粗顆粒土中非典型黃土勘察評(píng)價(jià)與地基方案優(yōu)化

經(jīng)驗(yàn)人：董雙田 劉志偉

粗顆粒土中非典型黃土勘察評(píng)價(jià)與地基方案優(yōu)化

經(jīng)驗(yàn)人：董雙田 劉志偉

本文針對(duì)沖洪積地層的特點(diǎn)，開(kāi)展了粗顆粒土層中非典型黃土勘察和評(píng)價(jià)。在鉆孔灌注樁與碎石墊層換填方案比較基礎(chǔ)上，進(jìn)行了碎石墊層原體試驗(yàn)，墊層承載力不小于600kPa，變形模量不小于75MPa。主要建筑物采用換填處理深度0.0～14.7m，滿足工程質(zhì)量、安全、工期和降低地基處理投資的要求。

工程概況

表1　廠區(qū)地層巖性特征

表2　土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

某電廠位于秦嶺北麓山前沖洪積扇群上，北部為秦嶺山前傾斜平原及渭河階地，工程場(chǎng)地距黃河較大支流——渭河約12km左右。廠區(qū)原始地形整體由南向北傾斜，地面坡降約5～7％。由于工程建設(shè)及其他人類活動(dòng)的影響，地形比較凌亂，高差約30m，工程建設(shè)需解決的主要問(wèn)題是：（1）廠區(qū)地層顆粒組成復(fù)雜，粒徑相差懸殊，既有黏土微粒也有2m以上的漂石，粗顆粒土層和黃土狀土交互分布，無(wú)規(guī)律性，黃土狀土不擾動(dòng)樣的采取是本工程的關(guān)鍵問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)面臨相當(dāng)大的難度；（2）卵石中有黃土狀粉土透鏡體或薄夾層；黃土狀粉土中有漂石和卵石透鏡體或薄夾層。對(duì)于濕陷性土的評(píng)價(jià)，《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB 50025-2004）并沒(méi)有考慮如此復(fù)雜的地層條件，類似工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)很少。粗顆粒土中濕陷性土的評(píng)價(jià)是工程要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，也是本工程面臨的新課題；（3）場(chǎng)地土具自重濕陷性，同時(shí)還混有很多粒徑1～2m的大漂石及各種巖性的薄層或透鏡體，地基土均勻性很差，地基處理方案的選擇需要綜合考慮多種影響因素。巖土工程勘察和地基處理針對(duì)上述難題開(kāi)展試驗(yàn)和研究工作。

圖1　工程地質(zhì)剖面圖

場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

廠區(qū)地貌單元屬秦嶺北麓山前沖洪積扇群的中上部，考慮到地基土的復(fù)雜性、土層的分布特點(diǎn)、土層由上至下濕陷性總趨勢(shì)漸弱等，將場(chǎng)地的地基土分為3大層，地層巖性特征見(jiàn)表1，土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表2，地層剖面見(jiàn)圖1。

廠區(qū)地下水屬第四系孔隙潛水，主要接受秦嶺山前沖洪積扇群的側(cè)向補(bǔ)給，其次接受大氣降水及耕地灌溉下滲等補(bǔ)給，向渭河逕流排泄，地下水整體呈南補(bǔ)北泄之勢(shì)。地下水水位埋深最小在30m左右，大幅度上升的可能性很小，可不考慮地下水的作用與影響。

黃土狀土勘察與濕陷性評(píng)價(jià)

勘察工作

本工程勘察按階段由淺到深，由粗到細(xì)。在可行性研究階段，工程場(chǎng)地黃土狀粉土的濕陷性對(duì)地基基礎(chǔ)方案影響很大，是本工程需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。由于地層中含有大漂石，探井開(kāi)挖非常困難，安全問(wèn)題非常突出。為了獲得可靠的濕陷性評(píng)價(jià)指標(biāo)和解決大漂石的開(kāi)挖問(wèn)題，專門聘用經(jīng)驗(yàn)豐富的石匠進(jìn)行井內(nèi)破碎，對(duì)松散體采取鋼筋網(wǎng)片支護(hù)等措施，完成探井25個(gè)，最大深度達(dá)26.5m，開(kāi)挖1個(gè)25m深的探井往往需要1個(gè)月的時(shí)間。通過(guò)探井中刻取Ⅰ級(jí)不擾動(dòng)樣進(jìn)行室內(nèi)黃土濕陷性試驗(yàn)，保證了濕陷性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確、可靠性。

