摘要：该文分析了大厚度渣石场地和变电站建（构）筑物特点，论证多种地基处理方案在大厚度渣石场地应用的可行性，提出了灌注桩基础和注浆相结合的地基及场地处理方案。结合现场试桩及注浆试验，优化灌注桩及注浆设计参数，解决了在大厚度渣石场地建设变电站的难题，缩短了施工周期，节省了工程投资，为类似场地的变电站地基处理提供借鉴。
关键词：大厚度渣石场地；地基处理；灌注桩；注浆加固
0 引言
伴随着经济高速发展，土地资源日趋紧张，变电站选址越来越困难，为了提高土地利用率、节约土地资源，变电站建设于复杂场地成为必然趋势，如垃圾回填场地、深开挖大回填场地、渣石回填场地等。地基和场地的处理方案合理与否，不仅直接影响变电站土建投资的高低，更重要的是关系到整个变电站能否安全稳定运行，因此根据具体工程地质条件选择安全经济合理的地基和场地处理方案，对变电站土建设计人员来说是一项十分重要的工作。
本文结合某大厚度渣石场地地质条件和变电站建（构）筑物特点，论证多种地基处理方案在大厚度渣石场地应用的可行性，提出了灌注桩基础和注浆加固相结合的地基及场地处理方案。根据现场试桩及注浆试验，优化灌注桩及注浆设计参数，解决了在大厚度渣石场地建设变电站的难题，有效缩短了施工周期，节省了工程投资。
1 项目概况
某330kV变电站地处秦岭山区，建设场地为高铁隧道施工后的渣石回填区（回填区未经碾压呈松散堆积状），回填厚度为5~15m，渣石成分为片麻岩及角闪岩，且级配非常差，最大粒径达到2.0m，孔隙率较大。站址东西两侧为荒地，站址南侧为河道，河堤底部已加固修缮，地质条件相当复杂。站址地貌见图1。
图1 站址地貌
该变电站配电装置为户外GIS，GIS设备对不均匀沉降敏感，对场地的沉降控制要求高。因此，该变电站的地基处理方案成为整个项目的技术关键点，对工程建设投资、施工周期以及后期安全可靠运行具有举足轻重的作用，因此有必要对该场地的地基处理进行全面深入的研究分析。
2 地基处理方案分析
2.1 工程地质条件[1]
根据勘察报告，站址内主要地层岩性为人工新近堆积的杂填土、碎石（堆体）、第四系全新统冲洪积形成的粉质黏土、砾砂、卵石等，各层岩土的特征及分布自上而下描述如下：
①层：杂填土（Q4ml），杂色，稍湿，稍密，主要成分以粉质黏土为主，混少量卵砾石，局部混有建筑垃圾。该层土在场地内为临时堆放，分布及厚度都不均匀，勘察期间，主要分布在场地北侧，其余地段也有零星分布，平均厚度1.3m。
②层：碎石（堆体）（Q4ml），黑灰色~灰白色，松散，母岩成分以微风化状态的片麻岩及角闪岩等为主，多呈棱角状，颗粒粒径杂乱、大小不一，均匀性极差，一般粒径0.1m~1.0m，最大粒径超过2.0m，孔隙多被岩石碎屑充填。该层土在场地内均有分布，平均厚度9.8m。
③层：卵石（Q4al+pl），杂色，中密，母岩成分主要以片麻岩及角闪岩等为主，多呈亚圆状，磨圆度较好，一般粒径2~8cm，最大粒径约12cm，混有少量漂石及砾石（漂石粒径大于25cm），砂类土充填，颗粒级配较好。该层土分布于场地的大部分地段，平均厚度5.1m。
③-1层：粉质黏土（Q4al+pl），褐黄，稍湿，可塑，土质不均，含有较多云母碎屑，混有较多角砾（粒径2~4cm）及少量植物根系。该层土在场地内分布不均，以透镜体的形式零星分布，本次勘察期间仅在K01、K05、K114、K117揭露该层，平均厚度0.7m。
