振冲碎石桩在变电站软基处理中的应用

周亚涛

（昆明供电设计院有限责任公司，云南 昆明 650011）

各类工程建设中经常遇到软土地基，变电站建设也同样会遇到此类问题。如何对软土地基进行加固和利用，使其既能满足建构筑物强度和稳定性的要求，又能够缩短工期、减少投资，这是地基处理工作中非常重要的环节之一，也是确保工程质量和安全的关键之所在。

某变电站所地处昆明市南部，场地西南侧的滇池是区域内主要的地表水体，距拟建场地约3公里。整个变电站都是软基，基底为厚度不等的淤泥和淤泥质粘土，如不作任何处理，显然满足不了上部填土沉降和稳定性的要求，需进行以提高承载力和控制沉降为目的的地基改良处理；但如果采用其他方法或全部换填，则工期较长，造价太高。经过技术经济综合比较，最后选定振冲碎石桩为本项目改良地基的最优方案，以提高地基承载力，减少地基的沉降量和差异沉降量。

1 场地工程地质条件

该变电站位于昆明市南部菜地上。场区内上覆地层为第四系全新统人工填土层（Q4ml）,即①大层；第四系全新统湖沼相沉积层（Q4l+h），即②大层；第四系全新统湖相沉积层组成（Q4l），即③大层。场区内地下水主要靠降雨和滇池水渗透补给，水量较丰富，水位埋藏较浅，稳定的地下水位在地面下0.2～0.4米，地下水类型为潜水，主要含水层为泥炭质土及粉土。场地地下水主要受大气降水补给和小清河水补给，以渗流或者地表径流的形式排泄入小清河，然后汇入滇池。

影响最大的不良地层是在整个场地范围内地表下2米左右局部分布有淤泥透镜体和地表下约5～10米分布的第四系泥炭，含腐烂、半腐烂的植物根茎，一般呈软塑～流塑状态，土质软弱，孔隙比大，压缩性高，平均厚度约4.5米。地层时代较新，承载力较低，属于高～中灵敏性土。附加压力较大时，厚层软土会产生较大的固结沉降变形，对工程影响较大。

②11淤泥：褐灰、灰色，流塑状态，湿，高压缩性，孔隙大，切面稍光滑,无摇振反应，干强度中等，韧性中等，含少量有机质。该层土层厚0～1.4米，呈透镜体分布于②1 层中。

②2泥炭：黑褐、褐灰、深灰色，软塑～流塑，饱和，超高压缩性，孔隙较大，切面粗糙,无摇振反应，干强度低，韧性差。含有大量未炭化的腐植物，有机质含量47.0～79.3%，平均64.8%。该层土层顶埋深5.4～6.1米，层厚4.1～4.9米；标贯试验锤击数2～4 击，平均2.9 击。

③11泥炭质土：褐灰、黑灰色，软塑状态，饱和，高压缩性，切面粗糙,无摇振反应，干强度低，韧性差。有机质含量13.2～63.7%，平均26.8%，局部为泥炭。该层土层厚0～2.3米；标贯试验锤击数2～3 击，平均2.5 击，呈透镜体分布于③1 层中。

据土的物理力学指标并经多次验算，淤泥质粘土之上填方高度为5米左右，变电站设备对不均匀沉降要求较高，若不对软土地基进行加固处理，势必产生较大的不均匀沉降，地基土还可能沿淤泥质土软弱面产生剪切滑动，造成高填方滑动破坏，要保证整个变电站区填方土体的整体稳定，必须对软土进行加固。

