托板桩法处理变电站极软地基的现场试验研究

陈锡祥，叶柏金，马庆雷，刘骐炜

(1. 国网浙江省电力有限公司，浙江 杭州 310007；2. 湖南大学土木工程学院，湖南 长沙 410082)

0 引言

我国东南沿海地区分布着深厚的软土层，由于土地资源紧张，一些变电站选择填海建造，软土的含水量大、压缩性高、承载力低等不利的工程条件更为严重，变电站将会面临较大的沉降和差异沉降问题，因此处理这种滩涂极软地基尤为重要。托板桩法作为处理软土地基的有效方式，能较充分地利用桩体的承载力，减小沉降和差异沉降，提高地基承载力，增强地基的稳定性，缩短施工时间，近年来在公路、铁路的软基处理上得到了广泛应用。很多学者对托板桩的工作特性进行了现场试验研究。徐正中等[1]以申、苏、浙、皖高速公路为工程背景，对软土层未打穿的桩承式路堤进行现场实测研究，并与软土层打穿时的实测结果作了比较；贾宁等[2]在杭甬高速公路的拓宽建设中，分析了新路堤产生的附加应力对老路堤的影响；夏元友等[3]在广梧高速公路某段进行了现场原位试验，从应力和变形两个方面探讨了刚性桩加固软土路基的浅层竖向土拱效应；徐林荣等[4]在京沪高速铁路的现场试验中分析了桩土应力分担比的变化过程、土工格栅的受力特点、沉降及侧向位移规律；费康等[5]在上海北部郊区某高速公路进行了现场试验并做了数值分析，研究了桩体面积置换率为8.7%的低置换率桩承式加筋路堤的工作性状。上述研究均为公路、铁路的软基处理，所研究的托板桩工作特性对滩涂极软地基的变电站是否适用有待进一步研究。

本文以浙江某500 kV变电站为工程背景，通过现场试验研究了托板桩法处理滩涂极软地基的工作特性，得到了不同时期地基土超孔压、沉降、差异沉降、土压力、桩体荷载分担比的变化规律。本次现场试验填土施工时间短，可为托板桩法处理软土地基的快速施工提供参考。

1 工程概况

1.1 现场地质条件

本研究的变电站位于浙东海岸，场地土层自上而下分别为：淤泥、黏质粉土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉细砂和中砂、砂质粉土、粉质黏土、细砂。室内试验获得的各层土物理力学参数见表1。由表1可知，此滩涂地区地基土孔隙率大、承载力低，故采用托板桩法进行处理。

表1 土层物理学指标

1.2 变电站试验区设计介绍

图1为试验区断面图，本区段填土顶宽18 m，填高3.25 m，坡倾为1∶2，填筑过程见图2，分11次填筑完成，历时20 d。填料由碎石、黏性土、中细砂组成，重度为22 kN/m3，黏聚力为1 kPa，内摩擦角为35°。试验区在开始填土之前5个月即打桩完毕，而整个工程的打桩工作在试验区填土7 d时完成。

边坡区域采用PHC-AB400型号管桩，长28 m，持力层为粉质黏土层(4a)，桩体极限承载力为3 000 kN；其余区域采用PHC-AB500型号管桩，长36 m，持力层为粉细砂层，桩体极限承载力为4 000 kN。正方形托板边长1.8 m，高度为0.5 m，正方形布桩，间距为3 m。托板上方0.1 m、0.2 m处分别布置一层土工格栅，格栅强度为83 kN/m，最大允许应变为5%。

图3为仪器布置图，场地内布设沉降板、土压力盒和孔压计。S1、S3沉降板布置在托板上表面中心，S2沉降板布置在桩间土中间，S4～S6布置在托板上方1 m处，S7～S9布置在托板上方2 m处。4个土压力盒P1～P4分别布置在托板上表面中心、1/4处、边缘和桩间土中间。孔压计W1～W3分别布置在场地中心－14.8 m、－17 m、－24 m深度处。沉降板S1～S3、土压力盒、孔压计在填筑前布设完毕，其余沉降板随填土过程依次布置。

