陜西定邊某風(fēng)電場(chǎng)濕陷性黃土地基基樁承載力估算與分析

李院兵, 陳志林, 蔡明俊

(武漢聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)股份有限公司，湖北 武漢 430000)

該風(fēng)電項(xiàng)目位于陜西定邊縣,包含50臺(tái)2.0 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,風(fēng)機(jī)輪轂高度80 m,葉輪直徑105 m,擬采用樁基礎(chǔ)。該場(chǎng)區(qū)屬黃土丘陵區(qū),黃土梁與溝壑相間分布,梁頂?shù)匦屋^平坦、地勢(shì)較開(kāi)闊。

1 氣象、水文

定邊縣屬溫帶半干旱內(nèi)陸性季風(fēng)氣候,四季變化明顯,年平均氣溫7.9 ℃,年平均降雨量316.9 mm,主要集中在7、8、9三個(gè)月;年平均蒸發(fā)量2 490.9 mm,無(wú)霜期141 d,年平均風(fēng)速為3.1 m/s;年平均氣壓為863.7 hPa,年平均相對(duì)濕度為50.5%,極端最高溫度為37.7 ℃,極端最低溫度為-29.1 ℃。風(fēng)電場(chǎng)區(qū)內(nèi)無(wú)常年地表水體,僅在雨季或融雪期溝谷中存在季節(jié)性水流。

2 地層結(jié)構(gòu)

擬建場(chǎng)地地層主要為馬蘭黃土,按濕陷性自上而下分為3層,其主要特征簡(jiǎn)述如下。

(1) 耕植土(Qpd):灰黃色,松散,稍濕,主要以粉粒為主,含有大量的植物根莖,有機(jī)肥等,平均層厚0.74 m,整個(gè)場(chǎng)區(qū)均有分布。

以上(1)～(3)層埋深及層厚如表1。

3 黃土狀粉土特征及主要巖土設(shè)計(jì)參數(shù)

本場(chǎng)地計(jì)算自重濕陷量102～388 mm,平均值為245 mm,>70 mm,為自重濕陷場(chǎng)地;計(jì)算濕陷量418～950 mm,平均值為657 mm,濕陷等級(jí)以Ⅱ級(jí)(中等)為主,局部Ⅲ級(jí)(嚴(yán)重)或Ⅳ級(jí)(很?chē)?yán)重)。

根據(jù)土工試驗(yàn)及原位測(cè)試成果,本場(chǎng)地巖土設(shè)計(jì)所需主要參數(shù)如表2、表3。

4 樁基礎(chǔ)計(jì)算

風(fēng)電機(jī)組對(duì)整體傾斜有嚴(yán)格的限制,對(duì)于輪轂高度為80 m的塔筒,傾斜率(tanθ)≤0.005,根據(jù)設(shè)計(jì)要求,天然地基承載力≥200 kPa,從表2可知,本工程顯然不能采用天然地基,必須采用樁基礎(chǔ)或進(jìn)行地基處理,宜優(yōu)先采用樁基礎(chǔ)。

表2 巖土工程設(shè)計(jì)參數(shù)建議值表Table 2 Recommended value table of parameters of geotechnical engineering design

表3 基樁設(shè)計(jì)參數(shù)建議值表Table 3 Recommended value table of design parameters of pile foundation

注:基樁設(shè)計(jì)參數(shù)按相關(guān)規(guī)范查明取值。

自重濕陷性黃土場(chǎng)地地基浸水飽和后,樁周土體在自重作用下下沉,對(duì)基樁產(chǎn)生下拉力,使樁的軸向力加大而產(chǎn)生較大沉降,因此樁端必須穿過(guò)濕陷土層,置于較硬或較密實(shí)的土層上。

當(dāng)樁穿越厚度為L(zhǎng)0的高壓縮土層,樁端置于相對(duì)較堅(jiān)硬的持力層時(shí),在樁的某一深度Ln以上,土的沉降大于樁的沉降,在該段樁長(zhǎng)內(nèi),樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力;L0深度以下的可壓縮層內(nèi),土的沉降小于樁的沉降,土對(duì)樁產(chǎn)生正摩阻力,在Ln深度處,樁土相對(duì)位移為零,既沒(méi)有負(fù)摩阻力,也沒(méi)有正摩阻力,該點(diǎn)即為中性點(diǎn),對(duì)于摩擦型樁,由于受負(fù)摩阻力影響沉降增大,中性點(diǎn)隨之上移,即負(fù)摩阻力、中性點(diǎn)與樁頂荷載處于動(dòng)態(tài)平衡,作為一種簡(jiǎn)化,取假想中性點(diǎn)(按樁端持力層性質(zhì)取值)以上摩阻力為0估算基樁承載力。

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2008)表5.4.4-2中性點(diǎn)深度Ln規(guī)定,對(duì)于自重濕陷性黃土,中性點(diǎn)深度按安全取值如下式計(jì)算[1]:

Ln=0.66L0

式中:Ln為自樁頂算起的中性點(diǎn)深度(m);L0為自樁頂算起的濕陷土層厚度(m)。

按下式驗(yàn)算基樁承載力:

Quk=Qsk+Qpk=u∑ψsiqsikli+ψpqpkAp

式中:qsik為中性點(diǎn)以下各層土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa);li為中性點(diǎn)以下各層土的樁長(zhǎng)(m),變徑以上2D范圍內(nèi)不計(jì)摩擦力;qpk為樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值;ψsi、ψp為大直徑樁側(cè)阻、端阻尺寸效應(yīng)系數(shù)，在本例中分別為0.956和0.834。

