水泥土樁在山區(qū)地基處理中的應(yīng)用研究

夏巖

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)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(yùn)行的首要條件。當(dāng)變電站位于濕陷性黃土場(chǎng)地時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)站內(nèi)建構(gòu)筑的重要性等級(jí)采取不同的地基處理措施。當(dāng)站址位于山區(qū)，場(chǎng)地高差大，此時(shí)，地基處理方案不僅需要原有地基土的不良地質(zhì)現(xiàn)象，還應(yīng)兼顧由于場(chǎng)地高填方而引起的地基不良現(xiàn)象。在地基處理方案的確定過(guò)程中，需要重點(diǎn)解決技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的平衡問(wèn)題，做到安全實(shí)用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。本文論述了水泥土樁在山區(qū)回填土及濕陷性黃土地基地區(qū)的應(yīng)用。

1 工程概況

某變電站處于濕陷性黃土地區(qū)，位于一黃土梁頂部，地貌單元屬中低山區(qū)的黃土丘陵區(qū)，受長(zhǎng)期的風(fēng)化剝蝕，地勢(shì)起伏，沖溝較發(fā)育，地形破碎。現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)人工改造后，四周呈階梯狀下降的農(nóng)田，地面標(biāo)高為855.0 ～875.0m。

根據(jù)根據(jù)地質(zhì)專業(yè)勘測(cè)結(jié)果，在勘測(cè)深度內(nèi)，場(chǎng)地的巖土層可劃分為四個(gè)大層，即：

①層全新統(tǒng)黃土狀粉土，褐黃色，中密，稍濕～濕，發(fā)育孔隙，含鈣質(zhì)結(jié)核及碎石等，具II 級(jí)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(tǒng)黃土，以粉土為主，灰黃色，中密，稍濕，具有孔隙，含鈣質(zhì)結(jié)核，下部夾鈣質(zhì)結(jié)核層，結(jié)核直徑達(dá)5 ～10cm，具II 級(jí)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(tǒng)黃土，由粉質(zhì)黏土夾粉土組成，黃褐色為主，下部為紫紅色，硬塑～堅(jiān)硬，稍濕，含鈣質(zhì)結(jié)核，局部見(jiàn)蟲(chóng)孔和白色鈣質(zhì)菌絲，發(fā)育垂直節(jié)理，顆粒狀、碎塊狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面多見(jiàn)褐色鐵錳質(zhì)薄膜，本層分布于整個(gè)場(chǎng)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(fēng)化褐鐵礦或奧陶系峰峰組泥灰?guī)r、石灰?guī)r等。微風(fēng)化～中等風(fēng)化，厚度大于20m。地基承載力1800kPa。

場(chǎng)地地下水水位埋深大于20m，可不考慮地下水對(duì)建筑物基礎(chǔ)的影響；本地區(qū)季節(jié)性土壤凍結(jié)深度0.68m。

2 設(shè)計(jì)方案論證

現(xiàn)就站址場(chǎng)地內(nèi)地質(zhì)情況最復(fù)雜、同時(shí)由于工藝設(shè)備的要求，對(duì)基礎(chǔ)沉降最敏感的220kV 配電裝置區(qū)的地基處理方案進(jìn)行研究。220kV 配電區(qū)北側(cè)，最大填方深度1.5m，最大挖方深度2m。220kV 配電區(qū)中部，挖方深度約2m。220kV 配電區(qū)南側(cè)，最大填方深度9m，并且在填方區(qū)地表存在厚度約2m 的①號(hào)土層。本站的220kV 配電裝置采用GIS 設(shè)備，總長(zhǎng)140m，也就是說(shuō)GIS 基礎(chǔ)將中間局部直接坐于基巖頂層，北側(cè)位于1.5m 厚填方區(qū)，南側(cè)位于9m 厚填方區(qū)。根據(jù)電氣要求，CIS 基礎(chǔ)預(yù)埋件頂標(biāo)高最高和最低相差不超過(guò)3mm，整體高差不大于5mm，否則會(huì)引起母線套管內(nèi)SF6 氣體泄漏，導(dǎo)致設(shè)備事故。

由于本場(chǎng)地填土加濕陷土層厚度最深達(dá)11m，而且變化較大，強(qiáng)夯法及換土墊層法處理深度有限，不適用于本場(chǎng)地。根據(jù)規(guī)范,本站地質(zhì)情況較適合采用擠密樁類地基處理方法。

常見(jiàn)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(jié)合使用，由于工期長(zhǎng)、費(fèi)用大，本工程不予采用。石灰屬于氣凝性膠結(jié)材料，有其獨(dú)有的特性,和土拌和后可以在空氣中反應(yīng)，也可以和水反應(yīng)。拌和物前期強(qiáng)度較低，后期強(qiáng)度逐漸上升，形成強(qiáng)度需要較長(zhǎng)時(shí)間。水泥屬于水凝性膠結(jié)材料,遇到水后反應(yīng)迅速, 前期強(qiáng)度快速增長(zhǎng), 后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢。水泥土與石灰土相比，強(qiáng)度更高、壓縮性更小、反應(yīng)時(shí)間更短。經(jīng)理論計(jì)算，能滿足本站220kV 基礎(chǔ)下一是11m 厚回填土加濕陷性黃土，另一半直接是風(fēng)化基巖，且對(duì)不均勻沉降有相當(dāng)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(xiàn)就水泥土樁的兩種成樁工藝：擠密樁法、孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法(DDC)兩種方法進(jìn)行對(duì)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(nèi)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(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行成孔、最優(yōu)含水量、夯填工藝和擠密效果試驗(yàn)，以確定分層填料厚度、夯擊次數(shù)和夯實(shí)后干密度等要求。打樁采用履帶式柴油打樁機(jī)配備專用夾桿式夯實(shí)機(jī)。成孔采用沖擊沉管法，當(dāng)樁長(zhǎng)小于12m時(shí)，直徑選用450mm，平面布置按等邊三角形排列，樁距1000mm；當(dāng)樁長(zhǎng)大于12m 時(shí)，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(jìn)行，同排內(nèi)應(yīng)間隔1 ～2 孔，以免因振動(dòng)擠壓造成相鄰孔縮孔或塌孔，成孔后清底夯實(shí)、夯平，并立即夯填水泥土。樁孔應(yīng)分層夯實(shí)，每層回填厚度350 ～400mm。人工夯實(shí)用重25kg 帶長(zhǎng)柄的混凝土錘，機(jī)械夯實(shí)可采用簡(jiǎn)易夯實(shí)機(jī)，一般落錘高不小于2m，每層夯擊不少于10 錘。樁頂標(biāo)高高出設(shè)計(jì)標(biāo)高200mm，做褥墊層時(shí)將高出部分鏟除。在雨季、冬季施工時(shí)，應(yīng)采取防雨、防凍措施，防止填料受雨淋濕或凍結(jié)。

