梁婭莉,侯憲安,鐘西岳

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院，西安市710075)

0 引言

冷卻塔是火力發(fā)電廠(chǎng)非常重要的構(gòu)筑物，在整個(gè)電廠(chǎng)土建投資中占有較大的比例，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及地基處理方案的優(yōu)劣直接影響電廠(chǎng)土建投資及安全運(yùn)行。采用合理的地基處理方案可以降低工程造價(jià)，加快工程施工進(jìn)度，縮短工程建設(shè)周期［1-3］。因此，對(duì)于建設(shè)在復(fù)雜地質(zhì)場(chǎng)地上的冷卻塔而言，冷卻塔地基處理方案的選擇是工程設(shè)計(jì)階段中不可或缺的重要內(nèi)容。本文根據(jù)某工程間冷塔的地質(zhì)條件，針對(duì)間冷塔不同型式的地基處理方案進(jìn)行比較，以確定鋼筋混凝土灌注樁地基處理方案;采用TSH3SCOQ雙曲線(xiàn)自然通風(fēng)冷卻塔結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算程序(有矩理論)對(duì)樁徑0.8、1.2 m灌注樁以及不同的布樁方案分別進(jìn)行分析計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終確定合理、經(jīng)濟(jì)的樁基設(shè)計(jì)方案。本文研究結(jié)論可為其他規(guī)模相當(dāng)?shù)拈g冷塔地基處理方案及費(fèi)用提供參考。

某工程新建2臺(tái)600 MW超臨界間接空冷燃煤發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組配置1座雙曲線(xiàn)鋼筋混凝土自然通風(fēng)間接空冷冷卻塔，散熱器采用垂直布置方案。間接空冷塔塔高為172.0 m，進(jìn)風(fēng)口高度為27.00 m，喉部直徑為84.00 m，環(huán)基中心直徑為140.34 m，設(shè)置44對(duì)X支柱作為支撐，采用環(huán)板基礎(chǔ)。

1 自然地理?xiàng)l件

該工程間接空冷塔建設(shè)場(chǎng)地位于北側(cè)河流的Ⅰ、Ⅱ級(jí)階地上，東西約長(zhǎng)1.1 k m，自然地面標(biāo)高為1 098.43～1 129.64 m(1956年黃海高程系)，西南高、東北低。

1.1 工程地質(zhì)概況

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，勘測(cè)深度范圍內(nèi)，場(chǎng)地Ⅰ級(jí)階地區(qū)域內(nèi)主要由第四紀(jì)全新世新近沖洪積形成的粉土、砂土(、)、第四紀(jì)全新世及更新世沖洪積的粉質(zhì)粘土、砂土、碎石和二疊系上統(tǒng)上石盒子組砂質(zhì)泥巖、砂巖(P2S)組成;Ⅱ級(jí)階地區(qū)域內(nèi)普遍為第四紀(jì)全新世沖洪積的黃土狀粉質(zhì)粘土(Q4al+pl、)、其下依次為第四紀(jì)更新世沖洪積的粉質(zhì)粘土、砂土和碎石(Q3al+pl)以及二疊系上統(tǒng)上石盒子組砂巖(P2S)組成。各層地基土的地基承載力特征值見(jiàn)表1。

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1.2 水文地質(zhì)及地下水條件

本區(qū)域水文地質(zhì)條件較復(fù)雜。Ⅰ級(jí)階地地下水位埋深為 7.6～4.2 m，標(biāo)高為 1 094.75～1 098.52 m。Ⅱ級(jí)階地地下水位埋深為 19.9～21.7 m，地下水位標(biāo)高為1 094.64～1 100.56 m。

1.3 黃土濕陷性評(píng)價(jià)

濕陷性黃土主要分布在Ⅱ級(jí)階地上，埋深為13.9 m以上，局部地段深度可能超過(guò)15 m。場(chǎng)地屬非自重濕陷性場(chǎng)地，濕陷等級(jí)Ⅰ級(jí)，濕陷深度下限不大于9.0 m。

