淤泥地基處理分析

1、 變電站深厚淤泥地基處理探討1、問題提出廣東省珠江三角洲和東部的潮汕平原，地區(qū)內地貌以平原為主，局部屬中山及低山丘陵區(qū)。在地面根植土下都有時深厚的淤泥、淤泥質土（沙）層。該層淤泥灰褐色，含腐殖質，夾粉、細沙，飽和，流塑，天然含水量高（65%），壓縮模量小（ea=12mpa），承載力低（fak50kpa），廣泛分布于整個場地表層，層厚最大超過20米。在一定強度的地震力作用下，場地內飽和砂層會產生輕微液化。軟弱土層厚度15米，場地類別為類。然而，這些地區(qū)（特別是珠江三角洲地區(qū)）經濟都比較發(fā)達，工農業(yè)生產的現代化水平比較高，擔當起全省經濟發(fā)展的主力作用，同時，人民生活水平也比較高，各個家庭的用電設備

2、也比較多，整個地區(qū)的城市化水平也比較高，因此，對電力的需求量比較大，所以在這些地區(qū)需要建設大量的不同電壓等級的變電站。參看一些資料，看出有的設計單位，由于缺乏經驗，沒有考慮地基處理的問題，出現了嚴重的不均勻沉降問題，最大的沉降差超過1米，嚴重影響了變電站的正常運行，造成了不良的后果。為了解決這一問題，在后來建設的幾個變電站先后嘗試過采用深層攪拌樁、碎石樁等地基處理方法，但是這些方法先后出現了投資高、施工復雜、管理困難以及容易出線質量事故等問題，效果不甚理想。為了適應電網建設發(fā)展的需要，滿足在這類地區(qū)建設變電站的要求，因此有必要對這一問題進行分析研究，并提出解決問題的有效方案。懷德變電站原站址為

3、魚塘回填，與上述地基情況有類似處。2、場地破壞分析 2.1 場地地基的剪切破壞分析 由于這些地區(qū)一般自然標高都比較低洼，根據規(guī)范要求，變電站的場地標高要高于五十年一遇洪水位標高，因此往往需要在現有地面上堆填一定厚度的填土（或細砂），而這些填土的荷載很多時候都超過了淤泥的承載能力，是看下面一個簡單的例子。 例1：作一場地承載力設計計算。堆填沙土荷載為：厚度h=6.0m、細砂重度=18kn/m3場地淤泥的承載力特征值為fak50kpa；則在單位面積上的填土荷載為：p=h=18kn/m3 x6.0m=108kpa50kpa。由此可見，這是地面上填土荷載遠大于場地的地基強度，原有的場地地基強度將無法承

4、受僅是由于填土（尚未考慮地面的其他荷載）而產生的地面荷載。也就是說，原有地面地基在自然條件下不作加固處理，在如此大的地面填土荷載作用下，將很快發(fā)生地面剪切破壞，如果將地面上的其他荷載考慮進去，情況則更為嚴重。地基剪切破壞的現象就是由于填土荷載破壞了淤泥原有的穩(wěn)定結構，使得場地內的淤泥向場地四周無填土無荷載范圍無序的擠出，由于場地內荷載和地質情況以及場地外環(huán)境條件的并不一致，造成淤泥不規(guī)則的外擠情況，從而使場地產生大范圍的不均勻沉降變形以及不規(guī)則的水平位移，一些地段產生了較大的沉降差，臨近場地的地面出現局部淤泥的涌出。其對變電站運行造成的直接影響就是道路和電纜溝發(fā)生嚴重的扭曲、沉陷以及大幅度的沉

