粗顆粒土中非典型黃土勘察評價與地基方案優化

經驗人：董雙田 劉志偉

粗顆粒土中非典型黃土勘察評價與地基方案優化

經驗人：董雙田 劉志偉

本文針對沖洪積地層的特點，開展了粗顆粒土層中非典型黃土勘察和評價。在鉆孔灌注樁與碎石墊層換填方案比較基礎上，進行了碎石墊層原體試驗，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　廠區地層巖性特征

表2　土層物理力學性質指標

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，工程場地距黃河較大支流——渭河約12km左右。廠區原始地形整體由南向北傾斜，地面坡降約5～7％。由于工程建設及其他人類活動的影響，地形比較凌亂，高差約30m，工程建設需解決的主要問題是：（1）廠區地層顆粒組成復雜，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，無規律性，黃土狀土不擾動樣的采取是本工程的關鍵問題，現場勘測面臨相當大的難度；（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。對于濕陷性土的評價，《濕陷性黃土地區建筑規范》（GB 50025-2004）并沒有考慮如此復雜的地層條件，類似工程的實踐經驗很少。粗顆粒土中濕陷性土的評價是工程要解決的關鍵技術問題，也是本工程面臨的新課題；（3）場地土具自重濕陷性，同時還混有很多粒徑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上述難題開展試驗和研究工作。

圖1　工程地質剖面圖

場地工程地質條件

廠區地貌單元屬秦嶺北麓山前沖洪積扇群的中上部，考慮到地基土的復雜性、土層的分布特點、土層由上至下濕陷性總趨勢漸弱等，將場地的地基土分為3大層，地層巖性特征見表1，土層物理力學性質指標見表2，地層剖面見圖1。

廠區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向補給，其次接受大氣降水及耕地灌溉下滲等補給，向渭河逕流排泄，地下水整體呈南補北泄之勢。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價

勘察工作

本工程勘察按階段由淺到深，由粗到細。在可行性研究階段，工程場地黃土狀粉土的濕陷性對地基基礎方案影響很大，是本工程需要解決的關鍵技術問題。由于地層中含有大漂石，探井開挖非常困難，安全問題非常突出。為了獲得可靠的濕陷性評價指標和解決大漂石的開挖問題，專門聘用經驗豐富的石匠進行井內破碎，對松散體采取鋼筋網片支護等措施，完成探井25個，最大深度達26.5m，開挖1個25m深的探井往往需要1個月的時間。通過探井中刻取Ⅰ級不擾動樣進行室內黃土濕陷性試驗，保證了濕陷性評價的準確、可靠性。

初步設計階段，隨著勘察工作的深入，在對場地地層分布規律和工程性能有了清晰的認識基礎上，考慮到地基土的復雜性、土層的分布特點和濕陷特性指標的變化總趨勢等，將場地的地基土分為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，土層的濕陷性相對較強。③大層中主要分布有卵（漂）石和黃土狀粉土，該層總體呈現出卵（漂）石夾黃土狀粉土層的特征，土層一般無濕陷性。這種分層方法給地基處理方案的確定提供了基礎。

施工圖設計階段，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：控制性勘探點以鉆孔為主，占勘探點總數的1/3左右，深度按進入③大層20～25m左右考慮；一般控制性勘探點以鉆孔為主，占勘探點總數的1/3左右，深度按進入③大層10～15m左右考慮；一般性勘探點采用探井和鉆孔，占勘探點總數的1/3左右，深度按進入③大層3～6m左右考慮。這樣一套有針對性的勘察方案，不僅節約了勘察工作量，且解決了各建筑地段涉及的主要問題，為地基方案設計提供了翔實的巖土工程資料。

濕陷性評價

對于大型火電廠的主要建筑荷載大、安全等級高，按規范壓力評價其濕陷等級、確定濕陷下限，已不能滿足安全可靠的要求。本工程在標準壓力下濕陷量計算后，考慮到重要建筑物的基底實際壓力可能大于標準壓力，前期勘察中采用預估大壓力對地基的濕陷性進行初步評估，壓力取值為：0～10m深度范圍內取400kPa；10～20m深度范圍內取600kPa；20～30m深度范圍內取800kPa。在施工圖設計中，依據基底實際壓力條件，配合設計人員進行了濕陷性評價和剩余濕陷性量計算，確保工程建設安全、可靠。

