巖土工程條件

工程場地地貌上屬于山前沖洪積平原與河流沖積平原的過渡地帶，總體上呈現(xiàn)東高西低之勢。地層共分為三大層和數(shù)個(gè)亞層及次亞層，其中第一、第二大層為第四系松散堆積物，一般厚度26～50m，其下伏地層為石炭～二迭系基巖，詳見表1。

地下水類型屬孔隙潛水，主要來源為山前洪積平原和河流沖積平原上游地下水的側(cè)向補(bǔ)給，以及大氣降水補(bǔ)給等，地下水位埋深為0.56～2.36m。

表1 廠區(qū)地層分布

3 碎石墊層碾壓試驗(yàn)與施工

碎石墊層采用人工級配碎石料，混合碎石料和石粉的拌合比例為6∶1～7∶1，最大粒徑80mm，60～80mm的含量控制在10%左右，小于5mm顆粒控制在25%±3%。

碎石的不均勻系數(shù)Cu為33.6～118.2，平均64.2。曲率系數(shù)Cc介于3.0～12.0，平均6.7；粘粒含量0.2～1.1，最大干密度為2.24g/cm3。

試驗(yàn)使用的碾壓設(shè)備工作質(zhì)量為12T，激振力為243.4kN，振動頻率31.7Hz，機(jī)械行走速度2km/h。單層虛鋪厚度400mm，每層首先平碾一遍，再振動碾壓5～6遍；碾的擺幅寬度為2/3碾寬，即壓茬1/3碾寬。

試驗(yàn)區(qū)墊層碾壓施工完成后，采用平板載荷試驗(yàn)進(jìn)行承載力檢測，承壓板面積0.5m2，試驗(yàn)曲線見圖1。從圖1可以看出，試驗(yàn)加載至1400kPa，P～s曲線呈線性變化，試驗(yàn)未進(jìn)入極限狀態(tài)，表明碎石墊層承載力特征值不小于700 kPa，變形模量117.8～153.4MPa，平均值132.0 MPa。

工程中主廠房區(qū)碎石墊層施工厚度3.0m，經(jīng)檢測，壓實(shí)系數(shù)0.98，承載力特征值不小于700 kPa，變形模量117.0 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1 碎石墊層載荷試驗(yàn)P～s曲線

4 建筑物沉降觀測分析

鍋爐、主廠房在施工期間及投產(chǎn)后均進(jìn)行了沉降觀測，兩臺機(jī)組全部投產(chǎn)后194天的沉降觀測量不超過1mm，說明建筑物沉降穩(wěn)定。

各建筑物的沉降觀測值見表2、圖2～圖3。

表2 各建筑物沉降觀測值

沉降觀測數(shù)據(jù)表明，施工期間的沉降量占總沉降量90%以上，施工期間完成了大部分沉降且變形均勻，墊層的工后沉降變形很小。建筑物總沉降量很小且沉降均勻，說明墊層的抗變形能力和應(yīng)力擴(kuò)散能力強(qiáng)，能有效的控制下臥層的壓縮變形。

圖2 7#鍋爐沉降觀測點(diǎn)平均沉降曲線

圖3 7#主廠房觀測點(diǎn)平均沉降曲線

5 三維數(shù)值模擬

運(yùn)用快速拉格朗日有限差分法對主廠房砂礫石墊層地基進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。模型平面尺寸根據(jù)基礎(chǔ)尺寸及其與相鄰基礎(chǔ)之間的位置關(guān)系確定，模型高度考慮了碾壓墊層地基的受力影響范圍，一般獨(dú)立基礎(chǔ)取墊層底標(biāo)高向下1.5b(b為基礎(chǔ)寬度)深度范圍為模型高度下限，本工程取至砂層層頂。模型簡圖見圖4。

圖4 物理模型簡圖

根據(jù)物理模型，結(jié)合巖土工程勘察報(bào)告及碾壓墊層試驗(yàn)報(bào)告，綜合選取相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)，計(jì)算范圍內(nèi)的土層參數(shù)和墊層參數(shù)見表3、表4。

