某变电站地基变形分析及处理

林金星

1 工程概况

该变电所主要由一座2层高的主控楼、3个各100 t重的主变压器和110 kV的屋外配电装置及主电缆沟等组成，其中主控制楼和主变压器基础采用静压预应力混凝土管桩，桩基持力层为全风化花岗闪长岩，上部主体结构为钢筋混凝土框架结构。

现有构建物自2007年7月竣工以来，场地地面均出现了不同程度的沉降、水平位移，对变电站的使用造成了一定的影响。

场地土层物理、力学指标见表1。

表1 土层物理力学指标

变电所场地所处地貌为山前冲淤积平原。南靠山丘，其余三面为宽阔的平原。场地微地貌类型为海积阶地，处于滨海软土地区的傍山地带，场地土由第四系更新统～全新统海积与冲积层组成，地层层位略欠稳定，岩面起伏较大。场地勘探揭露土层自上而下主要为:粉质粘土、淤泥、全风化花岗岩和强风化花岗岩。

2 建(构)筑物及场地地面沉降情况

自2008年4月下旬至2008年7月中旬，对该场地进行了沉降观测、土体深部水平位移观测，共观测6次，观测频率约2周1次，观测历时约80 d。

根据观测结果，场地沉降情况:场地西侧、北侧、东侧三面沉降量较大，最大沉降量约18 mm，最大平均沉降速率约为0.225 mm;场地靠近南侧(傍山侧)沉降量较小，沉降量一般在5 mm以内，平均沉降速率约为0.0625 mm。

场地地基土深部水平位移:

场地西侧、北侧、东侧三面土体深部水平位移较大，水平位移约在0 mm～15 mm范围内，最大位移深度一般在0 m～5.0 m范围，最大平均沉降速率约为0.1875 mm。

3 变形原因分析

场地变形主要为填土层及淤泥层的沉降。因此引起场地变形的原因主要为淤泥层的固结沉降、填土层的沉降。

3.1 淤泥层固结沉降

该场地淤泥分布较不均匀，厚度相差较大。淤泥平均含水量为57.9%，平均孔隙比为1.557，该淤泥层抗剪强度较低，触变性强，压缩性较高，工程性能较差。

土体的压缩变形需要一个过程，由于淤泥渗透系数都很低(属不透水层)，固结沉降过程漫长，厚度较大时固结过程需要几十年之久。淤泥的固结沉降不仅与应力、时间有关，还与淤泥层上下土层的排水等条件有关。

淤泥的某个时间点的固结沉降量计算一般先采用分层总和法计算出淤泥层的沉降量，再计算出该时间点完成的固结度，进而可以求得该时间点的固结沉降量。

分层总和法计算公式:

其中，s为淤泥质土层压缩量，mm;n为地基压缩层范围内所划分的土层数;p0为填土(石)荷载，kPa;Esi为第i层土的压缩模量，MPa;zi，zi－1分别为地面至第 i层和第 i－1层底面的距离，m;αi，αi－1为地面计算点至第i层和第i－1层底面范围内平均附加应力系数;ψs为沉降计算经验系数。

固结度计算公式如下:

其中，Tv为对应于固结度的时间因数;t为固结的时间，s;H为淤泥土层的厚度;Cv为淤泥的固结系数。

根据该场地情况，淤泥层固结度计算时，按单面排水考虑，根据初步估算，淤泥层总沉降量约为1000 mm(淤泥厚度按平均厚度12 m考虑)，目前完成的平均固结度约为40%。该层淤泥在上部新近填土及地面荷载作用下完成的平均沉降量约为400 mm，后期沉降量还很大。

3.2 填土层填筑期间及填筑后的沉降

由于填土为新近填土，尚未完成自重固结沉降。填土在填筑过程中在土方车及碾压机械的碾压过程中已完成了很大一部分沉降，该沉降量主要是因土颗粒间的缝隙、孔隙缩小等原因产生。但由于填土级配较差，即使经过碾压，也难免存在缝隙、孔隙。一般认为经过分层碾压的填土，可以完成70%～90%的沉降量(主要由填土密实度决定)。填土碾压完成后1年～2年内还会产生一定的工后沉降。该场地填土层厚度按5.0 m(勘察后场地又填筑到了设计标高)考虑，后期估计还会有几厘米的工后沉降量。

3.3 填土层在地下水作用下的沉降

填土层除了在自重固结作用下会产生沉降外，在地下水作用下也会产生一定的沉降量。微观上，土体是具有一定结构的，粘性土一般为絮状结构，在水的作用下土颗粒间的联结强度会降低，絮状结构会破坏并变为平行的重塑结构，增大了土层的压缩性，土层会产生湿陷。场地填土层在大气降水等产生的地下水作用下就会产生一定的沉降量。但填土层在经过几次的湿陷后，湿陷沉降量就基本完成了。

4 加固措施

由于场地存在深厚淤泥及新近回填土，且淤泥厚度极不均匀，地面工后沉降及不均匀沉降较大，根据该场地的工程地质、原设计资料及使用现状等条件，110 kV屋外配电装置(支架)、主变母线桥和主控制楼室内拟采用钢管桩进行加固，并在桩顶设置梁、板体系形成整体，防止场地建(构)筑物的工后沉降进一步发展，减少不均匀沉降，确保站内已有电力设备的正常使用。

钢管桩采用预钻孔法施工，即先采用地质钻机成孔至设计深度，然后分节压入钢管桩，主控楼室内每节长度为2 m，其他为3 m。钢管采用φ219×6和φ325×8焊接钢管，接头采用钢套管围焊，焊缝高度hf=6 mm。钢管(除桩端5000外)外管壁应除锈，涂润滑油一道，并外包一层土工膜，以降低桩身负摩阻力。沿钢管桩桩身每隔2 m～3 m采用铁丝将土工膜绑扎固定，防止压桩过程中土工膜受损。钢管桩压至设计标高后，在钢管内倒入C20细石混凝土，加入适量微膨胀剂。钢管桩加固大样见图1。

施工过程中对场地进行了观测，根据观测结果，施工过程中场地最大沉降量为5 mm，平均沉降量为3.2 mm;深部水平位移最大位移为4.8 mm(典型位移曲线图见图2，图3)。

5 结语

经过对场地的沉降原因分析，认为场地地基土产生变形的原因主要为:

1)场地土层较复杂，淤泥厚度变化较大，全风化岩面坡度太大，造成场地不均匀沉降。

2)淤泥层的固结沉降是场地沉降的主要原因，该场地淤泥层属于高压缩性土层，工程性质较差，具有沉降量大，固结时间长，地基处理较困难等特点。

3)填土层在填筑过程中已经完成了大部分沉降，但不可避免的存在一定的工后沉降量。

4)该粘性土填土层在地下水的作用下，也会产生一定的湿陷沉降，但认为目前湿陷沉降已基本完成。

经过对场地变形原因的合理分析，结合场地工程地质、水文地质条件，综合考虑变电站构筑物的特点，最后采用了钢管桩进行加固，最终解决了场地的变形问题。加固后变电站使用过程中未出现明显的沉降、不均匀沉降。说明本次加固项目，变形原因的分析是合理、正确的，采用的加固方法也是技术上可行、合理的。

[1]JGJ 79-2002，建筑地基处理技术规范[S].

[2]林宗元.岩土工程治理守则[M].沈阳:辽宁科技出版社，1993.

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