沙漠地區(qū)某工程地基處理技術(shù)

陳旭輝，陳海燕

(浙江省二建建設(shè)集團有限公司，浙江 寧波 315202)

1 工程概況

1.1 工程介紹

浙能新疆阿克蘇南工業(yè)園2×350MW熱電廠項目由浙江能源集團投資，浙江省二建建設(shè)集團有限公司承建，于2014年7月開工建設(shè)，2016年10月投產(chǎn)，項目占地362畝(1畝=666.67m2)，總投資31億元。建成投產(chǎn)后將為地方招商引資提供電力能源保障，推進工業(yè)化進程，有力促進地方經(jīng)濟發(fā)展。

1.2 地質(zhì)條件

該工程廠址地貌屬河流沖洪積平原。除場地中部有一條西北向的沙梁子，其余地段地形較平坦。根據(jù)《巖土工程勘測報告》，在勘探深度50m范圍內(nèi)的巖土地層主要為第四系沖洪積物，主要地層由以下成分組成。

1)①細砂 該層在廠區(qū)內(nèi)均有分布且連續(xù)。層頂高程1 118.800～1 121.700m， 層底高程1 100.800～1 110.340m，層底深度為10.00～18.50m，內(nèi)含較多粉土、粉質(zhì)黏土透鏡體及薄層，局部地段含少量圓礫顆粒。局部夾10～20cm厚圓礫透鏡體。

2)②細砂含礫 該層在廠區(qū)內(nèi)均有分布且連續(xù)。由于較厚，僅有控制性孔揭穿該層，層頂高程1 100.800～1 110.340m，層頂深度為10.00～18.50m，揭露厚度為12.80～21.30m，雜色，飽和，密實，混有較多圓礫顆粒，成分以灰?guī)r、花崗巖及暗色變質(zhì)巖為主，圓礫顆粒含量一般為10%～20%，粒徑0.2～5cm，呈亞圓形、圓形狀，含少量粉土、粉質(zhì)黏土透鏡體及薄層。

3)③粉土 該層在廠區(qū)內(nèi)均有分布且連續(xù)。由于埋深較深，僅在37個控制性孔揭露該層，層頂高程1 085.130～1 090.610m，層底高程1 083.430～1 088.410m，層頂深度為30.00～33.90m，層底深度為32.20～35.80m，揭露厚度為1.20～4.30m，灰黑色，飽和，密實，手搓砂質(zhì)感較強，局部混少量圓礫顆粒。

4)④細砂 該層在廠區(qū)內(nèi)均有分布且連續(xù)。由于埋深較深，僅在39個控制性孔揭露該層，且未揭穿該層，層頂高程1 083.430～1 089.650m，層頂深度為29.60～35.80m，可見厚度為5.00～17.20m，青灰色、灰白色，飽和，呈密實狀態(tài)，局部混少量圓礫顆粒。

1.3 水文條件

勘探孔內(nèi)均見地下水，初見水位7.300～10.300m，靜止水位7.000～10.000m，屬孔隙水類型潛水，賦存于第四系沖洪積層中，主要接受東北向地下水側(cè)向徑流補給，少量接受大氣降水補給。地下水受周邊地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉抽取地下水、氣候及季節(jié)影響，一般年變化幅度為1.0m左右。一年中地下水最高水位出現(xiàn)在1，2，12月，埋深最淺；地下水最低水位出現(xiàn)在 4，5，6月。

1.4 交通條件

廠址位于阿克蘇南工業(yè)園東側(cè)，距阿克蘇市區(qū)15km，距阿克蘇河上游采砂場15km，從河床可采挖級配良好的砂礫石。廠址周邊分布有棗園、林地和部分工業(yè)廠房，廠區(qū)北側(cè)3～5km有大片戈壁沙灘，可作為基坑開挖棄土場地。

1.5 地基承載力要求

電廠工程中有210m高煙囪、35m高灰?guī)焱矀}、71m高鋼結(jié)構(gòu)鍋爐房、32m高主廠房和36m高空氣冷卻裝置，全廠設(shè)備基礎(chǔ)和地下管網(wǎng)星羅棋布，加上運行時的振動荷載，對地基承載力要求很高。該工程主要建(構(gòu))筑物地基承載力設(shè)計值為600kPa。本文重點介紹沙漠地質(zhì)條件的地基處理方法。

