平原淺厚砂層沉樁方法探討

李星

【摘要】目前國內(nèi)風(fēng)電有平原、山地、海上三種類型，其中平原風(fēng)電的風(fēng)功率較好，適宜風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，發(fā)電，且施工難度相對(duì)較低。但是大多風(fēng)機(jī)機(jī)位的位置屬于曾經(jīng)的黃河古河道，經(jīng)歷過幾千年的變化，形成了如今的平原，則風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉樁是將會(huì)面臨長(zhǎng)達(dá)數(shù)米的砂層，導(dǎo)致管樁無法到達(dá)設(shè)計(jì)要求，需要采取特別的方案，使得沉樁滿足設(shè)計(jì)要求，為風(fēng)機(jī)的承載，抗拉、抗拔提供有力的保障，杜絕因地質(zhì)的原因而造成施工的停滯及風(fēng)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的事故。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、管樁、沉樁施工。

引言

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)樁基沉樁是風(fēng)機(jī)安全組立、運(yùn)行的最大保證。面對(duì)不同的地質(zhì)條件，使得管樁的沉樁滿足設(shè)計(jì)的要求是一個(gè)重要的問題，如何在遇見特殊地質(zhì)依然能夠達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，保證風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的質(zhì)量和安全，縮短工期是本次研究的主要研究方向。

目的和意義：

1.解決面對(duì)不同地質(zhì)情況下管樁沉樁滿足設(shè)計(jì)標(biāo)高;

2.針對(duì)沉樁方案進(jìn)行優(yōu)化，降低施工難度、工程造價(jià)、和節(jié)省沉樁時(shí)間，提高人員和沉樁機(jī)械的工作及使用效率。

1.概述

2.工程簡(jiǎn)況

工程位于河南省新鄉(xiāng)市獲嘉縣西南部徐營(yíng)鎮(zhèn)境內(nèi)，場(chǎng)址中心距離河南省獲嘉縣城直線距離約13km，本期工程裝機(jī)容量為40MW，由14臺(tái)2.2MW風(fēng)機(jī)+4臺(tái)2.3MW風(fēng)機(jī)組成。

風(fēng)機(jī)是安裝金鳳GW31-2200-140風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)葉葉輪直徑131m，輪轂高度125m，其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)級(jí)別為1級(jí)，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，混凝土環(huán)境類別為二b類，設(shè)計(jì)使用年限50年。

根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告，各機(jī)位應(yīng)采用樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)形式為板式承臺(tái)+預(yù)制預(yù)應(yīng)力管樁，其中與上部塔筒連接采用預(yù)應(yīng)力錨栓組合件。

3.氣象水文條件

氣象條件

本工程廠址所在地屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。1986-2004年年均氣溫14.6°C，年均無霜期221.2天，年均降雨量557.2毫米，年均降雪日14.1天，年均日照2058.4小時(shí)。年平均風(fēng)速1.9/s，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)（ENE），風(fēng)向頻率9%。有相應(yīng)觀測(cè)記錄以來，獲嘉氣象站極端高溫42.9℃，極端低溫-19.4℃，最大風(fēng)速為24.7m/s，極大風(fēng)速為25.8m/s。

水文條件

地下水埋深為8～14 m，豐水期地下水埋深5～10 m。地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性。在長(zhǎng)期浸水條件下，地下水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性;在干濕交替的情況下，地下水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具弱腐蝕性。場(chǎng)址周邊無大江大河，也無洪水影響。

