沿海灘涂地區(qū)風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張艷麗

（上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源中具有經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)價(jià)值的清潔能源，越來(lái)越受到人們的重視，尤其是沿海地區(qū)風(fēng)力資源豐富。比如，近年來(lái)山東省魯北地區(qū)、渤海灣南岸沿岸風(fēng)資源已經(jīng)被規(guī)?；_(kāi)發(fā)利用。

在沿海灘涂地區(qū)，由于土層分布不均勻，土層承載力較低，尤其是厚層軟土普遍存在，如果采用常規(guī)的挖除換填施工法，工程量大而且施工不方便。而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)塔架傾斜十分敏感，對(duì)基礎(chǔ)不均勻沉降要求特別高［1］。因此，采用天然地基或者復(fù)合地基難以滿(mǎn)足要求。而樁基礎(chǔ)能較好地適應(yīng)各種地質(zhì)條件及各種荷載工況，具有承載力大、穩(wěn)定性好、沉降值小等特點(diǎn)，比較適合地處灘涂的風(fēng)電場(chǎng)工程采用。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的樁型，按成樁工藝分為預(yù)制樁與灌注樁。通過(guò)對(duì)山東利津三期風(fēng)力發(fā)電工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)，選出合理、經(jīng)濟(jì)的樁型與直徑。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

利津三期風(fēng)電場(chǎng)工程位于山東省東營(yíng)市刁口鄉(xiāng)北部一線(xiàn)防潮堤外側(cè)的沿海灘涂地帶，場(chǎng)址區(qū)域?qū)贈(zèng)_積三角洲平原。風(fēng)電場(chǎng)的單機(jī)容量為2.5MW，輪轂高為80m，葉片直徑為100m，風(fēng)機(jī)荷載較大（荷載工況見(jiàn)表1），地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)級(jí)別為1級(jí)。

表1 2 500／100風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔底荷載工況

1.2 地質(zhì)條件

場(chǎng)址區(qū)域地形較平坦，地貌單一，場(chǎng)地土類(lèi)型為中軟場(chǎng)地土，根據(jù)巖土勘測(cè)報(bào)告，地表分布有第四系人工填土層（Q4ml）。

巖性為素填土、粉土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粉土加粉砂等。

1）層素填土 稍濕，松散至稍密，由粉質(zhì)粘土組成，厚為2.00～4.50m。

2）層粉土 濕，稍密至中密，厚為1.80～5.90m。粉質(zhì)粘土：軟塑，含粉粒較高、厚為0.90～6.60m。

3）層淤泥質(zhì)粘土 流塑至軟塑，含少許鐵銹斑、粉性大、近粉質(zhì)粘土，厚為0.80～3.40m。粉質(zhì)粘土：軟塑至可塑，厚為0.90～7.10m。

4）層粉土 稍密至中密，很濕，厚為1.00～9.10m。

5）層粉質(zhì)粘土 軟塑至可塑，厚為1.00～11.20m。

6）層粉土 中密至密實(shí)，很濕，厚為0.80～6.80m。

7）層粉質(zhì)粘土 可塑，厚為0.30～7.80m。

8）層粉砂 密實(shí)，飽和，砂質(zhì)較純，含少許粘粒，厚為1.10～17.10m。粉土：中密至密實(shí)，很濕，厚為0.90～11.10m。

9）層粉質(zhì)粘土 可塑，分布有多層粉土薄層，厚為0.30～8.00m。其中粉砂：密實(shí)，飽和，砂質(zhì)較純，厚為1.20～19.10m。粉土：中密至密實(shí)，很濕，含云母片、粘粒較高，厚為1.60～8.70m。

10）層粉砂 密實(shí)，飽和，砂質(zhì)較純，厚為1.50～8.10m。粉質(zhì)粘土：黃褐色至灰褐色，可塑，含粉粒較高、分布有多層粉土薄層。

1.3 地質(zhì)條件評(píng)估

由于風(fēng)機(jī)輪轂離地高達(dá)80m，基礎(chǔ)面積小，為高聳構(gòu)筑物，所以風(fēng)機(jī)的穩(wěn)固是主要因素，加上受風(fēng)力影響，為了防止風(fēng)機(jī)傾斜，確保風(fēng)機(jī)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，基礎(chǔ)埋入土層深度有一定要求。

