濕陷性黃土場地風力發電機組樁基礎設計

呂東陽，王吉高，李紹敬

(北京國電華信誠電力技術咨詢有限公司，北京 100029)

1 概述

濕陷性黃土是一種非飽和的欠壓密土，具有大孔和垂直節理，在天然濕度下，其壓縮性較低，強度較高，但遇水浸濕時，土的強度顯著降低，在附加壓力或上覆土的自重壓力下，引起的濕陷變形是一種下沉量大、下沉速度快的失穩性變形，對建筑物危害性大。因此，在濕陷性黃土地區進行建設，應根據濕陷性黃土的特點和工程要求，因地制宜，宜采取以地基處理為主的綜合措施，防止地基受水浸濕引起濕陷對建筑物產生危害。

我國濕陷性黃土主要分布在山西、陜西、甘肅的大部分地區，河南西部和寧夏、青海、河北的部分地區，此外，新疆、內蒙古、山東、遼寧、黑龍江等局部地區亦分布有濕陷性黃土。

上述地區(東北、華北、西北)是我國的風能資源豐富、風電場主要集中的地區，特別是東北三省、河北、內蒙古、甘肅、寧夏和新疆等省(自治區)近200km寬的地帶屬于我國北部地區風能豐富帶，風功率密度在200～300W/m2以上，有的可達500W/m2以上。

近年來，隨著我國經濟快速增長、電力需求量越來越大，基于政府的節能減排等政策大力扶持，我國風電產業蓬勃發展，取得了階段性爆發式增長。

濕陷性黃土場地的風電建設項目也日益增多，規模越來越大，針對此類場地上的風機基礎優化設計，對風電場的安全經濟運行有著十分重要的現實意義。

2 濕陷性黃土場地風機基礎設計

根據《濕陷性黃土地區建筑規范》(以下簡稱黃土規范)，在濕陷性黃土地區進行建設，應根據濕陷性黃土的特點和工程要求，因地制宜，采取以地基處理為主的綜合措施，防止地基浸水濕陷對建筑物產生危害。

防止濕陷性黃土地基濕陷的綜合措施，可分為地基處理、防水措施和結構措施三種。其中地基處理措施主要用于改善土的物理力學性質，減小或消除地基的濕陷變形；防水措施主要用于防止或減少地基受水浸濕；結構措施主要用于減小或調整建筑物的不均勻沉降，或使上部結構適應地基的變形。

結合結構重要性、在使用期間對不均勻沉降限制的嚴格程度及風力發電機組的功率及輪轂高度劃分，風力發電機組基礎屬于乙類。

黃土規范對乙類建筑消除地基部分濕陷性最小厚度要求：

(1)基礎寬度大或濕陷性黃土層厚度大，處理2/3地基壓縮層深度或全部濕陷性黃土層確有困難，應采用整片處理。對自重濕陷地基，處理厚度≥6m，下部未處理土層剩余濕陷量宜≤150mm。

(2)當對地基整片處理時，其處理范圍應大于建筑物底層平面的面積，超出建筑物外墻基礎外緣的寬度，每邊不應小于2m。

(3)根據濕陷性黃土層厚度不同，分別采用天然地基、換填、強夯、灰土擠密方法處理基礎持力層。

表1 幾種處理方法的適用范圍

據上述，若采用地基處理措施，則地基處理深度和剩余濕陷量都應達到《濕陷性黃土地區建筑規范》的規定。這對于濕陷性黃土土層厚度在15m以內的場地，容易滿足規范要求；對于大于15m的場地，現有的處理方法因機械設備條件的限制，很難達到處理深度的要求，未處理土層的剩余濕陷量也無法控制在規范范圍之內。這不僅增加施工的難度，也無法體現淺基礎技術和經濟的合理性。

在濕陷性黃土場地，當采用地基處理措施不能滿足設計要求、對整體傾斜有嚴格限制的高聳結構、對不均勻沉降有嚴格限制的建筑和設備基礎、主要承受水平荷載和上拔力的基礎中任何一條就宜采用樁基礎。風力發電機組基礎主要承受水平荷載、大偏心受力且對整體傾斜限制較嚴格，對于地基處理措施不能滿足設計要求的場地，應采用樁基礎，且樁端必須穿透濕陷性黃土層。

3 設計實例

3.1 工程概況

某風電場49.5MW工程位于遼寧省朝陽市建平縣北部，工程擬安裝1500kW風力發電機組33臺，裝機容量49.5MW。風機基礎極限工況承受荷載為：彎矩52066.0 kN·m，水平力753.3kN，豎向力2249.5kN，扭矩856.8kN·m，荷載修正安全系數1.35。

擬建場區屬于構造剝蝕地形，侵蝕低山、丘陵地貌。場區內除基巖零星出露外，大部分區域被黃土(第①層)覆蓋。地層主要有第四系黃土(Q)、粉土、粉質粘土，燕山旋回晚期第一階段(早白堊紀)侵入巖花崗巖，局部出露有下二疊統大理巖。