4.地震、地址條件

場(chǎng)區(qū)場(chǎng)地避開了大型斷裂和活動(dòng)斷裂構(gòu)造，場(chǎng)地相對(duì)穩(wěn)定，適宜建場(chǎng)。場(chǎng)址區(qū)地基土由第四系沖洪積形成的粉土、粉質(zhì)黏土與粉細(xì)砂組成。擬建場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，反應(yīng)譜特征周期為0.40s，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度。擬建場(chǎng)地場(chǎng)地土類型為中軟場(chǎng)地土，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類，因存在液化土層，場(chǎng)地處于對(duì)建筑抗震不利地段。地震動(dòng)峰值加速度應(yīng)做調(diào)整，調(diào)整后場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度為0.23g。 ?擬建場(chǎng)地層②中的粉土、層③中局部混的粉土及層④中局部為液化土層，液化最大深度18m，液化等級(jí)為輕微～中等。

5.風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉樁問題分析

風(fēng)機(jī)機(jī)位點(diǎn)位于為黃河沖積平原，地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)沖積粉土、粉質(zhì)黏 土和粉細(xì)砂，土層均勻性較差，性質(zhì)變化較大。按照國標(biāo)《巖土工程勘察規(guī)范》 （GB50021-2001）（2009 年版）和行標(biāo)《陸地和海上風(fēng)電場(chǎng)工程地質(zhì)勘察規(guī)范》 （NB/T31030-2012）規(guī)定，地基等級(jí)為二級(jí)地基（中等復(fù)雜地基）。

綜合工程重要性等級(jí)、場(chǎng)地復(fù)雜程度等級(jí)和地基復(fù)雜程度等級(jí)，按照國標(biāo)《巖 土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）（2009 年版）規(guī)定，擬建工程巖土工程勘察 等級(jí)為乙級(jí)。

此次分析主要針對(duì)18#風(fēng)機(jī)機(jī)位地質(zhì)進(jìn)行延伸探討，其初次沉樁有效長(zhǎng)度不足7m，引孔之后的有效長(zhǎng)度也不滿足設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)沉樁有效長(zhǎng)度，達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)高;因此項(xiàng)目部正對(duì)18#風(fēng)機(jī)機(jī)位基礎(chǔ)提出地質(zhì)重新勘探，重新設(shè)計(jì)，根據(jù)勘察鉆孔成果分析，場(chǎng)區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al）， 巖性主要為粉土、粉質(zhì)黏土和粉細(xì)砂。根據(jù)鉆探成果把場(chǎng)址區(qū)勘探范圍內(nèi) 地層自上而下大致分為以下 5 層，分述如下：

1粉土：黃褐、灰褐色，稍密，稍濕，含鐵錳質(zhì)斑紋，干強(qiáng)度低，韌 性低，無光澤，搖振反應(yīng)迅速，揭露厚度為 2.20m。

2粉砂：黃褐色，中密～密實(shí)，稍濕，主要成分為石英、長(zhǎng)石、云母

等，層頂埋深 2.20m，揭露厚度為 6.30m。

3細(xì)砂：黃褐色，密實(shí)狀，地下水位以下飽和，主要礦物成分為石英、 長(zhǎng)石和云母，顆粒級(jí)配較均勻。層頂埋深 8.50m，揭露厚度為 1.80m。

4粉質(zhì)黏土：黃褐色，硬塑狀，含鐵錳質(zhì)斑紋和鈣質(zhì)結(jié)核，干強(qiáng)度中 等，韌性中等，切面較光滑。層頂埋深為 10.30m，揭露厚度為 2.10m。

5細(xì)砂：黃褐色，密實(shí)，地下水位以下飽和，主要礦物成分為石英、 長(zhǎng)石和云母，顆粒級(jí)配較均勻，局部含中砂透鏡體。層頂埋深為 12.40m， 揭露厚度大于 27.60m。

根據(jù)上述地勘資料顯示，18#機(jī)位細(xì)砂層厚度大，沉樁過程中管樁阻力大，貫入度不足，導(dǎo)致初次沉樁有效長(zhǎng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

6.風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)管樁布置方案優(yōu)化

7.管樁布置方案對(duì)比

初次管樁布置方案

根據(jù)設(shè)計(jì)院初次提供的18#風(fēng)機(jī)機(jī)位管樁布置要求，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)外圈半價(jià)8，5m布置30根，內(nèi)圈半徑6.75m布置24根，共計(jì)54根，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)10m，建議引孔。

