碎石垫层在百万千瓦级机组主厂房地基处理中的应用

刘志伟， 杨生彬

(西北电力设计院，陕西 西安 710032)

碎石垫层在百万千瓦级机组主厂房地基处理中的应用

刘志伟， 杨生彬

(西北电力设计院，陕西 西安 710032)

碎石垫层具有压实性能好、填筑密度大、抗剪强度高、变形小、承载力高等特性。邹县电厂百万千瓦级机组主厂房地基采用碎石垫层换填方案，通过试验确定了合理的施工工艺和设计参数。本文以建筑物沉降观测数据为基础，详细分析了碎石垫层地基建筑物的沉降与变形特征，采用三维数值模拟分析了垫层地基的变形和受力特征。

碎石垫层；主厂房；沉降分析；数值模拟。

1 工程概况

华电国际邹县发电厂位于山东省邹城市，四期工程建设两台百万千瓦超超临界机组。工程场地较好的地基持力层埋藏较深，主厂房等主要建(构)筑物采用天然地基不能满足设计要求。碎石垫层、灌注桩等在技术上均可行，且各有其优缺点。综合考虑技术、经济、工期、环境等方面的因素，主厂房等主要建(构)筑物地基采用碎石垫层方案具有明显的优势。

2 厂区岩土工程条件

工程场地地貌上属于山前冲洪积平原与河流冲积平原的过渡地带，总体上呈现东高西低之势。地层共分为三大层和数个亚层及次亚层，其中第一、第二大层为第四系松散堆积物，一般厚度26～50m，其下伏地层为石炭～二迭系基岩，详见表1。

地下水类型属孔隙潜水，主要来源为山前洪积平原和河流冲积平原上游地下水的侧向补给，以及大气降水补给等，地下水位埋深为0.56～2.36m。

表1 厂区地层分布

3 碎石垫层碾压试验与施工

碎石垫层采用人工级配碎石料，混合碎石料和石粉的拌合比例为6∶1～7∶1，最大粒径80mm，60～80mm的含量控制在10%左右，小于5mm颗粒控制在25%±3%。

碎石的不均匀系数Cu为33.6～118.2，平均64.2。曲率系数Cc介于3.0～12.0，平均6.7；粘粒含量0.2～1.1，最大干密度为2.24g/cm3。

试验使用的碾压设备工作质量为12T，激振力为243.4kN，振动频率31.7Hz，机械行走速度2km/h。单层虚铺厚度400mm，每层首先平碾一遍，再振动碾压5～6遍；碾的摆幅宽度为2/3碾宽，即压茬1/3碾宽。

试验区垫层碾压施工完成后，采用平板载荷试验进行承载力检测，承压板面积0.5m2，试验曲线见图1。从图1可以看出，试验加载至1400kPa，P～s曲线呈线性变化，试验未进入极限状态，表明碎石垫层承载力特征值不小于700 kPa，变形模量117.8～153.4MPa，平均值132.0 MPa。

工程中主厂房区碎石垫层施工厚度3.0m，经检测，压实系数0.98，承载力特征值不小于700 kPa，变形模量117.0 MPa，满足设计要求。

图1 碎石垫层载荷试验P～s曲线

4 建筑物沉降观测分析

锅炉、主厂房在施工期间及投产后均进行了沉降观测，两台机组全部投产后194天的沉降观测量不超过1mm，说明建筑物沉降稳定。

各建筑物的沉降观测值见表2、图2～图3。

表2 各建筑物沉降观测值

沉降观测数据表明，施工期间的沉降量占总沉降量90%以上，施工期间完成了大部分沉降且变形均匀，垫层的工后沉降变形很小。建筑物总沉降量很小且沉降均匀，说明垫层的抗变形能力和应力扩散能力强，能有效的控制下卧层的压缩变形。

