水泥土搅拌桩在某变电站地基处理中的应用

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.020

摘" 要：随着科学技术的不断进步，电力土木工程地基处理技术越来越先进，并逐渐向更科学、更经济、更环保的方向发展。该文对电力工程软土地基处理常用的水泥土搅拌桩的加固机理及水泥土搅拌桩复合地基工作机理进行阐述，并以某110 kV户外GIS变电站水泥土搅拌桩地基处理应用为例，采用单桩竖向抗压静载试验、浅层平板载荷试验及基桩钻芯试验等方法验证水泥土搅拌桩处理软土地基的效果，供电网工程及其他行业人员参考。

关键词：变电站；水泥土搅拌桩；地基处理；岩土层；试验载荷

中图分类号：TU472 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2023）32-0079-04

Abstract： With the continuous progress of science and technology， the foundation treatment technology of electric power civil engineering is becoming more and more advanced， and gradually to a more scientific， more economical and more environmentally friendly direction. This paper expounds the strengthening mechanism of cement-soil mixing pile commonly used in soft soil foundation treatment in electric power engineering and the working mechanism of cement-soil mixing pile composite foundation. Taking the application of cement-soil mixing pile foundation treatment in a 110 kV outdoor GIS substation as an example， the effect of cement-soil mixing pile in soft soil foundation treatment is verified by vertical compression static load test of single pile， shallow plate load test and foundation pile core drilling test， thereby can be used as a reference for power grid engineering and other industries.

Keywords： substation; cement-soil mixing pile; foundation treatment; rock and soil layer; test load

近年来，随着我国经济社会的发展，对电力的需求也越来越大，因此，电力工程的建设也得到了很大的发展。但受限于工业布局和城市规划，变电站在建设的过程中会遇到很多不良地基，比如软土地基等，对不良地基的处理是变电站工程的关键，直接关系到变电站建设的顺利进行和后期的运行。对软土地基的处理，常用的方法有排水、压密、加筋、固化及采用桩基础等。

1" 水泥土搅拌桩加固机理及优点

水泥土搅拌桩是加固饱和软黏土地基的一种成熟方法，其利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基中就地将软土和固化剂（浆液状或粉末状）强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理-化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基[1-3]。

水泥加固软土机理可分为以下3个过程：①水泥的水化反应；②水泥土的水化物和土颗粒的黏结作用；③碳酸化作用。

水泥土搅拌桩地基处理技术具有良好的整体稳定性、防渗性、施工速度快和造价低等优点。由于桩身强度不是很高，仅相当于C5～C10的混凝土强度，故能与桩间土体共同作用形成复合地基，使其表现出良好的稳定性。同时由于水泥土搅拌桩的施工工艺，保证了其较快的施工速度，每天每台机械可成桩500～800 m，比普通混凝土桩机进度快得多。施工中使用的原料价格低廉，工程造价低，具有良好的经济效益。

2" 水泥土搅拌桩复合地基工作机理

复合地基是水泥土搅拌桩进行软土加固后的产物，由于水泥属半刚性桩复合地基，水化后能够达到工程所需要的强度，其工作机理如下。

2.1" 桩体作用

桩体周围土体的刚度远小于水泥土搅拌桩体的刚度，在上部载荷的影响下，会根据材料的模量在复合地基中进行应力重分布，因此会产生应力集中，水泥土搅拌桩桩体承担了大量的上部载荷，相应地减少了桩间土体的应力，进而提高了复合地基的承载力，减少了地基的沉降量。

2.2" 垫层作用

水泥土搅拌桩是通过向地基土中喷射水泥，然后经过原位均匀搅拌后硬结成具有很高承载力的桩体，水泥土搅拌桩和桩间土复合形成复合地基。从力学特性上看，增大了应力扩散角，大大提高了天然地基软的承载力。如果水泥土搅拌桩没有贯穿整个软弱土层地基，则水泥土搅拌桩复合地基能够起到很好的垫层作用。

2.3" 挤密作用

在水泥土搅拌桩体进行现场搅拌时，不需要再向地基内附加注水，这是因为水泥土搅拌桩体内的水泥粉（浆液）能够自动膨胀、发热，吸收桩体周围软土内的水，进而对桩体四周软土起到挤密作用。

2.4" 加筋作用

水泥土搅拌桩能够提高软土地基土的承载力，同时还能够增强软地基的稳定性和土体的抗剪强度，对软土起到很强的加筋作用。

3" 工程实例

3.1" 工程概况

某户外110 kV GIS变电站，站址地貌属汉江一级阶地地貌，地势较平。主变压器本期规模为1×50 MVA，终期规模3×50 MVA；110 kV出线本期2回，终期4回；10 kV出线本期13回，终期36回；电容器组本期1×（3+5） Mvar；终期3×（3+5） Mvar。经工程地质勘探表明，站址场地土类型为中软土，建筑场地类别属Ⅱ类。场地属建筑抗震一般地段。

