振沖碎石樁在變電站軟基處理中的應(yīng)用

周亞濤

（昆明供電設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，云南 昆明 650011）

各類工程建設(shè)中經(jīng)常遇到軟土地基，變電站建設(shè)也同樣會(huì)遇到此類問(wèn)題。如何對(duì)軟土地基進(jìn)行加固和利用，使其既能滿足建構(gòu)筑物強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求，又能夠縮短工期、減少投資，這是地基處理工作中非常重要的環(huán)節(jié)之一，也是確保工程質(zhì)量和安全的關(guān)鍵之所在。

某變電站所地處昆明市南部，場(chǎng)地西南側(cè)的滇池是區(qū)域內(nèi)主要的地表水體，距擬建場(chǎng)地約3公里。整個(gè)變電站都是軟基，基底為厚度不等的淤泥和淤泥質(zhì)粘土，如不作任何處理，顯然滿足不了上部填土沉降和穩(wěn)定性的要求，需進(jìn)行以提高承載力和控制沉降為目的的地基改良處理；但如果采用其他方法或全部換填，則工期較長(zhǎng)，造價(jià)太高。經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較，最后選定振沖碎石樁為本項(xiàng)目改良地基的最優(yōu)方案，以提高地基承載力，減少地基的沉降量和差異沉降量。

1 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

該變電站位于昆明市南部菜地上。場(chǎng)區(qū)內(nèi)上覆地層為第四系全新統(tǒng)人工填土層（Q4ml）,即①大層；第四系全新統(tǒng)湖沼相沉積層（Q4l+h），即②大層；第四系全新統(tǒng)湖相沉積層組成（Q4l），即③大層。場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水主要靠降雨和滇池水滲透補(bǔ)給，水量較豐富，水位埋藏較淺，穩(wěn)定的地下水位在地面下0.2～0.4米，地下水類型為潛水，主要含水層為泥炭質(zhì)土及粉土。場(chǎng)地地下水主要受大氣降水補(bǔ)給和小清河水補(bǔ)給，以滲流或者地表徑流的形式排泄入小清河，然后匯入滇池。

影響最大的不良地層是在整個(gè)場(chǎng)地范圍內(nèi)地表下2米左右局部分布有淤泥透鏡體和地表下約5～10米分布的第四系泥炭，含腐爛、半腐爛的植物根莖，一般呈軟塑～流塑狀態(tài)，土質(zhì)軟弱，孔隙比大，壓縮性高，平均厚度約4.5米。地層時(shí)代較新，承載力較低，屬于高～中靈敏性土。附加壓力較大時(shí)，厚層軟土?xí)a(chǎn)生較大的固結(jié)沉降變形，對(duì)工程影響較大。

②11淤泥：褐灰、灰色，流塑狀態(tài)，濕，高壓縮性，孔隙大，切面稍光滑,無(wú)搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度中等，韌性中等，含少量有機(jī)質(zhì)。該層土層厚0～1.4米，呈透鏡體分布于②1 層中。

②2泥炭：黑褐、褐灰、深灰色，軟塑～流塑，飽和，超高壓縮性，孔隙較大，切面粗糙,無(wú)搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度低，韌性差。含有大量未炭化的腐植物，有機(jī)質(zhì)含量47.0～79.3%，平均64.8%。該層土層頂埋深5.4～6.1米，層厚4.1～4.9米；標(biāo)貫試驗(yàn)錘擊數(shù)2～4 擊，平均2.9 擊。

③11泥炭質(zhì)土：褐灰、黑灰色，軟塑狀態(tài)，飽和，高壓縮性，切面粗糙,無(wú)搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度低，韌性差。有機(jī)質(zhì)含量13.2～63.7%，平均26.8%，局部為泥炭。該層土層厚0～2.3米；標(biāo)貫試驗(yàn)錘擊數(shù)2～3 擊，平均2.5 擊，呈透鏡體分布于③1 層中。

據(jù)土的物理力學(xué)指標(biāo)并經(jīng)多次驗(yàn)算，淤泥質(zhì)粘土之上填方高度為5米左右，變電站設(shè)備對(duì)不均勻沉降要求較高，若不對(duì)軟土地基進(jìn)行加固處理，勢(shì)必產(chǎn)生較大的不均勻沉降，地基土還可能沿淤泥質(zhì)土軟弱面產(chǎn)生剪切滑動(dòng)，造成高填方滑動(dòng)破壞，要保證整個(gè)變電站區(qū)填方土體的整體穩(wěn)定，必須對(duì)軟土進(jìn)行加固。

2 振沖碎石樁加固機(jī)理

由于泥炭、泥炭質(zhì)土屬飽和軟土，碎石樁起著置換軟土的作用。對(duì)于軟弱層不太厚的情況，樁端可以直接作用于下部堅(jiān)硬土層，此時(shí)復(fù)合土層中的樁體在荷載作用下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，由于樁體的壓縮模量遠(yuǎn)比軟弱土大，所以通過(guò)基礎(chǔ)傳給復(fù)合地基的外加壓力隨著樁、土的等量變形會(huì)逐漸集中到樁上上去，從而，復(fù)合地基的承載力明顯提高，壓縮性顯著降低。如果軟弱層厚度較大，樁體也可不貫穿整個(gè)軟弱土層，軟弱土層只有部分厚度轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合土層并起著墊層的作用，將荷載引起的應(yīng)力向四周橫向擴(kuò)散，使應(yīng)力分布趨于均勻，從而提高地基整體的承載力，將少沉降量。

