220kV變電站膨脹土地基勘察與基礎方案研究

姚 穎，劉 濱

(四川省電力設計院，四川成都 610072)

廣西是我國典型的膨脹土分布地區之一，其中以百色等地區分布最廣。根據成因類型，廣西膨脹土主要分為三大類[2]。

A類：第三系湖相半成巖的泥巖、粉砂質泥巖及它們的風化物。其中泥巖及其風化形成的黏土，簡稱A1亞類；粉砂質泥巖及其風化形成的粉質黏土，簡稱A2亞類。

B類：碳酸鹽巖風化形成的殘坡積黏土(紅黏土)。其中以紅色為基色的簡稱B1亞類；以黃色為基色的簡稱B2亞類。

C類：第四系河流沖積黏土。其中以紅色或黃色為基色的簡稱C1亞類；以白色或灰色為基色的簡稱C2亞類。

膨脹土顆粒細膩，有滑感，在自然條件下成堅硬或硬塑狀態，裂隙發育，常見光滑面和擦痕，有的裂隙中充填灰白色、灰綠色黏土。膨脹土多分布于二級和二級以上階地或山前、盆地邊緣丘陵地帶，地形平緩，無明顯自然陡坎，常出現淺層滑坡和地裂，新開挖坑(槽)壁易發生坍塌。膨脹土地基上未設防治措施的低層砌體結構建筑物墻體常發生開裂，裂縫均隨氣候變化而變化，低層較多層嚴重。建筑物開裂多發生在旱季，裂縫寬度隨季節變化。

某220kV變電站位于百色地區，處于膨脹土廣泛分布區域，屬于A1類膨脹土，對其地基進行勘察與基礎方案研究對工程建設有重要的意義。

1 工程場地概況

1.1 場地地形地貌

區域地貌上工程區位于云貴高原東南緣、桂西山地與桂西南巖溶低山的交接山區。地形的基本特點是西高東低、南高北低，與區域構造基本協調。海拔一般在160～280m之間，沖溝發育，相對高差50～100m。變電站場地微地貌為丘陵緩斜坡，地形呈波狀起伏，場地相對高差約11.7m，整體地勢北東高南西低，地形平緩，無明顯陡坎，地表被第四系土層所覆蓋。

1.2 地層結構特征

根據現場鉆探成果，場地地基巖土主要為黏土及泥巖，現將地基巖土從上至下描述如下：

(1)第四系坡殘積(Q4el+dl)黏土：紅色、紅黃色，稍濕～濕，硬塑～可塑，混有5 %～20 %砂巖及泥巖塊碎石。砂巖、泥巖塊碎石直徑一般2～5cm，最大可達8cm，棱角狀～次棱角狀。該層部分為下第三系泥巖全風化，層厚0.7～7.60m。

(2)三疊系中統河口組第二段(T2h2)泥巖：泥質結構，泥質膠結，中層狀構造，節理裂隙較發育。局部夾薄層粉砂巖，粉砂質結構，薄層狀構造。產狀：38 °∠43 °。強風化為黃、灰黃色，巖石破碎，裂隙發育，裂隙面可見褐色鐵錳氧化物渲染，巖芯以碎塊狀為主，少量為柱狀。中等風化為淺灰、灰色，裂隙稍發育，巖芯多成柱狀，少量為塊狀。

1.3 地下水條件

站址區出露地下水主要以第四系孔隙水、基巖裂隙水為主，受大氣降雨及地表水補給，徑流、排泄條件受地形限制，其徑流途徑短，由高向低流動，在坎下、山腳、坡麓迅速排泄。無統一地下水面和含水層，季節性變化強，雨季水量稍大，旱季水量小甚至消失。受大氣降水補給，排泄于溝谷及地勢低洼處，對建(構)筑物基礎及基礎開挖影響較小。

2 膨脹土脹縮特性

2.1 地基土脹縮特性試驗

為了確定地基土的脹縮特性，從土樣中采取了6組進行了相關試驗，試驗結果見表1、表2。

2.2 地基土膨脹潛勢

根據GB50112-2013《膨脹土地區建筑技術規范》，膨脹潛勢分類由自由膨脹率決定。自由膨脹率為35.0 %～90.0 %，平均值為71.0 %，由此可定，該區域地基土膨脹潛勢為中等。

