陳俊勇，徐仲杰，袁巧云，陸勤華，吳 亮，陳仁朋

(1. 國網(wǎng)浙江慈溪市供電公司，浙江 寧波 315300；2. 中國能源建設(shè)集團浙江省電力設(shè)計院有限公司，浙江 杭州 310012；3. 浙江大學(xué)巖土工程研究所，浙江 杭州 310058)

托板樁是一種新興的、經(jīng)濟有效的軟土地基處理方法，由回填土、剛性樁(帶托板)和地基土組成。目前該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于高速公路、高速鐵路及圓形煤場等工程。本文將托板樁技術(shù)推廣到軟土地基高填方變電站的地基處理工程中，提出了深厚軟基高填方變電站托板樁的設(shè)計方法，包括樁體荷載分擔比、沉降及承載力的計算方法，最后給出了某新建變電站工程托板樁地基處理方案和設(shè)計計算分析。

1 變電站托板樁設(shè)計方法

深厚軟基上的高填方變電站工程，利用托板樁技術(shù)進行地基處理，首先應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件，選擇合適的樁型，確定合理的樁間距和樁長，充分利用樁間土和下臥持力層的承載能力，達到有效控制沉降、避免地面出現(xiàn)不均勻沉降，以實現(xiàn)降低工程造價，縮短施工工期，加快工程進度，提高工程質(zhì)量等目的。

1.1 托板樁技術(shù)適用范圍

由于樁的壓縮性遠小于樁間土的壓縮性，在填土荷載作用下，樁間土沉降大于樁頂沉降。樁和樁間土的沉降差使樁間上部填土相對于樁頂上部填土產(chǎn)生向下滑動的趨勢，在相對滑動面上產(chǎn)生拖拽力，促使樁間上部填土荷載往樁頂上轉(zhuǎn)移，這種現(xiàn)象即為土拱效應(yīng)。在土拱效應(yīng)的作用下，隨著距離樁頂高度的增加，樁頂和樁間土上部填土之間的差異沉降逐漸減小，差異沉降剛好減小到零的平面稱為等沉面。Hewlett & Randolph指出當填土厚度小于相鄰樁的凈間距時，土拱則無法形成。英國BS 8006規(guī)范假設(shè)樁頂以上填土必須有足夠的高度，土體中才能形成完整的土拱，并稱此最小高度為臨界高度，用he表示，，其中Sa為樁間距，b為托板邊長。北歐Nordic手冊采用楔形拱假設(shè)，三角形土楔的頂角假設(shè)為30°，臨界高度。根據(jù)現(xiàn)場試驗研究的結(jié)果，軟土層打穿情況下填土中土拱等沉面高度為1.1～1.2倍樁托板凈間距，未打穿時等沉面高度為1.1～1.5倍樁托板凈間距。

為達到地基處理效果、避免地面出現(xiàn)不均勻沉降，設(shè)計的填土高度h應(yīng)大于等沉面高度he，即填土高度應(yīng)滿足下式要求：

式中：ψ為等沉面高度影響系數(shù)，建議取1.4～1.6；Sa,net為樁托板凈間距，Sa,net=Sab。采用托板樁技術(shù)進行變電站軟基處理適用于填土高度大于1.6倍的樁托板凈間距的情況。

1.2 樁體荷載分擔比計算方法

樁體荷載分擔比是指樁體承受的荷載與單樁處理范圍內(nèi)填土總荷載之比，是托板樁復(fù)合地基設(shè)計中應(yīng)明確的關(guān)鍵內(nèi)容。Chen[6]等建立了托板樁單樁處理范圍的內(nèi)外土柱分析模型，可獲得樁體荷載分擔比的表達式。樁體荷載分擔比Ep可用下式計算：

