淤泥地基处理分析.doc

变电站深厚淤泥地基处理探讨1、问题提出广东省珠江三角洲和东部的潮汕平原，地区内地貌以平原为主，局部属中山及低山丘陵区。在地面根植土下都有时深厚的淤泥、淤泥质土（沙）层。该层淤泥灰褐色，含腐殖质，夹粉、细沙，饱和，流塑，天然含水量高（65%），压缩模量小（Ea=12MPa），承载力低（fak50kPa），广泛分布于整个场地表层，层厚最大超过20米。在一定强度的地震力作用下，场地内饱和砂层会产生轻微液化。软弱土层厚度15米，场地类别为类。然而，这些地区（特别是珠江三角洲地区）经济都比较发达，工农业生产的现代化水平比较高，担当起全省经济发展的主力作用，同时，人民生活水平也比较高，各个家庭的用电设备也比较多，整个地区的城市化水平也比较高，因此，对电力的需求量比较大，所以在这些地区需要建设大量的不同电压等级的变电站。参看一些资料，看出有的设计单位，由于缺乏经验，没有考虑地基处理的问题，出现了严重的不均匀沉降问题，最大的沉降差超过1米，严重影响了变电站的正常运行，造成了不良的后果。为了解决这一问题，在后来建设的几个变电站先后尝试过采用深层搅拌桩、碎石桩等地基处理方法，但是这些方法先后出现了投资高、施工复杂、管理困难以及容易出线质量事故等问题，效果不甚理想。为了适应电网建设发展的需要，满足在这类地区建设变电站的要求，因此有必要对这一问题进行分析研究，并提出解决问题的有效方案。怀德变电站原站址为鱼塘回填，与上述地基情况有类似处。2、场地破坏分析 2.1 场地地基的剪切破坏分析 由于这些地区一般自然标高都比较低洼，根据规范要求，变电站的场地标高要高于五十年一遇洪水位标高，因此往往需要在现有地面上堆填一定厚度的填土（或细砂），而这些填土的荷载很多时候都超过了淤泥的承载能力，是看下面一个简单的例子。 例1：作一场地承载力设计计算。堆填沙土荷载为：厚度h=6.0m、细砂重度=18kN/m3场地淤泥的承载力特征值为fak50kPa；则在单位面积上的填土荷载为：p=h=18kN/m3 x6.0m=108kPa50kPa。由此可见，这是地面上填土荷载远大于场地的地基强度，原有的场地地基强度将无法承受仅是由于填土（尚未考虑地面的其他荷载）而产生的地面荷载。也就是说，原有地面地基在自然条件下不作加固处理，在如此大的地面填土荷载作用下，将很快发生地面剪切破坏，如果将地面上的其他荷载考虑进去，情况则更为严重。地基剪切破坏的现象就是由于填土荷载破坏了淤泥原有的稳定结构，使得场地内的淤泥向场地四周无填土无荷载范围无序的挤出，由于场地内荷载和地质情况以及场地外环境条件的并不一致，造成淤泥不规则的外挤情况，从而使场地产生大范围的不均匀沉降变形以及不规则的水平位移，一些地段产生了较大的沉降差，临近场地的地面出现局部淤泥的涌出。其对变电站运行造成的直接影响就是道路和电缆沟发生严重的扭曲、沉陷以及大幅度的沉降等变形，由于淤泥外挤所产生的水平位移的影响，甚至会破坏其他构架和设备基础地基的稳定。这就是变电站地基剪切破坏的特征，在地基剪切破坏的变电站都有类似的情况发生。2.2 场地地基沉降和固结时间计算由于填土层以下为深厚的淤泥层，在填土荷载的作用下必定产生较大的沉降量，并且由于淤泥的渗透系数小，所以在自然条件下，要花相当长的一段时间才能完成场地沉降。以下试取一简单的淤泥层对填土产生的沉降量以及淤泥固结时间进行估算。