李院兵, 郭何曲, 陳志林

(武漢聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)股份有限公司,湖北 武漢 430070)

張北縣某風(fēng)電工程位于安固里河岸邊,屬于安固里河一級(jí)階地,地形開(kāi)闊、平緩,地面標(biāo)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(jī)容量為2.5MW的風(fēng)電機(jī)組,風(fēng)機(jī)輪轂高度90 m,葉輪直徑121 m,上部塔筒傳至基礎(chǔ)頂面荷載如表1。

表1 風(fēng)機(jī)上部塔筒傳至風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)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(chǔ)設(shè)計(jì)級(jí)別為一級(jí),基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí),抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為丙類(lèi),地基允許沉降值為150 mm、允許傾斜率(tanθ)為0.004。

1 工程地質(zhì)條件

該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g,設(shè)計(jì)地震分組為第二組。

本場(chǎng)地最大凍深2.50 m,標(biāo)準(zhǔn)凍深2.10 m,地下水位1.80～2.93 m。

場(chǎng)區(qū)巖土結(jié)構(gòu)特征為:上部地層為第四系全新統(tǒng)沖、洪積粉質(zhì)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(cè),歷史上的河道變遷頻繁,導(dǎo)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(gè)風(fēng)機(jī)相對(duì)獨(dú)立,對(duì)每臺(tái)風(fēng)機(jī)而言,可視為均勻地基,巖土層的主要特征、巖土設(shè)計(jì)參數(shù)如表2。

2 天然地基驗(yàn)算

采用錐形基礎(chǔ),底面直徑20 m,基礎(chǔ)埋深3.4 m,基礎(chǔ)自重G1=10 746 kN,基礎(chǔ)上覆土重G2=8 583 kN。按極端荷載工況計(jì)算得到基底平均壓力Pk=99 kPa,基底最大壓力Pkmax=223 kPa。以F02號(hào)風(fēng)機(jī)為例,進(jìn)行天然地基驗(yàn)算,計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1。

2.1 地基承載力計(jì)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(chǔ)底面力矩作用方向受壓寬度;hm為基礎(chǔ)埋置深度。

經(jīng)計(jì)算得fa=246 kPa,1.2fa=295 kPa。

推出Pk

2.2 地基變形計(jì)算[2]

地基沉降計(jì)算按式(2):

(2)

式中:P0為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下,擴(kuò)展基礎(chǔ)底面處的附加應(yīng)力,根據(jù)基底實(shí)際受壓面積計(jì)算。

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

沉降計(jì)算至強(qiáng)風(fēng)化層頂面,分層厚度1 m,計(jì)算深度范圍內(nèi)壓縮模量的當(dāng)量值為7.0 MPa,沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為0.7。

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

圖1 地基計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.1 Computing model of foundation

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

3 樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

選用鉆孔灌注樁,樁徑d為800 m,樁周長(zhǎng)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(zhǎng)lp為17.3 m,樁端進(jìn)入(5-3)號(hào)中風(fēng)化巖層0.8 m。

3.1 單樁承載力估算

單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值(Quk)按式(3)[3]估算,相關(guān)參數(shù)如圖1。

Quk=Qsk+Qpk=uΣqsikli+qpkAp

(3)

式中:qsik為樁側(cè)第i層土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa);qpk為樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa);li為樁周第i層土計(jì)算厚度(m)。

經(jīng)計(jì)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(shè)計(jì)

采用C35混凝土,單樁混凝土凈量約7.79 m3,主筋采用14φ20,通長(zhǎng)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(tái)設(shè)計(jì)

采用錐形承臺(tái)如圖2,基礎(chǔ)底標(biāo)高-2.85 m,底面直徑D為17 m,頂面臺(tái)柱標(biāo)高0.10 m,臺(tái)柱直徑7 m,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35,混凝土總體積約400 m3,鋼筋用量約32.5 t。承臺(tái)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(nèi)圈半徑4 m,布置3根。

計(jì)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(fù)合地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

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

圖2 樁基承臺(tái)設(shè)計(jì)圖Fig.2 Design chart of pile cap

樁頂鋪設(shè)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(zhǎng)lp為10.6 m,長(zhǎng)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(jì)算Ra=484 kN。

樁身強(qiáng)度按式(5)計(jì)算:

(5)

式中:λ取0.8,經(jīng)計(jì)算fcu≥16 MPa。

4.2 復(fù)合地基承載力計(jì)算[6]

復(fù)合地基承載力按式(6)計(jì)算:

(6)

式中:λ取0.8,β取0.9,fsk取150 kPa。

經(jīng)計(jì)算,fspk=279 kPa。

4.3 復(fù)合地基變形計(jì)算

復(fù)合土層的壓縮模量按下式計(jì)算:

Esp=ζ·Es

(7)