具體到本工程，經(jīng)初步測(cè)算可采用成孔直徑450mm，樁間距1.0m，三角形布置。預(yù)估220kV 配電區(qū)需打樁2510 根，平均樁長(zhǎng)6m，樁體積共2394m3。

處理后的地基宜通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得復(fù)合地基的壓縮系數(shù)、壓縮模量、濕陷系數(shù)、承載力標(biāo)準(zhǔn)值等物理力學(xué)指標(biāo)。孔內(nèi)填料的質(zhì)量通過(guò)壓實(shí)系數(shù)控制，壓實(shí)系數(shù)不得小于0.95。檢查數(shù)量不少于樁數(shù)的2%，同時(shí)每臺(tái)班至少應(yīng)抽查1 根。在全部孔深內(nèi)宜每米取土樣測(cè)定其干密度，檢測(cè)點(diǎn)的位置應(yīng)距孔中心2/3 孔的半徑處。孔內(nèi)填料的夯實(shí)質(zhì)量也可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定。

2.2 孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法(DDC)

孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法(DDC)復(fù)合地基是以洛陽(yáng)鏟掏土成孔，填以水泥土或灰土夯擊，通過(guò)重錘高動(dòng)能、超高壓、強(qiáng)擠密，對(duì)樁孔填料進(jìn)行固結(jié)，對(duì)樁間土進(jìn)行強(qiáng)擴(kuò)充擠密，從而達(dá)到對(duì)樁體和樁間土動(dòng)力固結(jié)處理地基的目的，形成復(fù)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(zhì)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(shí)，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(guò)重約2t 的尖錘，落距不小于10m，夯擊數(shù)不小于8 擊，夯實(shí)樁體、擠密樁間土，既能消除濕陷性也能提高回填土質(zhì)量。

經(jīng)測(cè)算，本工程可采用成孔直徑400mm，夯后擴(kuò)徑650mm 左右，樁間距1.2m, 三角形布置，的孔內(nèi)深層強(qiáng)夯(DDC)水泥土樁。預(yù)估220kV 配電區(qū)需打樁1746 根，平均樁長(zhǎng)6m，樁體積共3474m3。

成樁后14 ～28d 應(yīng)對(duì)樁、樁間土和復(fù)合地基進(jìn)行抽樣檢測(cè)。對(duì)樁、復(fù)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(píng)價(jià)。靜載荷試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)量應(yīng)為總樁數(shù)的0.5%～1%，且單體工程不小于3 個(gè)。動(dòng)力觸探等原位測(cè)試，檢測(cè)數(shù)量應(yīng)為總樁數(shù)的0.5%～1%，且單體工程不小于6 個(gè)。土的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)取樣應(yīng)為總樁數(shù)的0.3%～1%，每個(gè)試驗(yàn)層不少于6 組。

3 方案選擇

水泥土擠密樁法、孔內(nèi)深層強(qiáng)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(jī)械簡(jiǎn)單，施工過(guò)程質(zhì)量易控制的特點(diǎn)。兩者相比，由于孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法采用了，具有高動(dòng)能、超高壓、強(qiáng)擠密的特點(diǎn)，處理后的地基承載力更高，壓縮性更小，同時(shí)具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。因此，本工程選用孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法進(jìn)行處理。

4 檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)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(yōu)含水量WOP平均為21.1%，無(wú)側(cè)線抗壓強(qiáng)度大于6MPa。

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

復(fù)合地基承載力設(shè)計(jì)為≧400kPa,經(jīng)檢測(cè)復(fù)合地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。復(fù)合土層變形模量大于30MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

水泥土樁是將水泥和土料事先充分拌勻，回填至樁孔內(nèi)，然后進(jìn)行夯實(shí)，形成樁體。成樁后, 水泥和土體通過(guò)水解、水化反應(yīng)生成可持續(xù)硬化的水化產(chǎn)物, 形成水泥土密實(shí)強(qiáng)度。水泥土樁的成樁可采用擠密樁專用夾桿式夯實(shí)機(jī)，也可采用孔內(nèi)深層強(qiáng)夯工藝成樁，但兩者由于夯擊能不同，對(duì)原有地基的加固效果有所區(qū)別，孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法由于夯擊能較大相對(duì)加固效果也較好。本工程采用孔內(nèi)深層強(qiáng)夯工藝水泥土樁有效解決了山區(qū)回填土及濕陷性黃土地基的不均勻沉降問(wèn)題，目前該項(xiàng)目已運(yùn)行10 余年，未發(fā)生不均勻沉降現(xiàn)象，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)想。