王芳蓉

(四川省電力設(shè)計院，四川 成都 610072)

馬六甲海峽某電廠濱海軟弱地基的工程特性及樁基分析

王芳蓉

(四川省電力設(shè)計院，四川 成都 610072)

在馬六甲海峽高烈度環(huán)境的濱海深厚軟弱地基條件下，存在地基工程力學(xué)性質(zhì)、樁基持力層以及樁體的軸向承載力和橫向荷載反應(yīng)等諸多地基與基礎(chǔ)設(shè)計問題。本文在軟弱地基的工程力學(xué)性質(zhì)分析研究基礎(chǔ)上，通過樁體軸向承載力及橫向荷載反應(yīng)分析，確定樁端持力層的地基層位，獲得該地基條件下不同規(guī)格鋼管樁和混凝土管樁，在樁頂固定情況下的容許彎矩、容許彎矩產(chǎn)生的橫向荷載以及橫向荷載引起的樁頂移位等分析計算成果。為該特定的深厚軟弱地基條件下的基礎(chǔ)設(shè)計，提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

軟弱地基；剪切波速；剛度系數(shù)；樁基。

1 概述

擬建的某電廠位于馬六甲海峽南部濱海平原，地處Sunda Arc.洋與印度洋板塊之間的桑達(dá)蘭歐亞克拉通板塊西南部，屬于澳印克拉通板塊的組成部分。蘇門答臘島西側(cè)的印度洋地殼，沿N23oE方向、約以7 cm/year的速度、以60o俯角向蘇門答臘西南海岸的Sunda海溝俯沖(Hamilton, 1979; Curray et al, 1979)。

據(jù)已有的研究資料分析，工程場地位于Sumatera島弧后盆地擴(kuò)散型地震區(qū)，屬建筑抗震不利地區(qū)。根據(jù)地震危險性概率分析獲得的最大加速度為0.1 g-0.15 g。按地震危險性周期500年、設(shè)計年限50年超越概率10%考慮，該場地的最大地震加速度應(yīng)為0.15 g。

在該高烈度環(huán)境的濱海深厚軟弱地基條件下，存在地基工程力學(xué)性、樁基持力層以及樁體的軸向承載力和橫向荷載反應(yīng)等諸多地基與基礎(chǔ)設(shè)計問題。

2 地基土層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

該火力發(fā)電廠位于濱海沼澤地段，地基土層主要由深厚的(60m深鉆孔仍未穿透)海相淤泥質(zhì)軟土構(gòu)成，其特殊的工程地質(zhì)性質(zhì)主要表現(xiàn)在以下幾方面。

⑴地基土層由全新世海灣泥沼相、晚更新世濱海相兩個沉積旋回、四個沉積亞層組成(表1)。地基淺表層含有貝殼等生物碎屑，并夾有薄層淤泥(或泥炭)、細(xì)砂夾層及透鏡體。

沉積旋回 分層 埋深 /m 工程地質(zhì)特征 鉆孔巖芯照片淤泥質(zhì)粘土 0.00～19.00 軟塑～可塑、飽和，含少量貝殼碎片，夾松散～中密淤泥質(zhì)細(xì)-中粒石英砂透鏡體。①Q(mào)4海灣泥沼相沉積②含淤泥質(zhì)中-細(xì)粒砂14.00～39.00 中密～密實(局部松散)、飽和，含淤泥及少量貝殼碎片，夾淤泥質(zhì)粘土。③粘土夾淤泥質(zhì)土30.00～53.00 硬可塑、飽和，夾薄層淤泥質(zhì)細(xì)砂及砂質(zhì)淤泥，底部少量細(xì)砂、有機(jī)質(zhì)及貝殼碎片。Q3濱海相沉積④含泥質(zhì)中-粗砂≥50.45 細(xì)-粗粒，中密～密實，以次棱角石英為主，含少量貝殼碎片、硬塑粘土及淤泥夾層。

表1 地基土的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

⑵地基土層處于高飽和狀態(tài)，淺層淤泥質(zhì)粘土的天然孔隙比e一般大于1.24，壓縮指數(shù)較大(Cc= 0.53～1.80)，滲透系數(shù)一般小于10-6cm/s，觸變性及流變性較顯著。這些特性導(dǎo)致地基土具有變形量大且持續(xù)時間較長的不良性質(zhì)[2]。

⑶地基土層的力學(xué)強(qiáng)度總體上較低(表2)。尤其是淺表層淤泥質(zhì)粘土的抗剪強(qiáng)度較低，粘聚力c=11.0～40.0 kPa、內(nèi)摩擦角φ′=1.7～12.4o。SPT-N值(標(biāo)準(zhǔn)貫入) 普遍很低，大部分小于1。

表2 地基土層主要力學(xué)指標(biāo)