式中：f為內(nèi)外土柱之間摩擦系數(shù)，f=tanφ；φ為填料內(nèi)摩擦角；K0為靜止土壓力系數(shù)，K0=1-sinφ；h為填土高度；he為等沉面高度，he=ψSa,net；ψ為等沉面高度影響系數(shù)，建議取1.4～1.6；Sa,net為樁托板凈間距，Sa,net=Sa－b，Sa為樁間距，b為托板邊長；Di為內(nèi)土柱等效直徑，Di=1.128b；Do為外土柱等效外徑，正方形布樁時Do=1.128Sa，正三角形布樁時Do=1.05Sa；A為單樁處理范圍的面積， ；m為托板面積置換率，2/mbA= 。單樁處理范圍內(nèi)的填土總荷載 ，γ為填料重度。

當φ分別取20°、25°、30°，正方形布樁，Sa分別取1.6 m、1.8 m、2 m、2.2 m，托板邊長b=1 m，等沉面高度影響系數(shù)ψ=1.5，h分別取2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m時，樁體荷載分擔比如表1所示。

表1 樁體荷載分擔比(b=1 m，ψ=1.5)

(c) φ=30°樁間距 填土高度h=2.0 m h=2.5 m h=3.0 m h=3.5 m h=4.0 m Sa=1.6 m 83% 86% 88% 89% 90%Sa=1.8 m 78% 84% 87% 90% 92%Sa=2.0 m 73% 82% 88% 92% 95%Sa=2.2 m 67% 79% 88% 94% 98%

土工格柵碎石墊層對樁間土上部的路堤填料有一定的兜提作用，有利于減小樁間土壓力和壓縮量，對樁體荷載分擔比有一定的影響。當樁頂設(shè)有土工格柵碎石墊層，可適當考慮在一定程度上提高樁體荷載分擔比。

當采用正三角形布樁或托板邊長b、等沉面高度影響系數(shù)ψ取其它值時，根據(jù)式(2)計算樁體荷載分擔比Ep。知道樁體荷載分擔比Ep以后，作用在樁托板上的上部荷載Pp和作用在樁間土上的荷載Ps分別為：

1.3 承載力計算方法及驗算

(1)中性點的確定

中性點是樁側(cè)正負摩阻力的分界點。在地基固結(jié)過程中，中性點的位置是不斷變化的。只有當固結(jié)完成后，荷載和沉降處于穩(wěn)定時，中性點才會穩(wěn)定在某一固定的深度處。按照我國《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，對于軟弱地基，中性點深度為0.5～0.6倍的樁周沉降變形土層的下限深度。

有限元計算發(fā)現(xiàn)，軟土層打穿時中性點隨著地基固結(jié)而下移，當固結(jié)完成時，中性點在0.59倍樁長深度處；未打穿情況下，加荷瞬時和固結(jié)結(jié)束的中心點位置大致相同，中性點在0.42倍樁長深度處。理論方法研究發(fā)現(xiàn)，軟土層打穿和未打穿時中性在地基固結(jié)過程都出現(xiàn)下移。當固結(jié)完成后，打穿時中性點在0.25倍樁長深度處，未打穿時在0.1倍樁長深度處。此外，申蘇浙皖高速公路軟土層未打穿的樁承式路堤現(xiàn)場實測的中性點一般在0.32～0.4倍樁長深度處。

所以，軟土打穿時中性點位置建議取0.5～0.6倍樁長；未打穿時中性點位置建議取0.2～0.3倍樁長。當土質(zhì)很差時取高值，反之取低值。

(2)單樁豎向承載力驗算

單樁承載力應(yīng)通過單樁豎向靜載荷試驗確定。初步設(shè)計時，單樁豎向承載力設(shè)計值Rp可按下式驗算(不計負摩阻力段)：

式中：Quk是單樁豎向極限承載力標準值；qpk和qsk分別是樁端阻力和樁側(cè)阻力標準值；Ap是樁端面積；u是樁身周邊長度；li是第i層土的厚度；η是安全系數(shù)；Pp為作用在樁托板上的填土荷載。由于托板樁處理地基中的樁體主要用于控制沉降，對于承載力方面只要能滿足要求，稍有富余即可，所以建議安全系數(shù)η取1.2～1.5。