2.3 地基土脹縮等級

地基的脹縮等級根據地基分級變形量(豎向)進行分級，地基土(豎向)脹縮變形量S計算公式[2]如下：

S=Se+Ss

(1)

(2)

表1 土工試驗成果

表2 膨脹土工程特性指標

(3)

根據DB45/T 396-2007《廣西膨脹土地區建筑勘察設計施工技術規程》，百色地區的大氣影響深度取8 m，急劇層深度取2.7 m。場地覆蓋層厚度約4.0 m，下部為基巖，故此次計算深度按地表下4.0 m考慮?；A按尺寸為2×2 m的獨立基礎考慮，埋深2 m，基底壓力按150 kPa考慮，土體重度按19 kN/m3考慮。膨脹變形量計算結果見表3。

計算深度內，各土層的含水量變化值Δωi按直線法計算[2]：

(4)

Δω1=ω1-Ψwωp

(5)

表3 膨脹變形量計算

(當Δωi>ωi-ωsi時，取Δωi=ωi-ωsi)

式中：ω1、ωp為地表下1m處土的天然含水量和塑限含水量(以小數表示)；ωi、ωsi為基礎底面下第i層土的天然含水量和縮限含水量(以小數表示)；Ψw為土的濕度系數；Zi為基礎底面下第i層土的深度(自地表算起)(m)；Zn為計算深度，可取大氣影響深度(m)。

根據DB45/T396-2007《廣西膨脹土地區建筑勘察設計施工技術規程》，百色地區土的濕度系數Ψw取0.67，取地表下1.0m處的天然含水量ω1=0.196，塑限ωp=0.218，則Δω1=ω1-Ψwωp=0.05。收縮變形量計算結果見表4。

最終計算得出地基脹縮變形總量為56.9mm，地基脹縮等級為II級。此外，該區域膨脹土脹縮總率δxs為0.75 %～5.65 %，平均值3.75 %；相對膨脹率δxe50為0.20 %～2.20 %，平均值0.98 %，可定為中等脹縮土。

3 地基基礎方案及工程措施

3.1 地基基礎方案

根據場地巖土條件，結合百色地區類似工程經驗。本工程主要參數建議值見表5、表6。

表4 收縮變形量計算

表5 物理力學性指標推薦值一覽

表6 樁基參數一覽表

根據巖土分布和工程特點，可以采用天然地基淺基礎方案和樁基礎方案。淺基礎采用黏土或泥巖作天然地基持力層，基礎持力層性質較好，滿足上部荷載要求。但是局部地段覆蓋層厚度不均勻，同一建(構)筑物基礎避免置于不同巖土層上，整個場地均采用天然地基淺基礎施工難度較大。對于膨脹土需采取相應措施，以防止地基土脹縮變形引起建筑物開裂。若采用樁基礎，根據場地巖土條件，宜采用鉆(挖)孔灌注樁。綜合考慮施工難度和造價的前提下，對比樁基礎、天然地基淺基礎方案，并收集了百色地區建筑經驗，建議以天然地基為主，局部地段可采用樁基礎為輔。

3.2 地基處理措施

根據對膨脹土特性的試驗測試及地基的脹縮等級計算，該區域土為中等脹縮土，地基的脹縮等級為II級。當以基礎埋深為主要防治措施時，基礎最小埋深不應小于大氣影響急劇層深度[1]2.7m。平坦場地上在條形基礎、獨立柱基的基底宜采用砂墊層，并做好防、隔水處理；在擋土墻、地溝、地坑等的側壁宜填砂；坡地上的基礎底則不應墊砂。對于基礎埋深小于2.7m的建(構)筑物可采取一定的工程處理措施以消除膨脹性對建(構)筑物的不利影響，如適當增加基礎埋深，亦可采用換土等措施。地基換土可采用非膨脹性土、灰土或改良土，并應分層碾壓后再做載荷試驗，以達到地基設計要求為限。

4 結束語

本文根據實際工程案例，結合廣西地方膨脹土規程，介紹了廣西膨脹土變電站場地的勘察方法和地基基礎方案，主要采用以自由膨脹率試驗判斷土層膨脹潛勢，以脹縮總率及相對膨脹率判斷膨脹土脹縮性等級，以脹縮變形量判斷地基脹縮等級。同時結合實際情況，采用增加基礎埋深，或采用換土等方法，為膨脹土地區變電站勘察設計提供了簡單、有效的方案。