振沖碎石樁在變電站軟基處理中的應用

周亞濤

（昆明供電設計院有限責任公司，云南 昆明 650011）

各類工程建設中經常遇到軟土地基，變電站建設也同樣會遇到此類問題。如何對軟土地基進行加固和利用，使其既能滿足建構筑物強度和穩定性的要求，又能夠縮短工期、減少投資，這是地基處理工作中非常重要的環節之一，也是確保工程質量和安全的關鍵之所在。

某變電站所地處昆明市南部，場地西南側的滇池是區域內主要的地表水體，距擬建場地約3公里。整個變電站都是軟基，基底為厚度不等的淤泥和淤泥質粘土，如不作任何處理，顯然滿足不了上部填土沉降和穩定性的要求，需進行以提高承載力和控制沉降為目的的地基改良處理；但如果采用其他方法或全部換填，則工期較長，造價太高。經過技術經濟綜合比較，最后選定振沖碎石樁為本項目改良地基的最優方案，以提高地基承載力，減少地基的沉降量和差異沉降量。

1 場地工程地質條件

該變電站位于昆明市南部菜地上。場區內上覆地層為第四系全新統人工填土層（Q4ml）,即①大層；第四系全新統湖沼相沉積層（Q4l+h），即②大層；第四系全新統湖相沉積層組成（Q4l），即③大層。場區內地下水主要靠降雨和滇池水滲透補給，水量較豐富，水位埋藏較淺，穩定的地下水位在地面下0.2～0.4米，地下水類型為潛水，主要含水層為泥炭質土及粉土。場地地下水主要受大氣降水補給和小清河水補給，以滲流或者地表徑流的形式排泄入小清河，然后匯入滇池。

影響最大的不良地層是在整個場地范圍內地表下2米左右局部分布有淤泥透鏡體和地表下約5～10米分布的第四系泥炭，含腐爛、半腐爛的植物根莖，一般呈軟塑～流塑狀態，土質軟弱，孔隙比大，壓縮性高，平均厚度約4.5米。地層時代較新，承載力較低，屬于高～中靈敏性土。附加壓力較大時，厚層軟土會產生較大的固結沉降變形，對工程影響較大。

②11淤泥：褐灰、灰色，流塑狀態，濕，高壓縮性，孔隙大，切面稍光滑,無搖振反應，干強度中等，韌性中等，含少量有機質。該層土層厚0～1.4米，呈透鏡體分布于②1 層中。

②2泥炭：黑褐、褐灰、深灰色，軟塑～流塑，飽和，超高壓縮性，孔隙較大，切面粗糙,無搖振反應，干強度低，韌性差。含有大量未炭化的腐植物，有機質含量47.0～79.3%，平均64.8%。該層土層頂埋深5.4～6.1米，層厚4.1～4.9米；標貫試驗錘擊數2～4 擊，平均2.9 擊。

③11泥炭質土：褐灰、黑灰色，軟塑狀態，飽和，高壓縮性，切面粗糙,無搖振反應，干強度低，韌性差。有機質含量13.2～63.7%，平均26.8%，局部為泥炭。該層土層厚0～2.3米；標貫試驗錘擊數2～3 擊，平均2.5 擊，呈透鏡體分布于③1 層中。

據土的物理力學指標并經多次驗算，淤泥質粘土之上填方高度為5米左右，變電站設備對不均勻沉降要求較高，若不對軟土地基進行加固處理，勢必產生較大的不均勻沉降，地基土還可能沿淤泥質土軟弱面產生剪切滑動，造成高填方滑動破壞，要保證整個變電站區填方土體的整體穩定，必須對軟土進行加固。

