500kV海涂变电站建设中的管桩沉桩质量控制研究

周峥栋，谭勇锋，冯文新，商善泽

（1.国网浙江省电力有限公司建设分公司；2.中能建浙江火电建设有限公司，浙江 杭州 310020）

我国东部沿海地区经济发达，用电需求量大，土地资源紧张，越来越多的变电站选址时优先考虑山区荒地或是沿海滩涂地区。海涂地质土大多具有含水率高、孔隙比大、压缩性高、强度低和透水性低等性质，力学性能极差，因此该地质中成桩质量往往难以令人满意，普遍存在的桩基偏位、倾斜、挤断及浅桩上浮等成桩质量问题。随之而来的基础沉降问题大大影响变电站电气设备的安全稳定运行。在软土地区变电站建设过程中，为兼顾可靠性与经济性，往往对重要的建构筑物区域采用灌注桩基础，而对一般场地采用预应力管桩处理。灌注桩成桩实质为钢筋混凝土置换相应位置土体，而预应力管桩沉桩实质为将“增强材料”贯入土体，土体向四周挤压，改变原状土的应力状态，进而引起周围浅层土体的隆起和深层土体的横向挤出，极易造成邻桩桩身倾斜、挤断及浅桩上浮。上海某工程便由于成桩挤土效应影响，大量工程桩被折断，经开挖观测最多的断裂成五节，承载力大幅下降，整个工程600根桩报废，造成不可估量损失。在部分变电站建设过程中也遇到过开挖后发现管桩偏位数米的现象。因此，管桩沉桩过程中须格外注意挤土效应，特别是软土地基上建设的500kV变电站，稳固的基础对整个地区电网有着十分重要的意义。本文通过介绍镇海500kV变电站新建工程建设过程中对预应力管桩挤土效应的成功控制，为后续海涂地基的500kV变电站建设提供建设经验与实践依据。

1 工程地质概况及桩基方案

镇海500kV变电站新建工程位于浙江省宁波市镇海区化工园区内，距海堤200m，土地性质为海域，属于典型的“海涂变电站”。

站址原始地貌为淤泥浅海滩，场地水深在0.8～1.0m，表面为浮泥，基本被水覆盖。

根据地质勘察报告，各土层地质情况如下：（1）层淤泥，饱和，流塑，该层在场地内均有分布，层厚3.7～6.7m，承载力特征值fak＝40kPa；（2）层黏质粉土，稍密，很湿，该层在场地内均有分布，层厚5.8～8.0m，承载力特征值fak＝120kPa；（3）层淤泥质粉质黏土，饱和，流塑，该层在场地内稳定分布。层厚11.0～20.0m，承载力特征值fak＝80kPa；（4）层粉质黏土，湿，可塑为主，该层在场地内局部缺失。层厚1.0～6.8m，承载力特征值fak＝150kPa；（5）层粉细砂，很湿，中密，该层在场地内稳定分布，层厚差异较大，层厚3.2～10.2m。承载力特征值fak＝200kPa；（6）层砂质粉土，湿，中密，该层分布较稳定，层厚一般大于5m。承载力特征值fak＝150kPa。

全站围墙内面积2.93公顷，共有预应力管桩3114根，桩间距为3m，桩长31～40m。由此可见，本工程预应力管桩数量多且十分紧密，且沉桩于饱和软土中，若控制措施不当极易造成桩偏、倾斜甚至断桩。

2 常见桩位偏差原因分析

2.1 土体位移机理

在预应力管桩沉桩过程中，对周围原状土施加径向挤压和竖向剪切作用，致使土体结构、密度、含水率发生变化，如图1所示。

图1 管桩沉桩影响示意图

I区为剧烈重塑区，紧贴桩身，沉桩过程中经历大位移，结构完全破坏；II区为塑性区，土体发生较大塑性变形，但未上下错位；III区为弹性区，孔隙水压力和侧压力不大，但可以观测到；IV区为安全区，基本不受挤土影响；V区为桩端塑性区。

沉桩过程对原状土扰动后，由于饱和软土含水率高，产生较大孔隙水压力，大幅降低土体的有效应力。在弹性区以内的邻桩会受到挤压造成偏位。灵敏黏土在打桩过程中软化，从桩两侧挤出地表，造成浅桩上浮。沉桩结束后孔隙水压力逐渐消散，桩周土再固结，使桩侧受到负摩阻力而下沉。