2 试验结果分析

2.1 孔压分布

图4为W1～W3超孔压随时间的变化曲线。由于试验区和其它区域打桩工作的影响，在填筑初期即存在初始超孔压，其中W3处超孔压值最大，为42 kPa，W2和W1处略小，分别为38.9 kPa和33.63 kPa。即打桩引起的初始超孔压，随埋深增加而增加。

填筑期内，超孔压未随填高的增加而增大，而是以较慢的速率逐渐减小；填筑完成后，超孔压随时间以较快的速率减小，随后逐渐趋于稳定；120 d时试验区周边边坡开始填土，超孔压随即增大，145 d边坡填土结束，超孔压开始逐渐消散。这是因为现场采用托板桩法处理地基，在填筑期间土拱效应逐渐发挥作用，填土产生的荷载主要由桩体承担，分配到地基土上荷载较小，导致填土引起的超孔压增加速率小于初始超孔压随时间消散速率；填筑完成后，上覆荷载不再增加，且在土拱效应与加筋体拉膜效应的共同影响下，大部分上覆荷载向桩顶传递，超孔压便以较快的速率消散，之后超孔压消散速率逐渐减慢；试验区周边的施工工序会导致试验区超孔隙水压力的增加。

2.2 沉降及差异沉降

图5为填土内不同高度处沉降随时间的变化曲线。由图5可知，填筑期间随着填高增加，填土内各高度桩顶填土与桩间填土沉降差异逐渐增大，但数值较小，填筑完成时S1、S3沉降为0，S4、S6沉降了19 mm，S7、S9沉降了38 mm；S2、S5、S8分别沉降了 8 mm、23 mm和41 mm，桩土差异沉降在桩顶、桩顶上1 m、桩顶上2 m处分别为8 mm、4 mm、3 mm。Spangler等[6]提到：由于土拱效应，差异沉降沿填土高度逐渐减小至0，这一高度的平面称为等沉面。监测结果表明差异沉降沿填土高度递减，与上述结论吻合。同时，差异沉降在桩顶0～1 m的减小幅度大于1～2 m，这是因为填土未经压实，疏松的土体抑制了土拱的形成，桩顶上2 m处差异沉降依然较大。

在固结期，S1、S3沉降略有增加。S2沉降速率先增大后减小并逐渐趋于0，而后随着地基土超孔压消散，S2沉降继续发展。监测期结束时S1、S3沉降约4 mm，S2沉降为38 mm，桩土差异沉降为34 mm。同理可以计算监测期结束时桩顶上1 m、2 m处差异沉降，分别为24 mm、12 mm。监测期内，最大差异沉降发生在桩顶面，仅为34 mm，说明托板桩法处理滩涂软土地基变电站可以有效减少差异沉降。另外，对比图5(b)和5(c)，在固结期间，S4、S6沉降了11 mm，S7、S9沉降了30 mm，说明填土自身发生了较大压缩。所以填土材料对后期沉降有较大影响，对于变电站这种需要严格控制沉降的工程，应选择级配良好的填筑材料并充分压实。

图6为差异沉降随时间的变化曲线，可以看出桩顶上1 m与桩顶上2 m的差异沉降在145 d之前几乎相同，之后差距逐渐增大。这是因为填土密实度低，阻碍了“土拱”的形成，削弱了土拱效应，地基土承受较大的土压力而产生较大沉降，导致桩顶上2 m的差异沉降过大。145 d后，由于前期压缩，填土密实度得以提高，随着超孔压消散，地基土固结，差异沉降继续发展，土拱效应的发挥将上覆荷载进一步传递给桩体，使差异沉降减小，表明提高填土密实度可减小表面沉降和差异沉降。从图6还可以得出，填筑期桩顶、桩顶上1 m、桩顶上2 m差异沉降分别占监测结束时差异沉降的25%、33%、24%，大部分差异沉降是在固结期产生。