2 冷卻塔地基處理

根據(jù)廠(chǎng)區(qū)總平面布置，該工程2座間接空冷塔均部分坐落在Ⅰ級(jí)階地、部分坐落在Ⅱ級(jí)階地上，其中1號(hào)冷卻塔自然地面標(biāo)高為1 101.72～1 114.45 m，2號(hào)冷卻塔自然地面標(biāo)高為1 105.00～1 121.27 m，冷卻塔豎向整平標(biāo)高為1 112.80 m。

2.1 地基處理方案

根據(jù)GB 50025—2004《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》［4］對(duì)建筑物等級(jí)的劃分，間接空冷塔屬于甲類(lèi)建筑，應(yīng)消除地基全部濕陷量或穿透全部濕陷性地層。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)濕陷土層厚度小于10 m時(shí)，采用強(qiáng)夯消除濕陷是很好的選擇［5-6］，當(dāng)濕陷土層厚度大于10 m時(shí)，可考慮孔內(nèi)深層強(qiáng)夯技術(shù)［6］。然而，本工程Ⅱ級(jí)階地局部地段深度可能超過(guò)15 m，強(qiáng)夯不適用。下面就灌注樁方案和孔內(nèi)深層強(qiáng)夯水泥土樁方案分別論述。

2.1.1 灌注樁方案

樁基是深基礎(chǔ)的一種形式，能較好地適應(yīng)各種工程地質(zhì)條件，是我國(guó)用得最多的一種人工地基。樁基工程設(shè)計(jì)一般需要考慮垂直承載力、水平承載力、沉降和位移等問(wèn)題，設(shè)計(jì)應(yīng)以樁基工程總費(fèi)用為控制目標(biāo)，進(jìn)行多方案優(yōu)化比較，使樁基垂直承載力和水平承載力能較好地匹配，達(dá)到工程費(fèi)用最低的目的［4］。灌注樁方案對(duì)整體傾斜有嚴(yán)格限制，對(duì)不均勻沉降有嚴(yán)格限制，是主要承受水平荷載和上拔力的建構(gòu)筑物推薦采用的地基處理方案［7］。采用該方法進(jìn)行地基處理時(shí)，樁體通常穿透濕陷性土層達(dá)到或深入其下的持力層。同類(lèi)工程經(jīng)驗(yàn)表明，采用灌注樁處理冷卻塔濕陷性黃土地基是可行的。

2.1.2 孔內(nèi)深層強(qiáng)夯水泥土樁方案

孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法用螺旋鉆機(jī)成孔，在孔中分層填入碎磚三合土、灰土、水泥土等填料，夯實(shí)成樁，反復(fù)錘擊使樁徑逐步擴(kuò)大，與樁間土共同組成復(fù)合地基。此復(fù)合地基可以改變濕陷性黃土的大孔結(jié)構(gòu)，消除地基土的濕陷性和提高地基土的承載能力［8］。處理后的地基整體剛度均勻，承載力可提高2～9倍;變形模量高，沉降變形小，不受地下水影響，地基處理深度可達(dá)30 m以上，在我國(guó)許多地區(qū)被廣泛推廣使用。它可適用于大厚度雜填土、濕陷性黃土、軟弱土、液化土、風(fēng)化巖、膨脹土、紅粘土以及具有地下人防工事、古墓、巖溶土洞、硬夾層軟硬不均等各種復(fù)雜疑難的地基處理。

本工程冷卻塔采用孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法進(jìn)行地基處理時(shí)，有效樁長(zhǎng)約10 m，樁徑為0.63 m，采用正三角形布樁，樁距1.1 m，布樁范圍沿環(huán)基每邊超出環(huán)板基礎(chǔ)外緣6 m，樁頂鋪設(shè)1 m厚、2∶8灰土墊層。

根據(jù)以往工程的經(jīng)驗(yàn)，孔內(nèi)深層強(qiáng)夯水泥土樁施工受人為因素影響較大，施工過(guò)程不易控制，施工質(zhì)量離散性較大，復(fù)合地基承載力也不是太高?？紤]到冷卻塔結(jié)構(gòu)的重要性以及參考廠(chǎng)區(qū)其他建構(gòu)筑物的地基處理方案，本工程間冷塔地基處理決定采用鋼筋混凝土灌注樁樁基方案。

