文 | 章榮國(guó)

長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁在風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中應(yīng)用

文 | 章榮國(guó)

隨著風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目迅速發(fā)展和建設(shè)速度的加快，對(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)也提出更高的要求，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不僅要安全、經(jīng)濟(jì)、合理，而且要對(duì)環(huán)境影響小、施工速度快。因此有必要對(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷優(yōu)化，與傳統(tǒng)的樁基相比長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁具有施工簡(jiǎn)潔、無(wú)泥漿污染、噪聲小、效率高，承載力較高，成樁質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，本文根據(jù)具體工程實(shí)例探討長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁在風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

長(zhǎng)螺旋鉆孔是利用螺旋鉆桿連接螺旋鉆頭加壓回轉(zhuǎn)，從而破碎孔底巖土而不斷向下鉆進(jìn)的一種回轉(zhuǎn)全面鉆進(jìn)的鉆孔方法，采用這種方法破碎下來(lái)的巖土不是用循環(huán)沖洗液清除，而是由轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋鉆桿不斷地輸送至地表或?qū)⒙菪@具提出鉆孔清除。長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁成孔、成樁由一機(jī)一次完成任務(wù)，時(shí)效非常高，無(wú)循環(huán)液鉆進(jìn)，免去了泥漿循環(huán)系統(tǒng)，適用于高寒、缺水、漏失地層鉆進(jìn)。長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁成樁過(guò)程中由于高壓（3.5MPa）泵送混凝士，故對(duì)樁周土有一定擠壓密實(shí)作用，機(jī)理上屬增強(qiáng)型摩擦－端承復(fù)合樁。因此，與其他各種傳統(tǒng)樁型相比，長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁具有承載力高、成樁質(zhì)量可靠、施工工藝環(huán)保、綜合經(jīng)濟(jì)效益高等顯著特點(diǎn)。

項(xiàng)目工程地質(zhì)條件及風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)選型

一、工程地質(zhì)條件

某300MW風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目共布置200臺(tái)單機(jī)容量為1.5MW的風(fēng)電機(jī)組，按照成因、巖性、物理力學(xué)性質(zhì)的不同，場(chǎng)址內(nèi)地基土自上至下分為如下4層。

② 耕土，厚度: 0.80 m－1.10m。

②1層粉細(xì)砂，稍密－中密，表層局部松散， 級(jí)配不良，砂質(zhì)不純，夾較多厚度不等的粘性土層，局部夾松散－稍密狀中砂層和薄層粉土層。場(chǎng)區(qū)普遍分布，厚度：0.60m－7.70m, 地基土承載力特征值為140kPa。

②夾層粉質(zhì)粘土，以可塑為主，局部軟塑，厚度:2.00m－3.50m，地基土承載力特征值為120kPa。

②2層粉細(xì)砂，中密－密實(shí)，局部稍密，中等壓縮性，級(jí)配不良，砂質(zhì)不純，厚度:3.20m－13.80m，地基土承載力特征值為180kPa。

③層粉質(zhì)粘土，可塑－硬塑，厚度：1.40m－7.40m，地基土承載力特征值為140kPa。

④1層粉細(xì)砂，以密實(shí)狀為主，局部混粘性土，夾薄層粉土層，該層場(chǎng)區(qū)普遍分布，未鉆透，地基土承載力特征值為270kPa。

④2層粉土，以密實(shí)狀為主，厚度：2.00m－6.20m，地基土承載力特征值為150kPa。

④夾層中細(xì)砂，以密實(shí)狀為主，多以?shī)A層或透鏡體分布，地基土承載力特征值為280kPa，該層未穿透。

場(chǎng)址區(qū)域內(nèi)地下水為潛水，埋藏相對(duì)較淺，鉆探揭露地下水埋深在2m－3m左右，涉及基坑開(kāi)挖的②1、②2層滲透系數(shù)建議值為1.0×10-3cm/s－1.0×10-2cm/s。

二、風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)選型

本場(chǎng)地②1層土上部較松散，且土性不穩(wěn)定，承載力較低，不適宜做本工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)天然地基的持力層。本場(chǎng)地②2層土及④1層土在本場(chǎng)地普遍存在，狀態(tài)較好，承載力較高，但這兩層土層面埋深都在5m－6m以下，若采用天然地基基礎(chǔ)埋深應(yīng)不小于5m，且基坑范圍內(nèi)土層滲透系數(shù)比較大，土層透水性好，基礎(chǔ)在施工過(guò)程中必須要進(jìn)行基坑降水，如果降水達(dá)不到預(yù)期效果粉細(xì)砂層極易在地下水作用下產(chǎn)生流砂，引起坑壁坍塌和持力層承載力降低，不能保證施工質(zhì)量，因此本工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)不適宜采用天然地基，宜采用樁基礎(chǔ)。