通過(guò)對(duì)巖土工程勘測(cè)資料分析，各機(jī)位巖土工程地質(zhì)特點(diǎn)為：擬建場(chǎng)地上部第四系地層結(jié)構(gòu)松散，工程土質(zhì)較差，地基強(qiáng)度較低；由于其厚度較大，天然地基與復(fù)合地基均不能滿(mǎn)足重要建（構(gòu)）筑物對(duì)其強(qiáng)度、變形及抗拔的要求，而且場(chǎng)地內(nèi)飽和粉土、砂土在地震基本烈度達(dá)7度時(shí)會(huì)產(chǎn)生液化現(xiàn)象，液化等級(jí)為輕微至中等，因此需要對(duì)地基進(jìn)行處理。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖土條件，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)擬采用樁基礎(chǔ)。

2 樁型分析［2］

目前風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)可供選擇的樁型，按成樁法可分為預(yù)制樁與灌注樁。常用的預(yù)制樁有鋼筋混凝土預(yù)制方樁、高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PHC樁）等?，F(xiàn)場(chǎng)制成樁有鉆孔灌注樁、沖孔灌注樁、沉管灌注樁等。

樁型與成樁工藝，應(yīng)根據(jù)荷載性質(zhì)、樁的使用功能、穿越土層、樁端持力層、地下水位、施工設(shè)備、施工環(huán)境等，按安全使用、經(jīng)濟(jì)合理的原則選擇。樁分布需滿(mǎn)足樁間距最小要求，樁長(zhǎng)需滿(mǎn)足單樁豎向承載力要求，樁端持力層應(yīng)選擇低壓縮性土層。樁基礎(chǔ)的單樁豎向承載力及水平承載力特征值可按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94－94規(guī)定計(jì)算。

2.1 預(yù)制樁

2.1.1 預(yù)制樁的特點(diǎn)

1）樁的單位面積承載力較高，打樁工序簡(jiǎn)單，適用于工期較緊的工程，而且打樁數(shù)量越多越可減少成本。

2）樁的質(zhì)量易于保證和檢查；適用于水下施工；樁身砼的密度大，抗腐蝕性能強(qiáng)；施工工效高。

3）樁的配筋依據(jù)搬運(yùn)、吊裝和壓入時(shí)的應(yīng)力設(shè)計(jì)，超過(guò)正常工作荷載時(shí)的用鋼量較大，接樁時(shí)還需增加相關(guān)費(fèi)用。

4）樁被錘擊或振動(dòng)下沉?xí)r，震動(dòng)和噪音較大，因擠土容易引起地面隆起，有時(shí)還會(huì)影響鄰樁。

5）樁的長(zhǎng)度一般為10m左右，長(zhǎng)樁需接樁時(shí)，接頭處形成薄弱環(huán)節(jié)，如不能確保全樁長(zhǎng)的垂直度，則將降低樁的承載能力，甚至還會(huì)在打樁時(shí)出現(xiàn)斷樁。

6）不易穿透較厚的堅(jiān)硬地層，當(dāng)堅(jiān)硬地層下仍存在需穿過(guò)的軟弱層時(shí)，則需輔以其他施工措施。

7）由于此樁工序簡(jiǎn)單，工效高，在樁數(shù)較多的前提下，可以抵消預(yù)制價(jià)格較高的缺點(diǎn)，節(jié)省基建投資。適用于工期比較緊的工程，因?yàn)橐呀?jīng)在工廠(chǎng)進(jìn)行了預(yù)制，大大縮短了工期。

2.1.2 預(yù)制樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)

常用的預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（PHC）按外徑分為，0.3～0.8m，1m，1.2m等規(guī)格。為了得到最合理的樁基礎(chǔ)方案，根據(jù)地勘資料，取3個(gè)勘探孔對(duì)不同樁徑的預(yù)制樁進(jìn)行比較計(jì)算，尋找不同樁徑下樁基礎(chǔ)造價(jià)的變化規(guī)律，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表3可以看出，當(dāng)單樁豎向承載力相近時(shí)，隨著樁徑的增大，樁徑從0.4m增大到0.6m，費(fèi)用緩慢下降；樁徑從0.6m增大到1m，費(fèi)用直線(xiàn)上升。說(shuō)明，本工程采用直徑為0.6m的預(yù)制樁最經(jīng)濟(jì)。

