粉喷桩技术在地基处理中的应用

摘 要:本文以某220kV 变电站工程场地软弱土粉喷桩地基处理为例,分析变电站全场地基处理设计采用粉喷桩时, 经济合理桩长的选用方法, 以供同行参考。

关键词: 220kV 变电站；复合地基; 粉喷桩; 加固处理；桩长

中图分类号： TM6文献标识码： A

粉喷桩复合地基是加固处理软弱土地基的一种常用方法, 它由竖向加固体(粉喷桩)和桩周同组成复合地基, 通过褥垫层承受上部荷载。粉喷桩设计影响因素很多, 就同一场地、给定的建(构)筑物条件, 桩长的选择成为影响工程造价的重要因素。但桩长的选择与持力层选择密切相关,且实际工作中受人为因素的影响较大。以下就粉喷桩的加固原理和受力机理并结合某220kV 变电站工程实例谈谈桩长的选用方法。

1 、粉喷桩加固原理、受力机理及设计

1. 1 粉喷桩软土加固原理

粉喷桩是利用粉喷桩机在钻孔过程中, 通过压缩空气将固化剂以气雾状喷入被加固的软土中, 经钻头叶片旋转, 将粉体与软土地层强制拌合, 加固料吸水后发生一系列的物理化学反应, 使土硬结, 形成整体性强、水稳定性好和具有一定强度的柱体, 与原土体共同作用、承担上部荷载——即复合地基。

当以水泥作固化剂时, 水泥在地层中产生水化、水解反应, 生成水化硅酸钙、水化铝酸三钙、水化铁酸钙和氢氧化钙以及水化硫铝酸钙等; 这些水化物逐渐硬化, 且其中的钙离子不断地与地层中的钾钠离子发生交代作用, 从而使土颗粒胶结成较大团粒,即强度较高的水泥土。施工中, 水泥和土搅拌越充分, 越均匀, 则水泥土结构愈稳定, 复合地基的强度亦愈高。

1. 2 粉喷桩受力机理

粉喷桩介于刚性桩与柔性桩之间, 其单桩承载能力相对刚性桩来说低得多, 主要是利用其群桩的作用。一般在建(构)筑物基础下布置很多粉喷桩以形成复合地基, 使桩同发挥作用。单桩受力时, 桩顶的竖向荷载使桩身受压而产生相对于土体的向下位移, 桩侧表面便受到土体反向作用即向上的摩阻力, 桩所承受的荷载将会通过桩侧摩阻力向地层中扩散。开始时上部荷载与侧摩阻力增长比较快, 端阻力则发挥作用较小。随着桩顶荷载的增大, 桩身压缩量和位移量逐渐增大, 荷载沿桩身向下传递, 侧阻力增大到极限值后就不再增大。如果继续加大桩顶荷载, 则主要由端阻力承担,直到端阻力达到极限值。此时, 若再增加桩顶荷载,则桩端持力层将产生大量压缩而使土层发生塑性挤出或桩体遭到破坏, 桩身沉降量急骤增加, 进而使基础失稳, 建(构)筑物破坏。粉喷桩加固软土地基, 多成群布置, 桩距很小,从性质上来说属于摩擦桩, 亦符合群桩理论。其受力特点: 桩身3~ 5倍的桩径内受力最大。在这种复合地基中, 不仅仅靠桩本身的承载能力, 而且还要考虑桩间土的承载能力。群桩中, 由于摩擦力的扩散作用, 各桩传递的应力相互叠加, 故桩尖土层承受的压力要比单桩大, 压力传递范围也比单桩深。因此,当上部作用荷载相同时, 群桩的沉降量比单桩大。但是由于基底压力的相互叠加, 使桩与桩间土形成一个整体, 近似一个深埋的实体基础。与天然土基相比, 它具有大得多的承载能力。

1. 3 粉喷桩桩长的选用

在正常情况下, 粉喷桩设计除需要建(构)筑物的基底尺寸、荷载分布、地基土的物理力学指标和场地标高外, 尚需要桩的参数选取。按现行规范要求,基础变形为主要控制因素, 故控制复合地基的变形量成为基础设计中的关键, 而复合地基的变形量由复合水泥土的压缩变形量和实体深基础下的地基土的沉降量组成, 所以选择桩的入土深度即粉喷桩的桩长是设计的重点, 同时也成为控制基础造价的重要因素。

2、 工程实例

2. 1 工程概况

某220kV 变电站工程本期规模为2×180MVA,终期规模为3×180MVA。场地土为中软土, 场建筑场地类别为Ⅲ类,属抗震不利地段, 根据地勘报告, 各土层描述如下:

( 1)素填土: 褐色、黄色, 湿, 稍密, 主要成分为粘性土, 为人工开挖鱼塘及筑路堆积而成, 堆积时间10年左右。结构松散, 建筑性能差, 场地整平后, 各建(构)筑物地段均有分布, 不能作为建(构)筑物天然地基持力层。