黃土呈褐黃色～黃褐色，稍密，稍濕，含白色鈣質菌絲、鐵錳結核，可見有機質和孔隙，具濕陷性，局部夾可塑～硬塑粉質粘土層，上覆0.50m耕植土。該層在場區廣泛分布，且變化較大，一般層厚3.10m～27.40m。

黃土自重濕陷系數為0.002～0.104，平均值0.034；濕陷系數為0.014～0.104，平均值0.053；濕陷起始壓力19～241kPa，平均值82 kPa。濕陷等級分別為Ⅱ中等自重濕陷、Ⅲ嚴重自重濕陷和Ⅳ很嚴重自重濕陷。勘測深度范圍內均未發現地下水，可不考慮地下水對基礎的影響。

3.2 基樁設計計算

在自重濕陷性黃土場地，為減小樁側負摩阻，應盡量采用非擠土樁。本工程選用干作業鉆孔擴底灌注樁。經經驗粗算確定，18根φ600mm和12根φ800mm兩種樁徑方案，分別進行計算。

根據風場地質條件見表1及基礎載荷見表2。

表1 各層地基土力學性質

表2 基礎荷載資料

根據各機位土層分布，計算得到基樁的抗壓、抗拔和水平承載力，均滿足受力要求，見式(1)、(2)和(3)。

表3 不同樁徑力學計算對比參數

據上表，兩種樁徑均能滿足設計要求。但相同樁長情況下，φ600樁徑比φ800樁徑顯著節省了樁身混凝土工程量，同時也提高了樁基礎的可靠性。

風機基礎采用18根直徑φ600mm的干作業鉆孔擴底灌注樁，混凝土采用C30，均布于直徑13.6m的圓上。根據濕陷性黃土規范要求樁穿透濕陷性黃土且不能作為持力層的土層，樁端持力層選為粉質粘土或強風化花崗巖。為提高單樁承載力，以減少樁的數量和減小的長度，對樁端進行擴底處理，擴底直徑為1.2m。見圖1～圖3。

黃土發生濕陷時，樁周土層的下沉量大于樁的下沉量，樁周土對樁側產生向下作用的負摩擦力。設計中應考慮樁頂到樁身中性點范圍內所受的負摩擦力。樁端持力層為粉質粘土或強風化花崗巖時，中性點深度比分別取為0.5和1.0。

樁縱向鋼筋通長配置6根直徑為φ20mm(HRB335)，箍筋采用螺旋式，直徑φ10mm(HPB300)，間距200mm，樁頂以下5d范圍內箍筋加密間距為100mm，另設加強箍直徑Φ18(HRB335)間距2000。

3.3 承臺設計計算

承臺直徑14.8m，承臺厚度2.2m，端部厚度1.0m，樁中心至承臺邊緣距離為0.6m，混凝土采用C35。

彎矩計算截面和沖切破壞錐體見圖2，沖切承載力計算見式(4)，應大于單樁所受最大壓力和拔力。承臺徑向計算截面上的彎矩設計值計算見式(5)，計算承臺下部、上部配筋時，Nmax分別為單樁所受最大壓力、拔力設計值。

基礎采用預應力錨栓連接塔筒，塔筒安裝時對錨栓施加預拉力，確保基礎與塔筒為剛接。此外，應根據式(6)驗算承臺裂縫，極限荷載工況標準值作用下，裂縫寬度不應大于0.3mm；正常運行工況荷載標準值作用下，裂縫寬度不應大于0.2mm。

3.4 其他措施

為降低地基土在施工和設計使用壽命期間浸水的可能性，合理組織風電場內排水；基礎整體抬高，使高出地坪0.3m；回填土分層夯實，壓實系數不小于0.95，坡度2%；墊層下方設300mm厚2∶8灰土墊層防水；鉆孔及擴底施工過程中嚴防雨水或地表水流入樁孔內。采用專用旋挖鉆機施工樁基，并合理組織施工進度。

3.5 總結

采用以上設計方法，對該工程的各點位地質情況進行逐一分析，歸納判斷。對黃土厚度超過15m的點位進行上述基礎設計，從而顯著降低了土建工程量，為工程節省投資，達到了安全、適用、經濟的設計原則。

同時，濕陷性黃土場地風機基礎采用擴底樁基礎方案消除了黃土濕陷性的影響。工程量較小、投資較少、施工簡便、質量易于保證、安全可靠，為風電場早日投產發電、收回投資爭取了寶貴的時間。

4 結語

在濕陷性黃土場內上進行風力發電機組基礎宜采用樁基礎，根據需要進行擴底，此方案設計消除了黃土濕陷性的影響，工程量較小、投資較少、施工簡便、易于保證質量、安全可靠，對工程建設有可觀的經濟效益。

[1]羅宇生.濕陷性黃土地基處理[M].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[2]JGJ 94－2008，建筑樁基技術規范[S].

[3]GB50007－2002，建筑地基基礎設計規范[S].

[4]GB50010－2010，混凝土結構設計規范[S].

[5]GB50025－-2004，濕陷性黃土地區建筑規范[S].

[6]FD003－2007，風電機組地基基礎設計規定(試行)[S].