水泥土攪拌樁在某變電站地基處理中的應(yīng)用

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.020

摘" 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電力土木工程地基處理技術(shù)越來越先進(jìn)，并逐漸向更科學(xué)、更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保的方向發(fā)展。該文對電力工程軟土地基處理常用的水泥土攪拌樁的加固機(jī)理及水泥土攪拌樁復(fù)合地基工作機(jī)理進(jìn)行闡述，并以某110 kV戶外GIS變電站水泥土攪拌樁地基處理應(yīng)用為例，采用單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)、淺層平板載荷試驗(yàn)及基樁鉆芯試驗(yàn)等方法驗(yàn)證水泥土攪拌樁處理軟土地基的效果，供電網(wǎng)工程及其他行業(yè)人員參考。

關(guān)鍵詞：變電站；水泥土攪拌樁；地基處理；巖土層；試驗(yàn)載荷

中圖分類號(hào)：TU472 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）32-0079-04

Abstract： With the continuous progress of science and technology， the foundation treatment technology of electric power civil engineering is becoming more and more advanced， and gradually to a more scientific， more economical and more environmentally friendly direction. This paper expounds the strengthening mechanism of cement-soil mixing pile commonly used in soft soil foundation treatment in electric power engineering and the working mechanism of cement-soil mixing pile composite foundation. Taking the application of cement-soil mixing pile foundation treatment in a 110 kV outdoor GIS substation as an example， the effect of cement-soil mixing pile in soft soil foundation treatment is verified by vertical compression static load test of single pile， shallow plate load test and foundation pile core drilling test， thereby can be used as a reference for power grid engineering and other industries.

Keywords： substation; cement-soil mixing pile; foundation treatment; rock and soil layer; test load

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，對電力的需求也越來越大，因此，電力工程的建設(shè)也得到了很大的發(fā)展。但受限于工業(yè)布局和城市規(guī)劃，變電站在建設(shè)的過程中會(huì)遇到很多不良地基，比如軟土地基等，對不良地基的處理是變電站工程的關(guān)鍵，直接關(guān)系到變電站建設(shè)的順利進(jìn)行和后期的運(yùn)行。對軟土地基的處理，常用的方法有排水、壓密、加筋、固化及采用樁基礎(chǔ)等。

1" 水泥土攪拌樁加固機(jī)理及優(yōu)點(diǎn)

水泥土攪拌樁是加固飽和軟黏土地基的一種成熟方法，其利用水泥、石灰等材料作為固化劑的主劑，通過特制的深層攪拌機(jī)械，在地基中就地將軟土和固化劑（漿液狀或粉末狀）強(qiáng)制攪拌，利用固化劑和軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理-化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)地基[1-3]。

水泥加固軟土機(jī)理可分為以下3個(gè)過程：①水泥的水化反應(yīng)；②水泥土的水化物和土顆粒的黏結(jié)作用；③碳酸化作用。

水泥土攪拌樁地基處理技術(shù)具有良好的整體穩(wěn)定性、防滲性、施工速度快和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。由于樁身強(qiáng)度不是很高，僅相當(dāng)于C5～C10的混凝土強(qiáng)度，故能與樁間土體共同作用形成復(fù)合地基，使其表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。同時(shí)由于水泥土攪拌樁的施工工藝，保證了其較快的施工速度，每天每臺(tái)機(jī)械可成樁500～800 m，比普通混凝土樁機(jī)進(jìn)度快得多。施工中使用的原料價(jià)格低廉，工程造價(jià)低，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2" 水泥土攪拌樁復(fù)合地基工作機(jī)理

復(fù)合地基是水泥土攪拌樁進(jìn)行軟土加固后的產(chǎn)物，由于水泥屬半剛性樁復(fù)合地基，水化后能夠達(dá)到工程所需要的強(qiáng)度，其工作機(jī)理如下。

2.1" 樁體作用

樁體周圍土體的剛度遠(yuǎn)小于水泥土攪拌樁體的剛度，在上部載荷的影響下，會(huì)根據(jù)材料的模量在復(fù)合地基中進(jìn)行應(yīng)力重分布，因此會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，水泥土攪拌樁樁體承擔(dān)了大量的上部載荷，相應(yīng)地減少了樁間土體的應(yīng)力，進(jìn)而提高了復(fù)合地基的承載力，減少了地基的沉降量。

