某變電站沉降原因分析及微型樁托換加固設計

孫川，魏煥衛*，王建強，陳朝偉

(1.山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南 250014；2.山東建和土木工程咨詢有限公司，山東 濟南 250101)

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某變電站沉降原因分析及微型樁托換加固設計

孫川1，魏煥衛1*，王建強1，陳朝偉2

(1.山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南 250014；2.山東建和土木工程咨詢有限公司，山東 濟南 250101)

建筑物地基基礎不均勻沉降嚴重威脅著建筑物的質量與安全，采取有效的措施對建筑物地基基礎進行加固處理是有效減少不均勻沉降事故發生的前提和基礎。文章基于某220 kV變電站發生不均勻沉降的工程實例，針對該工程實際地形條件，通過對沉降觀測數據進行分析，闡述了造成該變電站基礎不均勻沉降和傾斜的主要原因，基于變形控制的原則，采用二次注漿微型樁托換加固技術對變電站進行加固方案設計，并對加固前后內應力變化進行對比分析。

不均勻沉降；微型樁托換；加固設計；強度驗算

0　引言

目前，越來越多的地基工程需要進行大面積回填，但由于回填土性質不穩定，夯實不夠密實，很可能造成建筑物地基基礎不均勻沉降，甚至會影響建筑物的正常使用質量及使用壽命，嚴重的會造成建筑安全事故。故需對該類工程進行有效的地基基礎加固處理，確保工程的安全性。常見的地基基礎加固技術有樁式托換、灌漿加固以及基礎加深加寬等。其中微型樁托換加固技術作為地基基礎加固處理的一種常見方式，以其承載力高、托換后沉降量小、施工方便快捷等優勢，在實際工程中有效減小建筑物基礎沉降方面具有舉足輕重的作用。其原理為利用微型樁托換加固技術將上部較大荷載傳遞到下部堅硬土層，從而達到地基基礎加固的目的[1-3]。目前許多學者和工程研究人員均對微型樁托換加固技術在不同方面的應用進行研究。李湛等通過相關工程實例，提出既有建筑加固工程的微型樁托換技術[4]；魏煥衛等基于變形控制的原理，提出了既有建筑物微型樁托換加固荷載的理論計算方法[5]；王巖秋等根據大量試驗研究成果，結合現場靜載試驗，提出勁型嵌巖微型樁在豎向荷載作用下的承載性狀[6]；閆金凱等通過一系列模型實驗，研究了微型樁加固滑坡體的承載機理、受力以及破壞模式[7]。文章通過分析某220 kV變電站基礎不均勻沉降的原因，考慮采用二次注漿微型樁托換技術對該變電站地基基礎進行加固設計。

1　工程概況

220 kV變電站位于淄川地區，主體采用磚混結構，基礎形式為柱下條形基礎，基礎寬度3.0 m，基礎埋深1.5 m。在該變電站周圍均勻布置8個沉降觀測點(如圖1所示)，通過觀察沉降數據，發現建筑物各沉降觀測點均發生不同程度的沉降，且沉降值大部分已超出規范要求，為了防止沉降繼續增加，影響變電站的正常工作，需對該變電站地基基礎進行加固處理。

圖1　加固基礎平面布置圖/mm

該變電站所處工程場地地勢起伏較大，地面標高最大值為125.42 m，最小值為110.80 m，地表相對高差為14.82 m。根據該場地勘測報告知，揭露深度范圍內的地層自上而下分為3層：(1) 風化巖碎屑為主的松散層雜填土，厚度為0.8～4.5 m，平均2.30 m；(2) 層強風化細砂巖，厚度為1.40～3.60 m，平均2.32 m；(3) 巖芯呈柱狀、短柱狀層中風化細砂巖，最大揭露厚度為5.50 m。相應位置的工程地質剖面如圖2所示。

