印尼某電廠珊瑚礁巖土工程性質研究

汪志濤， 禹 峰， 孫同輝

(中國能源建設集團安徽省電力設計院有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引 言

珊瑚礁巖土主要由珊瑚等生物殘骸碎屑組成,主要分布于北緯30°和南緯30°之間的熱帶或亞熱帶氣候的大陸架和海岸線一帶。珊瑚礁巖土包括珊瑚礁灰巖、珊瑚礁砂、珊瑚礁碎屑和珊瑚礁灰巖殘積土,由于其特殊的物質組成和形成條件, 而使得其與其他常見的巖土材料具有較大的差異[1-5]。本文依托印尼某電廠項目研究了珊瑚礁巖土基本工程特性, 對同類工程巖土工程勘察具有一定的借鑒意義。

印尼某電廠項目位于印度尼西亞MAKASAR市南約60km的某鎮境內,是印尼第二期1 000萬kW電力計劃的主要項目之一,該電廠裝機容量為2臺100MW機組。本工程建設場地可劃分為陸域和海域兩大部分。陸域主要有主廠房、煙囪、煤場、灰場、升壓站、輸煤棧橋、化水區建筑等。本工程場址地基土主要為珊瑚礁巖土層。

1 場地工程地質條件

1.1 場地地形地貌

擬建廠區陸域部分毗鄰海邊,屬于海岸平地～海岸階地(淺丘)地貌。平地地段地面標高一般為1.0～3.0 m,殘丘地段地面標高一般為3.0～7.0 m。場址地勢呈東高西低態勢分布,地勢整體較為平緩、開闊。海岸平地地段地勢相對較洼,地下水較為豐富,在雨季時節,多可形成內澇。煙囪、灰場位于殘丘地段,主廠房主要位于殘丘地段,局部位于平地地段,煤場、輸煤棧橋、化水區建筑等位于平地地段。

1.2 地層巖性分布特征

場址巖土層根據地質成因可分為四大層。① 層沖積、淤積相黏性土層,② 層沖積、濱海沉積相砂類土,③ 層殘積相黏性土,④ 層灰巖。各層根據其物理力學狀態的不同,可劃分為多個亞層(表1)。

表1 場地地基土巖土名稱及狀態

② 層細砂為珊瑚礁碎屑砂層,主要分布于平地地段,為沖積及濱海沉積相。呈灰、灰白色,顆粒分選性差,局部具有弱膠結特征。松散或稍密狀砂層顆粒分選性差,常混有珊瑚礁碎屑體,偶見少量海洋貝殼殘體;珊瑚碎屑粒徑一般為2～50 mm,分選性差,碎屑硬度小,敲擊易碎,珊瑚碎屑常堆積形成顆粒骨架,其間充填黏性土或砂粒。中密或密實狀砂層組成顆粒主要為細砂粒和少量細小珊瑚礁碎屑顆粒,具有弱膠結特征;密實狀砂層土開挖常呈塊狀,錘擊易呈散體狀。

珊瑚礁砂(碎屑) 與普通的石英砂具有較大的區別,珊瑚礁碎屑砂層中碳酸鈣含量在50%以上,因此其密實程度除了受沉積壓密影響外,還與鈣化膠結程度有關。該類土層密實度在垂直分布上規律性差,經常出現相鄰勘探孔揭露出的密實度層序不一致的情況。

③ 層粉質黏土為珊瑚礁灰巖殘積黏性土,顏色以灰白為主、灰黃色次之,層內偶見少量殘留的灰巖巖塊,局部粉性較大,可變相為粉土層。該層土具有遇水軟化特點。

④ 層灰巖為原生珊瑚礁碎屑沉積巖,灰白色,微晶結構,塊狀構造,鈣(泥)質膠結。天然單軸抗壓強度平均值為6.75MPa,飽和單軸抗壓強度平均值為3.27 MPa,屬于極軟巖。該層局部可見少量溶蝕現象。

