變電站基坑回填土地面沉降分析

趙海飛，蔣 濤，鐘波波

(內(nèi)蒙古電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011)

0 引言

回填土是指在工程施工中，完成基礎(chǔ)等地面以下工程后再返還填實(shí)的土。人類活動(dòng)破壞了原狀土體的天然結(jié)構(gòu)，回填過程中存在忽略施工質(zhì)量，出現(xiàn)因回填土不均勻沉降導(dǎo)致建筑物不能正常使用，甚至開裂的現(xiàn)象。徐大偉[1]等總結(jié)了填土具有非均勻、抗剪強(qiáng)度低、密度小、固結(jié)程度低、土質(zhì)疏松、孔隙大、結(jié)構(gòu)性差等特征。回填土構(gòu)成復(fù)雜、堆積方式各異、工程性質(zhì)獨(dú)特、規(guī)律性差，所以回填土不均勻沉降一直是工程的難點(diǎn)。

本文以某500 kV變電站基坑回填土地面不均勻沉降為例，通過現(xiàn)場(chǎng)勘察及場(chǎng)地水文地質(zhì)條件調(diào)查，分析了回填土地面沉降的原因，并提出了針對(duì)性的處理措施。

1 工程概況

1.1 回填土勘察情況

某變電站500 kV保護(hù)小室室內(nèi)，以及500 kV架構(gòu)、220 kV架構(gòu)基礎(chǔ)周圍地表均發(fā)生了明顯的不均勻沉降，如圖1所示。

圖1 地表不均勻沉降

針對(duì)不均勻沉降地段進(jìn)行了探井勘察，勘察情況如下：

①在500 kV架構(gòu)地段基礎(chǔ)回填坑內(nèi)布置一個(gè)探井，探井編號(hào)TK01，該地段回填土為粉質(zhì)黏土，局部混粉土和少量砂礫及混凝土碎塊，稍濕—很濕、鐵鍬易挖、松散狀態(tài)；②500 kV小室室內(nèi)因設(shè)備正在運(yùn)行，只能在外墻西側(cè)布置一個(gè)探井，探井編號(hào)TK02，該地段回填土為粗礫砂混粉土，稍濕—飽和，級(jí)配良好，鐵鍬易挖、松散—稍密狀態(tài)；③在220 kV架構(gòu)地段基礎(chǔ)回填坑內(nèi)布置一個(gè)探井，探井編號(hào)TK03，該地段回填土為粉土，局部為粉質(zhì)黏土，混少量砂礫及混凝土碎塊，稍濕、鐵鍬易挖。

探井開挖時(shí)，回填土可以用鍬輕松挖掘，而原狀土必須用鎬才能挖掘，說明該回填土密實(shí)度差。

1.2 回填土物理力學(xué)性質(zhì)

勘察時(shí)在探井內(nèi)進(jìn)行灌水試驗(yàn)測(cè)定回填土的濕密度，以及取回填土進(jìn)行室內(nèi)壓縮試驗(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)定壓縮模量和計(jì)算回填土的壓實(shí)系數(shù)，并對(duì)回填土進(jìn)行了輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)。土工試驗(yàn)結(jié)果見表1所列，輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)擊數(shù)直方圖如圖2所示。

表1 土工試驗(yàn)結(jié)果表

分析表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：回填土不均勻，壓實(shí)系數(shù)在0.74～0.86之間；回填土壓縮模量在1.90～3.92 MPa之間，屬高壓縮性土。說明該回填土未被有效壓實(shí)，經(jīng)過自然固結(jié)后，現(xiàn)階段回填土的密實(shí)度仍然較差[2]。

圖2 輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)擊數(shù)直方圖

從圖2看，各回填土的觸探曲線形狀各異，說明回填土回填不均勻，而且回填土觸探試驗(yàn)擊數(shù)與原狀土觸探試驗(yàn)擊數(shù)相差較大。

2 地下水評(píng)價(jià)

2.1 場(chǎng)地水的補(bǔ)給與排泄

勘察中為了了解地下水條件，在原狀土地段又布置了兩個(gè)探井，編號(hào)為TK04與TK05。

探井TK01水位為地表下2.5 m，水量較少，只是在2.5～2.8 m處為很濕狀態(tài)，開挖后可以看出該處明顯有水滲出；探井TK02水位為地表下2.3 m，水量較大，水位以下有明顯的坍塌現(xiàn)象；探井TK03地表下3.3 m未見地下水；TK04地表下3.2 m未見地下水；TK05水位為地表下1.5 m，水量較少，只是在1.4～1.5 m處為很濕狀態(tài)，開挖后可以看出該處明顯有水滲出。