對黃土狀粉土濕陷下限深度，各階段均進行了詳細的分析、論證。依據可研、初勘勘察結果進行分析，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件不擾動樣進行濕陷性試驗，試驗結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件樣進行了濕陷性試驗，其試驗結果為濕陷起始壓力均大于500～600kPa，為非濕陷性黃土；同時對初勘鉆孔中采取的③1層中的不擾動樣試驗得出孔隙比與探井中不擾動樣試驗得出孔隙比進行比較，孔隙比均較小，為非濕陷性黃土。③大層總體呈現出卵（漂）石夾黃土狀粉土的特征，③1層呈透鏡體分布，呈現出老黃土的特征，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，由此確定了本場地的濕陷下限按③層頂部考慮的結論。

地基方案論證

對主要建（構）筑物地基處理的目的是在消除地基土濕陷性的同時提高地基的承載力，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，且技術成熟，安全可靠。采用灌注樁有以下缺點。

（1）地基土中分布有較多的卵（漂）石層，樁成孔難度大。如采用機械成孔，存在漏漿、卡鉆、遇大漂石處理難度大等問題，所需的工期無法控制；如采用人工挖孔灌注樁，存在安全風險大、孔壁需采取特殊支護措施，施工時間長。

（2）場地自重濕陷性黃土需考慮負摩擦力，并進行浸水試驗確定，因濕陷土層不成層，部分是在卵石層下，試驗數據代表性不強。

（3）灌注樁方案需進行施工勘察，且施工期無法控制，難滿足工程進度要求，故業主堅決反對采用樁基方案。

碎石墊層對地基的不均勻性具有調整的作用，施工安全性相對較好，工期可按要求的時間控制。缺點為在現場將形成深度較大的大型基坑，坑壁需按規定要求放坡，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。本工程對主廠房地基基礎方案進行了經濟比較，采用碎石墊層+毛石混凝土換填法進行處理，施工相對方便，工期易控制，質量也易保證，且較樁基投資節省712.4萬元。

碎石墊層碾壓試驗與施工

碎石墊層采用人工級配碎石料，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，通過相對密度試驗確定的最大干密度為2.35g/cm3。從篩分試驗結果看：粗顆粒含量（d〉5mm）一般在81％～90％之間；細顆粒含量（d〈5mm）一般在10％～19％之間；不均勻系數Cu在13.2～40.8之間，平均值25.4；曲率系數Cc在1.7～12.4之間，平均值4.6。

試驗采用的碾壓機械工作質量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，而后振動碾壓6遍，碾的擺幅寬度為2/3碾寬。每層碾壓施工結束后，對墊層的碾壓質量進行檢測。從試驗結果來看，平均干密度為2.39～2.42g/cm3，平均壓實系數為1.01～1.03，每層平均壓實系數均大于0.97。

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

碎石墊層進行重型動力觸探試驗，在上部0.5m左右墊層受側向限制小，一般錘擊數低，向下隨墊層側向限制增大錘擊數增加較大，觸探錘反彈，最大貫入深度0.8m，試驗擊數25～68擊。

通過勘測與設計進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、合理性及經濟性，以及施工、環境保護等方面問題，針對不同建（構）筑物的特點確定了最佳的地基方案。本工程主廠房區域基底下的處理深度為1.3～12.7m，冷卻塔區域基底下的處理深度為0.0～14.7m，經過幾年來的安全正常運行，證明地基方案是可靠和合理的。

圖2　載荷試驗p～s曲線

結語

（1）圍繞濕陷性評價和地基處理作了大量的勘察分析和試驗研究工作，對黃土濕陷性有了全面、客觀、準確的認識，為地基處理方案的確定和優化起到了關鍵作用。

（2）地基土的準確分層、濕陷下限的準確判定及碎石墊層厚度及承載力的準確測定，為建（構）筑物地基處理設計提供了依據。主要建筑物采用碎石墊層地基，節約了工程費用，其安全性也得到有效的保障。

（3）本工程為沖洪積復雜地層中濕陷性土的勘察和研究提供了有價值的實踐經驗。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.15.054