某變電站地基變形分析及處理

林金星

1 工程概況

該變電所主要由一座2層高的主控樓、3個各100 t重的主變壓器和110 kV的屋外配電裝置及主電纜溝等組成，其中主控制樓和主變壓器基礎采用靜壓預應力混凝土管樁，樁基持力層為全風化花崗閃長巖，上部主體結構為鋼筋混凝土框架結構。

現有構建物自2007年7月竣工以來，場地地面均出現了不同程度的沉降、水平位移，對變電站的使用造成了一定的影響。

場地土層物理、力學指標見表1。

表1 土層物理力學指標

變電所場地所處地貌為山前沖淤積平原。南靠山丘，其余三面為寬闊的平原。場地微地貌類型為海積階地，處于濱海軟土地區的傍山地帶，場地土由第四系更新統～全新統海積與沖積層組成，地層層位略欠穩定，巖面起伏較大。場地勘探揭露土層自上而下主要為:粉質粘土、淤泥、全風化花崗巖和強風化花崗巖。

2 建(構)筑物及場地地面沉降情況

自2008年4月下旬至2008年7月中旬，對該場地進行了沉降觀測、土體深部水平位移觀測，共觀測6次，觀測頻率約2周1次，觀測歷時約80 d。

根據觀測結果，場地沉降情況:場地西側、北側、東側三面沉降量較大，最大沉降量約18 mm，最大平均沉降速率約為0.225 mm;場地靠近南側(傍山側)沉降量較小，沉降量一般在5 mm以內，平均沉降速率約為0.0625 mm。

場地地基土深部水平位移:

場地西側、北側、東側三面土體深部水平位移較大，水平位移約在0 mm～15 mm范圍內，最大位移深度一般在0 m～5.0 m范圍，最大平均沉降速率約為0.1875 mm。

3 變形原因分析

場地變形主要為填土層及淤泥層的沉降。因此引起場地變形的原因主要為淤泥層的固結沉降、填土層的沉降。

3.1 淤泥層固結沉降

該場地淤泥分布較不均勻，厚度相差較大。淤泥平均含水量為57.9%，平均孔隙比為1.557，該淤泥層抗剪強度較低，觸變性強，壓縮性較高，工程性能較差。

土體的壓縮變形需要一個過程，由于淤泥滲透系數都很低(屬不透水層)，固結沉降過程漫長，厚度較大時固結過程需要幾十年之久。淤泥的固結沉降不僅與應力、時間有關，還與淤泥層上下土層的排水等條件有關。

淤泥的某個時間點的固結沉降量計算一般先采用分層總和法計算出淤泥層的沉降量，再計算出該時間點完成的固結度，進而可以求得該時間點的固結沉降量。

分層總和法計算公式:

其中，s為淤泥質土層壓縮量，mm;n為地基壓縮層范圍內所劃分的土層數;p0為填土(石)荷載，kPa;Esi為第i層土的壓縮模量，MPa;zi，zi－1分別為地面至第 i層和第 i－1層底面的距離，m;αi，αi－1為地面計算點至第i層和第i－1層底面范圍內平均附加應力系數;ψs為沉降計算經驗系數。

固結度計算公式如下:

其中，Tv為對應于固結度的時間因數;t為固結的時間，s;H為淤泥土層的厚度;Cv為淤泥的固結系數。

根據該場地情況，淤泥層固結度計算時，按單面排水考慮，根據初步估算，淤泥層總沉降量約為1000 mm(淤泥厚度按平均厚度12 m考慮)，目前完成的平均固結度約為40%。該層淤泥在上部新近填土及地面荷載作用下完成的平均沉降量約為400 mm，后期沉降量還很大。

