孙川，魏焕卫*，王建强，陈朝伟

(1.山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南 250014；2.山东建和土木工程咨询有限公司，山东 济南 250101)



某变电站沉降原因分析及微型桩托换加固设计

孙川1，魏焕卫1*，王建强1，陈朝伟2

(1.山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南 250014；2.山东建和土木工程咨询有限公司，山东 济南 250101)

建筑物地基基础不均匀沉降严重威胁着建筑物的质量与安全，采取有效的措施对建筑物地基基础进行加固处理是有效减少不均匀沉降事故发生的前提和基础。文章基于某220 kV变电站发生不均匀沉降的工程实例，针对该工程实际地形条件，通过对沉降观测数据进行分析，阐述了造成该变电站基础不均匀沉降和倾斜的主要原因，基于变形控制的原则，采用二次注浆微型桩托换加固技术对变电站进行加固方案设计，并对加固前后内应力变化进行对比分析。

不均匀沉降；微型桩托换；加固设计；强度验算

0　引言

目前，越来越多的地基工程需要进行大面积回填，但由于回填土性质不稳定，夯实不够密实，很可能造成建筑物地基基础不均匀沉降，甚至会影响建筑物的正常使用质量及使用寿命，严重的会造成建筑安全事故。故需对该类工程进行有效的地基基础加固处理，确保工程的安全性。常见的地基基础加固技术有桩式托换、灌浆加固以及基础加深加宽等。其中微型桩托换加固技术作为地基基础加固处理的一种常见方式，以其承载力高、托换后沉降量小、施工方便快捷等优势，在实际工程中有效减小建筑物基础沉降方面具有举足轻重的作用。其原理为利用微型桩托换加固技术将上部较大荷载传递到下部坚硬土层，从而达到地基基础加固的目的[1-3]。目前许多学者和工程研究人员均对微型桩托换加固技术在不同方面的应用进行研究。李湛等通过相关工程实例，提出既有建筑加固工程的微型桩托换技术[4]；魏焕卫等基于变形控制的原理，提出了既有建筑物微型桩托换加固荷载的理论计算方法[5]；王岩秋等根据大量试验研究成果，结合现场静载试验，提出劲型嵌岩微型桩在竖向荷载作用下的承载性状[6]；闫金凯等通过一系列模型实验，研究了微型桩加固滑坡体的承载机理、受力以及破坏模式[7]。文章通过分析某220 kV变电站基础不均匀沉降的原因，考虑采用二次注浆微型桩托换技术对该变电站地基基础进行加固设计。

1　工程概况

220 kV变电站位于淄川地区，主体采用砖混结构，基础形式为柱下条形基础，基础宽度3.0 m，基础埋深1.5 m。在该变电站周围均匀布置8个沉降观测点(如图1所示)，通过观察沉降数据，发现建筑物各沉降观测点均发生不同程度的沉降，且沉降值大部分已超出规范要求，为了防止沉降继续增加，影响变电站的正常工作，需对该变电站地基基础进行加固处理。

图1　加固基础平面布置图/mm

该变电站所处工程场地地势起伏较大，地面标高最大值为125.42 m，最小值为110.80 m，地表相对高差为14.82 m。根据该场地勘测报告知，揭露深度范围内的地层自上而下分为3层：(1) 风化岩碎屑为主的松散层杂填土，厚度为0.8～4.5 m，平均2.30 m；(2) 层强风化细砂岩，厚度为1.40～3.60 m，平均2.32 m；(3) 岩芯呈柱状、短柱状层中风化细砂岩，最大揭露厚度为5.50 m。相应位置的工程地质剖面如图2所示。

图2　场地工程地质剖面回填图/mm

2　沉降现状及原因分析

2.1沉降现状分析

为了保证220 kV变电站安全投入使用，该变电站建设前期，在施工现场均匀布置了8个沉降观测点，从3月份开始对该变电站进行沉降观测。通过观察分析该变电站8个观测点的沉降观测数据(见表1、2)，绘制出沉降观测曲线图以及沉降速率变化图(如图3、4所示)，发现各个观测点均有不同程度的沉降，其中4号观测点沉降量最大，其值为87 mm。由表2可以看出，建筑物局部倾斜中，部分倾斜已超过JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》[8]中的相关规定。由图3、4可以看出，各个观测点的沉降量在4、5月份基本不变，从6月份开始沉降量有所增加，但变化不大，沉降速率相对缓慢；随着雨季的来临，沉降量大幅增加，沉降速率急剧增快，8月中旬左右，沉降量发生突变。由于沉降量过大，并已超出规范要求，故需对该变电站基础进行加固处理，以控制基础不均匀沉降，从而保证变电站安全正常运行。

表1　建筑物各观测点沉降观测值

表2　建筑物局部沉降差及倾斜

图3　沉降观测曲线图

图4　沉降速率变化图

2.2沉降原因分析

(1) 填土沉降

由于该变电站所属区域需大面积回填，而回填土为挖方区的风化细砂岩，经分层夯实后，性质相对较稳定，但一经降雨，雨水将迅速渗入填土，填土中的细小砂石颗粒发生相对滑动，降雨较大时甚至将造成砂石颗粒流出，因而导致基础产生沉降。由于该区域填土面积广、深度大，因此填土沉降是该地基基础产生不均匀沉降的主要原因。

