高水位沙土地基全聯(lián)合角鋼構(gòu)架基礎(chǔ)形式研究

劉 輝，蔡金博，范新建，張 瑩

（中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)春 130021）

全聯(lián)合角鋼格構(gòu)式構(gòu)架已經(jīng)在東北地區(qū)應(yīng)用多年，形成了成熟的設(shè)計(jì)方案和施工方法，但是到目前為止，只有人工挖孔深基礎(chǔ)一種基礎(chǔ)方案，深度根據(jù)計(jì)算確定，一般為6～8m，適用于黏土及粉質(zhì)黏土地基，人工挖孔深基礎(chǔ)需要設(shè)置鋼筋混凝土護(hù)壁，構(gòu)架柱與混凝土基礎(chǔ)連接方式采用地腳螺栓連接。全聯(lián)合角鋼格構(gòu)式構(gòu)架對(duì)于沙土地基和高地下水位條件，存在很大的不適用性，急需研究新的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，采用相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案和施工工藝，以滿足工程的設(shè)計(jì)需要。

1 新型基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案及計(jì)算

1.1 所依托工程的概況

設(shè)計(jì)研究工作依托遼寧某500kV 變電站新建工程，該變電站自然情況如下：地勢(shì)較平坦，地震基本烈度為7度，場(chǎng)地的地基土屬中軟土，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類；根據(jù)場(chǎng)地地基土的物理力學(xué)性質(zhì)及分布特征，地質(zhì)勘查報(bào)告推薦變電站的建（構(gòu)）筑物建采用天然地基，自上而下分別為粉土、稍密細(xì)砂、中密細(xì)砂及密實(shí)細(xì)砂層；承載力特征值fak分別為100、140、180、250kPa；地下水為第四系孔隙潛水，勘測(cè)期間地下水位埋深2.17～2.90m，該地區(qū)的地下水位年變幅為1.00m；累年最大凍土深度1.45m，最大風(fēng)速32.2m/s。

1.2 基礎(chǔ)方案

全聯(lián)合角鋼格構(gòu)式構(gòu)架最大風(fēng)工況是控制條件，基礎(chǔ)具有垂直壓力小，雙向彎矩大的受力特點(diǎn)，適應(yīng)本工程高水位沙土地基要求，可采用鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)（淺基礎(chǔ)）和人工挖孔鋼筋混凝土深基礎(chǔ)兩種基礎(chǔ)形式。如果按埋深2.5～3.5m 淺基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)平面尺寸8m×10m，每個(gè)基礎(chǔ)混凝土量約100m3，而且基礎(chǔ)放腳后配筋量很大，制約了全聯(lián)合角鋼格構(gòu)式構(gòu)架的經(jīng)濟(jì)效果；人工挖孔鋼筋混凝土深基礎(chǔ)受力特點(diǎn)是利用穩(wěn)定地基土被動(dòng)側(cè)壓強(qiáng)度保證基礎(chǔ)抗傾斜能力，基坑挖方及基礎(chǔ)混凝土用量不大于30 m3，施工方便，無基坑回填土沉降問題，非常適應(yīng)全聯(lián)合角鋼構(gòu)架柱的構(gòu)造與受力特點(diǎn)。目前人工挖孔深基礎(chǔ)是全聯(lián)合角鋼構(gòu)架的唯一優(yōu)選的基礎(chǔ)方案，適用于常規(guī)的黏土、粉質(zhì)黏土地基，對(duì)于高水位沙土地基條件，存在很大的不適用性。

該500kV 變電站的建設(shè)場(chǎng)地屬于粉細(xì)砂地基，站址周圍都是水稻田，春季地下水位－0.5 m，人工降水不易控制，同時(shí)受到水資源保護(hù)限制，而且排水也受到河道管理局限制，基礎(chǔ)施工無法開展，對(duì)于粉細(xì)砂地基和如此高的地下水位，人工開挖基坑，不僅降水不可實(shí)現(xiàn)，流沙、涌砂、塌方也是很難回避的問題，施工單位也不具備相應(yīng)的施工和研究能力。

針對(duì)特殊地質(zhì)條件，經(jīng)論證研究，擬采用一種適合高水位沙土地基的全聯(lián)合構(gòu)架新型基礎(chǔ)形式——水循環(huán)成孔空心浮力深基礎(chǔ)，同時(shí)設(shè)計(jì)主動(dòng)提出研究以水治水的施工方案——水循環(huán)成孔灌注樁施工技術(shù)，并進(jìn)行詳細(xì)的施工機(jī)具研究設(shè)計(jì)與開發(fā)。