3.2 填土層填筑期間及填筑后的沉降

由于填土為新近填土，尚未完成自重固結沉降。填土在填筑過程中在土方車及碾壓機械的碾壓過程中已完成了很大一部分沉降，該沉降量主要是因土顆粒間的縫隙、孔隙縮小等原因產生。但由于填土級配較差，即使經過碾壓，也難免存在縫隙、孔隙。一般認為經過分層碾壓的填土，可以完成70%～90%的沉降量(主要由填土密實度決定)。填土碾壓完成后1年～2年內還會產生一定的工后沉降。該場地填土層厚度按5.0 m(勘察后場地又填筑到了設計標高)考慮，后期估計還會有幾厘米的工后沉降量。

3.3 填土層在地下水作用下的沉降

填土層除了在自重固結作用下會產生沉降外，在地下水作用下也會產生一定的沉降量。微觀上，土體是具有一定結構的，粘性土一般為絮狀結構，在水的作用下土顆粒間的聯結強度會降低，絮狀結構會破壞并變為平行的重塑結構，增大了土層的壓縮性，土層會產生濕陷。場地填土層在大氣降水等產生的地下水作用下就會產生一定的沉降量。但填土層在經過幾次的濕陷后，濕陷沉降量就基本完成了。

4 加固措施

由于場地存在深厚淤泥及新近回填土，且淤泥厚度極不均勻，地面工后沉降及不均勻沉降較大，根據該場地的工程地質、原設計資料及使用現狀等條件，110 kV屋外配電裝置(支架)、主變母線橋和主控制樓室內擬采用鋼管樁進行加固，并在樁頂設置梁、板體系形成整體，防止場地建(構)筑物的工后沉降進一步發展，減少不均勻沉降，確保站內已有電力設備的正常使用。

鋼管樁采用預鉆孔法施工，即先采用地質鉆機成孔至設計深度，然后分節壓入鋼管樁，主控樓室內每節長度為2 m，其他為3 m。鋼管采用φ219×6和φ325×8焊接鋼管，接頭采用鋼套管圍焊，焊縫高度hf=6 mm。鋼管(除樁端5000外)外管壁應除銹，涂潤滑油一道，并外包一層土工膜，以降低樁身負摩阻力。沿鋼管樁樁身每隔2 m～3 m采用鐵絲將土工膜綁扎固定，防止壓樁過程中土工膜受損。鋼管樁壓至設計標高后，在鋼管內倒入C20細石混凝土，加入適量微膨脹劑。鋼管樁加固大樣見圖1。

施工過程中對場地進行了觀測，根據觀測結果，施工過程中場地最大沉降量為5 mm，平均沉降量為3.2 mm;深部水平位移最大位移為4.8 mm(典型位移曲線圖見圖2，圖3)。

5 結語

經過對場地的沉降原因分析，認為場地地基土產生變形的原因主要為:

1)場地土層較復雜，淤泥厚度變化較大，全風化巖面坡度太大，造成場地不均勻沉降。

2)淤泥層的固結沉降是場地沉降的主要原因，該場地淤泥層屬于高壓縮性土層，工程性質較差，具有沉降量大，固結時間長，地基處理較困難等特點。

3)填土層在填筑過程中已經完成了大部分沉降，但不可避免的存在一定的工后沉降量。

4)該粘性土填土層在地下水的作用下，也會產生一定的濕陷沉降，但認為目前濕陷沉降已基本完成。

經過對場地變形原因的合理分析，結合場地工程地質、水文地質條件，綜合考慮變電站構筑物的特點，最后采用了鋼管樁進行加固，最終解決了場地的變形問題。加固后變電站使用過程中未出現明顯的沉降、不均勻沉降。說明本次加固項目，變形原因的分析是合理、正確的，采用的加固方法也是技術上可行、合理的。

[1]JGJ 79-2002，建筑地基處理技術規范[S].

[2]林宗元.巖土工程治理守則[M].沈陽:遼寧科技出版社，1993.

[3]魏汝龍.軟粘土的強度和變形[M].北京:人民交通出版社，2010.

[4]常士驃.工程地質手冊[M].第2版.北京:中國建筑工業出版社，1992.