(3)托板樁地基豎向承載力驗算

在托板樁復(fù)合地基中，一個重要設(shè)計思想是允許樁發(fā)生一定的沉降，以便充分發(fā)揮樁間土的承載力。在工程設(shè)計時，可以認為樁間土充分發(fā)揮了承載力。在單樁處理范圍內(nèi)，托板樁和樁間土的總承載力應(yīng)大于樁頂平面以上填土總荷載。初步設(shè)計時，托板樁地基的豎向承載力特征值fspk可按下式驗算：

式中：m為托板面積置換率；Rp為單樁豎向承載力設(shè)計值；b為托板邊長；fak為地基承載力特征值；γ為填料重度，h為托板頂面以上填土高度。

1.4 沉降計算方法

托板樁處理地基的總沉降主要由以下幾部分組成：填土自身壓縮量Scb、樁體自身壓縮量Spb、樁托板向上進入填土的位移Spu、樁端刺入下臥層的位移Spd及下臥層的沉降量Sb。填土自身的壓縮量Scb很小，一般在施工中已經(jīng)完成，為1～2 cm左右，可忽略不計。當采用剛性樁時，因其樁身模量較高，樁身壓縮量Spb一般較小，通常為5～15 mm；當采用半剛性樁時，樁身壓縮量則不容忽視。樁托板向上進入填土的位移Spu在1～5 cm之間，軟土層打穿時取低值，未打穿時取高值。樁端刺入下臥層的位移Spd一般為5～6 cm。在深厚軟基中，當樁未打穿軟土?xí)r，托板樁技術(shù)處理地基的工后沉降主要取決下臥層的沉降，因此下臥層的沉降計算是關(guān)鍵。計算下臥層的沉降首先應(yīng)計算下臥層的附加應(yīng)力。

圖1 樁端平面附加應(yīng)力計算示意圖

如圖1所示，變電站主變區(qū)域一般采用筏板基礎(chǔ)，Pr為主變筏板基礎(chǔ)承受的上部荷載，γr為筏板自重，Ar為筏板面積，h1為筏板厚度；筏板和樁托板頂面之間的鋪設(shè)土工格柵加筋墊層，墊層重度為γc，厚度為h2；主變以外其他區(qū)域填土高度為h，填土重度為γ。地下水位位于樁頂平面以下，則托板頂面的附加應(yīng)力為

式中：pa,top和pb,top分別是主變區(qū)域和主變以外區(qū)域樁托板頂面高度處的附加應(yīng)力；σz為樁托板頂面高度處回填之前地基自重應(yīng)力。

軟土地基上的變電站往往大面積回填土，所以可認為大面積填土荷載能夠全部傳遞到樁端平面。而主變區(qū)域上部豎向荷載通過筏板分配給地基中的樁和土，然后往地基深處和水平向擴散傳遞。因此主變區(qū)域傳遞到樁端的附加應(yīng)力遠小于樁頂平面的平均附加應(yīng)力。定義樁端平面的附加應(yīng)力與樁頂平面的附加應(yīng)力的比值為樁端荷載傳遞系數(shù)。陳仁朋等通過回歸分析獲得了樁端荷載傳遞系數(shù)的計算公式，當土層均勻時，樁端荷載傳遞系數(shù)表示為：

式中：Sa/d、l/d、np分別為樁的距徑比、長徑比和筏板基礎(chǔ)下的總樁數(shù)。

樁端平面的附加應(yīng)力

式中：pa,end為主變區(qū)域樁端平面附加應(yīng)力，其作用范圍為筏板基礎(chǔ)在樁端平面的投影面；pb,end為主變以外區(qū)域樁端平面附加應(yīng)力；ψt為樁端荷載傳遞系數(shù)，根據(jù)式(10)計算。樁端下臥層的沉降Sb可按下式簡化計算：

