珠海市變電站工程軟土地基沉降原因分析及對策研究

黃強飛

(廣東電網(wǎng)有限責任公司珠海供電局，廣東珠海 519000）

珠海市變電站工程軟土地基沉降原因分析及對策研究

黃強飛

(廣東電網(wǎng)有限責任公司珠海供電局，廣東珠海 519000）

簡述了珠海市工程地質(zhì)概況，對軟土層的分布概況、成因及特點進行了介紹，并列舉了珠海軟土的工程特性數(shù)據(jù)。對珠海市變電站設施地基沉降現(xiàn)象進行了研究和分類，總結了變電站各類設施的基礎類型及其優(yōu)缺點。結合珠海市部分變電站設施地基沉降現(xiàn)象和地質(zhì)情況，給出了變電站地基處理優(yōu)化建議。

變電站；地質(zhì)；軟土地基；沉降

0 引言

珠海市部分變電站的端子箱、站內(nèi)道路、電纜等位置出現(xiàn)了地基不均勻沉降現(xiàn)象，導致了端子箱傾斜、道路開裂等比較嚴重的問題。根據(jù)多次實地調(diào)查研究，現(xiàn)就珠海市變電站地基沉降原因進行分析，并提出應對措施。

1 珠海市工程地質(zhì)概況

1.1 珠海市地質(zhì)地貌概況

珠海市地處廣東省中部沿海、珠江三角洲南部前緣，地質(zhì)構造上屬新華夏系第二隆起帶中次級紫金—博羅斷裂帶和蓮花山斷裂帶的西南段，并被NW向的西江斷裂分割成梯形斷塊，而SE和WN兩側分別與珠江口大型新生代沉積盆地和陸地上珠江三角洲盆地相鄰[1]。

珠海市層狀地貌特征明顯，其中平原區(qū)占陸地面積50%以上(其他為山地、丘陵及臺地），其沉積物以淤泥為主，原始標高為0～2 m(1956年黃海高程系）。由于原始地貌高程較低，結合變電站防洪排澇和市政規(guī)劃相關要求，變電站場地一般需填土3～5 m，站址標高一般在3～5 m。

1.2 珠海市軟土分布概況

根據(jù)地質(zhì)勘探資料所揭露的情況，軟土地層在珠海地區(qū)分布較廣。珠海市軟土地層分布大致可劃分為5個區(qū)域:

(1）香洲區(qū)近海岸一帶，軟土零星分布，分布面積較小，層位不穩(wěn)定，厚度一般為6～15 m，以淤泥及淤泥質(zhì)土為主。

(2）南屏科技園一帶，分布軟土厚度一般為10～20 m，近前山河側軟土層較薄，近磨刀門側軟土層較厚，最大厚度超過30 m，淤泥為主。

(3）珠海保稅區(qū)一帶，分布面積較大，厚度15～30 m，靠近磨刀門水道側局部厚度超過40 m，淤泥為主。

(4）橫琴島一帶，分布面積較廣，厚度一般為20～50 m，以淤泥為主。

(5）金灣區(qū)、斗門區(qū)一帶，分布面積廣，厚度20～40 m，淤泥為主。

1.3 珠海市軟土地層的成因及特點

珠海市軟土地層按沉積成因可分為3類:濱海相軟土、三角洲相軟土和內(nèi)陸相軟土。其中，濱海相軟土為珠海市最主要的軟土層。軟土層主要裸露于地表或伏于新近填土層下，以黑色淤泥、淤泥質(zhì)土為主。

珠海市軟土具有如下工程特性:

(1）含水量高:天然含水量范圍值為43.5%～132%，平均值為61.58%。

(2）壓縮性高:孔隙比范圍值為1.12～4.19，平均值為2.32。壓縮系數(shù)范圍值為1.56～4.86 MPa-1，平均值為2.59 MPa-1，屬高壓縮性土。

(3）承載力低:無側限抗壓強度范圍值為2.39～31.3 kPa，平均值為13.6 kPa，未經(jīng)修正的地基承載力特征值一般為30～50 kPa。

(4）滲透系數(shù)小:kv范圍值為0.81×10-7～8.57×10-7cm·s-1，平均值為2.78×10-7cm·s-1。kh范圍值為0.52×10-7～5.63×10-7cm·s-1，平均值為2.29×10-7cm·s-1。

