田效軍，黃達余，梅狄克，安春秀

（中國能源建設集團 浙江省電力設計院有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引 言

某500 kV變電站位于浙江省寧波市東北面15 km的寧波石化經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)泥螺山圍墾一期工程內(nèi)，站址四周空曠，如圖1所示。該區(qū)域東臨灰鱉洋，東距泥螺山圍墾一期工程海堤約200 m，南側(cè)為新泓口圍墾工程區(qū)，如圖2所示。土地性質(zhì)為海域，建設前站址屬濱海相淤積海灘圍墾區(qū)，原始地形為淤泥淺海灘。站址范圍水下地形標高為-0.8～0.4 m左右，現(xiàn)大部分為水域，場地水深一般在0.8～1.0 m左右。

圖1 建設前站址場地Fig. 1 Station site before construction

圖2 站址地理位置Fig. 2 Station location

本項目的典型地質(zhì)鉆孔圖如圖3所示，場地淺部土層主要為第四系濱海相海積成因的淤泥、粉土、淤泥質(zhì)土；中部夾陸相沖洪積成因的粉質(zhì)黏土和夾砂黏性土；下部為淺海相海積的粉質(zhì)黏土，底部夾中細砂層，土層物理力學指標如表1所示。場地地基土分布、結(jié)構及性狀簡述如下：

表1 土層物理力學指標Table 1 Physical mechanics parameters of soil layers

圖3 典型地質(zhì)鉆孔圖Fig. 3 Typical geological map

①層淤泥：黃灰色，飽和，流塑，厚層狀，局部夾粉土薄層。該層在場地內(nèi)一般均有分布，層厚1.8～8.0 m，分布相對均勻。

②層黏質(zhì)粉土：黃灰-灰色，稍密，很濕。搖振反應迅速，韌性低，干強度低，夾粉砂薄層。該層在場地內(nèi)均有分布，層厚4.0～11.9 m，層頂高程-8.16～-1.87 m，分布相對均勻。

③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：灰色，飽和，流塑，局部夾粉砂薄層，厚層狀，含少量有機質(zhì)，中-重塑性，韌性高，干強度高，切面光滑。該層在場地內(nèi)穩(wěn)定分布，層厚7.50～20.90 m，層頂高程-18.48～-11.71 m，分布相對均勻。

④層粉質(zhì)黏土：灰綠-蘭灰色，濕，可塑為主，局部軟可塑，厚層狀，無搖振反應，韌性中等，干強度高，大部分區(qū)域有分布，局部夾粉砂，含量約20%左右，韌性中等，該層層厚1.0～7.7 m，層頂高程-33.19～-23.37 m，層厚不均，性質(zhì)從可塑-軟可塑有一些差異。

⑤層粉細砂：淺灰色，很濕，中密，局部夾少量黏性土薄層，可見石英、云母等礦物，粉砂平均含量70.2%，細砂10.6%。該層在場地內(nèi)穩(wěn)定分布，層厚3.4～12.2 m，層頂高程-37.69～-26.57 m，層厚差異較大。

⑥層砂質(zhì)粉土：淺灰色，濕，中密，切面粗糙，含云母碎屑，搖震反應迅速，具層理。該層層厚2.4～17.5 m，層頂高程-42.79～-34.81 m，層厚不均。

⑦層粉質(zhì)黏土：灰色，濕，軟可塑。厚層狀，韌性中等，局部夾大量粉土、粉砂，分布不均。層位較穩(wěn)定，層頂高程-50.52～-41.38 m，本次勘察未揭穿，部分鉆孔有揭露，最大控制厚度23.2 m。

1 樁網(wǎng)復合地基設計

擬建場地設計地坪標高為3.85 m，水下地形標高為-0.8～0.4 m，因此場地平整后回填土石方最大厚度約4.5 m。場地淺表地層廣泛分布淤泥地層，厚度一般1.8～8 m，平均厚度6.0 m左右。下臥深厚淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，厚度7.50～20.90 m。淤泥和淤泥質(zhì)土為飽和軟土，具有含水率高、壓縮性強、強度低、滲透性差等不良工程地質(zhì)性質(zhì)，在荷載作用下完成固結(jié)所需的時間較長。因此，在大面積、大負荷的堆載作用下將會產(chǎn)生地基土的剪切破壞與較大的沉降變形。