式中：Esi為樁端以下各層土的壓縮模量，Hi為樁端以下各層土的厚度，Δpi為樁端平面以下各層土的附加應(yīng)力平均值，主變和主變以外區(qū)域樁端平面附加應(yīng)力分別為pa,end和pb,end，樁端平面以下附加應(yīng)力分布按照布氏解計算，計算深度按照附加應(yīng)力為0.1～0.2倍土層自重應(yīng)力確定。

忽略填土和樁體的壓縮量，以及施工期內(nèi)的沉降，則托板樁處理地基的工后沉降S按下式計算：

式中：Ut為施工結(jié)束時候下臥層地基固結(jié)度。根據(jù)徐正中有限元計算的結(jié)果，對于打穿情況，當施工結(jié)束時地基固結(jié)度約為10%；對于未打穿情況，當施工結(jié)束時，下臥層地基固結(jié)度幾乎為0。所以，當樁打穿軟土層時，Ut取為10%；當樁未打穿軟土層時，Ut取為0。

2 工程實例

2.1 工程概況

某220 kV變電站新建工程，建設(shè)規(guī)模最終容量為3臺240 MVA主變壓器，本期建2×240 MVA，征地按遠景占地面積一次征用，土地性質(zhì)為新增建設(shè)用地。站址場地地貌單元為山前平地，地勢平緩，自然地面標高為6.25 m(1985國家高程基準)左右，地形條件較好。地下水位隨季節(jié)變化，雨季時接近地表，地下水位一般埋深在0.0～0.5 m。根據(jù)水文氣象報告，站址附近50年一遇設(shè)計洪水位為8.51 m，場地設(shè)計標高擬取8.55 m，該新建變電站主變場地原始標高6.41 m，填土高度2.1 m。表2和表3給出了地基各層土物理力學(xué)性質(zhì)指標和樁基設(shè)計參數(shù)。

表2 地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標

表3 樁基設(shè)計參數(shù)

2.2 設(shè)計計算分析

2.2.1 托板樁設(shè)計方案

主變區(qū)域采用筏板基礎(chǔ)見圖2，筏板尺寸7.4 m×5.4 m，筏板基礎(chǔ)高1.4 m，基礎(chǔ)埋深1.2 m，重度為25 kN/m3，主變承受總重量2250 kN。油坑壁外緣尺寸12.65 m×10.50 m，底板厚0.3 m，埋深1 m，換算底板底面均布荷載約為18 kPa，底板與托板頂面填土厚1 m。

圖2 主變樁位布置大樣圖

托板樁地基處理設(shè)計方案：采用Φ377沉管灌注樁，樁頂標高6.21 m，采用正三角形布置，樁間距1.8 m，方案一主變區(qū)域樁長取15 m，油坑區(qū)域樁長取12 m；方案二主變區(qū)域樁長取18 m，油坑區(qū)域樁長取15 m。每根樁頂設(shè)一托板，尺寸為1 m×1 m×0.3 m(厚)，混凝土強度等級為C25，托板頂面標高6.41 m，樁頂標高6.21 m，托板與主變筏板基礎(chǔ)或油坑底板之間采用土工格柵碎石墊層，重度為18 kN/m3。

2.2.2 荷載分擔比計算

本算例設(shè)計方案中，正三角形布樁，Sa=1.8 m，單樁處理范圍面積A=2.8 m2，托板邊長b=1m，面積置換率m/b2/A=35.6%。等沉面高度影響系數(shù)Ψ取1.5，則等沉面高度he=Ψ(Sa－b)=1.2 m。取填土內(nèi)摩擦角φ=25°，根據(jù)式(2)可計算得樁體荷載分擔比Ep=86%。

