某變電站沉降原因分析及微型樁托換加固設(shè)計(jì)

孫川，魏煥衛(wèi)*，王建強(qiáng)，陳朝偉

(1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東建和土木工程咨詢(xún)有限公司，山東 濟(jì)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(shè)計(jì)

孫川1，魏煥衛(wèi)1*，王建強(qiáng)1，陳朝偉2

(1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東建和土木工程咨詢(xún)有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

建筑物地基基礎(chǔ)不均勻沉降嚴(yán)重威脅著建筑物的質(zhì)量與安全，采取有效的措施對(duì)建筑物地基基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理是有效減少不均勻沉降事故發(fā)生的前提和基礎(chǔ)。文章基于某220 kV變電站發(fā)生不均勻沉降的工程實(shí)例，針對(duì)該工程實(shí)際地形條件，通過(guò)對(duì)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，闡述了造成該變電站基礎(chǔ)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(shù)對(duì)變電站進(jìn)行加固方案設(shè)計(jì)，并對(duì)加固前后內(nèi)應(yīng)力變化進(jìn)行對(duì)比分析。

不均勻沉降；微型樁托換；加固設(shè)計(jì)；強(qiáng)度驗(yàn)算

0　引言

目前，越來(lái)越多的地基工程需要進(jìn)行大面積回填，但由于回填土性質(zhì)不穩(wěn)定，夯實(shí)不夠密實(shí)，很可能造成建筑物地基基礎(chǔ)不均勻沉降，甚至?xí)绊懡ㄖ锏恼Ｊ褂觅|(zhì)量及使用壽命，嚴(yán)重的會(huì)造成建筑安全事故。故需對(duì)該類(lèi)工程進(jìn)行有效的地基基礎(chǔ)加固處理，確保工程的安全性。常見(jiàn)的地基基礎(chǔ)加固技術(shù)有樁式托換、灌漿加固以及基礎(chǔ)加深加寬等。其中微型樁托換加固技術(shù)作為地基基礎(chǔ)加固處理的一種常見(jiàn)方式，以其承載力高、托換后沉降量小、施工方便快捷等優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際工程中有效減小建筑物基礎(chǔ)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(shù)將上部較大荷載傳遞到下部堅(jiān)硬土層，從而達(dá)到地基基礎(chǔ)加固的目的[1-3]。目前許多學(xué)者和工程研究人員均對(duì)微型樁托換加固技術(shù)在不同方面的應(yīng)用進(jìn)行研究。李湛等通過(guò)相關(guān)工程實(shí)例，提出既有建筑加固工程的微型樁托換技術(shù)[4]；魏煥衛(wèi)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(jì)算方法[5]；王巖秋等根據(jù)大量試驗(yàn)研究成果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)，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(guò)一系列模型實(shí)驗(yàn)，研究了微型樁加固滑坡體的承載機(jī)理、受力以及破壞模式[7]。文章通過(guò)分析某220 kV變電站基礎(chǔ)不均勻沉降的原因，考慮采用二次注漿微型樁托換技術(shù)對(duì)該變電站地基基礎(chǔ)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

1　工程概況

220 kV變電站位于淄川地區(qū)，主體采用磚混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為柱下條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)寬度3.0 m，基礎(chǔ)埋深1.5 m。在該變電站周?chē)鶆虿贾?個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)(如圖1所示)，通過(guò)觀察沉降數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)建筑物各沉降觀測(cè)點(diǎn)均發(fā)生不同程度的沉降，且沉降值大部分已超出規(guī)范要求，為了防止沉降繼續(xù)增加，影響變電站的正常工作，需對(duì)該變電站地基基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理。

圖1　加固基礎(chǔ)平面布置圖/mm

該變電站所處工程場(chǎng)地地勢(shì)起伏較大，地面標(biāo)高最大值為125.42 m，最小值為110.80 m，地表相對(duì)高差為14.82 m。根據(jù)該場(chǎng)地勘測(cè)報(bào)告知，揭露深度范圍內(nèi)的地層自上而下分為3層：(1) 風(fēng)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(qiáng)風(fēng)化細(xì)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(fēng)化細(xì)砂巖，最大揭露厚度為5.50 m。相應(yīng)位置的工程地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2　場(chǎng)地工程地質(zhì)剖面回填圖/mm

