托板樁法處理變電站極軟地基的現(xiàn)場試驗(yàn)研究

陳錫祥，葉柏金，馬慶雷，劉騏煒

(1. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007；2. 湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

0 引言

我國東南沿海地區(qū)分布著深厚的軟土層，由于土地資源緊張，一些變電站選擇填海建造，軟土的含水量大、壓縮性高、承載力低等不利的工程條件更為嚴(yán)重，變電站將會(huì)面臨較大的沉降和差異沉降問題，因此處理這種灘涂極軟地基尤為重要。托板樁法作為處理軟土地基的有效方式，能較充分地利用樁體的承載力，減小沉降和差異沉降，提高地基承載力，增強(qiáng)地基的穩(wěn)定性，縮短施工時(shí)間，近年來在公路、鐵路的軟基處理上得到了廣泛應(yīng)用。很多學(xué)者對托板樁的工作特性進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)研究。徐正中等[1]以申、蘇、浙、皖高速公路為工程背景，對軟土層未打穿的樁承式路堤進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測研究，并與軟土層打穿時(shí)的實(shí)測結(jié)果作了比較；賈寧等[2]在杭甬高速公路的拓寬建設(shè)中，分析了新路堤產(chǎn)生的附加應(yīng)力對老路堤的影響；夏元友等[3]在廣梧高速公路某段進(jìn)行了現(xiàn)場原位試驗(yàn)，從應(yīng)力和變形兩個(gè)方面探討了剛性樁加固軟土路基的淺層豎向土拱效應(yīng)；徐林榮等[4]在京滬高速鐵路的現(xiàn)場試驗(yàn)中分析了樁土應(yīng)力分擔(dān)比的變化過程、土工格柵的受力特點(diǎn)、沉降及側(cè)向位移規(guī)律；費(fèi)康等[5]在上海北部郊區(qū)某高速公路進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)并做了數(shù)值分析，研究了樁體面積置換率為8.7%的低置換率樁承式加筋路堤的工作性狀。上述研究均為公路、鐵路的軟基處理，所研究的托板樁工作特性對灘涂極軟地基的變電站是否適用有待進(jìn)一步研究。

本文以浙江某500 kV變電站為工程背景，通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究了托板樁法處理灘涂極軟地基的工作特性，得到了不同時(shí)期地基土超孔壓、沉降、差異沉降、土壓力、樁體荷載分擔(dān)比的變化規(guī)律。本次現(xiàn)場試驗(yàn)填土施工時(shí)間短，可為托板樁法處理軟土地基的快速施工提供參考。

1 工程概況

1.1 現(xiàn)場地質(zhì)條件

本研究的變電站位于浙東海岸，場地土層自上而下分別為：淤泥、黏質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂和中砂、砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂。室內(nèi)試驗(yàn)獲得的各層土物理力學(xué)參數(shù)見表1。由表1可知，此灘涂地區(qū)地基土孔隙率大、承載力低，故采用托板樁法進(jìn)行處理。

表1 土層物理學(xué)指標(biāo)

1.2 變電站試驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)介紹

圖1為試驗(yàn)區(qū)斷面圖，本區(qū)段填土頂寬18 m，填高3.25 m，坡傾為1∶2，填筑過程見圖2，分11次填筑完成，歷時(shí)20 d。填料由碎石、黏性土、中細(xì)砂組成，重度為22 kN/m3，黏聚力為1 kPa，內(nèi)摩擦角為35°。試驗(yàn)區(qū)在開始填土之前5個(gè)月即打樁完畢，而整個(gè)工程的打樁工作在試驗(yàn)區(qū)填土7 d時(shí)完成。

邊坡區(qū)域采用PHC-AB400型號管樁，長28 m，持力層為粉質(zhì)黏土層(4a)，樁體極限承載力為3 000 kN；其余區(qū)域采用PHC-AB500型號管樁，長36 m，持力層為粉細(xì)砂層，樁體極限承載力為4 000 kN。正方形托板邊長1.8 m，高度為0.5 m，正方形布樁，間距為3 m。托板上方0.1 m、0.2 m處分別布置一層土工格柵，格柵強(qiáng)度為83 kN/m，最大允許應(yīng)變?yōu)?%。

圖3為儀器布置圖，場地內(nèi)布設(shè)沉降板、土壓力盒和孔壓計(jì)。S1、S3沉降板布置在托板上表面中心，S2沉降板布置在樁間土中間，S4～S6布置在托板上方1 m處，S7～S9布置在托板上方2 m處。4個(gè)土壓力盒P1～P4分別布置在托板上表面中心、1/4處、邊緣和樁間土中間?？讐河?jì)W1～W3分別布置在場地中心－14.8 m、－17 m、－24 m深度處。沉降板S1～S3、土壓力盒、孔壓計(jì)在填筑前布設(shè)完畢，其余沉降板隨填土過程依次布置。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 孔壓分布

