劲性体复合地基在变电站工程中的应用

敖斌张李黎夏凯

（1.安徽华电工程咨询设计有限公司安徽合肥2300222.中国能源建设集团安徽省电力设计院安徽合肥230022）

劲性体复合地基在变电站工程中的应用

敖斌1张李黎2夏凯1

（1.安徽华电工程咨询设计有限公司安徽合肥2300222.中国能源建设集团安徽省电力设计院安徽合肥230022）

本文以六安孙岗110kV变电站工程为例，通过比较劲性体（PST桩）复合地基和常规（CFG桩）复合地基之间的技术经济性能，最终确定劲性体（PST桩）复合地基这一新型地基处理方案综合技术经济性能较优，作为本站的地基处理方案。

劲性体复合地基；常规复合地基；PST桩；CFG桩；新型；技术经济性能

劲性体复合地基是刚性桩复合地基中的一种，由刚度较大的预制混凝土劲性体和桩间土组成且共同承担上部荷载的一种新型复合地基。该新型复合地基工作原理为：在上部荷载作用下，大部分荷载由劲性体承受。由于劲性体本身属于挤土桩，桩周摩阻力能够得到充分发挥，端阻力又随着时间增加和桩周摩阻力的发挥而逐渐提高。同时桩顶褥垫层发挥调节作用桩间土和桩身逐渐进入共同工作状态，逐渐形成复合地基。劲性体复合地基具有承载力高、沉降变形小、地基承载力调整幅度大、施工周期短以及环境污染小等一系列优点，适用于处理粉土、沙土、粘土等地基，适用范围较广。

1 六安孙岗110kV变电站工程概况

本文以六安孙岗110kV变电站工程为模板，进行复合地基的设计研究。变电站为户外变电站，站内主要建筑物为两栋单层配电装置室；变电站内构筑物主要有：主变压器基础、电容器基础、二次设备舱基础、构架基础和围墙基础等。站址区域地基土分布及相关从参数如表1～2。

表1 各土层名称及特性列表

表2 桩基设计参数

根据基础埋深和上部建筑荷载重量，选取第②层粉质粘土做桩端持力层，初步估算建筑物基底压力标准值Pk≥140kPa，设备基础基底压力标准值Pk≥120kPa。

2 地基处理方案选择及设计

本次重点对劲性体（PST桩）复合地基、水泥土搅拌桩（CFG桩）复合地基这两种适合本工程的地基处理方案进行比较，通过技术、经济性能分析来判别两种方案方案的优劣。

2.1 劲性体（PST桩）复合地基

2.1.1 构造要求

本工程劲性体复合地基采用静压成桩，选择②层粉质粘土作为桩端持力层，桩长9m。桩径取300mm，劲性体属于挤土桩，根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008），非饱和土、饱和非黏性土上的挤土桩最小中心距应取3.5d或4.0d。本工程桩间距取为1.0m，桩位排列采用正三角形布置。

根据规范要求，桩顶和基础之间应设置褥垫层，褥垫层厚度宜为0.4～0.6倍桩径，褥垫层材料采用中砂、粗砂、级配砂石和碎石等，最大粒径不宜大于30mm。本方案考虑采用级配砂石褥垫层，厚度取为300mm。

2.1.2 单桩竖向承载力特征值计算

单桩竖向承载力特征值Quk按下式估算：

式中：αp为桩端端阻力发挥系数，取1.0。经计算：

Quk=1802.9+222.66=404.75kN

单桩竖向极限承载力特征值Ra=Quk/K=Quk/2=202.37kN≈200kN

2.1.3 复合地基承载力计算

劲性体复合地基承载力特征值，一般应通过现场复合地基载荷试验确定，本方案按下式进行估算：

式中：λ为单桩承载力发挥系数，取1.0；m为面积置换率，正方形布桩，m=d2/de2=0.0816；Ra为单桩竖向承载力特征值；Ap为桩截面积，β为0.0707m2；为桩间土承载力折减系数，取0.9；fsk为处理后桩间土承载力特征值，粉土可取天然地基承载力特征值60kPa。

fspk=1.0×0.0816×202.37/0.0707+0.9×（1-0.0816）×60=250kPa

承载力可满足上部结构要求（见图1）。

2.2 水泥土搅拌桩（CFG桩）复合地基

2.2.1 构造要求

根据规范要求，固化剂选用强度等级32.5级以上的矿渣硅酸盐水泥，水泥掺量宜为12～20%；桩径取600mm，采用300mm厚级配砂石褥垫层（最大粒径不大于20mm），桩排列采取正三角形布桩型式，桩间距1.8m。

