濕陷性黃土基礎施工技術研究與應用

胡海濤

（中國水利水電第三工程局有限公司，陜西西安 710016）

1 工程地質情況

撿財塘風電場工程位于祁連山造山帶東緣走廊過渡帶的南緣,松山復斜的北冀，區(qū)域上建設項目附近的走廊過渡帶活動性相對穩(wěn)定，褶皺相對開闊，斷裂較少，建設項目南部的北祁連褶皺帶，活動強烈，巖漿巖發(fā)育，褶皺多為緊閉褶皺，斷裂發(fā)育，地層遭受破壞強烈，新生代以來，伴隨著青藏高原的降升，場地附近以整體間歇性隆升為主要特點，差異活動不明顯，擬建工程區(qū)構造不甚發(fā)育，該區(qū)域地殼處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。風機地基均為黃土狀粉土。黃土狀粉土濕陷性評價：本場地黃土為自重濕陷性黃土，濕陷性黃土地基的濕陷性等級為IV級。場址區(qū)地震動峰值加速度小于 0.20g，地震動反應譜特征周期為0.40s，相應地震烈度8度。該地區(qū)標準凍深0.90m。

甘肅白銀平川撿財塘風電場 45MW風電位于甘肅白銀平川區(qū)王家山鎮(zhèn)的撿財塘村附近，建設場區(qū)內主要地層的巖性特征及工程概況如下。

（1）馬蘭黃土(Q3eol)：黃褐色,以粉土為主,土質均勻,大孔隙發(fā)育,垂直節(jié)理發(fā)育,多呈可塑狀,屬風積沉積。

（2）馬蘭黃土(Q3a1-p1)：廣泛分布于工程區(qū),黃褐色,水平層理,土質較均勻,粉粒含量較高,可見大孔隙,垂直節(jié)理發(fā)育,在 10m以下部分勘探點可見白色鈣質結核,局部地層出現(xiàn)姜石,可塑～堅硬,屬沖洪積沉積,勘察孔未穿透該層,最大揭示厚度42m。

（3）角礫、細砂、泥巖：局部分布于個別風機基礎內。粉細砂層最大厚度達8.4m,角礫層11m,泥巖最大揭示厚度為2.5m。

2 基礎設計

場區(qū)共設計風力發(fā)電機組30臺,其中14臺風機基礎采用換填土處理后澆筑混凝土基礎,16臺風機基礎采用灌注樁基礎。

2.1 課題提出

風機基礎和箱式變電站的基礎各有 30座，風機地基處理采用二種型式，換填基礎和鋼筋混凝土灌注樁基礎。

（1）由于風電大規(guī)模開發(fā)在我國屬新發(fā)展領域，需要在施工技術、質量、安全上進行新的探索，以適應這個行業(yè)發(fā)展的需要。

（2）場區(qū)濕陷性黃土基礎上進行風機基礎的施工，在國內尚無先例，這對設計、施工以及后期的運行管理提出了新的挑戰(zhàn)。

（3）場區(qū)內濕陷性黃土覆蓋層較厚，前期地質勘測過程中探孔最深達到 49m，但仍未完全穿透濕陷性黃土覆蓋層，且在濕陷性黃土地區(qū)采用摩擦樁作為風機基礎在國內工程建設中尚屬首列，一旦施工成功將為濕陷性黃土地區(qū)基礎處理設計提供有利保障。

2.2 研究內容

通過甘肅白銀平川撿財塘 45WM風電場獨立風機基礎的施工，研究解決高寒冷地區(qū)大噸位，頻繁振動獨立風機基礎在濕陷性黃土中的可行性及可推廣應用性；并且在施工過程中采用幾種不同方式對濕陷性黃土獨立基礎地基進行處理，從中比較及總結相互之間的優(yōu)劣性，探討換土，旋挖樁，重夯夯實等技術措施的優(yōu)劣性和工法。

2.3 研究的難點

（1）由于在濕陷性地區(qū)基礎處理設計及施工中，選用摩擦樁進行其地基處理的方式在國內尚屬首例，所以在施工過程中確定其施工參數是非常困難的，只有通過現(xiàn)場前期階段的施工，不斷的實驗及總結其施工參數。

（2）由于風力發(fā)電機組基礎所處地層屬大厚度濕陷性黃土，其間又夾帶有0.6～8m的粉細砂層，加之施工時必須采用“干成孔”施工作業(yè)，不能采用常規(guī)的泥漿護壁的成孔工藝，所以在粉細砂層地段樁基礎開挖施工又是一施工難關。

（3）在濕陷性黃土地區(qū)修建大噸位，頻繁振動獨立風機基礎在國內尚屬例，其風力發(fā)電機組的工作性質決定了其對基礎地基穩(wěn)定性的要求，因此在實際施工中通過現(xiàn)場實際情況研究并消除土質濕陷性又是一施工難題。

