濕陷性黃土基礎(chǔ)施工技術(shù)研究與應(yīng)用

胡海濤

（中國水利水電第三工程局有限公司，陜西西安 710016）

1 工程地質(zhì)情況

撿財塘風(fēng)電場工程位于祁連山造山帶東緣走廊過渡帶的南緣,松山復(fù)斜的北冀，區(qū)域上建設(shè)項目附近的走廊過渡帶活動性相對穩(wěn)定，褶皺相對開闊，斷裂較少，建設(shè)項目南部的北祁連褶皺帶，活動強(qiáng)烈，巖漿巖發(fā)育，褶皺多為緊閉褶皺，斷裂發(fā)育，地層遭受破壞強(qiáng)烈，新生代以來，伴隨著青藏高原的降升，場地附近以整體間歇性隆升為主要特點(diǎn)，差異活動不明顯，擬建工程區(qū)構(gòu)造不甚發(fā)育，該區(qū)域地殼處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。風(fēng)機(jī)地基均為黃土狀粉土。黃土狀粉土濕陷性評價：本場地黃土為自重濕陷性黃土，濕陷性黃土地基的濕陷性等級為IV級。場址區(qū)地震動峰值加速度小于 0.20g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40s，相應(yīng)地震烈度8度。該地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)凍深0.90m。

甘肅白銀平川撿財塘風(fēng)電場 45MW風(fēng)電位于甘肅白銀平川區(qū)王家山鎮(zhèn)的撿財塘村附近，建設(shè)場區(qū)內(nèi)主要地層的巖性特征及工程概況如下。

（1）馬蘭黃土(Q3eol)：黃褐色,以粉土為主,土質(zhì)均勻,大孔隙發(fā)育,垂直節(jié)理發(fā)育,多呈可塑狀,屬風(fēng)積沉積。

（2）馬蘭黃土(Q3a1-p1)：廣泛分布于工程區(qū),黃褐色,水平層理,土質(zhì)較均勻,粉粒含量較高,可見大孔隙,垂直節(jié)理發(fā)育,在 10m以下部分勘探點(diǎn)可見白色鈣質(zhì)結(jié)核,局部地層出現(xiàn)姜石,可塑～堅硬,屬沖洪積沉積,勘察孔未穿透該層,最大揭示厚度42m。

（3）角礫、細(xì)砂、泥巖：局部分布于個別風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)內(nèi)。粉細(xì)砂層最大厚度達(dá)8.4m,角礫層11m,泥巖最大揭示厚度為2.5m。

2 基礎(chǔ)設(shè)計

場區(qū)共設(shè)計風(fēng)力發(fā)電機(jī)組30臺,其中14臺風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用換填土處理后澆筑混凝土基礎(chǔ),16臺風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用灌注樁基礎(chǔ)。

2.1 課題提出

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)和箱式變電站的基礎(chǔ)各有 30座，風(fēng)機(jī)地基處理采用二種型式，換填基礎(chǔ)和鋼筋混凝土灌注樁基礎(chǔ)。

（1）由于風(fēng)電大規(guī)模開發(fā)在我國屬新發(fā)展領(lǐng)域，需要在施工技術(shù)、質(zhì)量、安全上進(jìn)行新的探索，以適應(yīng)這個行業(yè)發(fā)展的需要。

（2）場區(qū)濕陷性黃土基礎(chǔ)上進(jìn)行風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的施工，在國內(nèi)尚無先例，這對設(shè)計、施工以及后期的運(yùn)行管理提出了新的挑戰(zhàn)。

（3）場區(qū)內(nèi)濕陷性黃土覆蓋層較厚，前期地質(zhì)勘測過程中探孔最深達(dá)到 49m，但仍未完全穿透濕陷性黃土覆蓋層，且在濕陷性黃土地區(qū)采用摩擦樁作為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在國內(nèi)工程建設(shè)中尚屬首列，一旦施工成功將為濕陷性黃土地區(qū)基礎(chǔ)處理設(shè)計提供有利保障。

2.2 研究內(nèi)容

通過甘肅白銀平川撿財塘 45WM風(fēng)電場獨(dú)立風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的施工，研究解決高寒冷地區(qū)大噸位，頻繁振動獨(dú)立風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在濕陷性黃土中的可行性及可推廣應(yīng)用性；并且在施工過程中采用幾種不同方式對濕陷性黃土獨(dú)立基礎(chǔ)地基進(jìn)行處理，從中比較及總結(jié)相互之間的優(yōu)劣性，探討換土，旋挖樁，重夯夯實(shí)等技術(shù)措施的優(yōu)劣性和工法。

2.3 研究的難點(diǎn)