( 2)淤泥: 流塑状态, 主要分布鱼塘底部, 不能作建(构)筑物天然地基持力层。

( 3)粘土夹淤泥质土: 青灰色, 湿, 软塑, 局部流塑, 夹粉质粘土及粉土。Ps = 0.5MPa, fak=70 kPa,全场分布, 厚0 ~ 5.2 m, 具高压缩性, 平均含水量48.6% 。

( 4)粘土:青灰色,湿,可塑偏软,局部夹粉质粘土及粉土,Ps = 0.8MPa, fak = 90kPa, 具高压缩性,厚0~ 5.1m, 平均含水量34.6% 。

( 5)粘土:青灰色,湿,软塑,含粉质粘土及粉土,层理清晰,Ps=0.6MPa, fak = 70kPa, 具高压缩性, 埋深大, 全场分布, 厚0~ 13. 6 m, 平均含水量42.8% 。

( 6)粘土: 青灰色, 湿, 可塑偏软, 含粉质粘土及粉土, 层理清晰, Ps = 0.9MPa, fak = 90kPa, 具高压缩性,埋深大,全场分布,厚0~11.2m, 平均含水量34.5% 。

( 7)粘土夹粉土: 青灰色, 湿, 可塑, 含粉质粘土, 层理清晰, 呈千层饼状, Ps = 1.2MPa, fak = 110kPa, 埋深大, 全场分布,厚0~11 m, 为本场地较好的下卧层。

( 8)细砂: 灰色、青灰色, 饱和, 稍~ 中密, 含粘性土及粉土, Ps = 6.1MPa, fak = 170 kPa, 全场分布, 厚0~ 6.85m, 埋深较大, 是较好的下卧层。

2. 2 变电站主要建(构)筑承载力要求

本工程主要建(构)筑物包括主控通信楼、主变压器、220 kV 构支架、110 kV 构支架、10kV 配电装置室等。其设计要求复合地基承载力要求如下: 主控通信楼、主变压器基础、110 kV、220 kV 构架基础为150 kPa, 110 kV、220 kV 支架基础等其他建(构)筑物为120 kPa, 地坪、道路、电缆沟等为80 kPa。

2. 3 复合地基方案

根据地区经验, 粉喷桩桩径取为500 mm, 拟以第6层粘土作为桩端持力层(其中某构架基础所在处地质剖面图如图1), 平均净桩长15 m, 粉喷桩的桩侧阻力和桩端阻力特征值参数见表1。

图1 某典型地质剖面图

表1 桩侧阻力和桩端阻力特征值

单桩竖向承载力特征值, 按《建筑地基处理技术规范》 JGJ79- 2002公式11.2.4- 1和11.2.4- 2计算, 则有式( 1) :

（1）

(取α= 0. 5)

其中端承力约占9 kN。

(取η= 0.3, fcu=1.8MPa,工程经验值,根据统计,一般fcu = 0.5~ 3MPa)比较上两式计算结果, 取Ra = 106.0kN, 则粉喷桩复合地基的承载力特征值为式( 2) :

( 2)

(取β= 0.4, fsk = 70 kPa, m = 19. 6% )

经深度修正后, 复合地基的承载力特征值faz =151 kPa, 桩间距取1.2m, 按正方形布置。满足构架基础最大压应力要求P = 142 kPa。由上可以看出, 粉喷桩加固深厚的软土地基时,其桩端承载力份额相当小, 可以忽略不计, 可按纯摩擦桩进行设计。同时, 粉喷桩单桩承载力主要取决于以下因素: 桩周土、桩端土的性质及几何尺寸等;桩身强度与土性、水泥的掺入比、水泥土的龄期、土的含水量和有机质含量等。因此, 粉喷桩单桩承载力特征值是一个双控值中取较小者。为满足桩体有效承受荷载, 桩长不宜大于一个有效的经济合理的桩长。当大于这个合理桩长时, 单桩承载力特征值不会增加, 反而造成不必要的浪费。

由《建筑地基处理技术规范》 JGJ79- 2002公式11.2.4-1和公式11.2.4-2, 不难看出, 该两式必然存在一个相等的值。当二者相等时, 可以根据已有的地质资料反算出一个经济合理的桩长, 即有式( 3):

( 3)

同样, 取η= 0.3, fcu = 1.8MPa, 且忽略桩端阻力值。由上式反算可得一个有效合理的桩长,l =6.5 m。比初期拟定的净桩长l= 15 m大为减小。通过桩长的计算分析、比较, 本工程场地地基处理采用有效的、经济合理的桩长, 地基处理工程完成28天后经过检测, 均达到设计的预期要求。与可研等阶段相比, 施工图阶段采用合理的桩长, 大大降低了工程造价, 并有效的缩短了施工周期, 确保了该变电站迎峰度夏的任务。

3 、结语

( 1)粉喷桩加固深厚的软土地基时, 其桩端承载力份额相当小, 可以忽略不计, 可按纯摩擦桩进行设计。

( 2)粉喷桩单桩承载力主要取决于两个因素:桩周土、桩端土的性质及桩身的强度。

( 3)为了桩体有效承受荷载, 桩长不宜大于有效桩长, 若桩长超过有效桩长, 则单桩承载力应按桩体自身强度取值。