文 | 章榮國

長螺旋鉆孔壓灌樁在風電機組基礎(chǔ)設(shè)計中應(yīng)用

文 | 章榮國

隨著風力發(fā)電項目迅速發(fā)展和建設(shè)速度的加快，對風電機組基礎(chǔ)的設(shè)計也提出更高的要求，風電機組基礎(chǔ)設(shè)計不僅要安全、經(jīng)濟、合理，而且要對環(huán)境影響小、施工速度快。因此有必要對風電機組基礎(chǔ)設(shè)計進行不斷優(yōu)化，與傳統(tǒng)的樁基相比長螺旋鉆孔壓灌樁具有施工簡潔、無泥漿污染、噪聲小、效率高，承載力較高，成樁質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點，本文根據(jù)具體工程實例探討長螺旋鉆孔壓灌樁在風電機組基礎(chǔ)設(shè)計中的應(yīng)用。

長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的一種回轉(zhuǎn)全面鉆進的鉆孔方法，采用這種方法破碎下來的巖土不是用循環(huán)沖洗液清除，而是由轉(zhuǎn)動的螺旋鉆桿不斷地輸送至地表或?qū)⒙菪@具提出鉆孔清除。長螺旋鉆孔壓灌樁成孔、成樁由一機一次完成任務(wù)，時效非常高，無循環(huán)液鉆進，免去了泥漿循環(huán)系統(tǒng)，適用于高寒、缺水、漏失地層鉆進。長螺旋鉆孔壓灌樁成樁過程中由于高壓（3.5MPa）泵送混凝士，故對樁周土有一定擠壓密實作用，機理上屬增強型摩擦－端承復(fù)合樁。因此，與其他各種傳統(tǒng)樁型相比，長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)濟效益高等顯著特點。

項目工程地質(zhì)條件及風電機組基礎(chǔ)選型

一、工程地質(zhì)條件

某300MW風電場項目共布置200臺單機容量為1.5MW的風電機組，按照成因、巖性、物理力學(xué)性質(zhì)的不同，場址內(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層粉細砂，稍密－中密，表層局部松散， 級配不良，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層粉細砂，中密－密實，局部稍密，中等壓縮性，級配不良，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層粉細砂，以密實狀為主，局部混粘性土，夾薄層粉土層，該層場區(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夾層中細砂，以密實狀為主，多以夾層或透鏡體分布，地基土承載力特征值為280kPa，該層未穿透。

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

二、風電機組基礎(chǔ)選型

本場地②1層土上部較松散，且土性不穩(wěn)定，承載力較低，不適宜做本工程風電機組基礎(chǔ)天然地基的持力層。本場地②2層土及④1層土在本場地普遍存在，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)在施工過程中必須要進行基坑降水，如果降水達不到預(yù)期效果粉細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，因此本工程風電機組基礎(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)制樁具有強度高、耐久方便、費用較低、工期較短以及樁身質(zhì)量容易得到控制等優(yōu)點。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，土性相對軟弱，易于沉樁。②1層粉細砂層與②2層粉細砂層，平均標貫擊數(shù)均小于20擊，根據(jù)經(jīng)驗沉樁是可行的。④層粉細砂層與④夾中細砂層，平均標貫擊數(shù)均大于20擊，以密實狀為主，對沉樁會帶來一定難度。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，周邊風電場采用φ600mmPHC管樁沉樁深度一般都在12m左右，說明預(yù)制樁沉樁難度較大，如果不采取施工措施很難穿過④1層粉細砂層與④夾中細砂層。因此，若采用PHC管樁其沉樁深度不能達到④1層粉細砂層與④夾中細砂層一定深度，很難發(fā)揮深部土層對樁抗拔承載力的貢獻，這樣勢必造成樁數(shù)大量增加，也會相應(yīng)增加樁基承臺的面積。

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

現(xiàn)場試樁結(jié)果及分析

為驗證本場地長螺旋鉆孔壓灌樁施工工藝的可行性、確定合理的樁基設(shè)計參數(shù)以及為今后采用高應(yīng)變檢測方法進行工程驗收提供依據(jù)，特在本場區(qū)選擇具有代表性的場地進行試樁。試驗區(qū)布置承載力試驗樁3根，試驗樁樁型均為φ600長螺旋鉆孔壓灌樁，有效樁長為20m。每根試驗樁均進行豎向抗壓、抗拔、水平靜載荷試驗和高、低應(yīng)變試驗。