ζ=fspk/fak

(8)

經(jīng)計(jì)算,ζ=1.86,各土層復(fù)合模量如表3。

按式(2)計(jì)算tanθ=0.003 6< 0.004。

4.4 擴(kuò)展基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

采用錐形基礎(chǔ),基礎(chǔ)形式如圖3,基礎(chǔ)底面標(biāo)高-3.40 m,底面直徑20 m,頂面臺(tái)柱標(biāo)高0.100 m,直徑7 m,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35,混凝土總體積約607 m3,鋼筋用量約44.3 t。

表3 土層復(fù)合模量表Table 3 Soil composite modulus table

圖3 擴(kuò)展基礎(chǔ)設(shè)計(jì)圖Fig.3 Design chart of extension

5 方案比較

5.1 樁基礎(chǔ)與CFG樁復(fù)合地基基礎(chǔ)技術(shù)性比較

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由塔筒、機(jī)艙和葉輪組成,屬高聳結(jié)構(gòu),承受360°方向重復(fù)荷載,風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)所受到的彎矩作用方向反復(fù)變化,使風(fēng)機(jī)基底受到反復(fù)的拉壓作用,長(zhǎng)期處于偏心荷載作用,對(duì)地基基礎(chǔ)的穩(wěn)定性要求較高。為了滿足基礎(chǔ)承受大傾覆彎矩的工況,無(wú)論是樁—承臺(tái)基礎(chǔ)還是擴(kuò)展基礎(chǔ),傾覆彎矩是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的控制條件,基礎(chǔ)尺寸和重量均較大,通常按大塊體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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(jié)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(tái)與CFG樁—褥墊層—擴(kuò)展基礎(chǔ)比較,除在傳遞豎向壓應(yīng)力方面有相似之處外,在承受拉力、剪力、彎矩上,兩者作用機(jī)理也有著顯著差異,具體比較如表4。

鉆孔灌注樁基礎(chǔ)荷載傳遞路徑明確、變形小、技術(shù)可靠,無(wú)論是設(shè)計(jì)理論還是施工技術(shù)都比CFG樁復(fù)合地基成熟。而CFG樁理論上并不完善,如褥墊層厚度設(shè)計(jì),當(dāng)厚度較大時(shí),樁間土分擔(dān)的荷載增加,基礎(chǔ)沉降量增大;當(dāng)厚度較小時(shí),樁體分擔(dān)的荷載增加,樁土應(yīng)力比難以確定,特別是復(fù)合地基沉降計(jì)算理論,實(shí)測(cè)資料少,計(jì)算理論不成熟。

表4 樁基礎(chǔ)與復(fù)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(jì)性比較

鉆孔灌注樁基礎(chǔ)與CFG樁復(fù)合地基造價(jià)比較如表5。雖然復(fù)合地基中CFG樁比鉆孔灌注樁減少5.8萬(wàn)元,但因擴(kuò)展基礎(chǔ)的厚度和面積較樁基承臺(tái)大,工程造價(jià)增加了23.9萬(wàn)元,CFG樁復(fù)合地基基礎(chǔ)比樁基礎(chǔ)造價(jià)增加26.6%。

表5 基礎(chǔ)造價(jià)比較表(萬(wàn)元)Table 5 Base cost comparison table

注:依據(jù)預(yù)算定額及市場(chǎng)詢價(jià)計(jì)算。

5.3 施工工期比較

受工作面的影響,無(wú)論是鉆孔灌注樁施工還是CFG樁施工,都很難采用多臺(tái)機(jī)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(zhǎng),增加了工程施工費(fèi)。

6 結(jié)論

(1) 經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析,在本工程中,CFG樁復(fù)合地基基礎(chǔ)同鉆孔灌注樁相比較,沒(méi)有任何優(yōu)越性,本工程最終選用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

(2) 當(dāng)同時(shí)具備CFG樁復(fù)合地基和樁基礎(chǔ)條件時(shí),通常情況下CFG樁復(fù)合地基比樁基礎(chǔ)較經(jīng)濟(jì),主要原因是樁基承臺(tái)或擴(kuò)展基礎(chǔ)尺寸較小,絕對(duì)工程量相差不大,但對(duì)于高聳的風(fēng)機(jī)以抵抗傾覆為控制條件的大塊體鋼筋混凝土承臺(tái)或擴(kuò)展基礎(chǔ),其絕對(duì)工程量相差較大,導(dǎo)致CFG樁復(fù)合地基造價(jià)比樁基礎(chǔ)造價(jià)更高。

(3) 樁技術(shù)理論比復(fù)合地基理論成熟,在工程造價(jià)相差不大的情況下,特別是針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等高聳結(jié)構(gòu),宜優(yōu)先選擇樁基礎(chǔ)。