李院兵

(武漢聯(lián)動設(shè)計股份有限公司，湖北 武漢 430070)

近年來，筆者在寧夏東部先后承擔了8個風力發(fā)電項目的勘察設(shè)計工作，風力發(fā)電機組單機容量1.5 MW，風機輪轂高度70 m，葉輪直徑87 m，地基基礎(chǔ)設(shè)計級別為一級[1]，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全等級為二級。根據(jù)受力特征，基礎(chǔ)設(shè)計主要受控于抗傾覆條件，對于輪轂高度為70 m的風力發(fā)電機組塔筒，傾斜率≤0.005，當采用天然地基時，地基承載力≥200 kPa。

該地區(qū)的土層為自重濕陷性黃土，按《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范(GB 50025—2004)》及《建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ94—2008)》的要求，其總體設(shè)計思路是濕陷性黃土層全部受水浸濕，并在自重或外載作用下土體結(jié)構(gòu)被破壞、產(chǎn)生顯著附加下沉，這種思路必然導(dǎo)致地基處理深度或基樁長度較大，但土的“濕陷性”是在試驗室或現(xiàn)場對土體強制浸水加壓測定的，在自然狀態(tài)下，浸濕深度有多大？ 筆者結(jié)合這些項目的勘察設(shè)計經(jīng)驗，對這一問題試圖作一膚淺探討。

1 土層結(jié)構(gòu)及其主要物理力學性質(zhì)指標

該區(qū)域地層主要為馬蘭黃土，根據(jù)土工試驗成果(主要是濕陷系數(shù))，自上而下分為三層(①-③)，并將②層分為三個亞層(②1-②3)，各土層主要特征簡述如下。

① 耕植土(Qpd)：褐灰色，松散，含有大量的植物根莖、腐殖質(zhì)等。濕陷系數(shù)δs>0.07，具強烈濕陷性。

以上①-③層的層頂埋深及層厚如表1。

表1 土層平均埋深及厚度Table 1 Average depth and thickness of soil layer

通過在人工探井取得的Ⅰ級樣品土工試驗成果統(tǒng)計分析(統(tǒng)計數(shù)328件)，各土層主要物理力學性質(zhì)指標如表2。

注：抗剪強度指標為標準值，其它為平均值；壓縮系數(shù)及壓縮模量為100～200 kPa壓力段成果。

2 黃土狀粉土濕陷性質(zhì)評價[2]

2.1 自重濕陷量的計算及濕陷類型的判定

濕陷性黃土地基受水浸濕飽和后，在土層自重作用下產(chǎn)生下陷，自重濕陷量計算按公式(1)：

(1)

式中：β0為因地區(qū)土質(zhì)而異的修正系數(shù)，本地區(qū)為1.2；δzsi為第i層土的自重濕陷系數(shù)；hi為第i層土的厚度(mm)；Δzs為自重濕陷量的計算值，自天然地面算起，至其下非濕陷性黃土層頂面止，其中自重濕陷系數(shù)δzs值<0.015的土層不累計。

經(jīng)計算，自重濕陷量最大值1 599 mm，最小值378 mm，平均值975 mm，為自重濕陷性黃土場地。

2.2 濕陷量的計算

濕陷性黃土地基受水浸濕后，在基底荷重作用下產(chǎn)生下陷，其濕陷量計算按公式(2)：

(2)

式中：β為考慮基底下地基土的受水浸濕可能性和側(cè)向擠出等因素的修正系數(shù)，0～5 m深度內(nèi)取1.5，5～10 m深度內(nèi)取1.0，10 m以下取β=β0=1.2；δsi為第i層土的濕陷系數(shù)；hi為第i層土的厚度(mm)；Δs為濕陷量的計算值，自地面下1.5 m算起，在自重濕陷性黃土場地，累計至非濕陷黃土層的頂面止。其中濕陷系數(shù)δs(10 m以下為δzs)<0.015的土層不累計。

經(jīng)計算，濕陷量最大值2 152 mm，最小值710 mm，平均值1 354 mm。

2.3 濕陷等級的判定

本場地計算自重濕陷量>350 mm，計算濕陷量>700 mm，濕陷等級為Ⅳ級(很嚴重)。

3 天然地基分析

根據(jù)各土層物理力學性質(zhì)參數(shù)，結(jié)合標準貫入試驗成果及地區(qū)經(jīng)驗，綜合確定該區(qū)域各土層巖土設(shè)計參數(shù)(表3)。