2 工程難點分析

2.1 地質(zhì)條件差

本工程地貌屬沖洪積平原，處于典型沙漠地帶，現(xiàn)場地已被沙化，呈沙土、沙壤狀，地表承載力低，運輸車輛、工程機械進場必須修筑臨時道路，基坑邊坡穩(wěn)定性差，易產(chǎn)生塌方、坑陷等事故。

2.2 降水難度大

根據(jù)地質(zhì)報告，結(jié)合夏季農(nóng)田灌溉，地下水深度在8m左右，正處于開挖深度以上1m左右，由于砂質(zhì)土滲透性非常好，降水難度很大。

2.3 承載力要求高

根據(jù)當?shù)亟?jīng)驗數(shù)據(jù)，地基一般采用較經(jīng)濟的砂礫石進行換填，設(shè)計承載力達450～550kPa，而本工程要求達到600kPa，缺乏經(jīng)驗數(shù)據(jù)，所以，處理方案選擇和質(zhì)量控制是難點。

3 方案設(shè)計

3.1 方案選擇

根據(jù)場地條件和當?shù)毓こ探ㄔO(shè)資料顯示，常用地基處理方法有樁基礎(chǔ)、換填法和振沖擠實法，該工程地質(zhì)持力層在50m以上，選用灌注樁造價偏高，且砂土地質(zhì)易造成塌孔等質(zhì)量問題，不宜選擇。對比砂礫石換填和振沖擠實樁的投資成本、質(zhì)量控制和工期優(yōu)缺點如下：①砂礫石換填 造價需4 100 萬元，施工方法簡單、直觀，質(zhì)量易控制；可通過多投入機械加快進度，工期可控；造價低，質(zhì)量可控，但土方開挖量大，換填砂礫石需求大。②振沖擠實 造價需5 100萬元，較難成孔和控制樁長與振沖密實度，質(zhì)量控制較難；振沖機械作業(yè)互相影響，無法同時施工，工期較長；造價相對較低，棄土量較少，但用水量大，較難記錄填料量，大功率振沖機對周邊地質(zhì)有影響。

3.1.1砂礫石碾壓換填說明

采用天然砂礫石作為換填材料，通過機械分層碾壓，對基礎(chǔ)下方的軟弱地基進行局部或全部置換的處理方式，砂礫石換填地基可提供較高的地基承載力,有效控制建筑物變形，具有抗剪強度高、透水性強、整體剛度大等特性。施工質(zhì)量主要控制材料選擇、最大干密度、單層虛鋪厚度及碾壓遍數(shù)，且阿克蘇河上游有充足的天然級配砂礫石，能滿足需要。

3.1.2振動碎石樁說明

碎石樁施工中，要使樁體有效擠入軟土內(nèi)，形成堅實的柱狀樁體，振沖器必須有足夠的振動力振搗樁體，振沖器要振動至密實電流以上，且停留在該電流上一定時間，使樁體具有足夠密實度。目前，振動碎石樁施工質(zhì)量的控制停留在較初級水平，僅靠1臺電機啟動柜控制振沖器的啟動，并通過電流表體現(xiàn)密實電流，而無法檢測制樁長度、填料量、留振時間。當?shù)胤浅Ｈ狈λ槭璧?00km外的山礦訂購，價格高昂。

根據(jù)以上分析比較，砂礫石換填造價低、進度快、施工方法簡單直觀、質(zhì)量易控制，所以選擇砂礫石換填為本工程地基處理方案。

3.2 換填厚度確定

為驗證換填處理的承載力，工程前期進行現(xiàn)場承載力試驗。按照換填厚度2，2.5，3，4m分別做3組堆載試驗，每組試驗點平面開挖尺寸15m×45m，開挖深度同換填厚度，嚴格選料后，分層虛鋪厚度控制在400mm，每層使用22t壓路機振動碾壓6遍進行壓實。主要試驗檢測和質(zhì)量控制過程如下。

1)天然級配砂礫石最大粒徑≤200mm，粗顆粒(粒徑>5mm)含量控制在81%～90%，需對顆粒不均的砂礫石進行人工摻合。

2)砂礫石含水率控制在5%～8%，當含水率不足時進行灑水補充，每層碾壓完成后均需進行取樣試驗，基準最大干密度ρd取2.34g/cm3,壓實密實度控制在0.97以上。