1.3 地下水

地下水以孔隙潛水為主,基巖裂隙水次之。孔隙潛水主要賦存于覆蓋層中,在地勢低洼地段,以② 層砂類土為主要含水層,該類土具有良好的透水及存水性能,地下水含量豐富;殘丘地段地下水主要賦存于③ 層粉質黏土中,含水量少,水力聯系較弱。勘探期間平地地段地下水埋深一般為1.5～3.0 m,殘丘地段地下水埋深一般為3.0～6.0 m。

1.4 地震動參數

② 層砂土等效剪切波速在200～350 m/s,③ 層黏性土等效剪切波速在150～400 m/s,④ 層灰巖等效剪切波速在400～500 m/s;20 m深度范圍內鉆孔等效剪切波速在320～450 m/s,場地土為中硬土,場地類別為Ⅱ類。根據本工程地震安評報告,推薦的場址在50年超越概率為10%的情況下,地表地震動峰值加速度值為0.15g。

2 珊瑚礁巖土層主要力學參數

2.1 天然地基承載力

本場地的珊瑚礁巖土層,由于其特殊的物質成分,結構特點和成因類型與國內常見的巖土層存在較大差異,尚無成熟的經驗關系用于計算該類巖土天然地基承載力,因此本工程采用了多種方法進行計算對比,通過綜合分析確定該項指標。

在利用標貫數據計算天然地基承載力方面,采用了Terzaghi天然地基承載力計算公式(fak=12～15N)和工程地質手冊(第四版)表4-5-35～4-5-37;在利用靜探數據計算天然地基承載力方面,采用了工程地質手冊(第四版)推薦的國外天然地基承載力計算公式(fak=25～33qc),同時采用了《工程地質手冊》(第四版)中的表3-4-5推薦的黏性土計算公式(fak=104ps+26.9)和表3-4-6推薦的砂土計算公式(fak=20ps+59.5);另外根據地層分布特點、基礎埋深和設計要求要求,分別在③2和③3層黏性土上進行了平板載荷試驗。各種方法確定的天然地基承載力結果見表2。

表2 多種方法計算天然地基承載力成果表

通過表2分析可以發現,靜探數據計算結果要大于標貫計算結果。這一方面由于采用的靜探計算公式不適宜本場址地基土,另一方面本工程采用的靜探設備為機械式雙橋靜探,其測試精度要遠低于國內常用的電測式靜探設備[6,7]。在標貫數據計算方面,Terzaghi地基承載力計算公式計算結果相對于查表法更接近于載荷試驗,比較適宜本工程地基土天然地基承載力計算。

2.2 樁基巖土設計參數

在確定樁基巖土設計參數時,分別采用了《建筑樁基技術規范》(JGJ 94-2008)表5.3.5和綜合試樁成果。計算結果見表3。

表3 樁基巖土設計參數確定成果表

通過綜合試樁結果和規范查表法對比,可見對于覆蓋土層而言,綜合試樁確定的樁基巖土設計參數均在查表法確定的區間內,由此可見對于樁基而言,采用查表法仍適合本場址珊瑚礁巖土層。另外值得注意的是,《建筑樁基技術規范》(JGJ 94-2008)并未給出中等風化巖石樁基巖土設計參數取值區間,如果根據《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007-2002)式8.5.5-2和式5.2.6,可按下式計算樁基極限端阻力最大值為:

qpk=2×ψr×frk

(1)

式中:qpk為樁基極限端阻力;ψr為巖體完整性折減系數;frk為巖石飽和單軸抗壓強度。為了求取樁基極限端阻力最大值,取ψr為0.5,frk為3 270 kPa,則計算的樁基極限端阻力最大值為3 270 kPa,該值要選小于綜合試樁結果。由此可見,利用式(1)在計算本工程中等風化珊瑚礁灰巖時,具有一定的局限性。

3 巖土工程分析與評價

3.1 膨脹性、濕陷性、軟化性評價

為了查明③ 層黏性土是否具有膨脹性,共進行了11組自由膨脹率試驗。試驗結果表明,③ 層黏性土自由膨脹率在10.0%～30.0%,為非膨脹性黏土。

③ 層黏土具有遇水軟化的特點。為了查明其是否具有一定的濕陷性,進行了6組濕陷性試驗。試驗最大壓力為200 kPa,濕陷系數為0.01%～0.36%,濕陷變形值非常小,為非濕陷性土層。