圖4為W1～W3超孔壓隨時(shí)間的變化曲線。由于試驗(yàn)區(qū)和其它區(qū)域打樁工作的影響，在填筑初期即存在初始超孔壓，其中W3處超孔壓值最大，為42 kPa，W2和W1處略小，分別為38.9 kPa和33.63 kPa。即打樁引起的初始超孔壓，隨埋深增加而增加。

填筑期內(nèi)，超孔壓未隨填高的增加而增大，而是以較慢的速率逐漸減??；填筑完成后，超孔壓隨時(shí)間以較快的速率減小，隨后逐漸趨于穩(wěn)定；120 d時(shí)試驗(yàn)區(qū)周邊邊坡開始填土，超孔壓隨即增大，145 d邊坡填土結(jié)束，超孔壓開始逐漸消散。這是因?yàn)楝F(xiàn)場采用托板樁法處理地基，在填筑期間土拱效應(yīng)逐漸發(fā)揮作用，填土產(chǎn)生的荷載主要由樁體承擔(dān)，分配到地基土上荷載較小，導(dǎo)致填土引起的超孔壓增加速率小于初始超孔壓隨時(shí)間消散速率；填筑完成后，上覆荷載不再增加，且在土拱效應(yīng)與加筋體拉膜效應(yīng)的共同影響下，大部分上覆荷載向樁頂傳遞，超孔壓便以較快的速率消散，之后超孔壓消散速率逐漸減慢；試驗(yàn)區(qū)周邊的施工工序會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)區(qū)超孔隙水壓力的增加。

2.2 沉降及差異沉降

圖5為填土內(nèi)不同高度處沉降隨時(shí)間的變化曲線。由圖5可知，填筑期間隨著填高增加，填土內(nèi)各高度樁頂填土與樁間填土沉降差異逐漸增大，但數(shù)值較小，填筑完成時(shí)S1、S3沉降為0，S4、S6沉降了19 mm，S7、S9沉降了38 mm；S2、S5、S8分別沉降了 8 mm、23 mm和41 mm，樁土差異沉降在樁頂、樁頂上1 m、樁頂上2 m處分別為8 mm、4 mm、3 mm。Spangler等[6]提到：由于土拱效應(yīng)，差異沉降沿填土高度逐漸減小至0，這一高度的平面稱為等沉面。監(jiān)測結(jié)果表明差異沉降沿填土高度遞減，與上述結(jié)論吻合。同時(shí)，差異沉降在樁頂0～1 m的減小幅度大于1～2 m，這是因?yàn)樘钔廖唇?jīng)壓實(shí)，疏松的土體抑制了土拱的形成，樁頂上2 m處差異沉降依然較大。

在固結(jié)期，S1、S3沉降略有增加。S2沉降速率先增大后減小并逐漸趨于0，而后隨著地基土超孔壓消散，S2沉降繼續(xù)發(fā)展。監(jiān)測期結(jié)束時(shí)S1、S3沉降約4 mm，S2沉降為38 mm，樁土差異沉降為34 mm。同理可以計(jì)算監(jiān)測期結(jié)束時(shí)樁頂上1 m、2 m處差異沉降，分別為24 mm、12 mm。監(jiān)測期內(nèi)，最大差異沉降發(fā)生在樁頂面，僅為34 mm，說明托板樁法處理灘涂軟土地基變電站可以有效減少差異沉降。另外，對比圖5(b)和5(c)，在固結(jié)期間，S4、S6沉降了11 mm，S7、S9沉降了30 mm，說明填土自身發(fā)生了較大壓縮。所以填土材料對后期沉降有較大影響，對于變電站這種需要嚴(yán)格控制沉降的工程，應(yīng)選擇級配良好的填筑材料并充分壓實(shí)。

圖6為差異沉降隨時(shí)間的變化曲線，可以看出樁頂上1 m與樁頂上2 m的差異沉降在145 d之前幾乎相同，之后差距逐漸增大。這是因?yàn)樘钔撩軐?shí)度低，阻礙了“土拱”的形成，削弱了土拱效應(yīng)，地基土承受較大的土壓力而產(chǎn)生較大沉降，導(dǎo)致樁頂上2 m的差異沉降過大。145 d后，由于前期壓縮，填土密實(shí)度得以提高，隨著超孔壓消散，地基土固結(jié)，差異沉降繼續(xù)發(fā)展，土拱效應(yīng)的發(fā)揮將上覆荷載進(jìn)一步傳遞給樁體，使差異沉降減小，表明提高填土密實(shí)度可減小表面沉降和差異沉降。從圖6還可以得出，填筑期樁頂、樁頂上1 m、樁頂上2 m差異沉降分別占監(jiān)測結(jié)束時(shí)差異沉降的25%、33%、24%，大部分差異沉降是在固結(jié)期產(chǎn)生。