图2 7#锅炉沉降观测点平均沉降曲线

图3 7#主厂房观测点平均沉降曲线

5 三维数值模拟

运用快速拉格朗日有限差分法对主厂房砂砾石垫层地基进行数值计算。模型平面尺寸根据基础尺寸及其与相邻基础之间的位置关系确定，模型高度考虑了碾压垫层地基的受力影响范围，一般独立基础取垫层底标高向下1.5b(b为基础宽度)深度范围为模型高度下限，本工程取至砂层层顶。模型简图见图4。

图4 物理模型简图

根据物理模型，结合岩土工程勘察报告及碾压垫层试验报告，综合选取相应的计算参数，计算范围内的土层参数和垫层参数见表3、表4。

表3 土层参数

表4 垫层参数

主厂房垫层竖向变形数值计算表明，垫层竖向变形最大值为39.74mm，位于垫层的中心区域，即基础接触部位。从平面上看，垫层变形由中心向四周呈衰减趋势，而在竖向分布上则是从垫层顶面向下衰减。由压力扩散理论可知，基底压力在垫层内部将以一定的压力扩散角向垫层深部传递，但其强度是递减的，而变形的趋势正好表明了垫层的的这种受力机理。

垫层下卧层变形见图5，可以看出下卧层与垫层接触部位的变形较大，在模型计算深度范围内呈衰减趋势，土层深部变形很小，基本可以忽略。垫层中监测变形最大值为39.74mm，而下卧层的变形最大值为35.02mm，占整个变形量的88.1%，可见垫层自身的变形量很小，说明垫层铺设过程中经充分碾压后，在施工过程中已基本完成了自身的固结变形，残余变形很小。

图5 主厂房垫层下卧层竖向变形等值线图

根据实测沉降值，对影响变形的土层参数进行反分析计算，即以实测沉降值为目标值，来反算满足实测沉降要求时各参数的值。垫层的最终变形主要是下卧层的变形，因此主要针对下卧层的参数进行调整，主要影响参数包括土层的模量及C、φ值，结果见表5。

表5 与实测值对比及参数反分析

6 结语

邹县电厂四期工程主厂房等主要建(构)筑物采用碎石垫层换填方案，地基处理是成功的。沉降观测数据表明，施工期间完成了大部分沉降且变形均匀，垫层的工后沉降变形很小。建筑物总沉降量很小且沉降均匀，垫层的抗变形能力和应力扩散能力强，能有效的控制下卧层的压缩变形。

三维数值模拟结果很好地反映了垫层地基的变形和受力特征，砂砾石填料在经过充分的分层碾压后，其自身的变形很小，包括工后沉降在内的总体沉降中垫层下卧层的变形占有很大的比重。因此，对于变形控制严格的建筑，应以有效控制下卧层的变形为主。

[1]西北电力设计院.华电国际邹县发电厂四期(2×1000MW)工程碎石碾压垫层试验报告[R].2004.

[2]西北电力设计院.砂砾石碾压垫层的工程性能与应用研究[R].2009.

Application of Sand-gravel Cushion Replacement Method in Main Building of 1000MW Unit Power Plant

LIU Zhi-wei, YANG Sheng-bin
(Northwest Electric Power Design Institute, xi’an 710032, China)

Sand-gravel cushion has some engineering characteristics of good compactibility, great fi lling density,high shear strength, less settlement and high bearing capacity etc. The program of sand-gravel cushion is used to the main building ground treatment of Zouxian 1000MW unit power plant, and a reasonable construction technology and design parameters are con fi rmed through testing. Based on the subsidence observation data of the buildings, the settlement and deformation characteristics of the building with sand-gravel foundation is analyzed in detail, and the settlement and mechanical characteristics of cushion foundation is analyzed by the method of three-dimensional numerical simulation.

sand-gravel cushion; main building; ground treatment; settlement analysis; numerical simulation.

P642

B

1671-9913(2010)02-0012-04

2009-12-07

刘志伟(1971-)，男，山西人，国家注册土木工程师(岩土)，高级工程师。