3)分層換填夯實至預定厚度后，壓路機平碾1遍保持表面平整，進行地基承載力測試。試驗委托有資質(zhì)的專業(yè)檢測單位，采用慢速維持荷載法，由主梁、次梁、荷載物構(gòu)成加載反力系統(tǒng)。在承壓板底面下鋪墊經(jīng)過處理的50～100mm厚粗砂，采用2 000kN油壓千斤頂、并聯(lián)加載，通過手動油泵驅(qū)動加載，千斤頂合力通過承壓板中心。加載分級≥8級，最大加載量不應(yīng)小于設(shè)計要求的2倍，加載間隔時間為10～15min，通過儀表讀數(shù)換算可得地基承載力和變形模量。最終荷載試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 荷載試驗數(shù)據(jù)

通過試驗得出以下結(jié)論：在嚴格控制施工質(zhì)量情況下，換填厚度為3m時承載力基本能達到600kPa，但沉降量>6mm，主廠房內(nèi)幾個大型設(shè)備基礎(chǔ)埋深超過廠房基礎(chǔ)1m左右，即在換填完成后還要下挖，則換填厚度<3m，承載力<600kPa。若換填厚度為4m，則造價增加600萬元左右，但相應(yīng)增加承載力富余量，也減少沉降，滿足所有基礎(chǔ)承載力。最終確定換填厚度為4m。

3.3 開挖方案設(shè)計

3.3.1邊坡設(shè)計

確定換填厚度為4m，基礎(chǔ)埋深5m，所以基坑開挖深度為9m。根據(jù)地質(zhì)條件確定開挖放坡分2級：第1級放坡1∶1，邊坡采用5cm厚M10砂漿噴漿支護，保護邊坡土層穩(wěn)定；第2級放坡1∶1.25，由于開挖后馬上回填，邊坡放置時間較短，所以不考慮噴漿支護。2級邊坡間，即-5.000m處設(shè)置2m寬馬道，同時在邊坡10m范圍內(nèi)不得堆放重物，也不得有震動性強的機械作業(yè)，確保邊坡土體不受干擾。放坡系數(shù)安全性驗算如下。

以77孔土層分布及地質(zhì)報告提供的參數(shù)為計算依據(jù)(見表2)，采用理正軟件進行計算。邊坡如圖1所示。整體穩(wěn)定性驗算如圖2所示。

表2 土層參數(shù)

圖1 邊坡示意

圖2 整體穩(wěn)定性驗算

天然放坡計算條件如下：穩(wěn)定性驗算采用瑞典條分法，應(yīng)力狀態(tài)為總應(yīng)力法，基坑底面以下的截止計算深度為0，基坑底面以下滑裂面搜索步長為 5.00m，土條寬度為 0.40m。天然放坡計算結(jié)果如表3所示。

表3 天然放坡計算結(jié)果

通過計算得知，該放坡的7個道號整體穩(wěn)定安全系數(shù)都>1.0，說明安全。

3.3.2開挖邊線設(shè)計

考慮鍋爐房、側(cè)煤倉、主廠房和空冷島區(qū)域基礎(chǔ)排布較緊密，且換填厚度基本一致，為便于控制施工和質(zhì)量，采用整體大開挖法。煙囪區(qū)域相對獨立，考慮單獨開挖。基坑底開挖邊線原則為按最外側(cè)基礎(chǔ)外邊線再外擴3m，確保所有基礎(chǔ)在有效換填層持力范圍內(nèi)，其余邊線按放坡系數(shù)相應(yīng)外擴即可。經(jīng)過計算，開挖平面如圖3所示。

圖3 開挖平面

3.3.3降水方案設(shè)計

根據(jù)相關(guān)資料，基底土質(zhì)為細砂，擬采用深井降水方法降低地下水。管井采用內(nèi)徑500mm預制鋼筋水泥管，濾水孔徑為15mm，間距150mm×150mm，外側(cè)采用塑料濾網(wǎng)進行包裹。

