變電工程軟土地基中水泥攪拌樁特性及質量控制

吳軻，張熙，張肖峰，黎玉婷，陳荔

（1.廣東電網有限責任公司東莞供電局，廣東 東莞 523287；2.中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州 510663）

1 變電工程軟土地基的攪拌樁特性

1.1 攪拌樁在變電工程的應用場景

水泥攪拌樁在正常固結的淤泥與淤泥質土、素填土、黏性土（軟塑、可塑）、粉土（稍密、中密）、粉細砂（松散、中密）、中粗砂（松散、稍密）、飽和黃土等土層中具有適用性，但不宜在雜填土、欠固結淤泥、淤泥質土、硬塑及堅硬的黏性土、密實的砂類土以及地下水滲流影響成樁質量的土層中使用，在泥炭土、有機質土、pH值＜4的酸性土、塑性指數＞25的黏土以及腐蝕性環境中，需經過現場和室內試驗判斷適用性。

變電工程建筑物基礎設計承載力一般在200 kPa以內，圍墻、道路、電纜溝設計承載力一般為100 kPa以內，同時全站場地尚需考慮后期沉降處理。經攪拌樁處理后的軟土地基承載力一般可提高1倍左右，約100～150 kPa，但壓縮模量提高顯著。攪拌樁在變電工程中一般用于處理圍墻、地下水工構筑物或道路、電纜溝及場地工后沉降處理。

1.2 攪拌樁技術原理

1.2.1 作用機理

固化劑是攪拌樁加固軟土的重要材料，需要結合軟土及土中水的化學成分來選擇具體的種類。應用較為廣泛的有水泥類（硅酸鹽水泥和石膏）和石灰類（生石灰、消石灰等）。攪拌樁加固的物理化學反應過程和混凝土的硬化機理存在差異，后者是在粗填充料（比表面不大、活性很弱的介質）中進行水解和水化作用，凝結比較快。前者因為水泥摻量低（通常是土體天然零度的7%～18%），水泥的水解和水化反應必須基于一定活性介質土才能完成，因此，水泥加固土的強度增長比混凝土慢。

1.2.2 攪拌樁施工機械

施工需要用到的設備有攪拌機、起重機、水泥制配系統、導向設備及提升速度量測設備等。

1.2.3 攪拌樁外加劑

在選擇外摻劑時，應遵循環保理念，不能對環境造成污染。結合施工目的、土質情況，宜選擇早強、緩凝、減水材料。木質素磺配鈣對水泥土強度增長速度的影響較小，主要起減水作用，石膏、三乙醇胺則有利于增強水泥的強度，但增強效果因土質和水泥摻入比不同而有所差異。

2 質量控制措施

2.1 容易出現的問題

1）土層適用性。攪拌樁設計時應對地勘中的土層進行判斷，有機質含量高的土層容易出現無法成樁的情況，應避免使用。對含水量過大的土層應提前進行排水板或強夯等預處理，將含水量降到適用范圍方可使用。地下水位變化較大的土層應提前進行室內試驗，以評判其適用性。

導致環境監測數據不夠真實的因素有以下2點：首先，工作人員對待工作不夠認真，沒有反復核實和檢查相關數據。其次，由于受到工作性質的約束，監測數據不夠精準。管理人員為了提高所管轄地區的環境質量系數，使其達到預期效果，隨意對檢測數據進行改變，造成環境監測數據不夠真實的現象，此行為非常惡劣。

2）固化劑含量控制。水泥是攪拌樁主要的固化劑，水泥含量過低容易造成樁身強度不足的情況，影響處理效果。施工過程中控制下桿速度和噴漿速率，以保證成樁效果。

3）場地條件準備。攪拌樁的施工需要場地具備泥漿處理條件，對造成的返漿進行集中處理，否則返漿會造成水泥漿液流失無法成樁，以及施工場地的污染。

2.2 施工措施

施工攪拌樁，應采用24 h連續作業，鉆進時采取小漿量噴漿，防止小卵石堵塞漿孔，保證下沉（提升）速度≤0.8 m/min，鉆桿轉速≥60 r/min。樁身垂直度誤差≤1%，樁心偏差≤50 mm，樁徑偏差≤4%。在攪拌樁達到設計強度后，根據設計要求開展樁身抽芯試驗。

攪拌工藝建議采用“四攪四噴”（下鉆一攪，提鉆二攪，重復一次，完成四攪；下鉆噴漿，上提噴漿，重復一次，完成四噴）工藝，攪拌樁樁徑一般采用D500 mm～D650 mm。終孔（樁底）須穿透淤泥層進入下臥粗砂層或黏土層。終孔最大深度除根據計算外，圍墻、擋土墻地基攪拌樁進入下臥土層深度應≥2 m，站內道路、電纜溝、附屬設備基礎等地基攪拌樁進入下臥土層≥0.4 m。各地段有效樁長應做好施工記錄。樁距為1.1～1.20 m，一般按正方形布置；采用普通硅酸鹽水泥，強度等級為32.5 R，水泥滲入比為15%～20%，漿液水灰比分別為0.65（對擋土墻標高層面的地基樁）和0.60（對道路、電纜溝等標高層面的地基樁），水泥漿液的比重不宜小于1.55；樁體水泥土抗壓強度fcu≥2.1 MPa（90 d）；單樁豎向承載力特征值、復合地基承載力特征值則以28 d考慮，技術成熟時也可按90 d考慮，并且不小于設計值。