地勘報(bào)告顯示，場(chǎng)地存在粉砂層，預(yù)制樁沉樁有一定困難，因此樁長(zhǎng)應(yīng)該控制在28m以?xún)?nèi)。綜合以上分析，本工程選用外徑為0.6m的PHC管樁，樁長(zhǎng)為25～28m，每個(gè)承臺(tái)下布置40根樁。

承臺(tái)由上中下三部分組成，上部為一個(gè)圓柱，直徑為6.5m，高為1.5m；中部為一個(gè)圓臺(tái)，底直徑為17.6m、高為1.2m；下部為一個(gè)圓柱體，直徑為17.6m，高為1.3m。承臺(tái)總高度為4.0m，埋深3.7m。

2.1.3 基礎(chǔ)工程量

基礎(chǔ)工程量估算：承臺(tái)使用C40混凝土，每個(gè)基礎(chǔ)為513m3；墊層使用C20混凝土（200mm），每層基礎(chǔ)為50m3；使用混凝土管樁600AB 130－10，每個(gè)樁基礎(chǔ)為1 100m3；每個(gè)基礎(chǔ)使用鋼筋65.5t。開(kāi)挖方量每個(gè)基礎(chǔ)為2 020m3；回填方量每個(gè)基礎(chǔ)為1 457m3；工程造價(jià)每個(gè)基礎(chǔ)為136.5萬(wàn)元。

2.2 灌注樁

2.2.1 灌注樁的特點(diǎn)

1）適用于不同土層，不宜用于水下樁基。

2）樁長(zhǎng)可因地改變，沒(méi)有接頭。目前鉆孔灌注樁的直徑已達(dá)2.0m，有的樁長(zhǎng)達(dá)88m。

3）承受軸向壓力時(shí)只需配置少量構(gòu)造鋼筋，需配制鋼筋籠時(shí)按工作荷載要求布置，需配置少量構(gòu)造鋼筋，比預(yù)制樁經(jīng)濟(jì)。

4）采用大直徑鉆孔和挖孔灌注樁時(shí)，單樁承載力大。

5）樁身直徑較大，孔底沉積物不易清除，樁身質(zhì)量不易控制，容易出現(xiàn)斷樁、縮頸、露筋和夾泥現(xiàn)象。

2.2.2 灌注樁基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)

一般的鉆孔灌注樁樁徑分為，0.4～0.8m，1m，1.2m，1.3m等規(guī)格。為了得到最合理的樁基礎(chǔ)方案，根據(jù)地勘資料，取3個(gè)勘探孔對(duì)不同樁徑的灌注樁進(jìn)行比較計(jì)算，尋找不同樁徑下樁基礎(chǔ)造價(jià)的變化規(guī)律。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 灌注樁樁徑比較

由表3比較可以看出，在單樁豎向承載力相近時(shí)，隨著樁徑的增大，費(fèi)用緩慢上升，說(shuō)明樁徑較小的方案有助于減少投資。但是直徑為0.6m的樁長(zhǎng)超過(guò)45m時(shí)施工較難控制。綜合以上分析，本工程選用直徑0.8m的樁，樁長(zhǎng)35m，每個(gè)承臺(tái)下布置24根樁。

承臺(tái)由上、下兩部分組成。上部的上底直徑為5m，下底直徑為16m，高為1.3m的圓臺(tái)；下部的直徑為16m，高為1.3m的圓柱體。承臺(tái)總高度為2.6m，埋深2.6m。灌注樁采用C40混凝土。

2.2.3 基礎(chǔ)工程量

基礎(chǔ)工程量估算：承臺(tái)使用C40混凝土，每個(gè)基礎(chǔ)為385m3；墊層使用C20混凝土（200mm），每層基礎(chǔ)為42m3；樁使用C40混凝土，每個(gè)樁基礎(chǔ)為422.4m3；每個(gè)基礎(chǔ)使用鋼筋113t。開(kāi)挖方量每個(gè)基礎(chǔ)為1 100m3；回填方量每個(gè)基礎(chǔ)為673m3；工程造價(jià)每個(gè)基礎(chǔ)為139.5萬(wàn)元。