例2：某场地需填土5.0m达到百年一遇洪水位的标高，场地地基淤泥的最大厚度为20m，渗透系数k=2x10-6cm/s，考虑填土期间荷载所引起的沉降，则需填土6.0m（考虑1m的沉降厚的填土荷重p=108kPa，淤泥的压缩模量取Ea=1.5MPa，则淤泥层最终沉降量为 S=phEs=108kPaX20m1.5MPa=1.44m计算固结系数为 Cv=kEsrw=28.5m2/s由于在这些地区淤泥层下的基层很多时为砂层，双面透水，所以这时淤泥层可以取其厚度的一半计算，计算时间因子为Tv=CvX tH2=0.285t/s固结度为U=1-0.8/e-0.7t当t=1a，U=59.8% S1=59.8%*1.44m=0.86m；当t=2a，U=80.0% S2=80.0%*1.44m=1.15m；当t=3a，U=90.0% S3=90.0%*1.44m=1.30m。这就是说，场地在上述的条件下要用3年的时间完成自然沉降，完成总沉降量的90%从而达到基本稳定（对于渗透系数更低的场地还要更长）。然而，在这段时间内，场地的沉降量将达到1.3m。而上面是根据同一标高、同一荷载、同一厚度、同一性质的淤泥层进行计算的，而实际上往往并非这样，由于地质情况和地面荷载的差异即会产生不均匀下沉。沉降差即为不同的计算点根据各自的实际不同荷载和地质情况计算出来的沉降值的差距。所以 ，即使是地基强度满足要求，变电站的场地在多长的时间内发生这样大的沉降以及由于荷载和地质情况不一致所引起的不均匀沉降，都是会影响运行安全的，这是决不允许的。 2.3小结 综上所述，对于在有深厚淤泥层的地区建设变电站，必须要考虑填土和地面荷载所引起地基强度剪切破坏以及沉降幅度和固结时间，当不能满足场地设计要求时，必须进行地基处理。否则建（构）筑物及地坪与地下管线设施的安全性及正常使用，并由此引发工程质量事故，这就给变电站的运营带来极大的隐患，这对于变电站的设计是决不允许的。因此必须加以充分的认识。 同样要注意的是，由于这类场地地基中存在深厚的淤泥层，持力层埋深深，地面承载力低，变形大，稳定性差，并夹有一定厚度的粗砂或细砂层，在一定强度的地震力作用下，场地内饱和砂层会产生液化。所以，即使填土等荷载不是造成地基破坏的原因，也不适宜作220kV以上枢纽变电站这样重要电力工程的建筑物的天然地基。而选择合理的基础方案，既关系到整个地基的工程造价，还要考虑到建设施工的工期，更关系到将来变电站运行的安全。所以，必须加以认真的考虑。 3 、 地基处理方法介绍 根据以上的原因，本着“安全，经济，可靠，省时，简便”的原则，我们提出一下几种适用于这类场地条件的、有成熟技术和拥有成功的工程经验的地基处理方法进行比较。3.1 预压法 预压法是由排水系统和加压系统两部分共同组合而成的。预压法可分为下述几种方法。 3.1.1 堆载预压法 通过临时堆载土石等方法对地基加载预压，达到预先完成部分或大部分地基沉降，并通过地基固结提高地基承载力，然后拆除荷载，再建造建筑物。临时的预压荷载一般等于结构物的荷载，但为了减少由于次固结而产生的沉降，预压荷载也可大于结构物荷载，称为超载预压。堆载预压法的有点是技术可靠、施工简便、价格便宜。而缺点主要是施工时间长（半年以上），其次是作为临时堆填材料（如土或砂石）在撤除后要安排堆放的场地。为了加速堆载预压地基固结速度，常与沙井式塑料排水板法等同时应用。3.1.2 砂井法（包括袋装砂井、塑料排水板、塑料管等法）根据太砂基估固结理论，土层达到一定固结度所需要的时间与排水距离的平方成正比，因此，减少排水距离是缩短固结时间最有效方法，在软黏土基中，设置一系列砂井或插入塑料排水板，并在地面铺设砂垫或砂沟，人为的增加土层固结排水通道，缩短排水距离，从而加速固结，并加速强度的增长，这种方法称为砂井法。