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【摘 要】针对陕西某生物质能发电厂主厂房湿陷性黄土地基处理为例，对载体桩方案在此湿陷性黄土地基处理中的应用进行了引证分析，从工程概况、场地地基土工程地质条件、地基处理方案、载体桩桩基础设计、载体桩复合地基处理方案地基试桩报告及结果等方面进行了论述，提出载体桩方案在此种湿陷性黄土地基处理中应用的优点。
【关键词】湿陷性黄土地基；厂房结构荷载；单桩极限承载力；载体桩
1 工程概况
本工程为陕西某生物质能发电项目工程，依据《建筑抗震设计规范》（2008年版）GB50011-2001，当地设计地震分组属第一组，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，场地特征周期为0.45s。根据《岩土工程勘察报告》，建筑场地类别为Ⅲ类，拟建场地地面标高为525.21～529.62m，平均高程为526.25m，最大高差达4.41m，地貌单元属渭北黄土台塬。
本工程主厂房为框排架结构，纵向柱距7m，总长85.360m，共14轴，横向排架跨度24m，框架跨度9m，单柱竖向荷载考虑10000kN。排架部分为主厂房汽机房，汽机房内零米及零米下有大量中小型设备基础以及汽轮发电机基础；框架部分为除氧料仓间，料仓间零米下有较复杂的地下沟道及电缆隧道。
根据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002表3.0.1规定，本工程主厂房地基基础设计等级为甲级。
主厂房场地自然地坪标高约为525.8m，基础承台底标高初步定为521.3m。
2 场地地基土工程地质条件
2.1 地基土
根据勘察报告，勘探深度范围内的地基土自上而下分别描述如下：
①-素填土Q4ml，具湿陷性，属中压缩性土。本层厚度为0.30～2.90m，层底标高为523.71～528.52m，层底深度0.30～2.90m。
②-黄土状土Q4al+p。坚硬～硬塑～可塑（部分土样为软塑），具轻微～强烈湿陷性和自重湿陷性，属高压缩性土。本层厚度为2.30～5.90m，层底标高为520.71～523.73m，层底深度为3.20～6.40m。本层土承载力特征值为fak=160kPa。
③-黄土Q3eol。硬塑～可塑（部分土样为软塑），具轻微～强烈湿陷性和自重湿陷性，属中等偏高压缩性土。本层厚度为5.00～8.10m，层底标高为514.21～517.65m，层底深度为9.50～12.80m。本层土承载力特征值为fak=150kPa。
③-1黄土Q3eol。软塑～流塑（部分土样为可塑），属中压缩性土。本层厚度为2.20～5.30m，层底标高为510.65～514.62m，层底深度为13.70～15.00m。本层土承载力特征值为
fak=135kPa。
④-黄土Q3eol。可塑～软塑（个别土样为流塑），属中压缩性土。本层部分钻孔未穿透，揭露厚度为0.30～10.00m，层底标高为501.62～512.45m，层底深度为15.00～24.30m。本层土承载力特征值为fak=140kPa。
⑤-黄土Q3eol。可塑～软塑，属中压缩性土。本层部分钻孔未穿透，揭露厚度为4.40～6.50m，层底标高为496.02～499.82m，层底深度为27.90～29.80m。本层土承载力特征值为fak=160kPa。
⑥-古土壤Q3el。可塑（个别土样为软塑），属中压缩性土。本层未穿透，最大揭露厚度为0.20～2.10m，相应层底标高为495.62～499.62m。本层土承载力特征值为fak=180kPa。
2.2 地下水