2 振沖碎石樁加固機理

由于泥炭、泥炭質土屬飽和軟土，碎石樁起著置換軟土的作用。對于軟弱層不太厚的情況，樁端可以直接作用于下部堅硬土層，此時復合土層中的樁體在荷載作用下會產生應力集中，由于樁體的壓縮模量遠比軟弱土大，所以通過基礎傳給復合地基的外加壓力隨著樁、土的等量變形會逐漸集中到樁上上去，從而，復合地基的承載力明顯提高，壓縮性顯著降低。如果軟弱層厚度較大，樁體也可不貫穿整個軟弱土層，軟弱土層只有部分厚度轉變為復合土層并起著墊層的作用，將荷載引起的應力向四周橫向擴散，使應力分布趨于均勻，從而提高地基整體的承載力，將少沉降量。

在振沖制樁過程中，由于振動、擠密、擾動等作用，盡管地基土中會出現較大的附加空隙水壓力，但隨著時間的推移，原地基土的結構強度有一定程度的恢復，孔隙水壓力逐漸向樁體轉移消散，其結果是有效應力增大，顆粒結構重新排列，形成比較穩定的顆粒接觸關系，空隙數量顯著減少，土的結構趨于致密，穩定性增強，強度不斷增大。

碎石樁在地基中還起到豎向排水通道和提高地基抗滑移能力的作用，大大縮短了孔隙水的水平滲透途徑，促進了土中空隙水壓力的消散，提高了飽和粘性土排水固結的能力，使沉降穩定加快。

3 復合地基設計與施工

3.1 基本原則

3.1.1 復合地基設計方案既要經濟上合理，又要技術上可行，應采取既防軟土沉降，又防軟土剪切下滑的綜合治理方案；有針對性地對軟土進行處理，使經濟效益更加顯著。

3.1.2 為最大限度地保證變電站填方工程的穩定性，處理后的地基土在高荷載作用下，其安全系數應不低于1.25.

3.1.3 樁位布置和間距：對于大面積軟土地基，樁位布置宜采用正三角形或正方形布置，樁的中心間距的確定應考慮上部填土荷載的大小、淤泥質粘土的強度。如果荷載大、軟基強度低，則樁間距應小一些，打不到硬層的短樁，其間距應更小。本工程樁間距：建筑物下面是振沖碎石樁和預制管樁現結合，碎石樁的撞見中心距為3m；建筑外的場地部分碎石樁中心距為1.5m。

3.1.4 樁體材料選用粒徑為20～50mm（最大粒徑小于80mm）的碎石；樁的直徑與淤泥質土的強度密切相關，經驗算其間距確定為0.5m。復合地基的承載力標準值fsp,k 按下式推算：

fsp,k=[1+m(n-1)]fs,k(1)

式中：fs,k為樁間土的承載力標準值，取fs,k=80kPa；

m 為面積置換率，m=d2/d2c=d2/(1.5s)2=0.49；

n 為樁土應力比，按規范推薦的經驗值取n=3。

因此，fsp,k=158.4 kPa。

3.1.5 宜在現場進行制樁試驗和必要的測試工作，如荷載試驗、樁頂與土面的應力測定、瑞利波波速測定等，提供設計、施工所需的各項參數值，使設計方案更加切合實際。

3.2 設計方案

變電站圍墻內尺寸為90x44=3960m2，整個地基處理范圍為圍墻外擴5m 的范圍，共5400 m2，站內有一幢三層的綜合樓，占地約1270 m2。綜合樓基底下振沖碎石樁加固軟土地基并采用預制管樁基礎，碎石樁樁中心間距1.5m，直徑0.5m，呈正方形布置，樁底打入②3粉土或③1 粘土層深度不小于1.0m，綜合樓以外的部分地基處理采用樁中心間距1.5m，直徑0.5m 的真沖碎石樁呈正方形布置如圖1。

圖1 振沖碎石樁平面布置圖

3.3 施工技術要求

3.3.1 振沖碎石樁

3.3.1.1 通過實踐證明，用振沖碎石樁加固機場高填土軟弱地基，具有較好的技術效益：經加固處理的地基土的壓縮模量、承載力基本值均顯著增長；實測地基最大沉降量為35.8mm，與理論計算值36.54mm 相吻合，達到了提高地基承載力、減少地基土沉降量和差異沉降量、加速沉降穩定時間的目的，加固效果甚佳。