2.2 主要影响因素

（1）桩型与桩长影响。开口桩尖相对于封闭式桩尖对挤土影响更小。空心钢管桩壁厚一般为10mm左右，排土量较同截面钢筋混凝土桩要小，但由于土塞效应，并不是所有桩端土进入管内。预应力管桩则壁厚较大，排土量也较大。增加桩长对水平位移影响大于对垂直位移影响，换言之，深部桩的挤土效应将更多引起桩的水平位移。

（2）沉桩速率影响。饱和软土中含水率极高，孔隙水压力消散极为缓慢，若日夜不间断沉桩，孔隙水压力呈直线上升。土体经过一夜的施工间隙后，能有效缓解挤土效应。因此，因严格控制同一区域每日成桩数量，同时根据监测数据，若发现挤桩现象，及时停桩1～2天。

（3）沉桩顺序影响。后施打的桩会对先施打的桩产生挤土影响，更深的桩会对临近浅桩产生更大影响。沉桩时，要尽量间隔跳打，使邻桩在III区弹性区之外，待孔隙水压力充分消散后，再去打最靠近的桩。合理顺序应遵循：先中间后周边，由中心逐渐向四周对称施工；先密后疏，先打桩较密集的区域，后打桩较稀疏的区域；当在已有建构筑物附近压桩时，应沿着背离建构筑物的方向进行。

（4）临近施工影响。沉桩完成后开挖浇筑桩帽。在土方开挖过程中，挖掘机自重及坑边运土车辆行走，容易挤压表层淤泥形成压力差，造成临近桩头表面出现倾斜偏位。若开挖边坡较高，也会存在一定的土体侧压力，挤压造成偏位。桩基监测过程中，事先布置的测量放养点可能因为沉桩过程中桩架移动造成回填土下陷或涌土引起放样坐标点偏位，进而使监测精度下降。

3 沉桩质量控制措施及实施效果

3.1 本工程质量控制措施

（1）控制孔隙水压力。采用钻孔桩机，在管桩间钻一排与管桩间距对应直径为500mm的桩孔，孔深10m，孔内填塞竹笼骨架作为应力释放孔，加速孔隙水压力消散。

（2）合理确定沉桩顺序。根据场地桩位布置，划分500kV设备区域、220kV设备区域、35kV设备区域等多块场地，采取中间向四周、临近建筑物区域向四周、先长后短、间隔两根桩跳打原则。桩机行进路线统一从场区一侧向另一侧方向依次施工，避免两桩机相向打桩。

（3）严格控制沉桩速率。白天沉桩后，夜间禁止沉桩，给足孔隙水压力消散的时间。每台桩机每天沉桩根数控制在8～10根，且沉桩完成根数均匀布置在场地不同区域。

（4）确保桩身垂直与测点精准。采用水平尺结合经纬仪控制管桩垂直度，全站仪控制桩位轴线，水准仪控制桩顶标高，桩位坐标由专员放样，桩架移动后再次复核。接桩时，待焊缝冷却20min后，再继续沉桩。

（5）加强沉桩监测。加强沉桩过程监测，采用BF515型测斜仪测量深层土体水平位移，采用振弦式压力计观测地基的孔隙水压力。一旦发现某处孔隙水压力消散较慢，则暂停沉桩。

（6）开挖过程做好保护。土方开挖过程做好监护，防止挖掘机压在桩位上或挖掘机斗挖到桩头。开挖的边坡按1∶1的坡度放坡，边坡与作业面高差不得大于1m，边坡上禁止堆土及车辆行走，并对靠近开挖边坡处的三排桩采用钢管顶托支撑加固，防止表层桩位位移，并每天对桩位进行监测，发现位移立即采取措施。

3.2 实施效果

沉桩完成后，对预应力管桩开展小应变检测与静载试验，试验结果显示：全站管桩沉桩质量良好，一类桩达95%以上，无三、四类桩，承载力均达到设计及规范要求。可见，即便在沿海深厚软土的地基处理中，只要制定科学合理的沉桩控制方案，严格执行，完全能够控制沉桩质量满足500kV变电站的使用需求。

4 结语

本文通过制定管桩沉桩质量控制方案，应用到某沿海500kV变电站的软土地基处理中，获得良好的效果，得到以下结论：

（1）软土地基的管桩沉桩过程中存在“挤土效应”，若控制措施不当，容易造成桩基偏位、倾斜、挤断及浅桩上浮等质量问题。

（2）通过分析桩基偏位的常见原因，研究应用一系列控制措施，能够获得优良的管桩沉桩质量。

（3）在沿海滩涂上建设500kV变电站已被证明是可行的，本文可为后续类似工程提供借鉴。