3.2" 岩土层分布

1层素填土：灰褐色-黄褐色，稍湿，稍密，局部松散。主要为耕植土，站址靠近临时道路的一侧含有较多碎石。主要分布于场地表层，层厚0.70～0.90 m，层顶标高33.45～35.27 m。

2层粉质黏土：褐灰色、灰褐色，湿，软塑状态，局部呈流塑状态，切面稍粗糙，含少量粉土，局部夹薄层粉土，不均匀，压缩性高。分布于第1层之下，层顶埋深0.70～0.90 m，层厚7.00～8.40 m，层顶标高32.65～34.47 m。

3层粉质黏土：灰色、灰褐色，稍湿，可塑状态，干强度中等，压缩性中等，含少量铁锰质结核及高岭土条带，偶夹淤泥质黏土，局部夹薄层粉土。分布于第2层之下，层顶埋深7.80～9.20 m，层厚6.10～7.80 m，层顶标高24.64～26.47 m。

4层粉土：灰褐、灰黄色，稍湿，稍密，局部为中密，局部夹粉质黏土，切面粗糙。分布于第3层之下，层顶埋深14.80～5.70 m，层厚1.70～5.20 m，层顶标高18.24～20.27 m。

5层卵石：杂色，饱和，中密，局部为密实，卵石成份以砂岩、灰岩碎块等为主，含量约65%，充填物主要为中细砂和少量黏土。卵石磨圆度较好，呈浑圆状，一般粒径20～50 mm，最大粒径90 mm，全场分布，本次勘测未揭穿。主要位于第4层之下，层顶埋深13.35～15.07 m，揭露层厚为1.40～2.90 m，层顶标高13.68～14.95 m。

3.3" 岩土层力学参数

根据原位测试及野外鉴定描述结果，结合DB42/169—2003《岩土工程勘察工作规程》等地方经验综合考虑，地基各岩土层岩土技术参数推荐值见表1。

3.4" 水泥土搅拌桩设计说明、桩位布置

水泥土搅拌桩桩间距1.0 m×1.0 m，桩径500 mm，停灰面高出有效桩顶500 mm。每米水泥用量不少于50 kg，固化剂采用42.5 kPa普通硅酸盐水泥，全程复搅。水泥土搅拌桩复合地基验收检测应采用单桩静载荷试验、复合地基静载荷试验检验承载力，静载荷试验宜在成桩28 d后进行，试验数量不小于总桩数1%，并进行桩身完整性检验。基础与桩之间设置褥垫层，褥垫层厚度为200 mm，材料为中粗砂，集配良好的碎石，最大粒径不得大于20 mm。

主变、配电装置室、GIS及构架基础水泥土搅拌桩设计桩长为10 m，电容器、消弧线圈、二次预制仓、防火墙、避雷针、站内道路、事故油池及站内道路水泥土搅拌桩设计桩长为5.5 m，配电装置室内水泥土搅拌桩设计桩长为3.5 m。

3.5" 水泥土搅拌桩质量控制

1）水泥土搅拌桩桩尖由于在施工中不断与土层摩擦，桩径也在不断损失变小，这就需要施工人员在每次移机过程中都要检查桩尖尺寸，如果尺寸偏出误差较大就需立即更换桩尖，在施工过程中也有遇到石块的情况，此种情况遇阻区局部位置一定要多次复搅，保证此处的桩型，且该桩施工完毕一定要检查桩尖尺寸是否满足设计要求的桩径，不符合就需立即更换。桩尖是一项较容易控制的质量要素，只需作业人员及质检人员加强检查力度，基本可以完全控制该质量要素[4]。

2）水泥土搅拌桩桩位控制要求水泥桩按图纸要求，所以施工过程中必须保证按此要求施工，这就需要根据设计图纸，将所有区域分区，然后按区定位放线，开挖沟槽，然后放第一组桩位，所有桩点都必须用木签（或其他物）标示出来，保证打桩的准确性。施工过程中严禁人员及机械将桩点移位或损坏，确实有碍事的必须采取其他措施后再次定位，保证该点位的桩不错位。

当前水泥土搅拌桩的应用非常广泛，质量控制的要素很多；将水泥土搅拌桩的原材、打桩机械、施工方法及施工过程控制好，该项施工质量控制就可得到保证。本项目中所有施工的水泥土搅拌桩按检测要求检测，经检测公司检测后的单桩承载力及复合地基承载力均大于设计要求。

4" 水泥土搅拌桩的检测

在成桩28 d后，根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》和JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》分别利用堆载法和钻芯取样法做浅层平板载荷试验、单桩竖向抗压静载试验和基桩钻芯试验。