5、降等變形，由于淤泥外擠所產生的水平位移的影響，甚至會破壞其他構架和設備基礎地基的穩(wěn)定。這就是變電站地基剪切破壞的特征，在地基剪切破壞的變電站都有類似的情況發(fā)生。2.2 場地地基沉降和固結時間計算由于填土層以下為深厚的淤泥層，在填土荷載的作用下必定產生較大的沉降量，并且由于淤泥的滲透系數小，所以在自然條件下，要花相當長的一段時間才能完成場地沉降。以下試取一簡單的淤泥層對填土產生的沉降量以及淤泥固結時間進行估算。例2：某場地需填土5.0m達到百年一遇洪水位的標高，場地地基淤泥的最大厚度為20m，滲透系數k=2x10-6cm/s，考慮填土期間荷載所引起的沉降，則需填土6.0m（考慮1m的沉降厚的填土

6、荷重p=108kpa，淤泥的壓縮模量取ea=1.5mpa，則淤泥層最終沉降量為 s=phes=108kpax20m1.5mpa=1.44m計算固結系數為 cv=kesrw=28.5m2/s由于在這些地區(qū)淤泥層下的基層很多時為砂層，雙面透水，所以這時淤泥層可以取其厚度的一半計算，計算時間因子為tv=cvx th2=0.285t/s固結度為u=1-0.8/e-0.7t當t=1a，u=59.8% s1=59.8%*1.44m=0.86m；當t=2a，u=80.0% s2=80.0%*1.44m=1.15m；當t=3a，u=90.0% s3=90.0%*1.44m=1.30m。這就是說，場地在上述的條

7、件下要用3年的時間完成自然沉降，完成總沉降量的90%從而達到基本穩(wěn)定（對于滲透系數更低的場地還要更長）。然而，在這段時間內，場地的沉降量將達到1.3m。而上面是根據同一標高、同一荷載、同一厚度、同一性質的淤泥層進行計算的，而實際上往往并非這樣，由于地質情況和地面荷載的差異即會產生不均勻下沉。沉降差即為不同的計算點根據各自的實際不同荷載和地質情況計算出來的沉降值的差距。所以 ，即使是地基強度滿足要求，變電站的場地在多長的時間內發(fā)生這樣大的沉降以及由于荷載和地質情況不一致所引起的不均勻沉降，都是會影響運行安全的，這是決不允許的。 2.3小結 綜上所述，對于在有深厚淤泥層的地區(qū)建設變電站，必須要考慮

8、填土和地面荷載所引起地基強度剪切破壞以及沉降幅度和固結時間，當不能滿足場地設計要求時，必須進行地基處理。否則建（構）筑物及地坪與地下管線設施的安全性及正常使用，并由此引發(fā)工程質量事故，這就給變電站的運營帶來極大的隱患，這對于變電站的設計是決不允許的。因此必須加以充分的認識。 同樣要注意的是，由于這類場地地基中存在深厚的淤泥層，持力層埋深深，地面承載力低，變形大，穩(wěn)定性差，并夾有一定厚度的粗砂或細砂層，在一定強度的地震力作用下，場地內飽和砂層會產生液化。所以，即使填土等荷載不是造成地基破壞的原因，也不適宜作220kv以上樞紐變電站這樣重要電力工程的建筑物的天然地基。而選擇合理的基礎方案，既關系到

9、整個地基的工程造價，還要考慮到建設施工的工期，更關系到將來變電站運行的安全。所以，必須加以認真的考慮。 3 、 地基處理方法介紹 根據以上的原因，本著“安全，經濟，可靠，省時，簡便”的原則，我們提出一下幾種適用于這類場地條件的、有成熟技術和擁有成功的工程經驗的地基處理方法進行比較。3.1 預壓法 預壓法是由排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩部分共同組合而成的。預壓法可分為下述幾種方法。 3.1.1 堆載預壓法 通過臨時堆載土石等方法對地基加載預壓，達到預先完成部分或大部分地基沉降，并通過地基固結提高地基承載力，然后拆除荷載，再建造建筑物。臨時的預壓荷載一般等于結構物的荷載，但為了減少由于次固結而產生的沉降，