2.2 灌注樁樁型的選擇

在進(jìn)行灌注樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)時(shí)，除了考慮其垂直承載力外，還需考慮水平抗力及其有關(guān)問(wèn)題。與單樁豎向承載力相比，單樁水平承載力顯得更為復(fù)雜。影響水平承載力的因素較多，除與地基土的強(qiáng)度有關(guān)外，還與樁基的樁徑、樁身截面剛度、材料強(qiáng)度、樁的入土深度、樁頂與承臺(tái)嵌固情況及群樁布置因素有關(guān)。在高層建筑及超高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，風(fēng)力和地震力等水平荷載也是設(shè)計(jì)中的控制因素，樁基的水平承載力和位移計(jì)算成為設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一［9］。因此，除了考慮豎向承載力，研究分析灌注樁樁基的水平力狀態(tài)，對(duì)主要承受風(fēng)荷載冷卻塔這類(lèi)高聳構(gòu)筑物的灌注樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，顯得尤為重要。

從巖土報(bào)告中看，(7)層碎石層是較好的樁端持力層，但是綜合試樁報(bào)告中并未給出該層的端阻，因此，本報(bào)告計(jì)算所用的(7)層碎石層端阻暫按JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［10］給出的參考值選取，取2000 kPa。根據(jù)間冷塔對(duì)地基承載力的要求，并結(jié)合廠(chǎng)區(qū)其他建構(gòu)筑物的樁基方案，擬定了樁徑0.8、1.2 m這2種不同的方案。

冷卻塔地段的工程地質(zhì)剖面顯示:(7)層表面起伏很大，若采用擴(kuò)底灌注樁，則在(7)層內(nèi)無(wú)法擴(kuò)底施工，因此，樁基設(shè)計(jì)不考慮擴(kuò)底灌注樁而采用直樁。

2.3 直徑0.8 m灌注樁的布樁方案

A區(qū)(I級(jí)階地)內(nèi)0.8 m直徑的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)36 m，樁端進(jìn)入(8)－1層中，單樁豎向極限承載力為10 000 kN;0.8 m直徑鉆孔擴(kuò)底灌注樁單樁(擴(kuò)底直徑1.5 m)，樁長(zhǎng)23.5 m，樁端進(jìn)入(6)－3層中，豎向極限承載力為6 300 kN。

B區(qū)(II級(jí)階地)內(nèi)0.8 m直徑的擴(kuò)底鉆孔灌注樁(擴(kuò)底直徑1.5 m)樁長(zhǎng)21.8 m，進(jìn)入(6)－1層中，單樁豎向極限承載力為3 700 kN，單樁水平臨界荷載取值為200 kN。

依據(jù) JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［10］，取單樁水平臨界荷載的75%為單樁水平承載力特征值。由試樁結(jié)果得到的單樁水平承載力特征值為150 kN。

針對(duì)直徑0.8 m的灌注樁，擬定了4種布樁方案。

方案Ⅰ:冷卻塔地基處理按照每對(duì)X支柱下設(shè)12根直徑0.8 m的灌注樁進(jìn)行布置，樁長(zhǎng)30 m，樁端進(jìn)入到(7)層，如圖1(a)所示。

方案Ⅱ:冷卻塔地基處理按照每對(duì)X支柱下設(shè)14根直徑0.8 m的灌注樁進(jìn)行布置，樁長(zhǎng)31 m，樁端進(jìn)入到(6)層或者(7)層中，如圖1(b)所示。

方案Ⅲ:冷卻塔地基處理按照每對(duì)X支柱下設(shè)16根直徑0.8 m的灌注樁進(jìn)行布置，樁長(zhǎng)30 m，樁端進(jìn)入到層(6)層或者(7)層中，如圖1(c)所示。