表3 土層參數(shù)

表4 墊層參數(shù)

主廠房墊層豎向變形數(shù)值計(jì)算表明，墊層豎向變形最大值為39.74mm，位于墊層的中心區(qū)域，即基礎(chǔ)接觸部位。從平面上看，墊層變形由中心向四周呈衰減趨勢，而在豎向分布上則是從墊層頂面向下衰減。由壓力擴(kuò)散理論可知，基底壓力在墊層內(nèi)部將以一定的壓力擴(kuò)散角向墊層深部傳遞，但其強(qiáng)度是遞減的，而變形的趨勢正好表明了墊層的的這種受力機(jī)理。

墊層下臥層變形見圖5，可以看出下臥層與墊層接觸部位的變形較大，在模型計(jì)算深度范圍內(nèi)呈衰減趨勢，土層深部變形很小，基本可以忽略。墊層中監(jiān)測變形最大值為39.74mm，而下臥層的變形最大值為35.02mm，占整個(gè)變形量的88.1%，可見墊層自身的變形量很小，說明墊層鋪設(shè)過程中經(jīng)充分碾壓后，在施工過程中已基本完成了自身的固結(jié)變形，殘余變形很小。

圖5 主廠房墊層下臥層豎向變形等值線圖

根據(jù)實(shí)測沉降值，對影響變形的土層參數(shù)進(jìn)行反分析計(jì)算，即以實(shí)測沉降值為目標(biāo)值，來反算滿足實(shí)測沉降要求時(shí)各參數(shù)的值。墊層的最終變形主要是下臥層的變形，因此主要針對下臥層的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，主要影響參數(shù)包括土層的模量及C、φ值，結(jié)果見表5。

表5 與實(shí)測值對比及參數(shù)反分析

6 結(jié)語

鄒縣電廠四期工程主廠房等主要建(構(gòu))筑物采用碎石墊層換填方案，地基處理是成功的。沉降觀測數(shù)據(jù)表明，施工期間完成了大部分沉降且變形均勻，墊層的工后沉降變形很小。建筑物總沉降量很小且沉降均勻，墊層的抗變形能力和應(yīng)力擴(kuò)散能力強(qiáng)，能有效的控制下臥層的壓縮變形。

三維數(shù)值模擬結(jié)果很好地反映了墊層地基的變形和受力特征，砂礫石填料在經(jīng)過充分的分層碾壓后，其自身的變形很小，包括工后沉降在內(nèi)的總體沉降中墊層下臥層的變形占有很大的比重。因此，對于變形控制嚴(yán)格的建筑，應(yīng)以有效控制下臥層的變形為主。

[1]西北電力設(shè)計(jì)院.華電國際鄒縣發(fā)電廠四期(2×1000MW)工程碎石碾壓墊層試驗(yàn)報(bào)告[R].2004.

[2]西北電力設(shè)計(jì)院.砂礫石碾壓墊層的工程性能與應(yīng)用研究[R].2009.

Application of Sand-gravel Cushion Replacement Method in Main Building of 1000MW Unit Power Plant

LIU Zhi-wei, YANG Sheng-bin
(Northwest Electric Power Design Institute, xi’an 710032, China)

Sand-gravel cushion has some engineering characteristics of good compactibility, great fi lling density,high shear strength, less settlement and high bearing capacity etc. The program of sand-gravel cushion is used to the main building ground treatment of Zouxian 1000MW unit power plant, and a reasonable construction technology and design parameters are con fi rmed through testing. Based on the subsidence observation data of the buildings, the settlement and deformation characteristics of the building with sand-gravel foundation is analyzed in detail, and the settlement and mechanical characteristics of cushion foundation is analyzed by the method of three-dimensional numerical simulation.

sand-gravel cushion; main building; ground treatment; settlement analysis; numerical simulation.

P642

B

1671-9913(2010)02-0012-04

2009-12-07

劉志偉(1971-)，男，山西人，國家注冊土木工程師(巖土)，高級工程師。