樁基礎(chǔ)一般可采用預(yù)制樁和灌注樁。預(yù)制樁具有強(qiáng)度高、耐久方便、費(fèi)用較低、工期較短以及樁身質(zhì)量容易得到控制等優(yōu)點(diǎn)。但根據(jù)本工程的工程地質(zhì)條件，②夾層粉質(zhì)粘土層、③層粉質(zhì)粘土層與④2層粉土層，土性相對(duì)軟弱，易于沉樁。②1層粉細(xì)砂層與②2層粉細(xì)砂層，平均標(biāo)貫擊數(shù)均小于20擊，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)沉樁是可行的。④層粉細(xì)砂層與④夾中細(xì)砂層，平均標(biāo)貫擊數(shù)均大于20擊，以密實(shí)狀為主，對(duì)沉樁會(huì)帶來(lái)一定難度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，周邊風(fēng)電場(chǎng)采用φ600mmPHC管樁沉樁深度一般都在12m左右，說(shuō)明預(yù)制樁沉樁難度較大，如果不采取施工措施很難穿過(guò)④1層粉細(xì)砂層與④夾中細(xì)砂層。因此，若采用PHC管樁其沉樁深度不能達(dá)到④1層粉細(xì)砂層與④夾中細(xì)砂層一定深度，很難發(fā)揮深部土層對(duì)樁抗拔承載力的貢獻(xiàn)，這樣勢(shì)必造成樁數(shù)大量增加，也會(huì)相應(yīng)增加樁基承臺(tái)的面積。

灌注樁可以考慮采用鉆孔灌注樁和長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁。若采用鉆孔灌注樁，由于本場(chǎng)地存在較厚的砂層且地下水埋深淺，孔壁宜坍塌，因?yàn)閳?chǎng)地沒(méi)有合適造漿土層，必須采用人工泥漿護(hù)壁，且砂土層泥漿消耗量大，這給施工帶來(lái)難度，同時(shí)施工質(zhì)量也難保證。根據(jù)本場(chǎng)地的地層條件和長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁的優(yōu)勢(shì)，本工程比較適宜采用長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁。

現(xiàn)場(chǎng)試樁結(jié)果及分析

為驗(yàn)證本場(chǎng)地長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁施工工藝的可行性、確定合理的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)以及為今后采用高應(yīng)變檢測(cè)方法進(jìn)行工程驗(yàn)收提供依據(jù)，特在本場(chǎng)區(qū)選擇具有代表性的場(chǎng)地進(jìn)行試樁。試驗(yàn)區(qū)布置承載力試驗(yàn)樁3根，試驗(yàn)樁樁型均為φ600長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁，有效樁長(zhǎng)為20m。每根試驗(yàn)樁均進(jìn)行豎向抗壓、抗拔、水平靜載荷試驗(yàn)和高、低應(yīng)變?cè)囼?yàn)。

（一）單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)（表1）。

（二）單樁豎向抗拔靜載荷試驗(yàn)（表2）。

（三）單樁水平靜載試驗(yàn)（表3）。

（四）樁身應(yīng)力測(cè)試結(jié)果（表4）。

S1#－S3#試驗(yàn)樁樁身軸力和樁側(cè)摩阻力隨深度的分布情況如圖1－圖3所示。

表1 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果匯總表

表2 單樁豎向抗拔靜載試驗(yàn)結(jié)果匯總表

表3 單樁水平靜載試驗(yàn)結(jié)果匯總表

表4 對(duì)應(yīng)不同水平變形單樁水平承載力結(jié)果匯總表

圖1 S1#試驗(yàn)樁樁身應(yīng)力測(cè)試成果圖

圖2 S2#試驗(yàn)樁樁身應(yīng)力測(cè)試成果圖

圖3 S3#試驗(yàn)樁樁身應(yīng)力測(cè)試成果圖

（五）高應(yīng)變承載力測(cè)試及低應(yīng)變完整性檢測(cè)

在樁基現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)前，對(duì)樁基進(jìn)行了低應(yīng)變測(cè)試，結(jié)果表明所有樁身結(jié)構(gòu)均為完整樁，類別為Ⅰ類。樁基高應(yīng)變承載力測(cè)試結(jié)果匯總表見(jiàn)表5，動(dòng)、靜試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表6。

（六）試驗(yàn)結(jié)論

總結(jié)、歸納3組試驗(yàn)樁單樁抗壓、抗拔及水平靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)及高、低應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試數(shù)據(jù)，得出如下試驗(yàn)結(jié)論：