⑷統(tǒng)計分析的變異系數(shù)δ顯示(表3)，雖然地基土層物理性質(zhì)參數(shù)的收斂性較好，但是力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的離散性卻較大。顯然，地基土層物理力學(xué)性質(zhì)的不均勻性極為明顯。

表3 主要物理力學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計變異系數(shù)δ

3 地基工程力學(xué)特性

⑴地基土的剪切波速與卓越周期

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入SPT-N值實測值，按海相軟土地基剪切波速vS(m/s)的下列工程經(jīng)驗，獲得地基剪切波速分析值(表4)。

淤泥質(zhì)土：vS=αN0.324；粘土：vS=βN0.55；砂土：vS=γN0.324；動力基礎(chǔ)：vS=α′(118.59+0.46N+2.17Z)式中α、β、γ及α′均為與工程經(jīng)驗有關(guān)的系數(shù))。

表4 地基土剪切波速vS計算成果

卓越周期T是場地地基條件的一種固有特性。工程設(shè)計中應(yīng)使建筑物的結(jié)構(gòu)自振周期避開地基的卓越周期，防止因二者相近而產(chǎn)生的共振效應(yīng)[3]。根據(jù)地基土層的剪切波速vsi，按相應(yīng)的分析獲得地基卓越周期計算值T=1.67(計算深度取60m)。

⑵地基砂土液化問題

根據(jù)PT. Manunggal工程公司提供的《土層勘察分析報告》中有關(guān)地基砂層的地質(zhì)描述、物理性質(zhì)試驗參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)貫入測試數(shù)據(jù)等指標(biāo)，從液化勢的宏觀(地基土的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、砂層的粘粒含量、砂層的埋藏條件與地震地質(zhì)特征)及微觀(標(biāo)準(zhǔn)貫入臨界值Ncr判據(jù)、臨界剪切波速vscr判據(jù))兩方面判定準(zhǔn)則分析，我們認(rèn)為“在設(shè)計年限50年期間超越概率10%、場地最大地震加速度0.15 g的條件下，地基上部薄砂層可能發(fā)生液化，15 m深度以下的中密及密實砂層，多數(shù)SPT-N值超過30，不大可能發(fā)生液化?！?/p>

⑶地基土層的平均剪切模量

根據(jù)土層的剪切波速vsi、天然密度ρi及厚度di等參數(shù)，計算地基土層的平均剪切模量G(MPa)見表5。)

表5 場地土層平均剪切模量計算成果

⑷地基剛度系數(shù)

在缺乏現(xiàn)場動測試驗資料的情況下，首先根據(jù)天然地基承載力的特征值fak和已有工程經(jīng)驗，確定抗壓剛度系數(shù)Cz。然后確定抗剪剛度系數(shù)Cx=αCz、抗彎剛度系數(shù)Cφ=βCz及抗扭剛度系數(shù)Cψ=ξCz(α、β及ξ均為與工程經(jīng)驗有關(guān)的系數(shù))。

表6為該擬建場地地基土剛度系數(shù)的分層計算值，場地綜合值應(yīng)根據(jù)具體的基礎(chǔ)底面積按下式計算：

式中：hi為基礎(chǔ)底面至第i層土底面的深度(m)；hi-1為基礎(chǔ)底面至第i-1層土底面的深度(m)；hd為基底影響深度，hd=2 A(m)(A為基礎(chǔ)底面面積(m2))。

表6 地基剛度系數(shù)計算成果

⑸樁基剛度系數(shù)

經(jīng)相關(guān)分析及同類地基的工程經(jīng)驗，樁基剛度系數(shù)按表7取值。據(jù)此分析，地基第②層中—下段中密狀細(xì)—中砂層及其下伏地層，樁周土當(dāng)量抗剪剛度系數(shù)及樁端土當(dāng)量抗壓剛度系數(shù)均明顯大于上覆淺表土層。

表7 樁基剛度系數(shù)

4 樁基分析

⑴樁體軸向承載力

為滿足設(shè)計需要，我們根據(jù)樁體荷載分析成果，繪制了混凝土管樁及鋼管樁的極限軸向承載力(抗壓及抗拔)與樁體置入深度的典型關(guān)系曲線?？紤]到業(yè)主的技術(shù)要求，計算分析按美國石油組織(API)推薦的2A-WSD (RP 2A-WSD)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

分析成果顯示(圖1及圖2)，當(dāng)樁端達(dá)到第②層中密砂層(SPT-N值在20至40之間)時，樁體的軸向承載力顯著增加。顯然應(yīng)選擇該層作為樁端持力層。表8是各鉆探點的混凝土灌注樁(BH-03至BH-08)和鋼管樁(BH-01至BH-08)的最大置入深度分析成果。

圖1 BH03鉆孔鋼管樁軸向承載力與樁體置入深度關(guān)系曲線(PC500等為樁徑)(右圖-標(biāo)貫；中圖-極限抗壓力kN；左圖-極限抗拔力kN)

