張北縣某風電工程樁基礎與減沉疏布CFG樁復合地基基礎方案比選

李院兵, 郭何曲, 陳志林

(武漢聯(lián)動設計股份有限公司,湖北 武漢 430070)

張北縣某風電工程位于安固里河岸邊,屬于安固里河一級階地,地形開闊、平緩,地面標高1 360～1 375 m,總體南高北低,自然坡度1°～3°。

該工程采用單機容量為2.5MW的風電機組,風機輪轂高度90 m,葉輪直徑121 m,上部塔筒傳至基礎頂面荷載如表1。

表1 風機上部塔筒傳至風機基礎頂面荷載Table 1 Top load of the transmition of upper tower cylinder of thefan to the fan base

本工程地基基礎設計級別為一級,基礎結構安全等級為一級,抗震設防標準為丙類,地基允許沉降值為150 mm、允許傾斜率(tanθ)為0.004。

1 工程地質條件

該地區(qū)抗震設防烈度為7度,設計基本地震加速度為0.10g,設計地震分組為第二組。

本場地最大凍深2.50 m,標準凍深2.10 m,地下水位1.80～2.93 m。

場區(qū)巖土結構特征為:上部地層為第四系全新統(tǒng)沖、洪積粉質粘土、粉土、中粗砂和圓礫土,下部為古近系漸新統(tǒng)玄武巖和太古界黃土窯組花崗片麻巖,下伏基巖埋深變化較大,最小值5.1 m,最大值26.8 m。本區(qū)域總體上屬于沖洪積平原,且處于河道一側,歷史上的河道變遷頻繁,導致地層分布的不連續(xù)性,土層多呈楔形、透鏡體分布,總體而言為不均勻地基,但各個風機相對獨立,對每臺風機而言,可視為均勻地基,巖土層的主要特征、巖土設計參數(shù)如表2。

2 天然地基驗算

采用錐形基礎,底面直徑20 m,基礎埋深3.4 m,基礎自重G1=10 746 kN,基礎上覆土重G2=8 583 kN。按極端荷載工況計算得到基底平均壓力Pk=99 kPa,基底最大壓力Pkmax=223 kPa。以F02號風機為例,進行天然地基驗算,計算簡圖如圖1。

2.1 地基承載力計算[1]

地基承載力修正按式(1):

fa=fak+ηbγ(bs-3)+ηdγm(hm-0.5)

(1)

式中:bs為基礎底面力矩作用方向受壓寬度;hm為基礎埋置深度。

經(jīng)計算得fa=246 kPa,1.2fa=295 kPa。

推出Pk

2.2 地基變形計算[2]

地基沉降計算按式(2):

(2)

式中:P0為荷載效應標準組合下,擴展基礎底面處的附加應力,根據(jù)基底實際受壓面積計算。

表2 巖土層分布特征及巖土設計參數(shù)Table 2 The distribution characteristics of rock and soil layer and the design parameters of rock and soil

沉降計算至強風化層頂面,分層厚度1 m,計算深度范圍內壓縮模量的當量值為7.0 MPa,沉降計算經(jīng)驗系數(shù)為0.7。

按均布荷載計算時,最大沉降量為41 mm;按三角形分布荷載計算,最大和最小沉降量分別為93.1 mm和-12.5 mm,基礎傾斜率為0.005 3。

圖1 地基計算簡圖Fig.1 Computing model of foundation

計算結果表明:天然地基承載力滿足要求,但地基不均勻沉降超標(tanθ允許值為0.004)。根據(jù)巖土條件,以鉆孔灌注樁基礎與減沉疏布CFG樁[2]復合地基基礎進行方案比選(仍以F02為例)。

3 樁基礎設計

選用鉆孔灌注樁,樁徑d為800 m,樁周長u為2.512 m,樁底面積Ap為0.502 4 m2,自地面以下3.0 m起算的有效樁長lp為17.3 m,樁端進入(5-3)號中風化巖層0.8 m。

3.1 單樁承載力估算

單樁極限承載力標準值(Quk)按式(3)[3]估算,相關參數(shù)如圖1。

Quk=Qsk+Qpk=uΣqsikli+qpkAp

(3)

式中:qsik為樁側第i層土極限側阻力標準值(kPa);qpk為樁的極限端阻力標準值(kPa);li為樁周第i層土計算厚度(m)。

經(jīng)計算得Quk=4 711 kN,則單樁豎向承接力特征值Ra=2 355.5 kN(安全系數(shù)k=2)。

3.2 樁身設計

采用C35混凝土,單樁混凝土凈量約7.79 m3,主筋采用14φ20,通長配置;加勁箍采用φ18@2000,螺旋箍筋采用φ8@200,單樁鋼筋消耗量約15.5 t。

3.3 樁位布置及承臺設計

采用錐形承臺如圖2,基礎底標高-2.85 m,底面直徑D為17 m,頂面臺柱標高0.10 m,臺柱直徑7 m,混凝土強度等級C35,混凝土總體積約400 m3,鋼筋用量約32.5 t。承臺下共布樁18根,采用兩圈布樁,外圈半徑7.5 m,共布置15根樁,內圈半徑4 m,布置3根。