由表3可知，天然地基不能滿足要求，須采用樁基礎(chǔ)或進行地基處理，宜優(yōu)先采用樁基礎(chǔ)。

4 樁基礎(chǔ)分析計算

自重濕陷性黃土地基浸水后，樁周土體在自重作用下下沉，對基樁產(chǎn)生下拉荷載，使樁的軸向力加大而產(chǎn)生較大沉降，樁端必須穿過濕陷土層。

根據(jù)當?shù)卮蚓Y料，本地區(qū)基巖埋深>50 m，③層黃土狀粉土平均埋深23 m，已揭露厚度>15 m，自上而下天然孔隙比減小，密實度增加，③層黃土狀粉土是該場地經(jīng)濟性較好的樁端持力層。

根據(jù)工程經(jīng)驗，風機基礎(chǔ)埋深一般為-3.0 m左右，采用干作業(yè)成孔灌注樁，樁徑Φ1 000，擴底直徑D1 500 mm，樁底面積Ap=1.77 m2,樁身周長u=3.14 m，初擬單樁承載力特征值Ra=1 600 kN,現(xiàn)以表1中各土層的平均埋深、平均厚度進行基樁承載力估算。

4.1 按中性點概念計算[3]

當樁穿越厚度為L0的高壓縮土層，樁端置于相對較堅硬的持力層時，在樁的某一深度Ln以上，土的沉降大于樁的沉降，在該段樁長內(nèi)，樁側(cè)產(chǎn)生負摩阻力；L0深度以下的可壓縮層內(nèi)，土的沉降小于樁的沉降，土對樁產(chǎn)生正摩阻力，在Ln深度處，樁土相對位移為0，既沒有負摩阻力，也沒有正摩阻力，該點即為中性點。對于摩擦型樁，由于受負摩阻力作用沉降增大，中性點隨之上移，即負摩阻力、中性點與樁頂荷載處于動態(tài)平衡，作為一種簡化，取假想中性點(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。

對于自重濕陷性黃土，中性點深度按式(3)計算：

Ln=0.66L0

(3)

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

樁長L=24 m，L0=20.41 m，Ln=13.47(擴底樁樁底以上3.0 m不計摩擦力)，依據(jù)表4數(shù)據(jù)，按式(4)估算基樁承載力：

Quk=u∑ψsiqsikli+ψpqpkAp

(4)

式中：Quk為單樁豎向極限承載力標準值(kN)；qsik為中性點以下第i層土極限側(cè)阻力標準值(kPa)；qpk為樁的極限端阻力標準值(kPa)；li為中性點以下各層土的樁長(m)；ψsi、ψp為大直徑樁側(cè)阻、端阻尺寸效應(yīng)系數(shù)。

表4 基樁極限承載力標準值計算表Table 4 Calculation table of standard value ofultimate bearing capacity of foundation pile

經(jīng)計算：Quk=3 380 kN,Ra=1 690 kN。

計算結(jié)果表明,當樁長超過24 m(樁端進入③層土3.59 m)時能夠滿足要求。

4.2 按《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》推薦公式計算

在自重濕陷性黃土場地，除不計自重性濕陷黃土層內(nèi)的樁側(cè)正阻力外，尚應(yīng)扣除樁側(cè)的負阻力，計算按式(5)計算：

(5)

對于上式中的qpa和qsa值，均應(yīng)按飽和狀態(tài)下的土性指標確定。

l=35 m，Z=20.41 m，(擴底樁底以上3.0 m不計摩擦力)，按表5計算。

經(jīng)計算，Ra=1 618 kN。

計算結(jié)果表明，當樁長超過35 m(樁端進入3層非濕陷性黃土14.59 m)時能夠滿足要求。

表5 基樁承載力特征值計算表Table 5 Calculation table of characteristic valueof bearing capacity of foundation pile

兩種方法的計算結(jié)果相差11 m，究其原因是《樁基規(guī)范》中性點觀點認為負摩阻力與正摩阻力同時起作用，中性點以上負阻力大于正阻力至中性點以下正阻力大于負阻力；《黃土規(guī)范》自重濕陷性黃土層內(nèi)除不計正阻力外，尚應(yīng)扣除樁側(cè)的負摩阻力。

