水泥土樁在山區地基處理中的應用研究

夏巖

（中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西 太原 030001）

變電站的地基處理是保證變電站安全運行的首要條件。當變電站位于濕陷性黃土場地時，應當根據站內建構筑的重要性等級采取不同的地基處理措施。當站址位于山區，場地高差大，此時，地基處理方案不僅需要原有地基土的不良地質現象，還應兼顧由于場地高填方而引起的地基不良現象。在地基處理方案的確定過程中，需要重點解決技術與經濟的平衡問題，做到安全實用、技術先進、經濟合理。本文論述了水泥土樁在山區回填土及濕陷性黃土地基地區的應用。

1 工程概況

某變電站處于濕陷性黃土地區，位于一黃土梁頂部，地貌單元屬中低山區的黃土丘陵區，受長期的風化剝蝕，地勢起伏，沖溝較發育，地形破碎。現場經人工改造后，四周呈階梯狀下降的農田，地面標高為855.0 ～875.0m。

根據根據地質專業勘測結果，在勘測深度內，場地的巖土層可劃分為四個大層，即：

①層全新統黃土狀粉土，褐黃色，中密，稍濕～濕，發育孔隙，含鈣質結核及碎石等，具II 級非自重濕陷性。厚度0.5m ～1.5m。高壓縮性，地基承載力110kPa。

②層上更新統黃土，以粉土為主，灰黃色，中密，稍濕，具有孔隙，含鈣質結核，下部夾鈣質結核層，結核直徑達5 ～10cm，具II 級非自重濕陷性。厚度不等，一般0.5～7.5m。中等壓縮性，地基承載力150kPa。

③層中更新統黃土，由粉質黏土夾粉土組成，黃褐色為主，下部為紫紅色，硬塑～堅硬，稍濕，含鈣質結核，局部見蟲孔和白色鈣質菌絲，發育垂直節理，顆粒狀、碎塊狀結構，結構面多見褐色鐵錳質薄膜，本層分布于整個場地，厚度2 ～15m。低壓縮性，地基承載力200kPa。

④層石炭系本溪組底部鋁土巖夾風化褐鐵礦或奧陶系峰峰組泥灰巖、石灰巖等。微風化～中等風化，厚度大于20m。地基承載力1800kPa。

場地地下水水位埋深大于20m，可不考慮地下水對建筑物基礎的影響；本地區季節性土壤凍結深度0.68m。

2 設計方案論證

現就站址場地內地質情況最復雜、同時由于工藝設備的要求，對基礎沉降最敏感的220kV 配電裝置區的地基處理方案進行研究。220kV 配電區北側，最大填方深度1.5m，最大挖方深度2m。220kV 配電區中部，挖方深度約2m。220kV 配電區南側，最大填方深度9m，并且在填方區地表存在厚度約2m 的①號土層。本站的220kV 配電裝置采用GIS 設備，總長140m，也就是說GIS 基礎將中間局部直接坐于基巖頂層，北側位于1.5m 厚填方區，南側位于9m 厚填方區。根據電氣要求，CIS 基礎預埋件頂標高最高和最低相差不超過3mm，整體高差不大于5mm，否則會引起母線套管內SF6 氣體泄漏，導致設備事故。

由于本場地填土加濕陷土層厚度最深達11m，而且變化較大，強夯法及換土墊層法處理深度有限，不適用于本場地。根據規范,本站地質情況較適合采用擠密樁類地基處理方法。

常見擠密樁樁體材料有素土、灰土、水泥土之分。素土樁成樁后承載力較小、壓縮變形較大，常和CFG 樁結合使用，由于工期長、費用大，本工程不予采用。石灰屬于氣凝性膠結材料，有其獨有的特性,和土拌和后可以在空氣中反應，也可以和水反應。拌和物前期強度較低，后期強度逐漸上升，形成強度需要較長時間。水泥屬于水凝性膠結材料,遇到水后反應迅速, 前期強度快速增長, 后期強度增長較慢。水泥土與石灰土相比，強度更高、壓縮性更小、反應時間更短。經理論計算，能滿足本站220kV 基礎下一是11m 厚回填土加濕陷性黃土，另一半直接是風化基巖，且對不均勻沉降有相當苛刻的要求。因此，本站選用1：4 水泥土作為擠密樁填充料，水泥采用P.O42.5 普通硅酸鹽水泥。

現就水泥土樁的兩種成樁工藝：擠密樁法、孔內深層強夯法(DDC)兩種方法進行對比論證。

2.1 擠密樁法

水泥土擠密樁法一般適用處理地下水位以上的濕陷性黃土、素填土、雜填土等地基，處理深度5 ～15m。處理后持力層范圍內土變形減少，承載力可提高1 ～2.5 倍，并可消除填土及濕陷性黃土的濕陷性，符合本工程需求。