(5）結構性:靈敏度范圍值為1.13～12.0，平均值為6.58，屬靈敏性土，具有很強的結構性，一旦受到擾動，其強度將迅速降低。

(6）流變性:軟土地基重力式基坑支護結構在水平荷載穩(wěn)定情況下發(fā)生明顯的水平位移。

(7）欠固結特性:統(tǒng)計室內(nèi)試驗結果，淤泥層先期固結壓應力pc的平均值為73.77 kPa，而軟土平均厚度超過10～20 m，上覆填土厚度3～5 m，軟土層的自重壓應力一般超過100 kPa，因此，絕大多數(shù)軟土層表現(xiàn)為欠固結特性。

基于上述特點，珠海地區(qū)的軟土地層地基承載力和固結度往往不能滿足工程要求；軟土地層在各種作用下會產(chǎn)生較大的沉降，而且固結沉降時間長達數(shù)年，給變電站工程的地基處理造成了巨大的困難。

2 珠海市變電站工程軟土地基工程情況

珠海市軟土地層分布區(qū)域廣，軟土地基處理是變電站建設的常見問題?，F(xiàn)結合變電站建、構筑物基礎的類型和特點，對近年珠海供電局已投產(chǎn)變電站工程軟土地基處理情況具體分析如下:

2.1 主要生產(chǎn)生活設施

此類設施包含的建、構筑物有:配電裝置樓(室）、主控通信樓、戶外構支架基礎、主變壓器基礎、戶外配電裝置基礎、消防水池及泵房、警傳室、巡檢樓、防火墻、站區(qū)圍墻。

該類建、構筑物為變電站內(nèi)的重要設施，對變電站的生產(chǎn)、安全運行有較大影響。

該類建、構筑物對地基的承載力和變形均有較高要求，地基處理方式通常采用樁基礎(主要是采用PHC管樁，個別采用鉆孔灌注樁），基樁穿過軟土層，樁端持力層為全風化或強風化巖層。

樁基礎承載力高、穩(wěn)定性好、沉降量小而均勻、適應性強。樁端持力層為堅硬的巖石層，具有足夠的抗壓與抗拔承載力，從而確保了建、構筑物不產(chǎn)生過大的沉降和傾斜。根據(jù)近10年來我局的工程觀測數(shù)據(jù)，采用樁基礎的建、構筑物未發(fā)生地基質(zhì)量事故或沉降問題。

此類建、構筑物的地基處理方案能確?；A的安全、穩(wěn)定，地基處理方式合理。今后工程中依據(jù)地質(zhì)勘探情況，在合理選用樁型和持力層的條件下，可繼續(xù)采用樁基礎進行地基處理。

2.2 輔助生產(chǎn)的構筑物

此類設施包含的構筑物有:事故油池、消防小室、端子箱基礎、電纜溝、站內(nèi)道路。

以上構筑物為輔助設施，地基承載力要求低，但是其中的電纜溝、站內(nèi)道路對地基變形要求較高。

該類構筑物地基處理一般采用水泥攪拌樁進行處理。水泥攪拌樁是利用水泥作為固化劑，在地基深處將軟土和固化劑強制攪拌，使軟土硬結形成具有整體性和一定強度的水泥加固土，從而提高地基強度和增大變形模量。水泥攪拌樁地基處理方案適用于加固軟土地基。

采用水泥攪拌樁進行地基處理后，復合地基承載力能滿足要求，但受攪拌樁處理深度的限制(攪拌樁樁長約8～12 m），仍會產(chǎn)生一定的工后沉降(根據(jù)附加荷載大小和軟土層的厚度，沉降約50～300 mm）。

2.2.1 事故油池、消防小室和端子箱基礎

此類基礎一般獨立布置在場地某區(qū)域，周邊無相互影響的設施?；A面積較小，可視為點狀布置，基礎剛度相對較大，具有一定抗變形能力。

在之前的工程中出現(xiàn)過端子箱基礎沉降傾斜的情況(圖1）。2003年后經(jīng)設計優(yōu)化，現(xiàn)端子箱基礎與電纜溝通過設置沉降縫分開，后未出現(xiàn)端子箱沉降引起的破壞。