在振沖制樁過(guò)程中，由于振動(dòng)、擠密、擾動(dòng)等作用，盡管地基土中會(huì)出現(xiàn)較大的附加空隙水壓力，但隨著時(shí)間的推移，原地基土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有一定程度的恢復(fù)，孔隙水壓力逐漸向樁體轉(zhuǎn)移消散，其結(jié)果是有效應(yīng)力增大，顆粒結(jié)構(gòu)重新排列，形成比較穩(wěn)定的顆粒接觸關(guān)系，空隙數(shù)量顯著減少，土的結(jié)構(gòu)趨于致密，穩(wěn)定性增強(qiáng)，強(qiáng)度不斷增大。

碎石樁在地基中還起到豎向排水通道和提高地基抗滑移能力的作用，大大縮短了孔隙水的水平滲透途徑，促進(jìn)了土中空隙水壓力的消散，提高了飽和粘性土排水固結(jié)的能力，使沉降穩(wěn)定加快。

3 復(fù)合地基設(shè)計(jì)與施工

3.1 基本原則

3.1.1 復(fù)合地基設(shè)計(jì)方案既要經(jīng)濟(jì)上合理，又要技術(shù)上可行，應(yīng)采取既防軟土沉降，又防軟土剪切下滑的綜合治理方案；有針對(duì)性地對(duì)軟土進(jìn)行處理，使經(jīng)濟(jì)效益更加顯著。

3.1.2 為最大限度地保證變電站填方工程的穩(wěn)定性，處理后的地基土在高荷載作用下，其安全系數(shù)應(yīng)不低于1.25.

3.1.3 樁位布置和間距：對(duì)于大面積軟土地基，樁位布置宜采用正三角形或正方形布置，樁的中心間距的確定應(yīng)考慮上部填土荷載的大小、淤泥質(zhì)粘土的強(qiáng)度。如果荷載大、軟基強(qiáng)度低，則樁間距應(yīng)小一些，打不到硬層的短樁，其間距應(yīng)更小。本工程樁間距：建筑物下面是振沖碎石樁和預(yù)制管樁現(xiàn)結(jié)合，碎石樁的撞見(jiàn)中心距為3m；建筑外的場(chǎng)地部分碎石樁中心距為1.5m。

3.1.4 樁體材料選用粒徑為20～50mm（最大粒徑小于80mm）的碎石；樁的直徑與淤泥質(zhì)土的強(qiáng)度密切相關(guān)，經(jīng)驗(yàn)算其間距確定為0.5m。復(fù)合地基的承載力標(biāo)準(zhǔn)值fsp,k 按下式推算：

fsp,k=[1+m(n-1)]fs,k(1)

式中：fs,k為樁間土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值，取fs,k=80kPa；

m 為面積置換率，m=d2/d2c=d2/(1.5s)2=0.49；

n 為樁土應(yīng)力比，按規(guī)范推薦的經(jīng)驗(yàn)值取n=3。

因此，fsp,k=158.4 kPa。

3.1.5 宜在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行制樁試驗(yàn)和必要的測(cè)試工作，如荷載試驗(yàn)、樁頂與土面的應(yīng)力測(cè)定、瑞利波波速測(cè)定等，提供設(shè)計(jì)、施工所需的各項(xiàng)參數(shù)值，使設(shè)計(jì)方案更加切合實(shí)際。

3.2 設(shè)計(jì)方案

變電站圍墻內(nèi)尺寸為90x44=3960m2，整個(gè)地基處理范圍為圍墻外擴(kuò)5m 的范圍，共5400 m2，站內(nèi)有一幢三層的綜合樓，占地約1270 m2。綜合樓基底下振沖碎石樁加固軟土地基并采用預(yù)制管樁基礎(chǔ)，碎石樁樁中心間距1.5m，直徑0.5m，呈正方形布置，樁底打入②3粉土或③1 粘土層深度不小于1.0m，綜合樓以外的部分地基處理采用樁中心間距1.5m，直徑0.5m 的真沖碎石樁呈正方形布置如圖1。

圖1 振沖碎石樁平面布置圖

3.3 施工技術(shù)要求

3.3.1 振沖碎石樁

3.3.1.1 通過(guò)實(shí)踐證明，用振沖碎石樁加固機(jī)場(chǎng)高填土軟弱地基，具有較好的技術(shù)效益：經(jīng)加固處理的地基土的壓縮模量、承載力基本值均顯著增長(zhǎng)；實(shí)測(cè)地基最大沉降量為35.8mm，與理論計(jì)算值36.54mm 相吻合，達(dá)到了提高地基承載力、減少地基土沉降量和差異沉降量、加速沉降穩(wěn)定時(shí)間的目的，加固效果甚佳。

