沿海灘涂地區風機樁基礎優化設計

張艷麗

（上海電力設計院有限公司，上海 200025）

0 引言

風力發電作為可再生能源中具有經濟開發價值的清潔能源，越來越受到人們的重視，尤其是沿海地區風力資源豐富。比如，近年來山東省魯北地區、渤海灣南岸沿岸風資源已經被規模化開發利用。

在沿海灘涂地區，由于土層分布不均勻，土層承載力較低，尤其是厚層軟土普遍存在，如果采用常規的挖除換填施工法，工程量大而且施工不方便。而風力發電機組對塔架傾斜十分敏感，對基礎不均勻沉降要求特別高［1］。因此，采用天然地基或者復合地基難以滿足要求。而樁基礎能較好地適應各種地質條件及各種荷載工況，具有承載力大、穩定性好、沉降值小等特點，比較適合地處灘涂的風電場工程采用。風力發電機的樁型，按成樁工藝分為預制樁與灌注樁。通過對山東利津三期風力發電工程的優化設計，選出合理、經濟的樁型與直徑。

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況

利津三期風電場工程位于山東省東營市刁口鄉北部一線防潮堤外側的沿海灘涂地帶，場址區域屬沖積三角洲平原。風電場的單機容量為2.5MW，輪轂高為80m，葉片直徑為100m，風機荷載較大（荷載工況見表1），地基基礎設計級別為1級。

表1 2 500／100風力發電機組塔底荷載工況

1.2 地質條件

場址區域地形較平坦，地貌單一，場地土類型為中軟場地土，根據巖土勘測報告，地表分布有第四系人工填土層（Q4ml）。

巖性為素填土、粉土、粉質粘土、淤泥質粘土、粉質粘土、粉土加粉砂等。

1）層素填土 稍濕，松散至稍密，由粉質粘土組成，厚為2.00～4.50m。

2）層粉土 濕，稍密至中密，厚為1.80～5.90m。粉質粘土：軟塑，含粉粒較高、厚為0.90～6.60m。

3）層淤泥質粘土 流塑至軟塑，含少許鐵銹斑、粉性大、近粉質粘土，厚為0.80～3.40m。粉質粘土：軟塑至可塑，厚為0.90～7.10m。

4）層粉土 稍密至中密，很濕，厚為1.00～9.10m。

5）層粉質粘土 軟塑至可塑，厚為1.00～11.20m。

6）層粉土 中密至密實，很濕，厚為0.80～6.80m。

7）層粉質粘土 可塑，厚為0.30～7.80m。

8）層粉砂 密實，飽和，砂質較純，含少許粘粒，厚為1.10～17.10m。粉土：中密至密實，很濕，厚為0.90～11.10m。

9）層粉質粘土 可塑，分布有多層粉土薄層，厚為0.30～8.00m。其中粉砂：密實，飽和，砂質較純，厚為1.20～19.10m。粉土：中密至密實，很濕，含云母片、粘粒較高，厚為1.60～8.70m。

10）層粉砂 密實，飽和，砂質較純，厚為1.50～8.10m。粉質粘土：黃褐色至灰褐色，可塑，含粉粒較高、分布有多層粉土薄層。

1.3 地質條件評估

由于風機輪轂離地高達80m，基礎面積小，為高聳構筑物，所以風機的穩固是主要因素，加上受風力影響，為了防止風機傾斜，確保風機穩定可靠的運行，基礎埋入土層深度有一定要求。

通過對巖土工程勘測資料分析，各機位巖土工程地質特點為：擬建場地上部第四系地層結構松散，工程土質較差，地基強度較低；由于其厚度較大，天然地基與復合地基均不能滿足重要建（構）筑物對其強度、變形及抗拔的要求，而且場地內飽和粉土、砂土在地震基本烈度達7度時會產生液化現象，液化等級為輕微至中等，因此需要對地基進行處理。根據現場巖土條件，風機基礎擬采用樁基礎。

2 樁型分析［2］

目前風機基礎可供選擇的樁型，按成樁法可分為預制樁與灌注樁。常用的預制樁有鋼筋混凝土預制方樁、高強度預應力混凝土管樁（PHC樁）等。現場制成樁有鉆孔灌注樁、沖孔灌注樁、沉管灌注樁等。