砂井法辅以堆载预压，称为砂井堆载预压法。砂井式塑料排水板堆载预压法由于增加了塑料排水板或砂井等的费用，因此造价比堆载预压法略高，但大概可以比堆载预压法缩短一半的施工时间。3.1.3 真空预压法在黏土层上铺设砂垫层，然后用薄膜密封砂垫层，用真空泵对砂垫及砂井抽气，使地下水位降低，同时在大气压力作用下加速地基固结。与堆载预压法相比，真空预压法就是以真空造成的大气压力代替临时堆土荷载或其中一部分。由于真空预压的压力只能达到某一程度，如达不到结构物的荷载时，还可以另加堆载。真空预压法具有施工期短的优点，又无需像堆载法那样考虑临时堆载材料卸载后的放置，因而，近年来在软土工程中得到大量的应用。3.1.4 降低地下水位法降低地下水位法虽然不能改变地基中的总应力，但能减少孔隙水压力，使有效应力增加，促进地基固结，达到在建造建筑物前完成部分固结沉降和提高地基强度的目的。在地下水位接近地面的土层中进行开挖深度较大的工程时，特别是饱和粉、细砂地基多采用降低地下水位的措施。总的来说，预压法施工方法比较简单，费用相对较低，也有在类似场地上成功的经验，比较适用于大面积的场地地基处理。3.2 深层搅拌法以砂、碎石等材料置换软弱地基，或在部分土体内参入水泥、水泥砂浆以及石灰等，以形成加固体，与为加固部分形成复合地基，从而达到提高地基承载力，减少压缩模量的目的。深层搅拌法是用于加固饱和软粘土的一种新技术。它是利用水泥或石灰等其他材料作为固化剂的主剂，通过特殊的深层搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理-化学反应，形成强度较高的拌合柱体，与原土层共同起复合地基的作用。喷粉桩法是一种以水泥作为固化剂通过特殊的深层搅拌机械，在要处理深度范围内将软土和水泥强制搅拌，形成半刚性，连续稳定的柱体，与处理地层起复合地基的作用。它最适用处理含水量大于30%，地下PH值大于4，有机质含量低的软土。常用于淤泥深度较大的局部地基加固以及做一些侧向支护结构。它具有所需时间短，加固效果好、布置灵活等优点；但是其单位面积价格较高，且在质量控制方面有一定的难度，因而不大适宜大面积的地基加固。3.3 桩基础 桩基是软土地基基础处理的一种最传统、最普遍、应用最广泛，也是最可靠的方法之一。以往在变电站工程中使用最多的是沉管灌注桩。沉管灌注桩具有造价低、设备简单、施工操作简单、施工速度快、工期短等优点。同时也存在承载力低，受施工方法及施工人员的因素影响较大，往往因为施工方法和工艺不当会造成缩颈、隔层、断桩、夹泥等问题，严重影响到成桩质量和桩的承载能力。并且在遇到淤泥层的处理亦比较困难。当持力层的埋深较深时，由于桩长受到桩架高度的限制，亦无法满足使用要求。所以，对于一些对沉降要求很高的基础，是不适采用这种容易发生桩身质量缺陷的桩型的。近年来，随着新技术的推广，高强预应力管桩在广东省得到了广泛的应用。这种桩型除施工设备略为复杂外，具有沉管灌注桩的所有优点，并克服了沉管灌注桩的几个主要缺点。由于桩身承载力大（300mm桩最大700900kN，400mm桩最大12001600kN），强度高，适用的范围更广，可以方便的穿越淤泥层。施工时采用分段驳接的方法，不受桩架高度限制，最大长度可达50m以上。而且因为桩身是由工厂工业化生产，经过比较严格的质量检验，质量可靠，避免了沉管灌注桩经常出现的缩颈、隔层、断桩、夹泥等问题。由于现场减少了放钢筋笼、浇灌混凝土及拨桩等工序，因此，施工速度更快，工期更短。每米造价与沉管灌注桩相差不大，而单位承载力价格更低。