圖2　場地工程地質剖面回填圖/mm

2　沉降現狀及原因分析

2.1沉降現狀分析

為了保證220 kV變電站安全投入使用，該變電站建設前期，在施工現場均勻布置了8個沉降觀測點，從3月份開始對該變電站進行沉降觀測。通過觀察分析該變電站8個觀測點的沉降觀測數據(見表1、2)，繪制出沉降觀測曲線圖以及沉降速率變化圖(如圖3、4所示)，發現各個觀測點均有不同程度的沉降，其中4號觀測點沉降量最大，其值為87 mm。由表2可以看出，建筑物局部傾斜中，部分傾斜已超過JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》[8]中的相關規定。由圖3、4可以看出，各個觀測點的沉降量在4、5月份基本不變，從6月份開始沉降量有所增加，但變化不大，沉降速率相對緩慢；隨著雨季的來臨，沉降量大幅增加，沉降速率急劇增快，8月中旬左右，沉降量發生突變。由于沉降量過大，并已超出規范要求，故需對該變電站基礎進行加固處理，以控制基礎不均勻沉降，從而保證變電站安全正常運行。

表1　建筑物各觀測點沉降觀測值

表2　建筑物局部沉降差及傾斜

圖3　沉降觀測曲線圖

圖4　沉降速率變化圖

2.2沉降原因分析

(1) 填土沉降

由于該變電站所屬區域需大面積回填，而回填土為挖方區的風化細砂巖，經分層夯實后，性質相對較穩定，但一經降雨，雨水將迅速滲入填土，填土中的細小砂石顆粒發生相對滑動，降雨較大時甚至將造成砂石顆粒流出，因而導致基礎產生沉降。由于該區域填土面積廣、深度大，因此填土沉降是該地基基礎產生不均勻沉降的主要原因。

(2) 邊坡側移

由于該建筑物建設場區位于邊坡，而邊坡土體常表現出非均質性與各向異性等特性，在地基開挖、降雨等其他外部條件作用下較易發生大變形甚至失穩滑動[9]，因此邊坡側移問題是造成地基基礎沉降的另一個原因。在邊坡周圍建設建筑物，會使邊坡產生側移，而邊坡側移將導致基礎沉降。

3　微型樁托換加固方案設計及分析

3.1加固原則

由該變電站沉降現狀分析可知，造成整個建筑物基礎沉降的主要原因為填土沉降及邊坡側移。由于變電站對儀器設備精度要求較高，過大的不均勻沉降將導致變電站儀器設備無法正常使用，而且根據沉降觀測數據可知，各觀測點沉降值還在繼續增加，為了保證后期設備安裝工程順利進行以及儀器設備安全投入使用，必須對地基基礎進行加固處理。

3.2加固方案對比分析

3.2.1灌漿加固

該變電站加固前期采用灌漿加固方法對該地基基礎進行加固處理，但由于該基礎完全由碎石填充，砂石顆粒間的孔隙較大，對于漿液的流向難以控制。同時運用灌漿加固方法對該變電站進行加固處理，灌漿量太大，將導致地基中的細小砂石顆粒被沖走，進而使基礎產生沉降。這兩方面原因導致建筑物在使用灌漿加固方法進行加固處理后轉角處沉降量反而增大，并且灌漿加固法不能有效控制地基基礎因邊坡側移而產生的沉降。因此，采用灌漿加固法不能達到有效控制沉降的目的。

3.2.2微型樁托換加固

由于整個建筑物結構采用框架柱下條形基礎，其最大特點為單根柱子所受荷載較大，其中柱子所受最大荷載為2664 kN。從控制沉降的角度考慮，可采用微型樁托換加固的方法對建筑物基礎進行加固處理。利用微型樁進行托換加固，一方面將部分上部荷載通過微型樁傳遞到下部較堅硬巖層，減少沉降，而且將減少地基中細小顆粒流失現象的發生，從而可以充分發揮原有地層的作用。另一方面，由于該建筑物本身建在邊坡上，邊坡側移也將造成基礎沉降。而微型樁托換加固技術通過設置微型樁形成小型的群樁基礎，不僅加固基礎，同時對邊坡也起到了一定的加固效果，從而控制邊坡側移。因此采用微型樁托換加固技術對該地基基礎進行加固處理是最佳方案。