厂区地下水属潜水类型，主要由大气降水和地下径流补给。勘察期间属丰水期，稳定水位埋深为13.50～15.50m左右，相应标高为511.41～514.43m。根据区域水文地质资料及现场调查，地下水年变化幅度约1～2m。
本场地环境类型为Ⅲ类，场地内分布的各层粘性土均为弱透水层。
2.3 地基评价
根据勘测报告，场地湿陷类型为自重湿陷性黄土场地，地基的湿陷等级为Ⅱ（中等）级。
综上，场地地质特点如下：
（1）湿陷性场地，其中②、③层为Ⅱ级自重湿陷，深度为8.5m-11.5m。
（2）土层的液性指数较高，其中③-1为软塑～流塑；④、⑤层均为可塑～软塑。
（3）地下水位较高。
很显然，现有地质条件在不做地基处理的情况下天然地基是不能满足主厂房地基基础设计等级为甲级的要求，首先，地基基础下②、③层为Ⅱ级自重湿陷；其次，根据《岩土工程勘察报告》可知，现有天然地基的承载力特征值不能满足上部结构荷载的要求，所以需要进行必要的地基处理。
3 地基处理方案
针对火力发电厂主厂房这种框排架结构类型，且地下设施较为复杂需要做大面积地基处理的特点，同时单柱竖向荷载考虑10000kN，又对地基变形、地基基础设计等级为甲级有相应要求，结合地形、土层结构、地质条件、地下水特征、施工机械以及施工工期等因素进行综合分析。
因此主厂房地基处理方案，首先要考虑消除湿陷土层全部湿陷量，使处理后的地基变为非湿陷黄土地基，或采用桩基础穿透全部湿陷黄土层，使上部荷载通过桩基础传递至压缩性低或较低的非湿陷性黄土层上；其次考虑地基基础下②、③层为轻微～强烈湿陷性和自重湿陷性土层，③-1层为软塑～流塑，④、⑤层均为可塑～软塑，如考虑桩基湿陷性土层不仅不能提供有效桩侧阻力反到产生负摩阻力；再次地基处理时必需考虑到较高的地下水位，针对以上几点考虑，地基处理方案分析如下。
3.1 换垫层法
换垫层法主要适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理，结合现场地质条件及上部荷载要求，不适合做为本次主厂房地基处理方案。
3.2 灌注桩
灌注桩持力层放在⑥-古土壤层（⑥-古土壤层之下初步勘察报告未作勘察），桩径考虑800mm，桩长30m，根据《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008，单桩竖向极限承载力标准值按照下式计算：
Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp
其中：
Quk——单桩竖向极限承载力标准值；
Qsk、Qpk——分别为单桩总极限阻力和总极限端阻力；
u——桩身周长
qsik——桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，可按《建筑桩基技术规范》表5.2.8-1取值；
li——桩穿越第i层土的厚度；
qpk——极限端阻力标准值，可按《建筑桩基技术规范》表5.2.8-2取值；
Ap——桩端面积。
当桩穿越自重湿陷性黄土层时，桩周土可能引起桩侧负摩阻力及其引起的下拉荷载。单桩负摩阻力标准值可按下式计算：
qsia——桩侧第i层土的侧阻力标准值，可按《建筑桩基技术规范》表5.2.8-1取值；
li——桩穿越第i层土的厚度；
qpa——经深度修正后的载体桩持力层地基承载力特征值；
Ae——载体等效计算面积，在没有当地经验值时其值可按《载体桩设计规程》JGJ/135-2007表4.3.2选用。
qpa=fa+ηd（D-0.5）γ0=160+1.4×（25.5-0.5）×10.0=510kPa
取三击贯入度10cm，查《载体桩设计规程》JGJ/135-2007表4.3.2，Ae=2.3m2
侧摩阻力估算：（5×52+5×28+8×40）
×0.5×3.14÷2=565.2kN
单桩竖向承载力特征值：