③-2层：砾砂（Q4al+pl），黄褐色，饱和，中密，主要矿物成分以长石、石英等为主，混较多卵石（粒径3~8cm）及少量黏性土，局部可见漂石。该层土在场地内分布不均，以透镜体的形式分布，平均厚度2.15m。
④层：花岗片麻岩，灰黑色，全风化，已近土状，主要矿产成分以长石、石英等为主，变晶结构，片麻状构造。根据本次勘察结果，该层土在场地内局部缺失，而且厚度差异较大（场地南侧大于场地北侧）。
④-1层：花岗片麻岩，灰黑色，强风化，节理裂隙发育，岩体较破碎，主要矿产成分以长石、石英等为主，变晶结构，片麻状构造。该层土在场地内均有分布，揭露厚度0.5m~2.7m。
④-2层：花岗片麻岩，灰黑色，中等风化，节理裂隙较发育，岩体较完整，主要矿产成分以长石、石英等为主，变晶结构，片麻状构造。该层土在场地内均有分布，揭露厚度0.7m~0.8。
2.2 地基土的工程性能[1]
根据勘察报告，站址内地基土的工程性能评价如下：
①层杂填土，呈稍密状态，组成成分复杂，物理力学性能差异较大，工程性能差，建议挖除。
②层碎石（堆体）该层土为新近堆积土，N120=1~15.4（击），呈松散状态，粒径杂乱、大小不一，均匀性极差，物理力学性能差异大，工程性能差，不宜直接作为建（构）筑物的天然地基或地基持力层。
③层卵石，平均击数N120=7.8（击），呈中密状态，颗粒级配较好，工程性能良好，可作为建（构）筑物的天然地基或地基持力层。
③-1层粉质黏土，呈可塑状态，属低压缩性土，虽然为原有地表土，但在上部②层碎石（堆体）的堆载预压下，密实度提高，工程性能有所改善，可作为建（构）筑物的天然地基或地基持力层。
③-2层砾砂，N=16（击），呈中密状态，但该层土在场地内分布不均，工程性能一般，可作为建（构）筑物的天然地基或地基持力层。
④、④-1、④-2层花岗片麻岩，呈全风化~中等风化状态，工程性能较好，可作为建（构）筑物的天然地基或地基持力层。
2.3 地基处理方案论证
变电站建（构）筑物主要包括：主控通信室、330kV构支架、330kV高压并联电抗器基础及防火墙、330kV GIS基础、站用变基础及防火墙、水工设施、道路、围墙、电缆沟等，建（构）筑物对地基承载力要求不高，但对不均匀沉降适应能力区别较大，GIS设备对不均匀沉降最为敏感，其次为主控通信室、330kV构支架、电抗器及站用变基础等。
通过分析大厚度渣石场地特点，初步确定可采用的地基处理方式有换填垫层、强夯法、注浆加固、灌注桩基础等。由于场地回填最大厚度达15米、渣石最大粒径达2米，采用换填垫层开挖及爆破工程量大、施工难度较大，工程造价不可控，不推荐采用；而项目东西两侧均离民房较多，距离最近一处民房离征地线仅6米，采用强夯法施工对居民生活影响较大，容易产生纠纷，加之回填渣石级配较差、地表以下4米范围尤为突出，强夯难于达到预期效果，加之靠河道一侧河堤挡墙及边坡较高（见图2），强夯法施工会影响其稳定性，不推荐采用；因此考虑对注浆加固和灌注桩基础组合方案展开研究。
图2 站址南侧挡墙及边坡
综合考虑站区建（构）筑物的重要性、结构型式、受力特点、对地基不均匀沉降的敏感性以及工程造价等因素，将建（构）筑物分为两类进行地基处理：主控通信室、330kV构支架、330kV GIS基础、电抗器及站用变基础等重要建构筑物拟采用灌注桩方案，水工设施、道路、围墙、电缆沟等次要构筑物拟采用注浆加固方案。
3 灌注桩及注浆加固设计
3.1 灌注桩设计
