远景施工影响下的变电站地基承载力特征分析及综合施工方法
——以北京市大兴变电站为例

肖 成

(国网北京市电力公司大兴供电公司, 北京 102600)

自然老化或者地质灾害的破坏,会影响变电站地基的实际应用效果,因此,需要建立相应的数学模型,实时计算地基的承载[1]。

袁胜祥[2]通过计算地基粗糙程度,判断了塑性理论的假设条件,建立了相应的地基承载力系数公式,改进了修正参数力学特性,但是这种方法没能真正体现地基承载力对施工方法的影响力,很难应用在实际施工工程中。吴志伟等[3]通过岩土参数进行了摩擦角的计算,在粗糙的条件中建立了一个基底摩擦的参数,并建立了力学特性数学模型,这种方法的边界对最终结果有很强的约束性,难以在工程结束后提高承载力。陈韬[4]利用特征线性计算了变电站地基的结构,岩边界底面得到了契合的精确值,并在特征线的参照下求得参考模型,这种方法得到的承载力上限以及下限解都在参照之内,容易计算,但是精确度较低,易产生误差。

对此,本文通过计算岩土的力学特性,获取地基承载力的边界条件,以此建立数学特征模型,完成远景施工影响下的变电站地基承载力特征分析及综合施工方法设计。

1 变电站地基承载力特征分析

1.1 计算岩土力学特征参数

在计算地基承载力的过程中,通常需要考虑地质土体的相互作用[5],以及建筑基底的综合情况,是一个十分复杂的问题,因此在分析变电站地基承载力特征时,首先计算岩土力学特征参数。在综合两种岩土的性质时,可以通过库仑准则建立应力关系的概念图,如图1所示。

将三维的应力变化转换为二维图像可以得到图1所示的概念图,通过图1可以得到岩土平均应力的半径函数:

Ryt=A1A2cosα+A3A4cosβ

(1)

式中:Ryt为当前状态下想要计算应力关系的岩土半径。将4个力相关联,可以得到岩土的力学静态微分方程:

(2)

式中:θ为自重应力。

通过式(2),可以设定相应的岩土力学特征参数,从而对地基的承载力进行差分计算。

1.2 建立地基承载力边界条件

在计算地基承载力的边界条件时,需要通过边界值域求解地基的基本应力条件。其两侧的土体参数如图2[6-8]所示。

图2 地基两侧土体力学特性[6-8]

在图2所示的地基两侧力学特性中,可以建立光滑表面的土体接触方程:

(3)

式中:L1为土体光滑面中所备圆环的周长长度;Ry为土体光滑面中所备圆环的半径长度。

在粗糙面中,方程为

(4)

式中:L2为土体粗糙面中所备圆环的周长长度。

由此创新性地根据土体光滑面和粗糙面两侧的地基承载力特性,直接求出编制的差量解,进而得到不同岩土应力之间的刚性条件基础,经过多点交叉之后,直接得到地基承载力边界条件,以降低分析误差。

1.3 设计变电站承载力数学模型

根据上文中设计变电站承载力数学模型,能够得到有限差分的控制方程[9-10]。首先需要求解一个未知数,然后将这个位置的解作为变量,解出其他值,其中的应力分布可以通过基础接触条件得到。

(5)

式中:Ax为变电站地基承载力在平面坐标系x轴中的坐标值;Ay为变电站地基承载力在平面坐标系y轴中的坐标值;x1和x2表示平滑面中岩土特性构成的x轴滑移变量特性坐标;y1和y2为平滑面中岩土特性构成的y轴滑移变量特性坐标;x3和x4为粗糙面中岩土特性构成的x轴滑移变量特性坐标;y3和y4为平滑面中岩土特性构成y轴滑移变量特性坐标;θ1和θ2分别为平滑面与粗糙面与地基的夹角度数。在已知其中一个点,求另一个点的前提下,可以建立变电站地基承载力特征的数学模型:

(6)

整理可得

(7)

式中:Emax为不考虑岩土特性情况下地基的承载力最大值;δz为地基左端的承载力;δx为地基右端承载力;λz为变电站对地基左端的压力;λx为变电站对地基右端的压力;emax为考虑岩土特性前提下的地基承载力最大值;Ui为岩土特性下的承载力的边界条件[11-13]。通过式(7)可以建立变电站地基承载力的特性分析模型,将参数代入,就可以得到该片区域的地基承载力最大值。

2 远景施工影响下变电站综合施工方法

通过以上对于地基承载力特征数学模型的计算,结合该地区的岩土力学特性,可以得到一片区域内的地基最大承载力[14]。因此设计远景施工影响下的综合使用流程,如图3所示。

图3 综合使用流程

如图3所示,通过承载力上限模型,计算变电站地基的最大承载力,然后计算本期规模下的桩基范围。若承载力大于最大承载力,则重新计算;若小于最大承载力,则可以继续计算外扩规模和远期规模。在此过程中,需要保证桩基对地基的压力随时小于最大承载力。