3 實用施工工藝應用

3.1 灌注樁地基處理施工應用

3.1.1 灌注樁開挖施工應用

在自重濕陷性黃土地區(qū)進行灌注樁造孔施工時，首要條件就是“干作業(yè)”，這一要求將常規(guī)的泥漿護壁成孔工藝拒之門外，為灌注樁造孔施工平添了施工難度。鑒于此首先采用了“人工開挖干成孔作業(yè)”的施工工藝，但在后續(xù)的施工作業(yè)中表明，孔深在 5～10m范圍內采用人工干成孔作業(yè)時是最經濟的，其投入設備少，且施工進度快，成孔質量高，而孔深超過20m以后，如采用人工開挖干成孔作業(yè)將使施工難度大幅增長，施工進度緩慢，施工成本投入加大，不利于整個工程的施工進展。后經過多次探討分析決定采用旋挖機直接干成孔作業(yè)施工，其施工優(yōu)點在于。

（1）施工速度快：螺旋鉆鉆孔平均每小時進尺15m～18m，每天可完成深度為35m的鉆孔3個，遠遠高于人工挖孔和其它造孔設備的成孔速度。

（2）操作簡單、安全：螺旋鉆采用人工操作，電子調整垂直度的方式，人工勞動強度低，簡單、安全、工作效率也高。

（3）機械成孔孔斜率較人工挖孔更為精確：機械成孔孔斜主要依靠鉆機伸縮鉆臂的垂直度來控制，鉆孔前先校正鉆機鉆壁垂直度，從而控制機械成孔的孔斜度。

（4）機械鉆孔施工相對較安全，施工時安全投入較人工挖孔作業(yè)小，節(jié)省工程施工成本。

可是由于風機灌注樁基礎所處地層黃土為粉質黃土，旋挖機在鉆孔完成后進行樁端擴底施工時容易發(fā)生塌孔埋鉆事故，故在實際施工過程中旋挖機只進行樁體主孔部位，樁端擴底施工只能由人工進行施工。鑒于此，對灌注樁成孔施工工藝再次進行優(yōu)化，采用“人機聯(lián)合干成孔作業(yè)法”進行整個施工現(xiàn)場的樁體開挖施工。通過“人機聯(lián)合干成孔作業(yè)法”在風電場灌注樁基礎開挖施工中的成功應用，現(xiàn)總結如下。

所謂“人機聯(lián)合干成孔作業(yè)法”即采用機械鉆孔加以人工進行擴大頭、孔壁、孔底清理施工的方法。其優(yōu)點：施工時如遇到特殊地層可以用人工對該地層及時取樣掌握實際地質情況；在機械鉆孔作業(yè)時一旦進入厚度超過 2m的粉、細砂地層，機械施工難度加大，且孔壁很容易坍塌，而此時采用人工護壁開挖的作業(yè)方式，既可進行順利施工，而不耽誤工程進度，也降低了施工作業(yè)難度。

3.1.2 灌注樁混凝土施工

由于濕陷性黃土吸水性大、保水性差，且混凝土墊層直接澆筑在濕陷性黃土上，施工時混凝土很容易出現(xiàn)裂縫，影響主體基礎的施工。加之灌注樁成孔后，安裝好的鋼筋籠在混凝土澆筑過程中，因灌注樁底端土體吸收入倉混凝土內的水份造成鋼筋籠隨土體的自然沉降而發(fā)生沉降，影響成樁質量。所以在灌注樁成孔后鋼筋籠安裝時，宜在鋼筋籠安裝完畢后在樁井口設置鋼筋籠加固設施，避免在澆筑作業(yè)時鋼筋籠的下沉。

灌注樁澆筑作業(yè)時，易采用直升導管法或串桶法進行澆筑作業(yè)。采用直升導管法澆筑時樁體內混凝土連續(xù)性好，樁身完整，不會出現(xiàn)夾泥、斷樁現(xiàn)象，且在澆筑過程中孔壁不會受到大的擾動，能保持樁身的體型尺寸，大大降低了灌注樁澆筑過程中的塌孔幾率。加之在整個澆筑過程中混凝土導管自始至終處在混凝土澆筑面的下部50～100cm ，使得澆筑成型的樁體內混凝土處于自然密實狀態(tài)，不用人工再進行振搗作業(yè)。但由于直升導管法在施工時需根據樁長投入25t或50t汽車吊，從而增加了施工成本。

而采用串桶法施工時，串桶口始終高于混凝土澆筑面，由于澆筑過程中混凝土入倉后產生震動，局部孔壁坍塌，容易發(fā)生樁體內混凝土夾泥現(xiàn)象或斷樁事故；且在下料過程中容易發(fā)生混凝土離析現(xiàn)象，造成灌注樁內部粗骨料較多，外圍細骨料較多，俗稱“糠心羅卜”，大大降低了灌注樁本身的承載力。故濕陷性建筑地區(qū)混凝土灌注樁澆筑施工時采用直升導管法作為澆筑手段為最好，在實際施工中如因施工場地狹小不能利用吊車時可用卷揚機代替。

