水泥土攪拌樁在某變電站地基處理中的應用

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.020

摘" 要：隨著科學技術的不斷進步，電力土木工程地基處理技術越來越先進，并逐漸向更科學、更經濟、更環保的方向發展。該文對電力工程軟土地基處理常用的水泥土攪拌樁的加固機理及水泥土攪拌樁復合地基工作機理進行闡述，并以某110 kV戶外GIS變電站水泥土攪拌樁地基處理應用為例，采用單樁豎向抗壓靜載試驗、淺層平板載荷試驗及基樁鉆芯試驗等方法驗證水泥土攪拌樁處理軟土地基的效果，供電網工程及其他行業人員參考。

關鍵詞：變電站；水泥土攪拌樁；地基處理；巖土層；試驗載荷

中圖分類號：TU472 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）32-0079-04

Abstract： With the continuous progress of science and technology， the foundation treatment technology of electric power civil engineering is becoming more and more advanced， and gradually to a more scientific， more economical and more environmentally friendly direction. This paper expounds the strengthening mechanism of cement-soil mixing pile commonly used in soft soil foundation treatment in electric power engineering and the working mechanism of cement-soil mixing pile composite foundation. Taking the application of cement-soil mixing pile foundation treatment in a 110 kV outdoor GIS substation as an example， the effect of cement-soil mixing pile in soft soil foundation treatment is verified by vertical compression static load test of single pile， shallow plate load test and foundation pile core drilling test， thereby can be used as a reference for power grid engineering and other industries.

Keywords： substation; cement-soil mixing pile; foundation treatment; rock and soil layer; test load

近年來，隨著我國經濟社會的發展，對電力的需求也越來越大，因此，電力工程的建設也得到了很大的發展。但受限于工業布局和城市規劃，變電站在建設的過程中會遇到很多不良地基，比如軟土地基等，對不良地基的處理是變電站工程的關鍵，直接關系到變電站建設的順利進行和后期的運行。對軟土地基的處理，常用的方法有排水、壓密、加筋、固化及采用樁基礎等。

1" 水泥土攪拌樁加固機理及優點

水泥土攪拌樁是加固飽和軟黏土地基的一種成熟方法，其利用水泥、石灰等材料作為固化劑的主劑，通過特制的深層攪拌機械，在地基中就地將軟土和固化劑（漿液狀或粉末狀）強制攪拌，利用固化劑和軟土之間所產生的一系列物理-化學反應，使軟土硬結成具有整體性、水穩定性和一定強度的優質地基[1-3]。

水泥加固軟土機理可分為以下3個過程：①水泥的水化反應；②水泥土的水化物和土顆粒的黏結作用；③碳酸化作用。

水泥土攪拌樁地基處理技術具有良好的整體穩定性、防滲性、施工速度快和造價低等優點。由于樁身強度不是很高，僅相當于C5～C10的混凝土強度，故能與樁間土體共同作用形成復合地基，使其表現出良好的穩定性。同時由于水泥土攪拌樁的施工工藝，保證了其較快的施工速度，每天每臺機械可成樁500～800 m，比普通混凝土樁機進度快得多。施工中使用的原料價格低廉，工程造價低，具有良好的經濟效益。

2" 水泥土攪拌樁復合地基工作機理

復合地基是水泥土攪拌樁進行軟土加固后的產物，由于水泥屬半剛性樁復合地基，水化后能夠達到工程所需要的強度，其工作機理如下。

2.1" 樁體作用

樁體周圍土體的剛度遠小于水泥土攪拌樁體的剛度，在上部載荷的影響下，會根據材料的模量在復合地基中進行應力重分布，因此會產生應力集中，水泥土攪拌樁樁體承擔了大量的上部載荷，相應地減少了樁間土體的應力，進而提高了復合地基的承載力，減少了地基的沉降量。

2.2" 墊層作用

水泥土攪拌樁是通過向地基土中噴射水泥，然后經過原位均勻攪拌后硬結成具有很高承載力的樁體，水泥土攪拌樁和樁間土復合形成復合地基。從力學特性上看，增大了應力擴散角，大大提高了天然地基軟的承載力。如果水泥土攪拌樁沒有貫穿整個軟弱土層地基，則水泥土攪拌樁復合地基能夠起到很好的墊層作用。

2.3" 擠密作用

在水泥土攪拌樁體進行現場攪拌時，不需要再向地基內附加注水，這是因為水泥土攪拌樁體內的水泥粉（漿液）能夠自動膨脹、發熱，吸收樁體周圍軟土內的水，進而對樁體四周軟土起到擠密作用。

2.4" 加筋作用

水泥土攪拌樁能夠提高軟土地基土的承載力，同時還能夠增強軟地基的穩定性和土體的抗剪強度，對軟土起到很強的加筋作用。

3" 工程實例

3.1" 工程概況

某戶外110 kV GIS變電站，站址地貌屬漢江一級階地地貌，地勢較平。主變壓器本期規模為1×50 MVA，終期規模3×50 MVA；110 kV出線本期2回，終期4回；10 kV出線本期13回，終期36回；電容器組本期1×（3+5） Mvar；終期3×（3+5） Mvar。經工程地質勘探表明，站址場地土類型為中軟土，建筑場地類別屬Ⅱ類。場地屬建筑抗震一般地段。

