220kV變電站膨脹土地基勘察與基礎(chǔ)方案研究

姚 穎，劉 濱

(四川省電力設(shè)計院，四川成都 610072)

廣西是我國典型的膨脹土分布地區(qū)之一，其中以百色等地區(qū)分布最廣。根據(jù)成因類型，廣西膨脹土主要分為三大類[2]。

A類：第三系湖相半成巖的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及它們的風(fēng)化物。其中泥巖及其風(fēng)化形成的黏土，簡稱A1亞類；粉砂質(zhì)泥巖及其風(fēng)化形成的粉質(zhì)黏土，簡稱A2亞類。

B類：碳酸鹽巖風(fēng)化形成的殘坡積黏土(紅黏土)。其中以紅色為基色的簡稱B1亞類；以黃色為基色的簡稱B2亞類。

C類：第四系河流沖積黏土。其中以紅色或黃色為基色的簡稱C1亞類；以白色或灰色為基色的簡稱C2亞類。

膨脹土顆粒細(xì)膩，有滑感，在自然條件下成堅硬或硬塑狀態(tài)，裂隙發(fā)育，常見光滑面和擦痕，有的裂隙中充填灰白色、灰綠色黏土。膨脹土多分布于二級和二級以上階地或山前、盆地邊緣丘陵地帶，地形平緩，無明顯自然陡坎，常出現(xiàn)淺層滑坡和地裂，新開挖坑(槽)壁易發(fā)生坍塌。膨脹土地基上未設(shè)防治措施的低層砌體結(jié)構(gòu)建筑物墻體常發(fā)生開裂，裂縫均隨氣候變化而變化，低層較多層嚴(yán)重。建筑物開裂多發(fā)生在旱季，裂縫寬度隨季節(jié)變化。

某220kV變電站位于百色地區(qū)，處于膨脹土廣泛分布區(qū)域，屬于A1類膨脹土，對其地基進(jìn)行勘察與基礎(chǔ)方案研究對工程建設(shè)有重要的意義。

1 工程場地概況

1.1 場地地形地貌

區(qū)域地貌上工程區(qū)位于云貴高原東南緣、桂西山地與桂西南巖溶低山的交接山區(qū)。地形的基本特點(diǎn)是西高東低、南高北低，與區(qū)域構(gòu)造基本協(xié)調(diào)。海拔一般在160～280m之間，沖溝發(fā)育，相對高差50～100m。變電站場地微地貌為丘陵緩斜坡，地形呈波狀起伏，場地相對高差約11.7m，整體地勢北東高南西低，地形平緩，無明顯陡坎，地表被第四系土層所覆蓋。

1.2 地層結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)現(xiàn)場鉆探成果，場地地基巖土主要為黏土及泥巖，現(xiàn)將地基巖土從上至下描述如下：

(1)第四系坡殘積(Q4el+dl)黏土：紅色、紅黃色，稍濕～濕，硬塑～可塑，混有5 %～20 %砂巖及泥巖塊碎石。砂巖、泥巖塊碎石直徑一般2～5cm，最大可達(dá)8cm，棱角狀～次棱角狀。該層部分為下第三系泥巖全風(fēng)化，層厚0.7～7.60m。

(2)三疊系中統(tǒng)河口組第二段(T2h2)泥巖：泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，中層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育。局部夾薄層粉砂巖，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造。產(chǎn)狀：38 °∠43 °。強(qiáng)風(fēng)化為黃、灰黃色，巖石破碎，裂隙發(fā)育，裂隙面可見褐色鐵錳氧化物渲染，巖芯以碎塊狀為主，少量為柱狀。中等風(fēng)化為淺灰、灰色，裂隙稍發(fā)育，巖芯多成柱狀，少量為塊狀。

1.3 地下水條件

站址區(qū)出露地下水主要以第四系孔隙水、基巖裂隙水為主，受大氣降雨及地表水補(bǔ)給，徑流、排泄條件受地形限制，其徑流途徑短，由高向低流動，在坎下、山腳、坡麓迅速排泄。無統(tǒng)一地下水面和含水層，季節(jié)性變化強(qiáng)，雨季水量稍大，旱季水量小甚至消失。受大氣降水補(bǔ)給，排泄于溝谷及地勢低洼處，對建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)及基礎(chǔ)開挖影響較小。

2 膨脹土脹縮特性

2.1 地基土脹縮特性試驗

為了確定地基土的脹縮特性，從土樣中采取了6組進(jìn)行了相關(guān)試驗，試驗結(jié)果見表1、表2。

2.2 地基土膨脹潛勢

根據(jù)GB50112-2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》，膨脹潛勢分類由自由膨脹率決定。自由膨脹率為35.0 %～90.0 %，平均值為71.0 %，由此可定，該區(qū)域地基土膨脹潛勢為中等。

2.3 地基土脹縮等級

地基的脹縮等級根據(jù)地基分級變形量(豎向)進(jìn)行分級，地基土(豎向)脹縮變形量S計算公式[2]如下：

S=Se+Ss

(1)

(2)