1.3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案的實(shí)施

水循環(huán)成孔空心浮力深基礎(chǔ)受力是抗傾覆為主的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)深度8 000mm，外徑2 200mm，內(nèi)徑1 400mm，基礎(chǔ)混凝土壁厚300mm；考慮地下水位高及粉砂地基的特殊情況，空心基礎(chǔ)周圍均設(shè)置護(hù)壁，護(hù)壁施工方案通過水循環(huán)成孔灌注樁施工技術(shù)，有效地將鋼筋混凝土護(hù)壁逐節(jié)施工完成，然后將預(yù)制好的鋼筋籠置于護(hù)壁內(nèi)，放置固定外徑為1 400 mm 內(nèi)實(shí)體苯板模板，然后澆筑C30混凝土。

基礎(chǔ)頂部為正方形鋼筋混凝土承臺(tái)，基礎(chǔ)平面尺寸為2 000mm×2 000mm，基礎(chǔ)承臺(tái)四角各埋設(shè)6個(gè)M30的地腳螺栓，用于安裝上部角鋼構(gòu)架。

2 計(jì)算理論及方法

2.1 構(gòu)架上部荷載分布特點(diǎn)

對(duì)于500kV 敞開式設(shè)備全聯(lián)合構(gòu)架一般采用雙層布置；對(duì)于500kV 混合絕緣封閉式組合電器HGIS全聯(lián)合構(gòu)架一般采用三層布置，遼寧某500 kV 變電站500kV 配電裝置采用此布置。

2.1.1 構(gòu)架布置方案

500kV 配電裝置采用HGIS設(shè)備，向3個(gè)方向出線，采用三層全聯(lián)合角鋼構(gòu)架方案。底層梁高為20.0m 及18.4m，中層梁高為26.0m，頂層梁高為33.0m，地線支架高度為34.0m 及41.0m，構(gòu)架避雷針高度為50.0m。

2.1.2 構(gòu)架荷載

屋外變電構(gòu)架的荷載主要有導(dǎo)線荷載、設(shè)備及構(gòu)架自重、風(fēng)荷載、溫度作用效應(yīng)及短路電動(dòng)力等。兩端設(shè)有剛性支撐的總長(zhǎng)超過150m 連續(xù)排架，或總長(zhǎng)度超過100m 連續(xù)剛架，應(yīng)考慮溫度作用效應(yīng)的影響。

2.1.3 構(gòu)架計(jì)算

構(gòu)架梁柱采用角鋼螺栓結(jié)構(gòu)，柱梁截面均為矩形斷面，熱鍍鋅；基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土深基礎(chǔ)；構(gòu)架梁、柱采用PK11.EXE鋼結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行手工計(jì)算修正。

2.2 基礎(chǔ)計(jì)算

基礎(chǔ)的控制因素：挖孔基礎(chǔ)以抗傾覆受力為主，根據(jù)受力模型分析及設(shè)計(jì)計(jì)算，基礎(chǔ)必須保證足夠的埋深?；A(chǔ)上部設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：彎矩M＝3 300 kN·m，剪力Q＝190kN，軸力N＝400kN。

2.2.1 抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算

式中：m為土壓力 參數(shù)；b0為 基 礎(chǔ) 計(jì) 算 寬 度；ht為 基礎(chǔ)埋置深度；μ為土與基礎(chǔ)面的摩阻系數(shù)；η為地基承載力修正系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算基礎(chǔ)直徑為2.0m，計(jì)算深度為7.5m。

2.2.2 承載力計(jì)算

500kV 構(gòu)架基礎(chǔ)主要以中密細(xì)砂為持力層，地基承載力特征值fak＝180kPa；部分以軟塑粉質(zhì)黏土為持力層，地基承載力特征值fak＝90kPa，修正后的地基承載力特征值fak＝242kPa。

基礎(chǔ)如不采用空心，基礎(chǔ)底部平均壓力值pk＝314.38kPa＞fak，地基承載力不滿足要求。

基礎(chǔ)如考慮采用空心，壁厚300mm，基礎(chǔ)底部平均壓力值pk＝218.5kPa＜fak，地基承載力滿足要求。

2.2.3 抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算

站址地段地下水位埋深為2.90m，水循環(huán)成孔空心深基礎(chǔ)深度為8.0m，基礎(chǔ)大部分均位于地下水位以下。在完成基礎(chǔ)護(hù)壁及封底施工后，在模板及鋼筋安裝前應(yīng)排除護(hù)壁內(nèi)水，此時(shí)基礎(chǔ)自重最小，需保證滿足抗浮穩(wěn)定性要求。

浮力Nw，k＝210.5kN，護(hù)壁及土底自重Gk＝234.6kN，Gk/Nw，k＝1.115，抗 浮 穩(wěn) 定 安 全 系 數(shù)Kw＝1.05，Gk/Nw，k≥Kw，基礎(chǔ)抗浮穩(wěn)定性滿足要求。