3.3微型樁托換加固設計計算

3.3.1微型樁的設計計算

(1)微型樁單樁豎向承載力的確定

為了使設計計算結果更為安全準確，分別從不同的方面考慮單樁豎向承載力的計算，從樁的類型以及樁身材料強度方面進行分析，為了保證設計施工安全，取其中的最小值進行托換樁的設計。

根據JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》[10]、GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》[11]、GB 50010—2002《混凝土結構設計規范》[12]等相關規范，按嵌巖樁、端承樁以及材料強度三種情況分別計算單樁豎向承載力。

Qu=∑uqsikli+ζrfrkAP

(1)

Ra=qpaAp+u∑qsiali

(2)

Q≤Apfcψ

(3)式中：u為樁身周長，m，取0.69 m；qsik為樁周第i層土的極限側阻力，kPa；li為樁周第i層土的厚度，m；frk為巖石飽和單樁抗壓強度標準值，kPa；Ap為樁端面積，m2，這里取0.04 m2；ζr為樁嵌巖段側阻和端阻綜合系數，這里取0.90。qpa為樁端阻力特征值(kPa)；Q為相應于荷載效應基本組合時的單樁豎向力設計值，kN；fc混凝土軸心抗壓強度設計值，N/mm2，這里取14.3 N/mm2；ψc工作條件系數，取0.65。

其計算結果列于表3。

表3　微型樁單樁豎向承載力計算

由以上計算結果比較可知，單樁豎向承載力為其中的最小值，因此取值為281.86 kN。

(2)微型樁樁數計算

通過分析該變電站柱子上部荷載圖，發現不同部位柱子所受荷載情況差別較大，因此對受荷載較大的柱子進行微型樁托換加固，以減少基礎沉降。下面選取3個典型部位的柱子，包括邊柱、角柱、中柱(如圖5) ，進行柱下條形基礎的加固設計，并考慮微型樁單樁豎向承載力可以發揮至其極限承載[13]，按式(4)初步估計樁數

Fk+Gk≤nQu+ηcfspkAsp

(4)

式中：Fk為上部結構和使用荷載的標準組合值，kN；Gk為基礎重量，kN；n為樁數；Qu為單樁豎向承載力的極限值，kN；fspk為復合地基承載力特征值，kPa，取160 kPa；Asp為樁間復合地基的面積，m2；ηc為樁基承臺效應系數，這里取0.5。

按上述公式分別計算不同位置的柱子加固所需微型樁的數量，計算結果見表4

圖5　柱子位置示意圖

柱子荷載標準值/kN荷載基本值/kN樁數/個-A5286752-B2463122-C251031246

3.3.2承臺的設計計算

承臺的作用是把各個微型樁聯結成一個整體，從而將上部結構傳來的荷載進行轉換、調整并分配于各個微型樁。該變電站單根柱子所受的荷載較大，只采用兩個U型植筋連接新增承臺與原有基礎不能滿足強度要求，因此需要增加橫向鋼筋連接原基礎梁與新增承臺，與植筋共同承擔剪切破壞(如圖6、7)。

圖6　U型植筋示意圖(a)平面圖；(b)剖面圖

圖7　微型樁托換加固示意圖(a)平面圖；(b)剖面圖

取原基礎梁與新增承臺相接觸的面為計算截面，通過式(6)、(7)分別進行承臺的剪切、沖切計算[13]。

V≤βhsβftb0h0

(6)

Fl≤βhpβ0umfth0

(7)

經驗算，新增承臺及微型樁強度均滿足設計規范的相關要求。增加的橫向鋼筋不僅加強了新增承臺與原基礎梁之間的連接，保證承臺的抗剪切能力，同時也使微型樁達到極限承載能力，充分發揮微型樁的作用。