二次管樁布置方案

依照18#風(fēng)機(jī)機(jī)位二次地勘鉆孔資料，設(shè)計(jì)院在原設(shè)計(jì)的情況下在半徑5m位置增加了6根管樁，共計(jì)60根，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)10m，建議引孔。二次沉樁所提供的數(shù)據(jù)如下表3.1.2-1所示：

如表所示風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)管樁沉樁有效長(zhǎng)度還是不足以滿足設(shè)計(jì)有效長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)院在此有效長(zhǎng)度下風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)整體抬高2m，才足以滿足有效長(zhǎng)度10m。

管樁布置方案比較

兩次管樁的布置方案綜合考慮，第二次更加適合當(dāng)時(shí)的地質(zhì)，也為風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供了更大的安全性，同時(shí)也增加了相應(yīng)的工程造價(jià)，加大了施工投入的工期、人力和機(jī)械，提高了施工的難度性;同時(shí)相比采用灌注樁保證了安全性，降低了工程造價(jià)，投入工期、人力、機(jī)械和施工的難度性。

8.沉樁方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析

9.技術(shù)分析

預(yù)制樁（預(yù)應(yīng)力管樁）是通過打入或壓入地基內(nèi)達(dá)到所需的深度，在沉樁過程中，周圍土體受到樁體的擠壓作用，導(dǎo)致短期內(nèi)孔隙水壓力上升，使土體隆起并向側(cè)向擠壓，使應(yīng)力影響范圍內(nèi)的已有建（構(gòu)）筑物及道路等產(chǎn)生變形，甚至破壞。同時(shí)還會(huì)對(duì)已施工完畢的工程樁產(chǎn)生擠壓，使之產(chǎn)生偏移、上浮等現(xiàn)象。

灌注樁（鉆孔灌注樁）采用干作業(yè)法或泥漿護(hù)壁法成孔，在成孔與成樁的過程中對(duì)周圍的樁間土沒有擠壓作用，不會(huì)引起土體中超孔隙水壓力的增長(zhǎng)，因而樁的施工不會(huì)不會(huì)危及周圍相鄰建（構(gòu)）筑物及道路的安全。因此，鉆孔灌注樁相比預(yù)應(yīng)力管樁具有無振動(dòng)、無擠土影響、對(duì)周圍建筑物影響小等特點(diǎn)，但樁身混凝土強(qiáng)度較低，沉降量較大。

預(yù)制樁（預(yù)應(yīng)力管樁）的施工工藝為：測(cè)量定位→樁機(jī)就位、對(duì)中→壓樁→接樁→送樁或截樁→靜壓樁到設(shè)計(jì)高程。

（1）測(cè)量定位：施工前放好軸線和每一個(gè)樁位，并涂上油漆使標(biāo)志明顯。

（2）樁機(jī)就位、對(duì)中：通過壓樁機(jī)啟動(dòng)縱向和橫向行走油缸，將樁尖對(duì)準(zhǔn)樁位。開動(dòng)壓樁油缸將樁壓入土中，待樁下沉達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，調(diào)正樁在兩個(gè)方向的垂直度。

（3）壓樁：通過夾持油缸將樁夾緊，然后使壓樁油缸伸程，將壓力施加到樁上。

（4）接樁：樁的單節(jié)長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)設(shè)備條件和施工工藝確定。當(dāng)樁貫穿的土層中夾有薄層砂土?xí)r，確定單節(jié)樁的長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)避免樁端停在砂土層中進(jìn)行接樁。當(dāng)下一節(jié)樁壓到露出地面0.8～1.0m時(shí)，便可接上一節(jié)樁。

（5）送樁或截樁：如果樁頂接近地面，而壓樁力尚未達(dá)到規(guī)定值，可以送樁。如果樁頂高出地面一段距離，而壓樁力已達(dá)到規(guī)定值時(shí)則要截樁，以便壓樁機(jī)移位。