在大厚度渣石场地应用灌注桩的设计难点在于成桩工艺选取，常用成桩工艺有钻孔灌注桩、冲击成孔灌注桩、旋挖成孔灌注桩、人工挖孔灌注桩、内夯沉管灌注桩等。由于场地地层主要为杂填土和碎石，而且粒径杂乱、均匀性差、孔隙率较大，勘察取样过程非常艰难，所以采用钻孔或冲孔施工难度极大，而且塌孔严重、护壁工程量大，不适合采用；人工挖孔灌注桩施工效率低、风险大，而且建（构）筑物基础单桩承载力要求不高，人工挖孔灌注桩桩径较大不经济，因此拟采用内夯沉管扩底灌注桩，以③层卵石为桩端持力层。
结合建（构）筑物承载力要求，初步拟定桩径350mm、扩底直径600mm，桩长11~14m，预估单桩竖向抗压极限承载力标准值800kN，竖向抗拔极限承载力标准值200kN，考虑到场地②层碎石（堆体）粒径杂乱、均匀性极差，沉管施工可能会遇到桩端不能到达设计持力层的问题，考虑采取调整桩位布置、补桩并修改承台尺寸等应对措施。根据规范要求，在地质条件复杂场地应采用试桩确定桩基的适用性，通过静载荷试验确定单桩竖向极限承载力[2]，在基桩施工质量可靠性低的情况下还应进行试验桩检测[3]。设计拟做6根试桩，3根桩进行竖向抗压静载试验，3根桩做竖向抗拔试验。
3.2 注浆加固设计
根据岩土工程勘察报告，场地②层碎石（堆体）为两年来陆续松散堆积形成，受堆积过程运输车辆及局部复耕等活动影响，下部碎石孔隙多被石屑填充、相对密实，地表4m以内碎石孔隙率相对较大，而变电站水工设施、道路、围墙、电缆沟等构筑物对地基承载力要求虽然不高，但是过大的沉降变形也会影响变电站正常运行，所以拟对地表4m以内碎石采取注浆加固，提高场地密实度和整体稳定性。
根据规范要求，注浆加固设计前，应进行现场注浆试验，确定设计参数、检验施工方法和设备[4]。设计共选取3个有代表性的区域进行注浆试验，其中Ⅰ、Ⅱ区各20个孔，Ⅲ区25个孔。设计采用1：1水泥浆低压注浆，注浆压力不大于1Mpa，注浆孔孔径100mm，孔间距2m，孔底标高-3.5m，正三角形布置，具体设计参数根据试验结果修正。针对碎石层孔隙率较大，施工过程可能存在跑浆情况，拟采用水泥砂浆封底多次注浆工艺，施工时以地表冒浆或压力稳定为标准结束注浆。
4 灌注桩及注浆加固施工
4.1 灌注桩施工
内夯沉管扩底灌注桩采用锤击沉管，现场试桩及工程桩施工过程个别桩孔沉管受阻，调整桩位后均可以顺利成孔。工程桩施工跟踪发现内管锥头磨损严重，成孔效率较低，因此将内管锥头进行改进，采用高强度合金锥头，以加快在渣石层的沉管速度。
试桩过程中混凝土超灌较多，分析原因主要是碎石层均匀性差、孔隙率较大，导致部分桩段跑浆。经论证后改用全段复打法：第一次成孔满足设计深度要求后拔出内管，灌入不少于0.5m3的干硬性混凝土后锤击夯实，在桩底形成扩大头；然后在外管内灌满细石混凝土，缓慢拔出外管的同时插入内管加压，利用内管压力和自身重力将混凝土压入桩周孔隙，混凝土浇至孔口标高；静置后在混凝土初凝前进行原位置第二次成孔，利用桩尖的侧向压力使桩周孔隙填充密实，待第二次成孔到达设计深度后拔出内管在外管内放置钢筋笼，灌注混凝土的同时内管加压缓慢拔出外管成桩，并充分振捣确保桩身混凝土的密实度。
4.2 注浆加固施工
图3 封底及注浆完成照片
注浆试验过程中发现Ⅱ区漏浆现象比预估的严重，针对这一情况，现场及时调整水灰比并增加速凝剂，采用跳孔间隔注浆、先外围后中间的注浆顺序，漏浆情况显著改善。大面积注浆施工过程中部分区域地表未冒浆，分析原因可能是此区域下部碎石粒径及孔隙率偏大，经补充勘察验证了分析结果，后增加封底措施：首先通过注浆管注入水泥砂浆，注浆量按水泥用量1.0吨控制，达到封底效果，待浆液初凝后再进行多次注浆，每次注浆间隔时间不小于4h，一直到地表冒浆或压力稳定时结束注浆（封底及注浆见图3）。通过采取以上措施，注浆施工过程比较顺利，达到了预期效果，提高了场地密实度和整体稳定性，节省了工程造价。
