水泥土桩在山区地基处理中的应用研究

夏岩

（中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001）

变电站的地基处理是保证变电站安全运行的首要条件。当变电站位于湿陷性黄土场地时，应当根据站内建构筑的重要性等级采取不同的地基处理措施。当站址位于山区，场地高差大，此时，地基处理方案不仅需要原有地基土的不良地质现象，还应兼顾由于场地高填方而引起的地基不良现象。在地基处理方案的确定过程中，需要重点解决技术与经济的平衡问题，做到安全实用、技术先进、经济合理。本文论述了水泥土桩在山区回填土及湿陷性黄土地基地区的应用。

1 工程概况

某变电站处于湿陷性黄土地区，位于一黄土梁顶部，地貌单元属中低山区的黄土丘陵区，受长期的风化剥蚀，地势起伏，冲沟较发育，地形破碎。现场经人工改造后，四周呈阶梯状下降的农田，地面标高为855.0 ～875.0m。

根据根据地质专业勘测结果，在勘测深度内，场地的岩土层可划分为四个大层，即：

①层全新统黄土状粉土，褐黄色，中密，稍湿～湿，发育孔隙，含钙质结核及碎石等，具II 级非自重湿陷性。厚度0.5m ～1.5m。高压缩性，地基承载力110kPa。

②层上更新统黄土，以粉土为主，灰黄色，中密，稍湿，具有孔隙，含钙质结核，下部夹钙质结核层，结核直径达5 ～10cm，具II 级非自重湿陷性。厚度不等，一般0.5～7.5m。中等压缩性，地基承载力150kPa。

③层中更新统黄土，由粉质黏土夹粉土组成，黄褐色为主，下部为紫红色，硬塑～坚硬，稍湿，含钙质结核，局部见虫孔和白色钙质菌丝，发育垂直节理，颗粒状、碎块状结构，结构面多见褐色铁锰质薄膜，本层分布于整个场地，厚度2 ～15m。低压缩性，地基承载力200kPa。

④层石炭系本溪组底部铝土岩夹风化褐铁矿或奥陶系峰峰组泥灰岩、石灰岩等。微风化～中等风化，厚度大于20m。地基承载力1800kPa。

场地地下水水位埋深大于20m，可不考虑地下水对建筑物基础的影响；本地区季节性土壤冻结深度0.68m。

2 设计方案论证

现就站址场地内地质情况最复杂、同时由于工艺设备的要求，对基础沉降最敏感的220kV 配电装置区的地基处理方案进行研究。220kV 配电区北侧，最大填方深度1.5m，最大挖方深度2m。220kV 配电区中部，挖方深度约2m。220kV 配电区南侧，最大填方深度9m，并且在填方区地表存在厚度约2m 的①号土层。本站的220kV 配电装置采用GIS 设备，总长140m，也就是说GIS 基础将中间局部直接坐于基岩顶层，北侧位于1.5m 厚填方区，南侧位于9m 厚填方区。根据电气要求，CIS 基础预埋件顶标高最高和最低相差不超过3mm，整体高差不大于5mm，否则会引起母线套管内SF6 气体泄漏，导致设备事故。

由于本场地填土加湿陷土层厚度最深达11m，而且变化较大，强夯法及换土垫层法处理深度有限，不适用于本场地。根据规范,本站地质情况较适合采用挤密桩类地基处理方法。

常见挤密桩桩体材料有素土、灰土、水泥土之分。素土桩成桩后承载力较小、压缩变形较大，常和CFG 桩结合使用，由于工期长、费用大，本工程不予采用。石灰属于气凝性胶结材料，有其独有的特性,和土拌和后可以在空气中反应，也可以和水反应。拌和物前期强度较低，后期强度逐渐上升，形成强度需要较长时间。水泥属于水凝性胶结材料,遇到水后反应迅速, 前期强度快速增长, 后期强度增长较慢。水泥土与石灰土相比，强度更高、压缩性更小、反应时间更短。经理论计算，能满足本站220kV 基础下一是11m 厚回填土加湿陷性黄土，另一半直接是风化基岩，且对不均匀沉降有相当苛刻的要求。因此，本站选用1：4 水泥土作为挤密桩填充料，水泥采用P.O42.5 普通硅酸盐水泥。

现就水泥土桩的两种成桩工艺：挤密桩法、孔内深层强夯法(DDC)两种方法进行对比论证。

2.1 挤密桩法

水泥土挤密桩法一般适用处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填土、杂填土等地基，处理深度5 ～15m。处理后持力层范围内土变形减少，承载力可提高1 ～2.5 倍，并可消除填土及湿陷性黄土的湿陷性，符合本工程需求。