3.3.3微型樁托換加固前后的內力分析

為了確保微型樁托換加固方案實施后，能有效控制該變電站地基基礎不均勻沉降現象，分別對加固前后的基礎梁進行內力分析。常見的柱下條形基礎內力計算方法有：彈性地基梁法、倒梁法、剪力平衡法[14]。由于該建筑物上部結構剛度較大，這里采用倒梁法計算基礎梁的內力[15]。

(1) 微型樁托換加固前后的內力分析

加固前，利用倒梁法，假設上部結構作用在柱子上的荷載完全由地基基礎承擔，以柱腳作為基礎梁的鉸支座，將基礎梁看成是地基反力作用在其上的多跨連續梁進行分析計算[16]。而加固完成后，假定基底凈反力由微型樁與樁間土共同承擔，其中假設微型樁達到單樁豎向極限承載力且作用為集中荷載，樁間土則以均布荷載形式承擔剩余荷載。通過分析，利用結構力學求解器分別求出加固前后基礎梁的計算簡圖、彎矩圖及剪力圖(如圖8、9所示)。

圖8　加固前基礎內力分析圖(a)計算簡圖/m；(b)彎矩圖/(kN·m)；(c)剪力圖/kN

圖9　加固后基礎內力分析圖(a)計算簡圖/m；(b)彎矩圖/(kN·m)；(c)剪力圖/kN

(2) 加固前后計算結果分析

通過表5、6加固前后基礎梁的內力對比分析可以看出，地基進行加固以后，柱腳所受彎矩、剪力基本減小，且約束反力也明顯減小，說明利用微型樁托換加固技術對該220 kV變電站地基基礎進行加固處理效果顯著。

表5　彎矩、剪力對比表

表6　加固前后約束反力對比表

4　結語

該220 kV變電站采用二次注漿微型樁托換加固技術進行地基基礎加固處理，對加固后的變電站進行一段時間的沉降觀測，發現沉降數值基本保持穩定，表明對該工程的沉降原因分析以及采用的加固方法是合理可行的。同時利用微型樁托換加固技術不僅解決了地基基礎沉降問題，也使周圍邊坡得到加固，進一步保障了地基基礎的穩定。

建筑物地基基礎加固方案多樣，通過不同加固方案的對比分析，可以發現，二次注漿微型樁托換加固法具有承載力高、施工簡單、所需場地小等優點，是一種經濟有效的方法。微型樁托換加固法結合工程的實際受力情況，利用U型植筋等將新增承臺、原有基礎及微型樁連接成整體，共同承擔上部較大荷載，從而有效控制沉降。該220kV變電站加固方

案的成功實施為今后該類工程加固方案的選擇提供了一定的理論技術支持。

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(學科責編：李雪蕾)

Study on causes of settlement and micro pile underpinning reinforcement design of a substation

Sun Chuan，Wei Huanwei*，Wang Jianqiang,etal.

(School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250014，China)

The foundation uneven settlement of buildings is a serious threat to the quality and safety of the buildings, and taking effective measures to reinforce the foundation of buildings is the premise and foundation to reduce the occurrence of uneven settlement. Based on the engineering case of a 220 kV substation uneven settlement, in view of the actual terrain conditions of the projecthe paper elaborates the main causes of uneven settlement and overall tilt of the foundation by analy settlement observation data. Based on consideration of settlement control, the two times of grouting micro pile underpinning reinforcement method is proposed for the building foundation reinforcement designand the changes of internal stress before and after reinforcement were analyzed.

settlement; micro pile underpinning; reinforcement design; strength checking

2016-3-11

國家自然科學基金項目(41272281)；山東省自然科學基金項目(ZR2012EEM016)

孫川(1992-)，女，在讀碩士，主要從事地基基礎與基坑支護新技術等方面的研究.E-mail:1071003085@qq.com

*魏煥衛(1974-)，男，副教授，博士，主要從事巖土工程共同作用和變形控制等方面的研究與教學等方面的研究.E-mail: 13181718169@163.com

1673-7644(2016)03-0283-06

TU996

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