2.2" 墊層作用

水泥土攪拌樁是通過向地基土中噴射水泥，然后經(jīng)過原位均勻攪拌后硬結(jié)成具有很高承載力的樁體，水泥土攪拌樁和樁間土復(fù)合形成復(fù)合地基。從力學(xué)特性上看，增大了應(yīng)力擴(kuò)散角，大大提高了天然地基軟的承載力。如果水泥土攪拌樁沒有貫穿整個(gè)軟弱土層地基，則水泥土攪拌樁復(fù)合地基能夠起到很好的墊層作用。

2.3" 擠密作用

在水泥土攪拌樁體進(jìn)行現(xiàn)場攪拌時(shí)，不需要再向地基內(nèi)附加注水，這是因?yàn)樗嗤翑嚢铇扼w內(nèi)的水泥粉（漿液）能夠自動(dòng)膨脹、發(fā)熱，吸收樁體周圍軟土內(nèi)的水，進(jìn)而對樁體四周軟土起到擠密作用。

2.4" 加筋作用

水泥土攪拌樁能夠提高軟土地基土的承載力，同時(shí)還能夠增強(qiáng)軟地基的穩(wěn)定性和土體的抗剪強(qiáng)度，對軟土起到很強(qiáng)的加筋作用。

3" 工程實(shí)例

3.1" 工程概況

某戶外110 kV GIS變電站，站址地貌屬漢江一級階地地貌，地勢較平。主變壓器本期規(guī)模為1×50 MVA，終期規(guī)模3×50 MVA；110 kV出線本期2回，終期4回；10 kV出線本期13回，終期36回；電容器組本期1×（3+5） Mvar；終期3×（3+5） Mvar。經(jīng)工程地質(zhì)勘探表明，站址場地土類型為中軟土，建筑場地類別屬Ⅱ類。場地屬建筑抗震一般地段。

3.2" 巖土層分布

1層素填土：灰褐色-黃褐色，稍濕，稍密，局部松散。主要為耕植土，站址靠近臨時(shí)道路的一側(cè)含有較多碎石。主要分布于場地表層，層厚0.70～0.90 m，層頂標(biāo)高33.45～35.27 m。

2層粉質(zhì)黏土：褐灰色、灰褐色，濕，軟塑狀態(tài)，局部呈流塑狀態(tài)，切面稍粗糙，含少量粉土，局部夾薄層粉土，不均勻，壓縮性高。分布于第1層之下，層頂埋深0.70～0.90 m，層厚7.00～8.40 m，層頂標(biāo)高32.65～34.47 m。

3層粉質(zhì)黏土：灰色、灰褐色，稍濕，可塑狀態(tài)，干強(qiáng)度中等，壓縮性中等，含少量鐵錳質(zhì)結(jié)核及高嶺土條帶，偶夾淤泥質(zhì)黏土，局部夾薄層粉土。分布于第2層之下，層頂埋深7.80～9.20 m，層厚6.10～7.80 m，層頂標(biāo)高24.64～26.47 m。

4層粉土：灰褐、灰黃色，稍濕，稍密，局部為中密，局部夾粉質(zhì)黏土，切面粗糙。分布于第3層之下，層頂埋深14.80～5.70 m，層厚1.70～5.20 m，層頂標(biāo)高18.24～20.27 m。

5層卵石：雜色，飽和，中密，局部為密實(shí)，卵石成份以砂巖、灰?guī)r碎塊等為主，含量約65%，充填物主要為中細(xì)砂和少量黏土。卵石磨圓度較好，呈渾圓狀，一般粒徑20～50 mm，最大粒徑90 mm，全場分布，本次勘測未揭穿。主要位于第4層之下，層頂埋深13.35～15.07 m，揭露層厚為1.40～2.90 m，層頂標(biāo)高13.68～14.95 m。

3.3" 巖土層力學(xué)參數(shù)

根據(jù)原位測試及野外鑒定描述結(jié)果，結(jié)合DB42/169—2003《巖土工程勘察工作規(guī)程》等地方經(jīng)驗(yàn)綜合考慮，地基各巖土層巖土技術(shù)參數(shù)推薦值見表1。

3.4" 水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)說明、樁位布置

水泥土攪拌樁樁間距1.0 m×1.0 m，樁徑500 mm，?；颐娓叱鲇行俄?00 mm。每米水泥用量不少于50 kg，固化劑采用42.5 kPa普通硅酸鹽水泥，全程復(fù)攪。水泥土攪拌樁復(fù)合地基驗(yàn)收檢測應(yīng)采用單樁靜載荷試驗(yàn)、復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)檢驗(yàn)承載力，靜載荷試驗(yàn)宜在成樁28 d后進(jìn)行，試驗(yàn)數(shù)量不小于總樁數(shù)1%，并進(jìn)行樁身完整性檢驗(yàn)?；A(chǔ)與樁之間設(shè)置褥墊層，褥墊層厚度為200 mm，材料為中粗砂，集配良好的碎石，最大粒徑不得大于20 mm。