場(chǎng)地水的補(bǔ)給與排泄如圖3所示，場(chǎng)地內(nèi)地下排水管網(wǎng)及綠化管網(wǎng)埋深均在3.0 m以下，且分布較多。調(diào)查管網(wǎng)井內(nèi)的水位，發(fā)現(xiàn)大部分管網(wǎng)井內(nèi)存在積水，水位在地表下1.0～2.6 m之間，管網(wǎng)井內(nèi)水位與探井中的水位基本一致，說明井內(nèi)與井外地下水通過滲透可以相互流通。管網(wǎng)井內(nèi)的水是由于上部回填土區(qū)降水滲入及周圍基坑內(nèi)水的滲入造成，同時(shí)該管網(wǎng)與自來水管網(wǎng)相連，管網(wǎng)損壞或滲漏也有可能產(chǎn)生積水。

圖3 場(chǎng)地水的補(bǔ)給與排泄

主控樓附近管網(wǎng)井內(nèi)水位最淺，埋深在地表下約1.0 m，原因主要為兩方面：①該地段有自來水管線，地面下沉可能將該管線損壞，導(dǎo)致自來水的滲漏，加上排水管網(wǎng)排水不暢造成；②大氣降水入滲造成，在井的外側(cè)挖探坑測(cè)量水位，井內(nèi)水位高于外側(cè)地基土中的水位，說明周圍地基土中的地下水受井內(nèi)水的補(bǔ)給。

這些管網(wǎng)井內(nèi)的水可以通過管網(wǎng)或鋪設(shè)管網(wǎng)時(shí)形成的回填土滲透到場(chǎng)地內(nèi)的其他地段。

通過調(diào)查，變電站2013年的擴(kuò)建施工中，與原有基坑相連的基坑開挖后有地下水，局部水量較大；與原有基坑距離較近的基坑開挖后也有地下水滲出，地下水沿坑壁薄層砂夾層緩慢滲出；與原有基坑距離較遠(yuǎn)的基坑開挖后未見地下水滲出。

開挖有地下水的基坑通過明排均可將基坑內(nèi)的水排完，場(chǎng)地內(nèi)回填土地段地下水也可通過明排等方式排出。

2.2 地下水類型

場(chǎng)地原地表為粉土層，一般厚度在0.5～1.5 m之間；其下主要為粉質(zhì)黏土層，雜色、稍濕、硬塑—堅(jiān)硬狀態(tài)，存在粉土或細(xì)砂、粗砂夾層。地表下20 m深度范圍內(nèi)無地下水。

現(xiàn)場(chǎng)地內(nèi)部分地段已經(jīng)存在地下水，且各個(gè)地段地下水埋深不同，地下水主要分布在回填土地段及其附近，在遠(yuǎn)離回填土地段的原狀土層處，基礎(chǔ)埋深范圍內(nèi)無地下水。結(jié)合地層資料，地下水為基礎(chǔ)底面以下、粉質(zhì)黏土層以上的上層滯水，主要是由于當(dāng)時(shí)基礎(chǔ)施工時(shí)基坑采用大開挖的形式，基坑尺寸較大，回填時(shí)回填土壓實(shí)處理效果差，大氣降水很容易滲入到基坑內(nèi)，形成坑內(nèi)滯水，且當(dāng)時(shí)部分基坑采用砂土回填，回填土較松散，大氣降水容易滲入到坑底，使基坑內(nèi)水量增大；部分基坑采用開挖出的粉質(zhì)黏土和粉土回填，黏性較大，減緩了大氣降水下滲的速度，致使部分降水流走和蒸發(fā)，因此這些基坑內(nèi)水量較少。

近幾年由于該地區(qū)降水量增加，大部分回填土地段出現(xiàn)了不同程度的地面下沉，使得周圍一定范圍內(nèi)的降水匯集到了回填土地段，回填土地段基坑內(nèi)的地下水水量逐年增加。

