黑龍江某變電站膨脹土分析與評(píng)價(jià)

邢廣銳

(黑龍江省電力勘察設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150078)

膨脹土是土中黏粒成分，主要由親水性礦物組成，同時(shí)具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性的黏性土。對(duì)于膨脹土上的建筑物設(shè)計(jì)，需充分考慮膨脹土的特性，并對(duì)其分析評(píng)價(jià)，否則會(huì)影響建筑物上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。本文通過(guò)對(duì)黑龍江省雙鴨山市某一變電站巖土工程勘測(cè)成果進(jìn)行研究分析，計(jì)算場(chǎng)地內(nèi)膨脹土的膨脹潛勢(shì)及脹縮等級(jí)，并對(duì)地基進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出了整治措施及建議。

1 地層概況

變電站工程規(guī)劃規(guī)模為500 kV/750 mVA，位于黑龍江省雙鴨山市，場(chǎng)地地勢(shì)南高北低，變化較大，地形為坡地及崗地，地貌單元屬剝蝕丘陵區(qū)，場(chǎng)地?zé)o明顯自然陡坎。

巖土工程勘測(cè)揭露的場(chǎng)地巖(土)地層構(gòu)成，上覆為第四系全新統(tǒng)坡積層)、殘積層巖性主要為黏性土及殘積土;下伏為元古界花崗巖，上部覆蓋層厚度隨地勢(shì)變化較大。其場(chǎng)地地層特征為:①耕土層:黃灰、灰黃、黃褐色，松散，濕，主要由黏性土組成，含植物根系，層厚一般為0.40 ～0.70 m，層底埋深0.40 ～0.70 m，在場(chǎng)地內(nèi)分布廣泛;②黏土層:黃褐、褐色，硬塑狀態(tài)，稍濕，含氧化鐵及鐵錳結(jié)核，干強(qiáng)度、韌性高，光滑，無(wú)搖震反應(yīng)，層厚一般為0.90 ～4.50 m，層底埋深1.50 ～5.00 m，在場(chǎng)地內(nèi)分布廣泛;③粉質(zhì)黏土層:淺黃、黃褐、黃色，硬塑狀態(tài)，稍濕，含鈣質(zhì)，干強(qiáng)度、韌性中等偏高，稍有光滑，無(wú)搖震反應(yīng)，層厚一般為0.50 ～8.60 m，層底埋深0.90 ～14.60 m，在場(chǎng)地內(nèi)分布廣泛;③1粉質(zhì)黏土層:黃褐色、黃色，可塑狀態(tài)，稍濕，含氧化鐵及鐵錳結(jié)核，干強(qiáng)度、韌性中等，稍有光滑，無(wú)搖震反應(yīng)，層厚一般為0.60 ～3.00 m，層底埋深2.10 ～10.30 m，在場(chǎng)地內(nèi)分布不均勻;③2黏土層:黃褐、褐色，硬塑狀態(tài)，稍濕，含氧化鐵及鐵錳結(jié)核，干強(qiáng)度、韌性高，光滑，無(wú)搖震反應(yīng)，層厚一般為0.60 ～4.70 m，層底埋深4.60 ～14.60 m，在場(chǎng)地內(nèi)分布不均勻;④殘積土層:黃褐、褐黃、黃色，中密，稍濕，呈風(fēng)化砂、黏性土、角礫碎屑等混合狀，層厚一般為0.40 ～2.00 m，層底埋深0.90 ～15.30 m，在場(chǎng)地內(nèi)分布廣泛;⑤花崗巖層:黃褐、褐色，強(qiáng)風(fēng)化，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型為碎裂體結(jié)構(gòu)，層頂埋深1.10 ～15.80 m，在場(chǎng)地內(nèi)分布廣泛;⑤1花崗巖層:黃褐、褐黃、黃色，全風(fēng)化，巖體極破碎，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型為散體狀結(jié)構(gòu)，層厚一般為0.40 ～1.30 m，層底埋深1.00 ～15.80 m，在場(chǎng)地內(nèi)分布廣泛。場(chǎng)地典型地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖1。

根據(jù)參照附近某大型發(fā)電項(xiàng)目勘測(cè)成果、場(chǎng)地的工程地質(zhì)特征及本工程勘測(cè)成果，場(chǎng)地地層中②層、③層、③2層地基土自由膨脹率大部分＞40%，可判定其屬于膨脹土。因此對(duì)場(chǎng)地變電站進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，要重點(diǎn)查明膨脹土的工程特性，為設(shè)計(jì)提供重要的依據(jù)。