主變、配電裝置室、GIS及構(gòu)架基礎(chǔ)水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)樁長為10 m，電容器、消弧線圈、二次預(yù)制倉、防火墻、避雷針、站內(nèi)道路、事故油池及站內(nèi)道路水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)樁長為5.5 m，配電裝置室內(nèi)水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)樁長為3.5 m。

3.5" 水泥土攪拌樁質(zhì)量控制

1）水泥土攪拌樁樁尖由于在施工中不斷與土層摩擦，樁徑也在不斷損失變小，這就需要施工人員在每次移機(jī)過程中都要檢查樁尖尺寸，如果尺寸偏出誤差較大就需立即更換樁尖，在施工過程中也有遇到石塊的情況，此種情況遇阻區(qū)局部位置一定要多次復(fù)攪，保證此處的樁型，且該樁施工完畢一定要檢查樁尖尺寸是否滿足設(shè)計(jì)要求的樁徑，不符合就需立即更換。樁尖是一項(xiàng)較容易控制的質(zhì)量要素，只需作業(yè)人員及質(zhì)檢人員加強(qiáng)檢查力度，基本可以完全控制該質(zhì)量要素[4]。

2）水泥土攪拌樁樁位控制要求水泥樁按圖紙要求，所以施工過程中必須保證按此要求施工，這就需要根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，將所有區(qū)域分區(qū)，然后按區(qū)定位放線，開挖溝槽，然后放第一組樁位，所有樁點(diǎn)都必須用木簽（或其他物）標(biāo)示出來，保證打樁的準(zhǔn)確性。施工過程中嚴(yán)禁人員及機(jī)械將樁點(diǎn)移位或損壞，確實(shí)有礙事的必須采取其他措施后再次定位，保證該點(diǎn)位的樁不錯(cuò)位。

當(dāng)前水泥土攪拌樁的應(yīng)用非常廣泛，質(zhì)量控制的要素很多；將水泥土攪拌樁的原材、打樁機(jī)械、施工方法及施工過程控制好，該項(xiàng)施工質(zhì)量控制就可得到保證。本項(xiàng)目中所有施工的水泥土攪拌樁按檢測要求檢測，經(jīng)檢測公司檢測后的單樁承載力及復(fù)合地基承載力均大于設(shè)計(jì)要求。

4" 水泥土攪拌樁的檢測

在成樁28 d后，根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》和JGJ 106—2014《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》分別利用堆載法和鉆芯取樣法做淺層平板載荷試驗(yàn)、單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)和基樁鉆芯試驗(yàn)。

4.1" 淺層平板載荷試驗(yàn)

采用壓重平臺(tái)反力裝置，由主梁、次梁、竹跳板組成堆載平臺(tái)，上堆砂包；主梁與試點(diǎn)之間安裝千斤頂，千斤頂上連接精密壓力表。承壓板采用1.0 m2形鋼板。

試驗(yàn)按GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C的加載方式，載荷分級按8級逐級加載。所檢測站內(nèi)道路174#試驗(yàn)點(diǎn)、配電綜合樓基礎(chǔ)49#試驗(yàn)點(diǎn)、GIS基礎(chǔ)635#試驗(yàn)點(diǎn)，3個(gè)檢測點(diǎn)均加載至試驗(yàn)最大載荷240 kPa，主變壓器基礎(chǔ)425#試驗(yàn)點(diǎn)加載至試驗(yàn)最大載荷300 kPa時(shí)，P～S曲線平緩，無明顯陡降段。結(jié)果見表2。

所檢測站內(nèi)道路174#試驗(yàn)點(diǎn)、配電綜合樓基礎(chǔ)49#試驗(yàn)點(diǎn)、GIS基礎(chǔ)635#試驗(yàn)點(diǎn)，3個(gè)檢測點(diǎn)的地基承載力特征值均為120 kPa，主變壓器基礎(chǔ)425#試驗(yàn)點(diǎn)地基承載力特征值為150 kPa。

4.2" 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)

試驗(yàn)采用慢速維持載荷法，即逐級加載，每級載荷達(dá)到相對穩(wěn)定后再加下一級載荷，當(dāng)加載量達(dá)到終止加載條件時(shí)，即終止加載。試驗(yàn)加載由荷重、反力梁、千斤頂?shù)葮?gòu)成加載反力系統(tǒng)。加載量由聯(lián)接在千斤頂與加壓油泵之間的壓力表讀出，沉降量由安裝在基準(zhǔn)梁上的百分表讀出。