本工程風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用D800干作業(yè)鉆孔擴(kuò)底灌注樁,擴(kuò)底直徑1 650 mm,擴(kuò)底高度1 775 mm,基礎(chǔ)(承臺(tái))埋深2.8 m,單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值≥4 000 kN,初設(shè):樁長(zhǎng)L=30.5 m,L0=20.8 m,Ln=13.73,按表4數(shù)據(jù)計(jì)算。

表4 基樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算表Table 4 Calculation table of standard value of ultimate bearing capacity of pile

5 基樁豎向靜載荷浸水試驗(yàn)成果

為了驗(yàn)證基樁設(shè)計(jì)成果,在距離工程樁50 m位置施工試驗(yàn)樁并進(jìn)行靜載荷浸水試驗(yàn)。設(shè)計(jì)試樁樁徑為800 mm/1 650 mm(擴(kuò)底直徑),現(xiàn)場(chǎng)施工成孔深度29.7 m,試樁成樁樁長(zhǎng)為28.0 m,設(shè)計(jì)單樁豎向抗壓承載力特征值2 000 kN。試驗(yàn)中對(duì)其中3根試樁進(jìn)行單樁靜載浸水試驗(yàn),采用單向多循環(huán)加卸載法,并采用動(dòng)、靜對(duì)比法,在浸水試驗(yàn)前進(jìn)行高應(yīng)變?cè)囼?yàn),在浸水試驗(yàn)后進(jìn)行靜載試驗(yàn)。

浸水坑6 m×21 m,深度2.7 m(自然地面算起),坑底面鋪設(shè)100～150 mm厚的碎石。在浸水期間,坑內(nèi)水頭高度維持在300 mm。浸水時(shí)間為10 d,設(shè)4個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn),各點(diǎn)累計(jì)沉降值如表5,在土層沉降穩(wěn)定后開(kāi)始靜載荷試驗(yàn),試驗(yàn)成果如表6-表7。

表5 自重濕陷累計(jì)沉降值表(mm)Table 5 Accumulative settlement table of self-weight collapsibility

表6 樁頂最大沉降值表(mm)Table 6 Maximum settlement table of pile top

表7 豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)Table 7 Standard value of vertical ultimate bearing capacity

6 單樁豎向承載力的經(jīng)驗(yàn)值與靜載值對(duì)比分析

6.1 濕陷深度及基樁豎向承載力復(fù)核

根據(jù)浸水試驗(yàn)土層沉降觀測(cè)成果,可以設(shè)想濕陷深度在12 m左右,這與在極端條件下土工試驗(yàn)成果22.86 m相差甚遠(yuǎn),在進(jìn)行基樁計(jì)算時(shí),12 m以上計(jì)算負(fù)摩阻力、12 m以下不再考慮負(fù)摩阻力,對(duì)表4進(jìn)行重新計(jì)算如表8(樁長(zhǎng)仍按30.5 m)。

表8 基樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算表Table 8 Calculation table of standard value of ultimate bearing capacity of pile

6.2 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算與實(shí)測(cè)值的對(duì)比

試樁樁長(zhǎng)為28 m,實(shí)測(cè)單樁極限承載力平均值為4 272 kN,而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式按樁長(zhǎng)30.5 m計(jì)算,無(wú)論是采用中性點(diǎn)概念還是用濕陷深度概念,其計(jì)算值均小于實(shí)測(cè)值,其原因在三個(gè)方面:

(1) 基樁靜載荷試驗(yàn)采用《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB50025-2004)附錄H第H.0.2第1款試驗(yàn)方法有關(guān),地基已浸水10 d,且地基沉降已經(jīng)穩(wěn)定,樁周土體在浸水時(shí)因濕陷產(chǎn)生的下拉荷載發(fā)生應(yīng)力松馳甚至消失,導(dǎo)致樁的極限承載力試驗(yàn)值偏高[2]。

(2) 樣品擾動(dòng)或土工試驗(yàn)誤差,導(dǎo)致試驗(yàn)參數(shù)失真,樁側(cè)阻力或樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值的取值偏小,從而導(dǎo)致樁的極限承載力計(jì)算值偏小。

(3) 經(jīng)驗(yàn)公式是基于濕陷性黃土全厚度范圍內(nèi)土層全部浸水飽和狀態(tài),而實(shí)際下部土層并未受到地表水影響。

7 結(jié)語(yǔ)

(1) 濕陷性黃土的天然含水量較小,其強(qiáng)度較高,但它遇水浸濕時(shí),其強(qiáng)度顯著降低,對(duì)自重濕陷性黃土,在自重作用下產(chǎn)生較大附加沉降。研究區(qū)自重濕陷性黃土厚度大,在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí),宜結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件、地形地貌條件、地表排水條件,綜合確定土層浸水飽和濕陷深度,有條件的項(xiàng)目可模擬自然條件實(shí)測(cè)濕陷深度。

(2) 通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算與單樁載荷浸水試驗(yàn)成果的對(duì)比分析,說(shuō)明了在深厚濕陷性黃土地區(qū),利用中性點(diǎn)的概念進(jìn)行單樁承載力估算是可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院.建筑樁基技術(shù)規(guī)范：JGJ94-2008[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[2] 陜西省計(jì)劃委員會(huì).濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范：GB50025-2004[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.