Ra=up∑qsiali+qpa?Ae=565.2+510×2.3=1738.2 kN
设计取值单桩承载力特征值为1500kN。
3.4.3 桩身强度验算
根据《载体桩设计规程》JGJ/135-2007式4.3.3，桩身强度C35
N≤ψCfCAp=0.75×16.7×0.785×500/2＝2458.03kN≥1738.2kN
因此桩身强度满足承载力的要求。
综上，通过理论计算，考虑单柱承台4.5m×4.7m时，载体桩布置见“单柱承台载体桩平面布置图”，可知单承台承载力可达到8×1500=12000kN≥10000kn，可满足上部建筑结构荷载的承载力要求。
为进一步确定载体桩在此地基条件下应用的合理性及载体桩单桩承载力特征值，还需要进行试桩，做试验检测。
3.5 地基处理方案
通过以上论述及计算，我们可知采用素土挤密桩可以消除上部土层的湿陷性；采用载体桩可以满足上部结构荷载要求。所以，初步决定地基处理方案为：先在基坑开挖范围内采用DDC素土挤密桩法通片处理，消除基坑上部土层湿陷性，并为主厂房内部中小型设备基础提供持力层；在柱承台范围内再做载体桩为柱承台提供承载力。
为确定方案的合理性，选择场地内有代表性场地做复合地基试桩试验。
4 地基试桩报告
为进一步论证素土孔内强夯工艺（DDC桩）消除地层上部湿陷土层的湿陷性，再采用钢筋混凝土载体桩做承台基础此种地基处理方案的可行性及可靠性，在拟建场地选择主厂房轴线1、A轴线外有代表性的区域进行了试桩试验。
4.1 试桩设计
（1）素土挤密桩，桩径550mm，桩长6m，桩间距900mm，等边三角形布置，处理后消除地基湿陷性，地基承载力特征值不小于200kPa。
（2）载体桩，桩径500mm，桩长18米并桩端进入持力层⑤层黄土层，混凝土强度等级C35，载体桩单桩极限承载力为3000kN。
4.2 试桩结果
4.2.1 复合地基静载试验
根据2处单桩复合地基载荷试验绘制的P-S（荷载-沉降）、s-lgt（沉降-时间）曲线图，分析结果如下：
⑴.试桩S1、S2在最终压力400kPa内，最终沉降量分别为14.373mm，31.896mm和30.383mm，由3根桩的Q～S曲线看，均为缓变型，没有明显的陡降段，s~lgt曲线尾部没有明显向下弯曲。根据《建筑桩基检测技术规范》JGJ106-2003第4.4.2和4.4.4规定，3根桩试桩的竖向抗压极限承载力均不小于3000kN，综合考虑该厂区建筑物沉降变形要求和本场地地质情况载体桩在桩身质量满足设计要求的前提下，单桩竖向承载力极限值可取3000kN，承载力特征值可取1500kN。
4.2.4 低应变试验结果
在单桩竖向抗压静载试验前对3根桩进行了低应变试验，由低应变结果可知：⑴桩身混凝土波速介于4147m/s～4380m/s之间，平均值4299m/s；⑵共检测3根桩，均为完整桩。
4.3 试验结论及注意事项
通过对素土挤密桩和载体桩单桩竖向抗压静载试验及桩身应力测试，低应变法试验，得知采用素土挤密桩消除上部土层的湿陷性、采用载体桩提高地基承载力的地基处理方案与理论计算相符合，满足设计要求，可以应用于具体工程。
但是需要注意的是，载体桩在具体施工时载体部分的填充料填充多少需根据现场情况定，此参数直接影响载体桩最终单桩承载力特征值，需要现场施工时有专业监管人员
监管，以防偷工减料情况的发生；其次载体桩载体部分和桩身接头处容易出现跑偏现象，这需要具体施工时边施工边观察，发现后立即修正。
5 结语
素土挤密桩消除上部湿陷性黄土层的湿陷性的同时提高了复合地基的承载力，也符合了主厂房地下设施复杂需要大面积做地基处理并提高承载力的要求；载体桩因桩长较灌注桩短，也为工程总造价节约了不少成本。