根據(jù)理論模型及受力分析計(jì)算，本工程500kV構(gòu)架最終推薦采用空心浮力深基礎(chǔ)，基礎(chǔ)外徑2 200 mm，內(nèi)徑1 400mm，混凝土壁厚300mm，內(nèi)部采用圓柱形苯板模板填充，基礎(chǔ)深度為7.5m，考慮水循環(huán)成孔封底混凝土厚度0.5 m，基礎(chǔ)總深度為8.0 m；基礎(chǔ)外側(cè)設(shè)置預(yù)制鋼筋混凝土護(hù)壁，分5節(jié)施工安裝就位。

同時(shí)為滿足上部構(gòu)架柱安裝要求，基礎(chǔ)頂部為正方形鋼筋混凝土承臺(tái)，承臺(tái)平面尺寸為2.0 m×2.0m，基礎(chǔ)承臺(tái)四角各埋設(shè)6個(gè)M30的地腳螺栓，用于安裝上部角鋼構(gòu)架。

3 新型構(gòu)架基礎(chǔ)的施工方案

針對(duì)高水位沙土地基，經(jīng)過反復(fù)研究和論證，提出了以水治水的水循環(huán)成孔灌注樁施工技術(shù)，基本原理是用預(yù)制鋼筋混凝土護(hù)壁解決流沙塌方問題，利用粉細(xì)砂土松散易浮的特性，用高壓水定向沖洗基坑坑底，讓帶有環(huán)刀狀端口的預(yù)制護(hù)壁在自重或附加重力作用下自然下沉，同時(shí)用潛水泵抽取基坑水沙混合物，排入施工場(chǎng)地內(nèi)預(yù)挖的沉沙池，沖洗基坑用的高壓水取自沉沙池末端。水循環(huán)方法形成帶有護(hù)壁的基坑過程中，始終保持基坑水位高于地下水位，減小護(hù)壁下沉的摩擦阻力，也防止基底涌沙。

在基坑深度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之后，保持基坑靜水沉淀，再用水下導(dǎo)管灌注混凝土封底。封底混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，就可以抽干基坑內(nèi)的水，為人工綁扎鋼筋，澆筑基礎(chǔ)混凝土創(chuàng)造方便條件，為了降低基底壓力，節(jié)省基礎(chǔ)混凝土量，設(shè)計(jì)采用聚苯填充的補(bǔ)償型空心基礎(chǔ)，充分利用常年高水位的浮力效應(yīng)，減小了基底壓力，提高了地基與基礎(chǔ)的安全性。

4 構(gòu)架基礎(chǔ)及施工模型試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)情況

針對(duì)這種高水位沙土地基，提出了水循環(huán)成孔灌注樁施工技術(shù)，并研制開發(fā)了專用施工機(jī)具，用鋼刃腳和沖水模具進(jìn)行了試驗(yàn)。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，從上到下共有1節(jié)方形護(hù)壁和4節(jié)圓形護(hù)壁，首先施工4節(jié)圓形護(hù)壁。將第一節(jié)護(hù)壁吊至構(gòu)架基礎(chǔ)定位點(diǎn)，第一節(jié)護(hù)壁開始在內(nèi)部采用人工挖土進(jìn)行下沉，人工挖至見地下水停止施工，在此施工過程中嚴(yán)格注意護(hù)壁的傾斜度，一旦發(fā)現(xiàn)偏差，立即調(diào)整。發(fā)現(xiàn)地下水后，將事先做好的沖水模具下至護(hù)壁底部，將抽水泵下至高于護(hù)壁底側(cè)200mm 處，做好沖水模具與抽水泵的測(cè)量工作，保證在施工過程中能隨時(shí)知道模具和水泵的深度。

將準(zhǔn)備好的30kN 配重安裝到護(hù)壁的上方，留出一定空隙，以便于進(jìn)水管和出水管的安裝，打開水泵電源沖水，將護(hù)壁底部粉砂攪起后，用另一臺(tái)水泵將粉砂抽出。施工中保持護(hù)壁內(nèi)側(cè)水位與地面一平，隨時(shí)注意沖水模具、抽水泵和護(hù)壁的深度。施工中如發(fā)現(xiàn)護(hù)壁垂直度有偏差，立即調(diào)整配重，確保護(hù)壁的垂直度。

