長螺旋鉆孔壓灌樁在風電機組基礎設計中應用

文 | 章榮國

長螺旋鉆孔壓灌樁在風電機組基礎設計中應用

文 | 章榮國

隨著風力發電項目迅速發展和建設速度的加快，對風電機組基礎的設計也提出更高的要求，風電機組基礎設計不僅要安全、經濟、合理，而且要對環境影響小、施工速度快。因此有必要對風電機組基礎設計進行不斷優化，與傳統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，成樁質量穩定等優點，本文根據具體工程實例探討長螺旋鉆孔壓灌樁在風電機組基礎設計中的應用。

長螺旋鉆孔是利用螺旋鉆桿連接螺旋鉆頭加壓回轉，從而破碎孔底巖土而不斷向下鉆進的一種回轉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沖洗液清除，而是由轉動的螺旋鉆桿不斷地輸送至地表或將螺旋鉆具提出鉆孔清除。長螺旋鉆孔壓灌樁成孔、成樁由一機一次完成任務，時效非常高，無循環液鉆進，免去了泥漿循環系統，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－端承復合樁。因此，與其他各種傳統樁型相比，長螺旋鉆孔壓灌樁具有承載力高、成樁質量可靠、施工工藝環保、綜合經濟效益高等顯著特點。

項目工程地質條件及風電機組基礎選型

一、工程地質條件

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、物理力學性質的不同，場址內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，砂質不純，厚度:3.20m－13.80m，地基土承載力特征值為180kPa。

③層粉質粘土，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。

場址區域內地下水為潛水，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層滲透系數建議值為1.0×10-3cm/s－1.0×10-2cm/s。

二、風電機組基礎選型

本場地②1層土上部較松散，且土性不穩定，承載力較低，不適宜做本工程風電機組基礎天然地基的持力層。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埋深應不小于5m，且基坑范圍內土層滲透系數比較大，土層透水性好，基礎在施工過程中必須要進行基坑降水，如果降水達不到預期效果粉細砂層極易在地下水作用下產生流砂，引起坑壁坍塌和持力層承載力降低，不能保證施工質量，因此本工程風電機組基礎不適宜采用天然地基，宜采用樁基礎。

樁基礎一般可采用預制樁和灌注樁。預制樁具有強度高、耐久方便、費用較低、工期較短以及樁身質量容易得到控制等優點。但根據本工程的工程地質條件，②夾層粉質粘土層、③層粉質粘土層與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，平均標貫擊數均小于20擊，根據經驗沉樁是可行的。④層粉細砂層與④夾中細砂層，平均標貫擊數均大于20擊，以密實狀為主，對沉樁會帶來一定難度。根據現場調查，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，很難發揮深部土層對樁抗拔承載力的貢獻，這樣勢必造成樁數大量增加，也會相應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，同時施工質量也難保證。根據本場地的地層條件和長螺旋鉆孔壓灌樁的優勢，本工程比較適宜采用長螺旋鉆孔壓灌樁。

現場試樁結果及分析

為驗證本場地長螺旋鉆孔壓灌樁施工工藝的可行性、確定合理的樁基設計參數以及為今后采用高應變檢測方法進行工程驗收提供依據，特在本場區選擇具有代表性的場地進行試樁。試驗區布置承載力試驗樁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）樁身應力測試結果（表4）。

S1#－S3#試驗樁樁身軸力和樁側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果匯總表

表2 單樁豎向抗拔靜載試驗結果匯總表

表3 單樁水平靜載試驗結果匯總表

表4 對應不同水平變形單樁水平承載力結果匯總表

圖1 S1#試驗樁樁身應力測試成果圖

圖2 S2#試驗樁樁身應力測試成果圖

圖3 S3#試驗樁樁身應力測試成果圖

（五）高應變承載力測試及低應變完整性檢測

在樁基現場載荷試驗前，對樁基進行了低應變測試，結果表明所有樁身結構均為完整樁，類別為Ⅰ類。樁基高應變承載力測試結果匯總表見表5，動、靜試驗結果對比見表6。

（六）試驗結論

總結、歸納3組試驗樁單樁抗壓、抗拔及水平靜載試驗數據及高、低應變動力測試數據，得出如下試驗結論：

表5 高應變承載力測試結果匯總表

表6 動靜試驗結果對比表

表7 各土層極限摩阻力試驗統計值

表8 不同設計參數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計值為240 kN。

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

根據試驗結果，第④1層粉細砂土層的極限端阻力試驗統計值為2300 kPa。

3.動、靜測試結果對比誤差約4.1%，為采用高應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。

4.低應變檢測結果表明，所有試樁均為Ⅰ類樁，樁身完整性較好，成樁工藝可靠。報告提供的試驗數據可作為設計依據。

樁基設計參數修正

由于原地勘報告提供的樁基設計參數是針對鉆孔灌注樁和預應力管樁，與實際采用的長螺旋鉆孔壓灌樁施工工藝有所不同，因此有必要根據現場樁基原位測試結果對樁基設計參數進行修正。表8為φ600，樁長20m條件下樁基設計參數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和樁端承載力發揮有提高作用，二是由于根據樁基原位承載力測試結果修正后的樁基設計參數更接近場地的實際情況。

表9 幾種樁基型式基礎造價比較

經濟比較

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

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

結論

通過本文的分析研究，可得出以下幾點結論：

（作者單位：上海電力設計院有限公司）

1.長螺旋鉆孔壓灌樁施工不受地下水位的限制，適用于粉質粘土、粉土、中等密實以上的砂土。對于設計樁長在30m以內的樁基工程，采用長螺旋鉆孔壓灌樁是比較經濟的。

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，樁身施工質量穩定。

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

4.對樁基數量多的工程，應進行靜載荷試驗與高應變試驗結果的對比分析，建立兩者之間的相關關系，以便為采用高應變試驗進行竣工驗收提供依據，這樣可以節約大量的測試費用。