综上，本场地采用素土挤密桩消除上部湿陷土层的湿陷性，再采用钢筋混凝土载体桩做承台基础此种复合地基处理方案是可行、可靠的并且经济实用。经处理后素土挤密桩范围内自重湿陷性及湿陷性已经玩完消除，载体桩承台基础承载力也能满足上部结构荷载的要求。
参考文献
[1]《建筑抗震设计规范》（2008年版）
GB50011-2001
【关键词】湿陷性黄土地基；厂房结构荷载；单桩极限承载力；载体桩
1 工程概况
本工程为陕西某生物质能发电项目工程，依据《建筑抗震设计规范》（2008年版）GB50011-2001，当地设计地震分组属第一组，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，场地特征周期为0.45s。根据《岩土工程勘察报告》，建筑场地类别为Ⅲ类，拟建场地地面标高为525.21～529.62m，平均高程为526.25m，最大高差达4.41m，地貌单元属渭北黄土台塬。
本工程主厂房为框排架结构，纵向柱距7m，总长85.360m，共14轴，横向排架跨度24m，框架跨度9m，单柱竖向荷载考虑10000kN。排架部分为主厂房汽机房，汽机房内零米及零米下有大量中小型设备基础以及汽轮发电机基础；框架部分为除氧料仓间，料仓间零米下有较复杂的地下沟道及电缆隧道。
根据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002表3.0.1规定，本工程主厂房地基基础设计等级为甲级。
主厂房场地自然地坪标高约为525.8m，基础承台底标高初步定为521.3m。
2 场地地基土工程地质条件
2.1 地基土
根据勘察报告，勘探深度范围内的地基土自上而下分别描述如下：
①-素填土Q4ml，具湿陷性，属中压缩性土。本层厚度为0.30～2.90m，层底标高为523.71～528.52m，层底深度0.30～2.90m。
②-黄土状土Q4al+p。坚硬～硬塑～可塑（部分土样为软塑），具轻微～强烈湿陷性和自重湿陷性，属高压缩性土。本层厚度为2.30～5.90m，层底标高为520.71～523.73m，层底深度为3.20～6.40m。本层土承载力特征值为fak=160kPa。
③-黄土Q3eol。硬塑～可塑（部分土样为软塑），具轻微～强烈湿陷性和自重湿陷性，属中等偏高压缩性土。本层厚度为5.00～8.10m，层底标高为514.21～517.65m，层底深度为9.50～12.80m。本层土承载力特征值为fak=150kPa。
③-1黄土Q3eol。软塑～流塑（部分土样为可塑），属中压缩性土。本层厚度为2.20～5.30m，层底标高为510.65～514.62m，层底深度为13.70～15.00m。本层土承载力特征值为
fak=135kPa。
④-黄土Q3eol。可塑～软塑（个别土样为流塑），属中压缩性土。本层部分钻孔未穿透，揭露厚度为0.30～10.00m，层底标高为501.62～512.45m，层底深度为15.00～24.30m。本层土承载力特征值为fak=140kPa。
⑤-黄土Q3eol。可塑～软塑，属中压缩性土。本层部分钻孔未穿透，揭露厚度为4.40～6.50m，层底标高为496.02～499.82m，层底深度为27.90～29.80m。本层土承载力特征值为fak=160kPa。
⑥-古土壤Q3el。可塑（个别土样为软塑），属中压缩性土。本层未穿透，最大揭露厚度为0.20～2.10m，相应层底标高为495.62～499.62m。本层土承载力特征值为fak=180kPa。
2.2 地下水
厂区地下水属潜水类型，主要由大气降水和地下径流补给。勘察期间属丰水期，稳定水位埋深为13.50～15.50m左右，相应标高为511.41～514.43m。根据区域水文地质资料及现场调查，地下水年变化幅度约1～2m。
本场地环境类型为Ⅲ类，场地内分布的各层粘性土均为弱透水层。
2.3 地基评价
