浅谈挤密碎石桩基础在输电线路中的应用

浅谈挤密碎石桩基础在输电线路中的应用李志宏（国网甘肃省电力公司建设公司、甘肃兰州750050）摘要：线路基础产生液化是由于本基础位于以粉砂土为主的冲积区，缺少良好的排水通道，短时间内充满土孔隙中的水难以实时排出，土孔隙无法减小，土骨架呈现松驰状态。

随着振动的持续作用，土粒间的有效应力逐渐转变为超孔隙水压力，土中超孔隙水压力不断地聚集提高，当其值达到相应的固结压力，土粒呈悬浮状态，土粒间有效应力几乎减小为零，地基土骤然丧失抗剪强度和承载能力产生液化。

当产生液化时，地基的承载力将会大大降低，造成铁塔倾倒的重大事故。

因此应对地基进行加固处理，以减小或消除地基的液化，降低甚至消除其对线路工程的破坏。

本工程采用沙石挤密桩复合基础是比较常用的地基加固处理方法。

一．工程基本情况750kV天水～宝鸡双回送电线路工程甘肃段线路起自750kV天水变电站，经甘谷县张家川回族自治县止于陕西宝鸡变。

工程全线海拔1300m～2200m，皆为山地, 线路沿线以黄土梁地貌为主，基岩低中山地貌和侵蚀河谷平原地貌次之。

沿线虽山势不属陡峭，但山高沟阔，线路连续翻山跨沟、起伏较大。

1.工程地质概况本工程处于祁连地槽系中祁连及北祁连褶皱带东段，以北西-南东向断裂为主。

依据《中国地震动参数区划图》、《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2001）天水750kV变电站张家川县附近地震动峰值加速度为0.20g（相应的地震基本烈度为8度），（按II类场地考虑）特征周期值为0.45s。

途径张家川的750kV线路2194#塔位，依据《330kV～750kV架空输电线路勘测规范》（GB 50548-2010）和《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）判定存在砂土液化问题，相关液化评价内容见表1、表2表1 2194#杆塔砂土液化判别表地层岩性层底深度(m)层厚(m)柱状图(1:200)岩土特性描述取样位置(m)标贯动力触探静止水位(m)击数/深度(m)底深(m)击数(击)黄土状粉土（Q4）7.2 7.2黄褐～褐黄色，稍湿，稍密～中密，含云母片、植物根系、钙质、铁质，见有大孔隙及虫孔，垂直节理较发育，土质较均匀，偶见细砂并呈薄层或透镜体分布。

具有湿陷2.3粉细砂9.4 2.2 浅灰色，稍湿～湿，中密，含少量粘性土，分布不均匀，中粗砂12.2 2.8 青灰色，中密，含粘性土。

一般为透镜体状分布。

粉细砂16.7 4.5 浅灰色，稍湿～湿，中密，含少量粘性土，分布不均匀，混角砾，一般为透镜体状分布。

泥岩25.0 8.3 砖红～紫红色，层状构造，具泥质结构。

强风化厚度一般在2.0∼5.0m，局部覆盖有0.5～1.0m的全风化层，表现为土状，强风化以下为中等风化。

2.地基液化处理依据根据《110kV~750kV架空输电线路设计规范》GB50545-2010中12.0.9条：对位于地震烈度7度及以上地区的高杆塔基础及特殊重要的杆塔基础、8度及以上地区的220kV及以上耐张型杆塔的基础,当场地为饱和砂土或粉土时,均应考虑地基液化的可能性,并应采取必要的稳定和抗震措施。

根据《电力设施抗震设计规范》GB50260-96中7.0.3条：大跨越杆塔、微波塔的基础或8度~9度的220kV及以上耐张型转角塔的基础，应对其地基进行液化鉴定，当有液化时，基础宜采用平板基础或采用桩基础。