10、預壓荷載也可大于結構物荷載，稱為超載預壓。堆載預壓法的有點是技術可靠、施工簡便、價格便宜。而缺點主要是施工時間長（半年以上），其次是作為臨時堆填材料（如土或砂石）在撤除后要安排堆放的場地。為了加速堆載預壓地基固結速度，常與沙井式塑料排水板法等同時應用。3.1.2 砂井法（包括袋裝砂井、塑料排水板、塑料管等法）根據太砂基估固結理論，土層達到一定固結度所需要的時間與排水距離的平方成正比，因此，減少排水距離是縮短固結時間最有效方法，在軟黏土基中，設置一系列砂井或插入塑料排水板，并在地面鋪設砂墊或砂溝，人為的增加土層固結排水通道，縮短排水距離，從而加速固結，并加速強度的增長，這種方法稱為砂井法。砂井法

11、輔以堆載預壓，稱為砂井堆載預壓法。砂井式塑料排水板堆載預壓法由于增加了塑料排水板或砂井等的費用，因此造價比堆載預壓法略高，但大概可以比堆載預壓法縮短一半的施工時間。3.1.3 真空預壓法在黏土層上鋪設砂墊層，然后用薄膜密封砂墊層，用真空泵對砂墊及砂井抽氣，使地下水位降低，同時在大氣壓力作用下加速地基固結。與堆載預壓法相比，真空預壓法就是以真空造成的大氣壓力代替臨時堆土荷載或其中一部分。由于真空預壓的壓力只能達到某一程度，如達不到結構物的荷載時，還可以另加堆載。真空預壓法具有施工期短的優(yōu)點，又無需像堆載法那樣考慮臨時堆載材料卸載后的放置，因而，近年來在軟土工程中得到大量的應用。3.1.4 降低地

12、下水位法降低地下水位法雖然不能改變地基中的總應力，但能減少孔隙水壓力，使有效應力增加，促進地基固結，達到在建造建筑物前完成部分固結沉降和提高地基強度的目的。在地下水位接近地面的土層中進行開挖深度較大的工程時，特別是飽和粉、細砂地基多采用降低地下水位的措施?？偟膩碚f，預壓法施工方法比較簡單，費用相對較低，也有在類似場地上成功的經驗，比較適用于大面積的場地地基處理。3.2 深層攪拌法以砂、碎石等材料置換軟弱地基，或在部分土體內參入水泥、水泥砂漿以及石灰等，以形成加固體，與為加固部分形成復合地基，從而達到提高地基承載力，減少壓縮模量的目的。深層攪拌法是用于加固飽和軟粘土的一種新技術。它是利用水泥或石

13、灰等其他材料作為固化劑的主劑，通過特殊的深層攪拌機械，在地基深處就地將軟土和固化劑強制攪拌，利用固化劑和軟土之間所產生的一系列物理-化學反應，形成強度較高的拌合柱體，與原土層共同起復合地基的作用。噴粉樁法是一種以水泥作為固化劑通過特殊的深層攪拌機械，在要處理深度范圍內將軟土和水泥強制攪拌，形成半剛性，連續(xù)穩(wěn)定的柱體，與處理地層起復合地基的作用。它最適用處理含水量大于30%，地下ph值大于4，有機質含量低的軟土。常用于淤泥深度較大的局部地基加固以及做一些側向支護結構。它具有所需時間短，加固效果好、布置靈活等優(yōu)點；但是其單位面積價格較高，且在質量控制方面有一定的難度，因而不大適宜大面積的地基加固。

