軟土區(qū)城市變電站CFG復(fù)合地基應(yīng)用及優(yōu)化設(shè)計

童世虎 李 娟

(1.南京高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 南京 210019； 2.中國能建江蘇省電力設(shè)計院有限公司，江蘇 南京 211102)

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軟土區(qū)城市變電站CFG復(fù)合地基應(yīng)用及優(yōu)化設(shè)計

童世虎1李 娟2

(1.南京高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 南京 210019； 2.中國能建江蘇省電力設(shè)計院有限公司，江蘇 南京 211102)

根據(jù)某軟土區(qū)變電站工程的特點，分析比選了樁基礎(chǔ)與復(fù)合地基筏板基礎(chǔ)方案，并對選用的CFG樁復(fù)合地基方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)實踐證明，該變電站運營穩(wěn)定，取得了較好的經(jīng)濟效益。

變電站，復(fù)合地基，軟土，CFG樁

復(fù)合地基按樁體構(gòu)成材料、樁體強度及模量、樁置換能力等可分為散體樁復(fù)合地基、低粘結(jié)強度樁復(fù)合地基、中等粘結(jié)強度樁復(fù)合地基和高粘結(jié)強度樁復(fù)合地基[1]。水泥粉煤灰碎石樁(簡稱CFG樁)是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和而形成，屬于高粘結(jié)強度樁，摒棄了散體、低強度樁體效應(yīng)差的缺點，具備一定的剛性樁特性。CFG樁和樁間土通過褥墊層與基礎(chǔ)相連，共同作用并構(gòu)成復(fù)合地基，適用于處理粘性土、粉土、砂土和已自重固結(jié)的素填土等地基[2]，具有施工方法簡便易行、周期短、質(zhì)量易控制、造價低、污染小等一系列優(yōu)點，在建筑、公路等領(lǐng)域的地基處理中得到越來越多的應(yīng)用，但在深厚軟土(淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土)特別是軟土厚度很不均勻地區(qū)變電站工程中應(yīng)用尚少，目前仍以PHC樁基方案為主。

1 工程概況

該變電站為220 kV城市戶內(nèi)變電站，主變露天布置，包括主控樓(地上4層、地下1層),220 kV GIS樓(地上2層、地下1層)，110 kV GIS樓(地上2層、地下1層)等。建筑高度19.900 m，±0.000對應(yīng)黃海高程8.57 m；地下室底板位于③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，底面相對標(biāo)高為-5.00 m；混凝土墊層厚150 mm，砂石墊層厚250 mm。本工程屬于樞紐變電站，對地基承載力及變形要求均較高，采用復(fù)合地基時要求地基承載力特征值平均值不小于180 kPa。站址區(qū)位于長江沖積平原，具體地質(zhì)條件[3]見圖1和表1。

表1 地基土層主要設(shè)計參數(shù)

土層名稱含水率WL/%液性指數(shù)IL/%壓縮模量ES1-2/MPa粘聚力C/kPa內(nèi)摩擦角C/(°)地基承載力特征值fak/kPa①粉質(zhì)粘土25.20.553.6248.090②粉砂24.1—12.0620.0120③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土48.01.502.5102.070④粉質(zhì)粘土25.00.404.8267.0140⑤粉質(zhì)粘土24.20.357.2428.0180

2 工程特點

本工程屬非常規(guī)變電站，各建筑物均設(shè)有1層地下室。地下室基坑深度一般4.00 m～4.50 m，主要采用水泥土重力式擋墻圍護(hù)形式。從地基土層組成及工期安排等角度，該工程具有如下幾個特點：1)土層承載力低、靈敏度高。地下室底板位于流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層中，該層土含水率高，液性指數(shù)IL取1.14%～2.51%，含有機質(zhì)，塑性指數(shù)IP較高，屬典型的軟弱土，對地基基礎(chǔ)設(shè)計及施工方案的選擇有重要影響。2)地層起伏大。從典型地質(zhì)剖面圖中可以看出，軟弱層及其下臥持力層頂面高程變化很大，③層厚度變化達(dá)10 m以上，處理不妥可能會造成較大的不均勻沉降，影響變電站的安全運行。3)工期緊張。為保證變電站如期投運，綜合樓建筑物樁基礎(chǔ)或地基處理需要與基坑圍護(hù)同時進(jìn)行，以節(jié)約工期。因此，為避免②層粉砂強透水層出現(xiàn)流砂、管涌，地基基礎(chǔ)施工時不能有明顯的擠土效應(yīng)，影響基坑圍護(hù)的止水效果。4)環(huán)境要求高。站址區(qū)周邊以居民區(qū)為主，對施工的噪聲和環(huán)境污染必須嚴(yán)格控制。5)場地自然標(biāo)高較低，地下水接近地表，地表接地承載能力很低，無法滿足大型機械行走作業(yè)。