2 振冲碎石桩加固机理

由于泥炭、泥炭质土属饱和软土，碎石桩起着置换软土的作用。对于软弱层不太厚的情况，桩端可以直接作用于下部坚硬土层，此时复合土层中的桩体在荷载作用下会产生应力集中，由于桩体的压缩模量远比软弱土大，所以通过基础传给复合地基的外加压力随着桩、土的等量变形会逐渐集中到桩上上去，从而，复合地基的承载力明显提高，压缩性显著降低。如果软弱层厚度较大，桩体也可不贯穿整个软弱土层，软弱土层只有部分厚度转变为复合土层并起着垫层的作用，将荷载引起的应力向四周横向扩散，使应力分布趋于均匀，从而提高地基整体的承载力，将少沉降量。

在振冲制桩过程中，由于振动、挤密、扰动等作用，尽管地基土中会出现较大的附加空隙水压力，但随着时间的推移，原地基土的结构强度有一定程度的恢复，孔隙水压力逐渐向桩体转移消散，其结果是有效应力增大，颗粒结构重新排列，形成比较稳定的颗粒接触关系，空隙数量显著减少，土的结构趋于致密，稳定性增强，强度不断增大。

碎石桩在地基中还起到竖向排水通道和提高地基抗滑移能力的作用，大大缩短了孔隙水的水平渗透途径，促进了土中空隙水压力的消散，提高了饱和粘性土排水固结的能力，使沉降稳定加快。

3 复合地基设计与施工

3.1 基本原则

3.1.1 复合地基设计方案既要经济上合理，又要技术上可行，应采取既防软土沉降，又防软土剪切下滑的综合治理方案；有针对性地对软土进行处理，使经济效益更加显著。

3.1.2 为最大限度地保证变电站填方工程的稳定性，处理后的地基土在高荷载作用下，其安全系数应不低于1.25.

3.1.3 桩位布置和间距：对于大面积软土地基，桩位布置宜采用正三角形或正方形布置，桩的中心间距的确定应考虑上部填土荷载的大小、淤泥质粘土的强度。如果荷载大、软基强度低，则桩间距应小一些，打不到硬层的短桩，其间距应更小。本工程桩间距：建筑物下面是振冲碎石桩和预制管桩现结合，碎石桩的撞见中心距为3m；建筑外的场地部分碎石桩中心距为1.5m。

3.1.4 桩体材料选用粒径为20～50mm（最大粒径小于80mm）的碎石；桩的直径与淤泥质土的强度密切相关，经验算其间距确定为0.5m。复合地基的承载力标准值fsp,k 按下式推算：

fsp,k=[1+m(n-1)]fs,k(1)

式中：fs,k为桩间土的承载力标准值，取fs,k=80kPa；

m 为面积置换率，m=d2/d2c=d2/(1.5s)2=0.49；

n 为桩土应力比，按规范推荐的经验值取n=3。

因此，fsp,k=158.4 kPa。

3.1.5 宜在现场进行制桩试验和必要的测试工作，如荷载试验、桩顶与土面的应力测定、瑞利波波速测定等，提供设计、施工所需的各项参数值，使设计方案更加切合实际。

3.2 设计方案

变电站围墙内尺寸为90x44=3960m2，整个地基处理范围为围墙外扩5m 的范围，共5400 m2，站内有一幢三层的综合楼，占地约1270 m2。综合楼基底下振冲碎石桩加固软土地基并采用预制管桩基础，碎石桩桩中心间距1.5m，直径0.5m，呈正方形布置，桩底打入②3粉土或③1 粘土层深度不小于1.0m，综合楼以外的部分地基处理采用桩中心间距1.5m，直径0.5m 的真冲碎石桩呈正方形布置如图1。

图1 振冲碎石桩平面布置图

3.3 施工技术要求

3.3.1 振冲碎石桩

3.3.1.1 通过实践证明，用振冲碎石桩加固机场高填土软弱地基，具有较好的技术效益：经加固处理的地基土的压缩模量、承载力基本值均显著增长；实测地基最大沉降量为35.8mm，与理论计算值36.54mm 相吻合，达到了提高地基承载力、减少地基土沉降量和差异沉降量、加速沉降稳定时间的目的，加固效果甚佳。