采用國標規(guī)范分層總和法計算，大面積回填土下，場地最大沉降1 026 mm（最小沉降740 mm）。采用有限元分析軟件PLAXIS-8.1進行復核，場地最大沉降895 mm（最小沉降為709 mm），計算結(jié)果接近，有限元計算模型和計算結(jié)果如圖4～6所示。天然地基不能滿足地基基礎的要求，需進行人工地基處理，使地基土滿足變形及強度要求[1]。

圖4 PLAXIS有限元計算模型Fig. 4 Finite element calculation model of PLAXIS

圖5 沉降計算云圖Fig. 5 Cloud chart of settlement calculation

圖6 沉降時間曲線Fig. 6 Settlement variation with time

樁網(wǎng)復合地基作為處理軟土地基的有效方式，自上而下由路堤填料、加筋墊層、樁（帶樁帽）和地基土體組成。樁網(wǎng)復合地基將豎向增強體（一般為鋼筋混凝土樁）以及水平向增強體（一般為土工格柵加筋墊層）聯(lián)合使用，該工法通過變形協(xié)調(diào)，能較充分地利用樁體的承載能力，減小沉降和差異沉降，提高地基承載力和穩(wěn)定性，縮短施工時間。近年來在公路、鐵路的軟基處理上得到了廣泛應用[2-4]。

樁網(wǎng)復合地基利用填土中形成的土拱和加筋體的兜提作用，將大部分填土荷載由樁承擔并向下傳遞到了深層承載力較高的土層，而樁間土承擔的填土荷載很少，因而填土沉降大大減小[5-6]。圖7為結(jié)合本工程特征描述的樁網(wǎng)復合地基受力示意圖。

圖7 樁網(wǎng)復合地基受力示意圖Fig. 7 Load mechanism of pile supported foundation

經(jīng)方案比選，本工程采用兩種型號的預制混凝土管樁，一般區(qū)布置PHC-AB500，壁厚125 mm；邊坡區(qū)布置PHC-AB400，壁厚95 mm。其中一般區(qū)樁端進入⑤粉細砂層2.0 m；邊坡區(qū)為進入④粉質(zhì)黏土層2.0 m。樁中心距均為3.0 m，樁帽尺寸1.8 m×1.8 m，樁帽以上鋪設兩層土工格柵，如圖8～9所示。

圖8 樁網(wǎng)復合地基剖面圖Fig. 8 Section of pile supported foundation

圖9 樁網(wǎng)復合地基細部圖Fig. 9 Detail drawing of pile supported foundation

2 樁網(wǎng)復合地基施工工法

沿海灘涂地區(qū)，往往表層淤泥層較厚，無法滿足回填土直接填筑要求，且下臥深厚淤泥質(zhì)土工程性質(zhì)極差；樁帽間回填夯實擠淤大，無法采用大型機械及壓路機碾壓夯實[7]。某500 kV變電站樁網(wǎng)復合地基進行專項研究，現(xiàn)場施工如圖10所示，施工工藝流程如下：

圖10 樁網(wǎng)復合地基施工工藝流程Fig. 10 Construction process of pile supported foundation

（1）場地圍堰施工；（2）將毛竹片連接成片鋪設在土工編織網(wǎng)上，提高表層淤泥承載力，小型車輛逐步運送溏渣回填，滿足樁基機械進場條件，降低回填沉降量；（3）PHC管樁施工，采用合適的樁基施工順序，盡量減小擠土效應，保證樁基承載力；（4）第一層接地網(wǎng)鋪設；（5）承臺樁帽施工，樁帽表面應平整，并涂抹防腐砂漿；（6）樁帽間回填土夯實，為減少夯實擠淤，采用0.5 t滾輪式手扶式壓路機多次碾壓夯實；（7）土工格柵褥墊層施工，為滿足防腐蝕要求，采用聚酯經(jīng)編土工格柵；（8）回填塘渣，采用長臂挖機攤鋪，按設計要求分層回填、壓實到初平標高。