方案Ⅳ:冷卻塔地基處理若按照每對(duì)X支柱下設(shè)18根直徑0.8 m的灌注樁進(jìn)行布置，樁長(zhǎng)27 m，進(jìn)入到層(6)層或者(7)層中，如圖1(d)所示。

圖1 灌注樁的布樁方案(直徑0.8 m)Fig.1 Arrangement schemes of bored pile(D=0.8 m)

2.4 直徑1.2 m灌注樁的布樁方案

影響單樁水平承載力和位移的因素包括樁身截面抗彎剛度、材料強(qiáng)度等。隨著樁直徑的增加，水平承載力也隨之快速增加，而且樁的排數(shù)較少時(shí)，群樁效率系數(shù)也較高，為此，對(duì)直徑1.2 m灌注樁的布樁方案進(jìn)行了分析。

根據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［10］，地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)(m)可由試驗(yàn)結(jié)果的臨界荷載和對(duì)應(yīng)位移推算，即

式中:Hcr為單樁水平臨界荷載;Xcr為單樁水平臨界荷載對(duì)應(yīng)的水平位移;vx為樁頂水平位移系數(shù);b0為樁身的計(jì)算寬度;EI為樁身抗彎剛度。

根據(jù)直徑0.8 m灌注樁的綜合試樁結(jié)構(gòu)，計(jì)算可知m=21 MN/m4。

單樁水平力承載力特征值為

式中:χoa為樁頂允許水平位移。

由式(2)得:直徑1.2 m的灌注樁的單樁水平力承載力特征值為406.796 kN。

考慮群樁效應(yīng)綜合，得到群樁水平承載力特征值為

式中ηh為群樁效應(yīng)綜合系數(shù)，ηh=ηi+ηr+ηl+ηb，其中:ηi為樁的相互影響效應(yīng)系數(shù);ηr為樁頂約束效應(yīng)系數(shù);ηl為承臺(tái)側(cè)向土水平抗力效應(yīng)系數(shù);ηb為承臺(tái)底摩阻效應(yīng)系數(shù)。由于本場(chǎng)地土層具有濕陷性，故不考慮承臺(tái)底摩阻效應(yīng)。

針對(duì)直徑1.2 m的灌注樁，擬定了4種布樁方案。

方案i:1對(duì)X支柱下設(shè)8根直徑1.2 m的灌注樁，如圖2(a)所示。

方案ii:1對(duì)X支柱下設(shè)7根直徑1.2 m的灌注樁，如圖2(b)所示。

方案iii:1對(duì)X支柱下設(shè)6根直徑1.2 m的灌注樁，如圖2(c)所示。

方案iv:1對(duì)X支柱下設(shè)5根直徑1.2 m的灌注樁，如圖2(d)所示。

2.5 方案對(duì)比

采用TSH3SCOQ雙曲線(xiàn)自然通風(fēng)冷卻塔結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算程序(有矩理論)［1］對(duì)該塔直徑0.8、1.2 m 灌注樁的布樁方案進(jìn)行了分析，得出標(biāo)準(zhǔn)荷載組合下的樁頭所承擔(dān)的豎向力及水平力見(jiàn)表2所示。

圖2 灌注樁的布樁方案(直徑1.2 m)Fig.2 Arrangement schemes of bored pile(D=1.2 m)

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2.6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

對(duì)該塔直徑0.8、1.2 m灌注樁的布樁方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，得出的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)如表3所示。從表3可看出，每對(duì)人字柱下布置6根直徑1.2 m灌注樁方案將比每對(duì)人字柱下布置18根直徑0.8 m灌注樁的方案節(jié)省310.8萬(wàn)元，樁的總數(shù)也最少，施工工期短。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)復(fù)合地基施工質(zhì)量離散性較大，不易控制，承載力也不滿(mǎn)足本工程的要求，因此本工程地基采用鋼筋混凝土灌裝樁方案。

(2)綜合造價(jià)及施工工期等因素，最終采用最為經(jīng)濟(jì)的方案，即每對(duì)X支柱下布置6根直徑1.2 m灌注樁方案。

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