3 沉降原因分析及應(yīng)對(duì)措施

3.1 地面沉降的直接原因

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，深度較小的基坑回填土自壓密產(chǎn)生的沉降很小。事實(shí)上由于基坑回填土回填范圍小、場(chǎng)地不規(guī)則、距離基礎(chǔ)近，常規(guī)壓密設(shè)備無法使用，往往采用人工夯實(shí)，使得大部分工程基坑回填土壓實(shí)度達(dá)不到要求，但產(chǎn)生沉降的概率很小，說明達(dá)到一定密實(shí)度后，土的自壓密產(chǎn)生的沉降是有限的。根據(jù)調(diào)查，變電站建設(shè)完成后6～8 a后才出現(xiàn)地面下沉現(xiàn)象，這時(shí)土的自壓密已經(jīng)完成，產(chǎn)生沉降的直接原因并非回填土的壓實(shí)度不夠。

近年來當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)氣候變化，降雨量大幅增加。現(xiàn)場(chǎng)勘察證明，基坑回填土內(nèi)普遍含水量較高，甚至達(dá)到了飽和?；靥钔猎趬簩?shí)度較小的情況下具有浸水濕陷性，地下水可以破壞土的原有力學(xué)平衡，使土體加速密實(shí)，體積變小，從而造成地面下沉。近年來出現(xiàn)了許多變電站地面沉降的現(xiàn)象，主要是回填土產(chǎn)生的沉降。回填土未嚴(yán)格壓實(shí)是工程中普遍存在的問題，但地下水的浸泡才是造成地面下沉的直接原因。

3.2 變電站內(nèi)基坑回填土被水浸泡的原因分析

由于降雨量增大及地表未采取防滲入措施導(dǎo)致回填土含水量增加，造成了局部地面沉降。局部地面的沉降破壞了地表的散水，在地表形成了匯水洼地，加速了雨水的滲入，基坑積水增加，導(dǎo)致地面下沉加速。同時(shí)地面下沉的增加對(duì)地表排水、散水及地下管網(wǎng)造成了破壞，也加速了地表積水和地下管網(wǎng)滲漏水向基坑回填土內(nèi)滲入。

在北方黏土地區(qū)，基坑采用大開挖方式，且采用砂礫石回填，使雨水很容易灌滿整個(gè)基坑，由于基坑較深，不宜被蒸發(fā)掉，再加上各種管道(線)溝的連通，使整個(gè)場(chǎng)地內(nèi)的地下積水貫通，加速了基坑回填土的飽和。

含水量的增加導(dǎo)致了地面下沉，地面下沉又導(dǎo)致地表積水、地下管網(wǎng)和地表散、排水設(shè)施損壞，加速了水的滲入，回填土內(nèi)含水量繼續(xù)增大，導(dǎo)致回填土地面繼續(xù)下沉，如圖4所示，形成了一個(gè)惡性循環(huán)。

圖4 不均勻沉降分析圖

綜合分析，近年來一些變電站內(nèi)部地面沉降的原因多為基坑回填土受水浸泡。降雨量增大、采用透水性好的材料回填、黏性土地區(qū)基坑積水不宜被排走、局部地表下沉及排水設(shè)施破壞后維修不及時(shí)、場(chǎng)地地下供排水管網(wǎng)的破損、地表未采取防滲措施等原因都可以造成基坑回填土被水浸泡。綜上，地表水控制不當(dāng)及輸水管線的滲漏造成了變電站基坑回填土被水浸泡。

3.3 應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)以上沉降原因可以采取應(yīng)對(duì)措施，見表2所列。

表2 基坑回填土沉降應(yīng)對(duì)措施表

4 結(jié)論

變電站基坑回填土地面沉降主要是受水的影響，通過以上分析得到以下具體原因及應(yīng)對(duì)措施。

1)基坑回填土受水浸泡是許多變電站產(chǎn)生地面沉降主要原因。

2)降雨量增大、采用透水性好的材料回填、黏性土地區(qū)基坑積水不宜被排走、局部地表下沉及排水設(shè)施破壞后維修不及時(shí)、場(chǎng)地地下供排水管網(wǎng)的破損、地表未采取防滲措施等原因，是造成變電站建筑物基坑回填土受水浸泡的原因。

3)可以針對(duì)性地采用透水性弱的黏性土回填基坑，加強(qiáng)場(chǎng)地排水、散水以及地表鋪設(shè)一定厚度的灰土隔水層等措施。及時(shí)修復(fù)局部地表的下沉和散排水設(shè)施，及時(shí)檢修場(chǎng)地內(nèi)的輸水管線等，可防止地基土被水浸泡造成地表下沉。

4)針對(duì)已經(jīng)下沉的地面，建議將場(chǎng)地內(nèi)回填土地段地下水抽出，并采用黏性土重新進(jìn)行壓密回填，或者采用灌漿處理措施。