14、3.3 樁基礎 樁基是軟土地基基礎處理的一種最傳統(tǒng)、最普遍、應用最廣泛，也是最可靠的方法之一。以往在變電站工程中使用最多的是沉管灌注樁。沉管灌注樁具有造價低、設備簡單、施工操作簡單、施工速度快、工期短等優(yōu)點。同時也存在承載力低，受施工方法及施工人員的因素影響較大，往往因為施工方法和工藝不當會造成縮頸、隔層、斷樁、夾泥等問題，嚴重影響到成樁質量和樁的承載能力。并且在遇到淤泥層的處理亦比較困難。當持力層的埋深較深時，由于樁長受到樁架高度的限制，亦無法滿足使用要求。所以，對于一些對沉降要求很高的基礎，是不適采用這種容易發(fā)生樁身質量缺陷的樁型的。近年來，隨著新技術的推廣，高強預應力管樁在廣東省得到了廣

15、泛的應用。這種樁型除施工設備略為復雜外，具有沉管灌注樁的所有優(yōu)點，并克服了沉管灌注樁的幾個主要缺點。由于樁身承載力大（300mm樁最大700900kn，400mm樁最大12001600kn），強度高，適用的范圍更廣，可以方便的穿越淤泥層。施工時采用分段駁接的方法，不受樁架高度限制，最大長度可達50m以上。而且因為樁身是由工廠工業(yè)化生產，經過比較嚴格的質量檢驗，質量可靠，避免了沉管灌注樁經常出現的縮頸、隔層、斷樁、夾泥等問題。由于現場減少了放鋼筋籠、澆灌混凝土及撥樁等工序，因此，施工速度更快，工期更短。每米造價與沉管灌注樁相差不大，而單位承載力價格更低。如采用靜壓法施工就更具有低噪音，無震動，不

16、擾民的優(yōu)點，因此深受廣大建設、施工以及設計單位的歡迎，是一種比較理想的樁型。 4、推薦的地基處理方案變電站的不同部分對地基的要求是不大相同的。有一些設備基礎對沉降變形的要求就很高，如gis等以氣體管道硬連接的設備，它大大的超出了一般土建設計對基礎沉降的要求；也有一些要求比較低，滿足一般的房屋繼承沉降要求即可。同樣，不同的地基處理方法亦對地基處理的結果不同。其中以支撐在中風化或強風化的基巖上的端承樁的沉降變形最小，而一般大多數的復合地基都允許有一定的整體沉降變形。所以，我們必須根據變電站不同部分的不同需要選擇合適的地基處理方法。根據電氣專業(yè)所提出的各種設計布置方案和這類場地的具體情況，綜合比較各

17、種可行的地基處理方法的優(yōu)缺點，進過認真反復反復的比較和研究，決定對這類場地的地基處理采用根據不同部分分別采用不同地基處理方法的結合方案，然后綜合其它方面的因素，力求能夠得到一個滿足各方面要求的最佳方案。本文推薦的方案是：場地地面地基采用塑料排水板堆載預壓法，擋土墻地基采用噴粉樁處理，主要建筑物基礎采用高強度混凝土管樁。方案具體內容如下： 4.1 場地地面地基采用塑料排水板堆載預壓法 4.1.1 場地地基采用塑料排水板堆載預壓法的原因 （1）為了使地基下的淤泥能在施工期間盡快完成大部分的固結，以減少場地地面的后期沉降，保證變電站的運行安全。 （2）提高軟土層的的承載力，使其能夠滿足土荷載的要求。

18、 （3）提高場地地面地基的承載力，使其滿足建設道路、電纜溝以及一些簡單設備的要求，采用本方法是出于以下考慮：1）施工簡單。不需要特殊和大型的施工機械，除插塑料排水板外，基本上都可以人工操作。當然，如果有推土機和挖泥機的配合更好。2）施工速度快。即時就可以進行開挖排水溝、集水井和插塑料排水板的工作。因為可以在全站的范圍內同時進行，亦無需要很多的機械設備，適宜“大兵團作戰(zhàn)”的施工方法。3）對上部施工影響小。在固結度達到80%以后（約為填完連個月后），即可進行上部建筑物的施工。4） 節(jié)省時間，場地地面地基的排水固結與上部結構施工同時進行。5） 方便施工管理及質量控制。6）節(jié)省投資。按初步估算，采用本

