濕陷性黃土地基建構(gòu)筑物沉降監(jiān)測(cè)與地學(xué)解釋

魏國(guó)良 王 斌 廖文兵 孫文慶 忽 巍 羅衛(wèi)西

(1.陜西華電蒲城發(fā)電有限責(zé)任公司，陜西蒲城 715501;2.國(guó)家測(cè)繪局大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理中心，陜西西安 710054)

1 概述

陜西華電蒲城發(fā)電有限責(zé)任公司位于陜西省渭北平原的蒲城縣境內(nèi)。先后分三期建成，一期于1996年建成并投入使用，二期于2003年底投入運(yùn)營(yíng)，三期于2008年底投產(chǎn)，總裝機(jī)容量2 700 MW，是我國(guó)西北地區(qū)裝機(jī)規(guī)模最大的火力發(fā)電廠。廠區(qū)平均海拔約494.5 m，地基以濕陷性黃土為主。

2008年汶川地震波及到我國(guó)中西部多個(gè)省份，在強(qiáng)烈地震影響下，廠區(qū)內(nèi)的1號(hào)冷卻塔由于地表排水系統(tǒng)的破壞而造成濕陷性黃土地基自重濕陷沉降。本文以1號(hào)冷卻塔為例，首先介紹了嚴(yán)密的沉降監(jiān)測(cè)方法及其數(shù)據(jù)處理。其次介紹了由于工程自重和濕陷性黃土地基沉降量的計(jì)算方法。兩者在數(shù)值上僅相差3.39%，說(shuō)明采用的沉降觀測(cè)方法科學(xué)、結(jié)果可靠。

2 沉降監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)處理

2.1 沉降觀測(cè)點(diǎn)位設(shè)計(jì)

為了能夠反映出建(構(gòu))筑物的準(zhǔn)確沉降情況，沉降觀測(cè)點(diǎn)要埋設(shè)在最能反映沉降特征且便于觀測(cè)的位置。一般要求建構(gòu)筑物上設(shè)置的沉降觀測(cè)點(diǎn)縱橫向要對(duì)稱(chēng)，且相鄰點(diǎn)之間間距以15～30 m為宜，均勻地分布在建構(gòu)筑物的周?chē)ＴO(shè)計(jì)的點(diǎn)位如圖1所示。

2.2 變形觀測(cè)

①沉降觀測(cè)遵循“五定”原則進(jìn)行，即按照采用相同的觀測(cè)路線(xiàn)，使用同一儀器和水準(zhǔn)尺，固定觀測(cè)人員，在基本相同的環(huán)境和條件下工作的要求進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)周期為半年。

圖1 冷卻塔沉降點(diǎn)分布圖及基底壓力模型

②水準(zhǔn)控制網(wǎng)與國(guó)家一、二等水準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)聯(lián)測(cè)。冷卻塔控制網(wǎng)觀測(cè)路線(xiàn)嚴(yán)格遵循9－8－7－6－5－4－3－2－1－9。

③采用高精度的NI007水準(zhǔn)儀及配套的銦瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺按二等水準(zhǔn)觀測(cè)，采用閉合環(huán)加往返測(cè)進(jìn)行。

④水準(zhǔn)儀在每期作業(yè)開(kāi)始前按國(guó)家水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范規(guī)定的項(xiàng)目進(jìn)行全面系統(tǒng)的檢驗(yàn)。NI007為自動(dòng)按平水準(zhǔn)儀，每天檢校i角一次。水準(zhǔn)尺在出工前后分別檢驗(yàn)一次，如兩次檢驗(yàn)無(wú)明顯變化，取出工前后測(cè)值對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行改正［1-3］。

⑤由于障礙物遮擋及其他因素，在觀測(cè)過(guò)程中無(wú)法滿(mǎn)足單站前后視距差不超過(guò)1 m，累計(jì)視距差不超過(guò)3 m的測(cè)段應(yīng)考慮中轉(zhuǎn)或加測(cè)站的方法解決。

2.3 沉降計(jì)算與分析

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，經(jīng)檢查無(wú)誤計(jì)算出往返測(cè)高差不符值、外業(yè)高差與概略高程表及測(cè)段平均高差表。平差采用間接平差法進(jìn)行，按測(cè)站數(shù)定權(quán)。平差結(jié)果要求每公里偶然中誤差MΔ≤±0.3 mm，否則需重測(cè)或補(bǔ)測(cè)。表1為9個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)的沉降量。

采用9個(gè)支墩點(diǎn)沉降量的數(shù)學(xué)平均值作為冷卻塔的整體沉降量

表1 冷卻塔觀測(cè)點(diǎn)沉降量統(tǒng)計(jì) mm

3 工程地質(zhì)沉降

冷卻塔總高131.84 m，其中10 m以上為鋼筋混凝土雙曲線(xiàn)筒體結(jié)構(gòu)，筒頂直徑51.834 m，筒底直徑88.844 m，下部10 m為鋼筋混凝土框支結(jié)構(gòu)，共36對(duì)鋼筋混凝土圓形截面柱，柱底為鋼筋混凝土環(huán)形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)寬5 m，基礎(chǔ)深3.0 m，基底以下為6 m厚2∶8灰土墊層。

在計(jì)算工程地質(zhì)沉降量前，必須要進(jìn)行地基土承載力驗(yàn)算和地基土變形驗(yàn)算。由于篇幅所限，這里不加推導(dǎo)的給出對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式和結(jié)果。