本次試驗(yàn)共進(jìn)行4個(gè)構(gòu)架基礎(chǔ)的試驗(yàn)，當(dāng)每個(gè)構(gòu)架基礎(chǔ)的4節(jié)圓形護(hù)壁施工完成后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)8h累計(jì)下沉量不大于20mm 時(shí)，可以進(jìn)行護(hù)壁封底工序，最后按照施工圖紙要求進(jìn)行空心基礎(chǔ)的澆筑。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)共進(jìn)行了5天，取得了預(yù)期的效果，成功驗(yàn)證了當(dāng)初的設(shè)想，構(gòu)架基礎(chǔ)采用水循環(huán)成孔空心浮力深基礎(chǔ)具備很高的可操作性，通過以水治水的特殊施工方案——水循環(huán)成孔灌注樁施工技術(shù)，4個(gè)構(gòu)架水循環(huán)成孔空心浮力深基礎(chǔ)順利施工完成。

試驗(yàn)成功后，根據(jù)工期進(jìn)度安排，馬上全面展開所有500kV 構(gòu)架基礎(chǔ)的施工。用最經(jīng)濟(jì)的方法順利解決了高水位粉細(xì)砂地基的深基礎(chǔ)施工難題，至少直接節(jié)省工程降水、排污費(fèi)用200萬元以上。

通過現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)架基礎(chǔ)模型試驗(yàn)，試驗(yàn)效果良好，設(shè)計(jì)和施工方案方面取得了成功的經(jīng)驗(yàn)，驗(yàn)證了水循環(huán)成孔灌注樁施工技術(shù)的有效性和可操作性，完全可以滿足設(shè)計(jì)提出的要求，從而實(shí)現(xiàn)在高水位沙土地基情況，對(duì)全聯(lián)合角鋼構(gòu)架空心浮力基礎(chǔ)的順利施工，保證了施工進(jìn)度，克服了水下混凝土施工的難題，受到建設(shè)單位的好評(píng)，為遼寧某500kV 變電站工程順利施工提供了保障，而且節(jié)省了工程造價(jià)。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

依托遼寧某500kV 變電站的新建工程，根據(jù)全聯(lián)合角鋼構(gòu)架的受力特點(diǎn)，針對(duì)該工程高水位和粉細(xì)砂地基的特殊條件，對(duì)高水位沙土地基全聯(lián)合構(gòu)架基礎(chǔ)形式進(jìn)行了深入研究，主要結(jié)論如下。

a.提出了一種新型構(gòu)架基礎(chǔ)——水循環(huán)成孔空心浮力深基礎(chǔ)，基礎(chǔ)平面尺寸2m×2m，深度8m。該基礎(chǔ)為空心基礎(chǔ)，周圍均設(shè)置護(hù)壁；完成了該基礎(chǔ)計(jì)算理論分析和計(jì)算方法，抗傾覆計(jì)算及變形均滿足要求。

b.配合新型水循環(huán)成孔空心浮力深基礎(chǔ)，提出了以水治水的特殊施工方案——水循環(huán)成孔灌注樁施工技術(shù)，完成了施工工藝和施工方案的研究工作。

c.通過構(gòu)架基礎(chǔ)模型試驗(yàn)，完成了施工機(jī)具研究設(shè)計(jì)與開發(fā)，完成了護(hù)壁、封底及排水施工，并形成了試驗(yàn)報(bào)告。

d.為配合上部構(gòu)架地腳螺栓連接，水循環(huán)成孔空心浮力深基礎(chǔ)及護(hù)壁采用上方下圓形狀，上部方形部分深度－1.8m，該地區(qū)最大凍深－1.45m，不會(huì)引起凍脹，該基礎(chǔ)如應(yīng)用在寒冷地區(qū)應(yīng)考慮凍脹影響，采取防凍脹措施，或全部采用方形基礎(chǔ)及護(hù)壁。

e.對(duì)于變電站內(nèi)的大直徑深基礎(chǔ)、變壓器事故油坑、地下排水泵站等地下構(gòu)造物施工均有條件采用此項(xiàng)實(shí)用技術(shù)。

5.2 建議

在遼寧南部的平原地區(qū)具有大面積的同類地基，現(xiàn)場(chǎng)制作施工機(jī)具實(shí)現(xiàn)以水治水的水循環(huán)成孔灌注樁施工技術(shù)，為以后同類工程施工創(chuàng)造了節(jié)能、環(huán)保和水資源保護(hù)的實(shí)用技術(shù)，也為這種特殊地基的大型深基礎(chǔ)施工開創(chuàng)出一條經(jīng)濟(jì)實(shí)用的施工方案。

對(duì)于變電站內(nèi)的大直徑深基礎(chǔ)、變壓器事故油坑、地下排水泵站等地下構(gòu)造物施工均有條件采用此項(xiàng)實(shí)用技術(shù)，在該地區(qū)的輸電桿塔、城市建設(shè)工程中，也會(huì)遇到同類的施工問題，可以應(yīng)用水循環(huán)成孔灌注樁施工技術(shù)。