黑龙江某变电站膨胀土分析与评价

邢广锐

(黑龙江省电力勘察设计研究院，哈尔滨150078)

膨胀土是土中黏粒成分，主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的黏性土。对于膨胀土上的建筑物设计，需充分考虑膨胀土的特性，并对其分析评价，否则会影响建筑物上部结构的稳定性。本文通过对黑龙江省双鸭山市某一变电站岩土工程勘测成果进行研究分析，计算场地内膨胀土的膨胀潜势及胀缩等级，并对地基进行评价，提出了整治措施及建议。

1 地层概况

变电站工程规划规模为500 kV/750 mVA，位于黑龙江省双鸭山市，场地地势南高北低，变化较大，地形为坡地及岗地，地貌单元属剥蚀丘陵区，场地无明显自然陡坎。

岩土工程勘测揭露的场地岩(土)地层构成，上覆为第四系全新统坡积层)、残积层岩性主要为黏性土及残积土;下伏为元古界花岗岩，上部覆盖层厚度随地势变化较大。其场地地层特征为:①耕土层:黄灰、灰黄、黄褐色，松散，湿，主要由黏性土组成，含植物根系，层厚一般为0.40 ～0.70 m，层底埋深0.40 ～0.70 m，在场地内分布广泛;②黏土层:黄褐、褐色，硬塑状态，稍湿，含氧化铁及铁锰结核，干强度、韧性高，光滑，无摇震反应，层厚一般为0.90 ～4.50 m，层底埋深1.50 ～5.00 m，在场地内分布广泛;③粉质黏土层:浅黄、黄褐、黄色，硬塑状态，稍湿，含钙质，干强度、韧性中等偏高，稍有光滑，无摇震反应，层厚一般为0.50 ～8.60 m，层底埋深0.90 ～14.60 m，在场地内分布广泛;③1粉质黏土层:黄褐色、黄色，可塑状态，稍湿，含氧化铁及铁锰结核，干强度、韧性中等，稍有光滑，无摇震反应，层厚一般为0.60 ～3.00 m，层底埋深2.10 ～10.30 m，在场地内分布不均匀;③2黏土层:黄褐、褐色，硬塑状态，稍湿，含氧化铁及铁锰结核，干强度、韧性高，光滑，无摇震反应，层厚一般为0.60 ～4.70 m，层底埋深4.60 ～14.60 m，在场地内分布不均匀;④残积土层:黄褐、褐黄、黄色，中密，稍湿，呈风化砂、黏性土、角砾碎屑等混合状，层厚一般为0.40 ～2.00 m，层底埋深0.90 ～15.30 m，在场地内分布广泛;⑤花岗岩层:黄褐、褐色，强风化，岩体破碎，节理裂隙发育，岩体结构类型为碎裂体结构，层顶埋深1.10 ～15.80 m，在场地内分布广泛;⑤1花岗岩层:黄褐、褐黄、黄色，全风化，岩体极破碎，节理裂隙很发育，岩体结构类型为散体状结构，层厚一般为0.40 ～1.30 m，层底埋深1.00 ～15.80 m，在场地内分布广泛。场地典型地质剖面图见图1。

根据参照附近某大型发电项目勘测成果、场地的工程地质特征及本工程勘测成果，场地地层中②层、③层、③2层地基土自由膨胀率大部分＞40%，可判定其属于膨胀土。因此对场地变电站进行工程设计时，要重点查明膨胀土的工程特性，为设计提供重要的依据。

图1 场地典型地质剖面图

2 膨胀土物理力学性质指标及胀缩特性

2.1 膨胀土物理力学性质指标

本文对工程的岩土工程勘测室内土工试验成果进行了统计，结果见表1。

表1 膨胀土物理力学性质指标

2.2 膨胀土胀缩性指标

本文对本工程膨胀土室内土工试验结果进行了统计，统计结果见表2。

表2 膨胀土胀缩性指标

根据表1、表2 统计结果以看出，站址场地上覆以硬塑状态黏性土为主，中等压缩性，承载力较高，可以作为建(构)筑物天然地基，但根据《膨胀土地区建筑技术规范》(GB50112—2013)表4.3.4 可判定具有弱膨胀潜势，设计应充分考虑膨胀土遇水膨胀土、失水收缩的特性对上部建(构)筑物稳定性影响。

2.3 胀缩等级

对含有膨胀土场地进行岩土工程勘测，重点就是要查明膨胀土的分布特征及其胀缩特性和胀缩等级。胀缩特性根据自由膨胀率、50 kPa压力下相对膨胀率和收缩试验结果判定，而胀缩等级则根据其胀缩变形量确定。

根据膨胀特性指标可以判定地基土是以膨胀与收缩的变形方式进行的，依据下面方法计算地基土的胀缩变形量。根据土工试验成果资料，地表以下1 m处土的天然含水量(ω)=23.8%，塑限含水量(ωp)=24.3%，根据当地气象资料场地大气影响深度Zn=6.80 m，土的湿度系数Ψw=0.42。