所檢測（主變壓器基礎(chǔ)）444#樁、（GIS基礎(chǔ)）611樁、（站內(nèi)道路）205#樁加載至第七級210 kN時(shí)，樁頂總沉降量大于40 mm，且Q～S曲線出現(xiàn)明顯陡降段，故該3根樁的單樁豎向抗壓極限承載力為180 kN，特征值為90 kN，（配電綜合樓基礎(chǔ)）31#、32#樁加載至第六級180 kN，樁頂總沉降量大于40 mm，且Q～S曲線出現(xiàn)明顯陡降段，故該2根樁的單樁豎向抗壓承載力為150 kN，特征值為75 kN。

4.3" 基樁鉆芯試驗(yàn)

檢測依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：JGJ/T 87—2012《建筑工程地質(zhì)勘探與取樣技術(shù)規(guī)程》、GB/T 50266—2013《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。檢測機(jī)具為HT-150型鉆機(jī)，從已成樁頂向下鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過程中采用金剛石鉆頭，保證鉆進(jìn)的平穩(wěn)和取芯的完整。

樁身完整性分類及判別特征。

Ⅰ類樁：樁身結(jié)構(gòu)完整。混凝土芯樣連續(xù)、完整、表面光滑、膠結(jié)好、骨料分布均勻、呈長柱狀和斷口吻合，芯樣側(cè)面光滑僅見少量氣孔。

Ⅱ類樁：樁身有輕微缺陷，不會(huì)影響樁身結(jié)構(gòu)承載力的發(fā)揮。混凝土芯樣連續(xù)、完整、膠結(jié)較好、骨料分布基本均勻、呈柱狀和斷口基本吻合，芯樣側(cè)面局部見蜂窩麻面、溝槽。

Ⅲ類樁：樁身有明顯缺陷，對樁身結(jié)構(gòu)承載力有影響。大部分混凝土芯樣膠結(jié)較好，無松散、夾泥和分層現(xiàn)象，但會(huì)有下列情況出現(xiàn)，芯樣局部破碎且破碎長度不大于10 cm；芯樣骨料分布不均勻；芯樣多呈短柱狀或塊狀；芯樣側(cè)面蜂窩麻面、溝槽連續(xù)。

Ⅳ類樁：樁身存在嚴(yán)重缺陷。鉆進(jìn)很困難；芯樣任一段松散、夾泥；芯樣局部破碎且破碎長度大于10 cm。

所檢測31#基樁鉆進(jìn)過程平穩(wěn)，0.00～7.00 m芯樣呈灰褐色，所取芯樣呈散粒狀；7.00～10.30 m芯樣呈褐色或深灰色，所取芯樣呈碎塊狀或短柱狀。鉆芯情況見表3。

5" 結(jié)論

在電力工程建設(shè)中，要運(yùn)用正確可靠的電力土建地基技術(shù)，確保設(shè)備的安全安裝及電力的安全，并且熟練掌握現(xiàn)有地基處理技術(shù)，在新建電力設(shè)施地基處理和既有電力地基基礎(chǔ)加固方面不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，研究全新的地基處理技術(shù)，按照技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、就地取材的原則，優(yōu)選適宜的地基處理方案，提高地基處理水平。

1）工程及試驗(yàn)結(jié)果表明，用水泥土攪拌樁加固軟土地基是一種經(jīng)濟(jì)合理的處理手段。

2）水泥土攪拌樁加固后的地基，復(fù)合地基承載力較高，一般能滿足承載力要求；但單樁承載力與樁基礎(chǔ)相比則較低。水泥土攪拌樁適用于面受力，不適于點(diǎn)受力。當(dāng)變電站位于軟土地基上時(shí)，站內(nèi)道路、圍墻、電纜溝和支架等對地基承載力要求不高的可以直接采用水泥土攪拌樁來加固。對于GIS、構(gòu)架、主變和配電裝置樓等對地基承載力較高的，可以在水泥土攪拌樁加固后加大基礎(chǔ)底板面積配合使用。

3）水泥土攪拌樁成樁質(zhì)量受多種因素的影響，施工時(shí)應(yīng)按規(guī)程規(guī)范要求，提高成樁質(zhì)量，保證復(fù)合地基承載力。

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第一作者簡介：余立新（1988-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)樽冸娬就两ㄔO(shè)計(jì)。