計算極端荷載工況下單樁豎向最大軸向力為2 635.2 kN,<1.2Ra,滿足要求。

4 減沉疏布CFG樁復合地基基礎設計

為減少地基沉降差,對圓礫層以上各土層設置豎向增加體(CFG樁),采用長螺旋鉆與管內泵壓混合料灌住成樁工藝。

圖2 樁基承臺設計圖Fig.2 Design chart of pile cap

樁頂鋪設0.3 m褥墊層,墊層材料可采用中砂、粗砂或碎石,最大粒徑不宜>20 mm,為充分發(fā)揮樁間土的承載能力,樁頂宜與墊層底平齊或略低。

4.1 樁身及單樁豎向承載力特征值確定[4-5]

采用樁徑d為350 mm,u為1.099 m,Ap為0.096 m2,樁頂起算深度自-3.7 m,有效樁長lp為10.6 m,長徑比lp/d=30<40,按等邊三角形布置,樁距s為1.8 m,按式(4)估算單樁承載力特征值。

(4)

式中:αp取1.0,經(jīng)計算Ra=484 kN。

樁身強度按式(5)計算:

(5)

式中:λ取0.8,經(jīng)計算fcu≥16 MPa。

4.2 復合地基承載力計算[6]

復合地基承載力按式(6)計算:

(6)

式中:λ取0.8,β取0.9,fsk取150 kPa。

經(jīng)計算,fspk=279 kPa。

4.3 復合地基變形計算

復合土層的壓縮模量按下式計算:

Esp=ζ·Es

(7)

ζ=fspk/fak

(8)

經(jīng)計算,ζ=1.86,各土層復合模量如表3。

按式(2)計算tanθ=0.003 6< 0.004。

4.4 擴展基礎設計

采用錐形基礎,基礎形式如圖3,基礎底面標高-3.40 m,底面直徑20 m,頂面臺柱標高0.100 m,直徑7 m,混凝土強度等級C35,混凝土總體積約607 m3,鋼筋用量約44.3 t。

表3 土層復合模量表Table 3 Soil composite modulus table

圖3 擴展基礎設計圖Fig.3 Design chart of extension

5 方案比較

5.1 樁基礎與CFG樁復合地基基礎技術性比較

風力發(fā)電機組主要由塔筒、機艙和葉輪組成,屬高聳結構,承受360°方向重復荷載,風機基礎所受到的彎矩作用方向反復變化,使風機基底受到反復的拉壓作用,長期處于偏心荷載作用,對地基基礎的穩(wěn)定性要求較高。為了滿足基礎承受大傾覆彎矩的工況,無論是樁—承臺基礎還是擴展基礎,傾覆彎矩是基礎設計的控制條件,基礎尺寸和重量均較大,通常按大塊體結構設計。

鋼筋混凝土樁由鋼筋和混凝土組成,而CFG樁由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水粘結形成,兩者的受力特性有著顯著差異。鋼筋混凝土樁能夠承受較大壓力、拉力、剪力、彎矩,而CFG樁主要承受壓力,抗剪、抗拉、承受彎矩能力均較小。因此,樁—承臺與CFG樁—褥墊層—擴展基礎比較,除在傳遞豎向壓應力方面有相似之處外,在承受拉力、剪力、彎矩上,兩者作用機理也有著顯著差異,具體比較如表4。

鉆孔灌注樁基礎荷載傳遞路徑明確、變形小、技術可靠,無論是設計理論還是施工技術都比CFG樁復合地基成熟。而CFG樁理論上并不完善,如褥墊層厚度設計,當厚度較大時,樁間土分擔的荷載增加,基礎沉降量增大;當厚度較小時,樁體分擔的荷載增加,樁土應力比難以確定,特別是復合地基沉降計算理論,實測資料少,計算理論不成熟。

表4 樁基礎與復合地基受力特征比較表Table 4 Comparison of stress characteristics of pilefoundation and composite foundation

5.2 經(jīng)濟性比較

鉆孔灌注樁基礎與CFG樁復合地基造價比較如表5。雖然復合地基中CFG樁比鉆孔灌注樁減少5.8萬元,但因擴展基礎的厚度和面積較樁基承臺大,工程造價增加了23.9萬元,CFG樁復合地基基礎比樁基礎造價增加26.6%。

表5 基礎造價比較表(萬元)Table 5 Base cost comparison table

注:依據(jù)預算定額及市場詢價計算。

5.3 施工工期比較

受工作面的影響,無論是鉆孔灌注樁施工還是CFG樁施工,都很難采用多臺機械平行作業(yè),而CFG樁數(shù)量多于鉆孔灌注樁,CFG樁施工工期長,增加了工程施工費。

6 結論

(1) 經(jīng)技術、經(jīng)濟對比分析,在本工程中,CFG樁復合地基基礎同鉆孔灌注樁相比較,沒有任何優(yōu)越性,本工程最終選用鉆孔灌注樁基礎。

(2) 當同時具備CFG樁復合地基和樁基礎條件時,通常情況下CFG樁復合地基比樁基礎較經(jīng)濟,主要原因是樁基承臺或擴展基礎尺寸較小,絕對工程量相差不大,但對于高聳的風機以抵抗傾覆為控制條件的大塊體鋼筋混凝土承臺或擴展基礎,其絕對工程量相差較大,導致CFG樁復合地基造價比樁基礎造價更高。

(3) 樁技術理論比復合地基理論成熟,在工程造價相差不大的情況下,特別是針對風力發(fā)電機組等高聳結構,宜優(yōu)先選擇樁基礎。