3. 地基液化处理措施的选择根据处理原理，将常用的地基液化破坏的防治主要方法如下：⑴挖换法挖去上部可液化土层，并用非液化土回填防止下部砂层的液化破坏。

当液化土层较浅时，可考虑全部挖除;液化土层较深时，可考虑部分挖去，但部分挖除后下部土体是否液化是值得考虑的问题。

⑵加密法通过增加砂土的相对密实度以降低其液化趋势，是一种被广泛采用的方法。

对于饱和砂土的加密常采用:直接振密法、砂石桩法、振冲碎石桩法、爆炸振密法、强夯法等。

⑶排水法机理是利用排水使砂土地基含水量下降，地震时土体超孔隙水压力的累积受到限制，降低其液化趋势。

目前工程界有两种排水方法：降低地下水位法，砾石排水桩法。

⑷上覆压重法利用在土体上覆加压时不易液化的特点，通常在砂土地基表面覆盖一层由非液化土组成的压重盖层，来抑制其下土体的液化。

压重盖层的厚度是其探讨的重点。

⑸围封法用板桩、砾石桩、地下连续墙等手段将结构物地基四周包围起来，限制砂土液化时发生侧移，使地基的剪切变形受到约束，避免大的沉陷导致建筑物破坏。

使用围封处理措施时，板桩必须有足够的深度，以穿越可液化砂层为宜，否则围封措施起不到应有的作用。

如果在采用围封措施的同时再布置一些砾石排水桩，则可大大提高其抗液化的效果。

⑹桩基础法将桩身穿过液化土层，打入可靠的非液化土层，以桩尖支撑作用和桩体对桩周土的限制来抑制土体液化变形。

由于线路工程单基工程量较小和施工较为分散的特殊性，综合考虑工程造价、施工设备和施工工艺的影响，目前输电线路工程中处理地基液化措施主要为碎石桩和钻孔灌注桩。

综合工程造价采用碎石桩基础较为经济合理，振动挤密碎石桩是一种地基加固技术，它首先用振动成孔器成孔，成孔过程中桩孔位的土体被挤到周围土体中去，成孔后提起振动成孔器，向孔内倒入约1米厚的碎石再用振动成孔器进行捣固密实，然后提起振动成孔器，继续倒碎石，和用振动成孔器继续进行捣固密实直至碎石桩形成。

实践证明，振动挤密碎石桩与地基土形成复合地基，是一种解决砂土液化的地基处理方法。

二、挤密碎石桩的基本功效1.挤密作用振动挤密碎石桩在成桩过程中桩管对周围粉砂层产生很大的横向挤压力，使桩周围的土粒重新排列密实，孔隙比减小，密实度增大。

通过挤密作用，提高砂土的强度和砂土地基的承载力，消除液化的可能性，根据震害调查表明，当地震烈度分别为7、8、9度时，只要砂土的密实度分别达到或超过55％、70％或80％，即不会产生液化。

2.排水降压作用碎石桩加固粉砂土时，桩孔内填充碎石，在地基中形成渗透性能良好的人工竖向排水通道，使桩间土产生的振动超孔隙水压力的水迅速地由碎石桩体排出，土中孔隙水压力亦随之减小，难以聚集提高，从而消除或减小液化的可能性。