3 地基基礎(chǔ)方案比選與優(yōu)化設(shè)計

3.1 方案比選

可供選擇的基礎(chǔ)方案主要為兩類，一類是樁基礎(chǔ)，可供選擇的樁型為PHC樁或鉆孔灌注樁，另一類是復(fù)合地基筏板基礎(chǔ)，根據(jù)承載力需求可選擇散體樁、低強度樁或高強度樁復(fù)合地基。PHC樁基方案在該地區(qū)軟土場地常規(guī)變電站地基基礎(chǔ)設(shè)計中應(yīng)用廣泛，承載力高、沉降小、質(zhì)量可靠、工期短、造價相對低，已經(jīng)積累了較為成熟的設(shè)計、施工經(jīng)驗。但本工程樁端持力層起伏很大，較難控制PHC樁的經(jīng)濟樁長，其經(jīng)濟性優(yōu)點較難體現(xiàn)。同時，PHC樁沉樁過程擠土效應(yīng)較明顯，不利于同期施工基坑圍護(hù)，且淤泥質(zhì)土靈敏度高，沉樁結(jié)束后需較長的休止期。另外，采用捶擊沉樁噪聲污染較大，而采用靜壓沉樁時對表層土承載力又有較高要求。鉆孔灌注樁也是一種傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)類型，適應(yīng)性強，應(yīng)用也較廣泛。盡管持力層起伏但樁長可隨持力層調(diào)整，屬于排土樁，對周邊基坑圍護(hù)影響較小。但由于泥漿護(hù)壁工藝，場地泥濘，廢漿排放較大，污染環(huán)境，而且需要數(shù)臺機械同時作業(yè)，工期較長。由于淤泥質(zhì)土層厚度大、承載力低，換填、散體樁復(fù)合地基的承載能力較低，而且綜合變形模量較小，今后沉降量較大，故不予考慮。選擇復(fù)合地基，應(yīng)采用具有一定粘結(jié)強度的樁土復(fù)合地基或剛性樁基方案。根據(jù)工程特點，從地質(zhì)條件、上部結(jié)構(gòu)荷重、工期控制、環(huán)境保護(hù)等角度出發(fā)，可考慮深層攪拌樁或CFG樁加固地基方案。深層攪拌樁方案就地加固軟弱地層，原狀土的承載力得到較好利用，施工時無擠土、振動，污染小，用在對復(fù)合地基承載力要求較低的地基處理中是經(jīng)濟、合理的。但本變電站上部荷重較大，而深層攪拌樁樁身粘結(jié)強度低，待加固土層含水率和有機質(zhì)含量較高，進(jìn)一步阻礙了水泥土強度的增長，因攪拌樁深部樁體強度有限而限制了增加樁長提高單樁承載力的途徑，對于本場地軟土厚度不均勻情況也較難滿足。根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗，淤泥質(zhì)土場地該復(fù)合地基承載力特征值一般可達(dá)到110 kPa～130 kPa(置換率m=15%～18%)。若要進(jìn)一步提高復(fù)合地基承載力，往往只能提高置換率，但通過提高置換率來提高復(fù)合地基承載力的措施性價比明顯降低，同時對施工影響較大，工期較長。CFG樁屬于高粘結(jié)強度樁，剛度介于深層攪拌樁與PHC等剛性樁之間，具有較明顯的樁體效應(yīng)，其應(yīng)力應(yīng)變曲線為直線關(guān)系，受圍壓影響較小。該復(fù)合地基通過“雙向刺入”變形模式，能更充分的調(diào)動樁間土承載能力。CFG樁的承載力主要來自全樁長的側(cè)阻力和端阻力，樁越長則承載力越高，且沉降量小、沉降穩(wěn)定快，可通過靈活變化樁長或打至硬層來提高承載力、控制沉降。故相比攪拌樁，該復(fù)合地基承載力有較大的可調(diào)性，可提高4倍或更高。該變電站場地④層或⑤層為相對硬層，可作為CFG樁良好的樁端持力層，以滿足承載力和沉降變形控制的要求。根據(jù)多個工程造價對比分析，CFG樁方案一般比PHC樁基方案節(jié)約30%以上，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。而且采用長螺旋管內(nèi)泵壓施工技術(shù)，噪聲低、無泥漿污染、穿透能力強、施工效率高，非常適合城區(qū)或居民區(qū)，是建設(shè)部近年來推廣的十大工法之一。地基基礎(chǔ)方案比選見表2。