19、方法作場地地面地基處理的單價為55元/m2，是費用最少的一個方法。由于本方案僅考慮場地上的地面荷載部分，因此，不考慮進行超載預壓，即無需考多慮余土方的安置問題。4.1.2 場地地基排水固結設計場地排水固結設計由兩個系統(tǒng)組成，一是排水系統(tǒng)，二是加載系統(tǒng)。1）排水系統(tǒng)。設置排水系統(tǒng)主要在于改變軟弱地基原有的排水便捷條件，改善和增加孔隙水的排除途徑，縮短排水距離，達到排水固結的目的。系統(tǒng)的設置有：1、水平排水體。本方案要求將場地平整，平場地地面設計坡度為0.3%，以盡量改善盲溝排水條件。然后人工鋪設排水粗砂墊層，厚度為1.0m。2、豎向排水體。采用塑料排水板作為豎向排水體。插板距離為1.0m，以正方

20、形網格布置。排水板穿透淤泥軟弱土，及加固深度超過20m，采用b型排水板。3、輔助排水設施，場地排水粗砂墊層內（離場地平整面約300mm）設置排水盲溝，盲溝呈方形網絡布置，縱橫間隔根據不同總平面布置方案場地決定，一般相距30-50m，由長度脊線分別向東西方向0.3%坡度排水，并由主盲溝匯水至集水井，最后由電動抽水泵將水抽出站外排水渠。2）加載系統(tǒng)。在施工加載過程中，任何時刻作用于地基的荷載不得超過地基的極限荷載，避免因荷載增大導致軟弱土體的剪切破壞以致地基失穩(wěn)。4.2 擋土墻地基采用噴粉樁4.2.1擋土墻地基采用噴粉樁的原因擋土墻設計基底寬度為1.0-1.5m，軟基處理的目的除滿足上部荷載需要的

21、承載力和變形要求外，更重要的是需要取得側向支護的作用。由于場地經大面積堆填后，站內外土面和地下水位形成較大高差，容易造成底面軟土塑性流動和涌土現象，而導致站外地面隆起、站內地面下沉。因此，必須增加側向維護結構，亦保持站內地基的穩(wěn)定，同時由于這類場地站址經常臨近江河，所以，設置噴粉樁也是保證變電站地基安全的一項重要措施。4.2.2 噴粉樁尺寸及布置設計噴粉樁樁經d=0.5m，樁深12-15m，水泥參入比14%-16%，水泥采用425普通硅酸鹽水泥。樁距s=1.0m，為達到側向維護的作用，噴粉樁布置采用平行錯位的雙或多行布置。4.3主要建（構）筑物基礎采用高強度混凝土管樁4.3.1主要建（構）筑物

22、基礎采用高強混凝土管樁的原因保證安全運行是結構設計的首要問題。雖然目前許多種處理地基的方法，但是對于220kv以上的樞紐變電站這樣主要的結構，可靠性是第一個要考慮的。高強混凝土管樁具有可靠性高，抵抗地基液化性能好，性價比高（是目前所有樁型最好的），經濟性好，施工方便快捷，工效高，質量容易控制等諸多優(yōu)點，深受各個建設單位及施工單位的歡迎，是現時廣東省建設廳極力推薦的首選樁型。所以，根據當地的實際情況和我們的經驗，這類變電站的主要建（構）筑物基礎采用高強混凝土管樁是一個可靠性高、工期短、且又經濟的方案。4.3.2 高強混凝土管樁的樁型選擇這類場地的管樁一般都是按端承摩擦樁考慮，以中粗砂層、黏土或強