2　沉降現(xiàn)狀及原因分析

2.1沉降現(xiàn)狀分析

為了保證220 kV變電站安全投入使用，該變電站建設(shè)前期，在施工現(xiàn)場(chǎng)均勻布置了8個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，從3月份開(kāi)始對(duì)該變電站進(jìn)行沉降觀測(cè)。通過(guò)觀察分析該變電站8個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1、2)，繪制出沉降觀測(cè)曲線(xiàn)圖以及沉降速率變化圖(如圖3、4所示)，發(fā)現(xiàn)各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)均有不同程度的沉降，其中4號(hào)觀測(cè)點(diǎn)沉降量最大，其值為87 mm。由表2可以看出，建筑物局部?jī)A斜中，部分傾斜已超過(guò)JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[8]中的相關(guān)規(guī)定。由圖3、4可以看出，各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的沉降量在4、5月份基本不變，從6月份開(kāi)始沉降量有所增加，但變化不大，沉降速率相對(duì)緩慢；隨著雨季的來(lái)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(fā)生突變。由于沉降量過(guò)大，并已超出規(guī)范要求，故需對(duì)該變電站基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理，以控制基礎(chǔ)不均勻沉降，從而保證變電站安全正常運(yùn)行。

表1　建筑物各觀測(cè)點(diǎn)沉降觀測(cè)值

表2　建筑物局部沉降差及傾斜

圖3　沉降觀測(cè)曲線(xiàn)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(qū)域需大面積回填，而回填土為挖方區(qū)的風(fēng)化細(xì)砂巖，經(jīng)分層夯實(shí)后，性質(zhì)相對(duì)較穩(wěn)定，但一經(jīng)降雨，雨水將迅速滲入填土，填土中的細(xì)小砂石顆粒發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，降雨較大時(shí)甚至將造成砂石顆粒流出，因而導(dǎo)致基礎(chǔ)產(chǎn)生沉降。由于該區(qū)域填土面積廣、深度大，因此填土沉降是該地基基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降的主要原因。

(2) 邊坡側(cè)移

由于該建筑物建設(shè)場(chǎng)區(qū)位于邊坡，而邊坡土體常表現(xiàn)出非均質(zhì)性與各向異性等特性，在地基開(kāi)挖、降雨等其他外部條件作用下較易發(fā)生大變形甚至失穩(wěn)滑動(dòng)[9]，因此邊坡側(cè)移問(wèn)題是造成地基基礎(chǔ)沉降的另一個(gè)原因。在邊坡周?chē)ㄔO(shè)建筑物，會(huì)使邊坡產(chǎn)生側(cè)移，而邊坡側(cè)移將導(dǎo)致基礎(chǔ)沉降。

3　微型樁托換加固方案設(shè)計(jì)及分析

3.1加固原則

由該變電站沉降現(xiàn)狀分析可知，造成整個(gè)建筑物基礎(chǔ)沉降的主要原因?yàn)樘钔脸两导斑吰聜?cè)移。由于變電站對(duì)儀器設(shè)備精度要求較高，過(guò)大的不均勻沉降將導(dǎo)致變電站儀器設(shè)備無(wú)法正常使用，而且根據(jù)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，各觀測(cè)點(diǎn)沉降值還在繼續(xù)增加，為了保證后期設(shè)備安裝工程順利進(jìn)行以及儀器設(shè)備安全投入使用，必須對(duì)地基基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理。

3.2加固方案對(duì)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(duì)該地基基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理，但由于該基礎(chǔ)完全由碎石填充，砂石顆粒間的孔隙較大，對(duì)于漿液的流向難以控制。同時(shí)運(yùn)用灌漿加固方法對(duì)該變電站進(jìn)行加固處理，灌漿量太大，將導(dǎo)致地基中的細(xì)小砂石顆粒被沖走，進(jìn)而使基礎(chǔ)產(chǎn)生沉降。這兩方面原因?qū)е陆ㄖ镌谑褂霉酀{加固方法進(jìn)行加固處理后轉(zhuǎn)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(chǔ)因邊坡側(cè)移而產(chǎn)生的沉降。因此，采用灌漿加固法不能達(dá)到有效控制沉降的目的。

