某500kV变电站干振挤密碎石桩复合地基处理方案

某 500kV变电站干振挤密碎石桩复合地基处理方案

杜风宇 陈晓东

中国电建集团青海省电力设计院有限公司，青海 西宁 810008

摘要：以某500kV变电站工程地层岩性分布为基础，论述干振挤密碎石桩复合地基的优点及其承载力的主要计算方法。根据JGJ 79-2012《建筑地基处理技术规范》规定，利用经验公式，参考相关文献中计算参数取值，计算该工程拟设计的干振挤密碎石桩复合地基承载力特征值，并与现场试验结果进行比较，证明计算结果可靠。

关键词：变电站 碎石桩 复合地基 处理方案

1 工程地质概况

拟建某500kV变电站场地地貌单元属冲洪积平原。

场地勘查揭露地层主要为第四系全新统冲洪积层（Q4al），岩性主要为粉土、粉质黏土。地层主要特征描述如下：

①粉土：稍密，湿，以粉粒为主，土质不均匀，结构松散，混粘性土，层底深度0.5～1.3m，。

②粉质粘土：软塑～可塑状态为主，湿，具水平层理，含少量铁质氧化物及云母碎片，切面稍光滑，干强度韧性中等。层厚0.5～2.9m，层底深度3.1～6.5m。

③粉土：稍密～中密，湿～很湿，无光泽反应，干强度及韧性低，摇震反应迅速，具层理，土质较均匀，含少量铁质氧化物，局部渐变成粉质粘土薄层，具中等压缩性，场区内均有揭露，层位及厚度变化较大，层厚0.6～4.0m，层底深度3.1～6.0m。

④淤泥质粘土：流塑状，很湿，具臭味，含少量云母、贝壳碎片及黑色有机质。层厚度为1.0～4.6m，层底深度7.0～8.5m。

⑤粘土：很湿，可塑状态，混灰色条纹，具锈斑。该层中局部夹粉土薄层或透镜体。揭露层厚3.8～9.5m，层底深度12.6～17.7m。

⑤-1粉土：可塑～软塑状态，很湿，揭露厚度2.1m。

⑥粉质粘土：可塑～硬塑状态，很湿，干强度及韧性中等，土质粗糙，具中压缩性，场区内均有揭露。该层中局部夹多层粉砂及粉土薄层或透镜体。揭露层厚度4.4～12.7m，层底深度23.1～26m。

⑥-1粉土：中密～密实，很湿，土质不均匀，多与粘性土成互层，该层普遍夹于⑥层粉质粘土中，一般厚度0.5～3.6m。

⑥-2粉砂：中密，饱和，砂质较均匀。该层夹于局部的⑥层粉质粘土中，最大揭露厚度3.8m。

⑦粉砂：中密～密实，饱和，颗粒较均匀，粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量的50%，主要矿物成分为石英、长石。该层分布普遍，厚度较均匀，在勘查深度范围内此层未揭穿，做大揭露厚度8.0m。

工程拟采用干振挤密碎石桩法进行地基处理，地基处理后干振挤密碎石桩复合地基承载力特征值fak≥180kPa。

2 地基处理方案

2.1 碎石挤密桩

碎石桩是以碎石（卵石）为主要材料制成的复合地基加固桩。

碎石桩按其制桩工艺可分为振冲(湿法)碎石桩和干法碎石桩两大类。适用土类为：砂性土、非饱和粘性土，以炉灰、炉渣、建筑垃圾为主的杂填土，松散的素填土。

干振法碎石挤密桩加固软土地基是用夯锤垂直夯击填入钻孔的碎石，夯击能量通过碎石向孔底及四周传递，将孔底及周围土挤密，并使部分碎石挤入四周软土中。形成碎石桩的同时，桩周也形成一个与碎石胶结的挤密带，提高原有地基承载力，碎石桩与桩间地基土形成复合地基，共同承担上部荷载。

