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【摘 要】预应力混凝土管桩在目前的变电站工程中得到广泛的应用，尤其是适用于选址地质较差、地基承载力要求高、工期要求紧的工程。本文针对某220kV变电站建设工期十分紧张的情况，对其设计方案采用了预应力混凝土管桩基础，并采用桩基规范中经验参数法进行初步设计估算，经工程桩检测结果分析，可该方案均达到预期目标，取得了良好的效果。
【关键词】预应力混凝土管桩；220kV变电站；估算；检验
变电站作为电力系统运行的关键环节，其工程建设质量直接影响着各种设施设备的稳定应用，在一定程度上决定着国家与人民的电力使用利益。而预应力混凝土管桩，因其桩身混凝土强度高，穿透能力强，成桩质量可靠，工期短，施工速度快，综合造价低等优势，可大大提高变电站的建筑主体质量及结构安全系数。因此得到了施工方的普遍认可和接受，并越来越多地应用于变电站工程中。本文结合实际，对预应力混凝土管桩在220kV变电站中的具体应用进行了分析探讨。
1 变电站概况
某220kV变电站工程地质条件较差，地基土承载力不高，达不到设计要求，不能使用天然地基。针对变电站的工程特点，结合工程地质条件，通常选用复合地基——水泥土搅拌法进行地基处理，但由于工期非常紧张，须优先采用工期更短的地基处理方案，经综合分析，采用预应力混凝土管桩基础。
2 地质条件
耕植土（①）：松散，稍湿，含大量植物根系。揭露厚度为0.30～1.00m，层底埋深为0.30～1.00m，相应层底高程为16.99～17.80m。
黄土状粉土（②）：中密，湿，局部夹粉细砂薄层，有虫孔。揭露厚度为0.50～4.10m，相应层底高程为11.29～16.95m，fak（地基承载力特征值）＝110kPa。
黄土状粉质粘土（②-1）：湿，可塑-坚硬状态，具大孔隙。揭露厚度为0.70～4.30m，相应层底高程为13.45～16.03m，fak＝110kPa。
黄土状粉质粘土（②-2）：很湿，软塑-可塑状态，具大孔隙。揭露厚度为0.70～2.70m，相应层底高程为10.59～12.60m，fak＝90kPa。
粉细砂（②-3）：松散，湿-饱和。揭露厚度为0.50～1.10m，相应层底高程为13.61～14.72m，fak＝90kPa。
粉质粘土（③）：很湿，可塑-硬塑状态，混少量姜石，局部含有铁质锈斑。揭露厚度为0.70～5.50m，相应层底高程为5.84～9.21m，fak＝140kPa。
粉土（③-1）：中密，很湿，混少量姜石。揭露厚度为0.70～4.00m，相应层底高程为6.11～10.38m，fak＝150kPa。
粉质粘土（④）：很湿，可塑-硬塑状态，混大量姜石及粗砂颗粒。本次勘测未揭穿该层，最大揭露厚度6.80m，fak＝170kPa。
粉土（④-1）：中密-密实，很湿，混少量姜石。揭露厚度为0.60～4.40m，相应层底高程为4.00～7.18m，fak＝150kPa。
粉细砂（④-2）：稍密-密实，饱和。本地层仅部分孔内有揭露，揭露厚度为0.50～1.45m，相应层底高程为-0.07～5.85m，fak＝160kPa。
3 管桩选择
根据对拟建站址区的地层岩性、分布、层厚、埋深和各层土的物理力学性质的综合分析，站址区深度为10～15m，无理想的桩端持力层，桩基础方案可按摩擦桩考虑。
为满足工期要求，考虑施工方便，尽量不接桩，且采用小直径桩，桩型选自标准图集，易于购买且压桩所用的液压机具市场存量较多。经初步分析，变电站内建构筑物层高较低，荷载不大，采用小直径短桩可满足要求。
预应力高强混凝土管桩是近年来出现的新型预制桩，是一种采用离心成型的先张法预应力管桩，桩身混凝土强度等级不低于C80，单桩承载力相对较高，用料较省。该桩身的质量稳定可靠，桩身强度等级较高，穿透力极强，能够在极其恶劣的施工环境下保持完好无损，大大减少了裂桩、断桩等事故的发生。因此，初步确定采用直径300mm的预应力高强混凝土管桩，壁厚70mm，预应力钢筋6φ9，混凝土强度等级C80，敞口桩，桩型选自该省建筑标准设计图集《预应力混凝土管桩》中PHC-AB300（70）。桩长11m（桩端持力层为较硬土层④、④-1或者④-2，进入深度大于2d，d为桩径），无需接桩。
4 竖向承载力估算
按JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》5.3.8条，采用经验参数法确定PHC管桩的单桩竖向极限承载力标准值Quk：
式中：Qsk为极限侧摩阻力；Qpk为极限端阻力；u为桩身周长；li为桩穿过第i层土的厚度；qsik为第i层桩的极限侧阻力标准值；qpk为桩的极限端阻力标准值；Aj为空心桩桩端净面积，本工程取50579mm2；Ap1为空心桩敞口面积，本工程取20106mm2；λp为桩端土塞效应系数，本工程取λp＝0.8。
根据JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》表5.3.5-1和表5.3.5-2，综合确定桩长范围内各层土的极限侧阻力标准值qsik和极限端阻力标准值qpk列于表1中。由于经验参数法中各参数取值规范建议为区间，且最小值和最大值相差较大，为确保工程安全，取区间中较小值，然后采用桩基试验对结果进行验证。土层厚度取自岩土工程勘察报告。
注：生产综合楼基础埋深2m，220kV配电楼基础埋深2.2m，主变基础埋深1.8m。