表2 地基基礎(chǔ)方案比選

綜上所述，CFG樁復(fù)合地基方案能較好的滿足各方面的要求，具有較明顯的優(yōu)勢。鑒于地層起伏大，不均勻沉降為地基處理后的控制重點，為增強地基基礎(chǔ)的整體性，采用CFG樁復(fù)合地基結(jié)合筏板基礎(chǔ)的方案。

3.2 工程地質(zhì)分區(qū)及優(yōu)化

樁長靈活可變是CFG樁一大優(yōu)點，根據(jù)復(fù)合地基承載力特征值要求，兼顧施工質(zhì)量與速度，結(jié)合結(jié)構(gòu)荷載以及樁端層持力層起伏情況，按每個區(qū)域內(nèi)底板下土層厚度大致相當(dāng)?shù)脑瓌t，將建筑物下地基劃分為10個區(qū)域，如圖2所示。每個區(qū)域底板下土層厚度取該區(qū)域的最不利情況。

3.3 計算分析及檢測分析

限于篇幅，僅舉(1)區(qū)為例。CFG樁樁徑500 mm，有效樁長14.17 m，以④粉質(zhì)粘土層為持力層，其極限側(cè)阻力與極限端阻力根據(jù)PHC樁的參數(shù)折減，樁間土承載力折減系數(shù)β取0.75，表3給出了不同樁間距下復(fù)合地基承載力。根據(jù)減少差異沉降和承臺內(nèi)力的變剛度調(diào)平方法，采用不等距布樁。建筑下柱網(wǎng)軸線處荷載較大區(qū)域，如柱下以及地基梁下樁間距1.5 m～1.6 m，地基梁間底板下疏樁布置，樁間距1.6 m～2.0 m。根據(jù)JGJ 79—2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范，選取S1號～S3號進(jìn)行復(fù)合地基靜載試驗，最大加載壓力400 kPa，采用1.6 m×1.6 m承壓板。根據(jù)試驗結(jié)果，p—s曲線平緩光滑，按相對變形值s=0.01b確定復(fù)合地基承載力特征值，結(jié)果如表4所示，滿足設(shè)計對承載力要求。

表3 不同樁間距下復(fù)合地基承載力特征值(fspk)

樁距/m1.51.61.71.81.92.0置換率/%8.77.76.86.15.44.9fspk/kPa203186170158146137

表4 復(fù)合地基靜載試驗結(jié)果

4 運營情況

該變電站地基處理時間為2012年5月份，變電站投入使用為2012年10月份，運營至今已經(jīng)3年多，經(jīng)過沉降觀測，整個建筑物均勻沉降，最大沉降量42 mm，且已經(jīng)穩(wěn)定，滿足設(shè)計與使用要求。

5 結(jié)語

本變電站通過地基基礎(chǔ)方案比選，采用CFG樁復(fù)合地基結(jié)合筏板基礎(chǔ)的方案，得出如下結(jié)論：1)軟土區(qū)城市變電站采用CFG樁復(fù)合地基結(jié)合筏板基礎(chǔ)是可行的，能滿足建筑物對地基承載力和變形的要求；2)相較于水泥土攪拌樁、PHC樁，CFG樁復(fù)合地基在造價、工期、環(huán)境控制等方面具有較明顯的優(yōu)勢，地基基礎(chǔ)造價僅為初步設(shè)計PHC樁方案的51.3%；3)CFG樁長靈活可變，地層起伏較大時，可通過工程地質(zhì)分區(qū)優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，降低工程量；4)根據(jù)靜載試驗結(jié)果，本工程CFG樁設(shè)計參數(shù)存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

[1] 葉書麟.地基處理工程實例應(yīng)用手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.

[2] JGJ 79—2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 江蘇省電力設(shè)計院.巖土工程勘測報告[Z].

The application and optimization of CFG composite foundation of city substation in soft clay area

Tong Shihu1Li Juan2

(1.NanjingTechnicalVocationalCollege,Nanjing210019,China;2.JiangsuElectricPowerDesignInstituteCo.,LtdofChinaEnergyEngineeringGroup,Nanjing211102,China)

According to the characteristics of substation engineering at a soft soil area, this paper analyzed and selected the pile foundation and composite foundation raft foundation scheme, and optimized design the selected CFG pile composite foundation scheme, the practice has proved that the substation operation stability, achieved good economic benefits.

substation, composite foundation, soft soil, CFG pile

1009-6825(2016)20-0062-02

2016-05-09

童世虎(1982- )，男，講師； 李 娟(1984- )，女，工程師

TU473.1

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