5 检测
5.1 灌注桩检测
基桩检测采用低应变法评价桩身完整性，采用静载试验和高应变法检验单桩竖向极限承载力。
根据试桩和工程桩检测结果，桩身完整性较好，属I类桩，有不同程度的扩径，单桩竖向抗拔和抗压极限承载力满足设计要求[5]。考虑场地地层的复杂性，建议加强对施工桩长及桩位偏差的控制，基坑开挖时应防止机械对桩的损坏。
5.2 注浆加固检测
检测采用钻探、重型动力触探试验两种手段，通过钻孔取芯观察水泥浆液的充填情况和胶结程度，采用重型动力触探试验检测注浆后场地土的密实性。综合评价注浆后场地土工程性能的改善情况。
根据检测报告，钻孔深度范围内所抽取芯样中含有大量的水泥砂浆，碎石孔隙被水泥浆液充填，胶结良好，未见明显大孔洞[6]（取样照片见图4）。动力触探统计结果显示：注浆加固试验区场地0.0~4.0m 深度范围内N63.5 =22.3～35.6 击，呈密实状态。
钻探和重型动力触探试验两种检测结果表明，经注浆加固处理后，自现有场地向下4.0m 深度范围内地基土的孔隙率降降低、整体性提高，满足设计要求。
图4 钻孔取样照片
6 结语
通过分析大厚度渣石场地特点，结合变电站建（构）筑物地基承载力和变形要求，提出了灌注桩基础和注浆加固相结合的地基及场地处理方案，检测结果表明组合处理方案效果良好，解决了在大厚度渣石场地建设变电站的困难，工程已顺利投运并安全运行一年多，结合工程实践取得以下经验：
（1）大厚度渣石场地岩土勘察工作应结合建（构）筑物特点及设计方案适当增加勘探点密度，便于分区域优化设计参数。
（2）大厚度渣石场地采用灌注桩和注浆加固时，应结合岩土工程勘察报告进行技术经济论证，保证方案安全可靠、经济合理。
（3）灌注桩应尽量选用小直径桩，成桩工艺可采用内夯沉管，混凝土超灌较多时应查明原因采取措施，可采用复打法保证桩身完整性及桩体质量。
（4）注浆加固时可在成孔后先采用水泥砂浆封底再注浆，且注浆压力不宜过高，对于孔隙率较大的区域可采取添加细砂及早凝剂等措施。
参考文献：
[1]佛坪330kV开关站《岩土工程勘察报告》，2016
[2] JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.
[3] JGJ 106—2014《建筑桩基检测技术规范》[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.
[4] JGJ 79—2012 《建筑地基处理技术规范》[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.
[5] 陕西有色西勘测试有限公司《佛坪330kV开关站基桩检验报告》，2016.
[6] 陕西有色西勘测试有限公司《佛坪330kV开关站基桩检验报告》，2016.
作者简介：
张海刚（1978-），男，高级工程师，主要从事变电站结构设计、研究工作。
论文作者:张海刚1,张晓明2,黄瑜1,邵建华1
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/1/3
标签：地基论文; 场地论文; 注浆论文; 厚度论文; 变电站论文; 粒径论文; 孔隙论文; 《基层建设》2018年第34期论文;