3.2.2微型樁托換加固

由于整個(gè)建筑物結(jié)構(gòu)采用框架柱下條形基礎(chǔ)，其最大特點(diǎn)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(duì)建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理。利用微型樁進(jìn)行托換加固，一方面將部分上部荷載通過(guò)微型樁傳遞到下部較堅(jiān)硬巖層，減少沉降，而且將減少地基中細(xì)小顆粒流失現(xiàn)象的發(fā)生，從而可以充分發(fā)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(cè)移也將造成基礎(chǔ)沉降。而微型樁托換加固技術(shù)通過(guò)設(shè)置微型樁形成小型的群樁基礎(chǔ)，不僅加固基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)邊坡也起到了一定的加固效果，從而控制邊坡側(cè)移。因此采用微型樁托換加固技術(shù)對(duì)該地基基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理是最佳方案。

3.3微型樁托換加固設(shè)計(jì)計(jì)算

3.3.1微型樁的設(shè)計(jì)計(jì)算

(1)微型樁單樁豎向承載力的確定

為了使設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果更為安全準(zhǔn)確，分別從不同的方面考慮單樁豎向承載力的計(jì)算，從樁的類(lèi)型以及樁身材料強(qiáng)度方面進(jìn)行分析，為了保證設(shè)計(jì)施工安全，取其中的最小值進(jìn)行托換樁的設(shè)計(jì)。

根據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[10]、GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]、GB 50010—2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]等相關(guān)規(guī)范，按嵌巖樁、端承樁以及材料強(qiáng)度三種情況分別計(jì)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(zhǎng)，m，取0.69 m；qsik為樁周第i層土的極限側(cè)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(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；Ap為樁端面積，m2，這里取0.04 m2；ζr為樁嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)，這里取0.90。qpa為樁端阻力特征值(kPa)；Q為相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時(shí)的單樁豎向力設(shè)計(jì)值，kN；fc混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2，這里取14.3 N/mm2；ψc工作條件系數(shù)，取0.65。

其計(jì)算結(jié)果列于表3。

表3　微型樁單樁豎向承載力計(jì)算

由以上計(jì)算結(jié)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(shù)計(jì)算

通過(guò)分析該變電站柱子上部荷載圖，發(fā)現(xiàn)不同部位柱子所受荷載情況差別較大，因此對(duì)受荷載較大的柱子進(jìn)行微型樁托換加固，以減少基礎(chǔ)沉降。下面選取3個(gè)典型部位的柱子，包括邊柱、角柱、中柱(如圖5) ，進(jìn)行柱下條形基礎(chǔ)的加固設(shè)計(jì)，并考慮微型樁單樁豎向承載力可以發(fā)揮至其極限承載[13]，按式(4)初步估計(jì)樁數(shù)

Fk+Gk≤nQu+ηcfspkAsp

(4)

式中：Fk為上部結(jié)構(gòu)和使用荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合值，kN；Gk為基礎(chǔ)重量，kN；n為樁數(shù)；Qu為單樁豎向承載力的極限值，kN；fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa，取160 kPa；Asp為樁間復(fù)合地基的面積，m2；ηc為樁基承臺(tái)效應(yīng)系數(shù)，這里取0.5。

按上述公式分別計(jì)算不同位置的柱子加固所需微型樁的數(shù)量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4

圖5　柱子位置示意圖

柱子荷載標(biāo)準(zhǔn)值/kN荷載基本值/kN樁數(shù)/個(gè)-A5286752-B2463122-C251031246

3.3.2承臺(tái)的設(shè)計(jì)計(jì)算

承臺(tái)的作用是把各個(gè)微型樁聯(lián)結(jié)成一個(gè)整體，從而將上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載進(jìn)行轉(zhuǎn)換、調(diào)整并分配于各個(gè)微型樁。該變電站單根柱子所受的荷載較大，只采用兩個(gè)U型植筋連接新增承臺(tái)與原有基礎(chǔ)不能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，因此需要增加橫向鋼筋連接原基礎(chǔ)梁與新增承臺(tái)，與植筋共同承擔(dān)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(chǔ)梁與新增承臺(tái)相接觸的面為計(jì)算截面，通過(guò)式(6)、(7)分別進(jìn)行承臺(tái)的剪切、沖切計(jì)算[13]。

