220kV变电站膨胀土地基勘察与基础方案研究

姚 颖，刘 滨

(四川省电力设计院，四川成都 610072)

广西是我国典型的膨胀土分布地区之一，其中以百色等地区分布最广。根据成因类型，广西膨胀土主要分为三大类[2]。

A类：第三系湖相半成岩的泥岩、粉砂质泥岩及它们的风化物。其中泥岩及其风化形成的黏土，简称A1亚类；粉砂质泥岩及其风化形成的粉质黏土，简称A2亚类。

B类：碳酸盐岩风化形成的残坡积黏土(红黏土)。其中以红色为基色的简称B1亚类；以黄色为基色的简称B2亚类。

C类：第四系河流冲积黏土。其中以红色或黄色为基色的简称C1亚类；以白色或灰色为基色的简称C2亚类。

膨胀土颗粒细腻，有滑感，在自然条件下成坚硬或硬塑状态，裂隙发育，常见光滑面和擦痕，有的裂隙中充填灰白色、灰绿色黏土。膨胀土多分布于二级和二级以上阶地或山前、盆地边缘丘陵地带，地形平缓，无明显自然陡坎，常出现浅层滑坡和地裂，新开挖坑(槽)壁易发生坍塌。膨胀土地基上未设防治措施的低层砌体结构建筑物墙体常发生开裂，裂缝均随气候变化而变化，低层较多层严重。建筑物开裂多发生在旱季，裂缝宽度随季节变化。

某220kV变电站位于百色地区，处于膨胀土广泛分布区域，属于A1类膨胀土，对其地基进行勘察与基础方案研究对工程建设有重要的意义。

1 工程场地概况

1.1 场地地形地貌

区域地貌上工程区位于云贵高原东南缘、桂西山地与桂西南岩溶低山的交接山区。地形的基本特点是西高东低、南高北低，与区域构造基本协调。海拔一般在160～280m之间，冲沟发育，相对高差50～100m。变电站场地微地貌为丘陵缓斜坡，地形呈波状起伏，场地相对高差约11.7m，整体地势北东高南西低，地形平缓，无明显陡坎，地表被第四系土层所覆盖。

1.2 地层结构特征

根据现场钻探成果，场地地基岩土主要为黏土及泥岩，现将地基岩土从上至下描述如下：

(1)第四系坡残积(Q4el+dl)黏土：红色、红黄色，稍湿～湿，硬塑～可塑，混有5 %～20 %砂岩及泥岩块碎石。砂岩、泥岩块碎石直径一般2～5cm，最大可达8cm，棱角状～次棱角状。该层部分为下第三系泥岩全风化，层厚0.7～7.60m。

(2)三叠系中统河口组第二段(T2h2)泥岩：泥质结构，泥质胶结，中层状构造，节理裂隙较发育。局部夹薄层粉砂岩，粉砂质结构，薄层状构造。产状：38 °∠43 °。强风化为黄、灰黄色，岩石破碎，裂隙发育，裂隙面可见褐色铁锰氧化物渲染，岩芯以碎块状为主，少量为柱状。中等风化为浅灰、灰色，裂隙稍发育，岩芯多成柱状，少量为块状。

1.3 地下水条件

站址区出露地下水主要以第四系孔隙水、基岩裂隙水为主，受大气降雨及地表水补给，径流、排泄条件受地形限制，其径流途径短，由高向低流动，在坎下、山脚、坡麓迅速排泄。无统一地下水面和含水层，季节性变化强，雨季水量稍大，旱季水量小甚至消失。受大气降水补给，排泄于沟谷及地势低洼处，对建(构)筑物基础及基础开挖影响较小。

2 膨胀土胀缩特性

2.1 地基土胀缩特性试验

为了确定地基土的胀缩特性，从土样中采取了6组进行了相关试验，试验结果见表1、表2。

2.2 地基土膨胀潜势

根据GB50112-2013《膨胀土地区建筑技术规范》，膨胀潜势分类由自由膨胀率决定。自由膨胀率为35.0 %～90.0 %，平均值为71.0 %，由此可定，该区域地基土膨胀潜势为中等。