為了查明③ 層黏土遇水軟化影響深度有多少,共設置了3個試驗坑,分別在注水前和注水后進行靜探試驗,通過同一深度靜探值對比分析軟化影響情況。試坑浸水時間按不小于48h設計,通過對比試驗發現,在地層處于原位條件下,③ 層土遇水軟化厚度一般在0.3 m以內。

3.2 珊瑚礁灰巖溶蝕作用評價

場址內珊瑚礁灰巖為第三系上始新統Tonasa組原生珊瑚礁碎屑沉積巖,屬于生物化學沉積,與內陸地區形成的灰巖具有較大的差異,礦物成分主要為文石和鎂方解石,符合巖溶形成的物質條件。

本工程僅有4個鉆孔發現巖芯溶蝕現象,巖溶發育程度十分低。溶蝕主要以小型溶孔為主,孔徑一般小于5 cm,局部分布少量溶蝕微裂隙,未見大的溶洞存在。溶蝕平面分布上主要集中在平地地段,呈零星分布狀;豎向分布主要零星分布于地表以下12.0～18.0 m。上述溶蝕現象對建筑物的整體穩定性不會構成危害。

3.3 地基基礎方案

對于不同的建筑地段,根據地層分布、基礎埋深和基底壓力等條件的不同,推薦地基基礎方案。根據設計要求,對于場內主要建筑若采用天然地基,地基承載力特征值不小于260 kPa。滿足天然地基持力層承載力要求的土層主要為③3層黏性土和②4層細砂以及基巖層。

煙囪和灰場建筑均位于殘丘地段,基底標高處地基土主要為③3層黏性土,可作為天然地基持力層使用。

主廠房主要部分位于殘丘地段,基底標高處地基土主要為③3層黏性土,可作為天然地基持力層使用;該建筑地段局部位于平地地段,基底標高處地層主要為③2層黏性土和②類砂土,該地段可考慮采用換填處理,換填深度一般小于1.5 m。

煤場地段位于平地地段,基底標高處地基土主要為②1～②3類砂土,該類土承載力不滿足設計要求,若采用天然地基方案需進行換填。對于換填厚度在4.0 m以內,可考慮采用天然地基;當換填厚度一超過4.0 m,考慮到基坑開挖在排水和支護方面都具有一定難度,且在經濟上與樁基相比優勢不明顯,因此建議優先考慮樁基。

當采用③層土作為天然地基持力層時,應注意該層土具有遇水軟化的特點,基坑開挖需避免該類土水體浸泡,同時建議在開挖到基底標高以前約30 cm時,應預留保護層。若采用樁基方案,樁型建議采用鉆孔灌注樁,樁端持力層以④1層或④2層作為樁端持力層使用。

其他建筑地段地基基礎方案略。

4 結 論

(1)② 層珊瑚礁砂分選性差,物質成分不一,該類土層密實度垂直分布上規律性差,經常出現相鄰勘探孔揭露出的密實度層序不一致的情況。③ 層黏性土不具備膨脹性、濕陷性,但其具有遇水軟化的特點,受水浸泡后的軟化層厚度一般不超過0.3 m。④ 層灰巖局部存在一定溶蝕現象,但發育程度非常低,主要以小型溶孔或細小溶蝕裂隙狀態存在,對建筑地基整體穩定性無影響。

(2) 通過平板載荷試驗和綜合試樁工作分析了地基承載力和樁基巖土設計參數常用計算方法的適宜性。太沙基地基承載力計算公式在本工程中適宜性較好,國標樁基規范的查表法仍可作為估算本工程樁基巖土設計參數使用。

(3) 本工程通過多種巖土工程勘察手段查明了場地巖土結構、地基土工程性能、水文地質條件等,滿足了巖土分析評價和設計要求。對建筑物地基基礎方案提出了具體處理建議和技術措施。