(2) 边坡侧移

由于该建筑物建设场区位于边坡，而边坡土体常表现出非均质性与各向异性等特性，在地基开挖、降雨等其他外部条件作用下较易发生大变形甚至失稳滑动[9]，因此边坡侧移问题是造成地基基础沉降的另一个原因。在边坡周围建设建筑物，会使边坡产生侧移，而边坡侧移将导致基础沉降。

3　微型桩托换加固方案设计及分析

3.1加固原则

由该变电站沉降现状分析可知，造成整个建筑物基础沉降的主要原因为填土沉降及边坡侧移。由于变电站对仪器设备精度要求较高，过大的不均匀沉降将导致变电站仪器设备无法正常使用，而且根据沉降观测数据可知，各观测点沉降值还在继续增加，为了保证后期设备安装工程顺利进行以及仪器设备安全投入使用，必须对地基基础进行加固处理。

3.2加固方案对比分析

3.2.1灌浆加固

该变电站加固前期采用灌浆加固方法对该地基基础进行加固处理，但由于该基础完全由碎石填充，砂石颗粒间的孔隙较大，对于浆液的流向难以控制。同时运用灌浆加固方法对该变电站进行加固处理，灌浆量太大，将导致地基中的细小砂石颗粒被冲走，进而使基础产生沉降。这两方面原因导致建筑物在使用灌浆加固方法进行加固处理后转角处沉降量反而增大，并且灌浆加固法不能有效控制地基基础因边坡侧移而产生的沉降。因此，采用灌浆加固法不能达到有效控制沉降的目的。

3.2.2微型桩托换加固

由于整个建筑物结构采用框架柱下条形基础，其最大特点为单根柱子所受荷载较大，其中柱子所受最大荷载为2664 kN。从控制沉降的角度考虑，可采用微型桩托换加固的方法对建筑物基础进行加固处理。利用微型桩进行托换加固，一方面将部分上部荷载通过微型桩传递到下部较坚硬岩层，减少沉降，而且将减少地基中细小颗粒流失现象的发生，从而可以充分发挥原有地层的作用。另一方面，由于该建筑物本身建在边坡上，边坡侧移也将造成基础沉降。而微型桩托换加固技术通过设置微型桩形成小型的群桩基础，不仅加固基础，同时对边坡也起到了一定的加固效果，从而控制边坡侧移。因此采用微型桩托换加固技术对该地基基础进行加固处理是最佳方案。

3.3微型桩托换加固设计计算

3.3.1微型桩的设计计算

(1)微型桩单桩竖向承载力的确定

为了使设计计算结果更为安全准确，分别从不同的方面考虑单桩竖向承载力的计算，从桩的类型以及桩身材料强度方面进行分析，为了保证设计施工安全，取其中的最小值进行托换桩的设计。

根据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》[10]、GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》[11]、GB 50010—2002《混凝土结构设计规范》[12]等相关规范，按嵌岩桩、端承桩以及材料强度三种情况分别计算单桩竖向承载力。

Qu=∑uqsikli+ζrfrkAP

(1)

Ra=qpaAp+u∑qsiali

(2)

Q≤Apfcψ

(3)式中：u为桩身周长，m，取0.69 m；qsik为桩周第i层土的极限侧阻力，kPa；li为桩周第i层土的厚度，m；frk为岩石饱和单桩抗压强度标准值，kPa；Ap为桩端面积，m2，这里取0.04 m2；ζr为桩嵌岩段侧阻和端阻综合系数，这里取0.90。qpa为桩端阻力特征值(kPa)；Q为相应于荷载效应基本组合时的单桩竖向力设计值，kN；fc混凝土轴心抗压强度设计值，N/mm2，这里取14.3 N/mm2；ψc工作条件系数，取0.65。

其计算结果列于表3。

表3　微型桩单桩竖向承载力计算

由以上计算结果比较可知，单桩竖向承载力为其中的最小值，因此取值为281.86 kN。

(2)微型桩桩数计算

通过分析该变电站柱子上部荷载图，发现不同部位柱子所受荷载情况差别较大，因此对受荷载较大的柱子进行微型桩托换加固，以减少基础沉降。下面选取3个典型部位的柱子，包括边柱、角柱、中柱(如图5) ，进行柱下条形基础的加固设计，并考虑微型桩单桩竖向承载力可以发挥至其极限承载[13]，按式(4)初步估计桩数

Fk+Gk≤nQu+ηcfspkAsp

(4)

式中：Fk为上部结构和使用荷载的标准组合值，kN；Gk为基础重量，kN；n为桩数；Qu为单桩竖向承载力的极限值，kN；fspk为复合地基承载力特征值，kPa，取160 kPa；Asp为桩间复合地基的面积，m2；ηc为桩基承台效应系数，这里取0.5。