圖1 端子箱基礎不均勻沉降引起傾斜

事故油池和消防小室暫未出現(xiàn)沉降引起的問題，可沿用原有處理方式。

2.2.2 電纜溝和站內(nèi)道路

此類設施在站區(qū)內(nèi)為線性布置，長度方向剛度相對較小，抗變形能力差，對不均勻沉降較為敏感。

經(jīng)水泥攪拌樁進行地基處理后，場地內(nèi)土體仍會產(chǎn)生一定的固結沉降，引起電纜溝和站內(nèi)道路出現(xiàn)不同程度沉降，長度方向呈高低起伏，沉降差較大(沉降超過100 mm）時，道路和電纜溝出現(xiàn)裂縫、局部斷裂或傾斜的情況(圖2、圖3），嚴重影響電纜線路的運行安全。

2.2.3 水泥攪拌樁復合地基的沉降原因分析

結合水泥攪拌樁的加固原理、工程現(xiàn)場施工工藝等多方面分析，認為以下因素是造成水泥攪拌樁復合地基產(chǎn)生質(zhì)量缺陷，引起沉降問題的主要原因:

圖2 道路不均勻沉降起拱、開裂

圖3 電纜溝不均勻沉降產(chǎn)生傾斜、開裂

(1）水泥攪拌樁樁體質(zhì)量差。水泥摻入量和水灰比是水泥攪拌樁成樁的重要指標，直接影響到成樁質(zhì)量和樁體強度，是影響地基承載力的主要因素。在施工過程中，當淤泥較為深厚或含水量較大的情況下，樁體容易出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，引起承載力不足。在施工現(xiàn)場管理中，水泥摻入量不易控制，容易出現(xiàn)偷工減料的現(xiàn)象，需要監(jiān)理和甲方管理人員現(xiàn)場監(jiān)督到位。

(2）回填土未壓實，引起固結沉降。由于場地上部3～5 m的場地回填土未按設計要求分層碾壓，回填土密實度無法滿足設計要求。采用攪拌樁進行處理后，樁間土體在自重作用下產(chǎn)生固結沉降，對水泥樁體產(chǎn)生負摩阻力，引起樁體下沉。

(3）地下水位的變化造成地基沉降。珠海地區(qū)年平均降雨量為1 993.70 mm，其中降雨量集中在5—9月，雨量合計為年降雨量的77%。夏季施工的工程常遇暴雨天氣且雨量較大，地下水位偏高。工程竣工后，冬季地下水位明顯下降，引起地基產(chǎn)生一定的固結沉降。

(4）攪拌樁處理深度的影響。攪拌樁極限樁長一般為15～18 m，部分工程淤泥厚度在20～30 m，攪拌樁處理深度無法滿足要求，引起沉降。

(5）周邊建筑物填土的影響。由于變電站建設一般早于周邊建筑設施，當周邊建設時大量填土，在回填土體作用下，下部軟土會產(chǎn)生水平位移和剪切破壞，引起局部地基下陷和起拱，使變電站與之相鄰的地基受到一定影響，引起沉降或變形。

2.2.4 水泥攪拌樁法使用小結

(1）當軟土地層較淺時(包括回填土層厚度不大于15 m），攪拌樁可進入硬土層，樁身質(zhì)量差異較小，工后沉降也較小，可作為地基處理方案使用。且應進一步采取建筑、結構構造措施，減輕或消除固結沉降引起的質(zhì)量問題。

(2）當軟土地層較深厚時，雖然地基承載力滿足要求，但由于攪拌樁成樁質(zhì)量較差，工后沉降較大，應謹慎選用。

(3）根據(jù)上述情況，擬采取加強構造措施的方法，減少沉降影響。

2.3 其他設施

此類設施有:建筑出入口臺階坡道、建筑物散水、站區(qū)花池及地下管線等。

以上構筑物為站內(nèi)輔助設施，附加荷載小，地基承載力要求低，對地基變形有一定要求。

此類設施一般位于回填土層上，站內(nèi)回填厚度一般為2～5 m，回填施工一般采用大體積傾倒回填的方式，并未按設計要求分層回填并碾壓，造成填土結構松散，在完工后仍有一定的固結沉降(填土層固結沉降為50～200 mm）。

