濕陷性黃土場(chǎng)地風(fēng)力發(fā)電機(jī)組樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

呂東陽，王吉高，李紹敬

(北京國電華信誠電力技術(shù)咨詢有限公司，北京 100029)

1 概述

濕陷性黃土是一種非飽和的欠壓密土，具有大孔和垂直節(jié)理，在天然濕度下，其壓縮性較低，強(qiáng)度較高，但遇水浸濕時(shí)，土的強(qiáng)度顯著降低，在附加壓力或上覆土的自重壓力下，引起的濕陷變形是一種下沉量大、下沉速度快的失穩(wěn)性變形，對(duì)建筑物危害性大。因此，在濕陷性黃土地區(qū)進(jìn)行建設(shè)，應(yīng)根據(jù)濕陷性黃土的特點(diǎn)和工程要求，因地制宜，宜采取以地基處理為主的綜合措施，防止地基受水浸濕引起濕陷對(duì)建筑物產(chǎn)生危害。

我國濕陷性黃土主要分布在山西、陜西、甘肅的大部分地區(qū)，河南西部和寧夏、青海、河北的部分地區(qū)，此外，新疆、內(nèi)蒙古、山東、遼寧、黑龍江等局部地區(qū)亦分布有濕陷性黃土。

上述地區(qū)(東北、華北、西北)是我國的風(fēng)能資源豐富、風(fēng)電場(chǎng)主要集中的地區(qū)，特別是東北三省、河北、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏和新疆等省(自治區(qū))近200km寬的地帶屬于我國北部地區(qū)風(fēng)能豐富帶，風(fēng)功率密度在200～300W/m2以上，有的可達(dá)500W/m2以上。

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)、電力需求量越來越大，基于政府的節(jié)能減排等政策大力扶持，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，取得了階段性爆發(fā)式增長(zhǎng)。

濕陷性黃土場(chǎng)地的風(fēng)電建設(shè)項(xiàng)目也日益增多，規(guī)模越來越大，針對(duì)此類場(chǎng)地上的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 濕陷性黃土場(chǎng)地風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱黃土規(guī)范)，在濕陷性黃土地區(qū)進(jìn)行建設(shè)，應(yīng)根據(jù)濕陷性黃土的特點(diǎn)和工程要求，因地制宜，采取以地基處理為主的綜合措施，防止地基浸水濕陷對(duì)建筑物產(chǎn)生危害。

防止?jié)裣菪渣S土地基濕陷的綜合措施，可分為地基處理、防水措施和結(jié)構(gòu)措施三種。其中地基處理措施主要用于改善土的物理力學(xué)性質(zhì)，減小或消除地基的濕陷變形；防水措施主要用于防止或減少地基受水浸濕；結(jié)構(gòu)措施主要用于減小或調(diào)整建筑物的不均勻沉降，或使上部結(jié)構(gòu)適應(yīng)地基的變形。

結(jié)合結(jié)構(gòu)重要性、在使用期間對(duì)不均勻沉降限制的嚴(yán)格程度及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率及輪轂高度劃分，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)屬于乙類。

黃土規(guī)范對(duì)乙類建筑消除地基部分濕陷性最小厚度要求：

(1)基礎(chǔ)寬度大或濕陷性黃土層厚度大，處理2/3地基壓縮層深度或全部濕陷性黃土層確有困難，應(yīng)采用整片處理。對(duì)自重濕陷地基，處理厚度≥6m，下部未處理土層剩余濕陷量宜≤150mm。

(2)當(dāng)對(duì)地基整片處理時(shí)，其處理范圍應(yīng)大于建筑物底層平面的面積，超出建筑物外墻基礎(chǔ)外緣的寬度，每邊不應(yīng)小于2m。

(3)根據(jù)濕陷性黃土層厚度不同，分別采用天然地基、換填、強(qiáng)夯、灰土擠密方法處理基礎(chǔ)持力層。

表1 幾種處理方法的適用范圍

據(jù)上述，若采用地基處理措施，則地基處理深度和剩余濕陷量都應(yīng)達(dá)到《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》的規(guī)定。這對(duì)于濕陷性黃土土層厚度在15m以內(nèi)的場(chǎng)地，容易滿足規(guī)范要求；對(duì)于大于15m的場(chǎng)地，現(xiàn)有的處理方法因機(jī)械設(shè)備條件的限制，很難達(dá)到處理深度的要求，未處理土層的剩余濕陷量也無法控制在規(guī)范范圍之內(nèi)。這不僅增加施工的難度，也無法體現(xiàn)淺基礎(chǔ)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的合理性。