3 現(xiàn)場實測驗證

本節(jié)給出監(jiān)測區(qū)的樁體荷載分擔比、沉降、承載力的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，并與設計計算方案進行對比分析。

（1）樁體荷載分擔比

根據(jù)CHEN等[4]建立的托板樁單樁處理范圍的內(nèi)外土柱分析模型，采用半解析模型計算得到本工程樁體荷載分擔比，隨著地基土體的固結(jié)，荷載分擔比不斷增大，最終計算值達到了84%。根據(jù)現(xiàn)場樁頂平面不同位置土壓力監(jiān)測結(jié)果，按照面積等效原則換算獲得樁體荷載分擔比隨施工過程的發(fā)展變化過程，如圖11?，F(xiàn)場實測荷載分擔比在填筑完成時約為70%，在固結(jié)期間先增大后趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在80%左右，隨固結(jié)發(fā)展的變化曲線與計算荷載分擔比存在一定差異，但整體較為接近且留有一定的安全儲備[8-9]，說明設計計算的荷載分擔比是比較合理可靠的。

圖11 樁體荷載分擔比監(jiān)測結(jié)果Fig. 11 Monitored results of pile load share ratio

（2）沉降

樁網(wǎng)復合地基的總沉降主要由以下幾部分組成：填土自身的壓縮量Scb、樁體自身的壓縮量Spb、樁帽向上進入填土的位移Spu、樁端刺入下臥層的位移Spd及下臥層的沉降量Sb[10]。

對深厚軟土地基，下臥層沉降量Sb在總沉降中占有很大比例，這部分沉降可按群樁基礎計算[11]。

基底附加應力為pz0=70 kPa；基底以上土和基礎自重應力為pcz=25×1.2+19×1.8+9×1.5=77.7 kPa（地下水位按-3 m考慮）；大面積填土下，基底處土的自重應力為σcz=19×3+9×1.5=70.5 kPa。

樁端荷載傳遞系數(shù)為：

式中：樁間距Sa=3 m；樁徑d=0.5 m；樁長l=35 m；基礎范圍內(nèi)總樁數(shù)np=9。

按樁端荷載傳遞系數(shù)，計算樁端平面附加應力為：

分析發(fā)現(xiàn)，一般的建筑物，樁端下臥層壓縮層厚度約為（0.5～0.6）Be[11]。本工程9樁承臺寬度為8 m，因此，沉降計算深度取值0.6×8=4.8 m。

樁端持力層為○5a層粉細砂，計算樁端下臥層沉降為：

根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ 94—2008）[12]樁身壓縮量：

此外，根據(jù)工程經(jīng)驗，板頂向上的刺入變形約15 mm；樁端刺入下臥層的位移10 mm；填土自身的壓縮量在施工期完成，工后沉降可忽略不計。

樁網(wǎng)復合地基沉降計算為：

現(xiàn)場監(jiān)測了承臺上2 m處的沉降。圖12為承臺上2 m沉降板累計沉降曲線。由圖可見，沉降大部分發(fā)生在填筑施工期內(nèi)，填筑完成時監(jiān)測沉降42 mm，最后一次監(jiān)測時最大沉降約80 mm，與樁網(wǎng)復合地基沉降的計算值81 mm接近。因監(jiān)測儀器損壞，210天后未再繼續(xù)監(jiān)測，但根據(jù)后續(xù)完工后監(jiān)測判斷，沉降已基本趨于穩(wěn)定。

圖12 承臺上2 m沉降板累計沉降曲線Fig. 12 Accumulated settlement of settlement plate placed 2 m above pile cap

（3）復合地基承載力

監(jiān)測區(qū)樁長35 m，間距3 m，托板邊長1.8 m，面積置換率m=36%，fak=40 kPa，設備基礎為獨立基礎，基底附加荷載約70 kPa。

單樁豎向極限承載力標準值計算為：

（按《建筑樁基技術規(guī)范》取中性點深度ln/l0= 0.7）。

不考慮負摩阻力時，計算單樁豎向承載力極限值為2 500 kN。根據(jù)單樁抗壓靜載荷試驗，單樁豎向抗壓極限承載力為2 600 kN，最大位移量20.66 mm，滿足設計要求，如圖13所示。