地基土的胀缩变形量，应按下式计算:

式中:s 为地基土的胀缩变形量，mm;δepi为基础底面下第i 层土在该层土的平均自重压力与平均附加压力之和作用下的膨胀率，由室内试验确定;hi为第i层土的计算厚度，mm;n 为自基础底面至计算深度内所划分的土层数，计算深度应根据大气影响深度确定;有浸水可能时，可按浸水影响深度确定;λsi第i 层土的收缩系数，应由室内试验确定;△wi地基土收缩过程中，第i 层土可能发生的含水量变化的平均值(以小数表示);Ψ 计算膨胀变形量的经验系数，可取0.7。

根据上式算得:Δω1=0.13594。

以岩土工程勘测报告资料中28 号钻孔地层为例，基础埋深按2.50 m计，在大气影响深度内，基础底面至计算深度内所划分的土层数为三层，根据下式计算②层、③、③2层含水量变化值。

式中:z1=2.25 m，z2=4.70 m，z3=4.70 m。

计算结果Δw1=0.1087978;Δw2= 0.0556;Δw3=0.02411。

各层指标分别为:Ψ =0.7，h1=1 400 mm，h2=1 600 mm，h2=1300 mm，δep1=0.063%，δep2=0.18%，δep3=0.12%，λs1=0.229，λs2=0.20，λs3=0.27，根据上述公式2－1 计算地基土胀缩变形量s =46.52 mm。

根据《膨胀土地区建筑技术规范》(GB50112—2013)表4.3.5 判定，站址场地地基土的地基胀缩等级为Ⅱ级。通过对计算结果分析，可以得出站址场地内地基土的地基分级变形量以收缩变形为主。

2.4 大气影响急剧层深度

本地区大气影响深度为6.80 m，因大气影响急剧层深度应为大气影响深度的0.45 倍，所以场地大气影响急剧层深度可以按3.06 m考虑。根据建筑场地分类，站址地形坡度＜5°，场地应为平坦场地，站址区的基础埋深不应小于大气影响急剧层深度。

3 地基评价

变电站场地属山区地基的土岩组合地基，基岩表面坡度起伏较大，同一建设标高地基不均匀。设计时要避免将同一建筑物的基础同时置于不同地基土上，避免产生过大的地基不均匀沉降。

地基土中的②层、③层、③1层、③2层、④层、⑤层、⑤1层无论从地基岩(土)中的强度、及埋藏条件，均能满足变电站建(构)筑物对地基强度及变形的要求，可作为建(构)筑物天然的地基。

依据岩土工程勘测成果地基土中②层、③层、③2层具有弱膨胀潜势，地基土的地基胀缩等级为Ⅱ级。根据场地内各建筑地段的地层岩性，膨胀土要分布在综合建筑、主变压器、部分500 kV配电装置、部分附属建筑物地段。经室内土工试验成果分析，②层、③层、③2层地基土的膨胀力范围值在1.3 ～12.1 kPa，膨胀力小于建筑物基础的基底压力，可不考虑膨胀对工程建设影响。②层、③层、③2层地基土收缩系数范围值在0.10 ～0.33，根据对地基土的分级变形量验算，场地内地基土以收缩变形为主。设计和施工应根据地基土的地基胀缩等级和当地的建筑经验，按《膨胀土地区建筑技术规范》(GB50112—2013)的有关技术规定，进行设计及施工，对建(构)筑物进行必要的构造处理，同时施工时保持地基土的天然含水量，必要的建筑地段基础埋深应大于大气急剧影响深度或采取砂、碎石石垫层等方法进行地基处理。建(构)筑物在施工期、运行期应保护地基土的原始环境状态，同时应加大建筑物的散水宽度，散水以外的空地，宜多种草皮和绿篱。当采用桩基础时，其深度应达到胀缩活动区以下，且不小于设计地面下5.0 m。挖方边坡要做好截排水措施，放坡不宜太陡，距离较大时可考虑在坡脚设置挡土墙［1］。

4 结 语

文章依据变电站岩土工程勘测成果，重点对场地的膨胀土特性进行分析，通过分析可以得出以下结论:

1)变电站场地地基岩土为膨胀土，自由膨胀率多在40% ～65%，胀缩等级为Ⅱ级，具有明显的收缩性。

2)当采用膨胀土作为地基持力层时，应将基础埋深加大(不小于大气影响急剧层深度)，局部地段可对建(构)筑物进行必要的构造处理，同时施工时保持地基土的天然含水量。

3)采用桩基础时，其深度应达到胀缩活动区以下，且不小于设计地面下5.0 m。

4)应尽量避免采用膨胀土作为填料，当必须用膨胀土作填料时，宜采取改良措施;边坡设计时，坡度不宜太陡，同时须做好坡面的防渗措施。

［1］薛远峰，郑坚，洪哲，等. 双鸭山热电厂膨胀土地基岩土工程评价［J］. 电力勘测设计，2005(06):29－32.