預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在變電站中的應(yīng)用

吳鵬，叢培瑞

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆瑵?jì)南250013）

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在變電站中的應(yīng)用

吳鵬，叢培瑞

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆瑵?jì)南250013）

由于某220 kV變電站建設(shè)工期十分緊張，而通常采用的水泥土攪拌法地基處理工期過(guò)長(zhǎng)，設(shè)計(jì)方案采用了預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)。采用樁基規(guī)范中經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法進(jìn)行初步設(shè)計(jì)估算，結(jié)合試樁及工程樁檢測(cè)結(jié)果，論證方案的可行性；同時(shí)比較經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法估算的單樁豎向承載力特征值與實(shí)測(cè)結(jié)果的差異，提出對(duì)于小直徑短樁在使用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法計(jì)算時(shí)相關(guān)參數(shù)選取的建議。

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁；變電站；經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法

0 引言

山東省內(nèi)某220 kV變電站工程地質(zhì)條件較差，地基土承載力不高，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，不能使用天然地基。針對(duì)變電站的工程特點(diǎn)，結(jié)合工程地質(zhì)條件，通常選用復(fù)合地基——水泥土攪拌法進(jìn)行地基處理，但由于工期非常緊張，須優(yōu)先采用工期更短的地基處理方案，經(jīng)綜合分析，采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)條件及初步設(shè)計(jì)

1.1 地質(zhì)條件

耕植土（①）：松散，稍濕，含大量植物根系。揭露厚度為0.30～1.00 m，層底埋深為0.30～1.00 m，相應(yīng)層底高程為16.99～17.80 m。

黃土狀粉土（②）：中密，濕，局部夾粉細(xì)砂薄層，有蟲孔。揭露厚度為0.50～4.10 m，相應(yīng)層底高程為11.29～16.95 m，fak（地基承載力特征值）＝110 kPa。

黃土狀粉質(zhì)粘土（②-1）：濕，可塑-堅(jiān)硬狀態(tài)，具大孔隙。揭露厚度為0.70～4.30 m，相應(yīng)層底高程為13.45～16.03 m，fak＝110 kPa。

黃土狀粉質(zhì)粘土（②-2）：很濕，軟塑-可塑狀態(tài)，具大孔隙。揭露厚度為0.70～2.70 m，相應(yīng)層底高程為10.59～12.60 m，fak＝90 kPa。

粉細(xì)砂（②-3）：松散，濕-飽和。揭露厚度為0.50～1.10 m，相應(yīng)層底高程為13.61～14.72 m，fak＝90 kPa。

粉質(zhì)粘土（③）：很濕，可塑-硬塑狀態(tài)，混少量姜石，局部含有鐵質(zhì)銹斑。揭露厚度為0.70～5.50 m，相應(yīng)層底高程為5.84～9.21 m，fak＝140 kPa。

粉土（③-1）：中密，很濕，混少量姜石。揭露厚度為0.70～4.00 m，相應(yīng)層底高程為6.11～10.38 m，fak＝150 kPa。

粉質(zhì)粘土（④）：很濕，可塑-硬塑狀態(tài)，混大量姜石及粗砂顆粒。本次勘測(cè)未揭穿該層，最大揭露厚度6.80 m，fak＝170 kPa。

粉土（④－1）：中密－密實(shí)，很濕，混少量姜石。揭露厚度為0.60～4.40 m，相應(yīng)層底高程為4.00～7.18 m，fak＝150 kPa。

粉細(xì)砂（④－2）：稍密－密實(shí)，飽和。本地層僅部分孔內(nèi)有揭露，揭露厚度為0.50～1.45 m，相應(yīng)層底高程為－0.07～5.85 m，fak＝160 kPa。

1.2 管樁選擇

根據(jù)對(duì)擬建站址區(qū)的地層巖性、分布、層厚、埋深和各層土的物理力學(xué)性質(zhì)的綜合分析，站址區(qū)深度為10～15 m，無(wú)理想的樁端持力層，樁基礎(chǔ)方案可按摩擦樁考慮。

為滿足工期要求，考慮施工方便，盡量不接樁，且采用小直徑樁，樁型選自標(biāo)準(zhǔn)圖集，易于購(gòu)買且壓樁所用的液壓機(jī)具市場(chǎng)存量較多。經(jīng)初步分析，變電站內(nèi)建構(gòu)筑物層高較低，荷載不大，采用小直徑短樁可滿足要求。

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁是近年來(lái)出現(xiàn)的新型預(yù)制樁，是一種采用離心成型的先張法預(yù)應(yīng)力管樁，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)不低于C80，單樁承載力相對(duì)較高，用料較省［1］。該樁身的質(zhì)量穩(wěn)定可靠，樁身強(qiáng)度等級(jí)較高，穿透力極強(qiáng)，能夠在極其惡劣的施工環(huán)境下保持完好無(wú)損，大大減少了裂樁、斷樁等事故的發(fā)生［2］。因此，初步確定采用直徑300 mm的預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁，壁厚70 mm，預(yù)應(yīng)力鋼筋6φ9，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C80，敞口樁，樁型選自山東省建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》［3］中PHC－AB300（70）。樁長(zhǎng)11 m（樁端持力層為較硬土層④、④－1或者④－2，進(jìn)入深度大于2d，d為樁徑），無(wú)需接樁。

