某高填土区变电站建筑物地基基础方案分析

摘要：某变电站位于高填土区域，在可研阶段确定采用半填土平整方案，初步设计时针对工程地质条件及存在湿陷性黄土等条件，通过天然地基、地基处理与基础形式的多方案的技术、经济、工期等方面进行综合对比分析，最终推荐采用天然地基、筏板基础组合的地基基础方案。

关键词：高填土；地基基础；天然地基；筏板基础

Abstract: substation located in Gao Tiantu area, in the feasibility study phase determine the half fill level design, preliminary design according to the engineering geological conditions and the existing condition such as collapsible loess, by natural foundation, foundation treatment and foundation of alternative forms of technology, economy, time etc. Comprehensive comparison and analysis, finally recommends the natural foundation, raft foundation, composite foundation scheme.

Key words: Gao Tiantu; Foundation; Natural foundation; Raft foundation

中图分类号：TU47文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

某变电站位于泄洪区内，淹深大，场地平整填土厚，如何做好地基基础方案是土建设计的一项重要工作。本文主要是在可研方案的基础上，通过初步设计时多方案综合分析，得出可靠、可行、经济的地基基础方案。

一.工程概况

某地区建设的变电站，位于泄洪区内。根据《变电站总平面布置设计技术规程》 DL/T 5056-2007 中6.1.1条规定，220kV枢纽变电站及220kV以上电压等级变电站，站区场地设计标高应高于频率为1%的洪水水位或历年最高内涝水位。水文勘测资料显示，变电站所处地区1%洪水淹深达5.3m。根据规范要求，当站区场地设计标高不能满足上述要求时，可区别不同的情况分别采用以下三种不同的措施：（1）对场地标高采用措施时，场地设计标高应不低于洪水水位或历年最高内涝水位。（2）对站区采取防洪或防洪措施时，防洪或防洪设施标高应高于上述洪水水位或历年最高内涝水位标高0.5m。（3）采取可靠措施，使主要设备底座和生产建筑物室内地坪标高不低于上述高水位。

该变电站总占地面积7800平方米，若采用全部填土至洪水标高以上，则全站需填土近4.95万方。根据“资源节约，环境友好”的建设原则，采取规范中的第三种填土方案，即俗称的半填土方案，该方案设计原则是①尽可能减少外购土方量，按照满足工艺和规程、规范的原则确定场坪，减少水土流失；②允许百年洪水进站，将变压器直接布置在户外的整平地面上，将GIS设备、电容器、10kV开关柜及保护屏等电气设备布置在配电楼二层及以上，百年洪水退后，主变部分构件可能损坏，检修后可以继续运行，其他设备不受影响；③保证变压器满足百年一遇洪水时能够供电。

可研阶段，通过方案比较，站内道路标高按2.5m填方设计；主变基础高于道路标高1.2m，主变设备底部采取适当防水措施，保证发生洪水时能够正常运行；其他辅助设备布置在建筑物二层，建筑物二层地面标高大于1%洪水位标高，建筑物一层可作为电缆夹层进行利用。通过采取以上几种措施，优化减少站区填土方量，优化后土方量降低至1.38万方，节约土方3.57万方。初步设计时，在可研方案的基础上，重点对建筑物地基基础方案进行对比优化，采取经济可靠的设计方案。

二.工程地质条件

该站所在地区地貌形态类型属于冲洪积平原，地势总的趋势是自南向北缓倾，站址区地形平坦开阔，略有起伏，自然地面标高24.50～24.73m。根据已有资料及本次勘探，场地0.00～25.20m深度范围内的地基土为第四纪河流冲洪物，岩性以黄土状土、粉土和粘性土为主。根据岩土特征及埋藏条件，将地基土自上而下分为5大层，分别叙述如下：

①黄土状粘土：黄褐～褐红色，硬塑。土质较细腻、均匀，光泽明显，韧性及干强度高。本层土压缩系数a1-2＝0.263 MPa-1，属中压缩性土。承载力特征值fak=130kPa。

本层厚度2.00～2.80m，层底埋深2.00～2.80m，层底标高21.77～22.50m。

②粉质粘土：黄灰～褐色，可塑～软塑状态，土质不均匀，稍有光泽，稍有粘性，摇振不明显，韧性及干强度中等，含钙质结核，偶见小姜石。本层局部地段含少量灰黄色粉土薄夹层，其分布无规律。本层土压缩系数a1-2＝0.360 MPa-1，属中压缩性土。承载力特征值fak=120kPa。