4.1" 浅层平板载荷试验

采用压重平台反力装置，由主梁、次梁、竹跳板组成堆载平台，上堆砂包；主梁与试点之间安装千斤顶，千斤顶上连接精密压力表。承压板采用1.0 m2形钢板。

试验按GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》附录C的加载方式，载荷分级按8级逐级加载。所检测站内道路174#试验点、配电综合楼基础49#试验点、GIS基础635#试验点，3个检测点均加载至试验最大载荷240 kPa，主变压器基础425#试验点加载至试验最大载荷300 kPa时，P～S曲线平缓，无明显陡降段。结果见表2。

所检测站内道路174#试验点、配电综合楼基础49#试验点、GIS基础635#试验点，3个检测点的地基承载力特征值均为120 kPa，主变压器基础425#试验点地基承载力特征值为150 kPa。

4.2" 单桩竖向抗压静载试验

试验采用慢速维持载荷法，即逐级加载，每级载荷达到相对稳定后再加下一级载荷，当加载量达到终止加载条件时，即终止加载。试验加载由荷重、反力梁、千斤顶等构成加载反力系统。加载量由联接在千斤顶与加压油泵之间的压力表读出，沉降量由安装在基准梁上的百分表读出。

所检测（主变压器基础）444#桩、（GIS基础）611桩、（站内道路）205#桩加载至第七级210 kN时，桩顶总沉降量大于40 mm，且Q～S曲线出现明显陡降段，故该3根桩的单桩竖向抗压极限承载力为180 kN，特征值为90 kN，（配电综合楼基础）31#、32#桩加载至第六级180 kN，桩顶总沉降量大于40 mm，且Q～S曲线出现明显陡降段，故该2根桩的单桩竖向抗压承载力为150 kN，特征值为75 kN。

4.3" 基桩钻芯试验

检测依据标准：JGJ/T 87—2012《建筑工程地质勘探与取样技术规程》、GB/T 50266—2013《工程岩体试验方法标准》。检测机具为HT-150型钻机，从已成桩顶向下钻进。钻进过程中采用金刚石钻头，保证钻进的平稳和取芯的完整。

桩身完整性分类及判别特征。

Ⅰ类桩：桩身结构完整。混凝土芯样连续、完整、表面光滑、胶结好、骨料分布均匀、呈长柱状和断口吻合，芯样侧面光滑仅见少量气孔。

Ⅱ类桩：桩身有轻微缺陷，不会影响桩身结构承载力的发挥。混凝土芯样连续、完整、胶结较好、骨料分布基本均匀、呈柱状和断口基本吻合，芯样侧面局部见蜂窝麻面、沟槽。

Ⅲ类桩：桩身有明显缺陷，对桩身结构承载力有影响。大部分混凝土芯样胶结较好，无松散、夹泥和分层现象，但会有下列情况出现，芯样局部破碎且破碎长度不大于10 cm；芯样骨料分布不均匀；芯样多呈短柱状或块状；芯样侧面蜂窝麻面、沟槽连续。

Ⅳ类桩：桩身存在严重缺陷。钻进很困难；芯样任一段松散、夹泥；芯样局部破碎且破碎长度大于10 cm。

所检测31#基桩钻进过程平稳，0.00～7.00 m芯样呈灰褐色，所取芯样呈散粒状；7.00～10.30 m芯样呈褐色或深灰色，所取芯样呈碎块状或短柱状。钻芯情况见表3。

5" 结论

在电力工程建设中，要运用正确可靠的电力土建地基技术，确保设备的安全安装及电力的安全，并且熟练掌握现有地基处理技术，在新建电力设施地基处理和既有电力地基基础加固方面不断总结经验，研究全新的地基处理技术，按照技术先进、经济合理、就地取材的原则，优选适宜的地基处理方案，提高地基处理水平。

1）工程及试验结果表明，用水泥土搅拌桩加固软土地基是一种经济合理的处理手段。

2）水泥土搅拌桩加固后的地基，复合地基承载力较高，一般能满足承载力要求；但单桩承载力与桩基础相比则较低。水泥土搅拌桩适用于面受力，不适于点受力。当变电站位于软土地基上时，站内道路、围墙、电缆沟和支架等对地基承载力要求不高的可以直接采用水泥土搅拌桩来加固。对于GIS、构架、主变和配电装置楼等对地基承载力较高的，可以在水泥土搅拌桩加固后加大基础底板面积配合使用。

3）水泥土搅拌桩成桩质量受多种因素的影响，施工时应按规程规范要求，提高成桩质量，保证复合地基承载力。

参考文献：

[1] 陈秀珍.粉喷桩技术在地基处理中的应用[J].城市建设理论研究：电子版，2014（3）：1-7.

[2] 程中林.刍议粉喷桩技术在地基处理中的应用[J].大科技，2015（12）：148-149.

[3] 王良会.水泥土搅拌桩在芜湖某220 kV变电站地基处理中的应用研究[J].安徽建筑，2020（10）：82-84.

[4] 陆博.水泥土搅拌桩施工方法及质量控制[J].建筑施工，2018（8）：2286-2287.

第一作者简介：余立新（1988-），男，硕士，工程师。研究方向为变电站土建设计。