1.3 豎向承載力估算

按JGJ94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［4］5.3.8條，采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法確定PHC管樁的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk：

式中：Qsk為極限側(cè)摩阻力；Qpk為極限端阻力；u為樁身周長(zhǎng)；li為樁穿過(guò)第i層土的厚度；qsik為第i層樁的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qpk為樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Aj為空心樁樁端凈面積，本工程取50 579 mm2；Ap1為空心樁敞口面積，本工程取20 106 mm2；λp為樁端土塞效應(yīng)系數(shù)，本工程取λp＝0.8。

根據(jù)JGJ94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［4］表5.3.5－1和表5.3.5－2，綜合確定樁長(zhǎng)范圍內(nèi)各層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik和極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk列于表1中。由于經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法中各參數(shù)取值規(guī)范建議為區(qū)間，且最小值和最大值相差較大，為確保工程安全，取區(qū)間中較小值，然后采用樁基試驗(yàn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。土層厚度取自巖土工程勘察報(bào)告。

根據(jù)上表各參數(shù)取值，計(jì)算各勘探鉆孔單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值列入表2。

表1 單樁豎向承載力估算相關(guān)參數(shù)取值

表2 單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值kN

根據(jù)JGJ94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［4］5.2.2條，單樁豎向承載力特征值，其中K為安全系數(shù)，取值為2，分別計(jì)算各建構(gòu)筑物區(qū)域單樁豎向承載力特征值如下：

生產(chǎn)綜合樓：584.6÷2＝292.3（kN）

主變壓器：586.6÷2＝293.3（kN）

220 kV配電裝置樓：564.5÷2≈282.3（kN）

生產(chǎn)綜合樓和主變壓器采用筏形承臺(tái)板，220 kV配電樓基礎(chǔ)采用柱下獨(dú)立樁基承臺(tái)。按常規(guī)估計(jì)生產(chǎn)綜合樓的最大豎向力為100 000 kN，1臺(tái)主變基礎(chǔ)下最大豎向力為5 000 kN，220 kV配電樓每個(gè)柱下承臺(tái)的最大豎向力為1 300 kN。估算各建構(gòu)筑物基礎(chǔ)下需要樁數(shù)量如下所示。樁的數(shù)量進(jìn)位取整數(shù)：

生產(chǎn)綜合樓：100 000÷292.3≈343

主變壓器（1臺(tái)主變）：5 000÷293.3≈18

220 kV配電樓（單個(gè)柱下承臺(tái)）：

1 300÷282.3≈5

按JGJ94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［4］3.3.3條，樁間距應(yīng)大于規(guī)范中規(guī)定的擠土樁最小中心間距。按此要求，生產(chǎn)綜合樓下最多可布置約550根樁，主變壓器下約32根，220 kV配電樓單個(gè)柱下平臺(tái)約8根。

根據(jù)單樁豎向承載力估算結(jié)果，采用小直徑短樁可以滿足變電站內(nèi)建構(gòu)筑物的荷載要求。

1.4 水平承載力驗(yàn)算

按JGJ94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［4］5.7.2條，估算PHC管樁的水平承載力特征值

式中各計(jì)算參數(shù)根據(jù)規(guī)范規(guī)定取值，樁頂允許水平位移取6 mm，計(jì)算得Rha＝14.7 kN。

根據(jù)單樁豎向承載力確定各建構(gòu)筑物所需要的最小樁數(shù)。生產(chǎn)綜合樓共343根樁，220 kV配電裝置樓共26根框架柱，每根柱下5根樁，合計(jì)130根樁。則每棟建筑物下樁基礎(chǔ)的水平承載力分別為

生產(chǎn)綜合樓：343×14.7＝5 042.1（kN）

220 kV配電裝置樓：130×14.7＝1 911（kN）

建筑物水平荷載主要是風(fēng)荷載和導(dǎo)線張力，生產(chǎn)綜合樓風(fēng)荷載約為588kN，水平導(dǎo)線張力為63kN，共計(jì)651 kN；主變壓器風(fēng)荷載可忽略不計(jì)；220 kV配電裝置樓風(fēng)荷載為297kN，水平導(dǎo)線張力為200kN，共計(jì)497 kN。