3.2" 巖土層分布

1層素填土：灰褐色-黃褐色，稍濕，稍密，局部松散。主要為耕植土，站址靠近臨時道路的一側含有較多碎石。主要分布于場地表層，層厚0.70～0.90 m，層頂標高33.45～35.27 m。

2層粉質黏土：褐灰色、灰褐色，濕，軟塑狀態，局部呈流塑狀態，切面稍粗糙，含少量粉土，局部夾薄層粉土，不均勻，壓縮性高。分布于第1層之下，層頂埋深0.70～0.90 m，層厚7.00～8.40 m，層頂標高32.65～34.47 m。

3層粉質黏土：灰色、灰褐色，稍濕，可塑狀態，干強度中等，壓縮性中等，含少量鐵錳質結核及高嶺土條帶，偶夾淤泥質黏土，局部夾薄層粉土。分布于第2層之下，層頂埋深7.80～9.20 m，層厚6.10～7.80 m，層頂標高24.64～26.47 m。

4層粉土：灰褐、灰黃色，稍濕，稍密，局部為中密，局部夾粉質黏土，切面粗糙。分布于第3層之下，層頂埋深14.80～5.70 m，層厚1.70～5.20 m，層頂標高18.24～20.27 m。

5層卵石：雜色，飽和，中密，局部為密實，卵石成份以砂巖、灰巖碎塊等為主，含量約65%，充填物主要為中細砂和少量黏土。卵石磨圓度較好，呈渾圓狀，一般粒徑20～50 mm，最大粒徑90 mm，全場分布，本次勘測未揭穿。主要位于第4層之下，層頂埋深13.35～15.07 m，揭露層厚為1.40～2.90 m，層頂標高13.68～14.95 m。

3.3" 巖土層力學參數

根據原位測試及野外鑒定描述結果，結合DB42/169—2003《巖土工程勘察工作規程》等地方經驗綜合考慮，地基各巖土層巖土技術參數推薦值見表1。

3.4" 水泥土攪拌樁設計說明、樁位布置

水泥土攪拌樁樁間距1.0 m×1.0 m，樁徑500 mm，停灰面高出有效樁頂500 mm。每米水泥用量不少于50 kg，固化劑采用42.5 kPa普通硅酸鹽水泥，全程復攪。水泥土攪拌樁復合地基驗收檢測應采用單樁靜載荷試驗、復合地基靜載荷試驗檢驗承載力，靜載荷試驗宜在成樁28 d后進行，試驗數量不小于總樁數1%，并進行樁身完整性檢驗。基礎與樁之間設置褥墊層，褥墊層厚度為200 mm，材料為中粗砂，集配良好的碎石，最大粒徑不得大于20 mm。

主變、配電裝置室、GIS及構架基礎水泥土攪拌樁設計樁長為10 m，電容器、消弧線圈、二次預制倉、防火墻、避雷針、站內道路、事故油池及站內道路水泥土攪拌樁設計樁長為5.5 m，配電裝置室內水泥土攪拌樁設計樁長為3.5 m。

3.5" 水泥土攪拌樁質量控制

1）水泥土攪拌樁樁尖由于在施工中不斷與土層摩擦，樁徑也在不斷損失變小，這就需要施工人員在每次移機過程中都要檢查樁尖尺寸，如果尺寸偏出誤差較大就需立即更換樁尖，在施工過程中也有遇到石塊的情況，此種情況遇阻區局部位置一定要多次復攪，保證此處的樁型，且該樁施工完畢一定要檢查樁尖尺寸是否滿足設計要求的樁徑，不符合就需立即更換。樁尖是一項較容易控制的質量要素，只需作業人員及質檢人員加強檢查力度，基本可以完全控制該質量要素[4]。

2）水泥土攪拌樁樁位控制要求水泥樁按圖紙要求，所以施工過程中必須保證按此要求施工，這就需要根據設計圖紙，將所有區域分區，然后按區定位放線，開挖溝槽，然后放第一組樁位，所有樁點都必須用木簽（或其他物）標示出來，保證打樁的準確性。施工過程中嚴禁人員及機械將樁點移位或損壞，確實有礙事的必須采取其他措施后再次定位，保證該點位的樁不錯位。

當前水泥土攪拌樁的應用非常廣泛，質量控制的要素很多；將水泥土攪拌樁的原材、打樁機械、施工方法及施工過程控制好，該項施工質量控制就可得到保證。本項目中所有施工的水泥土攪拌樁按檢測要求檢測，經檢測公司檢測后的單樁承載力及復合地基承載力均大于設計要求。

4" 水泥土攪拌樁的檢測

在成樁28 d后，根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》和JGJ 106—2014《建筑基樁檢測技術規范》分別利用堆載法和鉆芯取樣法做淺層平板載荷試驗、單樁豎向抗壓靜載試驗和基樁鉆芯試驗。

