寧德核電廠一期地基處理工程堆載試驗分析

冷春勇，季宏明

（1.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518031；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程交通行業重點實驗室，天津市港口巖土工程技術重點實驗室，天津 300222）

1 引言

寧德核電廠位于福建省福鼎市山區，廠址地貌為丘陵地貌。核電廠的建設需要大面積的施工場地，鑒于廠址地貌的特點，造成施工場地嚴重不足，并嚴重影響到工程的整體進程，為此，需在廠區的西部填海造陸47萬m2，盡早提供施工場地，以解決場地不足影響工程進程的瓶頸問題。

填海造陸實質就是堆載預壓加固工程，堆載過程中地基的穩定與否是能否盡早提供場地的關鍵。由于在本地區無堆載預壓加固地基的經驗，在填海造陸區內布設了一個50m×50m的堆載試驗區，以驗證原設計指標，并取得適合本工程的堆載過程穩定控制指標，為指導后續大面積堆載的施工，保證堆載過程中地基的穩定，盡早提供工程場地服務。

2 工程設計情況概述

試驗區陸域形成采用回填開山石（土）方式，回填造陸交工標高為+9.5m，設計提出的技術要求如下：

2.1 施工要求

（1）地基采用塑料排水板+堆載預壓加固方式。

（2）水平排水通道采用中粗砂，含泥量小于5%。

（3）塑料排水板采用C型板，正方形布置，間距1.0 m，深度以打穿淤泥層為準。

（4）砂墊層表面鋪土工布1層，600 g/m2、150 kN/m；土工布上鋪土工格柵1層，150 kN/m。

（5）堆載分3層填筑，每層3.5m。

（6）加載間歇期：塑料排水板打設完成后間歇60 d施加第1級荷載；第1級加載完成后間歇60 d施加第2級荷載；第2級加載完成后間歇15 d施加第3級荷載。

（7）場地交工標高+9.5m，承載力特征值不小于100 kPa，壓縮模量不小于6MPa。

2.2 監測、檢測要求

（1）監測儀器：孔隙水壓力儀、分層沉降、測斜儀、地表沉降盤。

（2）檢驗：加固后取土及室內試驗、加固前后十字板試驗。

（3）監測頻率：堆載期每天觀測1次；間歇期第1周每2天觀測1次，之后每周觀測1次。

2.3 加載期穩定控制指標

（1）加載后第3天，地表最大沉降速率控制標準[Smax]＜30mm/d。

（2）最大水平位移速率控制標準 [Mmax]＜10mm/d。

（3）超靜孔隙水壓力系數控制標準 [Af]≤0.6。

3 工程地質條件

試驗區原始地面標高+1.5m，鋪設砂墊層后的砂面標高+3.0m。根據天津港灣工程質量檢測中心加固前取土及室內試驗成果，地基土各土層物理力學指標如表1。

表1 地基土各土層物理力學指標統計表

由表1可知，地基加固處理范圍內的原始地基土屬于低強度、高壓縮性的軟粘土，尤其是表層2m范圍內，地基原始十字板強度為6.3～10.6 kPa，給堆載預壓盡快完成、盡早提供施工場地帶來極大困難。

4 堆載預壓試驗區監測、檢測方案

根據設計技術要求及堆載預壓試驗區的試驗目的確定試驗區監測、檢測方案如下：

（1）監測方案

①埋設孔隙水壓力1孔，根據各級加載孔隙水壓力觀測結果，探索適合本場地的不同土層的孔隙水壓力系數。

②埋設地表沉降盤5塊，根據各級加載地表沉降觀測結果，確定適合本場地的各級加載沉降速率控制指標。

③埋設深層側向位移1孔，確定適合本場地的加載過程位移速率控制指標。

④埋設深層分層沉降1孔，掌握地基沉降沿著原始地基深度的變化情況，判斷排水板打設深度是否合理。

（2）檢測方案

①加固前后原狀取土孔各布置1孔，通過加固前后物理、力學指標對比，判斷地基加固效果。

②加固前后十字板試驗孔各布置1孔，根據加固前后的強度指標對比，再結合監測成果，確定各土層的強度增長參數。

③進行加固后載荷板試驗，確定場地承載力特征值及壓縮模量，判斷場地是否滿足要求。

根據上述方案布置監測、檢測項目如圖1、圖2。

圖1 試驗區監測、檢測平面布置圖

圖2 監測儀器斷面布置圖

5 試驗區堆載過程控制及加固效果評價

5.1 堆載預壓過程控制

5.1.1 分級加載厚度、間歇期控制

試驗區加載過程如表2及圖3。

由試驗區地質情況可知，原始地基強度極低，按照設計采用的3級加載，每級加載厚度3.5m方案實施較為困難，經監測儀器對加載過程動態控制，確定最終合理的加載分級為6級，每級加載厚度1.5～2.0m，各級加載的間歇期為40～45 d，總加固期190 d。

圖3 試驗區堆載P-t曲線

表2 試驗區各級加載情況一覽表

5.1.2 地表沉降速率控制

試驗區6級加載，加載期沉降速率結果統計如表3。

表3 試驗區各級加載沉降速率統計表

由表3，各級加載完成后，第1天的沉降速率為26～84mm/d，第3天的沉降速率為12～22mm/d，隨著時間的增長，地表沉降速率均出現明顯的收斂，加載過程中，原始地基是穩定的。

5.1.3 孔隙水壓力系數

在堆載預壓工程中，超靜水壓力增量的累計值/累計荷重的比值具有相對恒定的特點，因此在堆載預壓加固工程中，常將該值，即超靜孔隙水壓力系數作為保證加載過程地基穩定、控制加載速率的重要指標。