碎石挤密桩在饱和粘性土成桩施工很难起到挤密加固作用，它对饱和粘性土加固效果是利用了碎石挤密桩本身强度及排水效果，主要是碎石挤密桩的置换和地基土的排水固结作用。

碎石挤密桩加固粘性土的主要目的是提高地基承载力、减少地基沉降量、提高土体抗剪强度、增大土坡抗滑稳定性。

2.2 复合地基承载力计算方法

采用叠加法，干振碎石桩复合地基的承载力按下式计算：

P_cf=mλ₁P_pf +λ₂ (1-m)P_sf 式（1）

P_cf——复合地基极限承载力

P_pf——桩体极限承载力

P_sf——天然地基土极限承载力

m——复合地基置换率

λ₁——复合地基破坏时桩体轻度发挥度

λ₂——复合地基破坏时桩间土轻度发挥度

采用复合土体整体计算，按下式计算：

τ_c=(1-m) τ_s+mτ_p 式（2）

τ_s=c+(u_sp_c+γ_sz)cos²θtanφ_s 式（3）

τ_p= (u_pp_c+γ_pz)cos²θtanφ_p 式（4）

τ_c——桩间土抗剪强度

τ_p——桩体抗剪强度

m——复合地基置换率

c——土内聚力

p_c——复合地基上作用荷载

u_s——应力修正系数

u_p——应力集中系数

γ_s——桩体重度

γ_p——桩体重度

φ_s，φ_p——分别为桩间土与桩体的内摩擦角

θ——滑弧在地基某深度处剪切面与水平面夹角

z——分析单元弧段的深度

根据JGJ 79-2012《建筑地基处理技术规范》，复合地基承载力特征值应通过复合地基静载荷试验或采用增强体静载荷试验结构和其周边土的承载力特征值结合经验确定，初步设计时，按下列公式估算：

f_spk=[1+m（n-1）]f_sk 式（5）

n=σ_p/σ_s式（6）

m=A_p/A=σ_p/σ_s式（7）

式中：

f_spk——复合地基承载力特征值（kPa）；

f_sk——处理后桩间土承载力特征值（kPa），可按地区经验确定；

n——复合地基桩土应力比，可按地区经验确定；

σ_p——桩顶应力；

σ_s——桩间土平均强度；

A_p——竖向增强体（桩体）的横断面积；

A——与竖向增强体（桩体）的横断面积所对应的符合地基面积；

m——面积置换率，m=d²/d_e²；d为桩身平均直径（m），de为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径；等边三角形布桩de=1.05s，正方形布桩de=1.13s，矩形布桩de=1.13（s₁s₂）^1/2，s，s₁，s₂分别为桩间距、纵向桩间距和横向桩间距。

3 复合地基承载力计算

本文根据JGJ 79-2012《建筑地基处理技术规范》提供的公式对复合地基承载力进行估算。

干振挤密碎石桩直径800mm，桩间距和排距均为2.0m，正方形布置。桩长以桩底标高和桩顶标高共同确定。干振挤密碎石桩复合地基承载力特征值fak≥180kPa。桩孔填料采用碎石、卵石或砾石，要求质地坚硬、无腐蚀性，不得使用强风化、易软化的石料，粒径为20～80mm，应具有一定的级配，含泥量≤3%。

偏保守的取f_sk=110kPa，

桩土应力比n是估算复合地基承载力的一个重要参数，JGJ 79-2012《建筑地基处理技术规范》建议按地区经验确定。文献[1]考虑正常使用工况下的地基处于似弹性体状态，将文克尔弹性地基模型应用于复合地基的散体材料增强体和桩间土体，推导出简易的桩土应力比计算公式，本文计算因无地区经验可以利用，参考本文献，取桩土应力比n=6.25。

面积置换率可由计算得m=0.125，则

f_spk=[1+m（n-1）]f_sk=182.18kPa

即复合地基承载力特征值为182.18kPa。

4 结论与建议

（1）干振碎石桩是处理松软地基土的一种行之有效的方法。

（2）干振碎石桩法的桩距和桩径大小的选择，应通过工程现场试桩确定。

（3）地区经验显性化以及解释所谓地区经验参数背后所蕴藏的内在规律对于沿途工程界任重而道远。

5 参考文献

[1] 王国长.复合地基桩土应力比的简化计算与经验估算[J].城市勘测，2014（4）：164-166.

[2] JGJ79-2012.建筑地基处理技术规范[S].

[3] GB50007-2011.建筑地基基础设计规范[S].

[4] GB50307-2012.城市轨道交通岩土工程勘察规范[S].