23、風化巖層為持力層，按照不同的平面布置方案以及不同位置的不同荷載和沉降控制要求來選取不同的樁徑與樁長，經過反復的研究和優(yōu)選，最后作出以下的設計原則。根據不同部位選擇不同的樁長，其中荷載比較大、沉降控制要求比較高的主要建筑物和地區(qū)設備基礎、主變基礎及防火墻、構架基礎等的單樁承載力特征值為500kn，其余建筑物的基礎單樁承載力特征值為250kn，所有單樁承載力特征值均為扣除負摩擦后的初步估算數值。5 在研究本地基處理方案時，為了降低工程造價，加快工程速度，還分別考慮了全采用噴粉樁和真空-堆載聯(lián)合預壓的方案作為對比方案。5.1 噴粉樁方案 噴粉樁是處理軟土地基的一種有效方法，這類場地的地基處理也可以采

24、用全部噴粉樁的處理方案，根據這類場地的地質條件和荷載的實際情況，噴粉樁的長度和布置是這樣設計的：對于荷載比較大和沉降要求比較高的部位，樁長取目前機具普遍的最大施工長度18m，其余部位樁長取10m。樁徑為0.5m，樁間距取1.0m，也就是每平方米一根樁。本方案存在以下問題：根據地質資料，這類場地地面下淤泥的深度很多時候超過18m，而目前施工機具的最大施工深度為18m。（實際上有效施工深度不超過15m）。另外，如果在原地上進行施工，整個樁長基本上都可以發(fā)揮作用，但是這樣阻礙到整個場地的堆填土工作，使其他各項工程都不能開展，影響到工程的進度。如果待堆填土完成后再進行施工，由于地面堆填了一段高度，也就

25、使樁長增加了這段高度，增加了費用。同時，由于地層的起伏不平，假如深度為臨界值時，會出現有的樁能夠達到淤泥層下面的基層，另一部分則無法達到的情況。這將造成樁的承載力和沉降都會有較大的差異，這顯然對于對基礎有一定沉降要求的項目是極為不利的。另外噴粉樁的質量比較難控制。這也是本方案的一個重要的不利因素。5.2 真空-堆載聯(lián)合預壓方案這類變電站的地基處理還可以采用真空-對堆載聯(lián)合預壓方案。真空預壓具有比普通堆載預壓工期短，又可以減少堆載的重量的優(yōu)點，但是由于真空預壓的壓力只能達到某一程度，如果達不到基礎的荷載要求時，要另加堆載。變電站工程的地基承載力特征值大多要求150kpa，且對沉降控制要求比較高，

26、根據類似工程的經驗和有關技術文獻的要求，需要增加堆載；根據有關資料，真空度一般為80kpa，要滿足地基承載力的要求，還要考慮一定的超載系數（一般取0.3）。因此，要另加產生這部分荷載的堆載，就要大量堆填超過場地標高的填土，由于預壓不可能想樁基礎那樣對各個基礎一個個單獨進行，而是對整塊區(qū)域進行，所以一個站要考慮有70%的場地需要達到150kpa的承載力，需要進行另加堆載，其余的場地因為僅考慮填土荷載、道路、電纜溝以及一些簡單設備的荷載的要求，因此不需要另加堆載。這個方案存在的問題主要是另加堆載的堆填土的棄走問題。在預壓完成后，除保留設計場地標高所需的堆填土外，其余作為另加堆載作用的超高部分的堆填

27、土必須運走，由于變電站的場地一般都有10000m2以上，超高部分又有幾米，所以將產生幾萬立方米的棄土，除非附近另有工程需要大量的填土來堆填，否則，安排這些棄土的出路無路從時間還是費用都是一個難以解決的難題。如果無法棄土或棄土的代價很高，將使這個方案不成立。還有就是由于變電站對采用這個方案處理后的地基承載力和沉降要求都很高，所以對固結度的要求也同時提高，需要固結度達到90%以上才能進行上部工程的施工。而達到這樣的固結度要求，至少要超過兩個月。另外加上超載堆填和棄走堆填土的時間，就使施工工期大大的延長了。 5.3 經濟技術指標比較 根據幾個已建成或正在施工的工程的工程質量，經比較得出如表一所示的結果（按總平面布置按常規(guī)方案考慮）表1