（1）由于在濕陷性地區(qū)基礎(chǔ)處理設(shè)計及施工中，選用摩擦樁進(jìn)行其地基處理的方式在國內(nèi)尚屬首例，所以在施工過程中確定其施工參數(shù)是非常困難的，只有通過現(xiàn)場前期階段的施工，不斷的實(shí)驗及總結(jié)其施工參數(shù)。

（2）由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)所處地層屬大厚度濕陷性黃土，其間又夾帶有0.6～8m的粉細(xì)砂層，加之施工時必須采用“干成孔”施工作業(yè)，不能采用常規(guī)的泥漿護(hù)壁的成孔工藝，所以在粉細(xì)砂層地段樁基礎(chǔ)開挖施工又是一施工難關(guān)。

（3）在濕陷性黃土地區(qū)修建大噸位，頻繁振動獨(dú)立風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在國內(nèi)尚屬例，其風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作性質(zhì)決定了其對基礎(chǔ)地基穩(wěn)定性的要求，因此在實(shí)際施工中通過現(xiàn)場實(shí)際情況研究并消除土質(zhì)濕陷性又是一施工難題。

3 實(shí)用施工工藝應(yīng)用

3.1 灌注樁地基處理施工應(yīng)用

3.1.1 灌注樁開挖施工應(yīng)用

在自重濕陷性黃土地區(qū)進(jìn)行灌注樁造孔施工時，首要條件就是“干作業(yè)”，這一要求將常規(guī)的泥漿護(hù)壁成孔工藝拒之門外，為灌注樁造孔施工平添了施工難度。鑒于此首先采用了“人工開挖干成孔作業(yè)”的施工工藝，但在后續(xù)的施工作業(yè)中表明，孔深在 5～10m范圍內(nèi)采用人工干成孔作業(yè)時是最經(jīng)濟(jì)的，其投入設(shè)備少，且施工進(jìn)度快，成孔質(zhì)量高，而孔深超過20m以后，如采用人工開挖干成孔作業(yè)將使施工難度大幅增長，施工進(jìn)度緩慢，施工成本投入加大，不利于整個工程的施工進(jìn)展。后經(jīng)過多次探討分析決定采用旋挖機(jī)直接干成孔作業(yè)施工，其施工優(yōu)點(diǎn)在于。

（1）施工速度快：螺旋鉆鉆孔平均每小時進(jìn)尺15m～18m，每天可完成深度為35m的鉆孔3個，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工挖孔和其它造孔設(shè)備的成孔速度。

（2）操作簡單、安全：螺旋鉆采用人工操作，電子調(diào)整垂直度的方式，人工勞動強(qiáng)度低，簡單、安全、工作效率也高。

（3）機(jī)械成孔孔斜率較人工挖孔更為精確：機(jī)械成孔孔斜主要依靠鉆機(jī)伸縮鉆臂的垂直度來控制，鉆孔前先校正鉆機(jī)鉆壁垂直度，從而控制機(jī)械成孔的孔斜度。

（4）機(jī)械鉆孔施工相對較安全，施工時安全投入較人工挖孔作業(yè)小，節(jié)省工程施工成本。

可是由于風(fēng)機(jī)灌注樁基礎(chǔ)所處地層黃土為粉質(zhì)黃土，旋挖機(jī)在鉆孔完成后進(jìn)行樁端擴(kuò)底施工時容易發(fā)生塌孔埋鉆事故，故在實(shí)際施工過程中旋挖機(jī)只進(jìn)行樁體主孔部位，樁端擴(kuò)底施工只能由人工進(jìn)行施工。鑒于此，對灌注樁成孔施工工藝再次進(jìn)行優(yōu)化，采用“人機(jī)聯(lián)合干成孔作業(yè)法”進(jìn)行整個施工現(xiàn)場的樁體開挖施工。通過“人機(jī)聯(lián)合干成孔作業(yè)法”在風(fēng)電場灌注樁基礎(chǔ)開挖施工中的成功應(yīng)用，現(xiàn)總結(jié)如下。

所謂“人機(jī)聯(lián)合干成孔作業(yè)法”即采用機(jī)械鉆孔加以人工進(jìn)行擴(kuò)大頭、孔壁、孔底清理施工的方法。其優(yōu)點(diǎn)：施工時如遇到特殊地層可以用人工對該地層及時取樣掌握實(shí)際地質(zhì)情況；在機(jī)械鉆孔作業(yè)時一旦進(jìn)入厚度超過 2m的粉、細(xì)砂地層，機(jī)械施工難度加大，且孔壁很容易坍塌，而此時采用人工護(hù)壁開挖的作業(yè)方式，既可進(jìn)行順利施工，而不耽誤工程進(jìn)度，也降低了施工作業(yè)難度。