3.3.1.2 与软土换填、钻孔灌注桩等处理方法相比，用振冲碎石桩加固软土地基，具有养护时间短、对周围建筑影响小、施工方便、安全可靠，无需基坑支护，节约材料、避免大量土方换填，加固费用低、可大大缩短工期等优点。为上部拉筋土挡墙和高填方施工赢得了时间，节约投资约500 余万元，创造了良好的经济效益和社会效益。

3.3.1.3 复合地基必须同时满足承载力和沉降量两个方面的要求，但沉降量和差异沉降量的控制是问题的关键。在满足承载力要求的前提下，合理确定桩的间距，适当增大复合地基的沉降量，并将其控制在一定的范围内，这样既可保证高填土的安全，又可缩短工期，降低工程费用。

（1）振冲碎石桩施工工艺流程为：振冲器就位→振冲成孔→清孔→提出振冲器→向孔内填料→下落振冲器振实填料→重复作业直至完成。碎石桩孔内填料方式应按照如下要求进行：即把振冲器提出孔口，网孔内倒入约1m 堆高的填料，然后下降振冲器使填料振实。对上部低强度软弱层，应进行加料初振，使石料挤入周围软土中形成护壁，防止塌孔。

（2）桩的施工顺序一般采用“由里向外”或“由一边推向另一边”的方式，禁止采用“由外向里”的方式制桩。加料不宜过猛，遵循“少吃多餐”的原则进行加料。

（3）振冲碎石桩边施工，边由填方队填满30～50cm 碎石，以保护桩顶面不被破坏。

（4）复合地基的设计承载力要求达到158 kPa 以上，单桩承载力要求达到300 kPa 以上。

3.3.2 对填土设计和施工的要求

3.3.2.1 变电站填方区高度达到7m，其填料又为若膨胀土，因此，填方施工除严格进行分层夯实外，同时应遵循膨胀土设计和施工的设计原则和施工技术要求。

3.3.2.2 软土地基上填土速度应按照以下要求严格控制：软土地段沿地界纵向每隔15m 于坡脚外2m 及10m 处设置观测桩，填高小于10m 时，每周观测1 次，填高10～15m 时每2d 观测1 次，填高大于15m 时每天观测一次，异常情况应及时观测、分析。当观测桩每天水平位移不大于20mm、竖向位移不大于15mm，认为是安全的，可以继续填土，否则应放慢填土速度或停止填土一段时间，待位移小于上述值且稳定后在继续填筑。

3.3.2.3 软基地段地表在碎石桩施工过程中满填30cm 厚的砂卵石，起到稳定软土和透水作用。

3.3.2.4 桩体施工完毕后按照每300 根桩随机抽样一根（但每处不得少于3 根）的原则进行单桩复合地基荷载试验或瑞利波波速测试。

3.3.3 对填方边坡、地表排水等的要求

3.3.3.1 靠近南湖地段的填方坡脚，在百年水位加波浪袭击高加安全高0.5m 及以下部分，设置脚墙基础和干砌片石护坡。

3.3.3.2 因软土地基处理范围大，因此在进行软基施工前，必须做好地表排水系统工程和盲沟工程，拦截地表水。如有井水露出地段，不得采用堵塞，而应做好支撑渗沟引排。

3.3.3.3 软基处理工程是基于地界以上按1：2 坡率至设计高程而设计的，设计中已考虑一定的偏差（即整个坡面），但今后填方坡顶如果偏差超过10m 时，其安全系数小于1.20，因此，必须另外增加工程措施进行加固。

经加固处理后，可提高地基土的压缩模量、承载力基本值，从而达到提高地基承载力、减少地基土沉降量和差异沉降量、加速沉降稳定时间从而缩短工期的目的。

[1]卢肇钧等《地基处理新技术》中国建筑工业出版社，1989

[2]曾国熙《地基处理手册》中国建筑工业出版社，1988