如采用静压法施工就更具有低噪音，无震动，不扰民的优点，因此深受广大建设、施工以及设计单位的欢迎，是一种比较理想的桩型。 4、推荐的地基处理方案变电站的不同部分对地基的要求是不大相同的。有一些设备基础对沉降变形的要求就很高，如GIS等以气体管道硬连接的设备，它大大的超出了一般土建设计对基础沉降的要求；也有一些要求比较低，满足一般的房屋继承沉降要求即可。同样，不同的地基处理方法亦对地基处理的结果不同。其中以支撑在中风化或强风化的基岩上的端承桩的沉降变形最小，而一般大多数的复合地基都允许有一定的整体沉降变形。所以，我们必须根据变电站不同部分的不同需要选择合适的地基处理方法。根据电气专业所提出的各种设计布置方案和这类场地的具体情况，综合比较各种可行的地基处理方法的优缺点，进过认真反复反复的比较和研究，决定对这类场地的地基处理采用根据不同部分分别采用不同地基处理方法的结合方案，然后综合其它方面的因素，力求能够得到一个满足各方面要求的最佳方案。本文推荐的方案是：场地地面地基采用塑料排水板堆载预压法，挡土墙地基采用喷粉桩处理，主要建筑物基础采用高强度混凝土管桩。方案具体内容如下： 4.1 场地地面地基采用塑料排水板堆载预压法 4.1.1 场地地基采用塑料排水板堆载预压法的原因 （1）为了使地基下的淤泥能在施工期间尽快完成大部分的固结，以减少场地地面的后期沉降，保证变电站的运行安全。 （2）提高软土层的的承载力，使其能够满足土荷载的要求。 （3）提高场地地面地基的承载力，使其满足建设道路、电缆沟以及一些简单设备的要求，采用本方法是出于以下考虑：1）施工简单。不需要特殊和大型的施工机械，除插塑料排水板外，基本上都可以人工操作。当然，如果有推土机和挖泥机的配合更好。2）施工速度快。即时就可以进行开挖排水沟、集水井和插塑料排水板的工作。因为可以在全站的范围内同时进行，亦无需要很多的机械设备，适宜“大兵团作战”的施工方法。3）对上部施工影响小。在固结度达到80%以后（约为填完连个月后），即可进行上部建筑物的施工。4） 节省时间，场地地面地基的排水固结与上部结构施工同时进行。5） 方便施工管理及质量控制。6）节省投资。按初步估算，采用本方法作场地地面地基处理的单价为55元/M2，是费用最少的一个方法。由于本方案仅考虑场地上的地面荷载部分，因此，不考虑进行超载预压，即无需考多虑余土方的安置问题。4.1.2 场地地基排水固结设计场地排水固结设计由两个系统组成，一是排水系统，二是加载系统。1）排水系统。设置排水系统主要在于改变软弱地基原有的排水便捷条件，改善和增加孔隙水的排除途径，缩短排水距离，达到排水固结的目的。系统的设置有：1、水平排水体。本方案要求将场地平整，平场地地面设计坡度为0.3%，以尽量改善盲沟排水条件。然后人工铺设排水粗砂垫层，厚度为1.0m。2、竖向排水体。采用塑料排水板作为竖向排水体。插板距离为1.0m，以正方形网格布置。排水板穿透淤泥软弱土，及加固深度超过20m，采用B型排水板。3、辅助排水设施，场地排水粗砂垫层内（离场地平整面约300mm）设置排水盲沟，盲沟呈方形网络布置，纵横间隔根据不同总平面布置方案场地决定，一般相距30-50m，由长度脊线分别向东西方向0.3%坡度排水，并由主盲沟汇水至集水井，最后由电动抽水泵将水抽出站外排水渠。2）加载系统。在施工加载过程中，任何时刻作用于地基的荷载不得超过地基的极限荷载，避免因荷载增大导致软弱土体的剪切破坏以致地基失稳。4.2 挡土墙地基采用喷粉桩4.2.1挡土墙地基采用喷粉桩的原因挡土墙设计基底宽度为1.0-1.5m，软基处理的目的除满足上部荷载需要的承载力和变形要求外，更重要的是需要取得侧向支护的作用。