2.3 土压力及荷载分担比

1)土压力

图7为桩顶平面土压力随时间的变化曲线。由图7可知，填筑期桩顶土压力(P1、P2、P3)随填高逐渐增加；桩间土压力(P4)在填筑初期随填高而增加，填高达到1.2 m后逐渐减小。固结期间桩顶土压力小幅增加后趋于稳定；桩间土压力小幅减小后趋于稳定。此结果表明在填筑阶段，差异沉降对土拱效应影响较大，随着差异沉降的不断增加，填土内产生的土拱效应越来越明显，不断将填土荷载传递到桩体，桩间土只承担小部分荷载，当填土达到1.2 m时，桩间土压力开始减小，桩顶土压力迅速增大，根据徐正中等[1]的研究，1.2 m即为形成完整土拱所需要的最小高度。

结合图5和2.2节对沉降的描述，填高达到1.2 m后，随填高和固结时间增加，桩顶差异沉降持续增加，但桩顶土压力在120 d后趋于稳定且有所减小。这是因为土拱效应达到极限状态后，差异沉降对土拱效应的影响减弱，土拱效应分配荷载的能力有所减弱，桩顶与桩间土压力趋于稳定。

从图7还可以得出，托板上土压力有明显的应力集中现象，托板边缘土压力大于托板中心土压力，这会在桩与托板连接处产生弯矩，所以在工程中应提高桩帽与桩连接处的刚度以减小变形。

2)荷载分担比

用土压力盒得到的实测数据计算托板表面平均应力作为桩顶应力，乘以托板面积即为桩承担的荷载；以填土荷载应力作为总应力，乘以桩间距的平方即为总荷载，两者的比值为实测桩体荷载分担比。Chen等[7]建立了托板桩单桩处理范围内的内、外土柱模型，可以获得桩顶处桩体荷载分担比，见式(1)。

式中：Ep为荷载分担比；P为单桩处理范围内的填土总荷载，P=γhA；γ为填土重度；m为托板面积置换率，m=b2/A；b为托板边长；A为单桩处理范围的面积，；Do为外土柱等效外径，正方形布桩时Do= 1.128Sa；Sa为桩间距；Di为内土柱等效直径，Di=1.128b；f为内外土柱之间摩擦系数，f= tanφ，φ为填料内摩擦角；K0为静止土压力系数，K0= 1－sinφ；h为填土高度 ；he为等沉面高度，he=ψSa，net；ψ为等沉面高度影响系数，本文取1.5；Sa，net为桩托板净间距，Sa，net=Sa－b。

由图8可知，实测的桩体荷载分担比在填筑阶段(0～20 d)迅速增大，填筑完成时为72%，然后随固结时间先逐渐增大至83%后略微减小，监测期结束时桩体荷载分担比为80%。Chen[7]的桩体荷载分担比计算结果为82%，与最终荷载分担比吻合度较高。

3 结论

本文通过现场试验分析了托板桩法处理滩涂极软地基变电站的几个重要特性，得到结论如下：

1)滩涂极软地基含水量高，因此在沉桩过程中即会产生较大的超孔压。填筑期间由于土拱效应逐渐发挥作用，将大部分填土荷载转移至桩体，桩间土只承担小部分荷载，因此填土引起的超孔压增加速率小于超孔压随时间的消散速率。固结期间，在土拱效应与加筋体拉膜效应的共同影响下，大部分上覆荷载向桩顶传递，超静孔隙水压力迅速消散，地基土逐渐固结。

2)托板桩法处理滩涂极软地基能有效减少地基沉降及差异沉降；填筑完成时桩顶差异沉降占监测期结束时差异沉降的25%；填土材料对后期沉降有较大影响，为保证托板桩法对滩涂极软地基的处理质量，应在选材、施工方面尽量提高填土密实度。

3)桩体荷载分担比在填筑期间迅速增大，填筑完成时约为72%，在固结期间先增大后趋于稳定，随着固结时间继续增加，桩体荷载分担比略微减小，最终在80%左右，桩体在填筑期间即起到较大的承载作用。

4)用Chen[7]的方法计算的桩体荷载分担比与实测结果吻合度较高，适用于托板桩法处理滩涂极软地基变电站。