2.3 土壓力及荷載分擔(dān)比

1)土壓力

圖7為樁頂平面土壓力隨時(shí)間的變化曲線。由圖7可知，填筑期樁頂土壓力(P1、P2、P3)隨填高逐漸增加；樁間土壓力(P4)在填筑初期隨填高而增加，填高達(dá)到1.2 m后逐漸減小。固結(jié)期間樁頂土壓力小幅增加后趨于穩(wěn)定；樁間土壓力小幅減小后趨于穩(wěn)定。此結(jié)果表明在填筑階段，差異沉降對土拱效應(yīng)影響較大，隨著差異沉降的不斷增加，填土內(nèi)產(chǎn)生的土拱效應(yīng)越來越明顯，不斷將填土荷載傳遞到樁體，樁間土只承擔(dān)小部分荷載，當(dāng)填土達(dá)到1.2 m時(shí)，樁間土壓力開始減小，樁頂土壓力迅速增大，根據(jù)徐正中等[1]的研究，1.2 m即為形成完整土拱所需要的最小高度。

結(jié)合圖5和2.2節(jié)對沉降的描述，填高達(dá)到1.2 m后，隨填高和固結(jié)時(shí)間增加，樁頂差異沉降持續(xù)增加，但樁頂土壓力在120 d后趨于穩(wěn)定且有所減小。這是因?yàn)橥凉靶?yīng)達(dá)到極限狀態(tài)后，差異沉降對土拱效應(yīng)的影響減弱，土拱效應(yīng)分配荷載的能力有所減弱，樁頂與樁間土壓力趨于穩(wěn)定。

從圖7還可以得出，托板上土壓力有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，托板邊緣土壓力大于托板中心土壓力，這會(huì)在樁與托板連接處產(chǎn)生彎矩，所以在工程中應(yīng)提高樁帽與樁連接處的剛度以減小變形。

2)荷載分擔(dān)比

用土壓力盒得到的實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算托板表面平均應(yīng)力作為樁頂應(yīng)力，乘以托板面積即為樁承擔(dān)的荷載；以填土荷載應(yīng)力作為總應(yīng)力，乘以樁間距的平方即為總荷載，兩者的比值為實(shí)測樁體荷載分擔(dān)比。Chen等[7]建立了托板樁單樁處理范圍內(nèi)的內(nèi)、外土柱模型，可以獲得樁頂處樁體荷載分擔(dān)比，見式(1)。

式中：Ep為荷載分擔(dān)比；P為單樁處理范圍內(nèi)的填土總荷載，P=γhA；γ為填土重度；m為托板面積置換率，m=b2/A；b為托板邊長；A為單樁處理范圍的面積，；Do為外土柱等效外徑，正方形布樁時(shí)Do= 1.128Sa；Sa為樁間距；Di為內(nèi)土柱等效直徑，Di=1.128b；f為內(nèi)外土柱之間摩擦系數(shù)，f= tanφ，φ為填料內(nèi)摩擦角；K0為靜止土壓力系數(shù)，K0= 1－sinφ；h為填土高度 ；he為等沉面高度，he=ψSa，net；ψ為等沉面高度影響系數(shù)，本文取1.5；Sa，net為樁托板凈間距，Sa，net=Sa－b。

由圖8可知，實(shí)測的樁體荷載分擔(dān)比在填筑階段(0～20 d)迅速增大，填筑完成時(shí)為72%，然后隨固結(jié)時(shí)間先逐漸增大至83%后略微減小，監(jiān)測期結(jié)束時(shí)樁體荷載分擔(dān)比為80%。Chen[7]的樁體荷載分擔(dān)比計(jì)算結(jié)果為82%，與最終荷載分擔(dān)比吻合度較高。

3 結(jié)論

本文通過現(xiàn)場試驗(yàn)分析了托板樁法處理灘涂極軟地基變電站的幾個(gè)重要特性，得到結(jié)論如下：

1)灘涂極軟地基含水量高，因此在沉樁過程中即會(huì)產(chǎn)生較大的超孔壓。填筑期間由于土拱效應(yīng)逐漸發(fā)揮作用，將大部分填土荷載轉(zhuǎn)移至樁體，樁間土只承擔(dān)小部分荷載，因此填土引起的超孔壓增加速率小于超孔壓隨時(shí)間的消散速率。固結(jié)期間，在土拱效應(yīng)與加筋體拉膜效應(yīng)的共同影響下，大部分上覆荷載向樁頂傳遞，超靜孔隙水壓力迅速消散，地基土逐漸固結(jié)。

2)托板樁法處理灘涂極軟地基能有效減少地基沉降及差異沉降；填筑完成時(shí)樁頂差異沉降占監(jiān)測期結(jié)束時(shí)差異沉降的25%；填土材料對后期沉降有較大影響，為保證托板樁法對灘涂極軟地基的處理質(zhì)量，應(yīng)在選材、施工方面盡量提高填土密實(shí)度。

3)樁體荷載分擔(dān)比在填筑期間迅速增大，填筑完成時(shí)約為72%，在固結(jié)期間先增大后趨于穩(wěn)定，隨著固結(jié)時(shí)間繼續(xù)增加，樁體荷載分擔(dān)比略微減小，最終在80%左右，樁體在填筑期間即起到較大的承載作用。

4)用Chen[7]的方法計(jì)算的樁體荷載分擔(dān)比與實(shí)測結(jié)果吻合度較高，適用于托板樁法處理灘涂極軟地基變電站。