水泥土挤密桩施工前应在现场进行成孔、最优含水量、夯填工艺和挤密效果试验，以确定分层填料厚度、夯击次数和夯实后干密度等要求。打桩采用履带式柴油打桩机配备专用夹杆式夯实机。成孔采用冲击沉管法，当桩长小于12m时，直径选用450mm，平面布置按等边三角形排列，桩距1000mm；当桩长大于12m 时，直径选用600mm，平面布置按等边三角形排列，桩距1100mm。成孔挤密宜由外向里、间隔分批进行，同排内应间隔1 ～2 孔，以免因振动挤压造成相邻孔缩孔或塌孔，成孔后清底夯实、夯平，并立即夯填水泥土。桩孔应分层夯实，每层回填厚度350 ～400mm。人工夯实用重25kg 带长柄的混凝土锤，机械夯实可采用简易夯实机，一般落锤高不小于2m，每层夯击不少于10 锤。桩顶标高高出设计标高200mm，做褥垫层时将高出部分铲除。在雨季、冬季施工时，应采取防雨、防冻措施，防止填料受雨淋湿或冻结。

具体到本工程，经初步测算可采用成孔直径450mm，桩间距1.0m，三角形布置。预估220kV 配电区需打桩2510 根，平均桩长6m，桩体积共2394m3。

处理后的地基宜通过现场试验，取得复合地基的压缩系数、压缩模量、湿陷系数、承载力标准值等物理力学指标。孔内填料的质量通过压实系数控制，压实系数不得小于0.95。检查数量不少于桩数的2%，同时每台班至少应抽查1 根。在全部孔深内宜每米取土样测定其干密度，检测点的位置应距孔中心2/3 孔的半径处。孔内填料的夯实质量也可通过现场试验测定。

2.2 孔内深层强夯法(DDC)

孔内深层强夯法(DDC)复合地基是以洛阳铲掏土成孔，填以水泥土或灰土夯击，通过重锤高动能、超高压、强挤密，对桩孔填料进行固结，对桩间土进行强扩充挤密，从而达到对桩体和桩间土动力固结处理地基的目的，形成复合地基。处理后的地基承载力高，变形模量大，压缩变形小，地基刚度均匀，能消除地基湿陷性。本工程主要以提高回填土质量、减少由于高填方引起的下部天然土层压缩沉降为主要目的，同时，消除湿陷性黄土的湿陷性。DDC 水泥土桩贯穿于回填土与湿陷性黄土中，通过重约2t 的尖锤，落距不小于10m，夯击数不小于8 击，夯实桩体、挤密桩间土，既能消除湿陷性也能提高回填土质量。

经测算，本工程可采用成孔直径400mm，夯后扩径650mm 左右，桩间距1.2m, 三角形布置，的孔内深层强夯(DDC)水泥土桩。预估220kV 配电区需打桩1746 根，平均桩长6m，桩体积共3474m3。

成桩后14 ～28d 应对桩、桩间土和复合地基进行抽样检测。对桩、复合地基承载力、压缩模量、变形模量、消除湿陷性等作出综合评价。静载荷试验检测数量应为总桩数的0.5%～1%，且单体工程不小于3 个。动力触探等原位测试，检测数量应为总桩数的0.5%～1%，且单体工程不小于6 个。土的物理力学性质试验取样应为总桩数的0.3%～1%，每个试验层不少于6 组。

3 方案选择

水泥土挤密桩法、孔内深层强夯法(DDC)两种方法都是处理湿陷性黄土、素填土的常用方法。两种方法都具有施工工艺及机械简单，施工过程质量易控制的特点。两者相比，由于孔内深层强夯法采用了，具有高动能、超高压、强挤密的特点，处理后的地基承载力更高，压缩性更小，同时具有经济优势。因此，本工程选用孔内深层强夯法进行处理。

4 检测结果

根据实验室试验结果，水泥选择P.O42.5 普通硅酸盐水泥,水泥：土按1：4 配比混合。水泥土试样最大干密度ρdmax平均为1.67g/cm3，最优含水量WOP平均为21.1%，无侧线抗压强度大于6MPa。

桩间土样平均挤密系数大于0.93，满足规范要求。湿陷系数小于0.015，湿陷性消除。桩体芯样抗压强度介于5.0～10.4MPa 之间，平均为6.76MPa，抗压强度值离散性较小，表明桩体夯填效果较均匀。

复合地基承载力设计为≧400kPa,经检测复合地基承载力满足设计要求。复合土层变形模量大于30MPa，满足设计要求。

5 结语

水泥土桩是将水泥和土料事先充分拌匀，回填至桩孔内，然后进行夯实，形成桩体。成桩后, 水泥和土体通过水解、水化反应生成可持续硬化的水化产物, 形成水泥土密实强度。水泥土桩的成桩可采用挤密桩专用夹杆式夯实机，也可采用孔内深层强夯工艺成桩，但两者由于夯击能不同，对原有地基的加固效果有所区别，孔内深层强夯法由于夯击能较大相对加固效果也较好。本工程采用孔内深层强夯工艺水泥土桩有效解决了山区回填土及湿陷性黄土地基的不均匀沉降问题，目前该项目已运行10 余年，未发生不均匀沉降现象，达到了设计预想。