初步設(shè)計(jì)階段，隨著勘察工作的深入，在對(duì)場(chǎng)地地層分布規(guī)律和工程性能有了清晰的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，考慮到地基土的復(fù)雜性、土層的分布特點(diǎn)和濕陷特性指標(biāo)的變化總趨勢(shì)等，將場(chǎng)地的地基土分為3大層。其中，②大層中主要分布有卵（漂）石和黃土狀粉土，總體呈現(xiàn)出卵（漂）石與黃土狀粉土互層、黃土狀粉土中夾卵（漂）石層等，土層的濕陷性相對(duì)較強(qiáng)。③大層中主要分布有卵（漂）石和黃土狀粉土，該層總體呈現(xiàn)出卵（漂）石夾黃土狀粉土層的特征，土層一般無(wú)濕陷性。這種分層方法給地基處理方案的確定提供了基礎(chǔ)。

施工圖設(shè)計(jì)階段，著重圍繞查明黃土狀粉土分布和換填地基處理的要求，確定了合理的勘察方案：控制性勘探點(diǎn)以鉆孔為主，占勘探點(diǎn)總數(shù)的1/3左右，深度按進(jìn)入③大層20～25m左右考慮；一般控制性勘探點(diǎn)以鉆孔為主，占勘探點(diǎn)總數(shù)的1/3左右，深度按進(jìn)入③大層10～15m左右考慮；一般性勘探點(diǎn)采用探井和鉆孔，占勘探點(diǎn)總數(shù)的1/3左右，深度按進(jìn)入③大層3～6m左右考慮。這樣一套有針對(duì)性的勘察方案，不僅節(jié)約了勘察工作量，且解決了各建筑地段涉及的主要問(wèn)題，為地基方案設(shè)計(jì)提供了翔實(shí)的巖土工程資料。

濕陷性評(píng)價(jià)

對(duì)于大型火電廠的主要建筑荷載大、安全等級(jí)高，按規(guī)范壓力評(píng)價(jià)其濕陷等級(jí)、確定濕陷下限，已不能滿足安全可靠的要求。本工程在標(biāo)準(zhǔn)壓力下濕陷量計(jì)算后，考慮到重要建筑物的基底實(shí)際壓力可能大于標(biāo)準(zhǔn)壓力，前期勘察中采用預(yù)估大壓力對(duì)地基的濕陷性進(jìn)行初步評(píng)估，壓力取值為：0～10m深度范圍內(nèi)取400kPa；10～20m深度范圍內(nèi)取600kPa；20～30m深度范圍內(nèi)取800kPa。在施工圖設(shè)計(jì)中，依據(jù)基底實(shí)際壓力條件，配合設(shè)計(jì)人員進(jìn)行了濕陷性評(píng)價(jià)和剩余濕陷性量計(jì)算，確保工程建設(shè)安全、可靠。

對(duì)黃土狀粉土濕陷下限深度，各階段均進(jìn)行了詳細(xì)的分析、論證。依據(jù)可研、初勘勘察結(jié)果進(jìn)行分析，②1層黃土狀粉土為濕陷性土。在可研階段鉆孔中③1層采取的10件不擾動(dòng)樣進(jìn)行濕陷性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均為非濕陷性黃土；③1層黃土狀粉土在初勘探井中共采取了7件樣進(jìn)行了濕陷性試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果為濕陷起始?jí)毫笥?00～600kPa，為非濕陷性黃土；同時(shí)對(duì)初勘鉆孔中采取的③1層中的不擾動(dòng)樣試驗(yàn)得出孔隙比與探井中不擾動(dòng)樣試驗(yàn)得出孔隙比進(jìn)行比較，孔隙比均較小，為非濕陷性黃土。③大層總體呈現(xiàn)出卵（漂）石夾黃土狀粉土的特征，③1層呈透鏡體分布，呈現(xiàn)出老黃土的特征，即使局部土層有輕微的濕陷特征，其總濕陷變形量也較小，工程中可不予考慮，由此確定了本場(chǎng)地的濕陷下限按③層頂部考慮的結(jié)論。

地基方案論證

對(duì)主要建（構(gòu)）筑物地基處理的目的是在消除地基土濕陷性的同時(shí)提高地基的承載力，可供選擇的方案有灌注樁及碎石墊層換填等。采用灌注樁方案，樁體可穿透濕陷性土層，將樁端置于③3 卵石層中，其承載力高，抗變形能力強(qiáng)，且技術(shù)成熟，安全可靠。采用灌注樁有以下缺點(diǎn)。

（1）地基土中分布有較多的卵（漂）石層，樁成孔難度大。如采用機(jī)械成孔，存在漏漿、卡鉆、遇大漂石處理難度大等問(wèn)題，所需的工期無(wú)法控制；如采用人工挖孔灌注樁，存在安全風(fēng)險(xiǎn)大、孔壁需采取特殊支護(hù)措施，施工時(shí)間長(zhǎng)。