2.2.3 沉降計算

(1) 方案一

① 樁端平面附加應(yīng)力計算

主變筏板基礎(chǔ)承受的上部結(jié)構(gòu)豎向荷載為：

2250 kN/(7.4 m×5.4 m)=56.3 kPa

混凝土筏板自重：

25 kN/m3×1.4 m=35 kPa

土工格柵碎石墊層自重為：

18 kN/m3×0.9 m=16.2 kPa

所以主變區(qū)域樁托板頂面高度處的附加應(yīng)力：

pa,top=56.3+35+16.2=107.5 kPa

油坑區(qū)域荷載：

18 kPa+18 kN/m3×1.1 m=37.8 kPa

場地填土自重為：

18kN/m3×2.1 m=37.8 kPa

即主變以外區(qū)域樁托板頂面高度處的附加應(yīng)力pb,top=37.8 kPa

樁端荷載傳遞系數(shù)：

當樁長l=15 m，樁徑d=0.377 m，樁間距Sa=1.8 m，筏板基礎(chǔ)區(qū)內(nèi)樁數(shù)np=16時，ψt=0.32。

主變區(qū)域樁端平面的附加應(yīng)力：

主變以外區(qū)域樁端平面的附加應(yīng)力：

② 樁端下臥層沉降及總沉降計算

主變區(qū)域樁端下臥層沉降：

主變以外區(qū)域樁端下臥層沉降：

忽略填土和樁體的壓縮量，以及施工期內(nèi)的沉降，則主變區(qū)域托板樁地基處理的工后沉降S=(1－Ut)Sb=(1－0)×22.3 cm=22.3 cm；主變以外區(qū)域托板樁地基處理的工后沉降S=(1－Ut)Sb=(1－0)×19.2 cm=19.2 cm。

當主變區(qū)域樁長l=15 m，油坑區(qū)域樁長l=12 m，主變區(qū)域與油坑區(qū)域沉降差為3.1 cm，沉降不協(xié)調(diào)。

(2) 方案二

① 樁端平面附加應(yīng)力計算

樁托板頂面高度處的附加應(yīng)力計算與方案一相同，主變區(qū)域pa,top=107.5 kPa，主變以外區(qū)域pb,top=37.8 kPa。

樁端荷載傳遞系數(shù)：

當樁長l=18m，樁徑d=0.377m，樁間距Sa=1.8m，筏板基礎(chǔ)區(qū)內(nèi)樁數(shù)np=16時，ψt=0.28；

主變區(qū)域樁端平面的附加應(yīng)力：

主變以外區(qū)域樁端平面的附加應(yīng)力：

② 樁端下臥層沉降及總沉降計算主變區(qū)域樁端下臥層沉降：

主變以外區(qū)域樁端下臥層沉降：

忽略填土和樁體的壓縮量，以及施工期內(nèi)的沉降，則主變區(qū)域托板樁地基處理的工后沉降S=(1－Ut)Sb=(1－0)×13.5 cm=13.5 cm；主變以外區(qū)域托板樁地基處理的工后沉降S=(1－Ut)Sb=(1－0)×14.0 cm=14.0cm。

當主變區(qū)域樁長l=18 m，油坑區(qū)域樁長l=15 m，主變和油坑區(qū)域差異沉降為0.5 cm，沉降協(xié)調(diào)。

2.2.4 承載力計算

(1) 方案一

① 主變區(qū)域

樁托板頂面以上作用荷載：

p= 56.3+35+16.2=107.5 kPa

單樁處理范圍等效直徑：

de=1.05×1.8 m=1.89 m

單樁處理范圍面積：

單樁處理范圍內(nèi)總荷載：

P=107.5 kPa×2.8 m2=301 kN

取樁的中性點深度l0=0.3l，取中性點以上樁身側(cè)阻力為零，單樁豎向極限承載力標準值：

安全系數(shù)η取1.5，則單樁豎向承載力設(shè)計值，不滿足要求。

地基土承載力取50 kPa(粉質(zhì)粘土層地基承載力特征值為110 kPa，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層為60 kPa)，則托板樁地基豎向承載力：