表1 土工試驗成果

表2 膨脹土工程特性指標(biāo)

(3)

根據(jù)DB45/T 396-2007《廣西膨脹土地區(qū)建筑勘察設(shè)計施工技術(shù)規(guī)程》，百色地區(qū)的大氣影響深度取8 m，急劇層深度取2.7 m。場地覆蓋層厚度約4.0 m，下部為基巖，故此次計算深度按地表下4.0 m考慮。基礎(chǔ)按尺寸為2×2 m的獨(dú)立基礎(chǔ)考慮，埋深2 m，基底壓力按150 kPa考慮，土體重度按19 kN/m3考慮。膨脹變形量計算結(jié)果見表3。

計算深度內(nèi)，各土層的含水量變化值Δωi按直線法計算[2]：

(4)

Δω1=ω1-Ψwωp

(5)

表3 膨脹變形量計算

(當(dāng)Δωi>ωi-ωsi時，取Δωi=ωi-ωsi)

式中：ω1、ωp為地表下1m處土的天然含水量和塑限含水量(以小數(shù)表示)；ωi、ωsi為基礎(chǔ)底面下第i層土的天然含水量和縮限含水量(以小數(shù)表示)；Ψw為土的濕度系數(shù)；Zi為基礎(chǔ)底面下第i層土的深度(自地表算起)(m)；Zn為計算深度，可取大氣影響深度(m)。

根據(jù)DB45/T396-2007《廣西膨脹土地區(qū)建筑勘察設(shè)計施工技術(shù)規(guī)程》，百色地區(qū)土的濕度系數(shù)Ψw取0.67，取地表下1.0m處的天然含水量ω1=0.196，塑限ωp=0.218，則Δω1=ω1-Ψwωp=0.05。收縮變形量計算結(jié)果見表4。

最終計算得出地基脹縮變形總量為56.9mm，地基脹縮等級為II級。此外，該區(qū)域膨脹土脹縮總率δxs為0.75 %～5.65 %，平均值3.75 %；相對膨脹率δxe50為0.20 %～2.20 %，平均值0.98 %，可定為中等脹縮土。

3 地基基礎(chǔ)方案及工程措施

3.1 地基基礎(chǔ)方案

根據(jù)場地巖土條件，結(jié)合百色地區(qū)類似工程經(jīng)驗。本工程主要參數(shù)建議值見表5、表6。

表4 收縮變形量計算

表5 物理力學(xué)性指標(biāo)推薦值一覽

表6 樁基參數(shù)一覽表

根據(jù)巖土分布和工程特點(diǎn)，可以采用天然地基淺基礎(chǔ)方案和樁基礎(chǔ)方案。淺基礎(chǔ)采用黏土或泥巖作天然地基持力層，基礎(chǔ)持力層性質(zhì)較好，滿足上部荷載要求。但是局部地段覆蓋層厚度不均勻，同一建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)避免置于不同巖土層上，整個場地均采用天然地基淺基礎(chǔ)施工難度較大。對于膨脹土需采取相應(yīng)措施，以防止地基土脹縮變形引起建筑物開裂。若采用樁基礎(chǔ)，根據(jù)場地巖土條件，宜采用鉆(挖)孔灌注樁。綜合考慮施工難度和造價的前提下，對比樁基礎(chǔ)、天然地基淺基礎(chǔ)方案，并收集了百色地區(qū)建筑經(jīng)驗，建議以天然地基為主，局部地段可采用樁基礎(chǔ)為輔。

3.2 地基處理措施

根據(jù)對膨脹土特性的試驗測試及地基的脹縮等級計算，該區(qū)域土為中等脹縮土，地基的脹縮等級為II級。當(dāng)以基礎(chǔ)埋深為主要防治措施時，基礎(chǔ)最小埋深不應(yīng)小于大氣影響急劇層深度[1]2.7m。平坦場地上在條形基礎(chǔ)、獨(dú)立柱基的基底宜采用砂墊層，并做好防、隔水處理；在擋土墻、地溝、地坑等的側(cè)壁宜填砂；坡地上的基礎(chǔ)底則不應(yīng)墊砂。對于基礎(chǔ)埋深小于2.7m的建(構(gòu))筑物可采取一定的工程處理措施以消除膨脹性對建(構(gòu))筑物的不利影響，如適當(dāng)增加基礎(chǔ)埋深，亦可采用換土等措施。地基換土可采用非膨脹性土、灰土或改良土，并應(yīng)分層碾壓后再做載荷試驗，以達(dá)到地基設(shè)計要求為限。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)實際工程案例，結(jié)合廣西地方膨脹土規(guī)程，介紹了廣西膨脹土變電站場地的勘察方法和地基基礎(chǔ)方案，主要采用以自由膨脹率試驗判斷土層膨脹潛勢，以脹縮總率及相對膨脹率判斷膨脹土脹縮性等級，以脹縮變形量判斷地基脹縮等級。同時結(jié)合實際情況，采用增加基礎(chǔ)埋深，或采用換土等方法，為膨脹土地區(qū)變電站勘察設(shè)計提供了簡單、有效的方案。