3.1.2 灌注樁混凝土施工

由于濕陷性黃土吸水性大、保水性差，且混凝土墊層直接澆筑在濕陷性黃土上，施工時混凝土很容易出現(xiàn)裂縫，影響主體基礎(chǔ)的施工。加之灌注樁成孔后，安裝好的鋼筋籠在混凝土澆筑過程中，因灌注樁底端土體吸收入倉混凝土內(nèi)的水份造成鋼筋籠隨土體的自然沉降而發(fā)生沉降，影響成樁質(zhì)量。所以在灌注樁成孔后鋼筋籠安裝時，宜在鋼筋籠安裝完畢后在樁井口設(shè)置鋼筋籠加固設(shè)施，避免在澆筑作業(yè)時鋼筋籠的下沉。

灌注樁澆筑作業(yè)時，易采用直升導(dǎo)管法或串桶法進(jìn)行澆筑作業(yè)。采用直升導(dǎo)管法澆筑時樁體內(nèi)混凝土連續(xù)性好，樁身完整，不會出現(xiàn)夾泥、斷樁現(xiàn)象，且在澆筑過程中孔壁不會受到大的擾動，能保持樁身的體型尺寸，大大降低了灌注樁澆筑過程中的塌孔幾率。加之在整個澆筑過程中混凝土導(dǎo)管自始至終處在混凝土澆筑面的下部50～100cm ，使得澆筑成型的樁體內(nèi)混凝土處于自然密實(shí)狀態(tài)，不用人工再進(jìn)行振搗作業(yè)。但由于直升導(dǎo)管法在施工時需根據(jù)樁長投入25t或50t汽車吊，從而增加了施工成本。

而采用串桶法施工時，串桶口始終高于混凝土澆筑面，由于澆筑過程中混凝土入倉后產(chǎn)生震動，局部孔壁坍塌，容易發(fā)生樁體內(nèi)混凝土夾泥現(xiàn)象或斷樁事故；且在下料過程中容易發(fā)生混凝土離析現(xiàn)象，造成灌注樁內(nèi)部粗骨料較多，外圍細(xì)骨料較多，俗稱“糠心羅卜”，大大降低了灌注樁本身的承載力。故濕陷性建筑地區(qū)混凝土灌注樁澆筑施工時采用直升導(dǎo)管法作為澆筑手段為最好，在實(shí)際施工中如因施工場地狹小不能利用吊車時可用卷揚(yáng)機(jī)代替。

第三，積極建設(shè)物理數(shù)字化交互式課外學(xué)習(xí)環(huán)境和渠道。目前學(xué)校網(wǎng)站上信息資源里網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的內(nèi)容資源非常豐富，為引導(dǎo)學(xué)生有重點(diǎn)、有目的的登錄學(xué)習(xí)各種物理網(wǎng)絡(luò)課程和資源，教師可以教學(xué)班為單位組建微信學(xué)習(xí)群或QQ學(xué)習(xí)群，在課前和課后組織學(xué)生登錄學(xué)習(xí)相關(guān)課程資源，并為學(xué)生碰到的問題和困難提供指導(dǎo)和解答，教師也可以根據(jù)自己的教學(xué)實(shí)際在學(xué)校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺添加自己的網(wǎng)絡(luò)課程供學(xué)生學(xué)習(xí)。

3.2 換填地基處理施工應(yīng)用

換填基礎(chǔ)基坑為倒圓臺形, 底口直徑為 20m,上口直徑為 28.5m,開挖深度為 8.5m，施工時先根據(jù)測量放置的開挖線利用反鏟將其開挖成深 3～5m的基坑，之后再在其周邊開挖一施工通道，利用裝載機(jī)分層開挖。在其開挖過程中隨著開挖層面應(yīng)用人工開挖間距60cm的防滲臺階增強(qiáng)基礎(chǔ)的抗?jié)B性。每個基坑開挖完成后都應(yīng)取基底原樣土進(jìn)行滲透及標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗，確定其施工用參數(shù)。如在基坑開挖完成后其基底面處在粉細(xì)砂層或流沙層面上應(yīng)根據(jù)粉細(xì)砂層或流沙層的厚度采用層面挖斷法或基底灌漿法對其進(jìn)行處理，待處理完畢后方可進(jìn)行基礎(chǔ)換填施工，嚴(yán)禁直接在軟弱層面上進(jìn)行土體置換施工。