2.3 地基土胀缩等级

地基的胀缩等级根据地基分级变形量(竖向)进行分级，地基土(竖向)胀缩变形量S计算公式[2]如下：

S=Se+Ss

(1)

(2)

表1 土工试验成果

表2 膨胀土工程特性指标

(3)

根据DB45/T 396-2007《广西膨胀土地区建筑勘察设计施工技术规程》，百色地区的大气影响深度取8 m，急剧层深度取2.7 m。场地覆盖层厚度约4.0 m，下部为基岩，故此次计算深度按地表下4.0 m考虑。基础按尺寸为2×2 m的独立基础考虑，埋深2 m，基底压力按150 kPa考虑，土体重度按19 kN/m3考虑。膨胀变形量计算结果见表3。

计算深度内，各土层的含水量变化值Δωi按直线法计算[2]：

(4)

Δω1=ω1-Ψwωp

(5)

表3 膨胀变形量计算

(当Δωi>ωi-ωsi时，取Δωi=ωi-ωsi)

式中：ω1、ωp为地表下1m处土的天然含水量和塑限含水量(以小数表示)；ωi、ωsi为基础底面下第i层土的天然含水量和缩限含水量(以小数表示)；Ψw为土的湿度系数；Zi为基础底面下第i层土的深度(自地表算起)(m)；Zn为计算深度，可取大气影响深度(m)。

根据DB45/T396-2007《广西膨胀土地区建筑勘察设计施工技术规程》，百色地区土的湿度系数Ψw取0.67，取地表下1.0m处的天然含水量ω1=0.196，塑限ωp=0.218，则Δω1=ω1-Ψwωp=0.05。收缩变形量计算结果见表4。

最终计算得出地基胀缩变形总量为56.9mm，地基胀缩等级为II级。此外，该区域膨胀土胀缩总率δxs为0.75 %～5.65 %，平均值3.75 %；相对膨胀率δxe50为0.20 %～2.20 %，平均值0.98 %，可定为中等胀缩土。

3 地基基础方案及工程措施

3.1 地基基础方案

根据场地岩土条件，结合百色地区类似工程经验。本工程主要参数建议值见表5、表6。

表4 收缩变形量计算

表5 物理力学性指标推荐值一览

表6 桩基参数一览表

根据岩土分布和工程特点，可以采用天然地基浅基础方案和桩基础方案。浅基础采用黏土或泥岩作天然地基持力层，基础持力层性质较好，满足上部荷载要求。但是局部地段覆盖层厚度不均匀，同一建(构)筑物基础避免置于不同岩土层上，整个场地均采用天然地基浅基础施工难度较大。对于膨胀土需采取相应措施，以防止地基土胀缩变形引起建筑物开裂。若采用桩基础，根据场地岩土条件，宜采用钻(挖)孔灌注桩。综合考虑施工难度和造价的前提下，对比桩基础、天然地基浅基础方案，并收集了百色地区建筑经验，建议以天然地基为主，局部地段可采用桩基础为辅。

3.2 地基处理措施

根据对膨胀土特性的试验测试及地基的胀缩等级计算，该区域土为中等胀缩土，地基的胀缩等级为II级。当以基础埋深为主要防治措施时，基础最小埋深不应小于大气影响急剧层深度[1]2.7m。平坦场地上在条形基础、独立柱基的基底宜采用砂垫层，并做好防、隔水处理；在挡土墙、地沟、地坑等的侧壁宜填砂；坡地上的基础底则不应垫砂。对于基础埋深小于2.7m的建(构)筑物可采取一定的工程处理措施以消除膨胀性对建(构)筑物的不利影响，如适当增加基础埋深，亦可采用换土等措施。地基换土可采用非膨胀性土、灰土或改良土，并应分层碾压后再做载荷试验，以达到地基设计要求为限。

4 结束语

本文根据实际工程案例，结合广西地方膨胀土规程，介绍了广西膨胀土变电站场地的勘察方法和地基基础方案，主要采用以自由膨胀率试验判断土层膨胀潜势，以胀缩总率及相对膨胀率判断膨胀土胀缩性等级，以胀缩变形量判断地基胀缩等级。同时结合实际情况，采用增加基础埋深，或采用换土等方法，为膨胀土地区变电站勘察设计提供了简单、有效的方案。