图1 PST桩桩位平面布置图

2.2.2 单桩竖向承载力特征值计算

单桩竖向承载力特征值Quk按下式估算：

式中：αp为桩端端阻力发挥系数，取1.0。经计算：

Quk=356.26+152.68=508.94kN

单桩竖向极限承载力特征值Ra=Quk/K=Quk/2=254.47kN≈250kN

2.2.3 复合地基承载力计算

劲性体复合地基承载力特征值，一般应通过现场复合地基载荷试验确定，本方案按下式进行估算：

式中：λ为单桩承载力发挥系数，取0.8；m为面积置换率，正方形布桩，m=d2/de2=0.2819；Ra为单桩竖向承载力特征值；Ap为桩截面积，β为0.2816m2；β为桩间土承载力折减系数，取0.85；fsk为处理后桩间土承载力特征值，粉土可取天然地基承载力特征值60kPa。

fspk=0.8×0.2819×250/0.2816+0.85×（1-0.2819）×60=236kPa

承载力可满足上部结构要求。

结合以上分析，通过选择合理的桩型和采取必要的构造措施，复合地基两种方案时均能满足地基承载力要求，同时劲性体（PST桩）复合地基在桩径较小、间距较密的情况下，可以提供较高的地基承载力。

3 不同方案经济性比较

下面结合工程实际，通过产生的总费用、工程建设周期等参数来分析不同地基处理方案的经济性能（见表3～4）。

表3 劲性体复合地基与水泥土搅拌桩复合地基经济对比分析

通过以上表格的对比不难发现，此项目设计劲性体（PST桩）复合地基比水泥土搅拌桩（CFG桩）复合地基节省造价2656500元–2133000元=523500元，即节约了总造价的24%，经济性能优异；同时劲性体（PST桩）复合地基施工总工期可比水泥土搅拌桩（CFG桩）复合地基有效缩短8～21d，相应的工程贷款利息和管理费用大为节省。

表4 劲性体复合地基与水泥土搅拌桩复合地基工期对比分析

4 小结

综上所述，劲性体（PST桩）复合地基作为一种新型的地基处理方式，不仅具有地基承载力调整幅度大、沉降变形小、施工周期短以及环境污染小等一系列优点，而且同传统的地基础处理方案可大幅降低工程造价，缩短工程建设周期，是一种技术经济综合性能较为优秀的一种地基处理方案。在基础持力层范围内主要为粉土、沙土、粘土等土质的工程场地，可作为一种优选的地基处理方案采用。

[1]《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）.

[2]《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）.

[3]《建筑地基处理技术规范》（JGJ 94-2008）.

[4]胡再强，王军星，刘兰兰，焦黎杰.褥垫层作用下复合地基抗震性能有限元分析[J].岩土力学，2008（S1）.

[5]高会强.水泥搅拌桩复合地基褥垫层作用的三维有限元分析[J].广东土木与建筑，2007（10）.

[6]鲍鹏，姜忻良，盛桂琳.劲性搅拌桩复合地基承载性能静动力分析[J].岩土力学，2007（01）.

[7]曹明.刚性桩复合地基工程性状的数值分析[J].工业建筑，2006（S1）.

[8]郑刚，刘双菊，伍止超.不同厚度褥垫层刚性桩复合地基工作特性研究[J].岩土力学，2006（08）.

[9]范福平，王卫英，刘延春，尹彦伟，潘永战.上部结构-基础-地基相互作用问题分析[J].青岛理工大学学报，2006（02）.

[8]）林文强，夏旭阳，陈延猛.刚柔桩复合地基加固软基桩土应力对比试验研究[J].水运工程，2005（07）.

[9]周龙翔，童华炜，王梦恕，张顶立.复合地基褥垫层的作用及其最小厚度的确定[J].岩土工程学报，2005（07）.

TM63

A

1004-7344（2016）28-0061-02

2016-9-24

敖斌（1984-），男，江西新余人，土建工程师，硕士，研究方向为变电站土建设计等。

张李黎（1985-），女，安徽淮南人，土建工程师，硕士，研究方向为输变电工程结构设计等。

夏凯（1985-），男，湖北浠水人，土建工程师，硕士，研究方向为变电站土建评审等。