根據(jù)土方開挖要求，降水設(shè)計需保持基坑開挖時，土體內(nèi)水位在基坑底標高0.5m以下，且換填過程中基坑內(nèi)不得出現(xiàn)積水，所以根據(jù)地下水位和各土層滲透系數(shù)可計算每天涌水量，再根據(jù)涌水量匹配相應(yīng)的抽排水設(shè)備。

通過計算，基坑深井降水共需34口深25m、內(nèi)徑500mm水泥管，基坑四周24口、坑內(nèi)10口，降水井應(yīng)便于排水，且避開廠房基礎(chǔ)和通道。在1，2號機主廠房區(qū)域四周的排水井通過φ300承插式波紋管連接，在轉(zhuǎn)角處砌筑1.5m×1.5m集水井，起排水沉淀作用。出廠排水管采用φ400承插式波紋管連接，再通過市政排水箱涵將水引入就近排水渠內(nèi)。

4 工藝流程

開挖流程為：測量控制點→開挖地表土→定位放線→修筑臨時道路→開挖第1層→修筑邊坡、馬道→修筑第2層臨時道路→開挖第2層→邊坡修筑、人工修底→基坑驗槽→交付換填。

換填流程為：修筑下基坑運輸通道→第1層虛鋪400mm厚砂礫石→灑水碾壓緊實→第2層虛鋪400mm厚砂礫石→灑水碾壓6遍→密實度試驗→…→最后1層碾壓6遍→密實度試驗→動探試驗、靜載試驗。

鍋爐房、側(cè)煤倉、主廠房和空冷島為整體大開挖，開挖、換填順序為鍋爐房→側(cè)煤倉→主廠房→空冷島。

5 施工方法

5.1 土方開挖

5.1.1準備工作

1)測量放線 測繪基坑第1級放坡邊線并放線，在基坑外周適當位置做好測量控制點。

2) 修筑臨時道路 基坑內(nèi)道路寬5m，使用600mm厚戈壁料鋪平、澆水并壓實，道路間距10m，滿足挖掘機工作半徑及裝車需要。

3)廠區(qū)道路采用永臨結(jié)合 即按規(guī)劃道路位置做好水泥穩(wěn)定層和混凝土中間層，滿足建設(shè)期運輸通行需要，建設(shè)后期施工瀝青混凝土面層，形成永久性道路，路寬6～10m。

4)資源準備 組織10個泥工、20個機械操作工、40個汽車駕駛員、5個架子工、30個普通工人。聯(lián)系砂礫石供貨商，確保每天5 000m3供應(yīng)量，準備40輛20t自卸汽車、4臺PC200挖掘機、7臺PC360挖掘機、4輛ZL50L輪式裝載機、6輛22t振動式壓路機、2臺120型推土機、1臺C400平鋪機、1套PJS100噴漿設(shè)備。

5.1.2開挖施工

1)采用7臺PC360大型挖掘機從鍋爐端同步開挖，使用2臺PC200中型挖掘機修邊坡及挖土，第1層開挖深度5m，即挖至中間馬道高度，從鍋爐區(qū)域向空冷支架區(qū)域推進。

2) 開挖第1層土方時，第1層臨時道路被挖掉，所以開挖第2層土方時，基坑內(nèi)還要再修1遍臨時道路。

3) 開挖第2層土方前先進行基坑降水，34個深水井提前5d開始抽水，將地下水位降至-12.000m以下，確保基坑底部不被浸泡。抽水由專人負責24h值班，防止水泵空轉(zhuǎn)，持續(xù)到基坑換填至-7.000m以上時，可以停止。

4) 第2層機械開挖深度3.5m，留0.5m采用人工修土，減少基底土擾動。其中人工修土緊跟挖掘機開挖進度，以便挖掘機及時挖走人工修土部分。

5) 邊坡修筑采用PC200挖掘機結(jié)合人工輔助，要求基坑邊線順暢、邊坡角度一致、平面高度一致。邊坡修筑成型后盡快進行噴漿護坡處理，確保邊坡穩(wěn)定。

5.1.3邊坡噴漿支護

1)基坑開挖邊坡修筑成型后即開始邊坡噴漿支護，先進行第1遍噴漿，再安裝鋼絲網(wǎng)，鋼絲網(wǎng)規(guī)格為φ4@200，鋪到斜坡后，按1 000mm間距插入直徑20mm、長500mm鋼筋，鋼筋外露5～10cm，鋼絲網(wǎng)與鋼筋綁扎牢固，然后進行第2遍噴漿。

