滨海软土地基的某4×600 MW电厂地基处理及基础选型

赵四方，程震宇，隋 亮，罗 一，付晓旭

(1.中国电力工程西南电力设计院有限公司，四川 成都 610051；2.南方电网能源发展研究院有限责任公司，广东 广州 510010； 3.中国电力技术装备有限公司，北京 100052)

0 引言

滨海区域通常分布有大量深厚软土[1]，该类土层具有强度低、压缩性高等特点，此类地区的建(构)筑物一般需要采用地基处理以满足地基沉降的要求[2]。常用的地基加固方法包括排水固结、堆载预压、强夯、水泥搅拌桩等方法[3-5]。本工程位于越南沿海地区，基岩埋深约150 m，属于典型的软土地貌，地基处理较为困难。且业主提出的沉降要求远高于DL 5022—2012《火力发电厂土建结构设计技术规程》[6]及GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》[7]的限值(见表1、表2所列)：上部结构荷载引起的地基沉降，对于重要建(构)筑物结构基础(包括主厂房基础、锅炉及烟囱基础、汽机基座等)最大不得超过25 mm；一般建(构)筑物基础最大沉降不得超过35 mm；承受轻型荷载的附属建(构)筑物基础允许最大沉降为50 mm。因此，采用常规的地基处理措施和基础设计将难以满足该要求。通过比选不同的地基处理及基础方案的优缺点，推荐地基处理采用真空—堆载联合预压法，基础方案结合不同受荷区域采用灌注桩、PHC桩及独立基础，并结合有限元软件分析，最终该组合方案下的沉降计算结果满足业主的相关要求并顺利实施。

表1 DL 5022—2012《火力发电厂土建结构设计技术规程》：主厂房沉降限值

表2 GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》： 基础沉降限值

1 工程概况

某4×600 MW火力发电厂位于越南南定省滨海区域，该区域属于河口三角洲地带，曾为滨海堆积地貌，距入海口约10 km。场地表层为第四系河流沉积地层，基岩埋深约150 m，场地内土层可分为10层，场地地址分层信息见表3所列。

表3 场地地质分层信息

地下水位埋深0.2～1.0 m，具有弱腐蚀性。根据越南地震烈度区划图(TCXDVN 375:2006)，电厂所在越南南定省抗震设防烈度为7 (MSK-64 system)；对应于重现期T=950 a最大设计地震(MDE)加速度(PGA)为ag= 0.1107g。

厂区地势平坦，天然场地标高为0.5～0.8 m，拟定场平标高4.5 m，考虑清表及沉降因素，场地回填厚度约6 m。场地土第④层为淤泥质土，平均厚度达到15.5 m；第⑤、⑦、⑨层均为较软弱层。可作为桩端持力层的土层主要为第⑧、⑩层。由于回填土及软弱层较厚，选择合理的场地预处理方式对于控制地基沉降将至关重要。

2 场地预处理及基础选型方案

2.1 场地预处理方案

目前软土地基处理的方法较多，包括强夯法、水泥搅拌桩法、排水固结法等 。

2.1.1 强夯法

强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和土的粉土与黏性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基，直接用于加固软土地基的效果不理想。由于本工程淤泥土层厚约15 m，淤泥层底部最大深度可达自然地坪下23～25 m，采用强夯后土中孔隙水压力升高，地基土强度可能较强夯前更加低，因此不建议采用。

2.1.2 水泥搅拌桩法

水泥搅拌桩最大限度利用原土，搅动时无振动、无噪音、无污染，可快速施工。但本工程淤泥层较厚，且具有短时间内体积不可压缩的特点，搅拌浆液容易跑失，需增加局部复搅复喷次数以提高水泥土的搅拌质量。由于场地淤泥层厚度较大，为达到理想的处理效果，水泥搅拌桩应穿透淤泥层到达坚硬土层，因此桩长较长，处理费用高， 不建议采用。

2.1.3 排水固结法

排水固结法是通过设置竖向以及水平向的排水体，通过表面施加一定压力，使地基中的超孔隙水压力通过排水体排出而使地基受到压缩，强度得到提高的一种方法。

排水固结法中目前使用较多的主要包括堆载预压法、真空预压法及真空—堆载联合预压法。若采用堆载预压，由于场地下淤泥较厚，堆载预压的初级荷载不能超过淤泥的承载能力，需要根据淤泥土强度的增长逐级加载，保证每级荷载下的土体稳定，不致超过土体剪切强度而发生失稳破坏，此堆载预压时间较长，多余的堆土在卸载后需运走，总体上造价较高。真空预压法应用于地基预压荷载不大于80 kN的情况,要求膜下真空度应稳定保持在86.7 kPa(650 mmHg)以上，且应均匀分布，排水竖井深度范围内的土层平均固结度应大于90%。结合本项目的实际情况，拟采用真空—堆载联合预压法，膜下真空度达到并稳定在86.7 kPa(650 mmHg)以上，且抽真空时间7～10 d后，即可在密封膜面的中细砂层上开始分层回填碾压堆载，工作周期约为4～6个月，不到堆载预压法的一半，现场无大量堆土，对环境影响较小。