由于场地经大面积堆填后，站内外土面和地下水位形成较大高差，容易造成底面软土塑性流动和涌土现象，而导致站外地面隆起、站内地面下沉。因此，必须增加侧向维护结构，亦保持站内地基的稳定，同时由于这类场地站址经常临近江河，所以，设置喷粉桩也是保证变电站地基安全的一项重要措施。4.2.2 喷粉桩尺寸及布置设计喷粉桩桩经d=0.5m，桩深12-15m，水泥参入比14%-16%，水泥采用425普通硅酸盐水泥。桩距s=1.0m，为达到侧向维护的作用，喷粉桩布置采用平行错位的双或多行布置。4.3主要建（构）筑物基础采用高强度混凝土管桩4.3.1主要建（构）筑物基础采用高强混凝土管桩的原因保证安全运行是结构设计的首要问题。虽然目前许多种处理地基的方法，但是对于220kV以上的枢纽变电站这样主要的结构，可靠性是第一个要考虑的。高强混凝土管桩具有可靠性高，抵抗地基液化性能好，性价比高（是目前所有桩型最好的），经济性好，施工方便快捷，工效高，质量容易控制等诸多优点，深受各个建设单位及施工单位的欢迎，是现时广东省建设厅极力推荐的首选桩型。所以，根据当地的实际情况和我们的经验，这类变电站的主要建（构）筑物基础采用高强混凝土管桩是一个可靠性高、工期短、且又经济的方案。4.3.2 高强混凝土管桩的桩型选择这类场地的管桩一般都是按端承摩擦桩考虑，以中粗砂层、黏土或强风化岩层为持力层，按照不同的平面布置方案以及不同位置的不同荷载和沉降控制要求来选取不同的桩径与桩长，经过反复的研究和优选，最后作出以下的设计原则。根据不同部位选择不同的桩长，其中荷载比较大、沉降控制要求比较高的主要建筑物和地区设备基础、主变基础及防火墙、构架基础等的单桩承载力特征值为500kN，其余建筑物的基础单桩承载力特征值为250kN，所有单桩承载力特征值均为扣除负摩擦后的初步估算数值。5 在研究本地基处理方案时，为了降低工程造价，加快工程速度，还分别考虑了全采用喷粉桩和真空-堆载联合预压的方案作为对比方案。5.1 喷粉桩方案 喷粉桩是处理软土地基的一种有效方法，这类场地的地基处理也可以采用全部喷粉桩的处理方案，根据这类场地的地质条件和荷载的实际情况，喷粉桩的长度和布置是这样设计的：对于荷载比较大和沉降要求比较高的部位，桩长取目前机具普遍的最大施工长度18m，其余部位桩长取10m。桩径为0.5m，桩间距取1.0m，也就是每平方米一根桩。本方案存在以下问题：根据地质资料，这类场地地面下淤泥的深度很多时候超过18m，而目前施工机具的最大施工深度为18m。（实际上有效施工深度不超过15m）。另外，如果在原地上进行施工，整个桩长基本上都可以发挥作用，但是这样阻碍到整个场地的堆填土工作，使其他各项工程都不能开展，影响到工程的进度。如果待堆填土完成后再进行施工，由于地面堆填了一段高度，也就使桩长增加了这段高度，增加了费用。同时，由于地层的起伏不平，假如深度为临界值时，会出现有的桩能够达到淤泥层下面的基层，另一部分则无法达到的情况。这将造成桩的承载力和沉降都会有较大的差异，这显然对于对基础有一定沉降要求的项目是极为不利的。另外喷粉桩的质量比较难控制。这也是本方案的一个重要的不利因素。5.2 真空-堆载联合预压方案这类变电站的地基处理还可以采用真空-对堆载联合预压方案。真空预压具有比普通堆载预压工期短，又可以减少堆载的重量的优点，但是由于真空预压的压力只能达到某一程度，如果达不到基础的荷载要求时，要另加堆载。