施工前應查明地面土層情況，當現狀自然地面3 m內雜填土層局部含有混磚塊或混凝土塊時，可能導致鉆樁施工難于穿透時，首選開挖清除后再施工。當遇到少量塊石，無法施工時，可采取移位補樁措施，即在受阻樁位攪拌滿漿至施工地面，5～7 d后再在該樁位中心軸線兩側對稱補樁2根，補樁樁距約600 mm。

2.3 管理措施

由于變電工程攪拌樁常用于荷載較小的構筑物或場地處理，在電氣設備安裝過程前應及時完成攪拌樁施工，并達到一定強度，以避免地面施工荷載對攪拌樁本體造成壓損，故應在場地平整完成后立即進行攪拌樁施工。

1）施工時，攪拌樁機底盤應維持水平狀態，導向架則處于豎直狀態。成樁直徑和樁長不能低于設計要求。

2）當淤泥層軟基深厚時，為保證攪拌樁處理的地基所承載的上部結構沉降可控，實施的攪拌樁必須穿透淤泥層，為此，凡樁長＞16.0 m的必須采用有效工況樁長18.0 m的攪拌樁機架與設備，不得采用16.0 m的攪拌樁機架與設備，杜絕產生“浮樁”而導致地基沉降不能滿足設計要求的后果。

4）施工全過程須有可靠的安全設備和安全措施；要求施工單位具有可靠的技術素質和施工經驗，同時還需要建立工程質量創優施工體制，以及施工安全環境的應變能力和安全施工措施。

3 工程應用

3.1 工程概況

220 kV 某變電站位于東莞市高埗鎮，工程最終規模為4×240 MV·A，建筑場地的類別為Ⅱ類，場地在發生Ⅶ度地震時，上部松散砂層將發生液化等級為輕微～中等的液化現象。站址地貌為沖積平原，場地標高為2.05～2.60 m，場地較平坦，站址設計地坪標高為3.65 m（巡檢樓、配電裝置樓、事故油池）、4.65 m（水池、泵房）。場地現主要為垃圾堆放場和平地。本工程針對上述控制點進行施工管理。

巖土層為：上覆第四系的人工雜填土、淤積淤泥、沖積砂土、卵石和粉質黏土、沖淤積含淤泥粉砂；下伏基巖為粉砂質泥巖，揭露的風化等級有全風化、強風化、中等風化及微風化。本地段見到的巖土層按成因劃分主要有5大類共13層。

3.2 方案比較

針對本工程地質情況，對場地地基處理方案進行比較，采用管樁+筏板方案，造價高出攪拌樁方案約30%，工期較短，但費用高且工程經驗較少，現場施工會產生振動和噪聲，密打樁容易引起周圍地面隆起。真空預壓方案造價低，但工期較長，后期沉降較大且可靠性差。綜合比較，本變電站工程采用攪拌樁方案處理場地、電纜溝、圍墻，經濟性較好。對于可靠性采取相應的施工管理措施，本工程采用了上述施工及管理措施。

3.3 成果檢測及監測

本工程場地、電纜溝、圍墻采用攪拌樁地基處理，正方形布樁（1.2 m×1.2 m），總樁數3 594根，樁長11.5～17.4 m，樁端持力層為粗沙層，采用“四攪四噴”工藝，設計單樁豎向抗壓承載力特征值110 kN，設計復合地基承載力特征值120 kPa（28 d），通過單樁復合地基平板載荷試驗來檢測，設置19個檢測點，最大試驗荷載346 kN。

經過分析試驗結果可知，共19根工程樁單樁豎向抗壓極限承載力Qu≥220 kN，都達到了設計要求。同時，共19根樁復合地基承載力特征值極差均在平均值的30%以內，水泥土攪拌樁單樁復合地基承載力特征值為120 kPa，達到了設計要求，合格率100%。現場沉降監測穩定，工后總沉降量＜2 mm，滿足設計要求。430#試驗點Q-s（豎向荷載-沉降）、s-lg t（沉降-時間對數）曲線如圖1所示。

圖1 430#試驗點Q-s、s-lg t曲線

4 結語

變電工程在地質條件較差的情況下，水泥攪拌樁技術在構筑物、場地的處理方面具有質量可控、造價較低的特點，利于推廣，結合工程的成功經驗，可得出以下結論：

1）變電站工程采用攪拌樁方案處理荷載較小的堆填場地、電纜溝、圍墻等，經濟性較好，可靠性高。

2）變電工程地基處理攪拌樁采用“四攪四噴”工藝可有效保證工程成樁質量。

3）施工攪拌樁，應采用24 h連續作業，鉆進時采取小漿量噴漿，樁點施工次序應按“三序法”實施“跳孔”作業，同序相鄰孔注漿間隔時間應不少于3 h，并控制下沉（提升）速度和鉆桿轉速。

4）變電工程地基處理攪拌樁施工全過程須有安全施工意識及安全措施。