经以上综合分析比较，采用真空—堆载联合预压法工期较短、投资较省，加固效果能满足工程要求。

真空—堆载联合预压法主要由加载系统和排水系统两部分组成。在真空泵抽真空荷载和上部填土堆载组成的加载系统作用下，软土内的水依次通过竖向排水系统即塑料排水板，进入水平砂垫层组成的水平排水系统，经砂垫层内的水平波纹滤管，由真空泵排出处理区外，工艺剖面如图1所示。真空荷载≥80 kN，处理后土壤固结度≥95%；塑料排水板间距为1.0 m×1.0 m，需伸至第④层土底部，平均单根长度约23 m。

图1 真空—堆载联合预压工艺剖面图

2.2 基础选型方案

基础选型应根据施工场地范围的工程地质和水文地质条件、建筑类型与功能要求、荷载大小、相邻建筑物基础情况及该地区抗震烈度等多方面的因素综合考虑。常采用的基础型式包括条形基础、独立基础、筏板基础、箱型基础和桩基础等。

本工程由于基础沉降要求较高，在采取了真空—堆载联合预压法进行地基处理后，地基土的弹性模量有较明显提高，但对于重要构筑物的基础，采用普通的扩展基础仍无法满足沉降的要求。结合地震烈度影响，本工程对于重要建(构)筑物(包括主厂房、锅炉及汽机基座)，采用整体或局部桩筏基础，桩端持力层为第⑩层，桩径1000 mm，单桩长度约75 m；对于一般建(构)筑物(如输煤栈桥、转运站、行政办公楼等)，采用普通桩承台基础，桩端持力层为第⑧层，直径600 mm的PHC管桩，单桩长度约45 m；对于储煤筒仓、飞灰库、渣库等承受较重荷载的构筑物，则采用直径800 mm的PHC管桩，桩端持力层为第⑩层，单桩长度约70m；对于承受轻型荷载的附属建(构)筑物，由于其荷载相对较小，采用扩展基础即可满足沉降要求。基础选型见表4所列。

表4 基础选型

3 沉降计算结果

根据地勘报告试验结果统计表，压缩模量Es的计算取值为：对道路和普通建筑基础取e1～e2(p=100～200 kPa)；对煤场区域取e2～e4(p=200～400 kPa)。见表5、表6所列。

表5 道路和普通建筑地基土体压缩模量

表6 煤场区域地基土体压缩模量

取Es1-2=2.5 MPa，Es2-4=3.5 MPa，根据工程经验和土力学研究，采用真空—堆载联合预压法后，2～4层固结度可达95%以上，其压缩模量可达原条件下土体压缩模量的5～10倍。 预压后，根据现场地勘成果，模量较初始值增加5倍以上，本次模量计算取值为：Er1-2=12.5 MPa，Er2-4=17.5 MPa。

厂区各区域基础沉降计算结果见表7所列。

表7 基础沉降计算结果mm

由表7可知，采用真空—堆载联合预压法处理后，对厂区各建(构)筑物分别按各自基础型式进行沉降计算，得到的基础沉降计算结果可满足项目关于沉降的相关要求。

为更直观表现采用真空—堆载联合预压法进行地基处理的效果，进一步构建数值模型对该工程厂区土体地基处理前后沉降情况进行模拟。COMSOL Multiphysics 是一款以求解偏微分方程来实现真实物理场模拟的大型有限元数值仿真软件，在土木工程、 岩土工程以及建筑工程行业得到广泛应用，操作界面方便，功能强大[8]，因此本文选择COMSOL Multiphysics 对该工程软土层地基处理进行数值模拟。

模型平面几何参数设置为100 m×30 m，即模拟长100 m，埋深30 m范围内软土沉降，模型顶部为自由边界，两侧采用辊支撑，底部采用固定端进行约束。桩基集中布置在20～80 m范围内，以减少模型两侧约束对实验的影响。根据工程经验和现场勘察资料，并保证验算收敛，地基处理前土体压缩模量取5 MPa，内聚力及摩擦角分别取33 kPa及21°；地基处理后土体压缩模量取20 MPa，内聚力及摩擦角分别取110 kPa及31°。模拟结果如图2～图4所示。

图2 地基处理前沉降模拟图

图3 地基处理前土体塑性变形模拟图

图4 地基处理后沉降模拟图

从模拟结果可以看出，地基处理前场地条件非常差，主要为填土和淤泥质土等，土层压缩模量很小，最大沉降值可达0.6 m，塑性变形区域主要集中在表层5 m范围内。而进行地基处理后，土体均未产生有效塑性应变，且沉降量控制在20 mm以内，可满足规范规定要求，说明采用真空—堆载联合预压法处理后对沉降进行了有效控制。相比理论计算，数值模拟地基处理后沉降结果偏小，这是因为模型中土体压缩模量较实际值略大，故沉降量更小。

4 结论

1)真空—堆载联合预压法适用于高饱和、厚软土地区，具有工期短，省投资的优点；可有效提高软土地基承载力和压缩模量；同时，无需大量取土及堆土，具有较好的环保效应。

2)地基处理后，地基承载力和压缩模量得到有效提高，可根据建(构)筑物的重要性及荷载进行差异化基础选型，最大限度地利用处理后的地基强度。计算表明，重要区域、一般区域及轻型荷载区域分别采用整体桩筏、局部桩筏、普通桩承台基础和扩展浅基础，可满足项目合同对于厂区建(构)筑物基础沉降的严格要求。