V≤βhsβftb0h0

(6)

Fl≤βhpβ0umfth0

(7)

經(jīng)驗(yàn)算，新增承臺(tái)及微型樁強(qiáng)度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求。增加的橫向鋼筋不僅加強(qiáng)了新增承臺(tái)與原基礎(chǔ)梁之間的連接，保證承臺(tái)的抗剪切能力，同時(shí)也使微型樁達(dá)到極限承載能力，充分發(fā)揮微型樁的作用。

3.3.3微型樁托換加固前后的內(nèi)力分析

為了確保微型樁托換加固方案實(shí)施后，能有效控制該變電站地基基礎(chǔ)不均勻沉降現(xiàn)象，分別對(duì)加固前后的基礎(chǔ)梁進(jìn)行內(nèi)力分析。常見(jiàn)的柱下條形基礎(chǔ)內(nèi)力計(jì)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(jié)構(gòu)剛度較大，這里采用倒梁法計(jì)算基礎(chǔ)梁的內(nèi)力[15]。

(1) 微型樁托換加固前后的內(nèi)力分析

加固前，利用倒梁法，假設(shè)上部結(jié)構(gòu)作用在柱子上的荷載完全由地基基礎(chǔ)承擔(dān)，以柱腳作為基礎(chǔ)梁的鉸支座，將基礎(chǔ)梁看成是地基反力作用在其上的多跨連續(xù)梁進(jìn)行分析計(jì)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(dān)，其中假設(shè)微型樁達(dá)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(dān)剩余荷載。通過(guò)分析，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器分別求出加固前后基礎(chǔ)梁的計(jì)算簡(jiǎn)圖、彎矩圖及剪力圖(如圖8、9所示)。

圖8　加固前基礎(chǔ)內(nèi)力分析圖(a)計(jì)算簡(jiǎn)圖/m；(b)彎矩圖/(kN·m)；(c)剪力圖/kN

圖9　加固后基礎(chǔ)內(nèi)力分析圖(a)計(jì)算簡(jiǎn)圖/m；(b)彎矩圖/(kN·m)；(c)剪力圖/kN

(2) 加固前后計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)表5、6加固前后基礎(chǔ)梁的內(nèi)力對(duì)比分析可以看出，地基進(jìn)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(shuō)明利用微型樁托換加固技術(shù)對(duì)該220 kV變電站地基基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理效果顯著。

表5　彎矩、剪力對(duì)比表

表6　加固前后約束反力對(duì)比表

4　結(jié)語(yǔ)

該220 kV變電站采用二次注漿微型樁托換加固技術(shù)進(jìn)行地基基礎(chǔ)加固處理，對(duì)加固后的變電站進(jìn)行一段時(shí)間的沉降觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)沉降數(shù)值基本保持穩(wěn)定，表明對(duì)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(shí)利用微型樁托換加固技術(shù)不僅解決了地基基礎(chǔ)沉降問(wèn)題，也使周?chē)吰碌玫郊庸蹋M(jìn)一步保障了地基基礎(chǔ)的穩(wěn)定。

建筑物地基基礎(chǔ)加固方案多樣，通過(guò)不同加固方案的對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)，二次注漿微型樁托換加固法具有承載力高、施工簡(jiǎn)單、所需場(chǎng)地小等優(yōu)點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。微型樁托換加固法結(jié)合工程的實(shí)際受力情況，利用U型植筋等將新增承臺(tái)、原有基礎(chǔ)及微型樁連接成整體，共同承擔(dān)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(shí)施為今后該類(lèi)工程加固方案的選擇提供了一定的理論技術(shù)支持。

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(學(xué)科責(zé)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41272281)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2012EEM016)

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

*魏煥衛(wèi)(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(xué)等方面的研究.E-mail: 13181718169@163.com

1673-7644(2016)03-0283-06

TU996

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