由于建筑物沉降較小而此類構筑物隨場地下沉引起沉降差較大，造成多數(shù)建筑物外的臺階坡道、散水和花池等出現(xiàn)開裂、傾斜下沉(圖4、圖5、圖6、圖7）。

圖4 建筑物臺階下沉

圖5 建筑物散水下沉

圖6 停車場地坪下沉

圖7 排水管線被拉斷

根據(jù)此類設施的特點，擬采取建筑、結構構造措施減輕或消除固結沉降引起的質(zhì)量問題。

3 變電站地基處理優(yōu)化建議

3.1 電纜溝

由于電纜溝內(nèi)敷設電纜，投產(chǎn)后若出現(xiàn)沉降問題，帶電作業(yè)困難，建議全部采用樁基礎。

電纜溝荷載小、承載力要求低，可采用摩擦樁，樁端進入黏土層或其他硬土層，選用較小樁徑，并采用6～7 m的間距布置基樁。同時，電纜溝采用鋼筋混凝土結構，并通過增大底板厚度和增強配筋等構造措施，提高基礎安全性，消除沉降影響。

3.2 站內(nèi)道路

(1）堆載預壓法。經(jīng)堆載預壓法處理后，土體的自重固結沉降已基本完成，工后最終沉降量一般要求小于30 mm，可保證道路的平整不開裂(珠海大部分市政道路均采用此方法處理）。道路可按正常條件進行施工，不需增加構造措施。

(2）水泥攪拌樁法。經(jīng)水泥攪拌樁處理后，部分深厚軟土層仍有一定沉降。建議加強對道路的構造措施，以防止工后沉降。

站內(nèi)道路可對下部1 m范圍換填易壓實的粗砂或碎石層等填筑材料，減少回填土體的沉降影響。在基層材料中采用增加包裹土工格柵的方式，增強抗變形能力。

3.3 戶外臺階、坡道、散水

結合建筑物整體結構布置，在地坪相應處設懸挑梁板，戶外臺階和坡道設置于懸挑板上，避免臺階坡道開裂下沉。周邊場地土體沉降后進行填砂處理。

3.4 操作小道

操作小道面積較小，周邊基礎較多，宜結合周邊配電裝置基礎的地基處理情況綜合設計，并考慮對破損部分進行修復。

操作小道可參考以下處理方法:下部換填200 mm水泥碎石穩(wěn)定層，C10混凝土墊層150 mm，30 mm厚干硬性水泥砂漿，上鋪200 mm×100 mm×60 mm水泥路面磚。

3.5 地下管線

給排水管道宜考慮結合場地條件采取整體地基處理。

連接建筑物與室外的管線應充分考慮室內(nèi)外地基差異沉降影響。在連接處預留足夠的長度，對于給水、排水管應在連接處設置軟接頭。連接處還應設檢修井以便及時檢查、維護。

由于管線對沉降非常敏感，建議設置專用的管道溝，基礎采用預制管樁基礎。管線進入建筑物內(nèi)，管道溝要與建筑物基礎連為一體，減少管道溝變形。

3.6 場地回填土

嚴格控制場地回填土材料質(zhì)量，必須按要求分層回填?；靥詈蟛捎脡郝窓C等機械對填土整體進行壓實，局部采用打夯機械進行打夯壓實。每層碾壓完畢后應立即進行壓實度檢測，對碾壓次數(shù)和填土層厚進行優(yōu)化調(diào)整，必須滿足設計要求的壓實系數(shù)。

3.7 建筑物周邊開挖回填

建筑物在基礎或電纜層施工期間，會產(chǎn)生二次開挖。該部分回填時施工面較小、工程量不大，建議將填筑材料統(tǒng)一改為粗砂或石粉，回填時沖水壓實，以確?；靥钯|(zhì)量。

4 結語

本文對珠海市變電站工程軟土地基沉降原因進行了研究，結合部分變電站設施地基沉降現(xiàn)象和地質(zhì)情況，給出了處理優(yōu)化建議，希望對解決相關問題有所助益。

[1]林奕禧，艾康洪，黃良機.珠海地區(qū)軟土的工程特性及工程建設問題[J].巖石力學與工程學報，2006(S2）

2014-10-16

黃強飛(1965—），男，廣東人，高級技師，從事輸變電工程建設的管理工作。