在濕陷性黃土場(chǎng)地，當(dāng)采用地基處理措施不能滿足設(shè)計(jì)要求、對(duì)整體傾斜有嚴(yán)格限制的高聳結(jié)構(gòu)、對(duì)不均勻沉降有嚴(yán)格限制的建筑和設(shè)備基礎(chǔ)、主要承受水平荷載和上拔力的基礎(chǔ)中任何一條就宜采用樁基礎(chǔ)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)主要承受水平荷載、大偏心受力且對(duì)整體傾斜限制較嚴(yán)格，對(duì)于地基處理措施不能滿足設(shè)計(jì)要求的場(chǎng)地，應(yīng)采用樁基礎(chǔ)，且樁端必須穿透濕陷性黃土層。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 工程概況

某風(fēng)電場(chǎng)49.5MW工程位于遼寧省朝陽市建平縣北部，工程擬安裝1500kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組33臺(tái)，裝機(jī)容量49.5MW。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)極限工況承受荷載為：彎矩52066.0 kN·m，水平力753.3kN，豎向力2249.5kN，扭矩856.8kN·m，荷載修正安全系數(shù)1.35。

擬建場(chǎng)區(qū)屬于構(gòu)造剝蝕地形，侵蝕低山、丘陵地貌。場(chǎng)區(qū)內(nèi)除基巖零星出露外，大部分區(qū)域被黃土(第①層)覆蓋。地層主要有第四系黃土(Q)、粉土、粉質(zhì)粘土，燕山旋回晚期第一階段(早白堊紀(jì))侵入巖花崗巖，局部出露有下二疊統(tǒng)大理巖。

黃土呈褐黃色～黃褐色，稍密，稍濕，含白色鈣質(zhì)菌絲、鐵錳結(jié)核，可見有機(jī)質(zhì)和孔隙，具濕陷性，局部夾可塑～硬塑粉質(zhì)粘土層，上覆0.50m耕植土。該層在場(chǎng)區(qū)廣泛分布，且變化較大，一般層厚3.10m～27.40m。

黃土自重濕陷系數(shù)為0.002～0.104，平均值0.034；濕陷系數(shù)為0.014～0.104，平均值0.053；濕陷起始?jí)毫?9～241kPa，平均值82 kPa。濕陷等級(jí)分別為Ⅱ中等自重濕陷、Ⅲ嚴(yán)重自重濕陷和Ⅳ很嚴(yán)重自重濕陷?？睖y(cè)深度范圍內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)地下水，可不考慮地下水對(duì)基礎(chǔ)的影響。

3.2 基樁設(shè)計(jì)計(jì)算

在自重濕陷性黃土場(chǎng)地，為減小樁側(cè)負(fù)摩阻，應(yīng)盡量采用非擠土樁。本工程選用干作業(yè)鉆孔擴(kuò)底灌注樁。經(jīng)經(jīng)驗(yàn)粗算確定，18根φ600mm和12根φ800mm兩種樁徑方案，分別進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)風(fēng)場(chǎng)地質(zhì)條件見表1及基礎(chǔ)載荷見表2。

表1 各層地基土力學(xué)性質(zhì)

表2 基礎(chǔ)荷載資料

根據(jù)各機(jī)位土層分布，計(jì)算得到基樁的抗壓、抗拔和水平承載力，均滿足受力要求，見式(1)、(2)和(3)。

表3 不同樁徑力學(xué)計(jì)算對(duì)比參數(shù)

據(jù)上表，兩種樁徑均能滿足設(shè)計(jì)要求。但相同樁長(zhǎng)情況下，φ600樁徑比φ800樁徑顯著節(jié)省了樁身混凝土工程量，同時(shí)也提高了樁基礎(chǔ)的可靠性。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用18根直徑φ600mm的干作業(yè)鉆孔擴(kuò)底灌注樁，混凝土采用C30，均布于直徑13.6m的圓上。根據(jù)濕陷性黃土規(guī)范要求樁穿透濕陷性黃土且不能作為持力層的土層，樁端持力層選為粉質(zhì)粘土或強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。為提高單樁承載力，以減少樁的數(shù)量和減小的長(zhǎng)度，對(duì)樁端進(jìn)行擴(kuò)底處理，擴(kuò)底直徑為1.2m。見圖1～圖3。