（一）單樁豎向抗壓靜載試驗（表1）。

（二）單樁豎向抗拔靜載荷試驗（表2）。

（三）單樁水平靜載試驗（表3）。

（四）樁身應(yīng)力測試結(jié)果（表4）。

S1#－S3#試驗樁樁身軸力和樁側(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結(jié)果匯總表

表2 單樁豎向抗拔靜載試驗結(jié)果匯總表

表3 單樁水平靜載試驗結(jié)果匯總表

表4 對應(yīng)不同水平變形單樁水平承載力結(jié)果匯總表

圖1 S1#試驗樁樁身應(yīng)力測試成果圖

圖2 S2#試驗樁樁身應(yīng)力測試成果圖

圖3 S3#試驗樁樁身應(yīng)力測試成果圖

（五）高應(yīng)變承載力測試及低應(yīng)變完整性檢測

在樁基現(xiàn)場載荷試驗前，對樁基進行了低應(yīng)變測試，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)變承載力測試結(jié)果匯總表見表5，動、靜試驗結(jié)果對比見表6。

（六）試驗結(jié)論

總結(jié)、歸納3組試驗樁單樁抗壓、抗拔及水平靜載試驗數(shù)據(jù)及高、低應(yīng)變動力測試數(shù)據(jù)，得出如下試驗結(jié)論：

表5 高應(yīng)變承載力測試結(jié)果匯總表

表6 動靜試驗結(jié)果對比表

表7 各土層極限摩阻力試驗統(tǒng)計值

表8 不同設(shè)計參數(shù)長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)計值為240 kN。

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

根據(jù)試驗結(jié)果，第④1層粉細砂土層的極限端阻力試驗統(tǒng)計值為2300 kPa。

3.動、靜測試結(jié)果對比誤差約4.1%，為采用高應(yīng)變法代替靜載荷試驗對工程樁承載力進行驗收檢測提供了試驗依據(jù)。

4.低應(yīng)變檢測結(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。報告提供的試驗數(shù)據(jù)可作為設(shè)計依據(jù)。

樁基設(shè)計參數(shù)修正

由于原地勘報告提供的樁基設(shè)計參數(shù)是針對鉆孔灌注樁和預(yù)應(yīng)力管樁，與實際采用的長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)場樁基原位測試結(jié)果對樁基設(shè)計參數(shù)進行修正。表8為φ600，樁長20m條件下樁基設(shè)計參數(shù)修正前后的長螺旋鉆孔壓灌樁承載力比較表。

從表8中可看出長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：一是由于長螺旋鉆孔壓灌樁的施工工藝相對鉆孔灌注樁工藝對樁側(cè)和樁端承載力發(fā)揮有提高作用，二是由于根據(jù)樁基原位承載力測試結(jié)果修正后的樁基設(shè)計參數(shù)更接近場地的實際情況。

表9 幾種樁基型式基礎(chǔ)造價比較

經(jīng)濟比較

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

從表9的經(jīng)濟比較結(jié)果來看，長螺旋鉆孔壓灌樁基礎(chǔ)具有較明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢，以上的比較還沒有考慮施工進度以及施工對環(huán)境的影響問題，而這兩項也正是長螺旋鉆孔壓灌樁相比較其他樁型的優(yōu)點。

結(jié)論

通過本文的分析研究，可得出以下幾點結(jié)論：

（作者單位：上海電力設(shè)計院有限公司）

1.長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、中等密實以上的砂土。對于設(shè)計樁長在30m以內(nèi)的樁基工程，采用長螺旋鉆孔壓灌樁是比較經(jīng)濟的。

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

3.由于長螺旋鉆孔壓灌樁在有些地區(qū)工程實例不多，勘察單位對該樁型的設(shè)計參數(shù)積累的經(jīng)驗也不多，往往所提的參數(shù)與實際有較大的差別，因此在采用長螺旋鉆孔壓灌樁時應(yīng)要求在場區(qū)選擇有代表性的地層進行試樁和承載力原位測試試驗。通過試驗數(shù)據(jù)修正樁基設(shè)計參數(shù)，這是優(yōu)化設(shè)計的重要前提。

4.對樁基數(shù)量多的工程，應(yīng)進行靜載荷試驗與高應(yīng)變試驗結(jié)果的對比分析，建立兩者之間的相關(guān)關(guān)系，以便為采用高應(yīng)變試驗進行竣工驗收提供依據(jù)，這樣可以節(jié)約大量的測試費用。