換填基礎(chǔ)采用2:8灰土置換原始地面以下基礎(chǔ)應(yīng)力傳遞范圍內(nèi)濕陷性黃土，用以消除或降低基礎(chǔ)地基的濕陷性。施工時采用“環(huán)形碾法”和“井”字碾壓法的施工工藝，保證了其地基回填料的壓實(shí)度和整體連續(xù)性，保證了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)底部地基承載能力的整體性。施工成型后在自然含水率狀態(tài)下基礎(chǔ)低面的地基承載力特征值(fak)取 280kPa，其變形模量（E0）可取 20MPa。施工時素土回填其壓實(shí)系數(shù)≥95%，最佳含水率為 10%～12%；2:8灰土施工時回填其壓實(shí)度≥97%，其施工最佳含水率為16%～18%，一般不大于18%。其主要施工工藝分析如下。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)地基處理基坑開挖完成后，通過基坑底部原樣土確定的施工參數(shù)進(jìn)行回填施工作業(yè)。在該項施工中不同于以往回填施工作業(yè)的是每個風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)換填選用的施工參數(shù)都是不同的，都是根據(jù)基坑底部原樣土的土工實(shí)驗來確定的。基礎(chǔ)回填施工時其碾壓方式采用環(huán)向蹉距的路線由基坑周邊逐步向中心碾壓，在環(huán)向碾壓完畢后，再按照“#”字形路線碾壓，碾壓完畢之后稱之為一個碾壓回合，每層填筑料需2個平碾回合，6個振碾回合。每個地基換填施工完畢后，靜置3～5 d，使得回填土體與周邊土體的自然沉陷趨于穩(wěn)定。之后在換填基礎(chǔ)回填層上做靜荷載試驗，檢驗換填后風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)范圍內(nèi)地基的沉陷量。待風(fēng)機(jī)地基換填處理完畢后，進(jìn)行風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土施工。

換填基礎(chǔ)回填施工時每層碾壓完畢后進(jìn)行土體密實(shí)度試驗，每層沿周邊布設(shè)四個試驗點(diǎn)，中心布設(shè)1個，共計5個試驗點(diǎn)。待各試驗點(diǎn)檢驗合格后再進(jìn)行下一層回填施工，直至整個基礎(chǔ)地基處理回填施工完畢。

4 結(jié) 語

通過在白銀平川撿財塘 45MW風(fēng)電場工程的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工，我們可以對濕陷性黃土地區(qū)基礎(chǔ)處理的設(shè)計與施工歸納如下。

（1）濕陷性黃土覆蓋層厚度大、地形特殊地區(qū)樁基礎(chǔ)設(shè)計的建議。

根據(jù)濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范 GBJ25-90有關(guān)條款的規(guī)定，在自重濕陷性黃土地區(qū)不得使用摩擦樁，要求樁須穿透濕陷性土層，樁底支撐在可靠的持力層上。但在白銀平川撿財塘風(fēng)電場風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計中，由于該地區(qū)自重濕陷性黃土土層較厚，施工時樁很難穿透濕陷性黃土層，進(jìn)入可靠的持力層，故在設(shè)計時根據(jù)部分風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)所對應(yīng)的地層條件，將自重濕陷性為Ⅳ級的馬蘭黃土作為風(fēng)機(jī)灌注樁基礎(chǔ)的持力層。該部分樁基礎(chǔ)既有端承樁的特點(diǎn)又有摩擦樁的特點(diǎn)。鑒于該工程地質(zhì)的特殊性，建議在類似于該類地質(zhì)情況的建筑區(qū)域，進(jìn)行樁基礎(chǔ)設(shè)計時灌注樁類型可采用摩擦樁，但樁身直徑不得小于 800mm，樁身長度不宜小于 35m，且樁端必須設(shè)不小于1.5d的擴(kuò)大頭。

由于濕陷性黃土吸水性大、保水性差，且混凝土墊層直接澆筑在濕陷性黃土上，施工時混凝土墊層很容易出現(xiàn)裂縫，影響主體基礎(chǔ)的施工。故在施工時應(yīng)先在其土層表面覆設(shè) 2～3cm厚水泥砂漿，之后再進(jìn)行混凝土澆筑。澆筑過程中要邊收面邊覆蓋，并及時養(yǎng)護(hù)，避免混凝土表面干縮裂縫。澆筑用的混凝土設(shè)計時其塌落度要比常規(guī)地區(qū)用混凝土塌落度偏大2～3cm，用以平衡濕陷性黃土地區(qū)混凝土澆筑時由于濕陷性黃土的吸水性造成的混凝土塌落度損失和含水率損失，故在濕陷性黃土建筑地區(qū)混凝土配合比設(shè)計時應(yīng)充分考慮由于該地區(qū)內(nèi)黃土吸水性引起的混凝土塌落度及含水率的損失，使得施工用混凝土能更好的適用于濕陷性黃土建筑地區(qū)工程施工中。

從以上分析可以看出在濕陷性黃土地區(qū)進(jìn)行基礎(chǔ)處理時根據(jù)其地形條件宜采用換填基礎(chǔ)和灌注樁基礎(chǔ)，其相應(yīng)的實(shí)用工藝及施工過程注意事項可參考以上分析。

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