变电站工程的地基承载力特征值大多要求150kPa，且对沉降控制要求比较高，根据类似工程的经验和有关技术文献的要求，需要增加堆载；根据有关资料，真空度一般为80kPa，要满足地基承载力的要求，还要考虑一定的超载系数（一般取0.3）。因此，要另加产生这部分荷载的堆载，就要大量堆填超过场地标高的填土，由于预压不可能想桩基础那样对各个基础一个个单独进行，而是对整块区域进行，所以一个站要考虑有70%的场地需要达到150kPa的承载力，需要进行另加堆载，其余的场地因为仅考虑填土荷载、道路、电缆沟以及一些简单设备的荷载的要求，因此不需要另加堆载。这个方案存在的问题主要是另加堆载的堆填土的弃走问题。在预压完成后，除保留设计场地标高所需的堆填土外，其余作为另加堆载作用的超高部分的堆填土必须运走，由于变电站的场地一般都有10000m2以上，超高部分又有几米，所以将产生几万立方米的弃土，除非附近另有工程需要大量的填土来堆填，否则，安排这些弃土的出路无路从时间还是费用都是一个难以解决的难题。如果无法弃土或弃土的代价很高，将使这个方案不成立。还有就是由于变电站对采用这个方案处理后的地基承载力和沉降要求都很高，所以对固结度的要求也同时提高，需要固结度达到90%以上才能进行上部工程的施工。而达到这样的固结度要求，至少要超过两个月。另外加上超载堆填和弃走堆填土的时间，就使施工工期大大的延长了。 5.3 经济技术指标比较 根据几个已建成或正在施工的工程的工程质量，经比较得出如表一所示的结果（按总平面布置按常规方案考虑）表1 地基处理经济技术指标比较表推荐方案 喷粉桩真空-堆填联合预压备注可靠性好 一般较好工期 短稍长长机械普通专用专用难度容易难很难质量控制 容易难材料取材垫层较难其他容易容易垫层较难 其他容易中、粗砂较困难承载大一般较小沉降小一般较小经验较多有有费用10013090注：喷粉桩：45.3元/M2：真空-堆载联合预压：真空预压150元/M2，填砂30元/M2，以上单价均有概算专业提供。本表是根据几个已建成或正在施工的工程实际情况与数据列出。由以上论述及从表1的比较可见本文所提出的综合方案从可靠性、工期、造价等主要经济技术指标都优于喷粉桩方案。而在表一中所列真空-堆载联合预压方案的费用要比本文所提的方案要少10%，但是他没有包含弃走约几万立方米的以上的超载堆填土的费用。而弃走堆填土的问题会影响整个方案的可行性，另外作为经济指标还要考虑到采用这个方案时，各个基础底板要比本文方案的桩基础承台要大，这样就会增加基础的费用，还有工期方面的问题。所以，综合各种因素，笔者认为本文所提出的方案为最优方案。6、结束语 （1）经过了认真细致的调查和研究，并对各种方案在可靠性、经济性、实用行以及可行性等各方面进行了科学的分析，认真考虑了各种相关的因素，经过了反复的对比筛选得出本文所提出的方案为处理深厚淤泥地区变电站地基的最佳方案。 （2）由于插塑料排水板和垫层与地沟、排水井等施工都要在堆填沙土前进行，排水固结也需要一定的时间，且时间越长，效果越好，工后沉降也越小。为了把地基中淤泥的固结尽可能大部分的在设备安装前完成，因此建议当采用本方案对变电站的地基进行处理时，尽早完成变电站范围内的征地和平整工作，以便早日展开排水固结的施工工作，取得更好的结果，以利于日后变电站的安全运行。（3）由于本方案的地基处理是由三部分的工作所组成，合理安排施工计划是减少施工工期的关键，所以希望建设单位和现场施工单位能能够尽可能地依照本文所提出的施工计划安排施工，以使得本工程能够尽早完成。（4）针对本工程而言，经比较人为，综合楼及主变器基础，建议采用管桩基础，对于电缆沟、道路、水池等处，建议采用喷粉桩处理，以提高这些地段的承载力。