5 “多年最大浸濕深度”概念的提出

5.1 “多年最大浸濕深度”概念及測定方法

自重濕陷性黃土在浸水飽和后產(chǎn)生很大的沉降，對工程危害大，已被無數(shù)工程證實，在可能被洪水淹沒區(qū)或可能存在較長時間積水區(qū)，全深度范圍內(nèi)考慮濕陷性黃土的浸水濕陷問題是合理的，但像本工程處在寧夏黃土低山、丘陵區(qū)，風機均處于丘頂或斜坡地帶，地表排水暢通，且寧夏屬于半干旱區(qū)，受水浸濕深度不可能達到23 m，采用“多年最大浸濕深度”的概念來進行地基與基礎(chǔ)設(shè)計更加合理。

如同“季節(jié)性凍土標準凍深或最大凍深”的取得方法相似，“多年最大浸濕深度”可以采用“自然觀測法”和“試坑浸水試驗法”確定。

自然觀測法：在連續(xù)雨天后或冰雪消融期，采用鉆孔、挖孔等手段取得土樣，進行室內(nèi)土工試驗，確定浸濕深度。

試坑浸水試驗法：對于干旱地區(qū)，可采用挖試坑(如10 m×10 m×0.5 m),向試坑內(nèi)注水維持0.3 m水頭，維持時間根據(jù)歷史極端氣象資料確定，然后在試坑中心采用鉆孔等手段取得土樣，進行常規(guī)土工試驗，確定浸濕深度。

5.2 “多年最大浸濕深度”測定與單樁浸水載荷試驗區(qū)別

“多年最大浸濕深度”的測定是模擬和實測自然狀態(tài)下土層的可能受水浸濕深度；而單樁浸水載荷試驗中的浸水，是要求濕陷性黃土層在其深度內(nèi)受水浸濕以至達到飽和。前者在地表不會形成長時間維持水頭，地表水絕大部分順坡勢流出工程場地，僅極小部分滲入地下；后者則在地表形成長時間(規(guī)范要求不少于10 d)維持水頭，強制將地表水導(dǎo)入地下土層孔隙中，后者顯然與實際氣象條件相差甚遠，在自然條件下不可能發(fā)生浸水的土層假定其浸水濕陷，必然導(dǎo)致單樁承載力的降低，設(shè)計樁長加大，造成很大的浪費。

5.3 算例

筆者在完成該區(qū)域8個風力發(fā)電項目勘察任務(wù)中，經(jīng)歷了各個季節(jié)(雨季、旱季、冰雪消融期等)，即使在冰雪消融期，土層浸濕深度也沒有超過2.0 m(丘頂或斜坡地帶)。參考單樁浸水載荷試驗成果(浸水10 d，6 m以上屬于負阻段，6～9 m有正阻、負阻，9 m以下未出現(xiàn)負阻)，現(xiàn)假定在自然狀態(tài)下土層受水浸濕深度為6.0 m(自然地面起算)，6.0 m以上不計正阻力也不計負阻力，在保證承載力滿足要求及樁端置于非濕陷性土層的情況下，仍按公式(4)估算基樁承載力(如表6)(樁長l=21 m，樁底以上3.0 m不計摩擦力)。

經(jīng)計算：Quk=4 014 kN,Ra=2 007 kN。

表6 基樁極限承載力標準值計算表Table 6 Calculation table of characteristic value ofbearing capacity of foundation pile

計算結(jié)果表明，假定地基發(fā)生浸水、土層濕陷深度在6.0 m，當樁長超過21.5 m(即樁端擴大頭部分完全置于③層非濕陷性黃土)時，即能滿足設(shè)計要求。

計算結(jié)果對比，濕陷性黃土的濕陷深度對基樁的設(shè)計長度影響巨大。

6 結(jié)語

濕陷性黃土地區(qū)進行巖土工程勘察，通過室內(nèi)土工試驗確定濕陷土層厚度是其重要工作之一，但僅僅依據(jù)室內(nèi)土工試驗確定的濕陷土層厚度進行地基處理及樁基設(shè)計顯然過于保守，筆者認為應(yīng)根據(jù)場地環(huán)境(如氣象條件、地形地貌條件)綜合分析地表水對濕陷性黃土層的影響，合理確定土層受水浸濕深度，并首次引入“多年最大浸濕深度”的概念，但遺憾的是受工作性質(zhì)的限制，未能進行更深入的研究與論證，本文旨在“拋磚引玉”，文中假設(shè)條件可能存在錯誤，期盼專家、學者關(guān)注這個問題并開展這方面的研究工作?？梢灶A(yù)見，在黃土地區(qū)按照“多年最大浸濕深度”設(shè)計，必將為工程建設(shè)帶來較大的經(jīng)濟效益。