圖1 場(chǎng)地典型地質(zhì)剖面圖

2 膨脹土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及脹縮特性

2.1 膨脹土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

本文對(duì)工程的巖土工程勘測(cè)室內(nèi)土工試驗(yàn)成果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 膨脹土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2.2 膨脹土脹縮性指標(biāo)

本文對(duì)本工程膨脹土室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 膨脹土脹縮性指標(biāo)

根據(jù)表1、表2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果以看出，站址場(chǎng)地上覆以硬塑狀態(tài)黏性土為主，中等壓縮性，承載力較高，可以作為建(構(gòu))筑物天然地基，但根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB50112—2013)表4.3.4 可判定具有弱膨脹潛勢(shì)，設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮膨脹土遇水膨脹土、失水收縮的特性對(duì)上部建(構(gòu))筑物穩(wěn)定性影響。

2.3 脹縮等級(jí)

對(duì)含有膨脹土場(chǎng)地進(jìn)行巖土工程勘測(cè)，重點(diǎn)就是要查明膨脹土的分布特征及其脹縮特性和脹縮等級(jí)。脹縮特性根據(jù)自由膨脹率、50 kPa壓力下相對(duì)膨脹率和收縮試驗(yàn)結(jié)果判定，而脹縮等級(jí)則根據(jù)其脹縮變形量確定。

根據(jù)膨脹特性指標(biāo)可以判定地基土是以膨脹與收縮的變形方式進(jìn)行的，依據(jù)下面方法計(jì)算地基土的脹縮變形量。根據(jù)土工試驗(yàn)成果資料，地表以下1 m處土的天然含水量(ω)=23.8%，塑限含水量(ωp)=24.3%，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料場(chǎng)地大氣影響深度Zn=6.80 m，土的濕度系數(shù)Ψw=0.42。

地基土的脹縮變形量，應(yīng)按下式計(jì)算:

式中:s 為地基土的脹縮變形量，mm;δepi為基礎(chǔ)底面下第i 層土在該層土的平均自重壓力與平均附加壓力之和作用下的膨脹率，由室內(nèi)試驗(yàn)確定;hi為第i層土的計(jì)算厚度，mm;n 為自基礎(chǔ)底面至計(jì)算深度內(nèi)所劃分的土層數(shù)，計(jì)算深度應(yīng)根據(jù)大氣影響深度確定;有浸水可能時(shí)，可按浸水影響深度確定;λsi第i 層土的收縮系數(shù)，應(yīng)由室內(nèi)試驗(yàn)確定;△wi地基土收縮過(guò)程中，第i 層土可能發(fā)生的含水量變化的平均值(以小數(shù)表示);Ψ 計(jì)算膨脹變形量的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可取0.7。

根據(jù)上式算得:Δω1=0.13594。

以巖土工程勘測(cè)報(bào)告資料中28 號(hào)鉆孔地層為例，基礎(chǔ)埋深按2.50 m計(jì)，在大氣影響深度內(nèi)，基礎(chǔ)底面至計(jì)算深度內(nèi)所劃分的土層數(shù)為三層，根據(jù)下式計(jì)算②層、③、③2層含水量變化值。

式中:z1=2.25 m，z2=4.70 m，z3=4.70 m。

計(jì)算結(jié)果Δw1=0.1087978;Δw2= 0.0556;Δw3=0.02411。

各層指標(biāo)分別為:Ψ =0.7，h1=1 400 mm，h2=1 600 mm，h2=1300 mm，δep1=0.063%，δep2=0.18%，δep3=0.12%，λs1=0.229，λs2=0.20，λs3=0.27，根據(jù)上述公式2－1 計(jì)算地基土脹縮變形量s =46.52 mm。

根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB50112—2013)表4.3.5 判定，站址場(chǎng)地地基土的地基脹縮等級(jí)為Ⅱ級(jí)。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果分析，可以得出站址場(chǎng)地內(nèi)地基土的地基分級(jí)變形量以收縮變形為主。

2.4 大氣影響急劇層深度

本地區(qū)大氣影響深度為6.80 m，因大氣影響急劇層深度應(yīng)為大氣影響深度的0.45 倍，所以場(chǎng)地大氣影響急劇層深度可以按3.06 m考慮。根據(jù)建筑場(chǎng)地分類(lèi)，站址地形坡度＜5°，場(chǎng)地應(yīng)為平坦場(chǎng)地，站址區(qū)的基礎(chǔ)埋深不應(yīng)小于大氣影響急劇層深度。