根据上表各参数取值，计算各勘探钻孔单桩竖向极限承载力标准值列入表2。
分别计算各建构筑物区域单桩竖向承载力特征值如下：
生产综合楼：584.6÷2＝292.3（kN）
主变压器：586.6÷2＝293.3（kN）
220kV配电装置楼：564.5÷2≈282.3（kN）
生产综合楼和主变压器采用筏形承台板，220kV配电楼基础采用柱下独立桩基承台。按常规估计生产综合楼的最大竖向力为100000kN，1台主变基础下最大竖向力为5000kN，220kV配电楼每个柱下承台的最大竖向力为1300kN。估算各建构筑物基础下需要桩数量如下所示。桩的数量进位取整数：
生产综合楼：100000÷292.3≈343
主变压器（1台主变）：5000÷293.3≈18
220kV配电楼（单个柱下承台）：
1300÷282.3≈5
按JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》3.3.3条，桩间距应大于规范中规定的挤土桩最小中心间距。按此要求，生产综合楼下最多可布置约550根桩，主变压器下约32根，220kV配电楼单个柱下平台约8根。
根据单桩竖向承载力估算结果，采用小直径短桩可以满足变电站内建构筑物的荷载要求。
5 水平承载力验算
按JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》5.7.2条，估算PHC管桩的水平承载力特征值
式中各计算参数根据规范规定取值，桩顶允许水平位移取6mm，计算得Rha＝14.7kN。
根据单桩竖向承载力确定各建构筑物所需要的最小桩数。生产综合楼共343根桩，220kV配电装置楼共26根框架柱，每根柱下5根桩，合计130根桩。则每栋建筑物下桩基础的水平承载力分别为
生产综合楼：343×14.7＝5042.1（kN）
220kV配电装置楼：130×14.7＝1911（kN）
建筑物水平荷载主要是风荷载和导线张力，生产综合楼风荷载约为588kN，水平导线张力为63kN，共计651kN；主变压器风荷载可忽略不计；220kV配电装置楼风荷载为297kN，水平导线张力为200kN，共计497kN。
桩的水平承载力远大于建筑物水平荷载，基础下管桩的数量由单桩竖向承载力控制。
6 试桩结果
根据单桩竖向承载力及水平承载力试算结果，选用11m小直径短桩PHC-AB300（70）完全可以满足本工程建构筑物荷载的要求。
根据试算结果，选用PHC-AB300（70）在变电站内选择合适的场地进行桩基试验，采用单桩竖向抗压静载试验实测单桩竖向抗压极限承载力。
经检测，试桩单桩竖向承载力特征值为330kN，采用经验参数法估算单桩竖向承载力特征值平均值为289.3kN。实测单桩竖向承载力特征值与估算值基本吻合，仅略有提高。可见，对于小直径短桩，按规范中经验参数法估算单桩竖向承载力时，对于桩的极限侧阻力标准值及极限端阻力标准值的选取，应取规范推荐区间中的较小值。
7 工程检验
根据试桩报告结果进行工程设计，施工完成后，抽检265根桩进行低应变检测，以检测桩身缺陷，判定桩身完整性类别，检测结果265根全部为I类桩。在工期如此紧张的情形下，施工质量优良，表明预应力混凝土管桩施工质量易于控制。
此外，选取47根工程桩进行高应变检测，用以检测桩身完整性及单桩竖向承载力特征值能否达到设计要求。生产综合楼区域、主变区域及220kV配电装置楼区域单桩竖向承载力特征值分别为318kN、306kN、310kN，均可满足设计要求。将实测结果与估算结果列表比较，以进一步验证估算结果的准确性。
表3显示，实测单桩竖向承载力特征值基本与估算值基本吻合，仅略有提高，为估算值的104%～110%不等。估算结果较为准确。
预应力混凝土管桩施工时间为试验桩检测、施工、静止稳定、检测及报告的时间之和，即20＋10＋15＋10＝55（天）。水泥土搅拌法地基处理施工时间为设计前室内配比试验、搅拌桩施工、稳定、检测及报告的时间之和，即30＋20＋28＋10＝88（天）。采用预应力混凝土管桩基础节约工期约33天。采用预应力混凝土管桩方案，地基处理费用约为61.3万元；建设规模与本工程相同项目，采用水泥土搅拌桩处理方案，地基处理费用约为61.8万元。
从工程质量控制、工程造价、施工工期控制等方面，均达到预期目标，取得了良好的效果。
8 结语
综上所述，预应力混凝土管桩由于具有桩身强度高，单桩承载力高，设计选用范围广，施工速度快，质量可靠等优点，可在变电站地基处理中推广应用。本工程的设计方案采用了预应力混凝土管桩基础，并采用桩基规范中经验参数法进行初步设计估算，比较经验参数法估算的单桩竖向承载力特征值与实测结果的差异，提出对于小直径短桩在使用经验参数法计算时相关参数选取的建议。结合试桩及工程桩检测结果，可知该方案在工程质量控制、工程造价、施工工期控制的3个方面中，均达到工程预期目标，获得了较好的效果。
参考文献：
[1] 史坤，孙鹏辉.预应力混凝土管桩在某工程中的应用研究[J].山西建筑.2014
[2] 周俊颖，武志飞.预应力混凝土管桩的应用研究[J].建材技术与应用.2012
[3] 郑胜龙.预应力混凝土管桩在基坑支护施工中的应用研究[J].门窗.2014
论文作者:潘彬强
论文发表刊物:《低碳地产》2016年13期
论文发表时间:2016/11/11
标签：承载力论文; 预应力论文; 混凝土论文; 变电站论文; 管桩论文; 特征值论文; 工程论文; 《低碳地产》2016年13期论文;