根据勘测报告，场地湿陷类型为自重湿陷性黄土场地，地基的湿陷等级为Ⅱ（中等）级。
综上，场地地质特点如下：
（1）湿陷性场地，其中②、③层为Ⅱ级自重湿陷，深度为8.5m-11.5m。
（2）土层的液性指数较高，其中③-1为软塑～流塑；④、⑤层均为可塑～软塑。
（3）地下水位较高。
很显然，现有地质条件在不做地基处理的情况下天然地基是不能满足主厂房地基基础设计等级为甲级的要求，首先，地基基础下②、③层为Ⅱ级自重湿陷；其次，根据《岩土工程勘察报告》可知，现有天然地基的承载力特征值不能满足上部结构荷载的要求，所以需要进行必要的地基处理。
3 地基处理方案
针对火力发电厂主厂房这种框排架结构类型，且地下设施较为复杂需要做大面积地基处理的特点，同时单柱竖向荷载考虑10000kN，又对地基变形、地基基础设计等级为甲级有相应要求，结合地形、土层结构、地质条件、地下水特征、施工机械以及施工工期等因素进行综合分析。
因此主厂房地基处理方案，首先要考虑消除湿陷土层全部湿陷量，使处理后的地基变为非湿陷黄土地基，或采用桩基础穿透全部湿陷黄土层，使上部荷载通过桩基础传递至压缩性低或较低的非湿陷性黄土层上；其次考虑地基基础下②、③层为轻微～强烈湿陷性和自重湿陷性土层，③-1层为软塑～流塑，④、⑤层均为可塑～软塑，如考虑桩基湿陷性土层不仅不能提供有效桩侧阻力反到产生负摩阻力；再次地基处理时必需考虑到较高的地下水位，针对以上几点考虑，地基处理方案分析如下。
3.1 换垫层法
换垫层法主要适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理，结合现场地质条件及上部荷载要求，不适合做为本次主厂房地基处理方案。
3.2 灌注桩
灌注桩持力层放在⑥-古土壤层（⑥-古土壤层之下初步勘察报告未作勘察），桩径考虑800mm，桩长30m，根据《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008，单桩竖向极限承载力标准值按照下式计算：
Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp
其中：
Quk——单桩竖向极限承载力标准值；
Qsk、Qpk——分别为单桩总极限阻力和总极限端阻力；
u——桩身周长
qsik——桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，可按《建筑桩基技术规范》表5.2.8-1取值；
li——桩穿越第i层土的厚度；
qpk——极限端阻力标准值，可按《建筑桩基技术规范》表5.2.8-2取值；
Ap——桩端面积。
当桩穿越自重湿陷性黄土层时，桩周土可能引起桩侧负摩阻力及其引起的下拉荷载。单桩负摩阻力标准值可按下式计算：
qsia——桩侧第i层土的侧阻力标准值，可按《建筑桩基技术规范》表5.2.8-1取值；
li——桩穿越第i层土的厚度；
qpa——经深度修正后的载体桩持力层地基承载力特征值；
Ae——载体等效计算面积，在没有当地经验值时其值可按《载体桩设计规程》JGJ/135-2007表4.3.2选用。
qpa=fa+ηd（D-0.5）γ0=160+1.4×（25.5-0.5）×10.0=510kPa
取三击贯入度10cm，查《载体桩设计规程》JGJ/135-2007表4.3.2，Ae=2.3m2
侧摩阻力估算：（5×52+5×28+8×40）
×0.5×3.14÷2=565.2kN
单桩竖向承载力特征值：
Ra=up∑qsiali+qpa?Ae=565.2+510×2.3=1738.2 kN
设计取值单桩承载力特征值为1500kN。
3.4.3 桩身强度验算
根据《载体桩设计规程》JGJ/135-2007式4.3.3，桩身强度C35