表5 高應(yīng)變承載力測(cè)試結(jié)果匯總表

表6 動(dòng)靜試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

表7 各土層極限摩阻力試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值

表8 不同設(shè)計(jì)參數(shù)長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁承載力比較

1. 單樁豎向抗壓極限承載力統(tǒng)計(jì)值為2660kN，單樁豎向抗壓承載力特征值為1330 kN；單樁抗拔極限承載力統(tǒng)計(jì)值為1072kN，單樁抗拔承載力特征值為536kN；單樁水平極限承載力統(tǒng)計(jì)值為240 kN。

2. 靜載試驗(yàn)結(jié)果表明，因砼養(yǎng)護(hù)期較短樁身材料強(qiáng)度均發(fā)生了破壞，地基土承載力未充分發(fā)揮，實(shí)測(cè)樁側(cè)摩阻力偏低，故建議樁側(cè)摩阻力取高值。實(shí)測(cè)各土層極限摩阻力如表7。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，第④1層粉細(xì)砂土層的極限端阻力試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值為2300 kPa。

3.動(dòng)、靜測(cè)試結(jié)果對(duì)比誤差約4.1%，為采用高應(yīng)變法代替靜載荷試驗(yàn)對(duì)工程樁承載力進(jìn)行驗(yàn)收檢測(cè)提供了試驗(yàn)依據(jù)。

4.低應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果表明，所有試樁均為Ⅰ類樁，樁身完整性較好，成樁工藝可靠。報(bào)告提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

樁基設(shè)計(jì)參數(shù)修正

由于原地勘報(bào)告提供的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)是針對(duì)鉆孔灌注樁和預(yù)應(yīng)力管樁，與實(shí)際采用的長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁施工工藝有所不同，因此有必要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)樁基原位測(cè)試結(jié)果對(duì)樁基設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修正。表8為φ600，樁長(zhǎng)20m條件下樁基設(shè)計(jì)參數(shù)修正前后的長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁承載力比較表。

從表8中可看出長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁采用修正后的參數(shù)承載力有明顯提高。提高部分的承載力包含兩方面的因素：一是由于長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁的施工工藝相對(duì)鉆孔灌注樁工藝對(duì)樁側(cè)和樁端承載力發(fā)揮有提高作用，二是由于根據(jù)樁基原位承載力測(cè)試結(jié)果修正后的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)更接近場(chǎng)地的實(shí)際情況。

表9 幾種樁基型式基礎(chǔ)造價(jià)比較

經(jīng)濟(jì)比較

根據(jù)同一機(jī)位的地質(zhì)資料，分別采用鉆孔灌注樁、PHC管樁、長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁進(jìn)行設(shè)計(jì)，工程量對(duì)比如表9所示。

從表9的經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果來(lái)看，長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁基礎(chǔ)具有較明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，以上的比較還沒(méi)有考慮施工進(jìn)度以及施工對(duì)環(huán)境的影響問(wèn)題，而這兩項(xiàng)也正是長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁相比較其他樁型的優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)論

通過(guò)本文的分析研究，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（作者單位：上海電力設(shè)計(jì)院有限公司）

1.長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁施工不受地下水位的限制，適用于粉質(zhì)粘土、粉土、中等密實(shí)以上的砂土。對(duì)于設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)在30m以內(nèi)的樁基工程，采用長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁是比較經(jīng)濟(jì)的。

2.實(shí)踐證明長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁成樁工藝施工簡(jiǎn)潔、無(wú)泥漿污染、噪聲小、施工速度快。該工藝與泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁相比，由于其無(wú)泥皮和樁底沉渣，承載力有明顯提高，通過(guò)后插鋼筋籠的振動(dòng)，樁身混凝土密實(shí)，樁身施工質(zhì)量穩(wěn)定。

3.由于長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁在有些地區(qū)工程實(shí)例不多，勘察單位對(duì)該樁型的設(shè)計(jì)參數(shù)積累的經(jīng)驗(yàn)也不多，往往所提的參數(shù)與實(shí)際有較大的差別，因此在采用長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁時(shí)應(yīng)要求在場(chǎng)區(qū)選擇有代表性的地層進(jìn)行試樁和承載力原位測(cè)試試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正樁基設(shè)計(jì)參數(shù)，這是優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要前提。

4.對(duì)樁基數(shù)量多的工程，應(yīng)進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)與高應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，建立兩者之間的相關(guān)關(guān)系，以便為采用高應(yīng)變?cè)囼?yàn)進(jìn)行竣工驗(yàn)收提供依據(jù)，這樣可以節(jié)約大量的測(cè)試費(fèi)用。