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3.2 換填地基處理施工應用

換填基礎基坑為倒圓臺形, 底口直徑為 20m,上口直徑為 28.5m,開挖深度為 8.5m，施工時先根據測量放置的開挖線利用反鏟將其開挖成深 3～5m的基坑，之后再在其周邊開挖一施工通道，利用裝載機分層開挖。在其開挖過程中隨著開挖層面應用人工開挖間距60cm的防滲臺階增強基礎的抗?jié)B性。每個基坑開挖完成后都應取基底原樣土進行滲透及標準擊實試驗，確定其施工用參數。如在基坑開挖完成后其基底面處在粉細砂層或流沙層面上應根據粉細砂層或流沙層的厚度采用層面挖斷法或基底灌漿法對其進行處理，待處理完畢后方可進行基礎換填施工，嚴禁直接在軟弱層面上進行土體置換施工。

換填基礎采用2:8灰土置換原始地面以下基礎應力傳遞范圍內濕陷性黃土，用以消除或降低基礎地基的濕陷性。施工時采用“環(huán)形碾法”和“井”字碾壓法的施工工藝，保證了其地基回填料的壓實度和整體連續(xù)性，保證了風機基礎底部地基承載能力的整體性。施工成型后在自然含水率狀態(tài)下基礎低面的地基承載力特征值(fak)取 280kPa，其變形模量（E0）可取 20MPa。施工時素土回填其壓實系數≥95%，最佳含水率為 10%～12%；2:8灰土施工時回填其壓實度≥97%，其施工最佳含水率為16%～18%，一般不大于18%。其主要施工工藝分析如下。

風機基礎地基處理基坑開挖完成后，通過基坑底部原樣土確定的施工參數進行回填施工作業(yè)。在該項施工中不同于以往回填施工作業(yè)的是每個風機基礎換填選用的施工參數都是不同的，都是根據基坑底部原樣土的土工實驗來確定的。基礎回填施工時其碾壓方式采用環(huán)向蹉距的路線由基坑周邊逐步向中心碾壓，在環(huán)向碾壓完畢后，再按照“#”字形路線碾壓，碾壓完畢之后稱之為一個碾壓回合，每層填筑料需2個平碾回合，6個振碾回合。每個地基換填施工完畢后，靜置3～5 d，使得回填土體與周邊土體的自然沉陷趨于穩(wěn)定。之后在換填基礎回填層上做靜荷載試驗，檢驗換填后風機基礎范圍內地基的沉陷量。待風機地基換填處理完畢后，進行風機基礎混凝土施工。

換填基礎回填施工時每層碾壓完畢后進行土體密實度試驗，每層沿周邊布設四個試驗點，中心布設1個，共計5個試驗點。待各試驗點檢驗合格后再進行下一層回填施工，直至整個基礎地基處理回填施工完畢。

4 結 語

通過在白銀平川撿財塘 45MW風電場工程的風機基礎施工，我們可以對濕陷性黃土地區(qū)基礎處理的設計與施工歸納如下。

（1）濕陷性黃土覆蓋層厚度大、地形特殊地區(qū)樁基礎設計的建議。

根據濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范 GBJ25-90有關條款的規(guī)定，在自重濕陷性黃土地區(qū)不得使用摩擦樁，要求樁須穿透濕陷性土層，樁底支撐在可靠的持力層上。但在白銀平川撿財塘風電場風機基礎設計中，由于該地區(qū)自重濕陷性黃土土層較厚，施工時樁很難穿透濕陷性黃土層，進入可靠的持力層，故在設計時根據部分風機基礎所對應的地層條件，將自重濕陷性為Ⅳ級的馬蘭黃土作為風機灌注樁基礎的持力層。該部分樁基礎既有端承樁的特點又有摩擦樁的特點。鑒于該工程地質的特殊性，建議在類似于該類地質情況的建筑區(qū)域，進行樁基礎設計時灌注樁類型可采用摩擦樁，但樁身直徑不得小于 800mm，樁身長度不宜小于 35m，且樁端必須設不小于1.5d的擴大頭。

由于濕陷性黃土吸水性大、保水性差，且混凝土墊層直接澆筑在濕陷性黃土上，施工時混凝土墊層很容易出現(xiàn)裂縫，影響主體基礎的施工。故在施工時應先在其土層表面覆設 2～3cm厚水泥砂漿，之后再進行混凝土澆筑。澆筑過程中要邊收面邊覆蓋，并及時養(yǎng)護，避免混凝土表面干縮裂縫。澆筑用的混凝土設計時其塌落度要比常規(guī)地區(qū)用混凝土塌落度偏大2～3cm，用以平衡濕陷性黃土地區(qū)混凝土澆筑時由于濕陷性黃土的吸水性造成的混凝土塌落度損失和含水率損失，故在濕陷性黃土建筑地區(qū)混凝土配合比設計時應充分考慮由于該地區(qū)內黃土吸水性引起的混凝土塌落度及含水率的損失，使得施工用混凝土能更好的適用于濕陷性黃土建筑地區(qū)工程施工中。

從以上分析可以看出在濕陷性黃土地區(qū)進行基礎處理時根據其地形條件宜采用換填基礎和灌注樁基礎，其相應的實用工藝及施工過程注意事項可參考以上分析。

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