從第1級加載開始作為荷載的0點，整理累計荷載P和累計孔隙水壓力增量∑Δu的關系曲線如圖4。

由圖4，對不同性質的土層的孔隙水壓力系數進行統計，+1.5～-10.5m范圍淤泥層的孔隙水壓力系數為0.768 8～0.807 2，平均為0.79；-10.5～-15.5m范圍淤泥質土的孔隙水壓力系數為0.611 6～0.793 3，平均為0.70。

圖4 荷載-孔壓累計增量關系曲線

5.1.4 位移速率控制

位移速率也是控制堆載預壓加載速率的重要指標。根據深層水平位移觀測結果進行統計，結果如表4。

表4 深層水平位移觀測結果統計表

表4中，在第2級加載時，最大位移量相對第1級變小，是由于第1級荷載加完后，在側向位移的外側進行拋砂作業，使水平位移產生了位移總量的內移造成的。

各級加載位移速率最大值為14.1～128.4mm/d，位移速率很大，但根據其他監測數據，如沉降、孔壓等來看，地基處于正常加固狀態，故判定其沒有發生剪切破壞。鑒于試驗區深層水平位移觀測結果，位移速率作為大面積加載時控制加載速率的控制指標，可以適當放寬，即：1～4級加載位移速率的最大值可以調整為 [Mmax]＜30mm/d；5級及其以上加載按 [Mmax]＜15mm/d控制。

5.2 堆載預壓加固效果評價

5.2.1 地基沉降

（1）地表沉降

根據試驗區地表沉降的觀測結果，繪制加載厚度-沉降-時間關系曲線如圖5。

圖5 加載厚度-沉降-時間關系曲線

由觀測結果，試驗區經堆載預壓加固，地表沉降為2 002～2 645mm，平均沉降2 469mm，消除地基沉降明顯；由沉降曲線，推算地基土的固結度為81.2%～91.6%，平均固結度為86.2%，消除了地基的大部分沉降量。根據試驗區地質情況，-15.5m高程以上淤泥及淤泥質土厚度17m，地基土的壓縮率為14.52%。

（2）分層沉降

試驗區深層分層沉降結果如圖6。

圖6 試驗區分層沉降-深度關系曲線

由圖6，地基200.2 cm的總沉降量中，排水板區壓縮量為183.7 cm，排水板以下沉降量為16.5 cm，排水板區的加固效果良好，排水板以下還有一定的沉降量，但其總量僅占實測總壓縮量的8.2%。

5.2.2 檢驗

（1）物理力學指標改善

試驗區加固前后的取土室內試驗結果對比如表5。

表5 加固前后物理力學指標對比表

由表5，經加固前后物理力學指標對比可知，經過地基加固，地基土的含水量、孔隙比、壓縮系數明顯降低，重度、壓縮模量、快剪的粘聚力和內摩擦角明顯增加，加固效果顯著。根據地基土強度增長情況，估算地基土+1.5～-10.5m淤泥層固結快剪摩擦角為10°，-10.5～-15.5m淤泥質土層的固結快剪摩擦角為9.8°。

（2）地基承載力

為檢驗加固后地基承載力，于區內進行了承載力試驗，板寬2m。經檢驗，試驗區地基承載力特征值f ak=140.3 kPa，壓縮模量E0=11.6MPa，滿足設計要求（f ak≥100 kPa，E0≥6MPa）。試驗結果如圖7。

圖7 試驗區載荷板試驗P-S關系曲線

6 大面積施工區堆載地基穩定理論計算

由于試驗區地質條件的局限性，按照大面積堆載預壓加固區的物理力學指標的統計結果，進行了大面積施工區堆載地基的穩定理論計算。計算中的有關參數借鑒試驗區相關參數，并考慮地基在堆載過程中的強度增長。

地基穩定計算采用四種工況，略去先期加載的穩定計算結果，現將其最后一級加載的穩定分析計算繪于圖8。

圓弧滑動穩定計算的安全系數按照《港口工程地基規范》（JTJ250—98）5.4.1節確定，在采用十字板抗剪強度指標時，系數取1.1～1.3。按照安全系數取1.1的最低值計，經過計算，為確保后續大面積加載時的邊坡穩定，各加載級間至少應留3m鎮壓平臺，以確保加載過程地基穩定。

圖8 4種工況最后一級加載的穩定計算分析

7 結論

試驗區加固后地基滿足設計要求。

根據試驗區監測、檢測成果及加載過程中穩定理論計算結果，對大面積堆載預壓施工控制可以進行必要的調整，具體如下：

（1）塑料排水板打設完畢后的間歇期維持60 d不變，加載過程的各級加載間歇期不小于40 d。

（2）各級加載級間留出不小于3m的反壓平臺。

（3）各加荷級厚度取1～2m，考慮到原始地基表層土強度較低，第1級加載取小值。

（4）加載過程中的穩定控制指標，除沉降速率的控制指標外，其余兩項指標可適當放寬：孔隙水壓力系數在淤泥土層取0.79，在淤泥下部的淤泥質土層取0.70；在前4級加載中，位移速率可適當放寬至 [Mmax]＜30mm/d，5級以上加載的位移速率可放寬至 [Mmax]＜15mm/d。

[1] 《地基處理手冊》編委會.地基處理手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1988.

[2] 孔德金，苗中海.軟粘土抗剪強度增長規律[J].巖土工程學報，1999，21（6）：757-759.

[3] 錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算（第二版）[M].北京：中國水利水電出版社，1996.

[4] JGJ79-2002.建筑地基處理技術規范[S].

[5] JTJ250-98.港口工程地基規范[S].