圖2 BH03鉆孔鋼筋混凝土管樁軸向承載力與樁體置入深度關(guān)系曲線(PC500等為樁徑)(右圖-標(biāo)貫；中圖-極限抗壓力 kN；左圖-極限抗拔力kN；橫坐標(biāo)-軸向承載力kN)

表8 樁體最大置入深度計算分析成果

⑵樁體橫向荷載反應(yīng)

為了分析樁體對側(cè)向載荷的反應(yīng)，我們采用p-y法分析樁體承受的橫向載荷，分析時設(shè)定樁頂固定、樁頂高度(+3.500mMSL)固定不變。圖3及圖4為樁體承受的橫向載荷的典型分析成果。

圖3 BH03鉆孔鋼管樁側(cè)向載荷反應(yīng)分析曲線(PC500等為樁徑)(上圖-樁頂位移cm；下圖-側(cè)向容許彎矩kN.m；橫坐標(biāo)-側(cè)向荷載kN)

圖4 鋼筋混凝土管樁側(cè)向載荷反應(yīng)分析曲線(PC500等為樁徑)(上圖-樁頂位移cm；下圖-側(cè)向容許彎矩kN.m；橫坐標(biāo)-側(cè)向荷載kN)

樁的橫向承載力是由樁體頂部的最大容許移位和樁體橫截面結(jié)構(gòu)承載力所決定的，即該條件下的最大容許彎矩。根據(jù)上述樁體側(cè)向載荷反應(yīng)分析，獲得該地基條件下不同規(guī)格的鋼管樁和混凝土管樁，在樁頂固定情況下的容許彎矩、容許彎矩產(chǎn)生的橫向荷載以及橫向荷載引起的樁頂移位等分析計算成果(表9)。

表9 樁體容許彎矩、橫向承載力和頂部移位計算成果

5 結(jié)論

⑴在東南亞沿海地區(qū)的電力工程建設(shè)中，受軟弱地基條件的復(fù)雜性和當(dāng)?shù)丶夹g(shù)條件局限性的制約，地基測試及試驗數(shù)據(jù)的收斂性存在一定問題。有效的工作方法應(yīng)是，首先通過相應(yīng)的數(shù)理統(tǒng)計分析，謹(jǐn)慎考察地基測試及試驗數(shù)據(jù)的可靠度，據(jù)此進(jìn)一步分析其工程特性指標(biāo)，為基礎(chǔ)設(shè)計與施工提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

⑵分析成果顯示，當(dāng)樁端達(dá)到工程力學(xué)性質(zhì)較好的第②層中密砂層時，樁體的軸向承載力顯著增加。故應(yīng)選擇該層作為樁端持力層。

⑶樁的橫向承載力取決于建筑頂部最大容許移位和樁體橫截面結(jié)構(gòu)承載力，即該條件下的最大容許彎矩。根據(jù)樁體橫向荷載反應(yīng)分析，可獲得不同規(guī)格樁體的最大容許彎矩、容許彎矩產(chǎn)生的橫向載荷以及橫向載荷引起的樁頂移位理論值。該計算成果可作為建筑基礎(chǔ)設(shè)計的參考依據(jù)。

[1]張倬元，王士天，王蘭生．工程地質(zhì)分析原理(第3版)[M]． 北京：地質(zhì)出版社，2009．

[2]孔德坊．工程巖土學(xué)[M]．北京：地質(zhì)出版社1992．

[3]王士天．復(fù)雜環(huán)境中地質(zhì)工程問題分析的理論與實踐[M]．成都：四川大學(xué)出版社，2002．

Engineering Characteristic and Pile Foundation Analysis Coastal Soft Foundation a Power Plant in Malacca Channel

WANG Fang-rong
(Sichuan Electric Power Design Institute, Chengdu 610072, China)

On the conditions of deep and coast-soft ground in high intensity environment on the Malacca Straits, it exists the ground and foundation design problems on the mechanical properties of foundation works, pile bearing stratum, the axial bearing capacity of pile and lateral load response, and so on. In this paper, it based on the analysis and study of mechanical properties of soft ground, and through the pile axial bearing capacity and analysis on the lateral load response which have to determined the horizon of ground of the pile tip bearing stratum. And then it have obtained analysis and calculation results on different speci fi cations of steel pipe pile and concrete pile on this ground condition, and allowable bending moment and lateral loads produced by allowable bending moment and pile displacement produced by lateral loads in the case of fi xed head pile. In order to provide reliable technical basis for foundation design in this speci fi c deep and soft ground condition.

soft ground; shear wave velocity; stiffness coef fi cient; pile foundation.

TU4

B

1671-9913(2010)06-0020-05

2010-10-26

王芳蓉(1958- )，女，碩士，高級工程師，長期從事電力工程勘察設(shè)計及研究工作。