樁型與成樁工藝，應根據荷載性質、樁的使用功能、穿越土層、樁端持力層、地下水位、施工設備、施工環境等，按安全使用、經濟合理的原則選擇。樁分布需滿足樁間距最小要求，樁長需滿足單樁豎向承載力要求，樁端持力層應選擇低壓縮性土層。樁基礎的單樁豎向承載力及水平承載力特征值可按照《建筑樁基技術規范》JGJ94－94規定計算。

2.1 預制樁

2.1.1 預制樁的特點

1）樁的單位面積承載力較高，打樁工序簡單，適用于工期較緊的工程，而且打樁數量越多越可減少成本。

2）樁的質量易于保證和檢查；適用于水下施工；樁身砼的密度大，抗腐蝕性能強；施工工效高。

3）樁的配筋依據搬運、吊裝和壓入時的應力設計，超過正常工作荷載時的用鋼量較大，接樁時還需增加相關費用。

4）樁被錘擊或振動下沉時，震動和噪音較大，因擠土容易引起地面隆起，有時還會影響鄰樁。

5）樁的長度一般為10m左右，長樁需接樁時，接頭處形成薄弱環節，如不能確保全樁長的垂直度，則將降低樁的承載能力，甚至還會在打樁時出現斷樁。

6）不易穿透較厚的堅硬地層，當堅硬地層下仍存在需穿過的軟弱層時，則需輔以其他施工措施。

7）由于此樁工序簡單，工效高，在樁數較多的前提下，可以抵消預制價格較高的缺點，節省基建投資。適用于工期比較緊的工程，因為已經在工廠進行了預制，大大縮短了工期。

2.1.2 預制樁的優化設計

常用的預應力高強混凝土管樁（PHC）按外徑分為，0.3～0.8m，1m，1.2m等規格。為了得到最合理的樁基礎方案，根據地勘資料，取3個勘探孔對不同樁徑的預制樁進行比較計算，尋找不同樁徑下樁基礎造價的變化規律，計算結果如表2所示。

由表3可以看出，當單樁豎向承載力相近時，隨著樁徑的增大，樁徑從0.4m增大到0.6m，費用緩慢下降；樁徑從0.6m增大到1m，費用直線上升。說明，本工程采用直徑為0.6m的預制樁最經濟。

地勘報告顯示，場地存在粉砂層，預制樁沉樁有一定困難，因此樁長應該控制在28m以內。綜合以上分析，本工程選用外徑為0.6m的PHC管樁，樁長為25～28m，每個承臺下布置40根樁。

承臺由上中下三部分組成，上部為一個圓柱，直徑為6.5m，高為1.5m；中部為一個圓臺，底直徑為17.6m、高為1.2m；下部為一個圓柱體，直徑為17.6m，高為1.3m。承臺總高度為4.0m，埋深3.7m。

2.1.3 基礎工程量

基礎工程量估算：承臺使用C40混凝土，每個基礎為513m3；墊層使用C20混凝土（200mm），每層基礎為50m3；使用混凝土管樁600AB 130－10，每個樁基礎為1 100m3；每個基礎使用鋼筋65.5t。開挖方量每個基礎為2 020m3；回填方量每個基礎為1 457m3；工程造價每個基礎為136.5萬元。

2.2 灌注樁

2.2.1 灌注樁的特點

1）適用于不同土層，不宜用于水下樁基。

2）樁長可因地改變，沒有接頭。目前鉆孔灌注樁的直徑已達2.0m，有的樁長達88m。

3）承受軸向壓力時只需配置少量構造鋼筋，需配制鋼筋籠時按工作荷載要求布置，需配置少量構造鋼筋，比預制樁經濟。

4）采用大直徑鉆孔和挖孔灌注樁時，單樁承載力大。

5）樁身直徑較大，孔底沉積物不易清除，樁身質量不易控制，容易出現斷樁、縮頸、露筋和夾泥現象。

2.2.2 灌注樁基礎優化設計

一般的鉆孔灌注樁樁徑分為，0.4～0.8m，1m，1.2m，1.3m等規格。為了得到最合理的樁基礎方案，根據地勘資料，取3個勘探孔對不同樁徑的灌注樁進行比較計算，尋找不同樁徑下樁基礎造價的變化規律。計算結果如表3所示。