水泥土擠密樁施工前應在現場進行成孔、最優含水量、夯填工藝和擠密效果試驗，以確定分層填料厚度、夯擊次數和夯實后干密度等要求。打樁采用履帶式柴油打樁機配備專用夾桿式夯實機。成孔采用沖擊沉管法，當樁長小于12m時，直徑選用450mm，平面布置按等邊三角形排列，樁距1000mm；當樁長大于12m 時，直徑選用600mm，平面布置按等邊三角形排列，樁距1100mm。成孔擠密宜由外向里、間隔分批進行，同排內應間隔1 ～2 孔，以免因振動擠壓造成相鄰孔縮孔或塌孔，成孔后清底夯實、夯平，并立即夯填水泥土。樁孔應分層夯實，每層回填厚度350 ～400mm。人工夯實用重25kg 帶長柄的混凝土錘，機械夯實可采用簡易夯實機，一般落錘高不小于2m，每層夯擊不少于10 錘。樁頂標高高出設計標高200mm，做褥墊層時將高出部分鏟除。在雨季、冬季施工時，應采取防雨、防凍措施，防止填料受雨淋濕或凍結。

具體到本工程，經初步測算可采用成孔直徑450mm，樁間距1.0m，三角形布置。預估220kV 配電區需打樁2510 根，平均樁長6m，樁體積共2394m3。

處理后的地基宜通過現場試驗，取得復合地基的壓縮系數、壓縮模量、濕陷系數、承載力標準值等物理力學指標。孔內填料的質量通過壓實系數控制，壓實系數不得小于0.95。檢查數量不少于樁數的2%，同時每臺班至少應抽查1 根。在全部孔深內宜每米取土樣測定其干密度，檢測點的位置應距孔中心2/3 孔的半徑處。孔內填料的夯實質量也可通過現場試驗測定。

2.2 孔內深層強夯法(DDC)

孔內深層強夯法(DDC)復合地基是以洛陽鏟掏土成孔，填以水泥土或灰土夯擊，通過重錘高動能、超高壓、強擠密，對樁孔填料進行固結，對樁間土進行強擴充擠密，從而達到對樁體和樁間土動力固結處理地基的目的，形成復合地基。處理后的地基承載力高，變形模量大，壓縮變形小，地基剛度均勻，能消除地基濕陷性。本工程主要以提高回填土質量、減少由于高填方引起的下部天然土層壓縮沉降為主要目的，同時，消除濕陷性黃土的濕陷性。DDC 水泥土樁貫穿于回填土與濕陷性黃土中，通過重約2t 的尖錘，落距不小于10m，夯擊數不小于8 擊，夯實樁體、擠密樁間土，既能消除濕陷性也能提高回填土質量。

經測算，本工程可采用成孔直徑400mm，夯后擴徑650mm 左右，樁間距1.2m, 三角形布置，的孔內深層強夯(DDC)水泥土樁。預估220kV 配電區需打樁1746 根，平均樁長6m，樁體積共3474m3。

成樁后14 ～28d 應對樁、樁間土和復合地基進行抽樣檢測。對樁、復合地基承載力、壓縮模量、變形模量、消除濕陷性等作出綜合評價。靜載荷試驗檢測數量應為總樁數的0.5%～1%，且單體工程不小于3 個。動力觸探等原位測試，檢測數量應為總樁數的0.5%～1%，且單體工程不小于6 個。土的物理力學性質試驗取樣應為總樁數的0.3%～1%，每個試驗層不少于6 組。

3 方案選擇

水泥土擠密樁法、孔內深層強夯法(DDC)兩種方法都是處理濕陷性黃土、素填土的常用方法。兩種方法都具有施工工藝及機械簡單，施工過程質量易控制的特點。兩者相比，由于孔內深層強夯法采用了，具有高動能、超高壓、強擠密的特點，處理后的地基承載力更高，壓縮性更小，同時具有經濟優勢。因此，本工程選用孔內深層強夯法進行處理。

4 檢測結果

根據實驗室試驗結果，水泥選擇P.O42.5 普通硅酸鹽水泥,水泥：土按1：4 配比混合。水泥土試樣最大干密度ρdmax平均為1.67g/cm3，最優含水量WOP平均為21.1%，無側線抗壓強度大于6MPa。

樁間土樣平均擠密系數大于0.93，滿足規范要求。濕陷系數小于0.015，濕陷性消除。樁體芯樣抗壓強度介于5.0～10.4MPa 之間，平均為6.76MPa，抗壓強度值離散性較小，表明樁體夯填效果較均勻。

復合地基承載力設計為≧400kPa,經檢測復合地基承載力滿足設計要求。復合土層變形模量大于30MPa，滿足設計要求。

5 結語

水泥土樁是將水泥和土料事先充分拌勻，回填至樁孔內，然后進行夯實，形成樁體。成樁后, 水泥和土體通過水解、水化反應生成可持續硬化的水化產物, 形成水泥土密實強度。水泥土樁的成樁可采用擠密樁專用夾桿式夯實機，也可采用孔內深層強夯工藝成樁，但兩者由于夯擊能不同，對原有地基的加固效果有所區別，孔內深層強夯法由于夯擊能較大相對加固效果也較好。本工程采用孔內深層強夯工藝水泥土樁有效解決了山區回填土及濕陷性黃土地基的不均勻沉降問題，目前該項目已運行10 余年，未發生不均勻沉降現象，達到了設計預想。