3.3.1.2 與軟土換填、鉆孔灌注樁等處理方法相比，用振沖碎石樁加固軟土地基，具有養(yǎng)護(hù)時(shí)間短、對(duì)周圍建筑影響小、施工方便、安全可靠，無(wú)需基坑支護(hù)，節(jié)約材料、避免大量土方換填，加固費(fèi)用低、可大大縮短工期等優(yōu)點(diǎn)。為上部拉筋土擋墻和高填方施工贏得了時(shí)間，節(jié)約投資約500 余萬(wàn)元，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3.3.1.3 復(fù)合地基必須同時(shí)滿足承載力和沉降量?jī)蓚€(gè)方面的要求，但沉降量和差異沉降量的控制是問(wèn)題的關(guān)鍵。在滿足承載力要求的前提下，合理確定樁的間距，適當(dāng)增大復(fù)合地基的沉降量，并將其控制在一定的范圍內(nèi)，這樣既可保證高填土的安全，又可縮短工期，降低工程費(fèi)用。

（1）振沖碎石樁施工工藝流程為：振沖器就位→振沖成孔→清孔→提出振沖器→向孔內(nèi)填料→下落振沖器振實(shí)填料→重復(fù)作業(yè)直至完成。碎石樁孔內(nèi)填料方式應(yīng)按照如下要求進(jìn)行：即把振沖器提出孔口，網(wǎng)孔內(nèi)倒入約1m 堆高的填料，然后下降振沖器使填料振實(shí)。對(duì)上部低強(qiáng)度軟弱層，應(yīng)進(jìn)行加料初振，使石料擠入周圍軟土中形成護(hù)壁，防止塌孔。

（2）樁的施工順序一般采用“由里向外”或“由一邊推向另一邊”的方式，禁止采用“由外向里”的方式制樁。加料不宜過(guò)猛，遵循“少吃多餐”的原則進(jìn)行加料。

（3）振沖碎石樁邊施工，邊由填方隊(duì)填滿30～50cm 碎石，以保護(hù)樁頂面不被破壞。

（4）復(fù)合地基的設(shè)計(jì)承載力要求達(dá)到158 kPa 以上，單樁承載力要求達(dá)到300 kPa 以上。

3.3.2 對(duì)填土設(shè)計(jì)和施工的要求

3.3.2.1 變電站填方區(qū)高度達(dá)到7m，其填料又為若膨脹土，因此，填方施工除嚴(yán)格進(jìn)行分層夯實(shí)外，同時(shí)應(yīng)遵循膨脹土設(shè)計(jì)和施工的設(shè)計(jì)原則和施工技術(shù)要求。

3.3.2.2 軟土地基上填土速度應(yīng)按照以下要求嚴(yán)格控制：軟土地段沿地界縱向每隔15m 于坡腳外2m 及10m 處設(shè)置觀測(cè)樁，填高小于10m 時(shí)，每周觀測(cè)1 次，填高10～15m 時(shí)每2d 觀測(cè)1 次，填高大于15m 時(shí)每天觀測(cè)一次，異常情況應(yīng)及時(shí)觀測(cè)、分析。當(dāng)觀測(cè)樁每天水平位移不大于20mm、豎向位移不大于15mm，認(rèn)為是安全的，可以繼續(xù)填土，否則應(yīng)放慢填土速度或停止填土一段時(shí)間，待位移小于上述值且穩(wěn)定后在繼續(xù)填筑。

3.3.2.3 軟基地段地表在碎石樁施工過(guò)程中滿填30cm 厚的砂卵石，起到穩(wěn)定軟土和透水作用。

3.3.2.4 樁體施工完畢后按照每300 根樁隨機(jī)抽樣一根（但每處不得少于3 根）的原則進(jìn)行單樁復(fù)合地基荷載試驗(yàn)或瑞利波波速測(cè)試。

3.3.3 對(duì)填方邊坡、地表排水等的要求

3.3.3.1 靠近南湖地段的填方坡腳，在百年水位加波浪襲擊高加安全高0.5m 及以下部分，設(shè)置腳墻基礎(chǔ)和干砌片石護(hù)坡。

3.3.3.2 因軟土地基處理范圍大，因此在進(jìn)行軟基施工前，必須做好地表排水系統(tǒng)工程和盲溝工程，攔截地表水。如有井水露出地段，不得采用堵塞，而應(yīng)做好支撐滲溝引排。

3.3.3.3 軟基處理工程是基于地界以上按1：2 坡率至設(shè)計(jì)高程而設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)中已考慮一定的偏差（即整個(gè)坡面），但今后填方坡頂如果偏差超過(guò)10m 時(shí)，其安全系數(shù)小于1.20，因此，必須另外增加工程措施進(jìn)行加固。

經(jīng)加固處理后，可提高地基土的壓縮模量、承載力基本值，從而達(dá)到提高地基承載力、減少地基土沉降量和差異沉降量、加速沉降穩(wěn)定時(shí)間從而縮短工期的目的。

[1]盧肇鈞等《地基處理新技術(shù)》中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1989

[2]曾國(guó)熙《地基處理手冊(cè)》中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1988