黃土發(fā)生濕陷時(shí)，樁周土層的下沉量大于樁的下沉量，樁周土對(duì)樁側(cè)產(chǎn)生向下作用的負(fù)摩擦力。設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮樁頂?shù)綐渡碇行渣c(diǎn)范圍內(nèi)所受的負(fù)摩擦力。樁端持力層為粉質(zhì)粘土或強(qiáng)風(fēng)化花崗巖時(shí)，中性點(diǎn)深度比分別取為0.5和1.0。

樁縱向鋼筋通長(zhǎng)配置6根直徑為φ20mm(HRB335)，箍筋采用螺旋式，直徑φ10mm(HPB300)，間距200mm，樁頂以下5d范圍內(nèi)箍筋加密間距為100mm，另設(shè)加強(qiáng)箍直徑Φ18(HRB335)間距2000。

3.3 承臺(tái)設(shè)計(jì)計(jì)算

承臺(tái)直徑14.8m，承臺(tái)厚度2.2m，端部厚度1.0m，樁中心至承臺(tái)邊緣距離為0.6m，混凝土采用C35。

彎矩計(jì)算截面和沖切破壞錐體見圖2，沖切承載力計(jì)算見式(4)，應(yīng)大于單樁所受最大壓力和拔力。承臺(tái)徑向計(jì)算截面上的彎矩設(shè)計(jì)值計(jì)算見式(5)，計(jì)算承臺(tái)下部、上部配筋時(shí)，Nmax分別為單樁所受最大壓力、拔力設(shè)計(jì)值。

基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力錨栓連接塔筒，塔筒安裝時(shí)對(duì)錨栓施加預(yù)拉力，確?；A(chǔ)與塔筒為剛接。此外，應(yīng)根據(jù)式(6)驗(yàn)算承臺(tái)裂縫，極限荷載工況標(biāo)準(zhǔn)值作用下，裂縫寬度不應(yīng)大于0.3mm；正常運(yùn)行工況荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，裂縫寬度不應(yīng)大于0.2mm。

3.4 其他措施

為降低地基土在施工和設(shè)計(jì)使用壽命期間浸水的可能性，合理組織風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)排水；基礎(chǔ)整體抬高，使高出地坪0.3m；回填土分層夯實(shí)，壓實(shí)系數(shù)不小于0.95，坡度2%；墊層下方設(shè)300mm厚2∶8灰土墊層防水；鉆孔及擴(kuò)底施工過程中嚴(yán)防雨水或地表水流入樁孔內(nèi)。采用專用旋挖鉆機(jī)施工樁基，并合理組織施工進(jìn)度。

3.5 總結(jié)

采用以上設(shè)計(jì)方法，對(duì)該工程的各點(diǎn)位地質(zhì)情況進(jìn)行逐一分析，歸納判斷。對(duì)黃土厚度超過15m的點(diǎn)位進(jìn)行上述基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，從而顯著降低了土建工程量，為工程節(jié)省投資，達(dá)到了安全、適用、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)原則。

同時(shí)，濕陷性黃土場(chǎng)地風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用擴(kuò)底樁基礎(chǔ)方案消除了黃土濕陷性的影響。工程量較小、投資較少、施工簡(jiǎn)便、質(zhì)量易于保證、安全可靠，為風(fēng)電場(chǎng)早日投產(chǎn)發(fā)電、收回投資爭(zhēng)取了寶貴的時(shí)間。

4 結(jié)語

在濕陷性黃土場(chǎng)內(nèi)上進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)宜采用樁基礎(chǔ)，根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)底，此方案設(shè)計(jì)消除了黃土濕陷性的影響，工程量較小、投資較少、施工簡(jiǎn)便、易于保證質(zhì)量、安全可靠，對(duì)工程建設(shè)有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]羅宇生.濕陷性黃土地基處理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]JGJ 94－2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[3]GB50007－2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]GB50010－2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]GB50025－-2004，濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S].

[6]FD003－2007，風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定(試行)[S].