樁的水平承載力遠(yuǎn)大于建筑物水平荷載，基礎(chǔ)下管樁的數(shù)量由單樁豎向承載力控制。

1.5 試樁結(jié)果

根據(jù)單樁豎向承載力及水平承載力試算結(jié)果，選用11 m小直徑短樁PHC－AB300（70）完全可以滿足本工程建構(gòu)筑物荷載的要求。

根據(jù)試算結(jié)果，選用PHC－AB300（70）在變電站內(nèi)選擇合適的場(chǎng)地進(jìn)行樁基試驗(yàn)，采用單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)單樁豎向抗壓極限承載力。

經(jīng)檢測(cè)，試樁單樁豎向承載力特征值為330 kN，采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法估算單樁豎向承載力特征值平均值為289.3 kN。實(shí)測(cè)單樁豎向承載力特征值與估算值基本吻合，僅略有提高。可見(jiàn)，對(duì)于小直徑短樁，按規(guī)范中經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法估算單樁豎向承載力時(shí)，對(duì)于樁的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值及極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值的選取，應(yīng)取規(guī)范推薦區(qū)間中的較小值。

2 工程檢驗(yàn)

根據(jù)試樁報(bào)告結(jié)果進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，施工完成后，抽檢265根樁進(jìn)行低應(yīng)變檢測(cè)，以檢測(cè)樁身缺陷，判定樁身完整性類別，檢測(cè)結(jié)果265根全部為I類樁。在工期如此緊張的情形下，施工質(zhì)量?jī)?yōu)良，表明預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工質(zhì)量易于控制。

此外，選取47根工程樁進(jìn)行高應(yīng)變檢測(cè)，用以檢測(cè)樁身完整性及單樁豎向承載力特征值能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。生產(chǎn)綜合樓區(qū)域、主變區(qū)域及220 kV配電裝置樓區(qū)域單樁豎向承載力特征值分別為318 kN、306 kN、310 kN，均可滿足設(shè)計(jì)要求。將實(shí)測(cè)結(jié)果與估算結(jié)果列表比較，以進(jìn)一步驗(yàn)證估算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表3 單樁豎向承載力特征值結(jié)果比較

表3顯示，實(shí)測(cè)單樁豎向承載力特征值基本與估算值基本吻合，僅略有提高，為估算值的104%～110%不等。估算結(jié)果較為準(zhǔn)確。

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工時(shí)間為試驗(yàn)樁檢測(cè)、施工、靜止穩(wěn)定、檢測(cè)及報(bào)告的時(shí)間之和，即20＋10＋15＋10＝55（天）。水泥土攪拌法地基處理施工時(shí)間為設(shè)計(jì)前室內(nèi)配比試驗(yàn)、攪拌樁施工、穩(wěn)定、檢測(cè)及報(bào)告的時(shí)間之和，即30＋20＋28＋10＝88（天）。采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)節(jié)約工期約33天。采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁方案，地基處理費(fèi)用約為61.3萬(wàn)元；建設(shè)規(guī)模與本工程相同項(xiàng)目，采用水泥土攪拌樁處理方案，地基處理費(fèi)用約為61.8萬(wàn)元。

從工程質(zhì)量控制、工程造價(jià)、施工工期控制等方面，均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，取得了良好的效果。

3 結(jié)語(yǔ)

變電站內(nèi)建構(gòu)筑物荷載較低，采用小直徑預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，施工方便，無(wú)接樁，施工質(zhì)量易控制，可滿足變電站地基處理要求。

對(duì)于小直徑短樁，試樁前采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法估算單樁豎向承載力時(shí)，計(jì)算參數(shù)應(yīng)采用規(guī)范中推薦區(qū)間中的較小值，單樁豎向承載力特征值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本吻合，略偏于安全。

［1］張連濤.預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁施工技術(shù)［J］.科技創(chuàng)業(yè)家，2011（1）：15－16.

［2］張正恩，邵解放.預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的數(shù)值分析［J］.企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2011，30（4）：63－65.

［3］L06G407預(yù)應(yīng)力混凝土管樁［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

［4］JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

Application of Pre-stressed Concrete Pipe Pile in a Substation

WU Peng，CONG Peirui
（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Corp.，Ltd，Jinan，250013，China）

Because of the short construction period of a 220 kV substation and the fact that the construction period of the cement-soil deep mixed columns method is too long，pre-stressed concrete pipe pile is adopted in the design scheme.Feasibility of pre-stressed concrete pipe pile is demonstrated by preliminary estimate of the bearing capacity of single pile with the empirical coefficient method in“technical code for building pile foundations”and the combination with the testing results of test pile and engineering pile.Meanwhile，suggestions on the choice of relevant parameters which are used in calculation of small diameter short pile with the experience parameter method are proposed by comparing differences between characteristic value and testing result of vertical bearing capacity estimated with the empirical coefficient method for the single pile.

pre-stressed concrete pipe pile；substation；empirical coefficient method

TU473.1+3

B

1007-9904（2015）05-0064-04

2015－01－23

吳鵬（1979），男，工程師，主要從事變電工程土建設(shè)計(jì)工作；

叢培瑞（1983），男，工程師，主要從事變電工程土建設(shè)計(jì)工作。