2.3 方案比選

通過(guò)預(yù)制樁與灌注樁的工程造價(jià)比較，單個(gè)風(fēng)機(jī)預(yù)制樁基礎(chǔ)比灌注樁基礎(chǔ)造價(jià)低2.2%；此外，根據(jù)兩種樁基礎(chǔ)的特點(diǎn)，該工程所在區(qū)域地下水中氯離子及硫酸根離子含量較高，灌注樁水下成樁質(zhì)量不易控制，施工工期稍長(zhǎng)，為防止海水中的氯離子侵蝕，泥漿護(hù)壁需消耗大量淡水，施工用水難以解決。

預(yù)制PHC樁（預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁）成本低，耐腐蝕性好，施工進(jìn)度快、技術(shù)比較成熟。綜上，本工程采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁基礎(chǔ)，如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)

3 施工控制要點(diǎn)

預(yù)制樁在施工前要試打樁，并采用高應(yīng)變法對(duì)試打樁進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)。先采用機(jī)位中間部位的樁進(jìn)行試打樁，數(shù)量不應(yīng)少于3根，相關(guān)施工參數(shù)確定后，再進(jìn)行該機(jī)位其他樁的施工。工程樁的靜載和高低應(yīng)變檢測(cè)基樁的選擇，應(yīng)根據(jù)隨機(jī)、均勻和具有代表性的原則進(jìn)行，缺陷樁檢測(cè)不包括在檢測(cè)比例內(nèi)。

沉樁過(guò)程中要仔細(xì)觀(guān)測(cè)樁身的垂直度，超過(guò)1%時(shí)要找出原因并設(shè)法糾正；當(dāng)樁尖進(jìn)入較硬土層后，嚴(yán)禁用移動(dòng)樁機(jī)強(qiáng)行回扳的方法糾偏。沉樁過(guò)程中，出現(xiàn)進(jìn)尺反常、樁身傾斜、位移、樁身或樁頂破損等異常時(shí)停止沉樁，在查明原因進(jìn)行必要的處理后方可繼續(xù)施工。

在沉樁過(guò)程中要認(rèn)真記錄樁入土深度和捶擊數(shù)，以判斷樁身質(zhì)量及承載力。當(dāng)捶擊數(shù)突然上升或下降時(shí)，要停機(jī)對(duì)照地質(zhì)資料進(jìn)行分析，判斷是否遇到障礙物或產(chǎn)生斷樁現(xiàn)象等。

4 結(jié)語(yǔ)

在設(shè)計(jì)前及設(shè)計(jì)過(guò)程中要深入現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘探，在準(zhǔn)確掌握地基土質(zhì)情況后，再進(jìn)行設(shè)計(jì)與定案?；A(chǔ)處理方案要經(jīng)過(guò)多方案的比選，一方面是由于基礎(chǔ)處理費(fèi)用所占整個(gè)土建工程造價(jià)的百分比很大；另一方面，基礎(chǔ)處理方案的合理與否對(duì)工程的建設(shè)進(jìn)度影響很大。經(jīng)過(guò)以上分析，對(duì)本工程得出如下結(jié)論。

1）灘涂地區(qū)土層分布不均勻，土層承載力較低，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)選用樁基礎(chǔ)。

2）同類(lèi)型樁基礎(chǔ)樁直徑對(duì)樁基礎(chǔ)造價(jià)有直接影響，應(yīng)根據(jù)具體工程合理選用。

3）預(yù)制樁基礎(chǔ)與灌注樁基礎(chǔ)相比，具有成本低、耐腐蝕、施工進(jìn)度快、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。

［1］周金海.復(fù)雜地質(zhì)條件下風(fēng)機(jī)塔筒基礎(chǔ)設(shè)計(jì)［J］.上海電力，2007（4）：389－392.

［2］陳大偉，許立國(guó)，范仲桐.高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土（PHC）管樁在吉林長(zhǎng)嶺王子風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中的應(yīng)用［J］.建筑與工程，2011（3）：316－317.