N≤ψCfCAp=0.75×16.7×0.785×500/2＝2458.03kN≥1738.2kN
因此桩身强度满足承载力的要求。
综上，通过理论计算，考虑单柱承台4.5m×4.7m时，载体桩布置见“单柱承台载体桩平面布置图”，可知单承台承载力可达到8×1500=12000kN≥10000kn，可满足上部建筑结构荷载的承载力要求。
为进一步确定载体桩在此地基条件下应用的合理性及载体桩单桩承载力特征值，还需要进行试桩，做试验检测。
3.5 地基处理方案
通过以上论述及计算，我们可知采用素土挤密桩可以消除上部土层的湿陷性；采用载体桩可以满足上部结构荷载要求。所以，初步决定地基处理方案为：先在基坑开挖范围内采用DDC素土挤密桩法通片处理，消除基坑上部土层湿陷性，并为主厂房内部中小型设备基础提供持力层；在柱承台范围内再做载体桩为柱承台提供承载力。
为确定方案的合理性，选择场地内有代表性场地做复合地基试桩试验。
4 地基试桩报告
为进一步论证素土孔内强夯工艺（DDC桩）消除地层上部湿陷土层的湿陷性，再采用钢筋混凝土载体桩做承台基础此种地基处理方案的可行性及可靠性，在拟建场地选择主厂房轴线1、A轴线外有代表性的区域进行了试桩试验。
4.1 试桩设计
（1）素土挤密桩，桩径550mm，桩长6m，桩间距900mm，等边三角形布置，处理后消除地基湿陷性，地基承载力特征值不小于200kPa。
（2）载体桩，桩径500mm，桩长18米并桩端进入持力层⑤层黄土层，混凝土强度等级C35，载体桩单桩极限承载力为3000kN。
4.2 试桩结果
4.2.1 复合地基静载试验
根据2处单桩复合地基载荷试验绘制的P-S（荷载-沉降）、s-lgt（沉降-时间）曲线图，分析结果如下：
⑴.试桩S1、S2在最终压力400kPa内，最终沉降量分别为14.373mm，31.896mm和30.383mm，由3根桩的Q～S曲线看，均为缓变型，没有明显的陡降段，s~lgt曲线尾部没有明显向下弯曲。根据《建筑桩基检测技术规范》JGJ106-2003第4.4.2和4.4.4规定，3根桩试桩的竖向抗压极限承载力均不小于3000kN，综合考虑该厂区建筑物沉降变形要求和本场地地质情况载体桩在桩身质量满足设计要求的前提下，单桩竖向承载力极限值可取3000kN，承载力特征值可取1500kN。
4.2.4 低应变试验结果
在单桩竖向抗压静载试验前对3根桩进行了低应变试验，由低应变结果可知：⑴桩身混凝土波速介于4147m/s～4380m/s之间，平均值4299m/s；⑵共检测3根桩，均为完整桩。
4.3 试验结论及注意事项
通过对素土挤密桩和载体桩单桩竖向抗压静载试验及桩身应力测试，低应变法试验，得知采用素土挤密桩消除上部土层的湿陷性、采用载体桩提高地基承载力的地基处理方案与理论计算相符合，满足设计要求，可以应用于具体工程。
但是需要注意的是，载体桩在具体施工时载体部分的填充料填充多少需根据现场情况定，此参数直接影响载体桩最终单桩承载力特征值，需要现场施工时有专业监管人员
监管，以防偷工减料情况的发生；其次载体桩载体部分和桩身接头处容易出现跑偏现象，这需要具体施工时边施工边观察，发现后立即修正。
5 结语
素土挤密桩消除上部湿陷性黄土层的湿陷性的同时提高了复合地基的承载力，也符合了主厂房地下设施复杂需要大面积做地基处理并提高承载力的要求；载体桩因桩长较灌注桩短，也为工程总造价节约了不少成本。
综上，本场地采用素土挤密桩消除上部湿陷土层的湿陷性，再采用钢筋混凝土载体桩做承台基础此种复合地基处理方案是可行、可靠的并且经济实用。经处理后素土挤密桩范围内自重湿陷性及湿陷性已经玩完消除，载体桩承台基础承载力也能满足上部结构荷载的要求。
参考文献
[1]《建筑抗震设计规范》（2008年版）
GB50011-2001