3.预震效应根据工程试验表明，相对密度为54％但受过预震影响的砂样，其抗液化能力相当于相对密度80％的未受过预震的砂样。

可见，在施工过程中使填土料和地基土在震密的同时获得强烈的预震，对于增强砂土抗液化能力是极为有利的。

三、设计方法1.平面布置形式：碎石桩一般呈正三角形或梅花形布置，有时也有呈正方形布置，本工程采用正三角形。

2.桩径：碎石桩的直径，应根据置换率、成桩方法、施工机械能力等因素来确定，其直径多采用50～100cm，最大直径可达200cm，本工程采用100cm。

3.桩长：<1>在可液化土层中，碎石桩长应按抗震要求处理的深度来确定。

<2>对按稳定性控制的，工程碎石桩长不应少于最危险滑动面以下2.0m。

<3>对按变形控制的工程，碎石桩长度应满足使复合地基的沉降量不超过对构筑物地基容许沉降量的要求。

<4>对软弱土层厚度小于15m或在该深度以内遇有较硬土层时，将桩端置于较硬土层中。

4.处理范围：用碎石桩防止砂土液化时，每边处理宽度应不少于液化层厚度的1/2，并不小于3m，对道路路堤应设置到排水沟外缘。

5.垫层设置：为了充分发挥碎石桩的加固效果，宜在碎石桩上设置30～50cm的碎石垫层。

6.桩距计算初步设计时复合地基承载力可按下式估算：fspk﹦mfpk+(1﹣m)fsk式中：fspk---碎石桩复合地基承载力特征值Kpafpk----桩体承载力特征值fsk----处理后桩间土承载力特征值 Kpam-----桩土面积置换率式中fpk取250--------400Kpa，桩体以置换为主时取250 Kpa，桩体以挤密为主时取高值、fsk取130 Kpa则fspk=（（0.1*280+（1. -0.1）*130）=145Kpa根据《电力工程地基处理技术规程》DL/T5024-2005的要求，需要对碎石桩的桩径、间距和布置范围进行设计，下图为碎石桩的平面布置图和剖面示意图三、施工工艺1.清理平整场地，夯实回填素土至地面，消除高空和地面障碍物；在施工中如果地基液化严重，碎石桩机倾斜或下陷，可在原地面铺40cm碎石确保桩机平衡，在施工完毕后及时清除。

2.测量放线，恢复中线，放出路段边线桩，清理平整施工段地基表面，测量整平后的标高，做好排水系统，保证排水通道的畅通。

3.按设计文件桩间距及形式绘制碎石桩施工平面图，按桩位图准确放出桩位并编号，桩间距允许差为±150mm；4.技术要求准备：施工时要求土层十字板抗剪强度大于10Kpa。

复合地基承载力标准值不小于涵洞及箱通对地基承载力的要求值，要求桥台基础地基承载力达到220Kpa以上并全部消除地基土的液化。

挤密碎石桩所用碎石应由未风化的干净砾石或轧制碎石而成，级配采用20-40mm自然级配，含泥量不大于5%。

松装容重≥1.5。

10、挤密碎石桩施工质量标准：桩距偏差不大于150MM；竖直度偏差不得大于1.5%,桩径、桩长、灌碎石数量不小于设计值；密实度抽查频率为2%，用重Ⅱ型动力触探测试，灌入量100MM时，击数应大于5次。

5.施工前一般应进行成桩试验，一般为7-9根，用来确定设计桩径和桩距是否合适。

施工顺序从四周边开始向中心进行，相邻两桩必须跳跃间打；边振动边下沉，通常下沉0.5米留振30S；振动成桩至地面时，应向下复振一米，确保地表不产生缺碎石的凹桩；根据试验桩成果，严格控制水压、电流和振冲器在固定深度位置的留振时间。

根据设计图纸现场放线布桩，桩位偏差不得大于3cm。

每次填料不可过多。

四、挤密碎石桩施工操作步骤桩机就位后开动振动机把套管沉入土中至设计深度；将料斗插入套管，灌入一定量的碎石；提升套管一定高度，将碎石压出；沉入套管，加以振动，将排出的碎石挤密；再一次向套管内灌入碎石；把套管提升到规定高度；重复以上工序，直至地面，挤密碎石桩成桩；挤密碎石桩桩径50CM，桩长8米，采用梅花型布置。

五、质量检验与评价振动碎石桩的检验与评价分为两个方面：一是碎石桩的施工质量，如桩位偏差、桩径、桩体密实度等，二是复合地基的功效，如承载力、沉降量、抗地震液化能力等是否达到了规定的要求。

常用单桩荷载实验和桩体动力触探试验，对功效的检验则有单桩复合地基荷载试验、多桩复合地基大型荷载试验、桩间土的荷载试验、标准贯入试验、静力触探等。

结束语振动挤密碎石桩能够对粉砂性土基起到挤密作用、排水降压作用、预震作用，是处理砂土液化的一种经济、有效的地基处理方法，在饱和松散地基上制作铁塔基础时，可以考虑使用此方法处理地基，以免遇地震时，地基土发生液化现象，对线路工程造成毁坏性地破坏。

参考文献《110kV～750kV架空输电线路设计规范》GB 50545-2010《电力设施抗震设计规范》GB50260-96《电力工程地基处理技术规程》（DL/T5219-2005）作者简介：王军，男（1967.9-）工程师，从事电力工程技术管理数年，国网甘肃省电力公司建设公司。