3 实验研究

以某发电站为实验对象,全站建构筑物均位于填方区,地基土为液化土,液化程度为重度且地基承载力较低。当强度及变形满足设计要求时,可作为站址区荷重较轻的,且对地震液化不敏感的一般建(构)筑物的天然地基持力层。

3.1 基本参数选取

(1)置换率。根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012),沉管砂石桩桩径宜为300～800 mm,本工程初步选用500 mm桩径,桩长取18 m。要求处理后的复合地基承载力不小于150 kPa,由此计算面积置换率m为

(8)

式中:m为面积置换率;n为桩数;fspk为复合地基承载力特征值;fsk为土的侧压力系数。

(2)地基处理范围。根据《建筑地基处理技术规范》的规定,在基础外缘扩大宽度不小于基底下可液化土层厚度的1/2,且不应小于5 m。本工程基底下可液化土层厚度约为18 m(基础埋深平均按2 m考虑),因此,布桩范围取基础外缘扩大9 m。

采用正方形布桩,桩间距s为

(9)

根据上述计算结果以及现场试验结果,本工程复合地基设计图如图4所示。

图4 复合地基设计图

图4中的设计参数如下:碎石桩直径为500 mm,桩长为18 m,桩间距为1.3 m,正方形布桩,实际置换率m=0.116,褥垫层采用级配碎石,厚度300 mm,最大粒径≤30 mm,换填范围为应力扩散角范围。

3.2 方案设计数据

(1)处理范围。为了简化实验,分为只处理本期以及全站远期处理两种情况。根据站址地勘报告,地基处理范围为1 000 kV构架基础、特高压线路高抗基础、1 000 kV气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)基础、主变基础、500 kV GIS基础、500 kV构架基础、无功补偿区域设备基础、主控通信楼基础、1 000 kV继电器小室基础、500 kV继电器小室基础、主变及110 kV继电器小室基础、站用电室基础、备品备件库基础、综合水泵房基础。

(2)处理深度。根据《建筑抗震设计规范》4.3.4条,液化处理深度取20 m。考虑到远景桩基施工时,机械作业面受限、带电距离要求、打桩机倒塌对本期设备的影响,将距离本期设备较近的远景设备基础也进行处理。总桩数为5 450根,碎石24 110 m2,处理范围外扩50 m,地基处理面积为113 534 m2,砂石桩面积为13 170 m2,体积为237 060 m2,桩数为67 108根,褥垫层范围为25 220 m2,地基处理总费用约7 960万元。将上述数据输入到具体地基处理范围,如图5所示。

图5 远景施工影响下的变电站地基处理范围

3.3 地基承载力特征分析方法测试

将本次设计的变电站地基承载力特征分析方法作为实验组,将现有的3种承载力特征分析方法作为对照组1、对照组2、对照组3,比较这3种特征分析方法的性能。将桩基长度作为自变量,将地基承载力弯矩作为因变量,探究桩基不同倾斜角度下的弯矩变化规律,将数值模拟下的弯矩变化与实际的变化特征相对比,以此判断4种地基承载力特征分析方法的性能[15],如图6所示。

图6 不同倾斜角度下地基承载力测试结果

图6中包括了倾斜角度为0、6%、12%的3组测试结果。其中线段部分为使用4种承载力特征分析方法得到的数据,分散点为实际测量得到的数据。计算二者之间的差异,可以得到实验组中实际数据与数值模拟数据的误差约为11.35%,对照组1的两组数据误差约为23.61%,对照组2中两组数据的误差约为22.19%,对照组3中两组数据的误差约为19.27%。由此可见,本文的变电站地基承载力特征分析方法具备更高的精确度。

3.4 综合施工方法测试

在考虑变电站地基承载力的同时,还需要综合经济属性,因此本实验将上文中设计的施工方法分为本期规模、外扩规模以及远期规模,并与现有的3种施工方法对比,得到其费用的比较结果,见表1。

表1 费用比较结果

根据表1中的数据可知,相较于现有的传统施工方法,新设计的施工方法在本期规模、外扩规模以及远期规模中均省略了桩基检测与降水施工的费用,且在其他费用的比较中低于3个对照组。实验组的本期规模总费用为13 711万元、外扩规模总费用为27 132万元、远期规模总费用为32 803万元;对照组1的3项工程总费用分别为17 200万元、30 154万元、38 985万元;对照组2的3项工程总费用分别为18 478万元、32 307万元、40 182万元;对照组3的3项工程总费用分别为16 646万元、31 751万元、42 275万元,以上数据均可证明在3项工程中,实验组的经济费用小于3个对照组。由此可见,本文的远景施工影响下变电站地基综合施工方法较现有的3种施工方法所需费用更低。

4 结语

通过建立边界条件与数学模型的方法,提出了一个新的变电站地基承载力特征分析方法,并据此设计了新的综合施工方法,其变电站地基承载力特征分析精确度较高,所需费用更低。