（6）壓樁結(jié)束：當(dāng)壓力表讀數(shù)達(dá)到預(yù)先規(guī)定值時(shí)，便可停止壓樁。

灌注樁（鉆孔灌注樁）的施工工藝為：樁位放樣→鋼護(hù)筒埋設(shè)→泥漿系統(tǒng)布置→樁機(jī)就位→鉆孔→清孔→裝吊鋼筋骨架→灌注水下砼→樁基施工完畢、拆卸鉆機(jī)。

（1）樁位放樣：采用丈量法進(jìn)行樁位測(cè)放，在施工期內(nèi)對(duì)測(cè)量基線予以保護(hù)及定期復(fù)核，以保證測(cè)量控制精度符合設(shè)計(jì)要求。

（2）鋼護(hù)筒埋設(shè)：根據(jù)樁位，使護(hù)筒中心和樁中心重合，偏差小于50mm。護(hù)筒與坑壁之間用粘性土填實(shí)，確保護(hù)筒位置的準(zhǔn)確及穩(wěn)定，再次校正護(hù)筒中心偏差，并用水平尺校核護(hù)筒的垂直度，使護(hù)筒達(dá)到水平牢固。

（3）泥漿循環(huán)系統(tǒng)布置：配備沉淀池、循環(huán)池進(jìn)行泥漿凈化后流回孔內(nèi)，確保終孔后灌注前孔內(nèi)泥漿各項(xiàng)指標(biāo)的要求。

（4）鉆機(jī)就位：鉆機(jī)就位底座應(yīng)墊牢，用水平尺對(duì)機(jī)座底架進(jìn)行水平調(diào)整，直至鉆架垂直地面，天車吊輪、回鉆盤和鉆頭與樁位四點(diǎn)中心到同一鉛垂線上。

（5）鉆孔：成孔施工時(shí)，鉆具（鉆頭、主動(dòng)鉆桿和副鉆桿）要保證垂直度、同心度和連接時(shí)整合可靠，以防止孔斜和鉆具脫落的事故發(fā)生。鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)標(biāo)高終孔時(shí)，應(yīng)保持鉆機(jī)空轉(zhuǎn)不進(jìn)尺10分鐘，直至泥漿指標(biāo)達(dá)到一次清孔要求。

（6）清孔：除去孔底沉淀的鉆渣和泥漿，以保證灌注的鋼筋混凝土質(zhì)量，確保樁的承載力。

（7）裝吊鋼筋骨架：鋼筋籠在吊運(yùn)過程中，由于其在縱向抗彎能力較差，必要時(shí)在籠內(nèi)加支撐，以提高籠的剛性。當(dāng)籠吊至孔口時(shí)，使籠中心對(duì)準(zhǔn)樁位中心，扶正后并緩緩勻速下入孔內(nèi)，嚴(yán)禁擺動(dòng)碰撞孔壁，邊下鋼筋籠邊裝上保護(hù)塊。當(dāng)最后吊筋下至孔口時(shí)，固定在孔口的定位架上，將鋼籠臨時(shí)吊于孔口。

（8）灌注水下砼：灌注前料斗下覆隔水蓋板。開始灌注時(shí)，開啟料斗，并立即連續(xù)供料，使首批砼一起壓住隔水蓋板迅速落下。隨著砼連續(xù)不斷地灌入，孔內(nèi)砼面不斷上升，導(dǎo)管的埋深也在不斷增加，需要定時(shí)測(cè)量砼面的上升情況。在灌注中要不斷上下提動(dòng)導(dǎo)管，以防止速度過快而產(chǎn)生空洞及混凝土不能流動(dòng)鋼籠外側(cè)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 《樁基設(shè)計(jì)規(guī)范》（jgj94-2018）

[2] 《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（gb50202-2018）