（2）場(chǎng)地自重濕陷性黃土需考慮負(fù)摩擦力，并進(jìn)行浸水試驗(yàn)確定，因濕陷土層不成層，部分是在卵石層下，試驗(yàn)數(shù)據(jù)代表性不強(qiáng)。

（3）灌注樁方案需進(jìn)行施工勘察，且施工期無(wú)法控制，難滿足工程進(jìn)度要求，故業(yè)主堅(jiān)決反對(duì)采用樁基方案。

碎石墊層對(duì)地基的不均勻性具有調(diào)整的作用，施工安全性相對(duì)較好，工期可按要求的時(shí)間控制。缺點(diǎn)為在現(xiàn)場(chǎng)將形成深度較大的大型基坑，坑壁需按規(guī)定要求放坡，占地面積較大。毛石混凝土具有較高的承載力，且有隔水的作用。本工程對(duì)主廠房地基基礎(chǔ)方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)比較，采用碎石墊層+毛石混凝土換填法進(jìn)行處理，施工相對(duì)方便，工期易控制，質(zhì)量也易保證，且較樁基投資節(jié)省712.4萬(wàn)元。

碎石墊層碾壓試驗(yàn)與施工

碎石墊層采用人工級(jí)配碎石料，配比為3～7㎝粒徑碎石占60％、1～2㎝粒徑碎石占20％、石粉占20％，最大粒徑不大于10cm，通過(guò)相對(duì)密度試驗(yàn)確定的最大干密度為2.35g/cm3。從篩分試驗(yàn)結(jié)果看：粗顆粒含量（d〉5mm）一般在81％～90％之間；細(xì)顆粒含量（d〈5mm）一般在10％～19％之間；不均勻系數(shù)Cu在13.2～40.8之間，平均值25.4；曲率系數(shù)Cc在1.7～12.4之間，平均值4.6。

試驗(yàn)采用的碾壓機(jī)械工作質(zhì)量20T，行駛速度2km/ h，激振力為350kN，額定功率132kW。單層虛鋪400mm，每層虛鋪平整后先平碾一遍，而后振動(dòng)碾壓6遍，碾的擺幅寬度為2/3碾寬。每層碾壓施工結(jié)束后，對(duì)墊層的碾壓質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，平均干密度為2.39～2.42g/cm3，平均壓實(shí)系數(shù)為1.01～1.03，每層平均壓實(shí)系數(shù)均大于0.97。

碎石墊層承載力采用平板載荷試驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)，壓板面積0.5m2，典型試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖4，可以看出，試驗(yàn)加載至1320kPa，p～s曲線呈線性變化，未進(jìn)入極限狀態(tài)，墊層承載力特征值不小于600 kPa，變形模量不小于75MPa。

碎石墊層進(jìn)行重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，在上部0.5m左右墊層受側(cè)向限制小，一般錘擊數(shù)低，向下隨墊層側(cè)向限制增大錘擊數(shù)增加較大，觸探錘反彈，最大貫入深度0.8m，試驗(yàn)擊數(shù)25～68擊。

通過(guò)勘測(cè)與設(shè)計(jì)進(jìn)行地基方案專題分析、研究，充分論證各種處理方案的可行性、合理性及經(jīng)濟(jì)性，以及施工、環(huán)境保護(hù)等方面問(wèn)題，針對(duì)不同建（構(gòu)）筑物的特點(diǎn)確定了最佳的地基方案。本工程主廠房區(qū)域基底下的處理深度為1.3～12.7m，冷卻塔區(qū)域基底下的處理深度為0.0～14.7m，經(jīng)過(guò)幾年來(lái)的安全正常運(yùn)行，證明地基方案是可靠和合理的。

圖2　載荷試驗(yàn)p～s曲線

結(jié)語(yǔ)

（1）圍繞濕陷性評(píng)價(jià)和地基處理作了大量的勘察分析和試驗(yàn)研究工作，對(duì)黃土濕陷性有了全面、客觀、準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，為地基處理方案的確定和優(yōu)化起到了關(guān)鍵作用。

（2）地基土的準(zhǔn)確分層、濕陷下限的準(zhǔn)確判定及碎石墊層厚度及承載力的準(zhǔn)確測(cè)定，為建（構(gòu)）筑物地基處理設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。主要建筑物采用碎石墊層地基，節(jié)約了工程費(fèi)用，其安全性也得到有效的保障。

（3）本工程為沖洪積復(fù)雜地層中濕陷性土的勘察和研究提供了有價(jià)值的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.15.054