3 地基評(píng)價(jià)

變電站場(chǎng)地屬山區(qū)地基的土巖組合地基，基巖表面坡度起伏較大，同一建設(shè)標(biāo)高地基不均勻。設(shè)計(jì)時(shí)要避免將同一建筑物的基礎(chǔ)同時(shí)置于不同地基土上，避免產(chǎn)生過(guò)大的地基不均勻沉降。

地基土中的②層、③層、③1層、③2層、④層、⑤層、⑤1層無(wú)論從地基巖(土)中的強(qiáng)度、及埋藏條件，均能滿足變電站建(構(gòu))筑物對(duì)地基強(qiáng)度及變形的要求，可作為建(構(gòu))筑物天然的地基。

依據(jù)巖土工程勘測(cè)成果地基土中②層、③層、③2層具有弱膨脹潛勢(shì)，地基土的地基脹縮等級(jí)為Ⅱ級(jí)。根據(jù)場(chǎng)地內(nèi)各建筑地段的地層巖性，膨脹土要分布在綜合建筑、主變壓器、部分500 kV配電裝置、部分附屬建筑物地段。經(jīng)室內(nèi)土工試驗(yàn)成果分析，②層、③層、③2層地基土的膨脹力范圍值在1.3 ～12.1 kPa，膨脹力小于建筑物基礎(chǔ)的基底壓力，可不考慮膨脹對(duì)工程建設(shè)影響。②層、③層、③2層地基土收縮系數(shù)范圍值在0.10 ～0.33，根據(jù)對(duì)地基土的分級(jí)變形量驗(yàn)算，場(chǎng)地內(nèi)地基土以收縮變形為主。設(shè)計(jì)和施工應(yīng)根據(jù)地基土的地基脹縮等級(jí)和當(dāng)?shù)氐慕ㄖ?jīng)驗(yàn)，按《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB50112—2013)的有關(guān)技術(shù)規(guī)定，進(jìn)行設(shè)計(jì)及施工，對(duì)建(構(gòu))筑物進(jìn)行必要的構(gòu)造處理，同時(shí)施工時(shí)保持地基土的天然含水量，必要的建筑地段基礎(chǔ)埋深應(yīng)大于大氣急劇影響深度或采取砂、碎石石墊層等方法進(jìn)行地基處理。建(構(gòu))筑物在施工期、運(yùn)行期應(yīng)保護(hù)地基土的原始環(huán)境狀態(tài)，同時(shí)應(yīng)加大建筑物的散水寬度，散水以外的空地，宜多種草皮和綠籬。當(dāng)采用樁基礎(chǔ)時(shí)，其深度應(yīng)達(dá)到脹縮活動(dòng)區(qū)以下，且不小于設(shè)計(jì)地面下5.0 m。挖方邊坡要做好截排水措施，放坡不宜太陡，距離較大時(shí)可考慮在坡腳設(shè)置擋土墻［1］。

4 結(jié) 語(yǔ)

文章依據(jù)變電站巖土工程勘測(cè)成果，重點(diǎn)對(duì)場(chǎng)地的膨脹土特性進(jìn)行分析，通過(guò)分析可以得出以下結(jié)論:

1)變電站場(chǎng)地地基巖土為膨脹土，自由膨脹率多在40% ～65%，脹縮等級(jí)為Ⅱ級(jí)，具有明顯的收縮性。

2)當(dāng)采用膨脹土作為地基持力層時(shí)，應(yīng)將基礎(chǔ)埋深加大(不小于大氣影響急劇層深度)，局部地段可對(duì)建(構(gòu))筑物進(jìn)行必要的構(gòu)造處理，同時(shí)施工時(shí)保持地基土的天然含水量。

3)采用樁基礎(chǔ)時(shí)，其深度應(yīng)達(dá)到脹縮活動(dòng)區(qū)以下，且不小于設(shè)計(jì)地面下5.0 m。

4)應(yīng)盡量避免采用膨脹土作為填料，當(dāng)必須用膨脹土作填料時(shí)，宜采取改良措施;邊坡設(shè)計(jì)時(shí)，坡度不宜太陡，同時(shí)須做好坡面的防滲措施。

［1］薛遠(yuǎn)峰，鄭堅(jiān)，洪哲，等. 雙鴨山熱電廠膨脹土地基巖土工程評(píng)價(jià)［J］. 電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2005(06):29－32.