本层厚度0.70～2.60m，层底埋深3.90～4.90m，层底标高19.68～20.83m。

③-1粉土：浅褐黄～褐黄色，湿，中密～密实状态，土质不均匀，含姜石，偶见螺壳，含锈色斑点，摇振不明显，韧性及干强度低。本层土压缩系数a1-2＝0.242MPa-1，属中压缩性土。承载力特征值fak=130kPa。

本层厚度3.30～5.20m，层底埋深8.20～9.70m，层底标高14.94～16.38m。

③-2粉质粘土：浅灰褐色，可塑状态，土质不均匀，稍有光泽，稍有粘性，含锈色斑点，见铁锰质结核，局部夹粉土团块，无摇振，韧性及干强度中等。本层土压缩系数a1-2＝0.435MPa-1，属中压缩性土。承载力特征值fak=140kPa。

本层厚度0.80～5.20m，层底埋深9.00～10.00m，层底标高14.62～15.58m。

④粉土：褐黄色，湿，密实状态，土质不均匀，偶见锰质氧化物及小螺壳，含云母碎片，摇振不明显，韧性及干强度低。本层局部地段含少量浅黄褐色粉质粘土夹层，其分布无规律。本层土压缩系数a1-2＝0.189MPa-1，属中压缩性土。承载力特征值fak=180kPa。

本层厚度6.20～9.10m，层底埋深16.50～18.80m，层底标高5.79～8.47m。

⑤粉土： 灰黄色，湿，中密～密实状态，土质较均匀，含小姜石，含云母碎片，局部夹细砂团块，摇振不明显，韧性及干强度低。本层局部地段含少量灰黄色粉质粘土薄夹层，其分布无规律。本层土压缩系数a1-2＝0.213MPa-1，属中压缩性土。承载力特征值fak=150kPa。

站址区黄土状土的湿陷系数为0.018～0.027，具有轻微湿陷性，湿陷起始压力为125～166kPa；按场地整平标高估算，黄土状土的湿陷量较小，一般在70～100mm之间，为非自重湿陷性黄土，场地按Ⅰ级非自重湿陷性黄土地基考虑。站址区地震基本烈度为7度，地震动峰值加速度为0.10g。确定本站址为中软场地土、Ⅲ类建筑场地，地震动反应谱特征周期为0.45s。

三.地基基础方案

该站建筑物高度19m，根据《湿陷性黄土地区建筑规范》3.0.1条规定，建筑物应为丙类建筑。根据规范5.1.3条要求，在满足“地基湿陷量的计算值小于或等于50mm；在非自重湿陷性黄土场地，地基内各土层的湿陷起始压力值，均大于其附加压力与上覆土的饱和自重压力之和”两条中任意一条时，可按一般场地进行设计。该工程建筑物内电气设备对沉降的要求较高，在使用过程中不应出现过大的不均匀沉降和变形。本工程通过对天然地基或地基处理两种工程方案进行分析，通过技术经济综合分析，确定最终采用的地基基础方案。

1.天然地基方案

采用天然地基方案，必须满足黄土规范5.1.3条中的任意一条，否则应根据建筑物湿陷性等级，采取相应的地基处理。

根据电气专业需要，站内电缆隧道高度为2m，隧道顶板厚0.25m，建筑物室内外高差按0.45m设计，考虑隧道上0.3m覆土，如采取筏板基础或条形基础，则基础顶部至少为-3.00m（相对建筑物室内标高）；如采用柱下独立基础，则基础埋深可适当提高，基础底部标高可与电缆隧道底部标高持平。

（1）筏板基础

采用筏板基础，考虑与电缆隧道的垂直布置，基础埋深按4米计算，通过荷载计算，传至建筑物筏板底部荷载pk=（Fk+Gk）/A=25.3+80=107.1kPa

（2）柱下条形基础

采用柱下条形基础，根据建筑物上部荷载及填土自重荷载，反算条形基础面积A应大于等于Fk/（125-Gk）=657.4m2。

1）单向条形基础

采用单向条形基础，经计算条基基底平均宽度需要3.4m宽。结合站内平面布置，建筑物和主变紧邻布置，因此靠近主变侧条基将与主变基础产生碰撞，影响基础布置。不满足使用要求，不推荐使用。并且单向条形基础对不均匀沉降反应大，容易引起上部结构产生附件应力，对结构受力不利。