3.3.1.2 與軟土換填、鉆孔灌注樁等處理方法相比，用振沖碎石樁加固軟土地基，具有養護時間短、對周圍建筑影響小、施工方便、安全可靠，無需基坑支護，節約材料、避免大量土方換填，加固費用低、可大大縮短工期等優點。為上部拉筋土擋墻和高填方施工贏得了時間，節約投資約500 余萬元，創造了良好的經濟效益和社會效益。

3.3.1.3 復合地基必須同時滿足承載力和沉降量兩個方面的要求，但沉降量和差異沉降量的控制是問題的關鍵。在滿足承載力要求的前提下，合理確定樁的間距，適當增大復合地基的沉降量，并將其控制在一定的范圍內，這樣既可保證高填土的安全，又可縮短工期，降低工程費用。

（1）振沖碎石樁施工工藝流程為：振沖器就位→振沖成孔→清孔→提出振沖器→向孔內填料→下落振沖器振實填料→重復作業直至完成。碎石樁孔內填料方式應按照如下要求進行：即把振沖器提出孔口，網孔內倒入約1m 堆高的填料，然后下降振沖器使填料振實。對上部低強度軟弱層，應進行加料初振，使石料擠入周圍軟土中形成護壁，防止塌孔。

（2）樁的施工順序一般采用“由里向外”或“由一邊推向另一邊”的方式，禁止采用“由外向里”的方式制樁。加料不宜過猛，遵循“少吃多餐”的原則進行加料。

（3）振沖碎石樁邊施工，邊由填方隊填滿30～50cm 碎石，以保護樁頂面不被破壞。

（4）復合地基的設計承載力要求達到158 kPa 以上，單樁承載力要求達到300 kPa 以上。

3.3.2 對填土設計和施工的要求

3.3.2.1 變電站填方區高度達到7m，其填料又為若膨脹土，因此，填方施工除嚴格進行分層夯實外，同時應遵循膨脹土設計和施工的設計原則和施工技術要求。

3.3.2.2 軟土地基上填土速度應按照以下要求嚴格控制：軟土地段沿地界縱向每隔15m 于坡腳外2m 及10m 處設置觀測樁，填高小于10m 時，每周觀測1 次，填高10～15m 時每2d 觀測1 次，填高大于15m 時每天觀測一次，異常情況應及時觀測、分析。當觀測樁每天水平位移不大于20mm、豎向位移不大于15mm，認為是安全的，可以繼續填土，否則應放慢填土速度或停止填土一段時間，待位移小于上述值且穩定后在繼續填筑。

3.3.2.3 軟基地段地表在碎石樁施工過程中滿填30cm 厚的砂卵石，起到穩定軟土和透水作用。

3.3.2.4 樁體施工完畢后按照每300 根樁隨機抽樣一根（但每處不得少于3 根）的原則進行單樁復合地基荷載試驗或瑞利波波速測試。

3.3.3 對填方邊坡、地表排水等的要求

3.3.3.1 靠近南湖地段的填方坡腳，在百年水位加波浪襲擊高加安全高0.5m 及以下部分，設置腳墻基礎和干砌片石護坡。

3.3.3.2 因軟土地基處理范圍大，因此在進行軟基施工前，必須做好地表排水系統工程和盲溝工程，攔截地表水。如有井水露出地段，不得采用堵塞，而應做好支撐滲溝引排。

3.3.3.3 軟基處理工程是基于地界以上按1：2 坡率至設計高程而設計的，設計中已考慮一定的偏差（即整個坡面），但今后填方坡頂如果偏差超過10m 時，其安全系數小于1.20，因此，必須另外增加工程措施進行加固。

經加固處理后，可提高地基土的壓縮模量、承載力基本值，從而達到提高地基承載力、減少地基土沉降量和差異沉降量、加速沉降穩定時間從而縮短工期的目的。

[1]盧肇鈞等《地基處理新技術》中國建筑工業出版社，1989

[2]曾國熙《地基處理手冊》中國建筑工業出版社，1988