振沖碎石樁在風機基礎砂土地基中的設計及應用

崔振磊,李建黨,田偉輝

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安　710065)

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振沖碎石樁在風機基礎砂土地基中的設計及應用

崔振磊,李建黨,田偉輝

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安710065)

摘要：針對風機基礎設計過程中砂土天然地基承載力不足的問題，某風電場工程選擇了振沖碎石樁加固地基設計方案,采用了振沖碎石樁處理砂土地基，并通過對復合地基原位試驗檢測成果的分析，論證了采用振沖碎石樁能夠有效提高地基承載力。

關鍵詞：振沖碎石樁;砂土地基;風機基礎

1工程概況及工程地質(zhì)條件

某風電場工程場址位于青海省，地貌類型為荒漠戈壁灘，場址地勢平緩、開闊，高程2 820.00～2 890.00 m。場址區(qū)地層主要由第四系上更新統(tǒng)松散堆積物組成，其中：第①層含礫粉細砂層結構呈松散～中密狀態(tài)，力學強度較低，經(jīng)處理后可作為建筑物基礎持力層；第②層角礫層和第③層礫砂層，分布不連續(xù)，呈中密～密實狀態(tài)，力學強度較高，是良好的基礎持力層和下臥層；第④層粉細砂層分布不連續(xù)，結構呈中密狀態(tài)，力學強度一般，經(jīng)處理后可作為基礎持力層。地基巖土體物理力學參數(shù)建議值,見表1。

由于風力作用,風機葉片受到較大的水平力，并通過塔筒傳遞至風機基礎,使風機基礎不僅承受了風機自重，還承受了較大的水平力和傾覆彎矩，因此對地基承載力的要求較高。通過對基礎地基計算可知，風機基礎在極端荷載工況下平均地基壓力為89 kPa，最大地基壓力為189 kPa，由表1可知第①層含礫粉細砂天然承載力不能滿足地基承載力要求，需要對粉細砂層進行地基處理。

針對本風場中持力層為粉細砂的特點，本風電場選擇了振沖碎石樁基礎，一方面依靠振沖器的強力振動能夠使砂顆粒重新排列，減小砂土的孔隙率；另一方面施工工程中利用振沖器在砂土中成孔，填入碎石料使砂層擠密，提高地基承載力[1-14]。這種方法施工簡單方便、施工周期短，加密效果好。

表1　地基巖土體物理力學參數(shù)建議值表

2振沖碎石樁加固地基設計

根據(jù)《建筑地基處理技術規(guī)范》[15]中的要求，本工程在基礎外圍布置擴大1～2排樁。根據(jù)施工設備性能，振沖碎石樁直徑選用0.8 m，平面布置間距為2.0 m，呈等邊三角形布置(見圖1)。由于本風電場粉細砂層以下為角礫層，角礫層承載力較高且埋深不大，樁長按照樁端進入角礫層確定，根據(jù)地質(zhì)報告本工程取5 m。

圖1　碎石樁等邊三角形布置圖　　單位：mm

圖2　復合地基在不同荷載下的沉降圖

(1)

(2)

式中:fspk為振沖樁復合地基承載力特征值，kPa;fpk為樁體承載力特征值，kPa;fsk為處理后樁間土承載力特征值，kPa；m為樁土面積置換率；d為樁平均直徑，本次工程取0.8 m。de為單根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑，對于等邊三角形布樁de=1.05s，其中s為樁間距，本次工程樁間距取2 m。

對于碎石樁的單樁承載力的計算方法目前有Hughes和Wither(1974)、Wong H.Y(1975)、Braus(1978)、Broms(1979)、Vesic擴張理論等[3]。這里采用計算較為簡單Braus法。

(3)

式中:fpk為單樁樁體承載力特征值；K為安全系數(shù)，本次計算取2；Cu為地基土的快剪強度；

經(jīng)初步計算,復合地基承載力特征值fspk=200 kPa，復合地基滿足風機基礎對地基承載力的要求。

3加固效果及評價

3.1質(zhì)量檢測方法

為了判別地基處理工程中振沖碎石樁的處理效果，需要進行質(zhì)量檢測，常用的檢測方法主要有荷載試驗和動力觸探。通過試驗不僅可以檢測出碎石樁的密實度是否滿足要求，而且還能驗證加密后的復合地基是否滿足風機基礎荷載對地基的要求。

3.2質(zhì)量檢測

根據(jù)《建筑地基處理技術規(guī)范》[15]對于復合地基靜載荷試驗檢驗數(shù)量的要求，本風電場選取了5臺需要處理的風機基礎，每臺風機基礎選取3點進行復合地基靜載荷試驗。

本文以11號風機為例介紹檢測效果，在加載工程中若達不到極限荷載，而最大加載壓力已大于設計要求壓力值的2倍(即400 kPa)時，終止試驗。在復合地基靜載荷加載中，每級荷載沉降量和穩(wěn)定時間較小，承壓板周邊的土沒有明顯側向擠出等現(xiàn)象；根據(jù)樁間土在不同荷載下的沉降曲線(p-s曲線見圖2)綜合分析，曲線呈緩變型，未出現(xiàn)明顯陡降段(拐點)，比例界限點不明顯。依據(jù)JGJ79—2012《建筑地基處理技術規(guī)范》附錄B有關規(guī)定，各試驗點按相對變形值s/d=0.01確定的承載力特征值不應大于最大加載壓力的1/2，則3個試驗點地基承載力特征值均取200 kPa，極差為零，取其平均值為地基承載力特征值，該風電場工程11號風機基礎(振沖碎石樁)復合地基承載力特征值fak=200 kPa，變形模量E0=15.86 MPa。復合地基各試驗點載荷試驗表見表2。

表2　復合地基各試驗點載荷試驗表

3.3效果評價

從檢測結果可以看出，碎石樁較為密實，當風機基礎持力層為砂土時采用振沖碎石樁加固效果明顯，滿足風機荷載對地基承載力的要求。

3.4經(jīng)濟評價

根據(jù)本項目的工程特點，對松散砂土地基采用不同的地基處理方案進行了經(jīng)濟比較，若采用換填法則用于基礎處理的投資約26萬元，若采用灌注樁法則用于基礎處理的投資約20萬元，而采取振沖碎石樁則用于基礎處理只需要7萬元，通過該工程實例表明在松散砂土地基中采用振沖碎石樁大大節(jié)約了基礎的工程投資，提高了工程的經(jīng)濟效益。

4結語

綜合以上分析，應用振沖碎石樁處理風機基礎砂土地基既能達到良好的處理效果，又能減少基礎工程投資，提高經(jīng)濟效益。因此，該項技術具有廣闊的應用前景，值得推介。

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Design and Application of Vibro-macadam Pile for WTG Foundation of Sandy Soil Ground

CUI Zhenlei, LI Jiandang, TIAN Weihui

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065，China)

Abstract:Concerning the insufficient bearing capacity of the natural sandy soil ground in WTG foundation design, the vibro-macadam pile is applied for the foundation reinforcement in one wind farm project design. The sandy soil ground is treated by the vibro-macadam pile. Based on analysis on inspection of the in-situ test of the compound ground, the vibro-macadam pile effectively improving the ground bearing capacity is demonstrated.

Key words:vibro-macadam pile; sandy soil ground; WTG foundation

中圖分類號：TV553；TM614

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.015

作者簡介：崔振磊(1985- ),男,河南省新鄉(xiāng)市人，工程師，主要從事風力發(fā)電基礎設計研究工作.

收稿日期：2015-07-02

文章編號：1006—2610(2016)01—0057—03