按上述公式分别计算不同位置的柱子加固所需微型桩的数量，计算结果见表4

图5　柱子位置示意图

柱子荷载标准值/kN荷载基本值/kN桩数/个-A5286752-B2463122-C251031246

3.3.2承台的设计计算

承台的作用是把各个微型桩联结成一个整体，从而将上部结构传来的荷载进行转换、调整并分配于各个微型桩。该变电站单根柱子所受的荷载较大，只采用两个U型植筋连接新增承台与原有基础不能满足强度要求，因此需要增加横向钢筋连接原基础梁与新增承台，与植筋共同承担剪切破坏(如图6、7)。

图6　U型植筋示意图(a)平面图；(b)剖面图

图7　微型桩托换加固示意图(a)平面图；(b)剖面图

取原基础梁与新增承台相接触的面为计算截面，通过式(6)、(7)分别进行承台的剪切、冲切计算[13]。

V≤βhsβftb0h0

(6)

Fl≤βhpβ0umfth0

(7)

经验算，新增承台及微型桩强度均满足设计规范的相关要求。增加的横向钢筋不仅加强了新增承台与原基础梁之间的连接，保证承台的抗剪切能力，同时也使微型桩达到极限承载能力，充分发挥微型桩的作用。

3.3.3微型桩托换加固前后的内力分析

为了确保微型桩托换加固方案实施后，能有效控制该变电站地基基础不均匀沉降现象，分别对加固前后的基础梁进行内力分析。常见的柱下条形基础内力计算方法有：弹性地基梁法、倒梁法、剪力平衡法[14]。由于该建筑物上部结构刚度较大，这里采用倒梁法计算基础梁的内力[15]。

(1) 微型桩托换加固前后的内力分析

加固前，利用倒梁法，假设上部结构作用在柱子上的荷载完全由地基基础承担，以柱脚作为基础梁的铰支座，将基础梁看成是地基反力作用在其上的多跨连续梁进行分析计算[16]。而加固完成后，假定基底净反力由微型桩与桩间土共同承担，其中假设微型桩达到单桩竖向极限承载力且作用为集中荷载，桩间土则以均布荷载形式承担剩余荷载。通过分析，利用结构力学求解器分别求出加固前后基础梁的计算简图、弯矩图及剪力图(如图8、9所示)。

图8　加固前基础内力分析图(a)计算简图/m；(b)弯矩图/(kN·m)；(c)剪力图/kN

图9　加固后基础内力分析图(a)计算简图/m；(b)弯矩图/(kN·m)；(c)剪力图/kN

(2) 加固前后计算结果分析

通过表5、6加固前后基础梁的内力对比分析可以看出，地基进行加固以后，柱脚所受弯矩、剪力基本减小，且约束反力也明显减小，说明利用微型桩托换加固技术对该220 kV变电站地基基础进行加固处理效果显著。

表5　弯矩、剪力对比表

表6　加固前后约束反力对比表

4　结语

该220 kV变电站采用二次注浆微型桩托换加固技术进行地基基础加固处理，对加固后的变电站进行一段时间的沉降观测，发现沉降数值基本保持稳定，表明对该工程的沉降原因分析以及采用的加固方法是合理可行的。同时利用微型桩托换加固技术不仅解决了地基基础沉降问题，也使周围边坡得到加固，进一步保障了地基基础的稳定。

建筑物地基基础加固方案多样，通过不同加固方案的对比分析，可以发现，二次注浆微型桩托换加固法具有承载力高、施工简单、所需场地小等优点，是一种经济有效的方法。微型桩托换加固法结合工程的实际受力情况，利用U型植筋等将新增承台、原有基础及微型桩连接成整体，共同承担上部较大荷载，从而有效控制沉降。该220kV变电站加固方

案的成功实施为今后该类工程加固方案的选择提供了一定的理论技术支持。

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(学科责编：李雪蕾)

Study on causes of settlement and micro pile underpinning reinforcement design of a substation

Sun Chuan，Wei Huanwei*，Wang Jianqiang,etal.

(School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250014，China)

The foundation uneven settlement of buildings is a serious threat to the quality and safety of the buildings, and taking effective measures to reinforce the foundation of buildings is the premise and foundation to reduce the occurrence of uneven settlement. Based on the engineering case of a 220 kV substation uneven settlement, in view of the actual terrain conditions of the projecthe paper elaborates the main causes of uneven settlement and overall tilt of the foundation by analy settlement observation data. Based on consideration of settlement control, the two times of grouting micro pile underpinning reinforcement method is proposed for the building foundation reinforcement designand the changes of internal stress before and after reinforcement were analyzed.

settlement; micro pile underpinning; reinforcement design; strength checking

2016-3-11

国家自然科学基金项目(41272281)；山东省自然科学基金项目(ZR2012EEM016)

孙川(1992-)，女，在读硕士，主要从事地基基础与基坑支护新技术等方面的研究.E-mail:1071003085@qq.com

*魏焕卫(1974-)，男，副教授，博士，主要从事岩土工程共同作用和变形控制等方面的研究与教学等方面的研究.E-mail: 13181718169@163.com

1673-7644(2016)03-0283-06

TU996

A