2）双向条形基础

根据初步计算，为满足基底压力小于湿陷起始压力的要求，双向条形基础的基底宽度平均值仍然要求大于2m，临近主变侧的基础仍与主变基础有碰撞，不推荐使用。

（3）柱下独立基础

采用独立基础，同样应满足设计规范要求。按柱下独立基础进行设计，最大柱角荷载可达3000kPa，经反算，若采用湿陷起始压力作为地基土承载力，最大柱下独立基础面积Amin=24m2，根据设计经验，当独立基础底面尺寸超过4m时，将不宜采用。

综上所述，采用天然地基方案，筏板基础可以满足设计要求，条形基础和独立基础不满足设计要求，这两种基础形式不予推荐采用。

2.地基处理方案

采用地基处理方案，根据《湿陷性黄土地区建筑规范》6.1.1条强制性条文，丙类建筑应消除地基的部分湿陷量，根据6.1.5条要求，对多层建筑需进行地基处理。本工程一是拟采用灰土换填处理方式，处理厚度不小于1m。二是拟采用CFG桩复合地基处理方式。

（1）灰土换填处理

采用换填地基处理，可消除部分湿陷量，满足规范要求。根据规范，灰土换填处理后地基承载力可达200-250kPa。

1）柱下条形基础

经反算，双向条形基础宽度虽然降低，但是仍然与主变基础产生碰撞，不满足要求。双向条形基础宽度可适当降低，可避免基础之间的碰撞，技术方案满足要求。优点是双向条形基础整体性较强，对地基不均匀沉降有一定的抵抗作用，基础刚性较强。缺点是基础受力复杂，计算复杂，基础施工复杂。

2）柱下独立基础

采用独立基础，为可靠期间取低值，经反算，最大柱下独立基础面积Amin=15m2

（2）CFG桩复合地基处理

根据工程地质资料，拟采用第4层土作为桩端持力层，桩长11m，桩径0.4m，桩间距1.5m，桩顶设刚性褥垫层，厚度300mm厚。按《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）中公式，计算复合地基承载力特征值：343 kPa。

采用CFG桩处理时，各种形式基础的使用条件及优缺点同灰土换填处理。但是，采用CFG桩复合地基与灰土换填处理相比，一是工程量明显增大，二是工程周期将因为施工和质量检验而明显加长，三是工程费用较灰土换填明细增大。

四.技术经济综合分析

通过以上分析，采用天然地基方案时，筏板基础符合承载力等设计要求，其他基础形式不满足要求。采用地基处理方案，灰土换填处理较CFG桩处理更加合理，因此重点对灰土换填处理方式下的基础形式进行分析，柱下单向条形基础和柱下独立基础不满足基础碰撞要求，不予采用。表1给出了几种方案组合后的技术经济对比分析。

表1地基基础方案技术经济对比分析表

通过以上分析，天然地基、筏板基础组合方式适用于该工程，为最优组合方式。虽然筏板基础工程量略大，但是不存在地基处理费用，且筏板基础整体性好，刚度大，对于不均匀沉降抵抗能力强，地基土遇水产生湿陷的影响小。

灰土换填地基、柱下双向条形基础组合方式也适用于该工程。理论上双向基础整体刚性虽然较好，但是双向条形基础交叉点较多，施工难度高。并且地基梁对地基土的稳定性要求较高，对地基的沉降仍然十分敏感，地基土的不均匀沉降，将使条基的内力发生变化，引起内部应力分布调整，或导致地基梁裂缝，不可预见。

因此，通过综合分析后，推荐采用天然地基、筏板基础方案。

五.小结

综上所述，选择合适的工程技术方案，应从技术、经济、施工条件、工期等各方面综合考虑。本文通过工程实例，在高填土区域，从地基形式和基础形式进行组合的几种方案进行综合分析，推荐出适合工程条件的地基基础方案。

参考文献：

[1]DL/T5056-2007，变电站总布置设计技术规程，中国电力出版社，2008

[2]GB50025-2004，湿陷性黄土地区建筑规范，中国建筑工业出版社，2004

[3]JGJ79-2002，建筑地基处理技术规范，中国建筑工业出版社，2002

[4]吴旭君等，新建城区大面积填土地基基础方案分析[J].吉林大学学报（地球科学版），2008，38（2），290-292.