3.1 冷卻塔地基土承載力驗(yàn)算

根據(jù)冷卻塔結(jié)構(gòu)計(jì)算塔體基礎(chǔ)以下2∶8灰土墊層底總荷載為

式中 P——灰土墊層底面總荷載/kPa;

P1、P2、P3——分別為地面10 m 以上塔體、地面至 10 m高度范圍支撐柱及灰土墊層底至地面的重量/kPa。

巖土工程勘察結(jié)果說(shuō)明冷卻塔灰土墊層下持力層地基土的承載力特征值:fk=170 kPa

由此可知:P=170.4 kPa＜1.1fk=187 kPa

結(jié)果表明:現(xiàn)地基土承載力能滿(mǎn)足上部結(jié)構(gòu)荷載承載力要求。

3.2 冷卻塔地基土變形驗(yàn)算

地基總沉降量包括由上部結(jié)構(gòu)荷載引起的固結(jié)沉降量S1和因浸水引起的濕陷沉降量S2兩部分。S1可按分層總和求得。

(1)固結(jié)沉降量S1計(jì)算

①基底壓力計(jì)算

基底附加壓力計(jì)算為式中:P為基底平均壓力，σc為基底中心點(diǎn)處自重應(yīng)力，F(xiàn)k為上部結(jié)構(gòu)總荷載，Gk為基礎(chǔ)及其上回填土總重。

按照基底壓力模型計(jì)算的基底附加壓力:P0=P－σc=145.32－54.00=91.32 kPa

②各分層沉降量計(jì)算

將環(huán)形基底均布荷載近似以36個(gè)集中荷載F代替。采用布辛奈斯克解計(jì)算各計(jì)算點(diǎn)處附加應(yīng)力，計(jì)算點(diǎn)沿集中荷載作用處向下選取。計(jì)算點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。此處取其中一個(gè)集中荷載作用下的計(jì)算點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，其余集中荷載作用下的計(jì)算與此相同。

圖2 計(jì)算點(diǎn)分布(單位:m)

各分層計(jì)算點(diǎn)沉降量計(jì)算

③總固結(jié)沉降量計(jì)算

當(dāng)計(jì)算點(diǎn)處豎向附加應(yīng)力和自重應(yīng)力滿(mǎn)足σzi＜0.2σci時(shí)，可停止計(jì)算。固結(jié)沉降計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 固結(jié)沉降計(jì)算

當(dāng) Z=7.4 m 時(shí)，0.2σc=38.64 kPa＞30.87 kPa，滿(mǎn)足計(jì)算深度要求，所以可停止計(jì)算。計(jì)算沉降量S'1=120.89 mm，表中0點(diǎn)計(jì)算深度對(duì)應(yīng)高程為－3.0 m。

由沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)［4］ψs=0.788計(jì)算該地基土在上部荷載下產(chǎn)生的沉降量 S1=ψSS1'=0.788×120.89=95.26 mm。

(2)浸水濕陷沉降量計(jì)算

①原地基土計(jì)算自重濕陷量Δzs

根據(jù)原勘察報(bào)告，自然地面下35 m范圍內(nèi)存在濕陷性，原設(shè)計(jì)施工的處理深度為15.4 m，還有19.6 m濕陷性土層未處理，遇水浸入會(huì)發(fā)生自重濕陷性變形沉降。該自重濕陷沉降量按公式計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3［4］。

表3 自重濕陷沉降量計(jì)算

②浸水引起的濕陷沉降量S2

由巖土工程勘查可知冷卻塔剩余濕陷沉降量為Δs=103 mm。所以由浸水引起的濕陷沉降量為

(3)總沉降量計(jì)算

由前述計(jì)算結(jié)果可知冷卻塔最終的沉降量［5］

計(jì)算結(jié)果表明:陜西華電蒲城發(fā)電有限責(zé)任公司的冷卻塔沉降，主要由于地表水的滲透而導(dǎo)致濕陷性黃土地基產(chǎn)生濕陷變形，從而引起建筑物基礎(chǔ)發(fā)生較大量的不均勻沉降。沉降監(jiān)測(cè)的沉降量與工程地質(zhì)沉降量?jī)烧咴跀?shù)量上僅相差3.39%。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)濕陷性黃土地基上的建構(gòu)筑物的沉降觀測(cè)和地質(zhì)勘察兩種方法計(jì)算出建筑物的沉降量一致，說(shuō)明濕陷性黃土地貌上的建構(gòu)筑物的沉降量主要由于地表水(雨雪水及地下管網(wǎng)滲漏水)的滲透而導(dǎo)致建筑物發(fā)生較大量的不均勻沉降。嚴(yán)格排查地表水的滲透點(diǎn)成為解決建筑物沉降關(guān)鍵。且相比而言，沉降觀測(cè)費(fèi)用小、測(cè)量周期短、高精度等特點(diǎn)降低了工程造價(jià)。另外該方法也可適用于城市地面沉降觀測(cè)、濕陷性黃土地貌無(wú)碴鐵路軌道的鋪設(shè)等。

［1］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．GB/T 12897—2006 國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范［S］．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006

［2］ 江丹．浙江省杭嘉湖平原地面沉降分析［J］．測(cè)繪通報(bào)，2008(7):13-15

［3］ 楊林浩．鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)路基工程沉降觀測(cè)方案［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2006(7):10-13

［4］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．GB50025—2004 濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范［S］．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004

［5］ 陜西西科建筑加固改造工程有限公司．陜西華電蒲城發(fā)電有限責(zé)任公司一期主廠區(qū)沉降處理技術(shù)方案［R］．西安:西科建筑加固改造公司，2011