圖13 單樁豎向抗壓靜載荷試驗Q-S曲線Fig. 13 Q-S curve of vertical static load test on the single pile

參考《浙江省公路軟土地基路堤設計要點》第9.4條及條文說明，剛性樁作為路堤樁使用時，承載力設計安全系數(shù)建議取1.1～1.3。本工程單樁承載力特征值Ra=1 560/1.2=1 300 kN。

根據(jù)《復合地基技術規(guī)范》第5.2.1條[6]，驗算樁網(wǎng)復合地基承載力為：

根據(jù)樁網(wǎng)復合地基抗壓靜載荷試驗，監(jiān)測區(qū)樁網(wǎng)復合地基最大加載量為1 400 kN，承壓板面積1.8 m×1.8 m=3.24 m2，如圖14所示。復合地基承載力特征值取最大加載量的一半計算，700 kN/3.24 m2=216 kPa，靜載荷試驗表明樁網(wǎng)復合地基承載力滿足設計要求。靜載荷試驗和理論計算得到的復合地基承載力特征值存在一定差異，原因可能在于理論計算時樁間土承載力特征值取表層土的原狀土承載力40 kPa偏保守，實際工況下為滿足樁基進場條件，表層回填部分塘渣，樁間土承載力提高。

圖14 復合地基抗壓靜載荷試驗Q-S曲線Fig. 14 Q-S curve of static load test on composite foundation

（4）土工格柵內(nèi)力測試

樁帽以上布置兩層土工格柵，采用柔性位移計固定在格柵結(jié)點上，分別布置在樁帽上方和樁帽之間。假定土工格柵為線彈性材料，土工格柵與柔性位移計之間緊密黏連、無相對位移，柔性位移計變形量等于格柵變形量，通過計算格柵應變，計算土工格柵的內(nèi)力[13-14]。

土工格柵變形及受力隨荷載變化曲線，如圖15所示。格柵間距在經(jīng)歷短暫的縮短以及施工干擾以后，格柵隨時間逐漸被拉伸，柔性位移計讀數(shù)相應增大。隨著樁間土的沉降，土體與格柵逐漸脫開，格柵開始受力，與管樁一起構成樁網(wǎng)復合地基，共同承擔上部荷載。樁間位置的格柵變形最大，受到的拉應力也最大。第二層格柵首先受力后，荷載才傳遞到第一層格柵，第二層格柵變形和受力都比第一層格柵大。格柵最大受力為16.4 kN/m，滿足設計要求。

圖15 土工格柵變形及受力隨荷載變化曲線Fig. 15 Deformation and stress curves of geogrid with load

需要注意的是，開始階段出現(xiàn)格柵伸長量和拉力為負值的現(xiàn)象，可能是因為局部格柵受施工等因素影響受擠壓，導致測試結(jié)果為負，也可能因傳感器故障，引起測量誤差。

4 結(jié) 論

變電站設備的正常運行，對地基沉降和差異沉降要求很高。某500 kV變電站位于圍海灘涂，工程性質(zhì)極差，天然地基不能滿足變形及強度要求。本文結(jié)合該工程案例，進行了樁網(wǎng)復合地基應用研究。經(jīng)方案比選與計算分析，該工程采用PHC-AB500樁網(wǎng)復合地基，樁中心距3 m，托板尺寸1.8 m×1.8 m，托板頂面鋪設兩層土工格柵，采用適合沿海灘涂地區(qū)的施工工藝。工程實施過程中，對樁網(wǎng)復合地基進行持續(xù)現(xiàn)場測試。測試結(jié)果表明，實測荷載分擔比和地基沉降與計算值較為接近，荷載分擔比逐漸穩(wěn)定在70%～80%范圍；大部分沉降發(fā)生在填筑施工期內(nèi)；靜載荷試驗表明，樁網(wǎng)復合地基承載力滿足設計要求；隨著樁間土沉降，格柵逐漸發(fā)揮作用，第二層格柵變形和受力均比第一層格柵大，地基沉降與承載力均滿足設計要求。