(2) 方案二

① 主變區(qū)域

樁托板頂面以上作用荷載：

p= 5 6.3 + 3 5+ 1 6.2 = 107.5kPa

單樁處理范圍等效直徑：

de=1.05× 1.8m = 1.89m

單樁處理范圍面積：

單樁處理范圍內(nèi)總荷載：

P= 1 07.5kPa×2.8m2=301kN

取樁的中性點深度l0=0.3l，取中性點以上樁身側(cè)阻力為零，單樁豎向極限承載力標準值：

安全系數(shù)η取1.2，則單樁豎向承載力設(shè)計值滿足要求。

地基承載力取50 kPa(粉質(zhì)粘土層地基承載力特征值為110 kPa，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層為60 kPa)，則托板樁地基豎向承載力：

② 主變以外區(qū)域

托板頂面以上作用荷載：

p= 1 8kN/m3× 2 .1m = 37.8kPa

單樁處理范圍等效直徑：

de=1.05× 1.8m = 1.89m

單樁處理范圍面積：

單樁處理范圍內(nèi)總荷載：

P= 3 7.8kPa×2.8m2=106kN

取樁的中性點深度l0=0.3l，取 中性點以上樁身側(cè)阻力為零，單樁豎向極限承載力標準值：

取安全系數(shù)η=1.5，則單樁豎向承載力設(shè)計值，滿足要求。

地基承載力取50 kPa(粉質(zhì)粘土層地基承載力特征值為110 kPa，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層為60 kPa)，則托板樁地基豎向承載力：

兩種設(shè)計方案對比分析見表4。由表4可以看出，方案二滿足承載力要求，充分發(fā)揮了樁間土的承載力，樁體荷載分擔比在合適的范圍內(nèi)，主變和油坑區(qū)域沉降及沉降差較小。

3 結(jié)論

本文將托板樁技術(shù)推廣應(yīng)用到軟土地區(qū)高填方變電站地基處理工程中，分析了托板樁技術(shù)的適用范圍，提出了深厚軟基高填方變電站托板樁地基處理的設(shè)計方法，包括樁體荷載分擔比、承載力及沉降計算方法，并結(jié)合某新建變電站托板樁地基處理工程算例分析，得出以下結(jié)論：

(1)填土高度至少要大于1.0～1.6倍樁托板凈間距，才能保證填土中形成“完整土拱”，填土頂面不出現(xiàn)較大不均勻沉降。因此托板樁技術(shù)適用于填土高度大于1.6倍樁托板凈間距情況。

表4 托板樁設(shè)計方案對比分析

(2)在工程常用的設(shè)計參數(shù)條件下，建議樁體荷載分擔比的取值范圍在60%～80%之間。當軟土層未打穿時荷載分擔比取低值，打穿時取高值。當樁托板寬度與樁間距之比較小，荷載分擔比取低值；而當樁托板寬度與樁間距之比較大，取高值。

(3)樁端下臥軟土層的厚度對地基總沉降影響很大；下臥軟土層越厚，總沉降越大；在實際設(shè)計中可以通過改變樁長來調(diào)節(jié)沉降。

(4)對于常規(guī)工程，填土厚度在5 m以內(nèi)，托板樁樁徑d取400～600 mm，托板宜采用正方形或者圓形，正方形邊長或者圓形直徑可以取1000～1500 mm，托板厚度取300～400 mm，樁間距Sa取3～5d，樁長可以根據(jù)軟土層厚度確定。如果軟土層厚度小于10 m，樁可以打穿軟土；如果軟土層厚度大于15 m，樁長宜控制在15 m以內(nèi)。如果填土厚度大于5 m，軟土層厚度大于20 m，應(yīng)該進行詳細理論分析計算，以確定設(shè)計參數(shù)。

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