4.1" 淺層平板載荷試驗

采用壓重平臺反力裝置，由主梁、次梁、竹跳板組成堆載平臺，上堆砂包；主梁與試點之間安裝千斤頂，千斤頂上連接精密壓力表。承壓板采用1.0 m2形鋼板。

試驗按GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》附錄C的加載方式，載荷分級按8級逐級加載。所檢測站內道路174#試驗點、配電綜合樓基礎49#試驗點、GIS基礎635#試驗點，3個檢測點均加載至試驗最大載荷240 kPa，主變壓器基礎425#試驗點加載至試驗最大載荷300 kPa時，P～S曲線平緩，無明顯陡降段。結果見表2。

所檢測站內道路174#試驗點、配電綜合樓基礎49#試驗點、GIS基礎635#試驗點，3個檢測點的地基承載力特征值均為120 kPa，主變壓器基礎425#試驗點地基承載力特征值為150 kPa。

4.2" 單樁豎向抗壓靜載試驗

試驗采用慢速維持載荷法，即逐級加載，每級載荷達到相對穩定后再加下一級載荷，當加載量達到終止加載條件時，即終止加載。試驗加載由荷重、反力梁、千斤頂等構成加載反力系統。加載量由聯接在千斤頂與加壓油泵之間的壓力表讀出，沉降量由安裝在基準梁上的百分表讀出。

所檢測（主變壓器基礎）444#樁、（GIS基礎）611樁、（站內道路）205#樁加載至第七級210 kN時，樁頂總沉降量大于40 mm，且Q～S曲線出現明顯陡降段，故該3根樁的單樁豎向抗壓極限承載力為180 kN，特征值為90 kN，（配電綜合樓基礎）31#、32#樁加載至第六級180 kN，樁頂總沉降量大于40 mm，且Q～S曲線出現明顯陡降段，故該2根樁的單樁豎向抗壓承載力為150 kN，特征值為75 kN。

4.3" 基樁鉆芯試驗

檢測依據標準：JGJ/T 87—2012《建筑工程地質勘探與取樣技術規程》、GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》。檢測機具為HT-150型鉆機，從已成樁頂向下鉆進。鉆進過程中采用金剛石鉆頭，保證鉆進的平穩和取芯的完整。

樁身完整性分類及判別特征。

Ⅰ類樁：樁身結構完整。混凝土芯樣連續、完整、表面光滑、膠結好、骨料分布均勻、呈長柱狀和斷口吻合，芯樣側面光滑僅見少量氣孔。

Ⅱ類樁：樁身有輕微缺陷，不會影響樁身結構承載力的發揮。混凝土芯樣連續、完整、膠結較好、骨料分布基本均勻、呈柱狀和斷口基本吻合，芯樣側面局部見蜂窩麻面、溝槽。

Ⅲ類樁：樁身有明顯缺陷，對樁身結構承載力有影響。大部分混凝土芯樣膠結較好，無松散、夾泥和分層現象，但會有下列情況出現，芯樣局部破碎且破碎長度不大于10 cm；芯樣骨料分布不均勻；芯樣多呈短柱狀或塊狀；芯樣側面蜂窩麻面、溝槽連續。

Ⅳ類樁：樁身存在嚴重缺陷。鉆進很困難；芯樣任一段松散、夾泥；芯樣局部破碎且破碎長度大于10 cm。

所檢測31#基樁鉆進過程平穩，0.00～7.00 m芯樣呈灰褐色，所取芯樣呈散粒狀；7.00～10.30 m芯樣呈褐色或深灰色，所取芯樣呈碎塊狀或短柱狀。鉆芯情況見表3。

5" 結論

在電力工程建設中，要運用正確可靠的電力土建地基技術，確保設備的安全安裝及電力的安全，并且熟練掌握現有地基處理技術，在新建電力設施地基處理和既有電力地基基礎加固方面不斷總結經驗，研究全新的地基處理技術，按照技術先進、經濟合理、就地取材的原則，優選適宜的地基處理方案，提高地基處理水平。

1）工程及試驗結果表明，用水泥土攪拌樁加固軟土地基是一種經濟合理的處理手段。

2）水泥土攪拌樁加固后的地基，復合地基承載力較高，一般能滿足承載力要求；但單樁承載力與樁基礎相比則較低。水泥土攪拌樁適用于面受力，不適于點受力。當變電站位于軟土地基上時，站內道路、圍墻、電纜溝和支架等對地基承載力要求不高的可以直接采用水泥土攪拌樁來加固。對于GIS、構架、主變和配電裝置樓等對地基承載力較高的，可以在水泥土攪拌樁加固后加大基礎底板面積配合使用。

3）水泥土攪拌樁成樁質量受多種因素的影響，施工時應按規程規范要求，提高成樁質量，保證復合地基承載力。

參考文獻：

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[3] 王良會.水泥土攪拌樁在蕪湖某220 kV變電站地基處理中的應用研究[J].安徽建筑，2020（10）：82-84.

[4] 陸博.水泥土攪拌樁施工方法及質量控制[J].建筑施工，2018（8）：2286-2287.

第一作者簡介：余立新（1988-），男，碩士，工程師。研究方向為變電站土建設計。