表3 灌注樁樁徑比較

由表3比較可以看出，在單樁豎向承載力相近時，隨著樁徑的增大，費用緩慢上升，說明樁徑較小的方案有助于減少投資。但是直徑為0.6m的樁長超過45m時施工較難控制。綜合以上分析，本工程選用直徑0.8m的樁，樁長35m，每個承臺下布置24根樁。

承臺由上、下兩部分組成。上部的上底直徑為5m，下底直徑為16m，高為1.3m的圓臺；下部的直徑為16m，高為1.3m的圓柱體。承臺總高度為2.6m，埋深2.6m。灌注樁采用C40混凝土。

2.2.3 基礎工程量

基礎工程量估算：承臺使用C40混凝土，每個基礎為385m3；墊層使用C20混凝土（200mm），每層基礎為42m3；樁使用C40混凝土，每個樁基礎為422.4m3；每個基礎使用鋼筋113t。開挖方量每個基礎為1 100m3；回填方量每個基礎為673m3；工程造價每個基礎為139.5萬元。

2.3 方案比選

通過預制樁與灌注樁的工程造價比較，單個風機預制樁基礎比灌注樁基礎造價低2.2%；此外，根據兩種樁基礎的特點，該工程所在區域地下水中氯離子及硫酸根離子含量較高，灌注樁水下成樁質量不易控制，施工工期稍長，為防止海水中的氯離子侵蝕，泥漿護壁需消耗大量淡水，施工用水難以解決。

預制PHC樁（預應力高強混凝土管樁）成本低，耐腐蝕性好，施工進度快、技術比較成熟。綜上，本工程采用預應力高強混凝土管樁基礎，如圖1所示。

圖1 風機基礎

3 施工控制要點

預制樁在施工前要試打樁，并采用高應變法對試打樁進行全程監測。先采用機位中間部位的樁進行試打樁，數量不應少于3根，相關施工參數確定后，再進行該機位其他樁的施工。工程樁的靜載和高低應變檢測基樁的選擇，應根據隨機、均勻和具有代表性的原則進行，缺陷樁檢測不包括在檢測比例內。

沉樁過程中要仔細觀測樁身的垂直度，超過1%時要找出原因并設法糾正；當樁尖進入較硬土層后，嚴禁用移動樁機強行回扳的方法糾偏。沉樁過程中，出現進尺反常、樁身傾斜、位移、樁身或樁頂破損等異常時停止沉樁，在查明原因進行必要的處理后方可繼續施工。

在沉樁過程中要認真記錄樁入土深度和捶擊數，以判斷樁身質量及承載力。當捶擊數突然上升或下降時，要停機對照地質資料進行分析，判斷是否遇到障礙物或產生斷樁現象等。

4 結語

在設計前及設計過程中要深入現場，進行詳細的地質勘探，在準確掌握地基土質情況后，再進行設計與定案。基礎處理方案要經過多方案的比選，一方面是由于基礎處理費用所占整個土建工程造價的百分比很大；另一方面，基礎處理方案的合理與否對工程的建設進度影響很大。經過以上分析，對本工程得出如下結論。

1）灘涂地區土層分布不均勻，土層承載力較低，風機基礎應選用樁基礎。

2）同類型樁基礎樁直徑對樁基礎造價有直接影響，應根據具體工程合理選用。

3）預制樁基礎與灌注樁基礎相比，具有成本低、耐腐蝕、施工進度快、技術成熟等優點。

［1］周金海.復雜地質條件下風機塔筒基礎設計［J］.上海電力，2007（4）：389－392.

［2］陳大偉，許立國，范仲桐.高強預應力混凝土（PHC）管樁在吉林長嶺王子風電場風機基礎中的應用［J］.建筑與工程，2011（3）：316－317.