预应力混凝土管桩在变电站中的应用

吴鹏，丛培瑞

（山东电力工程咨询院有限公司，济南250013）

预应力混凝土管桩在变电站中的应用

吴鹏，丛培瑞

（山东电力工程咨询院有限公司，济南250013）

由于某220 kV变电站建设工期十分紧张，而通常采用的水泥土搅拌法地基处理工期过长，设计方案采用了预应力混凝土管桩基础。采用桩基规范中经验参数法进行初步设计估算，结合试桩及工程桩检测结果，论证方案的可行性；同时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。

预应力混凝土管桩；变电站；经验参数法

0 引言

山东省内某220 kV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。

1 地质条件及初步设计

1.1 地质条件

耕植土（①）：松散，稍湿，含大量植物根系。揭露厚度为0.30～1.00 m，层底埋深为0.30～1.00 m，相应层底高程为16.99～17.80 m。

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0.50～4.10 m，相应层底高程为11.29～16.95 m，fak（地基承载力特征值）＝110 kPa。

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0.70～4.30 m，相应层底高程为13.45～16.03 m，fak＝110 kPa。

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0.70～2.70 m，相应层底高程为10.59～12.60 m，fak＝90 kPa。

粉细砂（②-3）：松散，湿-饱和。揭露厚度为0.50～1.10 m，相应层底高程为13.61～14.72 m，fak＝90 kPa。

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0.70～5.50 m，相应层底高程为5.84～9.21 m，fak＝140 kPa。

粉土（③-1）：中密，很湿，混少量姜石。揭露厚度为0.70～4.00 m，相应层底高程为6.11～10.38 m，fak＝150 kPa。

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6.80 m，fak＝170 kPa。

粉土（④－1）：中密－密实，很湿，混少量姜石。揭露厚度为0.60～4.40 m，相应层底高程为4.00～7.18 m，fak＝150 kPa。

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0.50～1.45 m，相应层底高程为－0.07～5.85 m，fak＝160 kPa。

1.2 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10～15 m，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［1］。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［2］。因此，初步确定采用直径300 mm的预应力高强混凝土管桩，壁厚70 mm，预应力钢筋6φ9，混凝土强度等级C80，敞口桩，桩型选自山东省建筑标准设计图集《预应力混凝土管桩》［3］中PHC－AB300（70）。桩长11 m（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。

1.3 竖向承载力估算

按JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》［4］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50 579 mm2；Ap1为空心桩敞口面积，本工程取20 106 mm2；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》［4］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。

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。

表1 单桩竖向承载力估算相关参数取值

表2 单桩竖向极限承载力标准值kN

根据JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》［4］5.2.2条，单桩竖向承载力特征值，其中K为安全系数，取值为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）

220 kV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，220 kV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100 000 kN，1台主变基础下最大竖向力为5 000 kN，220 kV配电楼每个柱下承台的最大竖向力为1 300 kN。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：100 000÷292.3≈343

主变压器（1台主变）：5 000÷293.3≈18

220 kV配电楼（单个柱下承台）：

1 300÷282.3≈5

按JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》［4］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，220 kV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。

1.4 水平承载力验算

按JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》［4］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6 mm，计算得Rha＝14.7 kN。

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，220 kV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＝5 042.1（kN）

220 kV配电装置楼：130×14.7＝1 911（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651 kN；主变压器风荷载可忽略不计；220 kV配电装置楼风荷载为297kN，水平导线张力为200kN，共计497 kN。

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。

1.5 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11 m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330 kN，采用经验参数法估算单桩竖向承载力特征值平均值为289.3 kN。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。

2 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220 kV配电装置楼区域单桩竖向承载力特征值分别为318 kN、306 kN、310 kN，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 单桩竖向承载力特征值结果比较

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。

3 结语

变电站内建构筑物荷载较低，采用小直径预应力混凝土管桩，施工方便，无接桩，施工质量易控制，可满足变电站地基处理要求。

对于小直径短桩，试桩前采用经验参数法估算单桩竖向承载力时，计算参数应采用规范中推荐区间中的较小值，单桩竖向承载力特征值计算结果与实测值基本吻合，略偏于安全。

［1］张连涛.预应力高强混凝土管桩施工技术［J］.科技创业家，2011（1）：15－16.

［2］张正恩，邵解放.预应力高强混凝土管桩的数值分析［J］.企业技术开发，2011，30（4）：63－65.

［3］L06G407预应力混凝土管桩［S］.北京：中国建筑工业出版社，2006.

［4］JGJ 94—2008建筑桩基技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

Application of Pre-stressed Concrete Pipe Pile in a Substation

WU Peng，CONG Peirui
（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Corp.，Ltd，Jinan，250013，China）

Because of the short construction period of a 220 kV substation and the fact that the construction period of the cement-soil deep mixed columns method is too long，pre-stressed concrete pipe pile is adopted in the design scheme.Feasibility of pre-stressed concrete pipe pile is demonstrated by preliminary estimate of the bearing capacity of single pile with the empirical coefficient method in“technical code for building pile foundations”and the combination with the testing results of test pile and engineering pile.Meanwhile，suggestions on the choice of relevant parameters which are used in calculation of small diameter short pile with the experience parameter method are proposed by comparing differences between characteristic value and testing result of vertical bearing capacity estimated with the empirical coefficient method for the single pile.

pre-stressed concrete pipe pile；substation；empirical coefficient method

TU473.1+3

B

1007-9904（2015）05-0064-04

2015－01－23

吴鹏（1979），男，工程师，主要从事变电工程土建设计工作；

丛培瑞（1983），男，工程师，主要从事变电工程土建设计工作。