2)噴漿范圍為第1級斜坡面延伸至原始地面1m寬度。

3)噴漿砂漿強度等級為M10，坍落度不宜過大，以設(shè)備能噴出為標準，以便加速砂漿凝固而不流淌。噴漿面在12h后灑水養(yǎng)護3d，灑水量不宜過大，以保持混凝土面濕潤為宜。

4)由結(jié)果可知，基坑邊坡安全穩(wěn)定，未出現(xiàn)下沉、滑坡、開裂等現(xiàn)象，取得較好效果。

5.2 換填施工

1)換填料采用阿克蘇河附近級配良好的天然砂礫石，最大粒徑≤200mm，石料純凈、粗顆粒(粒徑>5mm)含量為81%～90%，含泥量<3%，鋪筑過程中，需人工摻合攪勻分布不均勻的粗細顆粒。換填料含水量控制在5%～8%，以碾壓時擠出水分、不產(chǎn)生積水為宜。

2)換填范圍為基坑內(nèi)-9.000～-5.000m，按每層虛鋪400mm進行控制，大面積區(qū)使用平鋪機鋪裝，局部人工修整，表面應(yīng)平整順暢，厚度偏差<50mm。

墊層碾壓順序如下：底部原狀土壓路機平碾1遍(不振動)，每層虛鋪平整后先平碾1遍，然后振動碾壓密實，每層碾壓6～8遍，壓路機行駛速度控制在2km/h左右，墊層最后1層施工后需平碾1遍，使墊層達到一定平整度。每層碾壓結(jié)束后，對碾壓質(zhì)量進行取樣檢測，壓實系數(shù)≥0.97，每層每200m2取1組試驗。每層每個區(qū)塊必須在取樣試驗合格后才能施工上一層。對檢測不達標的部位進行返工處理，并重新進行檢測，直至達標。砂礫石碾壓墊層承載力特征值≥600kPa，變形模量≥85MPa。回填至設(shè)計標高后委托第三方有資質(zhì)的檢測機構(gòu)進行地基承載力試驗和動探試驗，并出具檢測報告。

3)回填作業(yè)必須在基坑干燥狀態(tài)下進行。

4)挖出1∶6斜坡，由廠區(qū)道路坡向鍋爐房基坑底回填800mm厚戈壁料，并灑水碾壓密實，通道寬6m，兩側(cè)斜坡放坡1∶1，表面做噴漿支護。待完成主廠房和空冷支架區(qū)域挖土后，在適當位置增加1～2處下基坑車輛通道，做法相同，以減小運距，提高回填效率。

5)分層分段回填夯實時，需注意填坡搭接，做好接槎，修筑1∶2階梯形邊坡，每級臺階高0.5m、寬1m，夯跡重疊0.5～1.0m，上、下層錯縫距離≥1m。接槎縫部位不得留在基礎(chǔ)、墻角、柱墩等重要部位。

6 成效分析

1)速度快 由于組織管理高效，工序銜接緊湊，設(shè)備投入充足，從開挖到完成驗收并交付墊層施工共77d，比預期提前13d。開挖量共27萬m3，換填12萬m3。

2)造價低 以當?shù)刎S富且廉價的天然級配砂礫石做回填料，95%以上工作均為機械作業(yè)，工期短，管理成本低，比其他方案節(jié)約投資1 000萬元以上。

3)后續(xù)施工連貫 換填完成后無養(yǎng)護間歇停頓，也無二次開挖或樁基處理，而是直接施工基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，且換填后場地平整開闊，為后續(xù)施工提供方便。

4)地基穩(wěn)定可靠 該項目投產(chǎn)已4年多，基礎(chǔ)可靠，運行穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)因沉降造成的墻面或地面裂縫，也未發(fā)現(xiàn)管溝開裂或池體滲漏，累計最大沉降量<60mm，遠小于規(guī)范允許的200mm，沉降數(shù)據(jù)偏差小且均勻，達到預期效果。

7 結(jié)語

本工程實踐證明，只要施工質(zhì)量控制到位，砂礫石換填承載力可達到600kPa，且施工方法簡單、造價較低，為類似工程施工提供借鑒和經(jīng)驗。